通信原理信道优秀PPT.ppt

译码器译码器译码器译码器输输输输 入入入入发发转转换换器器 媒媒 质质收收转转换换器器 解解 调调 器器 调调 制制 器器（调（调（调（调 制）制）制）制）信信信信 道道道道广义（编码）信道广义（编码）信道广义（编码）信道广义（编码）信道编码器编码器编码器编码器输输输输 出出出出13.2 信道模型信道模型调制信道模型调制信道模型调制信道模型调制信道模型:对于单对于单对于单对于单“端对端对端对端对”信道信道信道信道e eo o(t t)=)=f f e ei i(t t)+)+n n(t t)式中式中式中式中 e ei i(t t)输入的已调信号；输入的已调信号；输入的已调信号；输入的已调信号；e eo o(t t)输出信号；输出信号；输出信号；输出信号；n n(t t)加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与e ei i(t t)相互独立。相互独立。相互独立。相互独立。f f e ei i(t t)与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。表示信道对于信号的影响。e ei i(t t)e eo o(t t)时变线性时变线性网络网络2通常，通常，通常，通常，f ei(t)f ei(t)可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：k(t)ei(t)k(t)ei(t)，此时，此时，此时，此时，eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中其中其中其中k(t)k(t)表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。，称为乘性干扰。k(t)k(t)一个困难的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个困难的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个困难的函数，反映信道的衰减、线性失真、一个困难的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟非线性失真、延迟非线性失真、延迟非线性失真、延迟 等。等。等。等。最简洁状况：最简洁状况：最简洁状况：最简洁状况：k(t)=k(t)=常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。当当当当k(t)=k(t)=常数，称为恒常数，称为恒常数，称为恒常数，称为恒(定定定定)参参参参(量量量量)信道信道信道信道例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆当当当当k(t)k(t)常数，称为随常数，称为随常数，称为随常数，称为随(机机机机)参参参参(量量量量)信道信道信道信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道3编码信道模型编码信道模型编码信道模型编码信道模型:二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，二进制信号、无记忆信道，其中，其中，其中，其中，P(0/0),P(1/1)P(0/0),P(1/1)正确转移概率正确转移概率正确转移概率正确转移概率 P(0/1),P(1/0)P(0/1),P(1/0)错误转移概率错误转移概率错误转移概率错误转移概率 转移概率转移概率转移概率转移概率 确定于编码信道的特性确定于编码信道的特性确定于编码信道的特性确定于编码信道的特性 P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0)=1-P(1/0)P(1/1)=1-P(0/1)P(1/1)=1-P(0/1)0 01 11 10 0P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/1)(1/1)P P(1/0)(1/0)4四进制四进制四进制四进制 01233210接收端发送端53.3 无线信道无线信道 无无线线信信道道主主要要由由无无线线电电波波和和光光波波作作为为传输载体。传输载体。在在光光波波中中，红红外外线线、激激光光是是常常用用的的信信号号载载体体，前前者者广广泛泛用用于于短短距距离离通通信信，如如电电视视、录录像像机机、空空调调器器等等家家用用电电器器运运用用的的遥遥控控装装置置；后后者者可可用用于于建建筑筑物物之之间间的的局局域域网网连连接接，因因为为它它具具有有高高带带宽宽和和定定向向性性好好的的优优势势，但但是是，由由于于受受天天气气、热热气气流流或或热热幅幅射射等影响，使得它的工作质量存在不稳定性。等影响，使得它的工作质量存在不稳定性。由由于于无无线线电电波波传传播播距距离离远远，能能够够穿穿过过建建筑筑物物，而而且且既既可可以以全全方方向向传传播播，也也可可以以定定向向传传播播，因因此此绝绝大大多多数数无无线线通通信信都都接接受受无无线线电电波波作作为为信信号号传传输输的的载载体体。为为了了合合理理、充充分分地地利利用用无无线线电电频频率率资资源源，依依据据频频率率凹凹凸凸的的不不同同(波波长长的的不不同同)，人人们们将将无无线线电电波波分分为为9 9个个大大波波段段。因因为为不不同同频频率率(波波长长)电电磁磁波波的的传传播播特特性性各各异异，所所以以其其应用场合也不尽相同。应用场合也不尽相同。6频率资源划分表 7 无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传播、地播、地-电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大气层及行星际空间电波传播等几种。气层及行星际空间电波传播等几种。(1)(1)地面波传播。地面波传播。地地面面波波传传播播又又称称地地表表波波传传播播或或地地波波传传播播，即即无无线线电电波波沿沿地地球球表表面面传传播播。地地面面波波在在传传播播过过程程中中，其其场场强强因因大大地地吸吸取取会会衰衰减减，频频率率愈愈高高则则衰衰减减愈愈大大；长长波波、中中波波由由于于频频率率低低，加加上上绕绕射射实实力力强强，因因此此利利用用这这种种传传播播可可以以实实现现远远距距离离通通信信。地地波波传传播播受受季季节节、昼昼夜夜变变更更影影响小，信号传输比较稳定。响小，信号传输比较稳定。频率：频率：频率：频率：2MHz 2MHz 以下以下以下以下通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 km km8 (2)(2)天波传播。天波传播。天天波波传传播播是是利利用用电电离离层层对对电电波波的的一一次次或或多多次次反反射射进进行行的的远远距距离离传传播播，是是短短波波的的主主要要传传播播方方式式。中中波波只只有有在在夜夜间间才才能能以以天天波波形形式式传传播播。天天波波传传播播存存在在着着严严峻峻的的信信号号衰衰落落现现象象。所所谓谓电电离离层层是是大大气气中中具具有有离离子子和和自自由电子的导电层。由电子的导电层。电离层高度：电离层高度：60 60 300 km 300 km 单跳最大距离：单跳最大距离：4000 km4000 km 频率：频率：2 2 30 MHz 30 MHz (3)(3)地地-电离层波导传播。电离层波导传播。这这是是指指电电波波在在从从地地球球表表面面至至低低电电离离层层下下缘缘之之间间的的球球壳壳形形空空间间(地地-电电离离层层波波导导)内内的的传传播播。长长波波、甚甚长长波波在在该该波波段段内内能能以以较较小小的的衰衰减减传传播播数数千千千千米米，且且受受电电离离层扰动影响小，传播稳定，故可用于远距离通信。层扰动影响小，传播稳定，故可用于远距离通信。9 (4)(4)视距传播。视距传播。由由放放射射天天线线辐辐射射的的电电波波像像光光线线一一样样按按直直线线传传播播，干干脆脆传传到到接接收收点点，这这种种传传播播方方式式称称为为直直射射波波传传播播。另另外外，还还有有由由放放射射天天线线放放射射、经经地地面面反反射射到到达达接接收收点点的的传传播播方方式式，称称为为大大地地反反射射波波传传播播。视视距距传传播播是是这这两两种种传传播播方方式式的的统统称称，在在接接收收点点所所接接收收的的电电波波一一般般是是直直射射波波与与大大地地反反射射波波的的合合成成。视视距距传传播播的的距距离离一一般般为为202050km50km，主要用于超短波及微波通信。，主要用于超短波及微波通信。频率：频率：频率：频率：30 MHz 30 MHz10(5)(5)散射传播。散射传播。这这是是利利用用对对流流层层或或电电离离层层介介质质中中的的不不匀匀整整体体或或流流星星余余迹迹对对无无线线电电波波的的散散射射作作用用而而进进行行的的传传播播。利利用用散散射射传传播播实实现现通通信信的的方方式式目目前前主主要要是是对对流流层层散散射射通通信信，其常用频段为其常用频段为0.20.25MHz5MHz，单跳距离可达，单跳距离可达100100500km500km。电电离离层层散散射射通通信信只只能能工工作作在在较较低低频频段段303060MHz60MHz，单单跳跳距距离离可可达达100010002000km2000km，但但因因传传输输频频带带窄窄，其其应用受到限制。应用受到限制。流流星星余余迹迹持持续续时时间间短短，但但出出现现频频繁繁，可可用用于于建建立立瞬瞬间间通通信信，常常用用通通信信频频段段为为303070MHz70MHz，单单跳跳通通信信可可达达2000km2000km。实实际际的的流流星星余余迹迹通通信信除除了了利利用用散散射射传传播播外外，还可利用反射进行传播。还可利用反射进行传播。11(6)(6)外大气层及行星际空间电波传播。外大气层及行星际空间电波传播。这这是是以以宇宇宙宙飞飞船船，人人造造地地球球卫卫星星或或星星体体为为对对象象，在在地地-空空，空空-空空之之间间进进行行的的电电波波传传播播。卫卫星星通通信信利利用用的的就就是是这这种种传传播播方方式式。其其中中，自自由由空空间间传传输输损损耗耗达达200dB200dB左左右右；此此外外还还受受对对流流层层、电电离离层层、地地球球磁磁场场、宇宇宙宙空空间间各各种种辐辐射射和和粒粒子子的的影影响响等等等等；大大气气吸吸取取及及降降雨雨衰衰减减对对10GHz10GHz以以上上的的频频段段影影响响严严峻峻。上上述述传传播播方方式式示示意图如图所示。意图如图所示。1213无线电中继无线电中继图1.4.4 无线电中继14静止卫星中继通信静止卫星中继通信15平流层中继通信平流层中继通信uuHAPS(High Altitude Platform Station)16蜂窝网蜂窝网移动交换中心电话交换中心17 3.4 有线信道 1)双绞线(TwistedPair)双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按确定规则绞合而成。接受这种绞合结构是为了削减对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰实力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。依依据据双双绞绞线线是是否否外外加加屏屏蔽蔽层层，它它又又可可分分为为屏屏蔽蔽双双绞绞线线(STP(STP，ShieldTwistedPair)ShieldTwistedPair)和和非非屏屏蔽蔽双双绞绞线线(UTP(UTP，UnShieldTwistedPair)UnShieldTwistedPair)两两类类。双双绞绞线线既既可可用用于于模模拟拟信信号号传传输输，也也可可用用于于数数字字信信号号传传输输，其其通通信信距距离离一一般般为为几几到到十十几几千千米米。导导线线越越粗粗，通通信信距距离离越越远远，但但导导线线价价格格也也越越高高。由由于于双双绞绞线线的的性性能能价价格格比比相相对对其其它它传传输输介介质质要要好，因此运用特别广泛。好，因此运用特别广泛。18 随着局域网上数据传输速率的不断提高，美国电子随着局域网上数据传输速率的不断提高，美国电子工业协会的远程通信工业分会工业协会的远程通信工业分会(EIA/TIA)(EIA/TIA)在在19951995年颁布年颁布了新的了新的“商用建筑物电信布线标准商用建筑物电信布线标准”EIA/TIA-586AEIA/TIA-586A。此标准规定了此标准规定了5 5种种UTPUTP的标准：的标准：第一类双绞线就是住宅常用的缠绕第一类双绞线就是住宅常用的缠绕式电话线，只适合于语音传输，式电话线，只适合于语音传输，不适合高速数据传输。不适合高速数据传输。其次类传输速率为其次类传输速率为4Mb/s4Mb/s，可用于，可用于传输语音和数据。传输语音和数据。第三类是局域网第三类是局域网LANLAN接受的最低档接受的最低档双绞线，传输速率可达双绞线，传输速率可达10Mb/s10Mb/s。第四类主要用于令牌环网，传输速第四类主要用于令牌环网，传输速率为率为16Mb/s16Mb/s。第五类可供应第五类可供应100Mb/s100Mb/s的传输速率，的传输速率，而超五类双绞线可保证而超五类双绞线可保证155Mb/s155Mb/s的传输速率。第五类双绞线可用的传输速率。第五类双绞线可用于光纤分布数据接口于光纤分布数据接口FDDIFDDI、快、快速以太网和速以太网和ATMATM。19 2)2)同轴电缆同轴电缆(CoaxialCable)(CoaxialCable)同同轴轴电电缆缆由由内内导导线线铜铜质质芯芯线线(单单股股实实心心线线或或多多股股绞绞合合线线)、绝绝缘缘层层、网网状状编编织织的的外外导导体体屏屏蔽蔽层层以以及及爱爱护护塑塑料料外外层层所所组组成成。同同轴轴电电缆缆的的这这种种结结构构使使其其具具有有高高带带宽宽和和较较好好的的抗抗干干扰扰特特性性，并并且且可可在在共共享享通通信信线线路路上上支支持持更更多多的的点点。按按特特性性阻阻抗抗数数值值的的不不同同，同同轴轴电电缆缆又又分分为为两两种种，一一种种是是5050的的基基带带同同轴轴电电缆缆，另另一一种种是是7575的的宽宽带同轴电缆。带同轴电缆。20 (1)(1)基带同轴电缆。基带同轴电缆。一一条条基基带带同同轴轴电电缆缆只只支支持持一一个个信信道道，传传输输带带宽宽为为1 120Mb/s20Mb/s。它它能能够够以以10Mb/s10Mb/s的的速速率率把把基基带带数数字字信信号号传传输输1 11.2km1.2km。所所谓谓基基带带数数字字信信号号传传输输是是指指按按数数字字信信号号位位流流形形式式进进行行的的传传输输，无无需需任任何何调调制制。它它是是局局域域网网中广泛运用的一种信号传输技术。中广泛运用的一种信号传输技术。(2)(2)宽带同轴电缆。宽带同轴电缆。宽宽带带同同轴轴电电缆缆支支持持的的带带宽宽为为300300450MHz450MHz，可可用用于于宽宽带带数数据据信信号号的的传传输输，传传输输距距离离可可达达100km100km。所所谓谓宽宽带带数数据据信信号号传传输输是是指指可可利利用用多多路路复复用用技技术术在在宽宽带带介介质质上上进进行行多多路路数数据据信信号号的的传传输输。它它既既能能传传输输数数字字信信号号，也也能能传传输输诸诸如如话话音音、视视频频等等模模拟拟信信号号，是是综综合合服服务务宽宽带网的一种志向介质。带网的一种志向介质。21 3)3)光纤光纤(OpticalFiber)(OpticalFiber)光光导导纤纤维维(简简称称光光纤纤)是是光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输介介质质。由由于于可可见见光光的的频频率率特特别别高高，约约为为108MHz108MHz的的量量级级，因因此此，一一个个光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输带带宽宽远远远远大大于于其其它它各各种种传传输输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。22结构结构结构结构n1n2折射率折射率n1n22a23 光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，由由芯芯、封封套套和和外外套套三三部部分分组组成成。芯芯是是光光纤纤最最中中心心的的部部分分，它它由由一一条条或或多多条条特特别别细细的的玻玻璃璃或或塑塑料料纤纤维维线线构构成成，每每根根纤纤维维线线都都有有它它自自己己的的封封套套。由由于于这这一一玻玻璃璃或或塑塑料料封封套套涂涂层层的的折折射射率率比比芯芯线线低低，因因此此可可使使光光波波保保持持在在芯芯线线内内。环环绕绕一一束束或或多多束束有有封封套套纤纤维维的的外外套套由由若若干干塑塑料料或或其其它它材材料料层层构构成成，以以防防止止外外部部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等损害。的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等损害。光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7损耗损耗损耗损耗24 依依据据光光纤纤传传输输数数据据模模式式的的不不同同，它它可可分分为为多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤两两种种。多多模模光光纤纤意意指指光光在在光光纤纤中中可可能能有有多多条条不不同同角角度度入入射射的的光光线线在在一一条条光光纤纤中中同同时时传传播播,。这这种种光光纤纤所所含含纤纤芯芯的的直直径径较较粗粗。单单模模光光纤纤意意指指光光在在光光纤纤中中的的传传播播没没有有反反射射，而而沿沿直直线线传传播播。这这种种光光纤纤的的直直径径特别细，就像一根波导那样，可使光线始终向前传播。特别细，就像一根波导那样，可使光线始终向前传播。25单模光纤与多模光纤的比较 26 在在有有线线介介质质中中还还有有一一种种叫叫架架空空明明线线，即即在在电电线线杆杆上上架架设设的的相相互互平平行行而而绝绝缘缘的的裸裸线线，它它是是一一种种在在2020世世纪纪初初就就已经大量运用的通信介质。已经大量运用的通信介质。架架空空明明线线安安装装简简洁洁，传传输输损损耗耗比比电电缆缆低低，但但通通信信质质量量差差，受受气气候候环环境境等等影影响响较较大大并并且且对对外外界界噪噪声声干干扰扰比比较较敏敏感感，因因此此，在在发发达达国国家家中中早早已已被被淘淘汰汰，在在很很多多发发展展中中国国家家中中也也已已基基本本停停止止了了架架设设，但但目目前前在在我我国国一一些些农农村村和和边边远远地地区区或或受受条条件件限限制制的的地地方方仍有不少架空明线在工作着。仍有不少架空明线在工作着。27有线电信道电气特性有线电信道电气特性28实际的恒参信道：实际的恒参信道：任何实际信道都不行能是这种志向形式，总会任何实际信道都不行能是这种志向形式，总会出现确定的幅度畸变和相位畸变，这种现象称为信道出现确定的幅度畸变和相位畸变，这种现象称为信道的色散。克服色散的手段，接受幅度和相位均衡器。的色散。克服色散的手段，接受幅度和相位均衡器。对模拟信号来说对模拟信号来说,人的听觉对相位的反应不灵敏人的听觉对相位的反应不灵敏,所以相位失真对传输模拟信号没有太大的影响所以相位失真对传输模拟信号没有太大的影响,而幅而幅度失真的影响却比较大。度失真的影响却比较大。但对于传输数字信号来说，正与此相反，幅度失但对于传输数字信号来说，正与此相反，幅度失真的影响不大，相位失真对数字传输的危害比较大，真的影响不大，相位失真对数字传输的危害比较大，不但波形失真，还会带来码间干扰。不但波形失真，还会带来码间干扰。3.5 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响l l恒参信道恒参信道恒参信道恒参信道:非时变线性网络非时变线性网络非时变线性网络非时变线性网络29f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性振幅振幅振幅振幅 频率特性频率特性频率特性频率特性30相位相位相位相位 频率特性频率特性频率特性频率特性:志向特性志向特性志向特性志向特性:相位相位相位相位 ()=k)=k ;群拖延群拖延群拖延群拖延 ()=d)=d ()/d)/d =k=k畸变的影响畸变的影响畸变的影响畸变的影响:波形失真（相位失真）、波形失真（相位失真）、波形失真（相位失真）、波形失真（相位失真）、码间串扰。码间串扰。码间串扰。码间串扰。线性失真线性失真线性失真线性失真:频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：频率失真和相位失真：属于线性失真属于线性失真属于线性失真属于线性失真 可用可用可用可用“线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络”订正，订正，订正，订正，“均衡均衡均衡均衡”非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真 难以消退难以消退难以消退难以消退()0理想特性理想特性()031l l变参信道变参信道变参信道变参信道:l l变参信道的共性变参信道的共性变参信道的共性变参信道的共性 衰落衰落衰落衰落:衰减随机变更衰减随机变更衰减随机变更衰减随机变更l l 传输时延传输时延传输时延传输时延:随机变更随机变更随机变更随机变更l l 多径效应多径效应多径效应多径效应:快衰落快衰落快衰落快衰落-使信号的使信号的使信号的使信号的振幅随机变更成瑞利分布。振幅随机变更成瑞利分布。振幅随机变更成瑞利分布。振幅随机变更成瑞利分布。l l接收信号的特性接收信号的特性接收信号的特性接收信号的特性:l l 设发送信号为设发送信号为设发送信号为设发送信号为A cos A cos 0t0t，则经过，则经过，则经过，则经过n n条路径传条路径传条路径传条路径传播后的接收信号播后的接收信号播后的接收信号播后的接收信号R(t)R(t)可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：l l l l式中式中式中式中 ri(t)ri(t)第第第第 i i 条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；l l i(t)i(t)第第第第 i i 条路径的传输时延条路径的传输时延条路径的传输时延条路径的传输时延l l i(t)=-i(t)=-0 0 i(t)i(t)l lX c(t)X c(t)X s(t)X s(t)32式中式中式中式中 V(t)V(t)合成波合成波合成波合成波R(t)R(t)的包络的包络的包络的包络;多径衰落多径衰落多径衰落多径衰落 (t)(t)合成波合成波合成波合成波R(t)R(t)的相位。的相位。的相位。的相位。即有即有即有即有由于，相对于由于，相对于由于，相对于由于，相对于 而言，而言，而言，而言，ri(t)ri(t)和和和和 i(t)i(t)变更缓慢，故变更缓慢，故变更缓慢，故变更缓慢，故Xc(t),Xs(t)Xc(t),Xs(t)及及及及V(t),V(t),(t)(t)也是缓慢变更的。也是缓慢变更的。也是缓慢变更的。也是缓慢变更的。所以，所以，所以，所以，R(t)R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。可以视为一个窄带信号（随机过程）。33由下式可见，由下式可见，由下式可见，由下式可见，原发送信号原发送信号原发送信号原发送信号A cos A cos 0 0t t，经过传输后：，经过传输后：，经过传输后：，经过传输后：*恒定振幅恒定振幅恒定振幅恒定振幅A A，变成慢变振幅，变成慢变振幅，变成慢变振幅，变成慢变振幅V(t);V(t);*恒定相位恒定相位恒定相位恒定相位0 0，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位 (t)(t)；*因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。tff034频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落频率选择性衰落 设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；放射信号为放射信号为放射信号为放射信号为f(t)f(t)，接收信号为，接收信号为，接收信号为，接收信号为af(t-af(t-0)0)和和和和af(t-af(t-0 0-)；放射信号的频谱为放射信号的频谱为放射信号的频谱为放射信号的频谱为F(F()。则有则有则有则有 f(t)f(t)F(F()af(t-af(t-0)0)a F(a F()e-j)e-j0 0 af(t-af(t-0-0-)a F(a F()e-j)e-j (0+0+)af(t-af(t-0)+af(t-0)+af(t-0-0-)a F(a F()e-j)e-j0(1+e-j0(1+e-j)H(H()=a F()=a F()e-j)e-j0(1+e-j0(1+e-j)/F()/F()=ae-j)=ae-j0(1+e-j0(1+e-j)|1+e-j|1+e-j|=|1+cos|=|1+cos-jsinjsin|=|(1+cos|=|(1+cos)2+sin2)2+sin21/2|1/2|=2|cos(=2|cos(/2)|/2)|353.6 分集接收分集接收 分集接收技术是一种有效的抗衰分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。中得到广泛应用。一、分集接收的基本思想：一、分集接收的基本思想：快衰落信道中接收的信号是到达快衰落信道中接收的信号是到达接收机的各径重量的合成，分集就是分接收机的各径重量的合成，分集就是分散得到几个合成信号并集中这些信号的散得到几个合成信号并集中这些信号的意思。只要被分集的几个信号之间是统意思。只要被分集的几个信号之间是统计独立的，那么经适当的合并后就能使计独立的，那么经适当的合并后就能使系统性能大为改善。系统性能大为改善。36二、分集方式二、分集方式1).空间分集：在接收端架设几副天线，各天线的位空间分集：在接收端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距，以保证各天线上获得的信置间要求有足够的间距，以保证各天线上获得的信号基本相互独立。号基本相互独立。2).频率分集：用多个不同载频传送同一个消息，若频率分集：用多个不同载频传送同一个消息，若各载频的频差相隔较远，则各载频信号互不相干。各载频的频差相隔较远，则各载频信号互不相干。3).角度分集：这是利用天线波束指向不同使信号不角度分集：这是利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。相关的原理构成的一种分集方法。4).极化分集：这是分别接收水平极化和垂直极化波极化分集：这是分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法。而构成的一种分集方法。37三、几种合并方式三、几种合并方式1).最佳选择式：从几个分散的信号中选择信噪比最好最佳选择式：从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。的一个作为接收信号。2).等增益相加式：把几个分散信号以相同的支路增益等增益相加式：把几个分散信号以相同的支路增益干脆相加的结果作为接收信号。干脆相加的结果作为接收信号。3).最大比值合并：限制各支路增益，使它们分别与本最大比值合并：限制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。38 分析结果表明：最大比值合并方式性能分析结果表明：最大比值合并方式性能最好，等增益合并次之，最佳选择方式最差。最好，等增益合并次之，最佳选择方式最差。393.7 信道中的加性噪声信道中的加性噪声干扰干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。：对有用信号有害的各种波形的总称。噪声噪声：可用随机过程描述的干扰。：可用随机过程描述的干扰。一、加性噪声的来源及分类 1.人为噪声人为噪声：来源于人类活动造成的其他信号源。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。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声等。3.内部噪声内部噪声：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(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。40二、噪声的种类 1.确知噪声：如电源哼声、自激振荡等；2.随机噪声：不能精确预料其波形；可以分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。这里重点介绍起伏噪声。三、起伏噪声1.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噪声 2）特点：听从高斯分布，且具有匀整的功率谱密度。频带极宽01013Hz,视为带内平坦高斯白色噪声。均值为0，沟通起伏有确定功率损耗，且与R和T有关。41 3）功率谱密度：电压功率谱：SV()=2KTR(J/Hz),即Vn2(t)表示。电流功率谱：SI()=2KTG(J/Hz),即In2(t)表示。4）表示方法：电阻导体上总存在热噪声，可用电压源或电流源表示。给定带宽可计算输出功率：用电压源：。用电流源：。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）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射的不匀整性引起 2）特点：听从高斯分布，频带极宽）特点：听从高斯分布，频带极宽01010Hz范围范围内视为匀整谱内视为匀整谱高斯白噪声。高斯白噪声。3）功率谱密度：）功率谱密度：SI()=EI(t)q=I0q423、宇宙噪声、宇宙噪声 1）产生缘由：天体电磁波的辐射对接收机形成的）产生缘由：天体电磁波的辐射对接收机形成的噪声。噪声。2）特点：）特点：20 300MHz内，强度与频率的三次方成内，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。反比，听从高斯分布；具有平坦的功率谱密度。Sn()=n0/2R()=n0/2()留意留意1：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各：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处的噪声的集中表示。通常把加性噪声的主要代表起伏噪声理解成热噪声、散弹噪声、宇宙噪声的集中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。表示。均为高斯白噪声。留意2：为了削减干扰，常用滤波器滤除部分噪声，进入通信的白噪声，就为带限白噪声；白噪声通过窄带系统，就为窄带高斯白噪声。434、噪声带宽：噪声等效带宽：44C=maxR。分为离散信道容量和连续信道容量3.8 信道容量的概念信道容量的概念 信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率C。一、离散信道的容量：1、无噪声信道：收到的数码与发送的数码一一对应，收到的平均信息量与信源的信息量相同，在信道中无损失。信道的传输信息速率等于信源发出的信息速率。2、有噪声信道：收端不是与信源一一对应，发送符号以确定的转移概率与收端符号对应。451）发xi收到yj时获得信息量2）发xi收到yj时平均信息量/符号已知：单位时间内传送的符号数为r，求信息速率R信源：Ht(x)=rH(x)错误：Ht(x/y)=rH(x/y)R=Ht(x)-Ht(x/y)=rH(x)-H(x/y)探讨：无噪声时R=rH(x)；噪声很大时R=0-发送的每个符号的平均信息量-发送的符号在有噪信道中传输平均丢失的信息量46【例】设二进制信源符号为【例】设二进制信源符号为0 0，1 1，由两个符号组合构，由两个符号组合构成全部的消息，若消息速率每秒传送成全部的消息，若消息速率每秒传送10001000个符号，且个符号，且两个符号出现概率相等，传输中引起的差错概率为两个符号出现概率相等，传输中引起的差错概率为100100符号错符号错1 1个，问该信道的信息传输速率为多少？个，问该信道的信息传输速率为多少？解：解：3）信道容量C：C=maxR=maxHt(x)-Ht(x/y)Max-对全部可能的输入概率分布来说的最大值对全部可能的输入概率分布来说的最大值47 设设信信道道(调调制制信信道道)的的输输入入端端加加入入单单边边功功率率谱谱密密度度为为n0(W/Hz)的的加加性性高高斯斯白白噪噪声声，信信道道的的带带宽宽为为B(Hz)，信信号号功功率率为为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率C为为 令令N=n0B 二、连续信道的信道容量B-信道带宽(Hz)S-信号功率(W)n0-噪声单边功率谱密度(W/Hz)48【例例】若一帧电视图像的信息量为若一帧电视图像的信息量为99600bit99600bit，电视，电视的帧频为的帧频为30Hz30Hz，为使接收端能收到良好的图像，为使接收端能收到良好的图像，要求信道的信噪比要求信道的信噪比S/N=1000(10lgS/N=30dB),S/N=1000(10lgS/N=30dB),求信求信道的带宽道的带宽B B。解解 :若信息的传输速率为若信息的传输速率为V=9960030=29.910V=9960030=29.9106 6b/sb/s，则信道的容量，则信道的容量C C至少应至少应等于等于V V，有，有 C=9960030=29.910C=9960030=29.9106 6b/sb/s 由香农公式可得由香农公式可得即信道带宽约为3MHz。49从香农公式中我们可得出以下结论：从香农公式中我们可得出以下结论：(1)(1)一一个个给给定定信信道道的的信信道道容容量量受受B B、S S、n0“n0“三三要要素素”的的约约束束。信信道道容容量量随随“三三要要素素”的的确确定定而而确确定。定。(2)(2)提提高高信信噪噪比比(信信号号功功率率与与噪噪声声功功率率之之比比)可可提高信道容量。提高信道容量。(3)(3)一一个个给给定定信信道道的的信信道道容容量量既既可可以以通通过过增增加加信信道道带带宽宽削削减减信信号号放放射射功功率率也也可可通通过过削削减减信信道道带带宽宽增增加加信信号号放放射射功功率率来来保保证证。也也就就是是说说，信信道道容容量量可可通通过过带带宽宽与与信信噪噪比比的的互互换换而而保保持持不不变变。比比如如，若若 S/N=7S/N=7，B=4kHzB=4kHz，由由 香香 农农 公公 式式 可可 算算 出出C=12103b/sC=12103b/s；同同 样样 的的 C C，还还 可可 由由 S/N=15S/N=15，B=3kHzB=3kHz来保证。来保证。50uu (4)(4)虽虽然然C C与与B B成成正正比比关关系系，但但BB时时，C C却不能随之趋于无穷大。却不能随之趋于无穷大。证明如下：证明如下：由高等数学学问可知:上式表明，若S/n0保持不变，当B时，因为噪声功率(N=n0B)也随之趋于无穷大，所以信道容量保持有限值。51 三、信道带宽与信道容量的关系三、信道带宽与信道容量的关系 我我们们已已经经知知道道，信信道道容容量量就就是是信信道道允允许许的的最最大大比比特特率率。在在信信噪噪比比确确定定的的前前提提下下，信信道道容容量量主主要要由由信信道道通通频频带带的的宽宽度度确确定定。下下面面我我们们从从傅傅里里叶叶分分析析、奈奈奎奎斯斯特特定定理理和和香香农农定定理理三三个个方方面面对对信信道道容容量量与与信信道带宽之间的关系进行比较深化的分析与探讨。道带宽之间的关系进行比较深化的分析与探讨。在在以以下下分分析析中中，我我们们要要用用到到一一个个术术语语“话话音音级级信信道道”。所所谓谓话话音音级级信信道道，来来源源于于传传统统的的模模拟拟电电话话系系统统，因因为为人人类类对对频频率率在在3003400Hz3003400Hz频频率率范范围围内内的的话话音音比比较较敏敏感感，并并且且该该频频段段的的语语音音信信号号基基本本能能表表现现出出说说话话人人的的语语音音特特色色。也也就就是是说说，可可以以辨辨别别出出不不同同的的说说话话人人，所所以以电电话话系系统统中中人人为为地地将将每每路路电电话话的的带带宽宽限限制制在在3000Hz3000Hz左左右右，这这样样具具有有3000Hz3000Hz通通频频带带的信道就称为话音级信道。的信道就称为话音级信道。52uu 1.1.傅里叶分析傅里叶分析uu 信信道道中中传传播播的的电电压压或或电电流流信信号号都都可可以以用用傅傅里里叶叶级级数数将将其其展展为为无无穷穷个个谐谐波波的的代代数数和和。而而信信道道是是有有确确定定带带宽宽的的，带带宽宽确确定定信信道道所所能能传传送送信信号号的的有有效效频频率率范范围围,因因此此上上述述谐谐波波信信号号只只能能有