通信原理 第3章课件.ppt

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1、课程名称课件,第1章 通信系统概述,第2章 信号分析,第3章 信道与噪声,第4章 模拟调制,第5章 模拟信号的数字传输,第6章 数字基带传输,通信原理课件,第7章 数字调制,第8章 差错控制编码,第9章 同步原理,3.1 信道概念及分类,3.2 信道容量,3.3 信道中的噪声,信道概念及分类,3.1,3.1.2 信道分类,3.1.1 信道概念,信道概念,3.1.1,通俗地说，信道指以传输介质为基础的信号通路。 具体地说，信道一般指由有线或无线电线路提供的信号通路。 抽象地说，信道实质是一段频带，允许信号通过，同时又给信号以限制和损害。,信道特性的好坏直接影响通信系统的总特性,信道特点,信道的特

2、点包括以下两个方面：（1）通信系统重要的传输环节；（2）通信系统中噪声的主要来源。,信道分类,3.1.2,根据信道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道； 如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。 ,信道的分类,信道分类,3.1.2,狭义信道,有线信道包括架空明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。 无线信道包括短波、地面微波接力、卫星通信等。 狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。,有线信道,明线 双绞线（对称电缆） 同轴电缆光导纤维,明线,概念：架空明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路

3、。优点：传输损耗低 缺点：易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感 。明线现已逐步淘汰。,双绞线,概念：双绞线由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺线状绞合在一起（也称为对称电缆）。绞合目的：将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰，且相邻线对通常具有不同的绞合长度。,双绞线实物及内部结构图,双绞线,双绞线又分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP。除某些特殊场合(如受电磁辐射严重、对传输质量要求较高等)在布线中使用STP外，一般情况下我们都采用UTP。,UTP与STP,UTP,STP,UTP分类,3类：3类UTP用于传统电话线，另外还用于10Mbps以太网，是早

4、期网络中重要的传输介质4类：4类UTP因标准的推出比3类晚，而传输性能与3类UTP相比并没有提高多少，所以一般较少使用5类：五类UTP因价廉质优而成为快速以太网(100Mbps)的首选介质超5类：超五类UTP的用武之地是千兆位以太网(1000Mbps)。,各类非屏蔽双绞线电气特性,双绞线优缺点,优点：由于其结构上的双绞特点，与外界间相互干扰小（抗电磁干扰）； 带宽较宽，传输特性比较稳定。缺点：双绞线的传输损耗比明线大得多。,同轴电缆,概念：同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。,同轴电缆分类,50欧姆的细

5、缆：细缆（基带同轴电缆）用于基带信号传输，主要用于数字信号传输系统。 75欧姆的粗缆：粗缆（宽带同轴电缆）用于宽带信号传输，可以用于数字/模拟信号传输系统，如CATV有线电视信号传输，能够同时传输几百套电视节目。,同轴电缆实物,同轴电缆优缺点,优点： 与外界间相互干扰小（外导体接地，屏蔽作用）；带宽大。缺点： 成本较高（与双绞线比较）。,光纤,概念：光导纤维(简称光纤)是光纤通信系统的传输介质。是一种纤细（2125m）柔韧能够传导光线的介质（光导纤维），以光波作为载波的信道。 结构：光纤呈圆柱形，由纤芯、包层和护套三部分组成。,光纤实物内部结构图,光纤优缺点,优点： 低传输损耗（长距离无中继）

6、，高带宽（容量大），抗干扰能力强等。缺点： 成本较高（完整系统），部分器件技术问题尚需解决。,无线信道,无线信道主要由无线电波和光波作为传输载体。 光波：在光波中，红外线、激光是常用的信号载体。短距离：红外线。如电视机遥控器。远距离：光波。可用于建筑物之间的局域网连接 。无线电波：绝大多数无线通信都采用无线电波作为信号传输的载体。,无线电波频率资源划分表,几种主要无线信道,短波地面微波接力卫星通信,短波,短波是指频率为330MHz的无线电波。短波的基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波。短波的主要传播途径是天波。,地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：约10 60 km电离

7、层：约60 600 km,电磁波传播：地波、天波、视距传播,多径传播,多径传播：电波经由不同的路径到达接收点。,多径传播有以下几种形式: (1) 电波从电离层的一次反射和多次反射； (2) 电离层反射区高度所形成的细多径； (3) 地球磁场引起的寻常波和非寻常波； (4) 电离层不均匀性引起的散射现象。 ,图 3 - 16多径形式示意图 (a) 一次反射和两次反射； (b) 反射区高度不同； (c) 寻常波与非寻常波； (d) 散射现象,短波优缺点、应用,优点：抗毁能力和自主通信能力强；在山区、戈壁、海洋等地区，主要依靠短波； 运行成本低。 缺点：稳定性较差，噪声较大。应用：广泛应用于电报、电

8、话、低速传真通信和广播等方面。,地面微波接力,概念：由于微波是按照近似直线的方式进行传播的，如果两个站点间相距太远，那么地球本身就会阻碍电磁的传输，因此在中间每隔一段距离就需要安装一个中继器来使电磁波传输得更远。中继距离：中继器间的距离大约与站高的平方根成正比，如果站高为100m，则中继器之间的距离可以约为80km（距离一般在50100km之间）。,地面微波接力传输,地面微波接力优缺点,优点：容量大；质量高；投资小。缺点：容易失真。 易受环境因素影响。 安全性差。 维护难度大。应用：传输电话、电报、图像、数据等信息。,卫星通信,人造卫星中继信道可视为无线电中继信道的一种特殊形式。 卫星中继信道

9、由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。 同步卫星离地面高度为35860km。,卫星通信系统,卫星通信优缺点、应用,优点：传输距离远；覆盖地域广；传播稳定可靠；传输容量大。缺点：技术要求高；一次性投入大。应用：目前广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。,缺点,卫星发射和控制技术复杂地球两极地区为通信盲区，地球高纬度地区通信效果不好存在星蚀和日凌中断卫星使用寿命短，可靠性要求高传输延迟大，回波干扰往返传播延迟约为0.54s,星蚀和日凌中断,地球,太阳,地球,太阳,当地球处于卫星与太阳之间时，地球把阳光遮挡，此时卫星的太阳能电池不能正常工作，星载电池只能维持卫星自转而不能支持转发器正常工作，

10、这种现象造成的通讯中断称为星蚀。 每年春分、秋分时，地球、卫星、太阳在同一直线上。当卫星在地球与太阳之间时，地球上的小站在接收卫星信号的同时，受到太阳辐射的影响， 使通讯中断，此现象称为日凌。,常用传输介质的比较,广义信道,通信系统中，凡信号经过的一切通道统称为广义信道。 广义信道不但包括传输媒介，还包括馈线、天线、调制/解调器、编码/译码器等各种形式的转换、耦合等设备。广义信道主要用于通信系统性能分析。 广义信道从消息传输的观点分析问题，把信道范围扩大了。其意义在于仅关注传输结果，不关心传输过程，使通信系统模型及其分析大为简化。,广义信道分类,广义信道通常可分为调制信道和编码信道两大类。,调

11、制信道,概念： 调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端的所有电路设备和传输介质，调制信道主要用来研究模拟通信系统的调制、解调问题，故调制信道又可称为连续（信号）信道。调制信道中传输的是已调信号，为模拟信道。,编码信道,概念： 编码信道的范围是从编码器输出端至译码器输入端，编码器的输出和译码器的输入都是数字序列，故编码信道又称为离散信道。主要用于研究数字通信系统。编码信道中传输的是已编信号，为数字信道。,信道模型,3.1.3,调制信道模型,调制信道对信号的影响是由信道的特性及外界干扰造成的，可以用一个二对端（或多对端）的时变线性网络来表示 。,图3-9 调制信道模型,调制信道模型,加性干扰,乘

12、性干扰,调制信道模型,恒参信道：当k(t) =常数时，称为恒参信道，例如，同轴电缆。随参信道：当k(t)常数，称为随参信道，例如，移动蜂窝网通信信道。,恒参信道,恒参信道指信道的乘性干扰k(t)随时间缓变或不变，可以等效为线性时不变网络。各种有线信道和部分无线信道，如卫星通信链路信道，微波中继链路信道、中长波、地面波传播信道都属于恒参信道。若信道特性为h(t)，则输出信号可表示为,信号无失真传播条件,要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件： 系统函数的幅频特性H()是一个不随频率变化的常数。系统函数的相频特性()为一过原点的直线，即群时延为常数。,网

13、络的传输系统函数,信号无失真传播条件,两种失真及其影响（1）幅频失真也称为频率失真，使信号的不同频率分量受到不同衰减，从而导致信号波形失真。（2）相频失真也称群时延失真，使信号的不同频率分量产生不同的时延，从而导致信号波形失真。,（1）幅频失真,（2）相频失真,随参信道,随参指信道的乘性干扰k(t)随时间快变化，如短波电离反射、超短波流星余迹散射、多径效应和选择性衰落均属于变参信道。 表达式,频率选择性衰落：信号中不同频率成分受到不同程度的衰减，结果是引起信号波形失真。,编码信道模型,编码信道是包括调制信道、调制器以及解调器的信道，主要研究信道对所传输的数字信号的产生影响。编码信道所关心的是：

14、在经过信道传输之后数字信号是否出现差错以及出现差错的可能性有多少。编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，因此编码信道可以用转移概率（条件概率）来描述。,二进制编码信道模型,编码信道模型可以用数字的转移概率来描述,正确转移概率,错误转移概率,二进制编码信道模型,编码信道分类,编码信道分为无记忆信道和有记忆信道。在编码信道中，若数字信号的差错是独立的，也就是数字信号的前一个码元差错对后面的码元无影响，称此信道为无记忆信道。如果前一码元的差错影响到后面码元，这种信道称为有记忆信道。,信道容量,3.2,3.2.2 离散信道信道容量,3.2.1 连续信道信道容量,信道容量概念,信道容量是信道的极限

15、传输能力，即信道能够传送信息的最大传输速率。其数学表达式为： C = max R信道可以分为：连续信道（调制信道）离散信道（编码信道）,连续信道信道容量,3.2.1,香农公式：,假设连续信道的加性高斯白噪声功率为N（W），信道的带宽为B（Hz），信号功率为S（W），则该信道的信道容量为 :,香农公式,关于香农公式，须注意以下三点：信噪比S/N为实际比值，而不是dB；信道容量C的单位是b/s，而不是波特（码元/秒）； 信道容量三要素：信道带宽B、噪声单边功率谱密度n0和信号功率S，信道容量和这三要素有密切关系。,信道容量与三要素的关系,1）给定 、 ，增大信号功率 ，则信道容量也增加，若信号功率

16、趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大。2）给定 、 ，减小噪声功率谱密度 ，则信道容量增加，对于无噪信道即 ，信道容量趋于无穷大。3）给定 、 ，增加信道带宽 ，则信道容量也增加，但当带宽 趋于无穷大时，信道容量存在极限值:,信道容量和带宽的关系,信道容量四个结论,（1）当给定B、S/N时，信道的极限传输能力(信道容量)C即确定。（2）当信道容量C一定时，带宽B和信噪比S/N之间可以互换。（3）增加信道带宽B并不能无限制地增大信道容量。 （4）信道容量C是信道传输的极限速率时，由于 ，I为信息量，T为传输时间。,连续信道信道容量例题1,设模拟电话信道带宽为3.4KHZ，信道上只存在加性噪声；（1

17、）若信道的输出信噪比为30dB，求该信道的最大信息传输速率；（2）若要在该信道中传输33.6kb/s的数据，试求接收端要求的最小信噪比为多少。,连续信道信道容量例题2,某一待传输的图片含800600个像素，各像素间统计独立，每像素灰度等级为8级（等概率出现），要求用3s传送该图片，且信道输出端的信噪比为30dB，试求传输系统所要求的最小信道带宽。,练习,每帧电视图像可以大致认为由30万个像素组成。对于一般要求的对比度，每一像素大约取10个可辨别的亮度电平（例如对应黑色、深灰色、浅灰色、白色等）。现假设对于任何像素，10个亮度电平是等概率出现的，每秒发送30帧图像，还已知，信道中的干扰为加性高斯

18、白噪声，并且为了满意地重现图像，要求信道中信噪比为30dB。计算传输上述电视图像信号所需的信道带宽。,离散信道信道容量,奈奎斯特准则：频带宽度为B（Hz）的无噪声数字信道，所能传输的信号的最高码元速率为2B波特（Baud），则最大信息速率,3.2.2,式中N为码元符号所能取得离散值个数，即N进制。,离散信道信道容量例题1,设现有一带宽为3000Hz的无噪声数字信道，用于传输16进制数据信号，请计算该信道的信道容量。,离散信道信道容量例题2,某一无噪声数字信道，系统带宽为500Hz,信道容量是3000b/s，求该信道传输符号的进制数。,练习,1、设数字信道的信道带宽为1000 HZ，采用8进制传

19、输，计算无噪声时信道容量。2、设数字信道的信道容量为24kbit/s，采用四进制传输，则无噪声时的数字信道的带宽是 （ ） A.12KHz B.6KHz C.48KHz D.24KHz,练习,1、已知模拟信道的频带宽度为3000 HZ，信噪比S/N=20 dB，求信道容量 。2设带宽为4000Hz的模拟信道，只存在加性高斯白噪声，如果信号噪声功率比为100，则该信道的传输容量是 （ ） A.26.6KHz B.8KHz C.4KHz D.53.2KHz,信道中的噪声,3.3,噪声分类,噪声来源,常见噪声,噪声来源,信道中加性噪声的来源，一般可以分为三方面：人为噪声 自然噪声 内部噪声,噪声分类,单频噪声 脉冲噪声 起伏噪声,常见噪声,白噪声 ：在通信系统中，经常碰到的噪声之一就是白噪声。所谓白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。,图3-13 白噪声的功率谱密度和自相关函数,常见噪声,高斯白噪声 ：在实际信道中，另一种常见噪声是高斯噪声。所谓高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。其一维概率密度用数学式表示如式3-13所示。,式中，,为噪声的数学期望值，也就是均值；,为噪声的方差。,本章小结,1、信道概念及分类2、信道容量3、噪声,