通信原理第4章

1、1第四章第四章 信信 道道2本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：q 無線信道和有線信道無線信道和有線信道q 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型q 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憅 信道中的噪聲信道中的噪聲q 信道容量信道容量第第4章章 信信 道道3第第4章章 信信 道道l信道分類信道分類：n無線信道無線信道 電磁波（含光波）電磁波（含光波）n有線信道有線信道 電線、光纖電線、光纖l信道中的干擾信道中的干擾：n有源干擾有源干擾 噪聲噪聲n無源干擾無源干擾 信道本身的傳輸特性不良信道本身的傳輸特性不良l本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)：介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對(duì)于信號(hào)介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及

2、其對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽鬏數(shù)挠绊憽?4.1 無線信道無線信道無線信道信號(hào)傳播示意圖無線信道信號(hào)傳播示意圖電磁波電磁波5 54.1 無線信道無線信道q 無線信道電磁波的頻率，受天線尺寸限制。無線信道電磁波的頻率，受天線尺寸限制。fc電磁波電磁波頻率頻率、波長波長、速率速率之間的關(guān)系之間的關(guān)系10D天線尺寸天線尺寸與電磁波與電磁波波長波長之間的關(guān)系之間的關(guān)系q 因而，用于通信的電磁波頻率通常都比較高。因而，用于通信的電磁波頻率通常都比較高。 smc/10386 64.1 無線信道無線信道u 地地 波波（ground wave）u 天天 波波（sky wave）u 視視 線線（line of sig

3、ht）q 根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同，電磁根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同，電磁波的傳播主要分為：波的傳播主要分為：7 74.1 無線信道無線信道q 地波傳播地波傳播 頻率較低的電磁波趨于沿彎曲的地球頻率較低的電磁波趨于沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑?，有一定的繞射能力。表面?zhèn)鞑?，有一定的繞射能力。傳播路徑傳播路徑地地 面面圖圖4-1 地波傳播地波傳播p頻率頻率 2 MHzp有繞射能力有繞射能力p距離：數(shù)百千米或數(shù)千千米距離：數(shù)百千米或數(shù)千千米8 8q 天波傳播天波傳播4.1 無線信道無線信道 頻率較高的電磁波利用電離層反射的頻率較高的電磁波利用電離層反射的傳播方式。傳播方式。p頻率：頻率：2 M 30

4、 MHzp特點(diǎn)：被電離層反射特點(diǎn)：被電離層反射p一次反射距離：一次反射距離： 30 MHzp距離：與天線高度有關(guān)距離：與天線高度有關(guān)ddh接收天線接收天線發(fā)射天線發(fā)射天線傳播途徑傳播途徑D地面地面rr圖圖 4-3 視線傳播視線傳播50822DrDhmp增加傳播距離方法：增加傳播距離方法：無線電中繼無線電中繼衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信平流層通信平流層通信圖圖4-4 無線電中繼無線電中繼10104.2 有線信道有線信道q 傳輸電信號(hào)的有線信道傳輸電信號(hào)的有線信道u明明 線線u對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜u同軸電纜同軸電纜逐漸被取代逐漸被取代1111u對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線組成：由許多對(duì)雙絞線組成u同軸電纜：同

5、軸電纜：由內(nèi)外兩根同心圓柱形導(dǎo)體構(gòu)成由內(nèi)外兩根同心圓柱形導(dǎo)體構(gòu)成圖圖4-9 雙絞線雙絞線導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣層絕緣層導(dǎo)體導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)金屬編織網(wǎng)保護(hù)層保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)實(shí)心介質(zhì)圖圖4-10 同軸線同軸線有線電話網(wǎng)有線電話網(wǎng)有線電視網(wǎng)有線電視網(wǎng)4.2 有線信道有線信道1212u結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)p纖芯纖芯p包層包層u按折射率分類按折射率分類p階躍型階躍型p梯度型梯度型u按模式分類按模式分類p多模光纖多模光纖p單模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖圖圖4-11 光纖結(jié)構(gòu)示意圖光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)q 傳輸光信號(hào)的有線信道傳輸光信號(hào)的有線信道

6、光纖光纖4.2 有線信道有線信道1313u損耗與波長關(guān)系損耗與波長關(guān)系p損耗最小點(diǎn)：損耗最小點(diǎn)：1.31 m與與1.55 m0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波長（m）1.55 m1.31 m圖圖4-12光纖損耗與波長的關(guān)系光纖損耗與波長的關(guān)系光纖通信主要工作波段光纖通信主要工作波段4.2 有線信道有線信道14編碼信道編碼信道調(diào)制信道調(diào)制信道4.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型q 信道模型的分類信道模型的分類u 調(diào)制信道調(diào)制信道u 編碼信道編碼信道154.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型4.3.1 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)調(diào)制信道數(shù)學(xué)模

7、型調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)()()(tntefteio輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：通常假設(shè)：通常假設(shè)：)()()(tetktefii則有：則有：)()()()(tntetkteio調(diào)制信道一般數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道一般數(shù)學(xué)模型164.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型u因因k(t)隨隨t變，故信道稱為時(shí)變信道。變，故信道稱為時(shí)變信道。u因因k(t)與與e i (t)相乘，故稱其為乘性干擾。相乘，故稱其為乘性干擾。u因因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道隨參信道。u若若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道恒參信道。u乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，沒有乘性干擾

8、。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，沒有乘性干擾。)()()()(tntetkteio調(diào)制信道一般數(shù)學(xué)模型：調(diào)制信道一般數(shù)學(xué)模型：174.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型4.3.2 編碼信道模型編碼信道模型P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端pP(0 / 0)和和P(1 / 1) 正確轉(zhuǎn)移概率正確轉(zhuǎn)移概率pP(1/ 0)和和P(0 / 1) 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率pP(0 / 0) = 1 P(1 / 0)pP(1 / 1) = 1 P(0 / 1)q 二進(jìn)制編碼信道模型二進(jìn)制編碼信道模型184.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)

9、傳輸?shù)挠绊憅 恒參信道的影響恒參信道的影響振幅頻率特性振幅頻率特性fA0A00相位頻率特性相位頻率特性)()()(jeHH信道可等效成線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)信道可等效成線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)l 傳輸特性與無失真條件傳輸特性與無失真條件無失真?zhèn)鬏敆l件：無失真?zhèn)鬏敆l件：幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性)()()(常數(shù)dtdd)()(常數(shù)KHdt)(群時(shí)延特性群時(shí)延特性19)()()(常數(shù)dtdd群時(shí)延特性：群時(shí)延特性：含義含義：信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過信道傳：信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過信道傳輸后具有相同的時(shí)延。輸后具有相同的時(shí)延。4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?0l 兩種失真及其影響兩種失真及

10、其影響4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憣?shí)際的信道特性不理想，將使信號(hào)產(chǎn)生失真。實(shí)際的信道特性不理想，將使信號(hào)產(chǎn)生失真。幅頻失真幅頻失真影響影響模擬信號(hào)：波形失真模擬信號(hào)：波形失真信噪比下降信噪比下降數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)：碼間串?dāng)_碼間串?dāng)_誤碼率增大誤碼率增大KH)(相頻失真相頻失真dt)(影響影響對(duì)話音信號(hào)影響小，視頻信號(hào)影響大對(duì)話音信號(hào)影響小，視頻信號(hào)影響大數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)：碼間串?dāng)_碼間串?dāng)_誤碼率增大誤碼率增大214.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憅 隨參信道的影響隨參信道的影響l 傳輸特性傳輸特性“時(shí)變性時(shí)變性”p信號(hào)的傳輸衰耗隨時(shí)間變化信號(hào)的傳

11、輸衰耗隨時(shí)間變化p信號(hào)的傳輸時(shí)延隨時(shí)間變化信號(hào)的傳輸時(shí)延隨時(shí)間變化p多徑傳播多徑傳播224.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憀 多徑傳播及其影響多徑傳播及其影響多徑傳播多徑傳播，是指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的信號(hào)經(jīng)過，是指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的信號(hào)經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，由于每條路徑的長度多條路徑到達(dá)接收端，由于每條路徑的長度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，所以接收信（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，所以接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。的合成。p多徑傳播含義多徑傳播含義23p多徑傳播影響多徑傳播影響4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳

12、輸?shù)挠绊懻f明：接收信號(hào)可看作說明：接收信號(hào)可看作包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)。)(cos)()(0tttVtR 結(jié)論：發(fā)射信號(hào)為結(jié)論：發(fā)射信號(hào)為單頻恒幅正弦波單頻恒幅正弦波時(shí)，接收信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)因多徑效應(yīng)變成因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號(hào)包絡(luò)起伏的窄帶信號(hào)。衰衰 落落0瑞利分布瑞利分布均勻分布均勻分布tA0cos信信 道道244.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憄多徑傳播影響多徑傳播影響從波形上看，等幅波變成了包絡(luò)起伏的調(diào)從波形上看，等幅波變成了包絡(luò)起伏的調(diào)幅波（衰落信號(hào)）幅波（衰落信號(hào)）瑞利型衰落瑞利型衰落。從頻譜上看，單根線譜變成

13、了窄帶頻譜從頻譜上看，單根線譜變成了窄帶頻譜頻率彌散頻率彌散。寬帶信號(hào)中某些頻率成分或其倍頻隨機(jī)性寬帶信號(hào)中某些頻率成分或其倍頻隨機(jī)性嚴(yán)重衰落嚴(yán)重衰落頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落。傳輸函數(shù)模與角傳輸函數(shù)模與角頻率關(guān)系圖頻率關(guān)系圖254.5 信道中的噪聲信道中的噪聲q 噪噪 聲聲信道中存在的不需要的電信號(hào)。信道中存在的不需要的電信號(hào)。又稱加性干擾。又稱加性干擾。q 按噪聲來源分類按噪聲來源分類人為噪聲人為噪聲 例：開關(guān)火花、電臺(tái)輻射例：開關(guān)火花、電臺(tái)輻射自然噪聲自然噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、噪聲、熱噪聲熱噪聲264.5 信道中的噪聲信道中的噪聲q 按噪聲性質(zhì)分類

14、按噪聲性質(zhì)分類u脈沖噪聲脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。其頻譜較寬。電火花就是時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。一種典型的脈沖噪聲。 u窄帶噪聲窄帶噪聲：來自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜：來自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的?？梢钥醋骰蝾l率位置通常是確知的或可以測(cè)知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。u起伏噪聲起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。和宇宙噪聲等。 討論

15、噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。274.5 信道中的噪聲信道中的噪聲q 熱噪聲熱噪聲u來來 源源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。 u頻率范圍頻率范圍：均勻分布在大約：均勻分布在大約 0 1012 Hz。u熱噪聲電壓有效值熱噪聲電壓有效值： )V(4kTRBV 式中式中k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)；波茲曼常數(shù)； T 熱力學(xué)溫度（熱力學(xué)溫度（K）；）； R 阻值（阻值（ ）；）； B 帶寬（帶寬（Hz）。）。u性性 質(zhì)質(zhì)：高斯白噪

16、聲高斯白噪聲284.5 信道中的噪聲信道中的噪聲q 通信系統(tǒng)中的熱噪聲通信系統(tǒng)中的熱噪聲窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲u經(jīng)過接收機(jī)帶通線性濾波器過濾的熱噪聲經(jīng)過接收機(jī)帶通線性濾波器過濾的熱噪聲u窄帶高斯噪聲功率：窄帶高斯噪聲功率：dffPPnn)()()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnn圖圖4-19 噪聲功率譜特性噪聲功率譜特性 Pn(f)Pn (f0)噪聲等噪聲等效帶寬效帶寬雙邊功率譜密度雙邊功率譜密度可認(rèn)為窄帶高斯噪聲在等效帶寬內(nèi)功率譜恒定?？烧J(rèn)為窄帶高斯噪聲在等效帶寬內(nèi)功率譜恒定。29q 定定 義義4.6 信道容量信道容量u信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省Ｐ诺滥軌騻鬏數(shù)淖畲?/p>

17、平均信息速率。q 分分 類類u離散信道容量離散信道容量u連續(xù)信道容量連續(xù)信道容量304.6.1 離散信道容量離散信道容量4.6 信道容量信道容量uC 每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾得總€(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祏Ct 單位時(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔挝粫r(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾盗孔畲笾祏兩者之間可以互換兩者之間可以互換q 兩種不同的度量單位兩種不同的度量單位CrCt單位時(shí)間（秒）內(nèi)傳送的符號(hào)數(shù)單位時(shí)間（秒）內(nèi)傳送的符號(hào)數(shù)314.6 信道容量信道容量q 計(jì)算離散信道容量的信道模型計(jì)算離散信道容量的信道模型x1x2x3y3y2y1接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端xn。ym圖圖4-2

18、1 信道模型信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)p n個(gè)發(fā)送符號(hào)：個(gè)發(fā)送符號(hào)：x1，x2，xnp m個(gè)接收符號(hào)個(gè)接收符號(hào): y1，y2，ympP(xi)符號(hào)符號(hào)xi出現(xiàn)的概率出現(xiàn)的概率pP(yj)收到收到y(tǒng)j的概率的概率pP(yj /xi)轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)送轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)送xi的的條件下收到條件下收到y(tǒng)j的概率的概率324.6 信道容量信道容量q 熵與損失熵熵與損失熵發(fā)送信號(hào)的平均信息量：發(fā)送信號(hào)的平均信息量： niiixPxPxH12)(log)()(信源的熵信源的熵 mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(損失熵?fù)p失熵

19、，表示接收端在收到一個(gè)符號(hào)后，對(duì)，表示接收端在收到一個(gè)符號(hào)后，對(duì)發(fā)送符號(hào)存在的不確定性。發(fā)送符號(hào)存在的不確定性。 傳輸過程中因噪聲而損失的平均信息量：傳輸過程中因噪聲而損失的平均信息量： 334.6 信道容量信道容量q信道容量信道容量)/()(max)(yxHxHCxP給定信道后，理論上能夠傳送的最大信息量：給定信道后，理論上能夠傳送的最大信息量： Bit/符號(hào)符號(hào) )/()(max)(yxHxHrCrCxPtBit/s r每秒傳送符號(hào)數(shù)每秒傳送符號(hào)數(shù) q特殊信道特殊信道u一對(duì)一的無噪信道；一對(duì)一的無噪信道；u一對(duì)多的無噪信道；一對(duì)多的無噪信道；u噪聲極大的信道；噪聲極大的信道； )(max)

20、(xHCxP)(max)(xHCxP0C3434復(fù)復(fù) 習(xí)：習(xí)：q 隨參信道和恒參信道隨參信道和恒參信道q 恒參信道無失真?zhèn)鬏敆l件恒參信道無失真?zhèn)鬏敆l件q 恒參信道的兩種失真及影響恒參信道的兩種失真及影響q 多徑傳播含義及影響多徑傳播含義及影響q 通信系統(tǒng)中的熱噪聲特性通信系統(tǒng)中的熱噪聲特性q 信道容量含義信道容量含義第第4章章 信信 道道354.6 信道容量信道容量4.6.2 連續(xù)信道容量連續(xù)信道容量按單位時(shí)間計(jì)算的信道容量：按單位時(shí)間計(jì)算的信道容量： )/(1log2sbNSBCtBB帶寬；帶寬；SS信號(hào)平均功率信號(hào)平均功率(W)(W)；NN噪聲功率噪聲功率(W)(W)； 令令N=n0B，可得到：，可得到： )/(1log02sbBnSBCtn n0 0噪聲單邊功率譜密噪聲單邊功率譜密度度(W/Hz)(W/Hz)；香農(nóng)公