通信原理课件第4章信道.ppt

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1、第三章 信 道(Channel),主要内容：信道的定义信道的数学模型恒参信道与随参信道的传输特性信道加性噪声的统计特性信道容量的计算,重点：信道中输入与输出的关系幅频曲线、相频曲线含义幅度频率畸变、相位频率畸变多径效应及噪声特性信道容量,广义信道：包括信号的各种变换装置和传输媒介的信道,信道:信号的传输通道,狭义信道：仅包含信号的传输媒介，有无线和有线两大类.,4.3 信道数学模型,4.1 无线信道,4.5 信道的加性噪声,4.4 信道特性对信号传输的影响,4.2 有线信道,4.6 信道容量,典型例题,无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：约

2、10 60 km电离层：约60 400 km,4.1 无线信道,电磁波的分类：地波（频率 30 MHz）,4.1.1 短波电离层反射信道 波长为100 10 m,频率为330MHZ的无线电波,1）传播路径 信号的传播路径图 利用离地面60 600KM 的电离层反射信号。电离层分为D、E、F1、F2 四层，其中D、F1 夜间消失,2）工作频率,更高的频率信号将穿透电离层,3）多径传播(Multiple Path Transfer)原因:电波经电离层一次反射或多次反射；几个反射层高度不同；电离层不均匀引起的漫射(diffusion)；磁场影响，使电磁波来分裂成寻常波，非寻常波。,4）应用 优点：功

3、率小，距离远，地形随意，合适的频宽，保密；缺点：可靠性差，工作频率变，多径失真，干扰大。,通信距离最大为8000Km，随高度增加而减小，影响电波弯曲折射回地面,信号的传播路径图,4.1.2 对流层散射信道,传播距离约100 500 km 利用离地面10 12 km以下的大气对流层，对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电波的散射，可提供12240频分复用话路，可靠性99.9%。,对流层散射传播路径的示意图,2、传播损耗 1）自由空间能量扩散损耗 2）散射损耗,主要特征：1、衰落 1）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化 2）快衰落:多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变化 其克服方法：分集

4、接收。,4、天线与媒介间的耦合损耗 天线增益亏损：理论增益与实际增益之差,5、应用 干线通信 点对点通信,对流层散射路径示意图,4.1.4 卫星中继(Satellite Relay)无线电中继的特殊形式同步卫星为中继站,传输容量大、发射功率小，通信稳定可靠。用于多路电话及电视,4.1.3 无线电视距中继 工作频率：超短波和微波，沿视线传输，依靠中继方式,例子：,发信号：,即：发信号在时间轴上被展宽。（多径时散）这种失真类似于该信号通过滤波器后的失真。,信道可看成是一个带限滤波器(filter)。,4.2 有线信道,、有线电信道,表3-1 三种有线电信道的性能,明线:传输损耗低。易受天气和气候影

5、响，对外界噪声敏感,对称电缆:传输损耗比明线大的多，传输特性比较稳定,同轴电缆：外导体屏蔽，特性稳定,、光纤信道 以光纤为传输媒介，光波为载波。可提供极大容量,光纤信道一般组成,0.32.7 0.3150 12108 12252 601300 604100 3009000 30012000 30060000,1+3 1+3+12 24 60 300 960 1800 2700 10800,架空明线 架空明线 对称电缆 对称电缆 小同轴电缆 小同轴电缆 中同轴电缆 中同轴电缆 中同轴电缆,300 80120 35 1218 8 4 6 4.5 1.5,三种有线电信道的性能,光源,光调制器,光纤线

6、路,光探测器,基带处理,基带处理,已调光信号,已调电信号,解调电信号,基带电信号,基带电信号,光源：LED或LD光源,光纤线路：一根或多根光纤,光探测器：PIN光电二极管或雪崩光电二极管（APD）,中继器：直接中继器和间接中继器,4.3 信道模型,根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴,编码信道 Encoding Channel,调制信道 Modulation Channel,广义信道,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,译 码 器,编 码 器,调制信道,编码信道,调 制 器,4.3.1 调制信道模型（连续系统）,共性:1)有一对(或多对)输入、输出端 2)线性的满足叠加原理 3)对信

7、号有延迟，损耗、衰减 4)无信号输入时，仍有功率输出（噪声）,或,如果网络的函数变换关系定义为,加性干扰。,则有,根据上述共性，我们可用一个二对端(或多对端)的时变线性网络来表示调制信道调制信道模型,网络的输入与输出之间的关系可表示为：,4.3.2 编码信道模型（离散系统）,信道对信号的影响是序列变换,信道的失真以误码率体现,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,译 码 器,编 码 器,调制信道,编码信道,调 制 器,例如:二进制数字传输的编码信道,令码元发生错误相互独立,即信道无记忆,信道性能：用转移概率描述 P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0),P(1/1)为正确转移概率 P(1/

8、1)=1-P(0/1)P(1/0),P(0/1)为错误转移概率转移概率完全由编码信道所决定。需用大量的统计分析得到,编码信道模型可用数字的转移概率来描述,恒参信道可等效为线性时不变网络，只要得到网络的传输特性，就可知信道对信号的影响网络的传输特性用幅频函数(amplitude-frequency function)、相频函数(phase-frequency function)描述,4.4 信道特性及对信号传输的影响,4.4.1.1 幅度-频率畸变-传输特性的不均匀衰耗(decline)引起 已调信号中各频率分量通过信道时带来不同衰减（或增益）造成输出信号的失真频率失真(distortion)理

9、想无失真传输信道，其传函应满足：,典型音频信道幅度频率特性曲线,K:传输系数,:延迟时间,4.4.1 恒参信道特性及对信号传输的影响,衰减/dB,f/(kHz),H(f),改善措施：改善滤波性能，增加均衡器(equalizer)、线性补偿网络,音频电话信道的幅度频率特性,4.4.1.2 相位-频率畸变 网络的相频特性非线性（来源于阻抗性元件）所引起的畸变。主要影响数字信号,引起严重的码间串扰,设相频特性为,理想时：,定义：群迟延频率特性,实际中：群迟延不为常数。不同的频率的信号经过信道传输后，到达输出端的相对时间不一致。,群迟延产生信号畸变示意图,群迟延产生信号畸变示意图,接收端信号：,发送端

10、信号：,4.4.2 随参信道特性及对信号传输的影响,随参信道的三个特点：1）衰耗随时间而变；2）时延随时间而变；3）多径传播。随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述,4.4.2.1 接收信号 的描述,设发射信号为,则接收信号为,第i条路径的接收信号振幅,第i条路径的传输时延,包络,相位,2）多径传播使 变成包络和相位受到调制的窄带信号 3）多径传播引起了频率弥散(频率展宽)。R(t)称为衰落信号,或,均为缓慢变化的随机过程,结论：1）是窄带过程,2、多径传播 设多径传播最大相对时延差为,1、以两径传播模型为例 框图及公式推导,定义：为相邻传输零点的频率间隔。,分析模型的传输特性,4.4

11、.2.2 的频率选择性衰落,则 为信道带宽结论：传输信号带宽 一般工程上：信号带宽,两径传播的模特性取决,讨论：,模特性,处为零点,说明：信号频率不同时受到的衰减不一样，且衰减量与 有关。的值随日常时间而变化,处为极点,此模型传输特性的公式推导,模型的传输特性为,两径传播模型：两条路径信号的相对时延差,4.5 信道的加性噪声,加性噪声:1)人为噪声 2)自然噪声 3)内部噪声,随机噪声1)单频噪声:连续波干扰，可视为已调正弦波。占极窄频带2)脉冲噪声：时间上无规则地突发的短促噪声。脉冲噪声幅 度大，持续时间短，频谱宽，频率越高，频谱 强度越小 3)起伏噪声:热噪声、散弹噪声、宇宙噪声。普遍存在

12、，不 可避免影响通信的主要因素。,1、热噪声 电子随机运动产生的交流成分，服从高斯分布,2、散弹噪声 真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀引起的，高斯随机过程,3、宇宙噪声 天体辐射波对接收机形成的噪声,结论：三种噪声均可认为是一种高斯噪声，在相当宽的频 率范围内具有平坦的功率谱密度。高斯白噪声,起伏噪声,从调制信道角度看带通型噪声接收转换器带通滤波器(BPF:Band Pass Filter)输出为窄带高斯噪声,设带通型噪声的功率谱密度 如图示，可由高斯白噪声通过一个带通滤波器得到。,等效噪声带宽,对带宽为 的窄带高斯噪声，可以认为它的功率谱密度在带宽 内是平坦的。,4.6 信道容量(c

13、hannel capacity),4.6.1 离散信道的信道容量,设输入为，输出为,取统计平均，,表示发送的每个符号的平均信息量,表示发送符号在有噪信道中传输平均丢失的信息 量，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量,信息传输速率：信道在单位时间内所传输的平均信息量,：信息源的信息速率,：单位时间内对发送x而收到y的条件平均信息量,设单位时间传送的符号数为r,则,无噪声时，信道不存在不确定性，H(x/y)=0 这时 噪声很大时,则 R0,信道容量C:信道传输信息的速率R的最大值,解：信息源的平均信息量为：,则信息源发送信息的速率为,接收端的条件平均信息量,由于信道不可靠性在单位时间内丢失的信息

14、量为,信道传输信息的速率,例：设信息源由符号0和1组成，如果消息传输速率是每秒1000符号，且两符号出现概率相等。在传输中弱干扰引起的差错是：平均每100个符号中有一个不正确，信道模型如图示。求传输信息的速率。,4.6.2 连续信道的信道容量,结论：,（1）对给定B、S/N，信道的极限传输能力（信道容量）C即确定。RC 无差错传输理论上不可能,（2）信道容量C一定时，带宽B和信噪比S/N之间可互换,（3）增大信道带宽B并不能无限制地增大信道容量,证明：若噪声单边功率谱密度为n0,则噪声功率Nn0B,（4）信道容量C是信道传输的极限速率时，由于,可见，给定I和S/N的情况下，带宽和时间也可以互换

15、,典型例题,例1 设某恒参信道的幅频特性为，其中，td为常数。试确定信号s(t)通过该信道后的输出信号表达式，并讨论之。,输出信号,解：幅频特性,则,例2 设某恒参信道可用如图线性二端网络来等效，试求它的传输函数，并说明信号通过信道会产生哪些失真？,可见，,信号通过该信道既产生幅频失真又产生相频失真,解：,例3.假设某随机信道的两径时延差为1ms，试求该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪些频率传输信号最有利？,例4.设某随参信道的最大多径时延差等于3ms，为了避免发生频率选择性衰落，试估计在该信道上传输的数字信号的码元脉冲宽度。,所以信道相关带宽为：,信号带宽一般选择为：,数字信号的最小带宽

16、等于码速率，因此码元脉冲宽度,解：最大多径时延差3ms，即,例5.计算机终端通过电话信道传输计算机数据，电话信道带宽3.4KHz，信道输出信噪比为20dB，该终端输出128个符号，各符号相互统计独立，等概出现。（1）求香农信道容量（2）求无误码传输的最高符号速率,解：（1）信噪比为20dB，则,则香农信道容量,（2）无误码传输的最大信息传输速率,所以无误码传输的最大符号速率,例6.某一待传输的图片约含2.25106个像元，为了很好地重现图片需要12个亮度电平，假若所有这些亮度电平等概率出现，试计算用3min传送一张图片时所需要的信道带宽（假设信道中信噪功率比为30dB）,解：先求每个像元x的平均信息量。因为12个亮度电平等概出现,3min传送一张图片时的平均信息速率为,信道容量,