通信系統(tǒng)概論

1、第1章通信系統(tǒng)概論§ 1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成圖1-1雙絞線1、框圖解釋信源：完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行约用芘c解密目的：保證所傳信息的安全信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)2、數(shù)字通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；傳輸差錯(cuò)可控；便于處理、變換、存儲(chǔ)；便于將來(lái)自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸；易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕；易于加密處理，且保密性好；缺點(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬；對(duì)同步要求tWj。§ 1.2通信信道及其特征信道分類(lèi):有線信道電線光纖信道光纖無(wú)線信道電磁波（含光波）水聲信道一聲

2、波存儲(chǔ)信道-磁材料有線信道 明線對(duì)稱電纜。由許多對(duì)雙絞線組成，分非屏蔽（UTP和屏蔽（STP）兩種。圖1-2雙絞線同軸電纜圖1-3同軸電纜光纖信道結(jié)構(gòu)：纖芯、包層按折射率分類(lèi)：階躍型（早期的，只有纖芯、包層兩種折射率）、梯度型（隨后的，纖芯折射率 沿半徑增大方向減?。┌茨Ｊ椒诸?lèi)：多模光纖（粗）（早期的，發(fā)光二極管作為光源，含有多種頻率成分，有多條路徑存在色散 波形失真，限制了傳輸帶寬），單模光纖（細(xì)）（后來(lái)的，激光作為光源，單一頻率成分, 一條路徑色散小波形失真小，傳輸帶寬寬）折射率(E汨單模(«1蛔田鹿(««)底咽一 （螞力如0圖1-4光纖結(jié)構(gòu)示意圖折射軍折射率

3、125陶損耗與波長(zhǎng)關(guān)系：損耗最小點(diǎn)： 1.31與1.55 mmQ.70.9 LI 1.31.51.77t波陵區(qū)1 pm 圖1-5光纖損耗于波長(zhǎng)的關(guān)系光纖信道傳輸衰耗的原因：（1）瑞利散射：當(dāng)光在傳播過(guò)程中遇到不均勻或不連續(xù)點(diǎn)時(shí)，部分能量將向各方傳向散射而不能達(dá)到終點(diǎn)。（2）材料吸收：材料中含有雜質(zhì)離子。這些離子在光波作用下發(fā)生振動(dòng)，從而會(huì)耗去部分能量（又 分紫外吸收和紅外吸收）。光纖信道時(shí)延失真的原因：色散（ Dispersion ）:光源發(fā)射的光載波總是有一定的頻譜寬度，而纖 維材料的折射率隨f而變化，因而在光波中不同的 f分量具有不同的傳輸速度，到達(dá)的時(shí)間也不一樣， 從而引起失真。無(wú)線信道

4、無(wú)線信道電磁波的頻率-受天線尺寸和元器件制造工藝限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)：對(duì)流層：地面上010 km,平流層：約 1060 km,電離層：約 60400 km電磁波的分類(lèi)：地波，頻率2 MHz ,有繞射能力，距離：數(shù)百或數(shù)千千米天波，頻率：2 30 MHz ,特點(diǎn)：被電離層反射，一次反射距離：4000 km ,有寂靜區(qū)傳播路徑圖1-8天波傳播D -收發(fā)天線間距離(km)。視線傳播，頻率 30 MHz ,距離：和天線高度有關(guān)，式中,8r 50過(guò)50m50（靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星）例若要求D = 50 km ,則由上式22h 8r 50增大視線傳播距離的其他途徑：中繼通信、衛(wèi)星通信 平流層通信：大氣層對(duì)于

5、傳播的影響：散射、吸收 水聲信道表面深度:250 f存儲(chǔ)信道§ 1.3信道數(shù)學(xué)模型與信道容量1、噪聲信道中的干擾：有源干擾一一噪聲、無(wú)源干擾一一傳輸特性不良(乘性干擾)信道中的噪聲：信道中存在的不需要的電信號(hào)，又稱加性干擾 按噪聲來(lái)源分類(lèi)人為噪聲 一例：開(kāi)關(guān)火花、電臺(tái)輻射，元器件的非線性自然噪聲 一例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲熱噪聲 一來(lái)源：來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)，頻率范圍：均勻分布在大約 01012Hz。性質(zhì)：高斯白噪聲按噪聲性質(zhì)分類(lèi)脈沖噪聲：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 是一種典型的脈沖噪聲。窄帶噪聲：來(lái)自相鄰電

6、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?作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。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。幾個(gè)有關(guān)噪聲的概念：帶限白噪聲：經(jīng)過(guò)接收機(jī)帶通濾波器過(guò)濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲：由于濾波器(往往是解調(diào)輸出濾波器) 是一種線性電路，高斯過(guò)程通過(guò)線性電路后， 仍為一高斯過(guò)程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率：PnPn(f)df式中 Pn(f)雙邊噪聲功率譜密度。 噪聲等效帶寬：Pn(f)df。Pn(f)dfBn02Pl(f0)Pn(f。)式中，Pn(f0)

7、原噪聲功率譜密度曲線的最大值。噪聲等效帶寬的物理概念：以此帶寬作一矩形濾波特性，則通過(guò)此特性濾波器的噪聲功率，等于通 過(guò)實(shí)際濾波器的噪聲功率。利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時(shí)，可以認(rèn)為窄帶噪 聲的功率譜密度在帶寬 B內(nèi)是恒定的。2、調(diào)制信道模型調(diào)制信道的共性：(1)有輸入端。具有一定功率的信號(hào)由此輸入；(2)有輸出端。由此可以接收到信號(hào)的功率；(3)即使輸入端無(wú)信號(hào)輸入，輸出也不為零(噪聲)；(4)輸入信號(hào)在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，絕大多數(shù)信道是線性的，即輸出具有疊加性；(5)信號(hào)在信道中傳輸均受到衰減和延時(shí)，或受到其它影響。上述共性提示：用一個(gè)三(或多)對(duì)端的時(shí)變線性系統(tǒng)去替代調(diào)

8、制信道，這個(gè)系統(tǒng)就稱為調(diào)制信道 的數(shù)學(xué)模型：ei (t)eo (t)時(shí)變線性系統(tǒng)n (t)圖1-11調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型eo(t)fei(t) n(t)式中ei(t)信道輸入端信號(hào)電壓，eo(t)-信道輸出端的彳t號(hào)電壓，n(t)- 噪聲電壓。通常假設(shè)：胴小這時(shí)上式變?yōu)?eok(t)e(t) n(t)信道數(shù)學(xué)模型圖1-12調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型若k(t)隨t變，則信道稱為時(shí)變信道。因 k(t)與ei (t)相乘，故稱其為乘性干擾。乘性干擾特點(diǎn)是 當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，乘性干擾也沒(méi)有。若k(t)作隨機(jī)變化，則稱信道為隨參信道；若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。3、編碼信道模型P(0 / 0)和P(1

9、/ 1) 正確轉(zhuǎn)移概率；P(1/ 0)和P(0 / 1) 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率P(0 / 0) = 1- P(1 / 0), P(1 / 1) = 1- F(0 / 1)四進(jìn)制編碼信道模型圖1-14四進(jìn)制編碼信道模型4、信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺赖挠绊懞銋⑿诺?T 非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò) T信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無(wú)失真條件：振幅頻率特性：為水平直線時(shí)無(wú)失真相位頻率特性：要求其為通過(guò)原點(diǎn)的直線，即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無(wú)失真。群時(shí)延定義:圖1-15 群時(shí)延失真頻率失真：振幅頻率特性不良引起的頻率失真T波形畸變T碼間串?dāng)_解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償相位失真：相位頻率特性不良引起的對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)

10、影響大解決辦法：同上例：其中f1（t）的頻率為1, f2（t）的頻率為 2。如幅頻特性為一個(gè)常數(shù)（1/2）,則有f t 12f1t 1 2 f2 t12f1tf2 t沒(méi)有失真。但如幅頻特性不為一個(gè)常數(shù)(例如對(duì)于1衰減為1/2 ,對(duì)于2衰減為1/3 ),則有f t 12f1t 1 3 f2 t 163f1t 2 f2 t顯然f(t)產(chǎn)生了失真非線性失真：可能存在于恒參信道中。定義：輸入電壓輸出電壓關(guān)系是非線性的。其他失真：頻率偏移、相位抖動(dòng)等圖1-16非線性失真輸出中壓5、信道容量信道容量指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省？梢宰C明CtBlog2 1 :(b/s)式中S 信號(hào)平均功率(W , N

11、噪聲功率(W , B - 帶寬(Hz)。設(shè)噪聲單邊功率譜密度為而，則N = mB。故上式可以改寫(xiě)成：CtB log2 1n0B(b/s)由上式可見(jiàn)，連續(xù)信道的容量 C和信道帶寬B信號(hào)功率S及噪聲功率譜密度 n。三個(gè)因素有關(guān)。當(dāng)S ，或n。0時(shí)，C 。但是，當(dāng)B 時(shí)，C將趨向何值？令：x = S / noB,上式可以改寫(xiě)為：CtS Bn。1log2 1 no SS，BS1/x一 log2 1 x n。利用關(guān)系式limln(1 x)1/x 1x 0及其log 2 a log 2 e ln a上式變?yōu)閘im CtBS1/x Sn0lim - log 2(1 x) - log 2 e 1.44x 0

12、n°n°上式表明，當(dāng)給定 S / n。時(shí)，若帶寬B趨于無(wú)窮大，信道容量不會(huì)趨于無(wú)限大，而只是S /防的1.44倍。這是因?yàn)楫?dāng)帶寬 B增大時(shí)，噪聲功率也隨之增大。C t和帶寬B的關(guān)系曲線：圖1-17 信道容量和帶寬關(guān)系對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，上式還可以改寫(xiě)成如下形式:CtB log2 1S-BB log2 1Eb/又n°BBlog2 1 反 n。式中 E 每比特能量；Tb = 1/ B -每比特持續(xù)時(shí)間。上式表明，為了得到給定的信道容量C,可以增大帶寬 B以換取 日的減小；另一方面，在接收功率受限的情況下，由于 E)= ST,可以增大Tb以減小S來(lái)保持 日和C不變。由香農(nóng)公

13、式可得以下結(jié)論：(1)增大信號(hào)功率 S可以增加信道容量，若信號(hào)功率趨于無(wú)窮大，則信道容量也趨于無(wú)窮大，即lim C lim B log2(1 S-)S SnoB(2)減小噪聲功率 N (或減小噪聲功率譜密度 n。)可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零(或噪聲功率譜密度趨于零)，則信道容量趨于無(wú)窮大，即(3)增大信道帶寬 信道容量的極限值為lim CN 0B可以增加信道容量,lim Blog2(1 )n 02 N但不能使信道容量無(wú)限制增大。信道帶寬B趨于無(wú)窮大時(shí),limcS ., Slog2 e 1.44 n0n0香農(nóng)公式給出了通信系統(tǒng)所能達(dá)到的極限信息傳輸速率，達(dá)到極限信息速率的通信系統(tǒng)稱為理想

14、通 信系統(tǒng)。但是，香農(nóng)公式只證明了理想通信系統(tǒng)的存在性，卻沒(méi)有指出這種通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。【例1】已知黑白電視圖像信號(hào)每幀有30萬(wàn)個(gè)像素；每個(gè)像素有 8個(gè)亮度電平；各電平獨(dú)立地以等概率出現(xiàn)；圖彳t每秒發(fā)送 25幀。若要求接收?qǐng)D像信噪比達(dá)到30dB,試求所需傳輸帶寬?！窘狻恳?yàn)槊總€(gè)像素獨(dú)立地以等概率取8個(gè)亮度電平，故每個(gè)像素的信息量為Ip = -log2(1/ 8) = 3 (b/pix) 并且每幀圖像的信息量為I f = 300,0003 = 900,000 (b/F)因?yàn)槊棵雮鬏?5幀圖像，所以要求傳輸速率為R = 900,00025 = 22,500,000 = 22.5106 (b/s)

15、信道的容量C必須不小于此 R值。將上述數(shù)值代入式：CtBlog21 S/N得到22.5106 = B 10g 2 (1 + 1000)9.97 B最后得出所需帶寬B = (22.5106) / 9.972.26 (MHz)【例2】帶寬與信噪比互換。設(shè)互換前信道帶寬B1=3kHz,希望傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?104b/s。為了保證這些信息能夠無(wú)誤地通過(guò)信道，則要求信道容量至少要 104b/s才行。這時(shí)在3kHz帶寬情況下，要使得信息傳輸速率達(dá)到104b/s ,要求信噪比Si/N產(chǎn)9倍。如果將帶寬進(jìn)行互換，設(shè)互換后的信道帶寬Ba=10kHzo這時(shí)，信息傳輸速率仍為104b/s,則所需要的信噪比S2/N2=1倍?？梢?jiàn)，在保持信息傳輸速率不變的情況下，信道帶寬B的變化可使輸出信噪功率比也變化。這種信噪比和帶寬的互換性在通信工程中有很大的用處。例如，在宇宙飛船與地面的通信中，飛船上的發(fā)射功 率不可能做得很大，因此可用增大帶寬的方法來(lái)?yè)Q取對(duì)信噪比要求的降低。相反，如果信道頻帶比較緊 張，如有線載波電話信道，這時(shí)主要考慮頻帶利用率，可用提高信號(hào)功率來(lái)增加信噪比，或采用多進(jìn)制的方法來(lái)?yè)Q取較窄的頻帶。示