通信原理第4章課件

第4章信道1第4章信道4.1有線信道4.2無(wú)線信道

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?/p>

4.5信道中的噪聲*4.6信道容量4.7小結(jié)2掌握內(nèi)容：

信道的數(shù)學(xué)模型。信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。信道容量。了解?nèi)容：

無(wú)線信道、有線信道課程基本要求34.1有線信道明線：平行架設(shè)在電線桿上的架空線路。

特點(diǎn)：傳輸損耗低，但易受天氣和環(huán)境影響。54.1有線信道對(duì)稱(chēng)電纜：由許多對(duì)雙絞線組成圖4-9雙絞線導(dǎo)體絕緣層6同軸電纜導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10同軸線4.1有線信道7在無(wú)線信道中，信號(hào)的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

無(wú)線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制（天線的尺寸不小于電磁波波長(zhǎng)的1/10）。4.2無(wú)線信道94.2無(wú)線信道--頻帶與電波傳播10頻帶與電波傳播4.2無(wú)線信道--頻帶與電波傳播11電子科技大學(xué)通信學(xué)院13/524.2無(wú)線信道--頻帶與電波傳播13電子科技大學(xué)通信學(xué)院14/524.2無(wú)線信道--頻帶與電波傳播14無(wú)線電視距中繼信道4.2無(wú)線信道15無(wú)線電廣播與移動(dòng)通信信道

4.2無(wú)線信道174.3信道的數(shù)學(xué)模型信道模型的分類(lèi)：調(diào)制信道:研究調(diào)制與解調(diào)性能時(shí)使用較方便編碼信道：研究糾錯(cuò)編碼對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行差錯(cuò)控制的效果時(shí)較方便廣義信道：從消息傳輸觀點(diǎn)出發(fā)，把信道范圍擴(kuò)大（包含通信系統(tǒng)中某些環(huán)節(jié)）以后定義的信道。常用于通信系統(tǒng)性能分析。184.3.1調(diào)制信道模型--式中 －信道輸入端信號(hào)電壓； －信道輸出端的信號(hào)電壓； －噪聲電壓。f［ei(t)］－表示信道對(duì)信號(hào)影響(變換)的某種函數(shù)關(guān)系；通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋?/p>

f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型可以用時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬4.3信道的數(shù)學(xué)模型194.3.2編碼信道模型編碼信道對(duì)信號(hào)的影響是使傳輸?shù)臄?shù)字序列發(fā)生變化，即序列中的數(shù)字發(fā)生錯(cuò)誤。所以可以用錯(cuò)誤概率來(lái)描述編碼信道的特性。二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型P(0/0)和P(1/1)－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–P(0/1)

P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)圖4-13二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端編碼信道產(chǎn)生錯(cuò)碼的原因以及轉(zhuǎn)移概率的大小主要由于調(diào)制信道不理想造成的。4.3信道的數(shù)學(xué)模型214.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺赖挠绊懞銋⑿诺琅e例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…恒參信道非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析方法。理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延-頻率特性

224.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懠矗悍l特性：|H(ω)|=K0相頻特性：φ(ω)=ωtd

或群遲延-頻率特性：由此可見(jiàn)，理想恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯牵?1)對(duì)信號(hào)在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；(2)對(duì)信號(hào)在時(shí)間上產(chǎn)生固定的遲延。這種情況也稱(chēng)信號(hào)是無(wú)失真?zhèn)鬏敗?/p>

23變參信道的影響變參信道：又稱(chēng)時(shí)變信道，信道參數(shù)隨時(shí)間而變。變參信道舉例：天波傳播、地波傳播…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)：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。4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?5產(chǎn)生多徑效應(yīng)的分析多徑傳播示意圖

4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?6R(t)：是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)。結(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)。4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?9多徑效應(yīng)簡(jiǎn)化分析：設(shè)：發(fā)射信號(hào)為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時(shí)延不同兩條路徑的接收信號(hào)為：Af(t-0)和Af(t-0-) 其中：A－傳播衰減，

0－第一條路徑的時(shí)延，

－

兩條路徑的時(shí)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()：

4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?0

則有多徑信道的傳輸函數(shù)：上式右端中，A－常數(shù)衰減因子， －確定的傳輸時(shí)延， －和信號(hào)頻率有關(guān)的復(fù)因子，其模為4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1按照上式模與角頻率關(guān)系曲線：

曲線的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對(duì)時(shí)延差。而是隨時(shí)間變化的，所以對(duì)于給定頻率的信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間而變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱(chēng)其為頻率選擇性衰落。

多徑效應(yīng)4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?2多徑效應(yīng)定義：相關(guān)帶寬＝1/實(shí)際情況：有多條路徑。設(shè)m－多徑中最大的相對(duì)時(shí)延差定義：相關(guān)帶寬＝1/m，即為多條路徑信道的相關(guān)帶寬。

結(jié)論：為了使信號(hào)基本不受多徑傳播的影響，要求信號(hào)的帶寬小于多徑信道的相關(guān)帶寬。4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?3噪聲信道中存在的不需要的電信號(hào)。它是疊加在信號(hào)上的，又稱(chēng)加性干擾。按噪聲來(lái)源分類(lèi)人為噪聲－例：開(kāi)關(guān)火花、電臺(tái)輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲4.5信道中的噪聲34熱噪聲來(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0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值： 式中 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4.5信道中的噪聲35窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：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(chēng)窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率：4.5信道中的噪聲363.5信道容量的概念4.6信道容量372解析香農(nóng)定理式中S－信號(hào)平均功率（W）；

N－噪聲功率（W）；

B－信道帶寬（Hz）。設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則N=n0B； 故上式可以改寫(xiě)成：由上式可見(jiàn):

連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號(hào)功率S及噪聲功率譜密度n0三個(gè)因素有關(guān)。4.6信道容量38由香農(nóng)公式可得以下結(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4.6信道容量39（2）減小噪聲功率N（或減小噪聲功率譜密度n0）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4.6信道容量40(3)如果S、n0一定，則無(wú)限增大B并不能使C值也趨于無(wú)限大?？梢宰C明圖信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)4.6信道容量41(4)在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸(即差錯(cuò)率為零)。

這就是說(shuō)，如果信道的實(shí)際傳輸速率大于C值，則無(wú)差錯(cuò)傳輸在理論上就已不可能。因此，實(shí)際傳輸速率(一般地)要求不能大于信道容量，除非允許存在一定的差錯(cuò)率。4.6信道容量42小結(jié)：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(chēng)為理想通信系統(tǒng)。但是，香農(nóng)公式只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，沒(méi)有指出這種通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用：由香農(nóng)公式可以看出：對(duì)于一定的信道容量C來(lái)說(shuō)，信道帶寬B，信號(hào)噪聲功率比S/N及傳輸時(shí)間三者之間可以互相轉(zhuǎn)換。若S/N不變，增加B可以換取傳輸時(shí)間的減小。C給定，B與S/N可以互換。例如擴(kuò)頻通信。4.6信道容量43【例4.6.2】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)；圖像每秒發(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。 【解】因?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

IF=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

Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s) 信道的容量Ct必須不小于此Rb值。將上述數(shù)值代入式：得到 22.5106=Blog2(1+1000)9.97B最后得出所需帶寬

B=(22.5106)/9.972.26(MHz)4.6信道容量44總結(jié)信道是通信系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它具有兩個(gè)特點(diǎn)：

1）不可缺少（用于傳輸信息）；

2）它是通信系統(tǒng)噪聲的主要來(lái)源。信道的含義有狹義和廣義兩種：

1）狹義信道：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)

有線信道無(wú)線信道恒參信道隨參信道

2）廣義信道：

調(diào)制信道：用線性時(shí)變網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述