郑州大学通信原理牛虹第4章概要优秀PPT.ppt

第第 4 章章 信信 道道1l信道：信道：n无线信道 电磁波n有线信道 电线、光纤l信道中的干扰：信道中的干扰：n有源干扰 噪声n无源干扰 传输特性不良l本章重点：本章重点：信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。2l4.1 无线信道无线信道n无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制n地球大气层的结构u对流层：地面上 0 10 kmu平流层：约10 60 kmu电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km3传播路径地 面图4-1 地波传播n电磁波的传播：n地波传播n频率 30 MHzp距离:和天线高度有关(4.1-3)式中，D 收发天线间距离(km)。例 若要求D=50 km，则由式(4.1-3)ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播m电磁波的传播：电磁波的传播：7p增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：图4-4 无线电中继8 无线电视距中继无线电视距中继沿视线传输工作频率工作频率：超短波和微波，中继距离中继距离：3050 km。终端站终端站终端站终端站中继站中继站中继站中继站中继站中继站电波传播路径电波传播路径 特点：传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护便利，被广泛用来传输多路电话及电视等。9 卫星中继卫星中继构成构成 同步通信卫星（中继站，转发器）地球站（终端站）上下行线路 卫星中继信道示意图 轨道：赤道平面高度：35860Km时间：24h，静止覆盖范围覆盖范围：18000Km10 工作频段：工作频段：L频段频段(1.5/1.6GHz)C频段频段(4/6GHz)Ku频段频段(12/14GHz)Ka频段频段(20/30GHz)特特点点：通通信信容容量量大大、传传输输质质量量稳稳定定、传传输输距距离离远远、覆覆盖盖区区域域广广等等。但但信信号号衰衰减减大大（对对放放射射功功率率要要求求高高），电电波波来来回回所所须须要的时间较长（对于静止卫星约需要的时间较长（对于静止卫星约需0.26s左右），造价高。左右），造价高。11平流层通信平流层通信：用位于平流层高空平台的转发站代替卫星 作为基站。高空平台：17-22km，充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机 可覆盖500km通信区域；费用低，延迟小，建设快，容量大。12图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域u散射传播散射传播u电离层散射电离层散射u机理机理 由电离层不匀整性引起由电离层不匀整性引起u频率频率 30 60 MHzu距离距离 1000 km以上以上u对流层散射对流层散射u机理机理 由对流层不匀整性（湍流）引起由对流层不匀整性（湍流）引起u频率频率 100 4000 MHzu最大距离最大距离 600 km13p流星余迹散射 流星余迹特点 高度80 120 km，长度15 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟频率 30 100 MHz距离 1000 km以上特点 低速存储、高速突发、断续传输流星余迹14l4.2 有线信道有线信道n明线n电缆n光纤15明线明线 架架空空明明线线，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，用用于于20世世纪纪初初。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。基基本本已已被被淘淘汰汰，但但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仍有架空明线有架空明线162.2.对称电缆对称电缆3.3.传输损耗大，传输特性稳定，价格便宜、传输损耗大，传输特性稳定，价格便宜、安装简洁。安装简洁。17l 双绞线双绞线(TwistedPair)l 也也称称双双扭扭线线，由由一一对对或或多多对对相相互互绝绝缘缘的的铜铜导导线线按按确确定定规规则则绞绞合合而而成成（削削减减对对邻邻近近线线对对的的电电磁磁干干扰扰）。双双绞绞线线的的外外层层可可以以再再加加上上一一个个用用金金属属丝丝编编织织而而成成的的屏屏蔽层。蔽层。l 屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP，ShieldTwistedPair)l 非非屏屏蔽蔽双双绞绞线线(UTP，UnShieldTwistedPair)l 传输模拟和数字信号；传输模拟和数字信号；l 通通信信距距离离：几几到到十十几几千千米米；导导线线越越粗粗，距距离离越越远远，价格越高；价格越高；l 性能价格比高。性能价格比高。183.同轴电缆同轴电缆(CoaxialCable)结构：内导体（铜质单股实心线或多股绞合线)、外导体（网状编织屏蔽层）介质层 爱护塑料外层特点：对外界干扰具有较好的屏蔽，抗电磁干扰性能较好。大量用于有线电视网络。194.4.光纤光纤 芯芯:特别细的玻璃或塑料纤维线，特别细的玻璃或塑料纤维线，介质包层介质包层:折射率低，可使光波保持在芯线折射率低，可使光波保持在芯线内内 外套外套:塑料或其它材料防止外部的潮湿气体塑料或其它材料防止外部的潮湿气体侵入，侵入，防止磨损或挤压防止磨损或挤压202a2bn1n1n2n2匀整：非匀整：单模：光的传播没有反射，而沿直线传播多模：可以有多条不同角度入射 的光线在一条光纤中同时传播21基本要求：低损耗，低色散22u损耗与波长关系p损耗最小点：1.31与1.55 m0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系23l4.3 信道的数学模型信道的数学模型n广义信道：传输媒质+系统中的一些转换装置系统中的一些转换装置 u调制信道u编码信道编码信道调制信道24n 调制信道模型式中 信道输入端信号电压；信道输出端的信号电压；噪声电压。通常假设：这时上式变为：信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4-13 调制信道数学模型25k(t)与e i(t)相乘，故称其为乘性干扰；而n(t)称为加性干扰。因k(t)随t变，故信道称为时变信道。若k(t)作随机快变更，称信道为随参信道；若k(t)变更很慢或很小，则称为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰；加性干扰特点：独立于信号，叠加在信号之上。26n4.3.2 编码信道模型编码信道模型 编码信道调制信道27二进制编码信道简洁模型 无记忆信道模型P(0/0)和P(1/1)正确转移概率P(1/0)和P(0/1)错误转移概率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)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端28u四进制编码信道模型 01233210接收端发送端29l4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响n恒参信道的影响u恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道编码信道调制信道30影响：确定的，变更缓慢信号信号恒参信道非时变线性网络信号信号等效等效31传输特性幅频特性相频特性群拖延-频率特性信号信号非时变线性网络信号信号32 志向线性网络：幅频特性、相频特性 群拖延-频率特性 33l典型电话信道幅频特性幅频失真 (a)插入损耗频率特性3003000 Hz平坦；300 Hz以下和 3000Hz以上衰耗增加很快。34影响：波形幅度失真，码间串扰缘由：信道中的电抗元件（滤波器，混合线圈，串联电容，分路电感等）措施：设计信道传输特性，限制幅频畸变；加线性补偿网络均衡35 典型电话信道相频特性和群拖延频率特性 相频失真 36两种都属于线性失真两种都属于线性失真影响：模拟语音不显著，数字码间串扰缘由：信道中的电抗元件（滤波器，混合线圈，串联电容，分路电感等）措施：通过设计改善滤波特性，加线性补偿网络均衡影响信号传输的其他因素：非线性畸变（元器件振幅特性）频率偏移（收发载频）相位抖动（载频不稳）37n变参信道的影响n变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。n变参信道举例：天波、地波、散射传播n变参信道的特性：n衰减随时间变更n时延随时间变更n多径效应：n 信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。38设放射信号为 接收信号为(4.4-1)式中 由第i条路径到达的接收信号振幅；由第i条路径达到的信号的时延；都是随机变更的。39 改写成：(4.4-2)式中 接收信号的包络 接收信号的相位 缓慢随机变更振幅缓慢随机变更振幅40所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变更的窄带信号：结论：放射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。41 衰落：信号包络因传播出现起伏的现象 快衰落（多径引起）：衰落周期和码元周期可以相比。慢衰落 由传播条件引起的。42u多径效应简化分析：u 设放射信号为：f(t)u 仅有两条路径，路径衰减相同，时延不同u 两条路径的接收信号为：A f(t-0)和 A f(t-0-)u其中：A 传播衰减，u0 第一条路径的时延，u 两条路径的时延差。u 求：此多径信道的传输函数u 设u 43则有 故得出此多径信道的传输函数为 A 常数衰减因子，确定的传输时延，和信号频率有关的复因子，其模为44多径信道的传输衰减与信号频率刚好延差有关。曲线的最大和最小值位置确定于两条路径的相对时延差。而 是随时间变更的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。图4-18 多径效应45图4-18 多径效应 信号带宽大于1/时，信号频谱中不同频率重量的 幅度之间会出现猛烈的差异 实际状况：有多条路径。设m 多径中最大的相对时延差 定义：相关带宽1/m定义：相关带宽1/46多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。47n接收信号的分类n确知信号：接收端能够精确知道其码元波形的信号；n随信任号：由于传输时延的随机性，接收码元的相位n 随机变更；n起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变更。通过多径信道传输的信号都具有这种特性 48l4.5 信道中的噪声信道中的噪声l噪声噪声l信道中存在的不须要的电信号。信道中存在的不须要的电信号。l又称加性干扰。又称加性干扰。l按噪声来源分类按噪声来源分类l人为噪声人为噪声 例：开关火花、电台辐射例：开关火花、电台辐射l自然噪声自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声声、热噪声49n热噪声n来源：电阻性元器件中自由电子的热运动。n频率范围：匀整分布在大约 0 1012 Hz。n热噪声电压有效值：n 式中nk=1.38 10-23（J/K）波兹曼常数；n T 热力学温度（K）；n R 阻值（）；n B 带宽（Hz）。n性质：高斯白噪声50n按噪声性质分类n脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。例如电火花。n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正弦波。n起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。n探讨噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特殊是热噪声的影响。51前置BF解调器高斯白噪声带通型窄带高斯噪声窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声52式中 Pn(f)双边噪声功率谱密度图4-19 噪声功率谱特性 Pn(f)53u噪声等效带宽：式中 Pn(f0)原噪声功率谱密度曲线的最大值噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波器的噪声功率。图4-19 噪声功率谱特性 Pn(f)54 利用噪声等效带宽的概念，在后面探讨通信系统的性能时，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。55l4.6 信道容量信道容量信道容量 指信道能够传输的最大平均信息速率。n 4.6.1 离散信道容量离散信道容量u两种不同的度量单位：pC 每个符号能够传输的平均信息量最大值pCt 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值p两者之间可以互换56u计算离散信道的信道容量p发送符号：x1，x2，x3，xnp接收符号：y1，y2，y3，ympP(xi)=发送符号xi 的出现概率，i 1，2，n；pP(yj)=收到yj的概率，j 1，2，m pP(yj/xi)=转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。ym图4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)57p发送xi时收到yj所获得的信息量p=发送xi前接收端对xi的不确定程度（即xi的信息量）p 收到yj后接收端对xi的不确定程度p发送xi时收到yj所获得的信息量=-log2P(xi)-log2P(xi/yj)p对全部的xi和yj取统计平均值，p 收到一个符号时获得的平均信息量：p平均信息量/符号 58平均信息量/符号 式中为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源的熵熵。为接收yj符号已知后，发送符号xi的平均信息量。收到一个符号的平均信息量只有H(x)H(x/y)，而发送符号的信息量原为H(x)，少了的部分H(x/y)就是传输错误率引起的损失。59u二进制时p设发送“1”的概率P(1)=，则发送“0”的概率P(0)1-信源的熵H()可以写成：p由此图可见，当 1/2时，此信源的熵达到最大值。这时两个符号的出现概率相等，其不确定性最大。图4-21 二进制信源的熵H()60u无噪声信道p发送符号和接收符号一一对应。p此时P(xi/yj)=0；p平均信息量/符号 H(x)H(x/y)p所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H(x)。而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为H(x)H(x/y)。说明H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量。x1x2x3y3y2y1接收端发送端。yn图4-22 无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn61u容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值 (比特/符号)p当信道中的噪声极大时，H(x/y)=H(x)。这时C=0，即信道容量为零。u容量Ct的定义：(b/s)式中 r 单位时间内信道传输的符号数620011P(0/0)=127/128P(1/1)=127/128P(1/0)=1/128P(0/1)=1/128发送端图4-23 对称信道模型接收端u【例4.6.1】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于1/2。信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128。试画出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。【解】此信道模型画出如下：63此信源的平均信息量（熵）等于：（比特/符号）而条件信息量可以写为现在P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，并且考虑到P(y1)+P(y2)=1，所以上式可以改写为64平均信息量/符号H(x)H(x/y)=1 0.045=0.955 （比特/符号）因传输错误每个符号损失的信息量为H(x/y)=0.045（比特/符号）信道的容量C等于：信道容量Ct等于：65n 4.6.2 连续信道容量连续信道容量式中 S 信号平均功率（W）；N 噪声功率（W）；B 带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B；连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。66当S ，或n0 0时，Ct 。但是，当B 时，Ct将趋向何值？令：x=S/n0B，上式可以改写为：利用关系式上式变为67 上式表明，当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。Ct和带宽B的关系曲线：图4-24 信道容量和带宽关系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)68Eb 每比特能量；Tb=1/B 每比特持续时间。对于给定的信道容量Ct；可以增大带宽B以换取Eb的减小；由于Eb=STb，可以增大Tb以换取S减小来保持Eb和Ct不变。69u【例4.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。u【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为Ip=-log2(1/8)=3 (b/pix)(4.6-18)u并且每帧图像的信息量为uIF=300,000 3=900,000 (b/F)(4.6-19)u因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为uRb=900,000 25=22,500,000=22.5 106 (b/s)(4.6-20)u信道的容量Ct必需不小于此Rb值。u得到 22.5 106=B log2(1+1000)9.97 Bu最终得出所需带宽uB=(22.5 106)/9.97 2.26 (MHz)70P84 4-5，4-7 4/15/2023