数据通信原理第04章信道.ppt

Ø信道信道ü连接发送端和接受端的通信设备，其功能是将连接发送端和接受端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端信号从发送端传送到接收端第第4 4章章 信信 道道1第第4 4章章 信信 道道Ø信道分类：信道分类：ü无线信道无线信道 －－ 电磁波（含光波）电磁波（含光波）ü有线信道有线信道 －－ 电线、光纤电线、光纤Ø信道中的干扰：信道中的干扰：ü有源干扰有源干扰 －－ 噪声噪声ü无源干扰无源干扰 －－ 传输特性不良传输特性不良Ø本章重点：本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响信号传输的影响2主要内容：主要内容：Ø1 1、无线信道、无线信道Ø2 2、有线信道、有线信道Ø3 3、信道的数学模型、信道的数学模型Ø4 4、信道的特性对信号传输的影响、信道的特性对信号传输的影响Ø5 5、信道的噪声、信道的噪声Ø6 6、信道容量、信道容量3Ø4.1 4.1 无线信道无线信道ü无线信道无线信道l利用电磁波在空间的传播来实现利用电磁波在空间的传播来实现l要求天线的尺寸不小于电磁波波长的要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/101/10。

ü根据通信距离分类：根据通信距离分类：l地波地波l天波天波l视波视波4Ø4.1 4.1 无线信道无线信道ü地球大气层的结构地球大气层的结构l对流层：地面上对流层：地面上 0 ~ 10 km0 ~ 10 kml平流层：约平流层：约10 10 ～～ 60 km60 kml电离层：约电离层：约60 60 ～～ 400 km400 km地地 面面对流层对流层平流层平流层电离层电离层10 km60 km0 km5ü电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响l反射反射l散射散射ü大气层对于传播的影响大气层对于传播的影响l散射散射l吸收吸收4.1 4.1 无线信道无线信道678传播路径地 面图4-1 地波传播Ø电磁波的分类：电磁波的分类：ü1 1、地波、地波l频率频率 < 2 MHz< 2 MHzl有绕射能力有绕射能力l距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 9地 面信号传播路径图 4-2 天波传播Ø电磁波的分类：电磁波的分类：ü2 2、天波、天波l频率：频率：2 ~ 30 MHz2 ~ 30 MHzl特点：被电离层反射特点：被电离层反射l一次反射距离：一次反射距离：< 4000 km< 4000 kml寂静区：寂静区：10Ø电磁波的分类：电磁波的分类：ü3 3、视线传播：、视线传播：l频率频率 > 30 MHz> 30 MHzl距离距离: : 和天线高度有关和天线高度有关l式中，式中，D D –– 收发天线间距离收发天线间距离(km)(km)。

ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播m11Ø[ [例例] ] 若要求若要求D D = 50 km = 50 km，则由式，则由式(4.1-3)(4.1-3)m12Ø增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径l中继通信：无线电中继中继通信：无线电中继l卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星l平流层通信：位于平流层的高空平台电台平流层通信：位于平流层的高空平台电台图4-4 无线电中继13散射传播散射传播Ø1 1、电离层散射、电离层散射机理机理 －－ 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 －－ 30 ~ 60 MHz30 ~ 60 MHz距离距离 －－ 1000 km1000 km以上以上14图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域散射传播散射传播Ø2 2、对流层散射、对流层散射机理机理 －－ 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率 －－ 100 ~ 4000 MHz100 ~ 4000 MHz最大距离最大距离 < 600 km< 600 km15Ø3 3、流星流星余迹散射、流星流星余迹散射ü流星余迹特点：流星余迹特点：ü高度高度80 ~ 120 km80 ~ 120 km，长度，长度15 ~ 40 15 ~ 40 kmkmü存留时间：小于存留时间：小于1 1秒至几分钟秒至几分钟频率频率 －－ 30 ~ 100 MHz30 ~ 100 MHz距离距离 －－ 1000 km1000 km以上以上特点特点 －－ 低速存储、高速突发、断续传输低速存储、高速突发、断续传输图4-8 流星余迹散射通信流星余迹16常用民用通信方式：常用民用通信方式：Ø蜂窝网：特高频频段蜂窝网：特高频频段Ø卫星通信：特高频和超高频频段卫星通信：特高频和超高频频段17主要内容：主要内容：Ø1 1、无线信道、无线信道Ø2 2、有线信道、有线信道Ø3 3、信道的数学模型、信道的数学模型Ø4 4、信道的特性对信号传输的影响、信道的特性对信号传输的影响Ø5 5、信道的噪声、信道的噪声Ø6 6、信道容量、信道容量184.2 有线信道有线信道Ø分类分类ü明线明线ü对称电缆对称电缆ü同轴电缆同轴电缆19Ø1 1、明线、明线ü是指平行架设在电线杆上的架空线路。

是指平行架设在电线杆上的架空线路20Ø2 2、对称电缆：由许多对双绞线组成、对称电缆：由许多对双绞线组成Ø3 3、同轴电缆、同轴电缆图4-9 双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10 同轴线21Ø光纤光纤l------传播光信号的有线信道传播光信号的有线信道l发明者：华裔科学家高锟发明者：华裔科学家高锟Ø高高 锟锟 教教 授授 发发 明明 的的““纤纤 维维 光光 学学””在在 全全 球球 获获 得得 广广 泛泛 应应 用，用， 并并 在在 香香 港港 知知 识识 产产 权权 署署 与与 香香 港港 发发 明明 家家 协协 会会 联联 办办 的的““二二 十十 世世 纪纪 十十 大大 最最 受受 港港 人人 欢欢 迎迎 发发 明明 品品””选选 举举 中中 入入 榜22Ø光纤光纤------结构结构ü纤芯纤芯ü包层包层Ø分类分类ü按折射率分类按折射率分类l阶跃型阶跃型l梯度型梯度型ü按模式分类按模式分类l多模光纤多模光纤l单模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图4-11 光纤结构示意图(a)(b)(c)23l损耗最小点：损耗最小点：1.311.31与与1.55 1.55  m m损耗与波长关系损耗与波长关系0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系24主要内容：主要内容：Ø1 1、无线信道、无线信道Ø2 2、有线信道、有线信道Ø3 3、信道的数学模型、信道的数学模型Ø4 4、信道的特性对信号传输的影响、信道的特性对信号传输的影响Ø5 5、信道的噪声、信道的噪声Ø6 6、信道容量、信道容量254.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型Ø信道模型的分类：信道模型的分类：ü调制信道调制信道ü编码信道编码信道编码信道调制信道26Ø4.3.1 4.3.1 调制信道模型调制信道模型式中式中 －－ 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压； －－ 信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压； －－ 噪声电压。

噪声电压通常假设：通常假设：这时上式变为：这时上式变为： －－ 信道数学模型信道数学模型274.3.1 4.3.1 调制信道模型调制信道模型Ø因因k k( (t t) )随随t t变，故信道称为时变信道变，故信道称为时变信道Ø因因k k( (t t) )与与e e i i ( (t t) )相乘，故称其为相乘，故称其为乘性干扰乘性干扰Ø因因k k( (t t) )作随机变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道Ø若若k k( (t t) )变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道Ø乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰28Ø4.3.1 4.3.1 调制信道模型调制信道模型f [ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图4-13 调制信道数学模型29Ø4.3.2 4.3.2 编码信道模型编码信道模型 ü二进制编码信道简单模型二进制编码信道简单模型 －－ 无记忆信道模型无记忆信道模型lP(0 / 0)P(0 / 0)和和P(1 / 1) P(1 / 1) －－ 正确转移概率正确转移概率lP(1/ 0)P(1/ 0)和和P(0 / 1) P(0 / 1) －－ 错误转移概率错误转移概率lP P(0 / 0) = 1 (0 / 0) = 1 –– P P(1 / 0)(1 / 0)lP P(1 / 1) = 1 (1 / 1) = 1 –– P P(0 / 1) (0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端30Ø4.3.2 4.3.2 编码信道模型编码信道模型 ü四进制编码信道模型四进制编码信道模型 01233210接收端发送端31主要内容：主要内容：Ø1 1、无线信道、无线信道Ø2 2、有线信道、有线信道Ø3 3、信道的数学模型、信道的数学模型Ø4 4、信道的特性对信号传输的影响、信道的特性对信号传输的影响Ø5 5、信道的噪声、信道的噪声Ø6 6、信道容量、信道容量32Ø4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响ü按调制信道模型，分类：按调制信道模型，分类：l恒参信道恒参信道 非时变线性网络非时变线性网络l随参信道随参信道 时变网络时变网络33Ø4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响ü恒参信道的影响恒参信道的影响l恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道……l恒参信道恒参信道  非时变线性网络非时变线性网络  信号通过线信号通过线性系统的分析方法。

性系统的分析方法34Ø恒参信道恒参信道ü线性系统中无失真条件：线性系统中无失真条件：l1 1、振幅～频率特性：为水平直线时无失真、振幅～频率特性：为水平直线时无失真下图为典型信道特性，下图为典型信道特性， 用插入损耗便于测量用插入损耗便于测量(a) 插入损耗～频率特性35Ø恒参信道恒参信道ü线性系统中无失真条件：线性系统中无失真条件：l2 2、相位～频率特性：要求其为通过原点的直线，、相位～频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为常数时无失真即群时延为常数时无失真群时延定义：群时延定义：频率(kHz)（ ms ）群延迟(b) 群延迟～频率特性0相位～频率特性36信道的振幅信道的振幅——频率特性不理想时的失真：频率特性不理想时的失真：Ø频率失真：振幅～频率特性不良引起的频率失真频率失真：振幅～频率特性不良引起的频率失真  波波形畸变形畸变  码间串扰码间串扰ü解决办法：线性网络补偿解决办法：线性网络补偿Ø相位失真：相位～频率特性不良引起的相位失真：相位～频率特性不良引起的ü对语音影响不大，对数字信号影响大对语音影响不大，对数字信号影响大ü解决办法：同上解决办法：同上37信道的振幅信道的振幅——频率特性不理想时的失真：频率特性不理想时的失真：Ø非线性失真：非线性失真：ü可能存在于恒参信道中可能存在于恒参信道中ü定义：定义： 输入电压～输出电压关系输入电压～输出电压关系 是非线性的。

是非线性的Ø其他失真：其他失真：频率偏移、相位抖动频率偏移、相位抖动……非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压38Ø变参信道的影响变参信道的影响ü变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变ü变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播……Ø变参信道的特性：变参信道的特性：l衰减随时间变化衰减随时间变化l时延随时间变化时延随时间变化l多径效应：多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且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，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即存在多径传播现象39Ø多径效应分析：多径效应分析：设设 发射信号为发射信号为 接收信号为接收信号为式中式中 －－ 由第由第i i条路径到达的接收信号振幅；条路径到达的接收信号振幅； －－ 由第由第i i条路径达到的信号的时延；条路径达到的信号的时延； 上式中的上式中的 都是随机变化的。

都是随机变化的40Ø多径效应分析：多径效应分析：应用三角公式可以将式应用三角公式可以将式( (4.4-1)4.4-1)改写成：改写成： (4.4-2)(4.4-2) 缓慢随机变化振缓慢随机变化振幅幅缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅41Ø多径效应分析：多径效应分析：ü所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓所以，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：慢变化的窄带信号：ü这种包络起伏称为这种包络起伏称为快衰落快衰落 －－ 衰落周期和码元周期衰落周期和码元周期可以相比可以相比ü另外一种衰落：另外一种衰落：慢衰落慢衰落 －－ 由传播条件引起的由传播条件引起的 42Ø综上所述，接收信号的分类：综上所述，接收信号的分类：ü确知信号：确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信接收端能够准确知道其码元波形的信号号 ü随相信号：随相信号：接收码元的相位随机变化接收码元的相位随机变化 ü起伏信号：起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。

机变化 通过多径信道传输的信号都具有这种通过多径信道传输的信号都具有这种特性特性 43主要内容：主要内容：Ø1 1、无线信道、无线信道Ø2 2、有线信道、有线信道Ø3 3、信道的数学模型、信道的数学模型Ø4 4、信道的特性对信号传输的影响、信道的特性对信号传输的影响Ø5 5、信道的噪声、信道的噪声Ø6 6、信道容量、信道容量44Ø4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声ü噪声噪声l信道中存在的不需要的电信号信道中存在的不需要的电信号l又称加性干扰又称加性干扰ü按噪声来源分类按噪声来源分类l人为噪声人为噪声 －－ 例：开关火花、电台辐射例：开关火花、电台辐射l自然噪声自然噪声 －－ 例：闪电、大气噪声、宇宙例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、噪声、热噪声热噪声45Ø热噪声热噪声ü来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动 ü频率范围：均匀分布在大约频率范围：均匀分布在大约 0 0 ～～ 10101212 Hz Hzü热噪声电压有效值：热噪声电压有效值： 式中式中k k = 1.38 = 1.38   10 10-23-23（（J/KJ/K）） －－ 波兹曼常数；波兹曼常数； T T －－ 热力学温度（热力学温度（º ºK K）；）； R R －－ 阻值（阻值（ ）；）； B B －－ 带宽（带宽（HzHz）。

ü性质：性质：高斯白噪声高斯白噪声46Ø按噪声性质分类按噪声性质分类ü脉冲噪声：脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多其频谱较宽电火花就是时间比间隔时间短得多其频谱较宽电火花就是一种典型的脉冲噪声一种典型的脉冲噪声 ü窄带噪声：窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的可以看作或频率位置通常是确知的或可以测知的可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波是一种非所需的连续的已调正弦波ü起伏噪声：起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等和宇宙噪声等注：讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考注：讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响虑起伏噪声，特别是热噪声的影响47主要内容：主要内容：Ø1 1、无线信道、无线信道Ø2 2、有线信道、有线信道Ø3 3、信道的数学模型、信道的数学模型Ø4 4、信道的特性对信号传输的影响、信道的特性对信号传输的影响Ø5 5、信道的噪声、信道的噪声Ø6 6、信道容量、信道容量48Ø4.6 4.6 信道容量信道容量ü信道容量信道容量 －－ 指信道能够传输的最大平均信息速指信道能够传输的最大平均信息速率。

率ü信道分类：连续信道和离散信道，描述方式不同信道分类：连续信道和离散信道，描述方式不同49Ø4.6 4.6 信道容量信道容量ü 4.6.1 4.6.1 离散信道容量离散信道容量l两种不同的度量单位：两种不同的度量单位：ØC C －－ 每个符号能够传输的平均信息量最大值每个符号能够传输的平均信息量最大值ØC Ct t －－ 单位时间（秒）内能够传输的平均信单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值息量最大值Ø两者之间可以互换两者之间可以互换50Ø计算离散信道容量的信道模型计算离散信道容量的信道模型ü发送符号：发送符号：x x1 1，，x x2 2，，x x3 3，，……，，x xn nü接收符号：接收符号： y y1 1，，y y2 2，，y y3 3，，……，，y ym müP P( (x xi i) = ) = 发送符号发送符号x xi i 的出现概率的出现概率 ，，i i ＝＝ 1 1，，2 2，，……，，n n；；üP P( (y yj j) = ) = 收到收到y yj j的概率，的概率，j j ＝＝ 1 1，，2 2，，……，，m m üP P( (y yj j/ /x xi i) = ) = 转移概率，转移概率， 即发送即发送x xi i的条件下收到的条件下收到y yj j的条件概率的条件概率51Ø计算离散信道容量的信道模型计算离散信道容量的信道模型x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。

ym图4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)52Ø计算收到一个符号时获得的平均信息量计算收到一个符号时获得的平均信息量ü从信息量的概念得知：发送从信息量的概念得知：发送x xi i时收到时收到y yj j所获得的信所获得的信息量等于发送息量等于发送x xi i前接收端对前接收端对x xi i的不确定程度（即的不确定程度（即x xi i的信息量）减去收到的信息量）减去收到y yj j后接收端对后接收端对x xi i的不确定程度的不确定程度ü发送发送x xi i时收到时收到y yj j所获得的信息量为：所获得的信息量为： = -log= -log2 2P P( (x xi i) - [-log) - [-log2 2P P( (x xi i / /y yj j)])]53Ø计算收到一个符号时获得的平均信息量计算收到一个符号时获得的平均信息量ü对所有的对所有的x xi i和和y yj j取统计平均值，得出收到一个符号时取统计平均值，得出收到一个符号时获得的平均信息量，获得的平均信息量，平均信息量平均信息量 / / 符号符号 ＝＝ 54上式中上式中－为每个发送符号－为每个发送符号x xi i的平均信息量，称为信源的的平均信息量，称为信源的熵熵。

－为接收－为接收y yj j符号已知后，发送符号符号已知后，发送符号x xi i的平均信息量的平均信息量 由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有[ [H H( (x x) ) –– H H( (x/yx/y)])]，而发送符号的信息量原为，而发送符号的信息量原为H H( (x x) )，少了的部，少了的部分分H(x/yH(x/y) )就是传输错误率引起的损失就是传输错误率引起的损失 55Ø二进制信源的熵二进制信源的熵ü设发送设发送““1 1””的概率的概率P P(1) = (1) =  ，，则发送则发送““0 0””的概率的概率P(0) P(0) ＝＝ 1 - 1 -  当当  从从0 0变到变到1 1时，信源的熵时，信源的熵H(H( ) )可以写成：可以写成：ü按照上式画出的曲线：按照上式画出的曲线：ü由此图可见，当由此图可见，当  ＝＝ 1/21/2时，时，此信源的熵达到最大值此信源的熵达到最大值这时两个符号的出现概率相等，这时两个符号的出现概率相等，其不确定性最大其不确定性最大图4-21 二进制信源的熵H()56Ø无噪声信道无噪声信道ü对于无噪声信道，模型变为：对于无噪声信道，模型变为：x1x2x3y3y2y1接收端发送端。

yn图4-22 无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn57Ø无噪声信道无噪声信道ü发送符号和接收符号有一一对应关系发送符号和接收符号有一一对应关系 ü此时此时P P( (x xi i / /y yj j) = ) = 0 0；； H(x/yH(x/y) = ) = 0 0ü因为，平均信息量因为，平均信息量 / / 符号符号 ＝＝H H( (x x) ) –– H H( (x x/ /y y) )ü所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为息量为H H( (x x) )而原来在有噪声条件下，从一个符号获而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为得的平均信息量为[ [H H( (x x) )－－H H( (x x/ /y y)])]这再次说明这再次说明H H( (x x/ /y y) )即为因噪声而损失的平均信息量即为因噪声而损失的平均信息量58Ø由此得出信道容量的定义：由此得出信道容量的定义：ü每个符号能够传输的平均信息量最大值每个符号能够传输的平均信息量最大值 ( (比特比特/ /符号符号) ) ü当信道中的噪声极大时，当信道中的噪声极大时，H H( (x x / / y y) = ) = H H( (x x) )。

这时这时C = C = 0 0，即信道容量为零即信道容量为零59Ø 4.6.2 4.6.2 连续信道容量连续信道容量定义：定义：式中式中 S S －－ 信号平均功率信号平均功率 （（W W）；）； N N －－ 噪声功率（噪声功率（W W）；）； B B －－ 带宽（带宽（HzHz）Ø 设噪声单边功率谱密度为设噪声单边功率谱密度为n n0 0，则，则N N = = n n0 0B B；；故上式可以改写成：故上式可以改写成：由上式可见，由上式可见，连续信道的容量连续信道的容量C Ct t和信道带宽和信道带宽B B、信号、信号功率功率S S及噪声功率谱密度及噪声功率谱密度n n0 0三个因素有关三个因素有关 60精品课件精品课件！精品课件精品课件！作业作业ØP84，思考题：，思考题：4-1，，4-9，，4-14，，4-16Ø习题：习题：4-163。