通信原理信道實用教案

1、1第4章 信 道 信道(xn do)分類： 無線信道(xn do) 電磁波（含光波） 有線信道(xn do) 電線、光纖 信道(xn do)中的干擾： 有源干擾 噪聲 無源干擾 傳輸特性不良 本章重點：介紹信道(xn do)傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽５?頁/共49頁第一頁，共49頁。2無線信道(xn do) 4.1 無線信道 無線信道利用電磁波的傳播來實現(xiàn)信號傳輸 因天線尺寸的要求，通信頻率都較高 電磁波的傳播 根據(jù)通信距離、頻率和位置不同分為： 地波(db)傳播天波傳播視線傳播第2頁/共49頁第二頁，共49頁。3傳播路徑地 面圖4-1 地波傳播地 面信號傳播路徑圖 4-2

2、 天波傳播無線信道(xn do) 電磁波的分類： 地波 頻率(pnl) 2 MHz 有繞射能力 距離：數(shù)百或數(shù)千千米 天波 頻率(pnl)：2 30 MHz 特點：被電離層反射 一次反射距離： 30 MHz 距離: 和天線高度(god)有關(guān)(4.1-3) 式中，D 收發(fā)天線間距離(km)。 例 若要求D = 50 km，則由式(4.1-3) 增大視線傳播距離的其他途徑 中繼通信： 衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星 平流層通信：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖 4-3 視線傳播圖4-4 無線電中繼無線信道(xn do)50822DrDhmm505050508222DrDh第4頁/共49頁第

3、四頁，共49頁。5圖4-7 對流層散射通信地球有效散射區(qū)域無線信道(xn do) 散射傳播 電離層散射機理 由電離層不均勻性引起(ynq)頻率 30 60 MHz距離 1000 km以上 對流層散射機理 由對流層不均勻性（湍流）引起(ynq)頻率 100 4000 MHz最大距離 600 km第5頁/共49頁第五頁，共49頁。6無線信道(xn do) 流星流星余跡散射 流星余跡特點 高度80 120 km，長度15 40 km 存留時間(shjin)：小于1秒至幾分鐘 頻率 30 100 MHz 距離 1000 km以上 特點 低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸圖4-8 流星余跡散射通信流星余跡第6

4、頁/共49頁第六頁，共49頁。7有線信道(xn do) 4.2 有線信道(xn do) 明線第7頁/共49頁第七頁，共49頁。8有線信道(xn do) 對稱電纜：由許多對雙絞線組成(z chn) 同軸電纜圖4-9 雙絞線導(dǎo)體絕緣層導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護層實心介質(zhì)圖4-10 同軸線第8頁/共49頁第八頁，共49頁。9有線信道(xn do) 光纖 結(jié)構(gòu) 纖芯 包層 按折射率分類(fn li) 階躍型 梯度型 按模式分類(fn li) 多模光纖 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圖4-11 光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)第9頁/共49頁第九頁，共49頁。1

5、0 損耗與波長(bchng)關(guān)系 損耗最小點：1.31與1.55 m有線信道(xn do)0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波長（m）1.55 m1.31 m圖4-12光纖損耗與波長的關(guān)系第10頁/共49頁第十頁，共49頁。11信道(xn do)的數(shù)學(xué)模型 4.3 信道的數(shù)學(xué)模型 信道模型的分類： 調(diào)制信道：調(diào)制器的輸出端至解調(diào)器輸入(shr)端 編碼信道：編碼器的輸出端至解碼器輸入(shr)端編碼信道調(diào)制信道第11頁/共49頁第十一頁，共49頁。12調(diào)制(tiozh)信道模型 4.3.1 調(diào)制信道模型 式中 信道輸入端信號電壓； 信道輸出(shch)端的信號電壓； 噪聲電壓。

6、 通常假設(shè)： 這時上式變?yōu)椋?信道數(shù)學(xué)模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)圖4-13 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio第12頁/共49頁第十二頁，共49頁。13調(diào)制信道(xn do)模型因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。因k(t)與e i (t)相乘，故稱其為乘性干擾(gnro)。因k(t)作隨機變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾(gnro)特點：當(dāng)沒有信號時，沒有乘性干擾(gnro)。)()()()(tntetkteio第1

7、3頁/共49頁第十三頁，共49頁。14編碼(bin m)信道模型 4.3.2 編碼信道模型 二進制編碼信道簡單模型 無記憶信道模型 P(0 / 0)和P(1 / 1) 正確(zhngqu)轉(zhuǎn)移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) 錯誤轉(zhuǎn)移概率 P(0 / 0) = 1 P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 P(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)圖4-13 二進制編碼信道模型發(fā)送端接收端第14頁/共49頁第十四頁，共49頁。15編碼信道(xn do)模型 四進制編碼信道(xn do)模型 01233210接收端發(fā)送端第15頁/共49頁第

8、十五頁，共49頁。16信道特性對信號傳輸(chun sh)的影響 4.4 信道(xn do)特性對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道(xn do)的影響 恒參信道(xn do)舉例：各種有線信道(xn do)、衛(wèi)星信道(xn do) 恒參信道(xn do) 非時變線性網(wǎng)絡(luò) 信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。 線性系統(tǒng)中無失真條件： 振幅頻率特性：為水平直線時無失真 左圖為典型電話信道(xn do)特性 用插入損耗便于測量(a) 插入損耗頻率特性第16頁/共49頁第十六頁，共49頁。17 相位(xingwi)頻率特性：要求其為通過原點的直線， 即群時延為常數(shù)時無失真 群時延定義：頻率(kHz)（ms）群延遲(b

9、) 群延遲頻率特性dd)(0相位頻率特性信道特性(txng)對信號傳輸?shù)挠绊懙?7頁/共49頁第十七頁，共49頁。18信道特性對信號(xnho)傳輸?shù)挠绊?頻率失真：振幅頻率特性不良引起的 頻率失真 波形畸變 碼間串?dāng)_ 解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補償 相位失真：相位頻率特性不良引起的 對語音(yyn)影響不大，對數(shù)字信號影響大 解決辦法：同上 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、相位抖動非線性關(guān)系直線關(guān)系圖4-16 非線性特性輸入電壓輸出電壓第18頁/共49頁第十八頁，共49頁。19信道特性(txng)對信號傳輸?shù)挠绊?變參信道的影響 變

10、參信道：又稱時變信道，信道參數(shù)隨時間而變。 變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播 變參信道的特性： 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑效應(yīng)：信號經(jīng)過幾條路徑到達接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象(xinxing)。 下面重點分析多徑效應(yīng)第19頁/共49頁第十九頁，共49頁。20信道特性對信號傳輸(chun sh)的影響 多徑效應(yīng)分析：設(shè) 發(fā)射信號為 接收信號為(4.4-1)式中 由第i條路徑到達的接收信號振幅(zhnf)； 由第i條路徑達到的信號的時延；上式中的 都是隨機變化的。tA0cosniniiiiitttttttR1100)(cos)()

11、(cos)()()(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii第20頁/共49頁第二十頁，共49頁。21信道特性對信號(xnho)傳輸?shù)挠绊憫?yīng)用三角公式可以將式(4.4-1)改寫成： (4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。式中 接收信號的包絡(luò)(bo lu) 接收信號的相位 niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()(緩慢隨機(su j)變化振幅緩慢隨機變化振幅niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()(cos)(sin)(cos)()(00

12、0tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs第21頁/共49頁第二十一頁，共49頁。22信道特性對信號(xnho)傳輸?shù)挠绊懰裕邮招盘柨梢钥醋魇且粋€包絡(luò)和相位隨機緩慢變化(binhu)的窄帶信號：結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號。這種包絡(luò)起伏稱為快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比。另外一種衰落：慢衰落 由傳播條件引起的。 第22頁/共49頁第二十二頁，共49頁。23信道(xn do)特性對信號傳輸?shù)挠绊?多徑效應(yīng)簡化分析：設(shè) 發(fā)射信號為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時延不同 兩條路徑的接

13、收( jishu)信號為：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 傳播衰減，0 第一條路徑的時延， 兩條路徑的時延差。求：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設(shè)f (t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F()： )()(Ftf第23頁/共49頁第二十三頁，共49頁。24信道特性對信號傳輸(chun sh)的影響（4.4-8）則有上式兩端分別(fnbi)是接收信號的時間函數(shù)和頻譜函數(shù) ，故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為上式右端中，A 常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時延， 和信號頻率有關(guān)的復(fù)因子，其模為)()(Ftf0)()(0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf)1 ()()()(000jj

14、eeAFtAftAf)1 ()()1 ()()(00jjjjeAeFeeAFH0je)1 (je2cos2sin)cos1 (sincos1122jej第24頁/共49頁第二十四頁，共49頁。25信道特性對信號傳輸(chun sh)的影響按照上式畫出的模與角頻率關(guān)系曲線： 曲線的最大和最小值位置決定( judng)于兩條路徑的相對時延差。而 是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落。圖4-18 多徑效應(yīng)2cos2sin)cos1 (sincos1122jej第25頁/共49頁第二十五頁，共49頁。26圖

15、4-18 多徑效應(yīng)信道特性對信號傳輸(chun sh)的影響定義：相關(guān)帶寬1/ 實際情況：有多條路徑。設(shè)m 多徑中最大的相對時延差 定義：相關(guān)帶寬1/m多徑效應(yīng)(xioyng)的影響：多徑效應(yīng)(xioyng)會使數(shù)字信號的碼間串?dāng)_增大。為了減小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因為，若碼元速率降低，則信號帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)(xioyng)的影響也隨之減輕。第26頁/共49頁第二十六頁，共49頁。27信道特性對信號(xnho)傳輸?shù)挠绊?接收信號的分類 確知信號：接收端能夠準確知道其碼元波形的信號 隨相信(xingxn)號：接收碼元的相位隨機變化 起伏信號：接收信號的包絡(luò)隨機起伏、

16、相位也隨機變化。 通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性 第27頁/共49頁第二十七頁，共49頁。28信道(xn do)中的噪聲 4.5 信道中的噪聲 噪聲 信道中存在的不需要的電信號。 又稱加性干擾。 按噪聲來源分類 人為噪聲 例：開關(guān)火花、電臺輻射 自然(zrn)噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲第28頁/共49頁第二十八頁，共49頁。29信道(xn do)中的噪聲 熱噪聲 來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運動(yndng)。 頻率范圍：均勻分布在大約 0 1012 Hz。 熱噪聲電壓有效值： 式中k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)； T 熱力學(xué)溫度（K）； R

17、阻值（）； B 帶寬（Hz）。 性質(zhì)：高斯白噪聲)V(4kTRBV 第29頁/共49頁第二十九頁，共49頁。30信道(xn do)中的噪聲 按噪聲性質(zhì)分類 脈沖(michng)噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖(michng)噪聲。 窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的?？梢钥醋魇且环N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。討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。第30頁/共49頁第三十頁，共49頁。31信道(xn

18、 do)中的噪聲 窄帶高斯噪聲 帶限白噪聲：經(jīng)過接收機帶通濾波器過濾的熱噪聲 窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種(y zhn)線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。 窄帶高斯噪聲功率： 式中 Pn(f) 雙邊噪聲功率譜密度dffPPnn)(第31頁/共49頁第三十一頁，共49頁。32信道(xn do)中的噪聲 噪聲等效帶寬： 式中 Pn(f0) 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，則通過此 特性濾波器的噪聲功率， 等于通過實際濾波器的 噪聲功率。 利用噪聲等效帶寬的概念， 在后面(hu mian)討論通信系統(tǒng)的

19、性能時， 可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。圖4-19 噪聲功率譜特性 Pn(f)()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnnPn (f0)接收(jishu)濾波器特性噪聲等效帶寬第32頁/共49頁第三十二頁，共49頁。33信道容量 4.6 信道容量 信道容量 指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄?pngjn)信息速率。 4.6.1 離散信道容量 兩種不同的度量單位： C 每個符號能夠傳輸?shù)钠骄?pngjn)信息量最大值 Ct 單位時間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄?pngjn)信息量最大值 兩者之間可以互換第33頁/共49頁第三十三頁，共49頁。34信道容量 計算離散信道容量的信道

20、模型 發(fā)送符號(fho)：x1，x2，x3，xn 接收符號(fho)： y1，y2，y3，ym P(xi) = 發(fā)送符號(fho)xi 的出現(xiàn)概率 ，i 1，2，n； P(yj) = 收到y(tǒng)j的概率，j 1，2，m P(yj/xi) = 轉(zhuǎn)移概率， 即發(fā)送xi的條件下收到y(tǒng)j的條件概率x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端xn。ym圖4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)第34頁/共49頁第三十四頁，共49頁。35信道容量 計算收到一個符號時獲得的平均信息量 從信息量的概念(ginin)得知：發(fā)送xi時收到y(tǒng)j所獲得的信息量等于發(fā)送xi前接收端對x

21、i的不確定程度（即xi的信息量）減去收到y(tǒng)j后接收端對xi的不確定程度。 發(fā)送xi時收到y(tǒng)j所獲得的信息量 = -log2P(xi) - -log2P(xi /yj) 對所有的xi和yj取統(tǒng)計平均值，得出收到一個符號時獲得的平均信息量： 平均信息量 / 符號 nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(第35頁/共49頁第三十五頁，共49頁。36信道容量平均信息量 / 符號 式中為每個發(fā)送符號xi的平均信息量，稱為信源的熵。為接收yj符號已知后，發(fā)送符號xi的平均信息量。 由上式可見，收到一個(y )符號的平均信息量只有H

22、(x) H(x/y)，而發(fā)送符號的信息量原為H(x)，少了的部分H(x/y)就是傳輸錯誤率引起的損失。 nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(niiixPxPxH12)(log)()(mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(第36頁/共49頁第三十六頁，共49頁。37信道容量 二進制信源的熵 設(shè)發(fā)送“1”的概率P(1) = ，則發(fā)送“0”的概率P(0) 1 - 當(dāng) 從0變到1時，信源的熵H()可以寫成： 按照上式畫出的曲線： 由此圖可見(kjin)，當(dāng) 1/2時，此信源的熵達到最大值

23、。這時兩個符號的出現(xiàn)概率相等，其不確定性最大。)1 (log)1 (log)(22H圖4-21 二進制信源的熵H()第37頁/共49頁第三十七頁，共49頁。38信道容量 無噪聲信道 信道模型 發(fā)送符號和接收符號有一一對應(yīng)關(guān)系。 此時P(xi /yj) = 0； H(x/y) = 0。 因為，平均信息量 / 符號 H(x) H(x/y) 所以在無噪聲條件下，從接收一個符號獲得的平均信息量為H(x)。而原來在有噪聲條件下，從一個符號獲得的平均信息量為H(x)H(x/y)。這再次說明(shumng)H(x/y)即為因噪聲而損失的平均信息量。x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端。yn圖4-22 無噪聲

24、信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn第38頁/共49頁第三十八頁，共49頁。39信道容量 容量C的定義：每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?(比特(b t)/符號) 當(dāng)信道中的噪聲極大時，H(x / y) = H(x)。這時C = 0，即信道容量為零。 容量Ct的定義： (b/s) 式中 r 單位時間內(nèi)信道傳輸?shù)姆枖?shù))/()(max)(yxHxHCxP)/()(max)(yxHxHrCxPt第39頁/共49頁第三十九頁，共49頁。400011P(0/0) = 127/128P(1/1) = 127/128P(1/0) = 1/128P(0/1) = 1/128發(fā)送

25、端圖4-23 對稱信道模型接收端信道容量 【例4.6.1】設(shè)信源由兩種符號“0”和“1”組成(z chn)，符號傳輸速率為1000符號/秒，且這兩種符號的出現(xiàn)概率相等，均等于1/2。信道為對稱信道，其傳輸?shù)姆栧e誤概率為1/128。試畫出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct?！窘狻看诵诺滥Ｐ彤嫵鋈缦拢旱?0頁/共49頁第四十頁，共49頁。41信道容量此信源的平均信息量（熵）等于(dngy)： （比特/符號）而條件信息量可以寫為現(xiàn)在P(x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/128， P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 1/128，并且考慮到P(y1) +P(y2

26、) = 1，所以上式可以改寫為121log2121log21)(log)()(1222niiixPxPxH)/(log)/()/(log)/()()/(log)/()/(log)/()()/(log)/()()/(2222221221212212112111112yxPyxPyxPyxPyPyxPyxPyxPyxPyPyxPyxPyPyxHmjnijijij第41頁/共49頁第四十一頁，共49頁。42信道容量平均信息量 / 符號H(x) H(x / y) = 1 0.045 = 0.955 （比特 / 符號）因傳輸錯誤每個符號損失(snsh)的信息量為H(x / y) = 0.045（比特/

27、符號）信道的容量C等于：信道容量Ct等于： 045. 0055. 001. 0)7()128/1 (01. 0)128/127()128/1 (log)128/1 ()128/127(log)128/127()/(log)/()/(log)/()/(221221211211yxPyxPyxPyxPyxH符號）（比特/955. 0)/()(max)(yxHxHCxP)/(955955. 01000)/()(max)(sbyxHxHrCxPt第42頁/共49頁第四十二頁，共49頁。43信道容量 4.6.2 連續(xù)信道容量 可以證明 式中 S 信號平均功率 （W）； N 噪聲(zoshng)功率（W）

28、； B 帶寬（Hz）。 設(shè)噪聲(zoshng)單邊功率譜密度為n0，則N = n0B； 故上式可以改寫成： 由上式可見，連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲(zoshng)功率譜密度n0三個因素有關(guān)。 )/(1log2sbNSBCt)/(1log02sbBnSBCt第43頁/共49頁第四十三頁，共49頁。44信道容量當(dāng)S ，或n0 0時，Ct 。但是，當(dāng)B 時，Ct將趨向何值？令：x = S / n0B，上式可以(ky)改寫為：利用關(guān)系式上式變?yōu)?/(1log02sbBnSBCtxtxnSBnSSBnnSC/12002001log1log1)1ln(lim/10 xxxaealnloglog22020/120044. 1log)1 (loglimlimnSenSxnSCxxtB第44頁/共49頁