通信原理第4章信道.ppt

,第四章 信 道,4.1 信道 4.2 信道的數(shù)學(xué)模型 4.3 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?4.4 信道的加性噪聲 4.5 信道的容量,引言,信號(hào)的傳輸離不開(kāi)信道，而信道的噪聲是不可避免的。因而信道和噪聲是通信中所要研究的重要內(nèi)容。 本章在介紹信道定義和信道模型的基礎(chǔ)上，著重分析信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，并介紹信道的噪聲和信道容量。,4. 1 信道,概念：就是信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì) 根據(jù)通信的概念，信號(hào)必須依靠傳輸介質(zhì)傳輸，所以傳輸介質(zhì)被定義為狹義信道。另一方面，信號(hào)還必須經(jīng)過(guò)很多設(shè)備(發(fā)送機(jī)、接收機(jī)、調(diào)制器、解調(diào)器、放大器等)進(jìn)行各種處理，這些設(shè)備顯然也是信號(hào)經(jīng)過(guò)的途徑，因此，把傳輸介質(zhì)(狹義信道)和信號(hào)必須經(jīng)過(guò)的各種通信設(shè)備統(tǒng)稱為廣義信道。,信道的分類：,調(diào)制器,發(fā)轉(zhuǎn)換器,媒質(zhì),收轉(zhuǎn)換器,解調(diào)器,編碼器,譯碼器,調(diào)制信道與編碼信道,調(diào)制信道,信源,信宿,編碼信道,多模,（1）明線 與電纜相比，它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸損耗低。但它易受氣候和天氣的影響，并且對(duì)外界噪聲干擾較敏感,（2）對(duì)稱電纜 在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì)。 導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為0.41.4mm。 為了減小各線對(duì)之間的相互干擾，每一對(duì)線都擰成扭絞狀。 通常有兩種類型： 非屏蔽（UTP） 和屏蔽（STP）。,特點(diǎn) 電纜的傳輸損耗比較大 但其傳輸特性比較穩(wěn)定 并且價(jià)格便宜 安裝容易 對(duì)稱電纜主要用于市話中繼線路和用戶線路，在許多局域網(wǎng)如以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)中也采用高等級(jí)的UTP電纜進(jìn)行連接。STP電纜的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施。對(duì)噪聲有更好的屏蔽作用，但是其價(jià)格要昂貴一些.,（3）同軸電纜,由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線，它們之間填充著介質(zhì)。實(shí)際應(yīng)用中同軸電纜的外導(dǎo)體是接地的，對(duì)外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。 在有線電視網(wǎng)絡(luò)中大量采用這種結(jié)構(gòu)的同軸電纜。,為了增大容量，也可以將幾根同軸電纜封裝在一個(gè)大的保護(hù)套內(nèi)，構(gòu)成多芯同軸電纜，另外還可以裝入一些二芯絞線對(duì)或四芯線組，作為傳輸控制信號(hào)用。,（4）.光纖,分為單模光纖、多模光纖。,光纖線徑細(xì)、重量輕 ；由于不受外界電磁干擾和噪聲的影響，能在長(zhǎng)距離、高速率傳輸中保持低誤碼率 ；可彎曲半徑小、不怕腐蝕、安全保密性好、節(jié)省有色金屬。,無(wú)線 信道,地波（2MHz以下;繞射）,天波（2MHz-30MHz;反射）,視距（30MHz以上;透射）,衛(wèi)星通信、平流層通信,散射傳播：電離層散射、對(duì)流層散射、流星余跡散射,無(wú)線電視距中繼 無(wú)線電中繼信道具有傳輸容量大、發(fā)射功率小、通信穩(wěn)定可靠，以及和同軸電纜相比，可以節(jié)省有色金屬等優(yōu)點(diǎn),衛(wèi)星中繼信道 衛(wèi)星中繼信道具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、傳播穩(wěn)定可靠、傳輸容量大、通信線電路靈活、機(jī)動(dòng)性好等突出的優(yōu)點(diǎn)。,4.2 信道的數(shù)學(xué)模型,調(diào)制器,發(fā)轉(zhuǎn)換器,媒質(zhì),收轉(zhuǎn)換器,解調(diào)器,編碼器,譯碼器,調(diào)制信道與編碼信道,調(diào)制信道,信源,信宿,編碼信道,（1）二對(duì)端網(wǎng)絡(luò) （2）多對(duì)端網(wǎng)絡(luò),調(diào)制信道模型,表示已調(diào)信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的變換，假定可以用 表示。 依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，對(duì) 來(lái)說(shuō)是一種干擾（乘性干擾）， 表示加性干擾，上式可以表示為：,對(duì)二對(duì)端的信號(hào)模型，輸入與輸出的關(guān)系：,調(diào)制信道模型：,信道對(duì)信號(hào)的影響主要有：乘性干擾和加性干擾。 通常乘性干擾是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，它可能包括各種線性畸變、非線性畸變，同時(shí)由于信道的遲延、損耗特性隨時(shí)間作隨機(jī)變化，故k(t)只能用隨機(jī)過(guò)程表示。經(jīng)大量觀察表明，有些信道的k(t)基本不隨時(shí)間變化，即信道對(duì)信號(hào)的影響是固定的或變化極為緩慢，這類信道稱為恒定參數(shù)信道。有些信道的k(t) 是隨機(jī)快變化的，這類信道稱為隨機(jī)參量信道。,編碼信道模型 編碼信道模型對(duì)信號(hào)的影響是一種數(shù)字序列的變換 ，用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。 P(x/y)表示發(fā)端發(fā)“y”碼而收端判為“x”碼的概率 。 由此我們知道P(0/0)與P(1/1)是正確轉(zhuǎn)移的概率，而P(0/1)與P(1/0)是錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。 P(0/0)=1-P(1/0) P(1/1)=1-P(0/1),二進(jìn)制編碼信道模型圖 四進(jìn)制編碼信道模型,4.3 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?若要求已調(diào)信號(hào) 在信道中無(wú)失真的傳輸，則在時(shí)域上信道輸出信號(hào) 和 之間應(yīng)滿足,式中，幅度衰減因子K及延遲時(shí)間td均為常數(shù)，上式被稱為無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)學(xué)模型,信號(hào)無(wú)失真?zhèn)鬏敚?對(duì)其兩端求傅立葉變換，有 -jtd Fo()= KFi()e 由于 Fo()= H()Fi() 得到信道無(wú)失真?zhèn)鬏斣陬l域的條件，即傳輸函數(shù)為 j() -jtd H(j)= |H()|e = Ke 所以信道無(wú)失真?zhèn)鬏斣陬l域中的幅頻、相頻條件為 H()= K ()= td,（1）幅頻特性 （2）相頻特性,無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)姆l條件和相頻條件,理想群延遲頻率特性,k,1幅度-頻率失真 已調(diào)信號(hào)中各頻率分量在通過(guò)信道時(shí)帶來(lái)不同的衰減（或增益），所造成的合成輸出信號(hào)的失真（畸變）。 2相位-頻率失真 已調(diào)信號(hào)中各頻率分量相位移動(dòng)引起的失真，即不同頻率的信號(hào)分量不能有相同的時(shí)間延遲。,恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?（,（1）原信號(hào) （2）經(jīng)遲延時(shí)后的信號(hào) 群遲延產(chǎn)生失真的例子,恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?相位抖動(dòng)(振蕩器頻率不穩(wěn)),諧波失真(單頻幅度增益不均勻),線性失真,振幅失真,相位失真,頻率偏移(頻譜平移),信號(hào)的失真,（3）多徑傳輸多經(jīng)傳播的幾種主要形式： （a）一次反射和兩次反射； （b）反射區(qū)高度不同； （c）尋常波與非尋常波； （d）漫射現(xiàn)象,隨參信道及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有三個(gè)特點(diǎn)： 1對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化 2傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化 3多徑傳播,隨參信道及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?多徑傳播:由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)。,4.4 隨參信道及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?設(shè)發(fā)射波為 經(jīng)n條路徑傳播后的接收信號(hào)為R（t）, 第i條路徑的接收信號(hào)振幅,第i條路徑的傳輸時(shí)延,設(shè),由于 ， 緩慢變化，故 及 也緩慢變化，所以，R（t）可視為一個(gè)窄帶高斯過(guò)程。,高斯隨機(jī)變量,多徑傳播使確定的載波信號(hào)變?yōu)榘j(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，稱為衰落信號(hào)。,多徑傳播引起了頻率彌散。,兩徑傳播模型,f(t)F(),V0f(t-t0)V0F()e -jt0,V0f(t-t0-)V0F()e -j(t0+),V0f(t-t0)+ V0f(t-t0-) V0F()e-jt0(1+e - j),于是，當(dāng)兩徑傳播時(shí)，模型的傳輸特性H()為,所求的傳輸特性除常數(shù)因子V0外，是由一個(gè)模值為1,固定時(shí)延為t0的網(wǎng)絡(luò)與另一個(gè)特性為 的網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)所組成。而后一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的模特性（幅度頻率特性）為: 由此可見(jiàn)，兩徑傳播的模特性將依賴于|cos/2|，這就是說(shuō)，對(duì)不同的頻率，兩徑傳播的結(jié)果將有不同的衰減。上述概念可以推廣到多徑傳播中去 ，設(shè)最大多徑時(shí)延差為 ，則定義 為了不引起明顯的選擇性衰落，傳輸信號(hào)的頻帶必須小于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬 f。,頻率的選擇性衰落,隨參信道特性的改善分集接收 如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，把這些信號(hào)適當(dāng)合并，構(gòu)成總的接收信號(hào)，這樣就能大大減小衰落的影響。這就是分集接收的基本思想。主要有如下幾種分集方式： （1）空間分集 （2）頻率分集 （3）角度分集 （4）極化分集 技術(shù)在接收分散的幾個(gè)信號(hào)后，要將其合并，合并的方法主要有： （1）最佳選擇式 （2）等增益相加式 （3）最大比值相加式,加性噪聲獨(dú)立于有用信號(hào)，但它始終干擾有用信號(hào)，引起有用信號(hào)的幅度失真（幅度抖動(dòng)）和相位失真（相位抖動(dòng)），對(duì)通信造成不可避免的危害。 信道中加性噪聲（簡(jiǎn)稱噪聲）的來(lái)源，一般有兩類： 人為噪聲：電器電磁影響等 自然噪聲：熱噪聲等,4.4 信道的加性噪聲,以無(wú)限小的差錯(cuò)率和無(wú)限大的速率傳輸信息，這是人們對(duì)通信系統(tǒng)的希望。但可靠性和有效性是一對(duì)矛盾，不可能兩者都達(dá)到理想狀態(tài)。實(shí)際工程中，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的折衷方案是在滿足可靠性的前提下盡可能提高信息速率。傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾时环Q為信道容量。,4.5 信道的容量,1 離散信道的信道容量,（a）無(wú)噪聲信道 (b) 有噪聲信道 離散信道模型,信源的符號(hào)在離散信道種傳輸，由于噪聲 的干擾，發(fā)x可能收到y(tǒng)。 設(shè)H (x)為信源種各個(gè)符號(hào)的平均信息量，H (x/y)為因發(fā)x而收y造成的信息量的損失。則傳輸過(guò)程中每個(gè)符號(hào)實(shí)際承載的平均信息量為： H (x) - H (x/y) 設(shè)單位時(shí)間傳送的符號(hào)數(shù)為r，則信息傳輸速率為：R = r H (x) - H (x/y) ,例：信源由0,1組成，2進(jìn)制等該發(fā)送，速率：1000符號(hào) /S ，信道為對(duì)稱信道，錯(cuò)誤概率為=1/128。 1.畫出信道模型圖； 2.求信道容量C和Ct；,香農(nóng)公式：調(diào)制信道帶寬為B(Hz)，且受到單邊功率譜密度為n0(W/Hz)的加性高斯白噪聲的干擾，信號(hào)的平均功率為S(W)，則信道傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾剩ㄐ诺廊萘浚椋?2 連續(xù)信道的信道容量,1若提高信噪比S/N，則信道容量C也提高； 2若n00，則C，這意味著無(wú)干擾信道容量為無(wú)窮大； 3若增加信道帶寬B，則信道容量C也增加，但不能無(wú)限制的增加，即當(dāng)B時(shí)，C1.44S/ n0； 4C一定時(shí)，B與S/N可進(jìn)行互換； 5若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，則理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差（任意小的差錯(cuò)率）傳輸。若RC，則不可能實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差傳輸。,例：黑白電視圖像每幀含有3105個(gè)像素，每個(gè)像素有16個(gè)等概出現(xiàn)的亮度等級(jí)。要求每秒鐘傳輸30幀圖像。若信道輸出S/N=3