數(shù)據(jù)通信原理信道

數(shù)據(jù)通信原理信道第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六信道連接發(fā)送端和接受端的通信設(shè)備，其功能是將信號從發(fā)送端傳送到接收端。第4章信道2第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第4章信道信道分類：無線信道－電磁波（含光波）有線信道－電線、光纖信道中的干擾：有源干擾－噪聲無源干擾－傳輸特性不良本章重點： 介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽?第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：1、無線信道2、有線信道3、信道的數(shù)學模型4、信道的特性對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的噪聲6、信道容量4第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.1無線信道無線信道利用電磁波在空間的傳播來實現(xiàn)。要求天線的尺寸不小于電磁波波長的1/10。根據(jù)通信距離分類：地波天波視波5第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.1無線信道地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km6第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收4.1無線信道7第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六8第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六9第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六傳播路徑地面圖4-1地波傳播電磁波的分類：1、地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米10第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六地面信號傳播路徑圖4-2天波傳播電磁波的分類：2、天波頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區(qū)：11第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六電磁波的分類：3、視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關(guān) 式中，D–收發(fā)天線間距離(km)。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m12第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六[例]若要求D=50km，則由式(4.1-3)m13第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：無線電中繼衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星平流層通信：位于平流層的高空平臺電臺圖4-4無線電中繼14第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六散射傳播1、電離層散射 機理－由電離層不均勻性引起 頻率－30~60MHz 距離－1000km以上15第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六圖4-7對流層散射通信地球有效散射區(qū)域散射傳播2、對流層散射 機理－由對流層不均勻性（湍流）引起 頻率－100~4000MHz 最大距離<600km16第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六3、流星流星余跡散射流星余跡特點：高度80~120km，長度15~40km存留時間：小于1秒至幾分鐘 頻率－30~100MHz 距離－1000km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17第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六常用民用通信方式：蜂窩網(wǎng)：特高頻頻段衛(wèi)星通信：特高頻和超高頻頻段？18第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：1、無線信道2、有線信道3、信道的數(shù)學模型4、信道的特性對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的噪聲6、信道容量19第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.2有線信道分類明線對稱電纜同軸電纜20第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1、明線是指平行架設(shè)在電線桿上的架空線路。21第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2、對稱電纜：由許多對雙絞線組成3、同軸電纜圖4-9雙絞線導體絕緣層導體金屬編織網(wǎng)保護層實心介質(zhì)圖4-10同軸線為什么叫做雙絞線？22第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六光纖---傳播光信號的有線信道發(fā)明者：華裔科學家高錕高錕教授發(fā)明的“纖維光學”在全球獲得廣泛應用，并在香港知識產(chǎn)權(quán)署與香港發(fā)明家協(xié)會聯(lián)辦的“二十世紀十大最受港人歡迎發(fā)明品”選舉中入榜。23第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六光纖---結(jié)構(gòu)纖芯包層分類按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖折射率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)24第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六損耗最小點：1.31與1.55m損耗與波長關(guān)系0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波長（m）1.55m1.31m圖4-12光纖損耗與波長的關(guān)系25第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：1、無線信道2、有線信道3、信道的數(shù)學模型4、信道的特性對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的噪聲6、信道容量26第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.3信道的數(shù)學模型信道模型的分類：調(diào)制信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道27第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.3.1調(diào)制信道模型式中 －信道輸入端信號電壓； －信道輸出端的信號電壓； －噪聲電壓。通常假設(shè)：這時上式變?yōu)椋? －信道數(shù)學模型28第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.3.1調(diào)制信道模型因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。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。乘性干擾特點：當沒有信號時，沒有乘性干擾。29第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.3.1調(diào)制信道模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13調(diào)制信道數(shù)學模型30第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.3.2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31第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.3.2編碼信道模型四進制編碼信道模型01233210接收端發(fā)送端32第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：1、無線信道2、有線信道3、信道的數(shù)學模型4、信道的特性對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的噪聲6、信道容量33第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懓凑{(diào)制信道模型，分類：恒參信道非時變線性網(wǎng)絡(luò)隨參信道時變網(wǎng)絡(luò)34第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.4信道特性對信號傳輸?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…恒參信道非時變線性網(wǎng)絡(luò)信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。35第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六恒參信道線性系統(tǒng)中無失真條件：1、振幅～頻率特性：為水平直線時無失真下圖為典型電話信道特性，用插入損耗便于測量(a)插入損耗～頻率特性36第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六恒參信道線性系統(tǒng)中無失真條件：2、相位～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)群延遲～頻率特性0相位～頻率特性37第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六信道的振幅—頻率特性不理想時的失真：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擾解決辦法：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影響不大，對數(shù)字信號影響大解決辦法：同上38第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六信道的振幅—頻率特性不理想時的失真：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…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39第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六變參信道的影響變參信道：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：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。40第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六多徑效應分析： 設(shè)發(fā)射信號為接收信號為

式中－由第i條路徑到達的接收信號振幅； －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。41第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六多徑效應分析：

應用三角公式可以將式(4.4-1)改寫成：

(4.4-2)

緩慢隨機變化振幅緩慢隨機變化振幅42第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六多徑效應分析：

所以，接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨機緩慢變化的窄帶信號：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。43第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六綜上所述，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、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44第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：1、無線信道2、有線信道3、信道的數(shù)學模型4、信道的特性對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的噪聲6、信道容量45第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.5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、電臺輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲46第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六熱噪聲來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。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－熱力學溫度（oK）；

R－阻值（）；

B－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲？47第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：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。 注：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。48第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：1、無線信道2、有線信道3、信道的數(shù)學模型4、信道的特性對信號傳輸?shù)挠绊?、信道的噪聲6、信道容量49第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.6信道容量信道容量－指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。信道分類：連續(xù)信道和離散信道，描述方式不同。50第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六4.6信道容量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畔⒘孔畲笾礐t－單位時間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祪烧咧g可以互換。51第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六計算離散信道容量的信道模型發(fā)送符號：x1，x2，x3，…，xn接收符號：y1，y2，y3，…，ymP(xi)=發(fā)送符號xi的出現(xiàn)概率， i＝1，2，…，n；P(yj)=收到y(tǒng)j的概率， j＝1，2，…，mP(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52第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六計算離散信道容量的信道模型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)53第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六計算收到一個符號時獲得的平均信息量從信息量的概念得知：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xi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所獲得的信息量為：

=-log2P(xi)-[-log2P(xi

/yj)]54第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六計算收到一個符號時獲得的平均信息量對所有的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＝

55第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六上式中－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，收到一個符號的平均信息量只有[H(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。56第56頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六二進制信源的熵設(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，當＝1/2時， 此信源的熵達到最大值。 這時兩個符號的出現(xiàn)概率相等， 其不確定性最大。圖4-21二進制信源的熵H()57第57頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六無噪聲信道對于無噪聲信道，模型變?yōu)椋簒1x2x3y3y2y