通信原理樊昌信第六版PPT第4章

4.1無(wú)線(xiàn)信道4.2有線(xiàn)信道4.3

信道的數(shù)學(xué)模型4.4

信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.5

信道中的噪聲4.6

信道容量第4章信道1目的：了解各種實(shí)際信道、信道的數(shù)學(xué)模型和信道容量的概念。思路：在介紹實(shí)際信道的例子基礎(chǔ)上,歸納信道的特性,闡述信道的數(shù)學(xué)模型，最后簡(jiǎn)介了信道容量的概念。要求：注重了解各種實(shí)際信道的特點(diǎn)，掌握信道的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單運(yùn)用信道容量公式解決實(shí)際問(wèn)題。2信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。信道與發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備一起組成通信系統(tǒng)。沒(méi)有信道，通信就無(wú)法進(jìn)行.信道的好壞直接影響通信的質(zhì)量。3信道僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)狹義信道.信道不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，廣義信道。常把廣義信道簡(jiǎn)稱(chēng)為信道。4信道5調(diào)制信道和編碼信道64.1無(wú)線(xiàn)信道無(wú)線(xiàn)信道電磁波的頻率－受天線(xiàn)尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)電離層對(duì)于傳播的影響反射散射大氣層對(duì)于傳播的影響散射吸收地面對(duì)流層平流層電離層10km60km0km74.1無(wú)線(xiàn)信道電磁波傳播方式：1、地波（groundwave）頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千km傳播路徑地面圖4-1地波傳播84.1無(wú)線(xiàn)信道2、天波（skywave）60km~400km,頻率：2~30MHz特點(diǎn)：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：電磁波不能到達(dá)地面信號(hào)傳播路徑圖4-2天波傳播94.1無(wú)線(xiàn)信道3、視線(xiàn)傳播：頻率>30MHz，穿透電離層，只能視線(xiàn)傳距離:和天線(xiàn)高度有關(guān)(m)104.1無(wú)線(xiàn)信道增大視線(xiàn)傳播距離的其他途徑中繼通信：可采用衛(wèi)星中繼，即衛(wèi)星通信

無(wú)線(xiàn)電中繼114.1無(wú)線(xiàn)信道衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星：同步衛(wèi)星，赤道，三顆移動(dòng)衛(wèi)星12解決：平流層通信：17－22km，高空平臺(tái)電臺(tái)做轉(zhuǎn)發(fā)器或基站（氣球，太陽(yáng)能飛機(jī)），同步衛(wèi)星:離地面35860km的赤道上放3顆同步衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)除南、北極地區(qū)之外的全球覆蓋（且有部分重疊），從而可實(shí)現(xiàn)全球通信。優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋地域廣，傳播穩(wěn)定可靠，傳輸容量大等。缺點(diǎn)：功率大，延遲大，技術(shù)要求較高，一次性投入大。應(yīng)用：廣泛用于傳輸多路電話(huà)、電報(bào)、數(shù)據(jù)和電視。134.1無(wú)線(xiàn)信道大氣層對(duì)于傳播的影響散射吸收頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減(dB/km)水蒸氣氧氣降雨率144.1無(wú)線(xiàn)信道散射傳播：媒體不均勻，多向折射，能量主要集中于前方（前向散射)電離層散射：30MHz～60MHz對(duì)流層散射：地面～10余km間大氣層，大氣不均勻，100MHz～4000MHz，最大距離600km流星余跡：使電磁波散射，80km～120km高，30MHz～100MHz，距離1000km以上地球有效散射區(qū)域154.2有線(xiàn)信道1、明線(xiàn)平行而相互絕緣的架空裸線(xiàn)線(xiàn)路。優(yōu)點(diǎn)：傳輸損耗?。ㄅc電纜相比）缺點(diǎn)：易受氣候環(huán)境影響，易受干擾。結(jié)論：已逐漸淘汰。164.2有線(xiàn)信道2、對(duì)稱(chēng)電纜：由許多對(duì)雙絞線(xiàn)組成優(yōu)點(diǎn)：與外界相互干擾小，傳輸性能較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：損耗比明線(xiàn)大。主要應(yīng)用：用戶(hù)電話(huà)接入線(xiàn)圖4-9雙絞線(xiàn)導(dǎo)體絕緣層17由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線(xiàn)，之間填充介質(zhì)。3、同軸電纜實(shí)際應(yīng)用中同軸電纜的外導(dǎo)體是接地的，對(duì)外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10同軸線(xiàn)18優(yōu)點(diǎn)：與外界相互干擾小，（外導(dǎo)體接地起屏蔽作用），帶寬大。缺點(diǎn)：成本較高（與對(duì)稱(chēng)電纜相比）。應(yīng)用：比較廣泛。如電視電纜（75Ω），實(shí)驗(yàn)室儀器用的信號(hào)電纜（50Ω）增大容量，可以多芯194、光纖以光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱(chēng)光纖,OpticalFiber）為傳輸媒質(zhì)、光波作為載波的光纖信道。由于可見(jiàn)光的頻率非常高，約為108MHz的量級(jí)，因此，一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它各種傳輸介質(zhì)的帶寬。4.2有線(xiàn)信道204.2有線(xiàn)信道結(jié)構(gòu) 纖芯、包層按折射率分： 階躍型 梯度型按模式分：多模、單模折射率n1n2折射率n1n27～10125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)214.3信道的數(shù)學(xué)模型狹義：按傳媒分，有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)，廣義：方便研究，調(diào)制信道，編碼信道信道模型的分類(lèi)：調(diào)制信道：發(fā)端調(diào)制器輸出至收端解調(diào)器輸入編碼信道：編碼器輸出至解碼器輸入編碼信道調(diào)制信道編碼信道調(diào)制信道編碼信道調(diào)制信道編碼信道調(diào)制信道22有一對(duì)(或多對(duì))輸入端和一對(duì)(或多對(duì))輸出端;絕大多數(shù)信道都是線(xiàn)性的，即滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理；信號(hào)通過(guò)信道具有固定的或時(shí)變的延遲時(shí)間；信號(hào)通過(guò)信道會(huì)受到固定的或時(shí)變的損耗；即使沒(méi)有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。234.3信道的數(shù)學(xué)模型1、調(diào)制信道模型常假設(shè)：f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)加性干擾乘性干擾24k(t)隨t變時(shí)變信道；k(t)與ei(t)相乘，乘性干擾由信道不理想造成，無(wú)信號(hào)時(shí)，無(wú)乘性干擾；若k(t)隨時(shí)間作隨機(jī)快變化隨參信道；若k(t)變化很慢或很小恒參信道。加性干擾一直存在。4.3信道的數(shù)學(xué)模型254.3信道的數(shù)學(xué)模型無(wú)記憶：前后碼元錯(cuò)誤相互獨(dú)立，信道內(nèi)只有起伏噪聲有記憶：一個(gè)碼元的錯(cuò)誤與前后碼元有依賴(lài)關(guān)系，信道除有起伏噪聲外，還存在多徑效應(yīng)等錯(cuò)碼產(chǎn)生原因：調(diào)制信道不理想造成P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端2、編碼信道模型用轉(zhuǎn)移概率描述2601233210接收端發(fā)送端4.3信道的數(shù)學(xué)模型四進(jìn)制編碼信道模型274.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺溃河芯€(xiàn)信道、衛(wèi)星信道…恒參信道描述非時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性系統(tǒng)的分析方法。無(wú)失真條件：振幅～頻率特性：為水平直線(xiàn)時(shí)無(wú)失真相位～頻率特性：過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)群時(shí)延為常數(shù):28插入損耗～頻率特性群延遲～頻率特性典型電話(huà)信道特性294.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀侯l率失真：振幅～頻率特性不理想，線(xiàn)性失真頻率失真影響：模擬信號(hào)=>波形畸變

數(shù)字信號(hào)=>碼間串?dāng)_解決辦法：線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償，均衡器相位失真：相位～頻率特性不理想引起，對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)視頻信號(hào)影響大對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大，造成碼間串?dāng)_解決辦法：同上非線(xiàn)性失真：輸入電壓～輸出電壓關(guān)系為非線(xiàn)性，產(chǎn)生新諧波－諧波失真其他失真：頻率偏移、相位抖動(dòng)等302.變參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺绤?shù)隨時(shí)間而變－時(shí)變信道

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(shí)間變化、時(shí)延隨時(shí)間變化、多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)：信號(hào)經(jīng)過(guò)幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長(zhǎng)度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。

著重分析4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?14.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰叫?yīng)分析：設(shè)發(fā)射信號(hào)為 第i條路徑接收信號(hào)振幅第i條路徑信號(hào)延時(shí)隨機(jī)包絡(luò)隨機(jī)相位,接收信號(hào)為R(t),則324.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

接收信號(hào)的包絡(luò)

接收信號(hào)的相位接收信號(hào)可以看作是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)，波形：334.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懡Y(jié)論：發(fā)射信號(hào)為單頻恒幅正弦波時(shí)，接收信號(hào)因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號(hào)。這種包絡(luò)起伏稱(chēng)為快衰落（衰落周期和碼元周期可以相比）。幅度衰落：頻率彌散：慢衰落：由傳播條件引起344.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰叫?yīng)簡(jiǎn)化分析考慮兩徑模型：僅有兩條衰減相同，時(shí)延不同路徑。設(shè)：發(fā)送為f(t)，其頻譜為F(),接收信號(hào)為Af(t-0)＋Af(t-0-)，頻譜為信道傳遞函數(shù)為：354.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憘鬏敽瘮?shù)模值為：衰落和頻率有關(guān)——頻率選擇性衰落極點(diǎn)零點(diǎn)定義：相關(guān)帶寬＝1/，信號(hào)帶寬不能大于相關(guān)帶寬364.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憣?shí)際：路徑不止兩條，各條衰減不同，不會(huì)有零點(diǎn)設(shè)m

－多徑中最大的相對(duì)時(shí)延差

定義：多徑效應(yīng)的相關(guān)帶寬＝1/m要求：信號(hào)帶寬<相關(guān)帶寬多徑效應(yīng)的影響會(huì)使數(shù)字信號(hào)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。若碼元速率降低，則信號(hào)帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。結(jié)論：多徑效應(yīng)限制了信號(hào)的碼元傳輸速率和帶寬。37接收信號(hào)的分類(lèi)：確知信號(hào)、隨相信號(hào)、起伏信號(hào)確知信號(hào)—接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號(hào)；隨相信號(hào)—接收碼元的相位隨機(jī)變化；起伏信號(hào)—接收信號(hào)的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化，通過(guò)多徑信道傳輸?shù)男盘?hào)都是起伏信號(hào)。4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?84.5信道中的噪聲信道中存在的不需要的電信號(hào)，加性干擾。按噪聲來(lái)源分：人為噪聲、自然噪聲(含熱噪聲)按噪聲性質(zhì)分類(lèi)：脈沖噪聲：突發(fā)性產(chǎn)生，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間短，頻譜寬窄帶噪聲：頻譜或頻率位置通常是確知或可測(cè)。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。394.5信道中的噪聲熱噪聲來(lái)源：來(lái)自一切導(dǎo)體中電子的熱運(yùn)動(dòng)。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值：k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)；

T

－熱力學(xué)溫度（oK）；

R

－阻值（）；

B

－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲404.5信道中的噪聲窄帶高斯噪聲 經(jīng)窄帶接收機(jī)濾波后的白噪聲。其功率為：噪聲等效帶寬：噪聲功率不變，功率譜密度曲線(xiàn)變?yōu)榫匦?/p>

Pn(f)噪聲等效帶寬Pn(f0)414.6信道容量

信道容量：信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。⒈離散信道容量C－每個(gè)符號(hào)傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘?單位:b/符號(hào)Ct－單位時(shí)間（秒）傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘?單位:b/秒計(jì)算離散信道容量的信道模型發(fā)送符號(hào)：x1，x2，x3，…，xn接收符號(hào)：y1，y2，y3，…，ym424.6信道容量P(xi)=發(fā)送xi的概率，i＝1,…,n；P(yj)=收到y(tǒng)j的概率，j＝1,…,m;P(yj/xi)=轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)xi收yj

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)434.6信道容量發(fā)送xi時(shí)收到y(tǒng)j

所獲得的信息量為

[-log2P(xi)]-[-log2P(xi

/yj)]

xi的信息量-收到y(tǒng)j后xi的信息量

對(duì)所有的xi和yj取統(tǒng)計(jì)平均值，得444.6信道容量式中為每個(gè)發(fā)送符號(hào)xi的平均信息量，稱(chēng)為信源熵。為yj符號(hào)已知后，符號(hào)xi的平均信息量。H(x/y)是傳輸錯(cuò)誤率引起的信息量損失。454.6信道容量二進(jìn)制信源的熵發(fā)送“1”的概率P(1)=，發(fā)送“0”的概率P(0)＝1-信源的熵H()為：最大點(diǎn)出現(xiàn)在＝0.5H()464.6信道容量

無(wú)噪聲信道:

發(fā)符號(hào)和收符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，

H(x/y)=0。接收一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息量為H(x)。容量C的定義：每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?/p>

(b/符號(hào))容量Ct的定義：當(dāng)信道的符號(hào)率為r時(shí)，

(b/s)474.6信道容量【例4－1】設(shè)信源由兩種符號(hào)“0”和“1”組成，符號(hào)傳輸速率為1000符號(hào)/秒，且這兩種符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，均等于1/2。信道為對(duì)稱(chēng)信道，其傳輸?shù)姆?hào)錯(cuò)誤概率為1/128。試畫(huà)出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。解：484.6信道容量已知:P(yj/xi)，由概率論中貝葉斯公式得P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，

P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，又P(y1)+P(y2)=1

494.6信道容量平均信息量/符號(hào)＝H(x)–H(x/y)=1–0.045=0.955（b/符號(hào)）因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號(hào)損失的信息量為

H(x

/y)=0.045（b/符號(hào)）

504.6信道容量⒉連續(xù)信道容量帶寬有限、平均功率有限，高斯白噪聲連續(xù)信道，有Shannon信道容量公式：

S

－信號(hào)平均功率（W）；

N

－噪聲功率（W）；

B

－帶寬（Hz）。設(shè)n0

為噪聲單邊功率譜密度，N=n0