第4章-信道与噪声优秀PPT.ppt

4.0 信道的定义信道的定义1.狭义信道：狭义信道：传输媒质传输媒质有线信道：例同轴电缆有线信道：例同轴电缆无线信道：例微波中继信道无线信道：例微波中继信道2.广义信道广义信道传输媒质传输媒质转换装置转换装置w调制信道：调制器输出调制信道：调制器输出 解调器输入解调器输入w编码信道：编码器输出编码信道：编码器输出 解码器输入解码器输入11.地波地波4.1 无线信道无线信道地球地球v 频率：频率：2MHz 以下，以下，3KHz2MHz；v 绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时；绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时；v 沿弯曲的地球表面传播，具有确定的绕射实力；沿弯曲的地球表面传播，具有确定的绕射实力；v 通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千km；v 典型应用：中波典型应用：中波AM广播，广播，550KHz1600KHz24.1 无线信道无线信道v频率：频率：230 MHzv电离层高度：电离层高度：60 400kmv单跳最大距离：单跳最大距离：4000 kmv典型应用：典型应用：短波短波AM，224MHz2.天波天波（电离层反射）（电离层反射）3ddDhrr3.视线传播视线传播4.1 无线信道无线信道v 频率：频率：30 MHzv 传播距离与天线高度的关系传播距离与天线高度的关系:d2+r2=(h+r)2,h D2/50 (m)式中式中 Dkmv 应用：应用：FM、微波通信、卫星通信等、微波通信、卫星通信等44.1 无线信道无线信道3.视线传播视线传播静止卫星中继静止卫星中继大大提高视距大大提高视距但延时增大但延时增大54.1 无线信道无线信道3.视线传播视线传播静止卫星中继静止卫星中继64.1 无线信道无线信道3.视线传播视线传播平流层中继平流层中继v 平流层高度：平流层高度：1722km；v 费用低、延时小、建设快；费用低、延时小、建设快；v 容量大，容量大，250个充氦飞艇可覆盖全球个充氦飞艇可覆盖全球90；v 应用：处于探讨中；应用：处于探讨中；74.散射方式传播散射方式传播4.1 无线信道无线信道对流层散射通信对流层散射通信地球地球有效散射区域有效散射区域地球地球流星余迹散射通信流星余迹散射通信v 电离层散射电离层散射:30 60 MHz 对流层散射对流层散射:100 4000 MHzv 流星余迹散射流星余迹散射:30 100 MHzv 应用：例如应用：例如海上油田（对流层）海上油田（对流层）；散射：由于传播媒体的不匀整性，使电磁波的传播产生散射：由于传播媒体的不匀整性，使电磁波的传播产生向很多方向折射的现象。向很多方向折射的现象。85.无线通信无线通信视距传播视距传播举例举例蜂窝网蜂窝网4.1 无线信道无线信道移动移动交换交换中心中心电话电话交换交换中心中心94.2 有线信道有线信道1.对称电缆（双绞线）对称电缆（双绞线）v 一条用于传信号，另一条就用作接地参考点；一条用于传信号，另一条就用作接地参考点；v接收端运用两条线路的电平差值作为接收信号；接收端运用两条线路的电平差值作为接收信号；v两条线绞合在一起，保持平衡，同等地受到外部影响；两条线绞合在一起，保持平衡，同等地受到外部影响；v 典型应用：电话线路，典型应用：电话线路，DSL线路，局域网；线路，局域网；104.2 有线信道有线信道2.同轴电缆同轴电缆v 外层导体：外层导体：屏蔽作用；屏蔽作用；v 同轴电缆连接器：同轴电缆连接器：BNC（最常用）；（最常用）；v 典型应用：典型应用：有线电视网中，光纤同轴电路混合网（有线电视网中，光纤同轴电路混合网（HFC）；）；11n1n2折射率折射率折射率折射率n1n22a4.2 有线信道有线信道3.光纤光纤光波波长（光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7v 高带宽、衰减小；高带宽、衰减小；v 无电磁干扰、不易被窃听；无电磁干扰、不易被窃听；v 抗腐蚀材料、重量轻；抗腐蚀材料、重量轻；v 连接困难、怕水、昂贵；连接困难、怕水、昂贵；124.3 信道的数学模型信道的数学模型4.3.1 调制信道模型调制信道模型恒参信道：信道特性恒参信道：信道特性H()不随时间变更或基本不变更；不随时间变更或基本不变更；随参信道：信道特性随参信道：信道特性H()随时间作随机变更的；随时间作随机变更的；乘性干扰乘性干扰加性干扰加性干扰13编码信道对信号的影响是将输入数字序列变成另一种输出数编码信道对信号的影响是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。下图为最简洁的二进制无记忆编码信道模型：移概率来表征。下图为最简洁的二进制无记忆编码信道模型：4.3.2 编码信道模型编码信道模型4.3 信道的数学模型信道的数学模型144.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响恒参信道恒参信道（随时间不变或慢变更）（随时间不变或慢变更）幅频特性幅频特性TextText相频特性相频特性等等效效1.恒参信道恒参信道线性线性时时不变不变网络网络15固定的衰减固定的衰减固定的延时固定的延时志向信道满足：幅频响应为常数，相频响应为线性志向信道满足：幅频响应为常数，相频响应为线性 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响1.恒参信道恒参信道定义志向信道定义志向信道164.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响1.恒参信道恒参信道非志向信道的失真非志向信道的失真幅度失真幅度失真幅度失真：幅度失真：幅频特性不为常数；幅频特性不为常数；典型电话信道的插入损耗频率特性典型电话信道的插入损耗频率特性插插入入损损耗耗174.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响1.恒参信道恒参信道非志向信道的失真非志向信道的失真相位失真相位失真相位失真：相频特性非线性或群拖延特性不是常数；相位失真：相频特性非线性或群拖延特性不是常数；对于志向恒参信道：对于志向恒参信道：定义群拖延频率特性：定义群拖延频率特性：典型音频电话信道的群拖延特性典型音频电话信道的群拖延特性18v对信号的衰减随时间随机变更；对信号的衰减随时间随机变更；v信号传输的时延随时间随机变更；信号传输的时延随时间随机变更；v v多径传播多径传播4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道 ：都是随机变更的：都是随机变更的194.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播多径衰落和频率弥散多径衰落和频率弥散设发送信号为一设发送信号为一单一频率单一频率正弦波：正弦波：经过经过n条不同的路径，条不同的路径，接收信号接收信号：:第第i条路径的条路径的信号振幅信号振幅；:第第i条路径的条路径的传输时延传输时延204.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播多径衰落和频率弥散多径衰落和频率弥散214.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播多径衰落和频率弥散多径衰落和频率弥散随机缓变随机缓变随机缓变随机缓变随机缓变随机缓变 是是窄带过程窄带过程 多径衰落多径衰落：多径传播使信号的：多径传播使信号的包络产生了起伏包络产生了起伏，称为，称为衰落衰落；频率弥散频率弥散：多径传播使：多径传播使单一谱线变成了窄带频谱单一谱线变成了窄带频谱；相对于相对于 0 0224.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播频率选择性衰落和相关带宽频率选择性衰落和相关带宽我们以两条路径的信道模型来探讨：我们以两条路径的信道模型来探讨：234.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播频率选择性衰落和相关带宽频率选择性衰落和相关带宽244.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播频率选择性衰落和相关带宽频率选择性衰落和相关带宽v频率选择性衰落：频率选择性衰落：v不同的频率，不同的衰减。不同的频率，不同的衰减。v且随时间变更；且随时间变更；v相关带宽：相关带宽：m：信道最大多径时延差；：信道最大多径时延差；【注注】一般为了保证接收信号质量，一般为了保证接收信号质量，通常选择通常选择信号带宽信号带宽为相关带宽为相关带宽的的1/51/3。254.5 信道中的信道中的噪声噪声噪声噪声分类分类按噪声的来源按噪声的来源人为噪声人为噪声自然噪声自然噪声热噪声热噪声脉冲噪声脉冲噪声单频噪声单频噪声起伏噪声起伏噪声按噪声的性质按噪声的性质起伏噪声是一种连续波随机噪声，包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声。对其特性的表征可以接受随机过程的分析方法。起伏噪声的特点是具有很宽的频带，并且始终存在，它是影响通信系统性能的主要因素。通常被近似为白噪声过程。26以起伏噪声中的以起伏噪声中的热噪声热噪声为例，其功率谱密度为：为例，其功率谱密度为：因此，虽然热噪声不是真正白色的，但因此，虽然热噪声不是真正白色的，但f=21012Hz，已，已经大大超过在通常通信系统中所运用的频率，因此可以用白经大大超过在通常通信系统中所运用的频率，因此可以用白噪声过程来对热噪声建模。噪声过程来对热噪声建模。热噪声热噪声27依据中心极限定理可知，成千上万电子随机运动产生的热依据中心极限定理可知，成千上万电子随机运动产生的热噪声听从高斯分布，且均值为零。其一维概率密度函数为：噪声听从高斯分布，且均值为零。其一维概率密度函数为：因此，起伏噪声通常被认为是近似的因此，起伏噪声通常被认为是近似的高斯白噪声高斯白噪声。在一个阻值为在一个阻值为R的电阻两端，在频带宽度为的电阻两端，在频带宽度为B的范围内，的范围内，产生的热噪声电压有效值为：产生的热噪声电压有效值为：热噪声热噪声28若一个高斯若一个高斯白噪声白噪声经过一个经过一个带通型通信系统带通型通信系统时，就成为时，就成为带带通型噪声通型噪声：带通型噪声带通型噪声29噪声等效带宽的噪声等效带宽的物理意义物理意义是：高度为是：高度为Pn(fc)，宽度为宽度为Bn的的带通白噪声带通白噪声功率与功率谱密度为功率与功率谱密度为Pn(f)的的带通型带通型噪声功率相等。噪声功率相等。带通型噪声带通型噪声噪声等效带宽噪声等效带宽：304.6 信道容量信道容量信道容量信道容量指指给定的信道给定的信道信息信息无差错无差错传输的传输的最大平均信息速率最大平均信息速率。标识连续带限高斯白噪声信道的信道容量的公式就是著名标识连续带限高斯白噪声信道的信道容量的公式就是著名的香农公式：的香农公式：31课堂习题举例课堂习题举例【习题【习题4-1】：已知彩色电视图像由】：已知彩色电视图像由5105个像素组成。设每个个像素组成。设每个像素有像素有64种色调度，每种色调度有种色调度，每种色调度有16个亮度等级。假如全部色个亮度等级。假如全部色调度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。调度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。（1）计算每秒传送）计算每秒传送100个画面所需的信道容量；个画面所需的信道容量；（2）假如信道中信噪比为）假如信道中信噪比为30dB，为了传送彩色图像所需信道，为了传送彩色图像所需信道带宽为多少？带宽为多少？【习题【习题4-2】：假定某用户接受拨号上网，已测得电话线可用频】：假定某用户接受拨号上网，已测得电话线可用频带为带为3003400Hz，信噪比为，信噪比为25dB，试计算该信道的容量；，试计算该信道的容量；在选择调制解调器时，速率为在选择调制解调器时，速率为56kbit/s、28.8kbit/s、9.6kbit/s的调制解调器哪个较合适？的调制解调器哪个较合适？32v4-7作业作业33精品精品课课件件！精品精品课课件件！2.模拟通信系统模型模拟通信系统模型3.数字通信系统模型数字通信系统模型 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型36