第4章通信原理资料优秀PPT.ppt

第 4 章教学提示信信道道是是通通信信系系统统的的三三要要素素之之一一,是是通通信信系系统统组组成成的的重重要要部部分分。任任何何信信号号离离开开信信道道都都不不能能进进行行传传输输，可可见见信信道道的的特特性性对对信信号号的的传传输输起起着着重重要要的的作用，所以有必要进行探讨。作用，所以有必要进行探讨。本章所探讨的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的本章所探讨的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的模型，重要讲解并描述以下几个问题：模型，重要讲解并描述以下几个问题：1、信道的定义及分类、信道的定义及分类;2、恒参信道及其对信号传输的影响、恒参信道及其对信号传输的影响;3、随参信道及其对信号传输的影响、随参信道及其对信号传输的影响;4、信道容量；、信道容量；第 4 章第四章 信 道主要内容主要内容：信道的定义、分类信道的定义、分类恒参信道举例恒参信道举例随参信道举例随参信道举例信道数学模型信道数学模型恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性的改善随参信道特性的改善信道的加性噪声信道的加性噪声信信道道容容量量的的概概念念、香香农农公公式式（shannon formula）第 4 章 信道定义1.信道定义信道定义：信号通道：信号通道.2.信道的分类信道的分类 狭义信道狭义信道：信号的传输媒质：信号的传输媒质.n有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆n无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射广广义义信信道道：传传输输媒媒质质及及有有关关变变换换装装置置.(收收、发发转转换换器器,放放大大，频频率变换，电率变换，电电磁波，等。电磁波，等。)n编码信道编码信道n调制信道调制信道第 4 章第 4 章4.1 随参信道举例随参信道举例随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变更的信道。随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变更的信道。随参信道有以下几种。随参信道有以下几种。1）短波电离层反射短波电离层反射2）超短波流星余迹散射超短波流星余迹散射3）超短波及微波对流层散射超短波及微波对流层散射4）超短波电离层散射超短波电离层散射5）超短波超视距绕射等超短波超视距绕射等 第 4 章一、一、短波电离层反射信道短波电离层反射信道1、概念：短波是指波长为、概念：短波是指波长为10010m(相应的频率为相应的频率为330MHz)的的无线电波。无线电波。2、短波传播方式：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电、短波传播方式：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电离层反射传播，称为天波传播。离层反射传播，称为天波传播。3、传播路径、传播路径离地面高离地面高60600km的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的。离子及自由电子组成的。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。在短波电离层反射在短波电离层反射信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要缘由如下。信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要缘由如下。1）电波经电离层的一次反射和多次反射；电波经电离层的一次反射和多次反射；2）几个反射层高度不同；几个反射层高度不同；3）电离层不匀整性引起的慢射现象；电离层不匀整性引起的慢射现象；4）地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。第 4 章4、特点、特点主要优点如下：主要优点如下：1）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；(100W几几KW)2）、传播距离远；）、传播距离远；3）、受地形限制较小；）、受地形限制较小；4）、有适当的传输频带宽度；）、有适当的传输频带宽度；5）、不易受认为的破坏，该特点在军事上特别有用。）、不易受认为的破坏，该特点在军事上特别有用。主要缺点如下：主要缺点如下：1）、传输牢靠性差；电离层中的异样变更会引起较长时间的通信中）、传输牢靠性差；电离层中的异样变更会引起较长时间的通信中断。断。2）、须要常常更换工作频率，因而运用较困难；）、须要常常更换工作频率，因而运用较困难；3）、存在快衰落与多径时延失真；）、存在快衰落与多径时延失真；4）、干扰电平大。）、干扰电平大。(100b/s)5、应用、应用短波电离层反射信道过去是、现在仍旧是远距离传输的重要信道之一。短波电离层反射信道过去是、现在仍旧是远距离传输的重要信道之一。问题：为什么远距离问题：为什么远距离HF无线电广播在太阳黑子活无线电广播在太阳黑子活动的动的高峰期时效果更好？高峰期时效果更好？第 4 章二、对流层散射信道二、对流层散射信道对流层能够不规则地散射无线电波对流层能够不规则地散射无线电波 1、概念：离地面概念：离地面1012km以下的大气层称为对流层。以下的大气层称为对流层。在对流层中，由于大气对流层湍流运动等缘由产生了不匀整性，在对流层中，由于大气对流层湍流运动等缘由产生了不匀整性，故引起散射，如图所示。故引起散射，如图所示。2、传播方式：对流层散射信道是一种超视距的传播信道，可工传播方式：对流层散射信道是一种超视距的传播信道，可工作在超短波和微波波段。其一跳的传播距离约为作在超短波和微波波段。其一跳的传播距离约为100500km。第 4 章3、对流层信道的特点对流层信道的特点1）、衰落）、衰落 散射信号电平是不断随时间变更的，这种变更称为衰落。散射信号电平是不断随时间变更的，这种变更称为衰落。衰落有两类：衰落有两类：慢衰落（长期变更），慢衰落取决与气象条件慢衰落（长期变更），慢衰落取决与气象条件 快衰落（短期变更），快衰落是由多径传播引起的。快衰落（短期变更），快衰落是由多径传播引起的。2）、传播损耗）、传播损耗总损耗包括两个部分，总损耗包括两个部分，（1）自由空间的能量扩散损耗；自由空间的能量扩散损耗；（2）散射损耗。散射损耗。3）、信道的允许带宽）、信道的允许带宽散射信道是典型的多径信道。由于信源信号到达终端所经过的散射信道是典型的多径信道。由于信源信号到达终端所经过的路程不同，因而各路径信道到达接收点的时间也不相同，结果路程不同，因而各路径信道到达接收点的时间也不相同，结果信号脉冲被展宽，这种现象称为时间扩散简称多径时散。这样信号脉冲被展宽，这种现象称为时间扩散简称多径时散。这样信道的允许带宽与最大多径时延的关系为信道的允许带宽与最大多径时延的关系为BBc（3）空间分集）空间分集 多幅处于不同位置的天线同时接收多幅处于不同位置的天线同时接收（天线阵）（天线阵）d3（4）时频分集）时频分集 (混合分集之一混合分集之一)（5）其它：角度分集，极化分集。）其它：角度分集，极化分集。4.4.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善第 4 章例如：四时四频分集例如：四时四频分集 信息代码信息代码 时频编码时频编码 00 f1、f2、f3、f4 将一个四进制码元宽度时间将一个四进制码元宽度时间Ts等分等分 01 f2、f1、f4、f3 为为4个时间段，分别传输个时间段，分别传输4个载频，不个载频，不 10 f3、f4、f1、f2 同代码传输依次不同。在同代码传输依次不同。在Ts内只要能内只要能 11 f4、f3、f2、f1 正确接收到一个频率，就可推断在正确接收到一个频率，就可推断在Ts 内传输的信息代码。内传输的信息代码。第 4 章2 2合并方法合并方法 所所谓谓合合并并就就是是依依据据某某种种方方式式把把得得到到的的N N个个独独立立衰衰落落信信号号相相加加后后合并输出，从而获得分集增益。（中频、基带）合并输出，从而获得分集增益。（中频、基带）假假设设N N个个独独立立衰衰落落信信号号分分别别：r1(t)r1(t)、r2(t)r2(t)、rN(t),rN(t),则则合合并并器输出为：器输出为：r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)+aN rN(t)r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)+aN rN(t)ai ai 第第i i 个信号的加权系数个信号的加权系数（1 1）最佳选择式）最佳选择式 选信噪比最好的一个作为接收信号。选信噪比最好的一个作为接收信号。（2 2）等增益相加）等增益相加 将各信号以相同增益放大、相加。将各信号以相同增益放大、相加。（3 3）最大比相加）最大比相加 将各信号以信噪比成正比地放大、相加。将各信号以信噪比成正比地放大、相加。效果：（效果：（3 3）最好，（）最好，（1 1）最差。）最差。第 4 章（1 1）最最佳佳选选择择式式 选选信信噪噪比比最最好好的的一一个个作作为接收信号。为接收信号。接收机1接收机2二重分集选择式合并第 4 章（2 2）等等增增益益相相加加 将将各各信信号号以以相相同同增增益益放放大、相加。大、相加。接收机1接收机2第 4 章（3 3）最最大大比比相相加加 将将各各信信号号以以信信噪噪比比成成正正比比地放大、相加。地放大、相加。接收接收机机1接收接收机机2第 4 章 4.5 信道的加性噪声信道的加性噪声干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。噪声：可用随机过程描述的干扰。不能精确预料其波形噪声：可用随机过程描述的干扰。不能精确预料其波形一、加性噪声的来源一、加性噪声的来源1、人为噪声、人为噪声来源于无关的其他信号源。来源于无关的其他信号源。如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起的。的。2.自然噪声自然噪声来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声等。等。3.内部噪声内部噪声系统设备本身产生的各种噪声。系统设备本身产生的各种噪声。如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子(电子和空穴电子和空穴)的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。第 4 章二、噪声的性质分类二、噪声的性质分类单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。本章重点介绍起伏噪声。单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。本章重点介绍起伏噪声。三、起伏噪声三、起伏噪声1、热噪声、热噪声1）、产生缘由：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的）、产生缘由：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的噪声。噪声。2）、特点：听从高斯分布，且具有匀整的功率谱密度。）、特点：听从高斯分布，且具有匀整的功率谱密度。2、散弹噪声、散弹噪声1）、产生缘由：真空电子管和半导体器件中电子放射的不匀整）、产生缘由：真空电子管和半导体器件中电子放射的不匀整性引起。性引起。2）、特点：听从高斯分布）、特点：听从高斯分布3、.宇宙噪声宇宙噪声1）、产生缘由：天体辐射波对接收机形成的噪声。）、产生缘由：天体辐射波对接收机形成的噪声。2）、特点：）、特点：20 300MHz内，强度与频率的三次方成反比，听内，强度与频率的三次方成反比，听从高斯分布；具有平坦的功率谱密度。从高斯分布；具有平坦的功率谱密度。留意：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声留意：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示。通常把加性噪声的主要代表的集中表示。通常把加性噪声的主要代表起伏噪声理解成热噪起伏噪声理解成热噪 声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。第 4 章带通型噪声的功率谱密度：带通型噪声的功率谱密度：Bn为为等等效效噪噪声声带带宽宽，其其物物理理意意义义是是：白白噪噪声声通通过过实实际际带带通通滤滤波波器器的的效效果果与与通通过过宽宽度度为为Bn，高高为为Pni（f0）的的矩矩形形滤波器的效果一样。滤波器的效果一样。第 4 章4.6 信道容量的概念信道容量的概念信道容量：信道的最大（极限）传输实力信道容量：信道的最大（极限）传输实力定定义义：信信道道无无差差错错传传输输信信息息的的最最大大信信息息速速率率称称为为信信道道容容量量，记记为为C。离散信道：输入输出为离散信号；离散信道：输入输出为离散信号；连续信道：输入输出为连续信号；连续信道：输入输出为连续信号；一、一、离散信道的信道容量离散信道的信道容量 信道模型用转移概率来表示。信道模型用转移概率来表示。如图所示。如图所示。图中：图中：P(x)发送信道的概率；发送信道的概率；P(y)是接收信号的概率；是接收信号的概率；P(yi/xi)是转移概率，是转移概率，i=1,2,m，它是发送为，它是发送为xi，而收到的是而收到的是yi的概率。的概率。第 4 章接收端接收到的信息量（信息论中称为互信息）为接收端接收到的信息量（信息论中称为互信息）为单位是单位是 比特比特/符号。符号。公式中：公式中：I ：接收端接收到的平均信息量；：接收端接收到的平均信息量；H（x）：未发送符号前对：未发送符号前对xi的不确定度；即每个符号的平均的不确定度；即每个符号的平均信息量。信息量。H(x/y)：收到符号：收到符号yi后对后对xi的不确定度；即输出符号已知时，的不确定度；即输出符号已知时，输入符号的平均信息量，也即平均丢失信息量。输入符号的平均信息量，也即平均丢失信息量。信息传输速率信息传输速率R：是指信道在单位时间内所传输的平均信息量，：是指信道在单位时间内所传输的平均信息量，单位是单位是 比特比特/秒。秒。若码元传输速率是若码元传输速率是r，则，则R与与I的关系如下：的关系如下：例例例例4.44.4第 4 章探讨分析：探讨分析：明显明显R与与r、信息源的概率分布以及信道干扰的概率、信息源的概率分布以及信道干扰的概率分布有关。对某个给定信道，干扰的概率分布应当分布有关。对某个给定信道，干扰的概率分布应当认为是确定的，假如此时认为是确定的，假如此时r确定，则确定，则R仅与信息源的仅与信息源的概率分布有关。概率分布有关。当无噪声时，当无噪声时，（3.10-3）当噪声很大时，当噪声很大时，（3.10-4）离散信道的信道容量定义：对于一切可能的信息源离散信道的信道容量定义：对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息的速率概率分布来说，信道传输信息的速率R的最大值称为的最大值称为信道容量，用信道容量，用C表示，即表示，即第 4 章二、二、连续信道的信道容量连续信道的信道容量香农（香农（Shannon）公式：连续信道中的信道容量）公式：连续信道中的信道容量C为为 式中：式中：B为信道的带宽；为信道的带宽；S为信号的功率；为信号的功率；N为信道加性高斯白噪声的功率。为信道加性高斯白噪声的功率。物理意物理意义义：表示当信号与作用在信道上噪声的平均表示当信号与作用在信道上噪声的平均功率功率给给定定时时，信道，信道带宽为带宽为B B，理，理论论上上单单位位时间时间内可能内可能传输传输的信息量的极限的信息量的极限值值。（3.10-5)第 4 章当信道带宽为当信道带宽为B，噪声单边功率谱密度为，噪声单边功率谱密度为n0，则，则 N=n0 B (3.10-6)公式（公式（3.10-5)整理为：整理为：问题：无限制地增大问题：无限制地增大B，能够使，能够使C无穷大？无穷大？分析：分析：结论：即使传输带宽无穷大，此时的信道容量也是有结论：即使传输带宽无穷大，此时的信道容量也是有限的。限的。缘由：此时的噪声功率也趋于无穷大。缘由：此时的噪声功率也趋于无穷大。例例例例4.54.5例例例例4.64.6第 4 章第4章 教学要求了解信道模型、分类了解信道模型、分类驾驾驭驭恒恒参参信信道道特特性性及及其其对对信信号号传传输输的的影影响响驾驾驭驭随随参参信信道道特特性性及及其其对对信信号号传传输输的的影影响响了解分集接收的作用了解分集接收的作用熟悉各种加性噪声熟悉各种加性噪声驾驭连续信道信道容量的概念驾驭连续信道信道容量的概念习题：习题：4-5 4-7第 4 章例例例例4.14.1如图所示的信道，推断有无线性失真如图所示的信道，推断有无线性失真第 4 章例例4.20t t21t t1t t23)fcos(2)f(Ht tp p=f第 4 章例例4.3第 4 章例例4.4P00=5/6P11=5/61/6第 4 章H(x/y)=-(1/6log21/6+5/6log25/6)=0.21bit/符号符号1000(1-0.21)=790bit/s第 4 章例例例例4.54.5第 4 章例例4.6