简明通信原理第3章.ppt

简明通信原理简明通信原理简明通信原理简明通信原理第第3章章信道信道第第3章章信信道道学习目标信道的定义、分类与模型无线电波的传播方式恒参和随参信道特性及其对信号传输的影响信道容量和香农公式3.1信信道道分分类类u狭义信道各种物理传输介质l有线信道指明线、各种电缆和光纤。l无线信道指可以传输电磁波的自由空间或大气。u广义信道为方便研究问题而定义。l调制信道研究调制与解调问题；范围从调制器输出端至解调器输入端。l编码信道研究编码与译码问题。范围从编码器输出端至译码器输入端应该指出：广义信道必定包含传输介质（狭义信道）。无论何种广义信道，其通信质量在很大程度上依赖于传输介质的特性。3.2有线信道有线信道采用金属（铜）导体传输电流或电压信号。采用金属（铜）导体传输电流或电压信号。光纤是玻璃纤维或塑料制成的缆线，用以传输光信号。有线信道有线信道双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤光纤u双绞线双绞线 组成：由两根具有绝缘层的金属导线按一定规则绞合而成。若干对双绞线放在同一个保护套内，构成双绞线电缆。应用：主要用于电话线路，传输语音和数据。种类：第1类（最低档）是电话系统中使用的基本双绞线，只适合于语音传输和低速数据（小于0.1Mbit/s）传输；第6、7类（最高档）使用的铜导线质量更高、单位长度绕数也更多，因而对信号的衰耗和串扰更小，可用于千兆以太网。u同轴电缆同轴电缆 与双绞线相比，同轴电缆抗电磁干扰性能更好，带宽更宽，支持的数字数据传输速率更高，但成本较高，安装较复杂。目前，远距离传输信号的干线线路多采用光纤代替同轴电缆。基带同轴电缆：阻抗为50的同轴电缆，多用于数字基带传输，最高数据传输速率可达10Mbit/s，在局域网中广泛使用。宽带同轴电缆：阻抗为75的同轴电缆，可用于模拟信号和数字信号传输，支持的带宽可达300450MHz，多用于有线电视网和综合服务宽带网中。u光纤光纤光纤是光纤通信系统中的传输介质，由纤芯、包层和涂敷层构成。优点：v节约有色金属，有利于环保；v传输衰减小，无中继传输距离远；v抗电磁干扰，传输质量好；v能提供远大于金属电缆的传输带宽和通信容量；v耐腐蚀；不易被窃听；体积小和重量轻。缺点：v易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能。应用：常用在主干线络中。例如，在有线电视网中，光纤提供主干线路，而同轴电缆则提供到用户的连接。目前，光纤到户的技术也正逐步实现。u无线电波的波段划分v无线电波的传播特性与波长（或频率）有关。v波长是波在一个周期内传播的距离。v频率是波在每秒完成的周期数。v波长和频率与波速相关：v根据波长的大小，可将无线电频谱划分成不同的波段，详见表3-1。v不同波段的电磁波适用不同的通信场合。v低频信号可称为长波，高频信号可称为短波。v微波（包括分米波、厘米波和毫米波）是指频率为吉赫（GHz）的信号。3.3无线信道无线信道 频率：230MHz 特点：被电离层反射一次反射距离：4000km应用：短波通信频率：30MHz特点：直线传播能力距离:与天线高度有关主要用于超短波及微波通信u天线电波的主要传输方式天线电波的主要传输方式地波天波视线传播电离层散射频率：3060MHz距离：1000km以上对流层散射对流层散射频率：100MHz4GHz最大距离：约600km应用：超短波、微波波段通信四种传播方式散射传播增大视线传播距离的其他途径：微波中继（微波接力）、卫星中继、平流层通信天波传播对流层散射地波传播3.4信道的影响信道的影响u衰减：指信号能量的损失。现象之一：导线发热。补偿方法：如用放大器对信号进行放大。u失真：意味着信号变形（畸变）。原因：信道传输特性的不理想、无线信道中的多径传播、噪声影响等。措施：均衡、分集接收、滤波等。u噪声：是通信系统中必然存在的一种有害信号。它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码，并限制着信息的传输速率。u噪噪声声l按噪声来源分类：v人为噪声如开关火花、电台辐射v自然噪声如闪电、大气噪声、宇宙噪声v内部噪声如热噪声l按噪声性质分类：v脉冲噪声：突发性，幅度很大，但持续时间短。如电火花就是一种典型的脉冲噪声。v窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。v起伏噪声：如热噪声（源于电阻性元器件中电子的热运动）。l归纳信道加性噪声n(t):v代表：起伏噪声（热噪声等）v性质：高斯白噪声vn(t)BPF窄带高斯噪声这类噪声是影响通信系统性能的主要因素，因此常把它作为信道加性噪声的主要代表3.5 3.5 信道模型信道模型u调制信道模型调制信道对信号的影响程度取决于C(f)与n(t)的特性。vC(f)反映信道本身特性。对于信号来说，C(f)可看成是乘性干扰；vn(t)是独立于信号而始终存在的，因此可视之为加性干扰。信道一般模型 一种简单而又常用的情况是C(f)=1，加性噪声信道模型3.5 3.5 信道模型信道模型u编码信道模型编码信道的模型一般用数字转移概率来描述。vP(0/0)和P(1/1)为正确转移概率 vP(1/0)和P(0/1)为错误转移概率v系统的总误码率为显然，P(1/0)和P(0/1)越小，误码率也就越小。二进制编二进制编码信道模型码信道模型P(1/1)=1P(0/1)P(0/0)=1P(1/0)Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)3.6 3.6 信道容量与香农公式信道容量与香农公式u 信道容量信道容量 信道容量是指信道的极限传输能力，可用信道的最大信息传输速率来衡量。根据香农（Shannon）信息论可以证明，高斯白噪声背景下的连续信道的容量为：式中，B为信道带宽（Hz）；S为信号功率（W）；n0为噪声单边功率谱密度（W/Hz），N=n0B 为噪声功率（W）。著名的香农信道容量公式u 香农公式告诉我们以下结论：（1）在给定信道带宽B和接收信噪比S/N的情况下，只要传输信息的速率RbC，即使信道有噪声，在理论上总能找到一种方法，实现无差错传输。（2）提供了B和S/N之间的互换关系。例如，对于给定的C，用增大带宽B的方法，可以降低对S/N的要求。香农公式指出了通信系统所能达到的理论极限，却没有指出这种通信系统的实现方法。实践证明，系统要接近香农的理论极限，必须要借助编码和调制等技术。【例3-1】对于带宽为3kHz、信噪比为30dB的语音信道，求在该信道上进行无差错传输的最高信息速率，即信道容量。解：解：信噪比S/N通常用dB(分贝)表示：但在香农公式中，S/N是值，而不是分贝数。因此，由上式可知30dB对应的SNR值为1000，所以信道容量信道容量为：【例3-2】将例3-1中的信噪比改为20dB，同时保持信道容量仍为30kb/s，求此时所需带宽为多大？解：解：已知信噪比值为S/N=100，由香农公式可得所需的信道带宽为评注评注：与例3-1进行比较可知，带宽与信噪比可以互换，其理论依据就是香农公式。【例3-3】一条具有6.5MHz带宽的高斯信道，若信道中信号功率与噪声功率谱密度之比为45.5MHz，试求其信道容量。若不断增加带宽，观察信道容量的变化情况。解：解：已知S/n0=45.5MHz，根据香农公式可得若增大带宽为455MHz，则信道容量提高为若继续加大带宽为4550MHz，则信道容量的提高明显趋缓：若进一步加大带宽为9100MHz，则信道容量几乎不再提高评注评注：信道容量C随着B的适当增大而增大，但不能无限增大。当B时，C定值，即