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(hào)的定義；

掌握數(shù)字通信的概念，理解數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)；

掌握數(shù)字通信系統(tǒng)模型

掌握信息及其度量2023/3/141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(biāo)；

掌握信道模型，并會(huì)分析信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?/p>

熟悉信道中的噪聲。2023/3/142主要性能指標(biāo)（重點(diǎn)）通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息。評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)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(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題；可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。

2023/3/143主要性能指標(biāo)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(jiǎn)稱(chēng)傳碼率，又稱(chēng)符號(hào)速率等。它表示單位時(shí)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(gè)碼元，則傳碼率為2400B。

數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān):2023/3/145主要性能指標(biāo)信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱(chēng)傳信率，又稱(chēng)比特率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。每個(gè)碼元或符號(hào)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(gè)符號(hào)所含的平均信息量（熵）。

等概傳輸時(shí)，熵有最大值log2

M

，信息速率也達(dá)到最大，即Rb=RBlog2

M(b/s)2023/3/146主要性能指標(biāo)A二進(jìn)制1符號(hào)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(jìn)制01八進(jìn)制0012023/3/147主要性能指標(biāo)【例】

碼元速率為1200B，采用八進(jìn)制（M=8）時(shí)，信息速率為3600b/s；采用二進(jìn)制（M=2）時(shí)，信息速率為1200b/s，可見(jiàn)，二進(jìn)制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)它們?yōu)閿?shù)碼率2023/3/149主要性能指標(biāo)頻帶利用率η比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，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(dāng)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2023/3/1410)]/(Hzs[bBRb×=h希臘字母讀音表1大寫(xiě)小寫(xiě)英文注音國(guó)際音標(biāo)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2023/3/1411希臘字母讀音表3Φφphifai斐Χχchikhai喜Ψψpsipsai普西Ωωomegaomiga歐米伽2023/3/1413差錯(cuò)率衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率，常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，即主要性能指標(biāo)2023/3/1414傳輸總比特?cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)=bp主要性能指標(biāo)[例3]設(shè)一信息源的輸出由128個(gè)不同符號(hào)組成。其中16個(gè)出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個(gè)出現(xiàn)概率為1/224。信息源每秒發(fā)出1000個(gè)符號(hào)，且每個(gè)符號(hào)彼此獨(dú)立。試計(jì)算該信息源的平均信息速率。解：每個(gè)符號(hào)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2023/3/1415信道與噪聲信道定義與數(shù)學(xué)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2023/3/1417信道定義信道：以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。狹義信道：信號(hào)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。2023/3/1418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(wú)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(dòng)無(wú)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2023/3/1419狹義信道(有線)內(nèi)導(dǎo)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(diǎn)：較穩(wěn)定缺點(diǎn)：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(lèi)(16Mbit/s)和5類(lèi)(155Mbit/s)兩種以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音雙絞線外無(wú)任何屏蔽層2023/3/1421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(chēng)為多模光纖（MultimodeFiber）2023/3/1422狹義信道(無(wú)線，無(wú)線視距中繼信道)兩個(gè)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2023/3/1423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2023/3/1425廣義信道(調(diào)制信道數(shù)學(xué)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(wèn)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(duì)（或多對(duì)）輸入端和一對(duì)（或多對(duì)）輸 出端（2）絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿(mǎn)足線性疊加原理；（3）信號(hào)通過(guò)信道具有固定的或時(shí)變的延遲時(shí)間；（4）信號(hào)通過(guò)信道會(huì)受到固定的或時(shí)變的損耗；（5）即使沒(méi)有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）2023/3/1426廣義信道(調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)隨2023/3/1429恒參信道的特性及對(duì)信號(hào)的影響理想恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯牵?1)對(duì)信號(hào)在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；(2)對(duì)信號(hào)在時(shí)間上產(chǎn)生固定的遲延。這種情況也稱(chēng)信號(hào)是無(wú)失真?zhèn)鬏敽銋⑿诺朗侵赋诵愿蓴_基本不隨時(shí)間變化的信道

2023/3/1430回顧

尋找到這種函數(shù)關(guān)系是表示信道對(duì)信號(hào)的影響（變換）的某種函數(shù)關(guān)系信道對(duì)信號(hào)影響有兩點(diǎn)加性干擾乘性干擾2023/3/1431恒參信道的特性及對(duì)信號(hào)的影響傳輸特性幅-頻特性相-頻特性經(jīng)過(guò)信道后不產(chǎn)生失真，則希望H(w)滿(mǎn)足不失真條件為一條直線呈線性關(guān)系2023/3/1432信道恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽锓菚r(shí)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(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?023/3/1433恒參信道的特性及對(duì)信號(hào)的影響

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

信道的幅度-頻率特性不理想會(huì)使通過(guò)它的信號(hào)波形產(chǎn)生失真，若傳輸數(shù)字信號(hào)，則會(huì)引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形之間在時(shí)間上的相互重疊，造成碼間干擾。2023/3/1434信道－信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懫湎辔?頻率特性：()0ω()0理想特性2023/3/1435相位-頻率失真也是屬于線性失真。它對(duì)模擬話音傳輸影響不明顯。如果傳輸數(shù)字信號(hào)，相頻失真同樣會(huì)引起碼間干擾。相位-頻率失真恒參信道的特性及對(duì)信號(hào)的影響2023/3/1436[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(hào)s(t)通過(guò)該信道后的輸出信號(hào)表達(dá)式，并討論該信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?023/3/1437解：該恒參信道的傳輸函數(shù)為

沖激響應(yīng)為

2023/3/1438

輸出信號(hào)為

討論：因?yàn)樵撔诺赖姆l特性不為常數(shù)，所以輸出信號(hào)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(hào)不存在相頻失真。2023/3/1439思考信號(hào)在恒參信道中傳輸主要有哪些失真？如何減少這些失真？2023/3/1440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(gè)特點(diǎn)：(1)對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化；(2)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)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)2023/3/1441思考多徑傳輸對(duì)信號(hào)的傳輸有哪些影響？2023/3/1442多徑衰落與頻率彌散

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

設(shè)發(fā)送信號(hào)為Acos0t，2023/3/1443隨參信道－信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

式中

ri

(t)

－第i

條路徑的接收信號(hào)振幅；

i(t)

－第i

條路徑的傳輸時(shí)延；

I(t)=-0

i(t)

Xc(t)Xs(t)則經(jīng)過(guò)n條路徑傳播后的接收信號(hào)R(t)可以表示為：2023/3/1444隨參信道－信道特性對(duì)信號(hào)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(duì)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(gè)窄帶信號(hào)（隨機(jī)過(guò)程）。2023/3/1445隨參信道－信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懹上率娇梢?jiàn)：

原發(fā)送信號(hào)Acos0t，經(jīng)過(guò)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。tff02023/3/1446相對(duì)于原發(fā)送信號(hào)Acos0t來(lái)說(shuō)V(t)和j(t)是慢變化隨機(jī)過(guò)程，于是R(t)可以看成是一個(gè)窄帶隨機(jī)過(guò)程。兩個(gè)結(jié)論:(1)多徑傳播使單一頻率的正弦信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號(hào)，這種信號(hào)稱(chēng)為衰落信號(hào)，即多徑傳播使信號(hào)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)2023/3/1447廣義信道(編碼信道數(shù)學(xué)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(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)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(lái)表征。二進(jìn)制編碼信道模型2023/3/1448對(duì)于多進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道：對(duì)于二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道：輸出的總的錯(cuò)誤概率：M元輸入符號(hào)：N元輸出符號(hào)：轉(zhuǎn)移概率：廣義信道(編碼信道數(shù)學(xué)模型)2023/3/1449廣義信道(編碼信道數(shù)學(xué)模型)一個(gè)多進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型2023/3/1450加性噪聲(Addednoise)加性噪聲與信號(hào)相互獨(dú)立，并且始終存在。實(shí)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(lái)源分類(lèi)人為噪聲：外臺(tái)信號(hào)、電氣開(kāi)關(guān)合斷、點(diǎn)火系統(tǒng)自然噪聲：來(lái)源于雷電、磁暴、宇宙射線、太陽(yáng)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(dǎo)體管中的電子起伏（散彈噪聲）2023/3/1451起伏噪聲通常被認(rèn)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)2023/3/1452信道容量是指信道中信息無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾?。這里只討論連續(xù)信道的信道容量。香農(nóng)公式(Shannon'schan