通信原理樊昌信第六版PPT第4章

4.1無線信道4.2有線信道4.3

信道的數(shù)學模型4.4

信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?.5

信道中的噪聲4.6

信道容量第4章信道1目的：了解各種實際信道、信道的數(shù)學模型和信道容量的概念。思路：在介紹實際信道的例子基礎(chǔ)上,歸納信道的特性,闡述信道的數(shù)學模型，最后簡介了信道容量的概念。要求：注重了解各種實際信道的特點，掌握信道的數(shù)學模型，簡單運用信道容量公式解決實際問題。2信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。信道與發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備一起組成通信系統(tǒng)。沒有信道，通信就無法進行.信道的好壞直接影響通信的質(zhì)量。3信道僅是指信號的傳輸媒質(zhì)狹義信道.信道不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，廣義信道。常把廣義信道簡稱為信道。4信道5調(diào)制信道和編碼信道64.1無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收地面對流層平流層電離層10km60km0km74.1無線信道電磁波傳播方式：1、地波（groundwave）頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千km傳播路徑地面圖4-1地波傳播84.1無線信道2、天波（skywave）60km~400km,頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：電磁波不能到達地面信號傳播路徑圖4-2天波傳播94.1無線信道3、視線傳播：頻率>30MHz，穿透電離層，只能視線傳距離:和天線高度有關(guān)(m)104.1無線信道增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：可采用衛(wèi)星中繼，即衛(wèi)星通信

無線電中繼114.1無線信道衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星：同步衛(wèi)星，赤道，三顆移動衛(wèi)星12解決：平流層通信：17－22km，高空平臺電臺做轉(zhuǎn)發(fā)器或基站（氣球，太陽能飛機），同步衛(wèi)星:離地面35860km的赤道上放3顆同步衛(wèi)星，可實現(xiàn)除南、北極地區(qū)之外的全球覆蓋（且有部分重疊），從而可實現(xiàn)全球通信。優(yōu)點：傳輸距離遠，覆蓋地域廣，傳播穩(wěn)定可靠，傳輸容量大等。缺點：功率大，延遲大，技術(shù)要求較高，一次性投入大。應(yīng)用：廣泛用于傳輸多路電話、電報、數(shù)據(jù)和電視。134.1無線信道大氣層對于傳播的影響散射吸收頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率144.1無線信道散射傳播：媒體不均勻，多向折射，能量主要集中于前方（前向散射)電離層散射：30MHz～60MHz對流層散射：地面～10余km間大氣層，大氣不均勻，100MHz～4000MHz，最大距離600km流星余跡：使電磁波散射，80km～120km高，30MHz～100MHz，距離1000km以上地球有效散射區(qū)域154.2有線信道1、明線平行而相互絕緣的架空裸線線路。優(yōu)點：傳輸損耗?。ㄅc電纜相比）缺點：易受氣候環(huán)境影響，易受干擾。結(jié)論：已逐漸淘汰。164.2有線信道2、對稱電纜：由許多對雙絞線組成優(yōu)點：與外界相互干擾小，傳輸性能較穩(wěn)定。缺點：損耗比明線大。主要應(yīng)用：用戶電話接入線圖4-9雙絞線導(dǎo)體絕緣層17由同軸的兩個導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個圓柱形的導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線，之間填充介質(zhì)。3、同軸電纜實際應(yīng)用中同軸電纜的外導(dǎo)體是接地的，對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。導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護層實心介質(zhì)圖4-10同軸線18優(yōu)點：與外界相互干擾小，（外導(dǎo)體接地起屏蔽作用），帶寬大。缺點：成本較高（與對稱電纜相比）。應(yīng)用：比較廣泛。如電視電纜（75Ω），實驗室儀器用的信號電纜（50Ω）增大容量，可以多芯194、光纖以光導(dǎo)纖維（簡稱光纖,OpticalFiber）為傳輸媒質(zhì)、光波作為載波的光纖信道。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，因此，一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于其它各種傳輸介質(zhì)的帶寬。4.2有線信道204.2有線信道結(jié)構(gòu) 纖芯、包層按折射率分： 階躍型 梯度型按模式分：多模、單模折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖圖4-11光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)214.3信道的數(shù)學模型狹義：按傳媒分，有線無線，廣義：方便研究，調(diào)制信道，編碼信道信道模型的分類：調(diào)制信道：發(fā)端調(diào)制器輸出至收端解調(diào)器輸入編碼信道：編碼器輸出至解碼器輸入編碼信道調(diào)制信道編碼信道調(diào)制信道編碼信道調(diào)制信道編碼信道調(diào)制信道22有一對(或多對)輸入端和一對(或多對)輸出端;絕大多數(shù)信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；信號通過信道具有固定的或時變的延遲時間；信號通過信道會受到固定的或時變的損耗；即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。234.3信道的數(shù)學模型1、調(diào)制信道模型常假設(shè)：f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)加性干擾乘性干擾24k(t)隨t變時變信道；k(t)與ei(t)相乘，乘性干擾由信道不理想造成，無信號時，無乘性干擾；若k(t)隨時間作隨機快變化隨參信道；若k(t)變化很慢或很小恒參信道。加性干擾一直存在。4.3信道的數(shù)學模型254.3信道的數(shù)學模型無記憶：前后碼元錯誤相互獨立，信道內(nèi)只有起伏噪聲有記憶：一個碼元的錯誤與前后碼元有依賴關(guān)系，信道除有起伏噪聲外，還存在多徑效應(yīng)等錯碼產(chǎn)生原因：調(diào)制信道不理想造成P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)二進制編碼信道模型發(fā)送端接收端2、編碼信道模型用轉(zhuǎn)移概率描述2601233210接收端發(fā)送端4.3信道的數(shù)學模型四進制編碼信道模型274.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?.恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺溃河芯€信道、衛(wèi)星信道…恒參信道描述非時變線性網(wǎng)絡(luò)信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。無失真條件：振幅～頻率特性：為水平直線時無失真相位～頻率特性：過原點的直線群時延為常數(shù):28插入損耗～頻率特性群延遲～頻率特性典型電話信道特性294.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊懀侯l率失真：振幅～頻率特性不理想，線性失真頻率失真影響：模擬信號=>波形畸變

數(shù)字信號=>碼間串擾解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補償，均衡器相位失真：相位～頻率特性不理想引起，對語音影響不大，對視頻信號影響大對數(shù)字信號影響大，造成碼間串擾解決辦法：同上非線性失真：輸入電壓～輸出電壓關(guān)系為非線性，產(chǎn)生新諧波－諧波失真其他失真：頻率偏移、相位抖動等302.變參信道對信號傳輸?shù)挠绊懶诺绤?shù)隨時間而變－時變信道

變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播…

變參信道的特性：衰減隨時間變化、時延隨時間變化、多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)：信號經(jīng)過幾條路徑到達接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。

著重分析4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?14.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懚鄰叫?yīng)分析：設(shè)發(fā)射信號為 第i條路徑接收信號振幅第i條路徑信號延時隨機包絡(luò)隨機相位,接收信號為R(t),則324.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

接收信號的包絡(luò)

接收信號的相位接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨機緩慢變化的窄帶信號，波形：334.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懡Y(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號。這種包絡(luò)起伏稱為快衰落（衰落周期和碼元周期可以相比）。幅度衰落：頻率彌散：慢衰落：由傳播條件引起344.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懚鄰叫?yīng)簡化分析考慮兩徑模型：僅有兩條衰減相同，時延不同路徑。設(shè)：發(fā)送為f(t)，其頻譜為F(),接收信號為Af(t-0)＋Af(t-0-)，頻譜為信道傳遞函數(shù)為：354.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊憘鬏敽瘮?shù)模值為：衰落和頻率有關(guān)——頻率選擇性衰落極點零點定義：相關(guān)帶寬＝1/，信號帶寬不能大于相關(guān)帶寬364.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊憣嶋H：路徑不止兩條，各條衰減不同，不會有零點設(shè)m

－多徑中最大的相對時延差

定義：多徑效應(yīng)的相關(guān)帶寬＝1/m要求：信號帶寬<相關(guān)帶寬多徑效應(yīng)的影響會使數(shù)字信號的碼間串擾增大。為了減小碼間串擾的影響，通常要降低碼元傳輸速率。若碼元速率降低，則信號帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。結(jié)論：多徑效應(yīng)限制了信號的碼元傳輸速率和帶寬。37接收信號的分類：確知信號、隨相信號、起伏信號確知信號—接收端能夠準確知道其碼元波形的信號；隨相信號—接收碼元的相位隨機變化；起伏信號—接收信號的包絡(luò)隨機起伏、相位也隨機變化，通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖际瞧鸱盘枴?.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?84.5信道中的噪聲信道中存在的不需要的電信號，加性干擾。按噪聲來源分：人為噪聲、自然噪聲(含熱噪聲)按噪聲性質(zhì)分類：脈沖噪聲：突發(fā)性產(chǎn)生，幅度很大，其持續(xù)時間短，頻譜寬窄帶噪聲：頻譜或頻率位置通常是確知或可測。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。394.5信道中的噪聲熱噪聲來源：來自一切導(dǎo)體中電子的熱運動。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值：k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)；

T

－熱力學溫度（oK）；

R

－阻值（）；

B

－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲404.5信道中的噪聲窄帶高斯噪聲 經(jīng)窄帶接收機濾波后的白噪聲。其功率為：噪聲等效帶寬：噪聲功率不變，功率譜密度曲線變?yōu)榫匦?/p>

Pn(f)噪聲等效帶寬Pn(f0)414.6信道容量

信道容量：信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省＂彪x散信道容量C－每個符號傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘?單位:b/符號Ct－單位時間（秒）傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘?單位:b/秒計算離散信道容量的信道模型發(fā)送符號：x1，x2，x3，…，xn接收符號：y1，y2，y3，…，ym424.6信道容量P(xi)=發(fā)送xi的概率，i＝1,…,n；P(yj)=收到y(tǒng)j的概率，j＝1,…,m;P(yj/xi)=轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)xi收yj

的條件概率x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端xn。。。。。。。。。ym圖4-20信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)434.6信道容量發(fā)送xi時收到y(tǒng)j

所獲得的信息量為

[-log2P(xi)]-[-log2P(xi

/yj)]

xi的信息量-收到y(tǒng)j后xi的信息量

對所有的xi和yj取統(tǒng)計平均值，得444.6信道容量式中為每個發(fā)送符號xi的平均信息量，稱為信源熵。為yj符號已知后，符號xi的平均信息量。H(x/y)是傳輸錯誤率引起的信息量損失。454.6信道容量二進制信源的熵發(fā)送“1”的概率P(1)=，發(fā)送“0”的概率P(0)＝1-信源的熵H()為：最大點出現(xiàn)在＝0.5H()464.6信道容量

無噪聲信道:

發(fā)符號和收符號一一對應(yīng)，

H(x/y)=0。接收一個符號獲得的平均信息量為H(x)。容量C的定義：每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?/p>

(b/符號)容量Ct的定義：當信道的符號率為r時，

(b/s)474.6信道容量【例4－1】設(shè)信源由兩種符號“0”和“1”組成，符號傳輸速率為1000符號/秒，且這兩種符號的出現(xiàn)概率相等，均等于1/2。信道為對稱信道，其傳輸?shù)姆栧e誤概率為1/128。試畫出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。解：484.6信道容量已知:P(yj/xi)，由概率論中貝葉斯公式得P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，

P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，又P(y1)+P(y2)=1

494.6信道容量平均信息量/符號＝H(x)–H(x/y)=1–0.045=0.955（b/符號）因傳輸錯誤每個符號損失的信息量為

H(x

/y)=0.045（b/符號）

504.6信道容量⒉連續(xù)信道容量帶寬有限、平均功率有限，高斯白噪聲連續(xù)信道，有Shannon信道容量公式：

S

－信號平均功率（W）；

N

－噪聲功率（W）；

B

－帶寬（Hz）。設(shè)n0

為噪聲單邊功率譜密度，N=n0