通信原理第4章(樊昌信第七版)

1、 課 件 通信原理（第7版）樊昌信 曹麗娜 編著 第4章 信道信道分類分類信道模型模型恒參恒參/隨參隨參信道特性特性對信號傳輸?shù)挠绊懹绊懶诺涝肼曉肼曅诺廊萘咳萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 傳輸媒質(zhì)l有線信道有線信道明線、電纜、光纖明線、電纜、光纖l無線信道無線信道自由空間或大氣層自由空間或大氣層無線信道舉例：地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、衛(wèi)星中繼、散射及移動(dòng)無線電信道 概述概述n狹義信道狹義信道：n廣義信道廣義信道： l調(diào)制信道調(diào)制信道研究調(diào)制研究調(diào)制/解調(diào)問題解調(diào)問題l編碼信道編碼信道研究編碼研究編碼/譯碼問題譯碼問題信道的定義與分類地 面對流層平流層電離層10 km60

2、km0 kml 對流層：約 0 10 kml 平流層：約 1060 kml 電離層：約 60400 kmn地球大氣層的結(jié)構(gòu)：4.1 無線信道無線信道6r地波地波 ground- wave頻率頻率： 2 MHz特性：有繞射能力特性：有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千米距離：數(shù)百或數(shù)千米用于：用于：AM廣播廣播 r天波天波 sky- wave頻率：頻率：230 MHz特性：被電離層反射特性：被電離層反射距離：距離： 30 MHz 特性：直線傳播、穿透電離層 用途：衛(wèi)星和外太空通信 超短波及微波通信 距離：與天線高度有關(guān) r 視線傳播視線傳播 line-of-sight無線信道D 為收發(fā)天線間距離(km)

3、設(shè)收發(fā)天線的架設(shè)高度均為40 m，則最遠(yuǎn)通信距離為： D = 44.7 km)(50822mDrDh例如u 微波中繼（微波接力）u 衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星）u 平流層通信 Q&A 增大視線傳播距離的其他途徑？遠(yuǎn)距離通信時(shí)，需建立多個(gè)中繼站兩點(diǎn)間傳輸距離30km 50km無線信道u 微波中繼微波中繼 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：容量大、投資少、維護(hù)方便、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定。 應(yīng)用應(yīng)用：遠(yuǎn)距離傳輸話音和電視信號。10優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：通信容量大，傳輸質(zhì)量穩(wěn)定, 傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋區(qū)域廣。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：傳輸時(shí)延大，信號衰減大， 造價(jià)高。無線信道u 衛(wèi)星中繼衛(wèi)星中繼 對流層散射頻率：100 4000 MHz距離： 600

4、 km對流層散射通信對流層散射通信地球有效散射區(qū)域有效散射區(qū)域無線信道r 散射通信散射通信 電離層散射頻率 ： 30 60 MHz距離 ： 1000 km以上12流星余跡流星余跡無線信道r 流星余跡散射流星余跡散射特性: 高度80 120 km，長度15 40 km 存留時(shí)間：小于1秒至幾分鐘頻率: 30 100 MHz距離: 1000 km以上用途: 低速存儲(chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸n明線明線n對稱電纜對稱電纜n同軸電纜同軸電纜n光纖光纖4.2 有有線信道線信道1880年紐約街貌年紐約街貌n明線明線導(dǎo)體絕緣層雙絞線Twisted Rair屏蔽雙絞線(STP) （可減少噪聲干擾）非屏蔽雙絞線(UT

5、P)（便宜、易彎曲、易安裝）由 多 對雙絞線組成 每對呈扭絞狀，以減 小各線對的相互干擾。 特點(diǎn)特點(diǎn) 傳輸衰減大/距離短，鄰道間有串話干擾。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 電話線路、局域網(wǎng)及綜合布線工程中的傳輸介質(zhì)應(yīng)用應(yīng)用有線信道n對稱電纜對稱電纜16 由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體組成內(nèi)芯：金屬導(dǎo)線外導(dǎo)體：金屬編織網(wǎng) 抗電磁干擾能力強(qiáng) 帶寬更寬、速率更高 成本較高； 解決：用光纜代替（干線） 組成組成優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（相比雙絞線）缺點(diǎn)缺點(diǎn)有線信道n同軸電纜同軸電纜17 寬帶寬帶（射頻）同軸電纜：同軸電纜：l75，用于傳輸模擬信號l多用于有線電視（CATV）系統(tǒng)l傳輸距離可達(dá)幾十千米 基帶基帶同軸電纜同軸電纜：l50，多用于數(shù)字基帶傳輸

6、l速率可達(dá)10 Mb/sl傳輸距離幾千米有線信道18單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖 光纖結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)：l纖芯纖芯l包層包層按折射率分類：l階躍型階躍型l梯度型梯度型按模式分類：l多模光纖多模光纖l單模光纖單模光纖有線信道n光纖光纖19 易碎，接口昂貴，安裝和維護(hù)需要專門技能。l 傳輸帶寬寬、通信容量大；l 傳輸衰減小，無中繼傳輸距離遠(yuǎn)； ( 0.2dB/km) （幾百公里）l 抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好，防竊聽，耐腐蝕；l 體積小，重量輕，節(jié)省有色金屬，環(huán)保。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 長途電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等的主干線路中。應(yīng)用應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)有線信道20信道分類分類信道模型模型恒參恒參/隨參隨參信道特性特性對

7、信號傳輸?shù)挠绊懹绊懶诺涝肼曉肼曅诺廊萘咳萘?本章內(nèi)容本章內(nèi)容: 第4章 信道 4.3 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型1. 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型n 模型模型：l有一對（或多對）輸入端和輸出端l大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理l對信號有固定或時(shí)變的延遲延遲和損耗損耗l無信號輸入時(shí)，仍可能有輸出(噪聲)n共性共性：疊加有噪聲的線性時(shí)變/時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)：n入出關(guān)系：0( )( )( ) tr ts tno( )( )(iifcs ts tstto( )( )iCSS 反映信道 本身特性u調(diào)制信道對信號的影響程度取決 與 的特性。 C( )n t加性噪聲加性噪聲始終存在始終存在 乘性干擾乘性干擾（共存共失）（共存

8、共失）23 調(diào)制信道分為： （根據(jù)信道的時(shí)變特性）l 恒參恒參信道信道 特性基本不隨時(shí)間變化l 隨參隨參信道信道 特性隨時(shí)間隨機(jī)快變化u 不同的物理信道具有不同的特性C( )= 常數(shù)（可取1）加性高斯白噪聲信道模型24+ = 1P(1/ 0)P(0 / 1) 001 1P(0 / 0)P(1 / 1)發(fā)送端接收端二進(jìn)制二進(jìn)制無記憶無記憶編碼信道編碼信道模型模型可用 轉(zhuǎn)移概率來描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正確 P(1/0) P(0/1) 錯(cuò)誤e(0) (1/0)(1) (0/1)PPPPP2. 編碼信道模型編碼信道模型n 模型模型：2501233210接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端四

9、進(jìn)制四進(jìn)制無記憶無記憶編碼信道編碼信道信道分類信道模型恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 4.4 l特點(diǎn)：傳輸特性隨時(shí)間緩變或不變。l舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 )()()( jeHH )(H )( 1. 傳輸特性傳輸特性幅頻特性相頻特性線性時(shí)不變系統(tǒng) 恒參恒參信道 特性特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懹绊?2. 無失真?zhèn)鬏敓o失真?zhèn)鬏?)dj tHeK( )HKdt)(恒參信道( )HKdt)(dtdd)()(群遲延特性幅頻特性相頻特性n無失真?zhèn)鬏敚ɡ硐牒銋⑿诺溃┨匦郧€： 若輸入信號為若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道的輸出，則理想恒參信道的輸出:o(

10、)()ds tK s tt( )dj tHeK恒參信道( )()dh tKtt固定的遲延固定的衰減 這種情況稱為無失真?zhèn)鬏攏理想恒參信道的沖激響應(yīng): dt dt )( 3. 3. 失真失真 影響影響 措施措施恒參信道群遲延失真:對模擬信號：造成波形失真信噪比下降對數(shù)字信號：產(chǎn)生碼間串?dāng)_誤碼率增大( )HKn 幅頻失真： 對語音信號影響不大，對視頻信號影響大對數(shù)字信號：碼間串?dāng)_誤碼率增大含義？ 影響 影響 n 相頻失真： 相頻特性典型音頻電話信道: 幅度衰減特性群遲延頻率特性恒參信道1. 隨參信道舉例舉例 指傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快變的信道。隨參隨參信道 特性特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懹绊憀陸地移動(dòng)信

11、道l短波電離層反射信道l超短波流星余跡散射信道l超短波及微波對流層散射信道l超短波電離層散射l超短波超視距繞射 2. 隨參信道特性特性隨參信道l 衰減隨時(shí)間變化l 時(shí)延隨時(shí)間變化l 多徑傳播多徑傳播 示意圖( )cosctAs t112211( )( )cos( )( )cos( ) ( )( )( )( )( )cos( ) coscosccncnncinciiiiir ta ttta tttattttta tta tt 3. 多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)第i條路徑接收信號振幅經(jīng)過n條路徑條路徑傳播（各路徑有時(shí)變時(shí)變的衰落衰落和時(shí)延）時(shí)延） 多徑傳播的影響)()(ttici傳輸時(shí)延則接收信號接收信號為

12、設(shè)發(fā)送發(fā)送信號為幅度恒定頻率單一35根據(jù)概率論中心極限定理：當(dāng) n 足夠大時(shí)，x(t)和y(t) 趨于正態(tài)分布。 niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(同相 正交形式包絡(luò) 相位形式瑞利瑞利分布分布均勻均勻分布分布cos( )( )cV ttt11( )( )coscos( )sinsin ( )cos( )sinnniiciiciiccr ta tta ttX ttY tt多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機(jī)緩變 的窄帶信號波形發(fā)送信號接收信號頻譜l 多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落；l 多徑傳播引起頻率彌散。( )co(s( )cr tV ttt( )cosctAs t結(jié)論我們更關(guān)心的

13、問題： 多徑多徑傳播傳播 對于一個(gè)對于一個(gè)復(fù)雜信號復(fù)雜信號 f (t) （實(shí)際情況） 的影響如何呢的影響如何呢 ？ 兩徑多徑多徑效應(yīng)多徑效應(yīng) 傳輸衰減均為 K 傳輸時(shí)延分別為 和發(fā)射信號接收信號設(shè)兩條路徑的信道為f (t)fo(t) = K f(t - ) + K f(t - ) 信道傳輸函數(shù)fo(t) 相對時(shí)延差1o( )( )(1)( )jjFHKeeF則接收信號為11()o( )=( )+( )jjFKFeKFe 常數(shù)衰減因子1(1)jjeeK確定的傳輸時(shí)延因子 與信號頻率有關(guān)的復(fù)因子112221( )12 cos2jHeu 信道對信號不同的頻率頻率成分，將有不同的衰減。 頻率選擇性衰落

14、頻率選擇性衰落如何減小如何減??？信道幅頻特性40u 信道相關(guān)帶寬：定義：相鄰傳輸零點(diǎn)的定義：相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔頻率間隔 ，工程經(jīng)驗(yàn)公式： 4. 減小頻率選擇性衰落的措施f u 應(yīng)使信號帶寬 Bs (1/3 1/5)fu 數(shù)字信號的碼元寬度:Ts (3 5) RBmBs f1mf 41歸納l 衰減隨時(shí)間變化l 時(shí)延隨時(shí)間變化l 多徑傳播n 隨參信道特性n 多徑效應(yīng)l瑞利型衰落l頻率彌散l頻率選擇型衰落l 分集接收l 擴(kuò)頻技術(shù)l OFDM等n 減小衰落的措施Bs (1/3 1/5)f信道分類信道模型恒參/隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 1. 何謂噪聲何

15、謂噪聲l信道中存在的不需要的電信號。l它獨(dú)立于信號始終存在，又稱加性干擾。l它使信號失真，發(fā)生錯(cuò)碼，限制傳輸速率。n 按噪聲來源 2. 噪聲類型噪聲類型4.5 信道噪聲信道噪聲人為噪聲自然噪聲 內(nèi)部噪聲 （如熱噪聲）脈沖噪聲 窄帶/單頻噪聲 起伏噪聲 （熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）起伏噪聲n 按噪聲性質(zhì)44熱噪聲：l 來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。 l 均勻分布在 01012 Hz 頻率范圍。l 性質(zhì)：高斯白噪聲 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波耳茲曼常數(shù) T 熱力學(xué)溫度（K） R 阻值（） B 帶寬（Hz）熱噪聲電壓有效值：)V(4kTRBV 歸納n信道加性噪聲n(t)

16、 :l代表：起伏噪聲（熱噪聲等） l性質(zhì)：高斯白噪聲l n(t) 窄帶高斯噪聲0( )(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvfdffPNn)(l 平均功率：l 噪聲等效帶寬：l 功率譜：噪聲等效帶寬 Pn(f)接收濾波器特性 通過通過寬度為寬度為Bn的矩形濾波器的噪聲功率的矩形濾波器的噪聲功率 = 通過實(shí)際接收濾波器的噪聲功率。通過實(shí)際接收濾波器的噪聲功率。000( )( )2()()nnnnnPf dfPffPfBdPf 物理 意義n窄帶高斯噪聲 :Pn (f0)信道分類信道模型恒參/隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 指

17、信道能夠指信道能夠無差錯(cuò)無差錯(cuò)傳輸時(shí)的傳輸時(shí)的最大最大平均信息速率。平均信息速率。 1. 離散信道容量離散信道容量4.6 信道容量信道容量式中，P(xi) 發(fā)送符號xi的概率（i=1,2,3, ,n）（1）信源發(fā)送的平均信息量（熵）niiixPxPxH12)(log)()(（2）因信道噪聲而損失的平均信息量mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(式中，P(yj) 收到y(tǒng)j的概率（j=1,2,3, ,m）； P(xi/yj) 收到y(tǒng)j后判斷發(fā)送的是xi的轉(zhuǎn)移概率（3）信息傳輸速率R 信道每秒傳輸?shù)钠骄畔⒘縃(x) H(x/y) 是接收端得到的平均信息量( )-

18、( / ) (b/s)rRH xH x y r 信道每秒傳輸?shù)姆枖?shù)為（符號速率）最大信息傳輸速率：對一切可能的信源概率分布，求R的最大值：t( )( )max max ( )( / )(b/s)P xP xCRr H xH x y含義：每個(gè)符號能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘? )max( )( / )(b/)P xCH xH x y符號（4）信道容量Ct 等價(jià)式：S 信號平均功率（W）；B 帶寬（Hz） n0 噪聲單邊功率譜密度；N = n0B 噪聲功率（W） 2. 連續(xù)信道容量連續(xù)信道容量由香農(nóng)信息論香農(nóng)信息論可證，白噪聲背景下的連續(xù)信道容量為:香農(nóng)公式香農(nóng)公式2log1(b/s)SCNB20log1(b/s)n BSCB等價(jià)式：等價(jià)式： 若 Rb C ，則總能找到一種信道編碼方式，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸；若傳輸速率大于信道容量，則不可能實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。意義： 當(dāng)信號和信道噪聲的平均功率給定時(shí)，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。 含義：20log1(b/s)n BSCB 信道容量 C依賴于 B、S 和 n0 增大 S 可增加 C，若S 趨于無窮，則C趨于無窮； 減小 n0 可增加 C，若n0 趨