大學(xué)課件--數(shù)字通信原理第3章-信道

1、第三章第三章 信道信道12基本內(nèi)容基本內(nèi)容n信道定義信道定義n信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型n恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺捞匦约捌鋵?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1. 信道定義信道定義(1)n影響通信系統(tǒng)可靠性能的兩個(gè)主要因素：噪聲影響通信系統(tǒng)可靠性能的兩個(gè)主要因素：噪聲和信道傳輸特性的不理想和信道傳輸特性的不理想n信道：信號(hào)通道，必不可少信道：信號(hào)通道，必不可少n狹義信道：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)狹義信道：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)(在發(fā)送器和接收器在發(fā)送器和接收器之間的物理通路之間的物理通路)n導(dǎo)向傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體傳播導(dǎo)向傳輸媒體：電磁

2、波被導(dǎo)向沿著固體媒體傳播n金屬導(dǎo)體：雙絞線、金屬導(dǎo)體：雙絞線、 同軸電纜同軸電纜n光纖光纖n非導(dǎo)向媒體：自由空間非導(dǎo)向媒體：自由空間n無(wú)線電無(wú)線電(短波、微波、衛(wèi)星短波、微波、衛(wèi)星)、紅外線、紅外線41. 信道定義信道定義(2)51. 信道定義信道定義(3)n廣義信道：除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)的某些設(shè)備廣義信道：除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)的某些設(shè)備所構(gòu)成的部份所構(gòu)成的部份n調(diào)制信道：從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端調(diào)制信道：從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端n編碼信道：從編碼器輸出端到譯碼器輸入端編碼信道：從編碼器輸出端到譯碼器輸入端n根據(jù)具體問(wèn)題來(lái)選擇不同類(lèi)型的信道根據(jù)具體問(wèn)題來(lái)選擇不同類(lèi)型的信

3、道調(diào)制信道編碼信道編碼器輸出調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器解調(diào)器輸出62. 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型(1)n反映信道輸出和輸入之間的關(guān)系反映信道輸出和輸入之間的關(guān)系n調(diào)制信道模型：傳輸已調(diào)信號(hào)，關(guān)心的是信號(hào)的失真調(diào)制信道模型：傳輸已調(diào)信號(hào)，關(guān)心的是信號(hào)的失真情況及噪聲對(duì)信號(hào)的影響。已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)值是連續(xù)情況及噪聲對(duì)信號(hào)的影響。已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)值是連續(xù)變化的，故也稱(chēng)為連續(xù)信道，甚至稱(chēng)為信道變化的，故也稱(chēng)為連續(xù)信道，甚至稱(chēng)為信道n具有一對(duì)具有一對(duì)(或多對(duì)或多對(duì))輸入和輸出端輸入和輸出端n絕大多數(shù)信道是線性的絕大多數(shù)信道是線性的n有時(shí)延、損耗有時(shí)延、損耗n輸入信號(hào)為輸入信號(hào)為0時(shí)，信道輸出端仍有一定

4、功率輸出時(shí)，信道輸出端仍有一定功率輸出72. 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型(2)n f ：信道線性算子：信道線性算子n恒參信道：恒參信道： f 非時(shí)變線性算子非時(shí)變線性算子n時(shí)變信道：時(shí)變信道： f 時(shí)變線性算子時(shí)變線性算子n隨參信道：隨參信道： f 隨時(shí)間隨機(jī)變化隨時(shí)間隨機(jī)變化( )n t( )ie t f ( )( )oie tf e tn t n(t) 加性噪聲加性噪聲(干擾干擾)，與，與ei (t) 獨(dú)立獨(dú)立 iif etk t et oietk t etn t k t 乘性干擾，包括各種線性和非線性畸變乘性干擾，包括各種線性和非線性畸變82. 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型(3)n編碼信道模型

5、編碼信道模型n一種數(shù)字序列的變換，也稱(chēng)為離散或數(shù)字信道一種數(shù)字序列的變換，也稱(chēng)為離散或數(shù)字信道n包含調(diào)制信道包含調(diào)制信道n噪聲的干擾體現(xiàn)在誤碼上，關(guān)心的是誤碼率而不是噪聲的干擾體現(xiàn)在誤碼上，關(guān)心的是誤碼率而不是信號(hào)失真情況信號(hào)失真情況n無(wú)記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前無(wú)記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值無(wú)關(guān)后碼元的取值無(wú)關(guān)n有記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前有記憶編碼信道：信道碼元的轉(zhuǎn)移概率與其前后碼元的取值有關(guān)后碼元的取值有關(guān) 依賴于調(diào)制信道的性能依賴于調(diào)制信道的性能使用轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述使用轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述92. 信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型(4)n無(wú)記憶二進(jìn)制編碼信道

6、模型無(wú)記憶二進(jìn)制編碼信道模型n對(duì)稱(chēng)編碼信道：二進(jìn)制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率對(duì)稱(chēng)編碼信道：二進(jìn)制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率 P (0/1) = P (1/0)n非對(duì)稱(chēng)編碼信道：二進(jìn)制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率非對(duì)稱(chēng)編碼信道：二進(jìn)制編碼信道的轉(zhuǎn)移概率 P (0/1) P (1/0)n無(wú)記憶四進(jìn)制編碼信道模型無(wú)記憶四進(jìn)制編碼信道模型(0) (1/0)(1) (0/1)ePPPPP 0 00 11 01 1PPPP103.1 恒參信道舉例恒參信道舉例(1)n雙絞線雙絞線n既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸n帶寬依賴于線的粗細(xì)和傳輸距離帶寬依賴于線的粗細(xì)和傳輸距離n無(wú)屏蔽雙絞線無(wú)屏蔽雙絞線(

7、UTP)n屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線(STP): 以箔屏蔽來(lái)減少干擾以箔屏蔽來(lái)減少干擾113.1 恒參信道舉例恒參信道舉例(2)n同軸電纜同軸電纜n基帶同軸電纜：基帶同軸電纜：50 ，為，為數(shù)據(jù)通信傳輸數(shù)據(jù)通信傳輸基帶數(shù)字信基帶數(shù)字信號(hào)，局域網(wǎng)中廣泛使用號(hào)，局域網(wǎng)中廣泛使用n10Mb/s, 1kmn寬帶同軸電纜：寬帶同軸電纜：75 ，多，多用于用于CATV系統(tǒng)，傳送頻系統(tǒng)，傳送頻分復(fù)用的模擬信號(hào)分復(fù)用的模擬信號(hào)n6MHz/300400MHz，100kmn單向放大器單向放大器銅芯銅芯絕緣層絕緣層外導(dǎo)體外導(dǎo)體保護(hù)套保護(hù)套123.1 恒參信道舉例恒參信道舉例(3)n光纖光纖n纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體

8、，依靠光波承載纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體，依靠光波承載信息信息n光纖傳輸系統(tǒng)：光源、光纖線路和光電探測(cè)器光纖傳輸系統(tǒng)：光源、光纖線路和光電探測(cè)器光調(diào)制器光調(diào)制器光纖線路光纖線路光源光源基帶處理基帶處理光探測(cè)器光探測(cè)器基帶處理基帶處理133.1 恒參信道舉例恒參信道舉例(4)n常用的三個(gè)波長(zhǎng)窗口常用的三個(gè)波長(zhǎng)窗口143.1 恒參信道舉例恒參信道舉例(5)n光纖的傳送模式光纖的傳送模式光纖的直徑減小到光纖的直徑減小到一個(gè)光波波長(zhǎng)一個(gè)光波波長(zhǎng)153.1 恒參信道舉例恒參信道舉例(6)n光纖的特點(diǎn)光纖的特點(diǎn)n傳送速率高，通信容量大傳送速率高，通信容量大(2530THz帶寬帶寬/波段波段)。目前，在

9、試驗(yàn)室中光纖帶寬超過(guò)目前，在試驗(yàn)室中光纖帶寬超過(guò)50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10Gbps ，32 10Gbps系統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用已經(jīng)實(shí)用n傳輸損耗小傳輸損耗小(f 時(shí)，時(shí)，R(t) 波形一定有畸變，產(chǎn)生頻波形一定有畸變，產(chǎn)生頻率選擇性衰落率選擇性衰落n 當(dāng)信號(hào)帶寬當(dāng)信號(hào)帶寬B f 時(shí)，時(shí)， R(t) 時(shí)強(qiáng)時(shí)弱時(shí)強(qiáng)時(shí)弱(與與有關(guān)有關(guān))，屬于平坦性衰落屬于平坦性衰落(一般性衰落一般性衰落)n 為了不引起明顯的頻率選擇性衰落，為了不引起明顯的頻率選擇性衰落，B 應(yīng)小于應(yīng)小于f 且且采用分集接收等技術(shù)使信號(hào)穩(wěn)定采用分集接收等技術(shù)使信號(hào)穩(wěn)定1mf 344.3 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改

10、善(1)n由于存在多徑與時(shí)變性，隨參信道中的信號(hào)在接收端由于存在多徑與時(shí)變性，隨參信道中的信號(hào)在接收端有可能會(huì)受到嚴(yán)重的衰減。這種衰減使得接收端不可有可能會(huì)受到嚴(yán)重的衰減。這種衰減使得接收端不可能正確地判斷發(fā)送信號(hào)，除非有其它的衰減程度比較能正確地判斷發(fā)送信號(hào)，除非有其它的衰減程度比較小的信號(hào)副本提供給接收機(jī)，這種方法就被稱(chēng)為分集小的信號(hào)副本提供給接收機(jī)，這種方法就被稱(chēng)為分集(diversity)。n分集接收就是為了克服各種衰落，提高系統(tǒng)性能而發(fā)分集接收就是為了克服各種衰落，提高系統(tǒng)性能而發(fā)展起來(lái)的移動(dòng)通信中的一項(xiàng)重要技術(shù)，其基本思路是：展起來(lái)的移動(dòng)通信中的一項(xiàng)重要技術(shù)，其基本思路是：將接收到

11、的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的(獨(dú)立的獨(dú)立的)多路信多路信號(hào)，然后將這些信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來(lái)，使號(hào)，然后將這些信號(hào)的能量按一定規(guī)則合并起來(lái)，使接收的有用信號(hào)能量最大接收的有用信號(hào)能量最大n對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小n對(duì)模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比對(duì)模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比354.3 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善(2)n分集方式分集方式n時(shí)間分集：采用時(shí)間交織與信道編碼，在時(shí)間域內(nèi)提供信號(hào)的時(shí)間分集：采用時(shí)間交織與信道編碼，在時(shí)間域內(nèi)提供信號(hào)的副本副本n頻率分集：在不同的載波頻率上發(fā)送符號(hào)，在頻率

12、域內(nèi)提供信頻率分集：在不同的載波頻率上發(fā)送符號(hào)，在頻率域內(nèi)提供信號(hào)的副本號(hào)的副本n空間分集：利用多副天線實(shí)現(xiàn)空間分集：利用多副天線實(shí)現(xiàn)n為獲得好的分集效果，時(shí)間分集要求發(fā)送冗余信號(hào)的若為獲得好的分集效果，時(shí)間分集要求發(fā)送冗余信號(hào)的若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立，頻率分集要求幾個(gè)載波頻率之間干時(shí)隙之間相互獨(dú)立，頻率分集要求幾個(gè)載波頻率之間相互獨(dú)立，而空間分集為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號(hào)相互獨(dú)立，而空間分集為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號(hào)之間的獨(dú)立性，要求各副天線之間的距離要足夠大之間的獨(dú)立性，要求各副天線之間的距離要足夠大(大大于若干波長(zhǎng)于若干波長(zhǎng))n由上可見(jiàn)，空間分集技術(shù)是在不犧牲信號(hào)頻率帶寬和保由上可見(jiàn)，

13、空間分集技術(shù)是在不犧牲信號(hào)頻率帶寬和保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲得分集增益，因而得到了廣泛證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲得分集增益，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常用的空間分集有接收分集、發(fā)送分集、極化的應(yīng)用。常用的空間分集有接收分集、發(fā)送分集、極化分集和角度分集等。分集和角度分集等。364.3 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善(3)n時(shí)頻分集時(shí)頻分集(混合分集之一，以四時(shí)四頻分集為例混合分集之一，以四時(shí)四頻分集為例) ：將：將一個(gè)碼元寬度時(shí)間一個(gè)碼元寬度時(shí)間Ts等分四份為等分四份為4個(gè)時(shí)間段，分別傳輸個(gè)時(shí)間段，分別傳輸4個(gè)載頻，不同代碼傳輸順序不同。在個(gè)載頻，不同代碼傳輸順序不同。在Ts內(nèi)只要能正確內(nèi)只要能

14、正確接收到一個(gè)頻率，就可判斷在接收到一個(gè)頻率，就可判斷在Ts內(nèi)傳輸?shù)男畔⒋a內(nèi)傳輸?shù)男畔⒋a信息代碼信息代碼 時(shí)頻編碼時(shí)頻編碼 00 f1、f2、f3、f4 01 f2、f1、f4、f3 10 f3、f4、f1、f2 11 f4、f3、f2、f1374.3 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善(4)n信號(hào)合并方式信號(hào)合并方式1( )( )Kk kkr tr t n最佳選擇式合并：選最佳選擇式合并：選擇信噪比最好的一路擇信噪比最好的一路信號(hào)信號(hào)n等增益合并：各支路等增益合并：各支路信號(hào)以相同的增益直信號(hào)以相同的增益直接相加接相加n最大比合并：各支路最大比合并：各支路增益與本支路信噪比增益與本支路

15、信噪比成正比成正比38思考題和作業(yè)思考題和作業(yè)n什么是調(diào)制信道？什么是編碼信道？什么是調(diào)制信道？什么是編碼信道？n什么是恒參信道？什么是隨參信道？舉例。什么是恒參信道？什么是隨參信道？舉例。n信號(hào)在恒參信道中傳輸時(shí)主要有哪些失真？如信號(hào)在恒參信道中傳輸時(shí)主要有哪些失真？如何減小這些失真？何減小這些失真？n什么是群時(shí)延頻率特性？它與相位頻率特性的什么是群時(shí)延頻率特性？它與相位頻率特性的關(guān)系？關(guān)系？n為什么信號(hào)在隨參信道中會(huì)發(fā)生衰落現(xiàn)象？為什么信號(hào)在隨參信道中會(huì)發(fā)生衰落現(xiàn)象？n作業(yè)：作業(yè)：4-1，4-239附錄附錄:連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量405 連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量(

16、1)n帶寬受限帶寬受限B 和平均功率受限和平均功率受限 S 的的條件下，獨(dú)立的加性白條件下，獨(dú)立的加性白高斯噪聲信道高斯噪聲信道(噪聲功率為噪聲功率為N)的信道容量的信道容量(極限傳信率極限傳信率)2log1bit/sSCBN 0.NSC 或或時(shí)時(shí)， 200log1.44.SSBCeNN 時(shí)時(shí)， 20log1SBN B0N噪噪聲聲單單邊邊功功率率譜譜密密度度/BS N保保證證一一定定信信道道容容量量的的 和和可可以以互互換換. . n目前尚無(wú)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的傳信率達(dá)到信道容量目前尚無(wú)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的傳信率達(dá)到信道容量.415 連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量(2)理想情況下，理想情況下，Rb

17、= C，則有則有20log1CSBN B20log1bECCBNB021CBbENC B 001.6bECdBBN 時(shí)時(shí)， 0bECNB : bE比比特特信信號(hào)號(hào)能能量量20log1bit/s/HzbbE RN B 425 連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量(3)n例例. 一幀電視圖像由一幀電視圖像由300000個(gè)像元組成。每一像元取個(gè)像元組成。每一像元取8個(gè)可辨別的亮度電平，各電平獨(dú)立地以等概率出現(xiàn)，圖個(gè)可辨別的亮度電平，各電平獨(dú)立地以等概率出現(xiàn)，圖像每秒發(fā)送像每秒發(fā)送25幀。要求信噪比為幀。要求信噪比為30 dB，試求所需傳，試求所需傳輸帶寬。輸帶寬。 6225300000 log 822.5 10bit/sbR n需要傳送的信息速率：需要傳送的信息速率： ,/1000 30bCRS NdB要要求求，則則有有 62222.5 102.26MHzlog1/log11000CBS N 43通信系統(tǒng)仿