通信原理-緒論2講(新)課件

上節(jié)課內(nèi)容

基本要求

了解通信的發(fā)展；

掌握消息、信息、信號的定義；

掌握數(shù)字通信的概念，理解數(shù)字通信的優(yōu)點；

掌握數(shù)字通信系統(tǒng)模型

掌握信息及其度量2023/2/61本節(jié)課內(nèi)容

基本要求掌握數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標；

掌握信道模型，并會分析信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懀?/p>

熟悉信道中的噪聲。2023/2/62主要性能指標（重點）通信的任務(wù)是快速、準確地傳遞信息。評價一個通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性是指在給定信道單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；可靠性是指接收信息的準確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。這兩個問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一，通常還可以進行互換。

2023/2/63主要性能指標傳輸速率：

碼元傳輸速率和信息傳輸速率

碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。

數(shù)字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān):2023/2/65主要性能指標信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。每個碼元或符號通常都含有一定bit數(shù)的信息量，因此碼元速率(傳碼率)和信息速率(傳信率)有確定的關(guān)系，即Rb=RB·H(x)(b/s)式中，H(x)為信源中每個符號所含的平均信息量（熵）。

等概傳輸時，熵有最大值log2

M

，信息速率也達到最大，即Rb=RBlog2

M(b/s)2023/2/66主要性能指標A二進制1符號比特TT碼元寬度比特寬度TT/2碼元寬度比特寬度TT/3碼元寬度比特寬度碼元碼元四進制01八進制0012023/2/67主要性能指標【例】

碼元速率為1200B，采用八進制（M=8）時，信息速率為3600b/s；采用二進制（M=2）時，信息速率為1200b/s，可見，二進制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時簡稱它們?yōu)閿?shù)碼率2023/2/69主要性能指標頻帶利用率η比較不同通信系統(tǒng)的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度B。所以，真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的應(yīng)當是單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率，碼元頻帶利用率，即RB碼元速率和信息速率Rb有著確定的關(guān)系。為了比較不同系統(tǒng)的傳輸效率，又可定義信息頻帶利用率為2023/2/610)]/(Hzs[bBRb×=h希臘字母讀音表1大寫小寫英文注音國際音標注音中文注音Ααalphaalfa阿耳法Ββbetabeta貝塔Γγgammagamma伽馬Δδdetadelta德耳塔Εεepsilonepsilon艾普西隆Ζζzetazeta截塔Ηηetaeta艾塔Θθthetaθita西塔Ιιiotaiota約塔2023/2/611希臘字母讀音表3Φφphifai斐Χχchikhai喜Ψψpsipsai普西Ωωomegaomiga歐米伽2023/2/613差錯率衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標是差錯率，常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率（碼元差錯率）Pe是指發(fā)生差錯的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，即誤信率（信息差錯率）Pb是指發(fā)生差錯的比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例，即主要性能指標2023/2/614傳輸總比特數(shù)錯誤比特數(shù)=bp主要性能指標[例3]設(shè)一信息源的輸出由128個不同符號組成。其中16個出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個出現(xiàn)概率為1/224。信息源每秒發(fā)出1000個符號，且每個符號彼此獨立。試計算該信息源的平均信息速率。解：每個符號的平均信息量為已知碼元速率，故該信息源的平均信息速率為2023/2/615信道與噪聲信道定義與數(shù)學模型恒參信道及其傳輸特性隨參信道及其傳輸特性加性噪聲信道容量的概念2023/2/617信道定義信道：以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。狹義信道：信號的傳輸媒質(zhì)。廣義信道：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。2023/2/618信道定義狹義信道按照傳輸媒質(zhì)的特性可分為有線信道明線、雙絞線、同軸電纜及光纖等無線信道地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動無線電信道等。

廣義信道中與通信系統(tǒng)有關(guān)的變換裝置可以是發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。廣義信道按照它包括的功能，調(diào)制信道編碼信道2023/2/619狹義信道(有線)內(nèi)導體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽外套雙絞線(擰成扭絞狀的電纜)

優(yōu)點：較穩(wěn)定缺點：損耗較大屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)常用的雙絞線為3類(16Mbit/s)和5類(155Mbit/s)兩種以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音雙絞線外無任何屏蔽層2023/2/621狹義信道(有線)入射角折射角包層纖芯涂覆層涂覆層包層纖芯62.5μm125μm250μm只要射到光纖表面的光線的入射角大于某一臨界角度，就可以產(chǎn)生全反射，并且可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就稱為多模光纖（MultimodeFiber）2023/2/622狹義信道(無線，無線視距中繼信道)兩個地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔地面微波接力2023/2/623編碼信道調(diào)制信道廣義信道(模型)編碼器調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)譯碼器解調(diào)器收轉(zhuǎn)換器輸入輸出調(diào)制信道和編碼信道2023/2/625廣義信道(調(diào)制信道數(shù)學模型)調(diào)制信道模型調(diào)制信道是為研究調(diào)制與解調(diào)問題所建立的一種廣義信道，是模擬信道，它具有如下共性：（1）有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸 出端（2）絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；（3）信號通過信道具有固定的或時變的延遲時間；（4）信號通過信道會受到固定的或時變的損耗；（5）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）2023/2/626廣義信道(調(diào)制信道數(shù)學模型)可用一個二端對（或多端對）的時變線性網(wǎng)絡(luò)去代替調(diào)制信道，這個網(wǎng)絡(luò)稱作調(diào)制信道模型二端對網(wǎng)絡(luò)多端對網(wǎng)絡(luò)2023/2/627廣義信道(調(diào)制信道數(shù)學模型)隨2023/2/629恒參信道的特性及對信號的影響理想恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯牵?1)對信號在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；(2)對信號在時間上產(chǎn)生固定的遲延。這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏敽銋⑿诺朗侵赋诵愿蓴_基本不隨時間變化的信道

2023/2/630回顧

尋找到這種函數(shù)關(guān)系是表示信道對信號的影響（變換）的某種函數(shù)關(guān)系信道對信號影響有兩點加性干擾乘性干擾2023/2/631恒參信道的特性及對信號的影響傳輸特性幅-頻特性相-頻特性經(jīng)過信道后不產(chǎn)生失真，則希望H(w)滿足不失真條件為一條直線呈線性關(guān)系2023/2/632信道恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊憽锓菚r變線性網(wǎng)絡(luò)。其幅度-頻率特性：f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音頻電話信道特性信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?023/2/633恒參信道的特性及對信號的影響

幅度-頻率失真幅度-頻率失真是由實際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的，這種失真又稱為頻率失真，屬于線性失真。

信道的幅度-頻率特性不理想會使通過它的信號波形產(chǎn)生失真，若傳輸數(shù)字信號，則會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，造成碼間干擾。2023/2/634信道－信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹π盘杺鬏數(shù)挠绊懫湎辔?頻率特性：()0ω()0理想特性2023/2/635相位-頻率失真也是屬于線性失真。它對模擬話音傳輸影響不明顯。如果傳輸數(shù)字信號，相頻失真同樣會引起碼間干擾。相位-頻率失真恒參信道的特性及對信號的影響2023/2/636[例5]設(shè)某恒參信道的傳輸特性為

其中，td為常數(shù)。試確定信號s(t)通過該信道后的輸出信號表達式，并討論該信道對信號傳輸?shù)挠绊憽?023/2/637解：該恒參信道的傳輸函數(shù)為

沖激響應(yīng)為

2023/2/638

輸出信號為

討論：因為該信道的幅頻特性不為常數(shù)，所以輸出信號存在幅頻失真，而相頻特性是頻率的線性函數(shù)，所以輸出信號不存在相頻失真。2023/2/639思考信號在恒參信道中傳輸主要有哪些失真？如何減少這些失真？2023/2/640隨參信道及其傳輸特性隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有以下三個特點：(1)對信號的衰耗隨時間隨機變化；(2)信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機變化；(3)多徑傳播。多徑衰落與頻率彌散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬

(Frequency-selectivefadingandcoherencebandwidth)2023/2/641思考多徑傳輸對信號的傳輸有哪些影響？2023/2/642多徑衰落與頻率彌散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)輸入信號hbd2dd1qqhm接收信號的特性:

設(shè)發(fā)送信號為Acos0t，2023/2/643隨參信道－信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

式中

ri

(t)

－第i

條路徑的接收信號振幅；

i(t)

－第i

條路徑的傳輸時延；

I(t)=-0

i(t)

Xc(t)Xs(t)則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號R(t)可以表示為：2023/2/644隨參信道－信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懯街校篤(t)

－合成波R(t)的包絡(luò);〖多徑衰落〗

(t)

－合成波R(t)的相位。即有：

由于，相對于0而言，ri(t)和i(t)變化緩慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是緩慢變化的。所以，R(t)可以視為一個窄帶信號（隨機過程）。2023/2/645隨參信道－信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懹上率娇梢姡?/p>

原發(fā)送信號Acos0t，經(jīng)過傳輸后：恒定振幅A，變成慢變振幅V(t);

恒定相位0，變成慢變相位(t)；因而，頻譜由單一頻率變成窄帶頻譜。tff02023/2/646相對于原發(fā)送信號Acos0t來說V(t)和j(t)是慢變化隨機過程，于是R(t)可以看成是一個窄帶隨機過程。兩個結(jié)論:(1)多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落；(2)從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。多徑衰落與頻率彌散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)2023/2/647廣義信道(編碼信道數(shù)學模型)編碼信道包括調(diào)制信道、調(diào)制器和解調(diào)器，是一種數(shù)字信道或離散信道。由于信道噪聲或其他因素的影響，將導致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯誤，因此輸入、輸出數(shù)字序列之間的關(guān)系可以用一組轉(zhuǎn)移概率來表征。二進制編碼信道模型2023/2/648對于多進制無記憶編碼信道：對于二進制無記憶編碼信道：輸出的總的錯誤概率：M元輸入符號：N元輸出符號：轉(zhuǎn)移概率：廣義信道(編碼信道數(shù)學模型)2023/2/649廣義信道(編碼信道數(shù)學模型)一個多進制無記憶編碼信道模型2023/2/650加性噪聲(Addednoise)加性噪聲與信號相互獨立，并且始終存在。實際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。加性噪聲來源分類人為噪聲：外臺信號、電氣開關(guān)合斷、點火系統(tǒng)自然噪聲：來源于雷電、磁暴、宇宙射線、太陽黑子內(nèi)部噪聲：系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部本身產(chǎn)生的各種噪聲，電阻器熱噪聲、電子管、半導體管中的電子起伏（散彈噪聲）2023/2/651起伏噪聲通常被認為是近似高斯白噪聲雙邊功率譜密度自相關(guān)函數(shù)如果線性網(wǎng)絡(luò)具有窄帶特性，則輸出噪聲為窄帶噪聲加性噪聲(Addednoise)2023/2/652信道容量是指信道中信息無差錯傳輸?shù)淖畲笏俾省＿@里只討論連續(xù)信道的信道容量。香農(nóng)公式(Shanno