通信原理樊昌信第六版PPT第4章讲解

1,4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道的数学模型 4.4 信道特性对信号传输的影响 4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量,第4章 信道,2,目的：了解各种实际信道、信道的数学模型和信道容量的概念。,思路：在介绍实际信道的例子基础上,归纳信道的特性,阐述信道的数学模型，最后简介了信道容量的概念。 要求：注重了解各种实际信道的特点，掌握信道的数学模型，简单运用信道容量公式解决实际问题。,3,信道是指以传输媒质为基础的信号通道。 信道与发送设备、接收设备一起组成通信系统。 没有信道，通信就无法进行. 信道的好坏直接影响通信的质量。,4,信道仅是指信号的传输媒质狭义信道. 信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置， 广义信道。 常把广义信道简称为信道。,5,信道,6,调制信道和编码信道,7,4.1 无线信道,无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制 地球大气层的结构 电离层对于传播的影响 反射 散射 大气层对于传播的影响 散射 吸收,8,4.1 无线信道,电磁波传播方式： 1、地波（ground wave） 频率 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千km,9,4.1 无线信道,2、天波（sky wave） 60km400km,频率：2 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离： 4000 km 寂静区：电磁波不能到达,地 面,10,4.1 无线信道,3、视线传播： 频率 30 MHz，穿透电离层，只能视线传 距离: 和天线高度有关,(m),11,4.1 无线信道,增大视线传播距离的其他途径 中继通信： 可采用卫星中继，即卫星通信,12,4.1 无线信道,卫星通信： 静止卫星：同步卫星，赤道，三颗 移动卫星,13,解决：平流层通信：1722km，高空平台电台做转发器或基站（气球，太阳能飞机），,同步卫星:离地面35860km的赤道上放3颗同步卫星，可实现除南、北极地区之外的全球覆盖（且有部分重叠），从而可实现全球通信。,优点：传输距离远，覆盖地域广，传播稳定可靠，传输容量大等。 缺点：功率大，延迟大，技术要求较高，一次性投入大。 应用：广泛用于传输多路电话、电报、数据和电视。,14,4.1 无线信道,大气层对于传播的影响 散射 吸收,15,4.1 无线信道,散射传播：媒体不均匀，多向折射，能量主要集中于前方（前向散射) 电离层散射：30MHz60MHz 对流层散射：地面10余km间大气层，大气不均匀，100MHz4000MHz，最大距离600km 流星余迹：使电磁波散射，80km120km高，30MHz100MHz，距离1000km以上,地球,16,4.2 有线信道,1、明线,平行而相互绝缘的架空裸线线路。 优点：传输损耗小（与电缆相比） 缺点：易受气候环境影响，易受干扰。 结论：已逐渐淘汰。,17,4.2 有线信道,2、对称电缆：由许多对双绞线组成 优点：与外界相互干扰小，传输性能较稳定。 缺点：损耗比明线大。 主要应用：用户电话接入线,18,由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，之间填充介质。,3、同轴电缆,实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。,19,优点：与外界相互干扰小，（外导体接地起屏蔽作用），带宽大。 缺点：成本较高（与对称电缆相比）。 应用：比较广泛。如电视电缆（75），实验室仪器用的信号电缆（50 ） 增大容量，可以多芯,20,4、光纤 以光导纤维（简称光纤, Optical Fiber ）为传输媒质、光波作为载波的光纤信道。 由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽。,4.2 有线信道,21,4.2 有线信道,结构 纤芯、包层 按折射率分： 阶跃型 梯度型 按模式分： 多模、单模,22,4.3 信道的数学模型,狭义：按传媒分，有线无线， 广义：方便研究，调制信道，编码信道 信道模型的分类： 调制信道：发端调制器输出至收端解调器输入 编码信道：编码器输出至解码器输入,23,有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端; 绝大多数信道都是线性的，即满足线性叠加原理； 信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间； 信号通过信道会受到固定的或时变的损耗； 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。,24,4.3 信道的数学模型,1 、调制信道模型 常假设：,加性干扰,乘性干扰,25,k(t)随t变时变信道； k(t)与ei (t)相乘，乘性干扰由信道不理想造成，无信号时，无乘性干扰； 若k(t)随时间作随机快变化随参信道； 若k(t)变化很慢或很小恒参信道。 加性干扰一直存在。,4.3 信道的数学模型,26,4.3 信道的数学模型,无记忆：前后码元错误相互独立，信道内只有起伏噪声 有记忆：一个码元的错误与前后码元有依赖关系，信道除有 起伏噪声外，还存在多径效应等 错码产生原因：调制信道不理想造成,2 、编码信道模型 用转移概率描述,27,4.3 信道的数学模型,四进制编码信道模型,28,4.4 信道特性对信号传输的影响,1.恒参信道对信号传输的影响 恒参信道：有线信道、卫星信道 恒参信道描述 非时变线性网络 信号通过线性系统的分析方法。 无失真条件： 振幅频率特性：为水平直线时无失真 相位频率特性：过原点的直线 群时延为常数:,29,插入损耗频率特性,群延迟频率特性,典型电话信道特性,30,4.4 信道特性对信号传输的影响,恒参信道对信号传输的影响： 频率失真：振幅频率特性不理想，线性失真 频率失真影响： 模拟信号=波形畸变 数字信号=码间串扰 解决办法：线性网络补偿，均衡器 相位失真：相位频率特性不理想引起， 对语音影响不大，对视频信号影响大 对数字信号影响大，造成码间串扰 解决办法：同上 非线性失真：输入电压输出电压关系为非线性，产生新谐波谐波失真 其他失真：频率偏移、相位抖动等,31,2.变参信道对信号传输的影响 信道参数随时间而变时变信道 变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播 变参信道的特性：衰减随时间变化、时延随时间变化、多径效应 多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。,着重分析,4.4 信道特性对信号传输的影响,32,4.4 信道特性对信号传输的影响,多径效应分析： 设发射信号为,第i条路径接收信号振幅,第i条路径信号延时,随机包络,随机相位,接收信号为R(t),则,33,4.4 信道特性对信号传输的影响,接收信号的包络 接收信号的相位 接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号，波形：,34,4.4 信道特性对信号传输的影响,结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。这种包络起伏称为快衰落（衰落周期和码元周期可以相比 ）。 幅度衰落： 频率弥散： 慢衰落：由传播条件引起,35,4.4 信道特性对信号传输的影响,多径效应简化分析 考虑两径模型：仅有两条衰减相同，时延不同路径。 设：发送为f(t)，其频谱为F(), 接收信号为A f(t - 0) A f(t - 0 - )，频谱为 信道传递函数为：,36,4.4 信道特性对信号传输的影响,传输函数模值为：,衰落和频率有关频率选择性衰落,极点,零点,定义：相关带宽1/，信号带宽不能大于相关带宽,37,4.4 信道特性对信号传输的影响,实际：路径不止两条，各条衰减不同，不会有零点 设m 多径中最大的相对时延差 定义：多径效应的相关带宽1/m 要求：信号带宽相关带宽 多径效应的影响会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。 若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。 结论：多径效应限制了信号的码元传输速率和带宽。,38,接收信号的分类： 确知信号、随相信号、起伏信号 确知信号接收端能够准确知道其码元波形的信号； 随相信号接收码元的相位随机变化； 起伏信号接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化， 通过多径信道传输的信号都是起伏信号。,4.4 信道特性对信号传输的影响,39,4.5 信道中的噪声,信道中存在的不需要的电信号，加性干扰。 按噪声来源分： 人为噪声、自然噪声(含热噪声) 按噪声性质分类： 脉冲噪声：突发性产生，幅度很大，其持续时间短，频谱宽 窄带噪声：频谱或频率位置通常是确知或可测。 起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。,40,4.5 信道中的噪声,热噪声 来源：来自一切导体中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。 热噪声电压有效值： k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数； T 热力学温度（ºK）； R 阻值（）； B 带宽（Hz）。 性质：高斯白噪声,41,4.5 信道中的噪声,窄带高斯噪声 经窄带接收机滤波后的白噪声。其功率为： 噪声等效带宽：噪声功率不变，功率谱密度曲线变为矩形,Pn(f),噪声等 效带宽,Pn (f0),42,4.6 信道容量,信道容量：信道能够传输的最大平均信息速率。 离散信道容量 C每个符号传输的最大平均信息量,单位:b/符号 Ct单位时间（秒）传输的最大平均信息量,单位: b/秒 计算离散信道容量的信道模型 发送符号：x1，x2，x3，xn 接收符号： y1，y2，y3，ym,43,4.6 信道容量,P(xi) = 发送xi 的概率 ，i 1,n； P(yj) = 收到yj的概率，j 1,m; P(yj/xi) = 转移概率，即发 xi 收 yj 的条件概率,44,4.6 信道容量,发送 xi 时收到 yj 所获得的信息量为 -log2P(xi) - -log2P(xi /yj) xi的信息量-收到yj后xi的信息量 对所有的xi和yj取统计平均值，得,45,4.6 信道容量,式中 为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源熵。 为yj符号已知后，符号xi的平均信息量。 H(x/y) 是传输错误率引起的信息量损失。,46,4.6 信道容量,二进制信源的熵 发送“1”的概率P(1) = ， 发送“0”的概率P(0) 1 - 信源的熵H()为： 最大点出现在0.5,H(),47,4.6 信道容量,无噪声信道: 发符号和收符号一一对应， H(x/y) = 0。接收一个符号获得的平均信息量为H(x)。 容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值 (b/符号) 容量Ct的定义：当信道的符号率为r时， (b/s),48,4.6 信道容量,【例41】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于1/2。信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128。试画出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。 解：,49,4.6 信道容量,已知:P(yj/xi)，由概率论中贝叶斯公式 得P(x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/128， P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 1/128 ，又P(y1) +P(y2) = 1,50,4.6 信道容量,平均信息量 / 符号H(x) H(x / y) = 1 0.045 = 0.955（b / 符号） 因传输错误每个符号损失的信息量为 H(x / y) = 0.045（b/ 符号）,51,4.6 信道容量,连续信道容量 带宽有限、平均功率有限，高斯白噪声连续信道，有Shannon信道容量公式： S 信号平均功率 （W）； N 噪声功率（W ）；