通信原理asfcc第3章.ppt

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1、第三章第三章 信信 道道(Channel)(Channel)主要内容：主要内容：信道的定义信道的定义信道的数学模型信道的数学模型恒参信道与随参信道的传输恒参信道与随参信道的传输特性特性信道加性噪声的统计特性信道加性噪声的统计特性信道容量的计算信道容量的计算重点：重点：信道中输入与输出的关系信道中输入与输出的关系幅频曲线、相频曲线含义幅频曲线、相频曲线含义幅度频率畸变、相位频率幅度频率畸变、相位频率畸变畸变多径效应及噪声特性多径效应及噪声特性信道容量信道容量3.1 3.1 引言引言3.3 3.3 信道数学模型信道数学模型3.6 3.6 随参信道举例随参信道举例 3.7 3.7 随参信道特性及对信

2、号传输的影响随参信道特性及对信号传输的影响 3.8 3.8 随参信道特性的改善随参信道特性的改善分集接收分集接收 3.9 3.9 信道的加性噪声信道的加性噪声 3.2 3.2 信道定义信道定义3.5 3.5 恒参信道特性及对信号传输的影响恒参信道特性及对信号传输的影响3.4 3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.10 3.10 信道容量信道容量 典型例题典型例题3.1 3.1 引引 言言广义信道：包括信号的各种变换装置和广义信道：包括信号的各种变换装置和传输媒介的信道传输媒介的信道 信道信道:信号的传输通道信号的传输通道 狭义信道：狭义信道：仅包含信号的传输媒介，有仅包含信号的传输媒介，有无线和

3、有线两大类无线和有线两大类.3.2 3.2 信道定义信道定义 根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴根据研究的对象和关心的问题来定义信道的范畴编码信道编码信道 Encoding Channel调制信道调制信道 Modulation Channel广义信道广义信道离离散散信信号号 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 译译 码码 器器 编编 码码 器器 调制信道调制信道编码信道编码信道连连续续信信号号 调调 制制 器器3.3 3.3 信道数学模型信道数学模型3.3.13.3.1 调制信道模型调制信道模型 （连续系统）（连续系统）共性共性:1):1)有一对有一对(或

4、多对或多对)输入、输出端输入、输出端 2)2)线性的线性的满足叠加原理满足叠加原理 3)3)对信号有延迟对信号有延迟，损耗损耗、衰减、衰减 4)4)无信号输入时，仍有无信号输入时，仍有功率功率输出输出（噪声噪声）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 调制信道调制信道 调调 制制 器器或或 时时 变变 线线 性性网网 络络如果网络的函数变换关系定义为如果网络的函数变换关系定义为 注：注：乘性干扰。恒参信道：乘性干扰。恒参信道：=常数常数 随参信道：随参信道：常数常数 加性干扰。加性干扰。则有则有时变时变线性线性网络网络根据上述共性，我们可用一个二对端（或多对端）的根据

5、上述共性，我们可用一个二对端（或多对端）的时变线性网络时变线性网络来表示调制信道来表示调制信道调制信道模型调制信道模型网络网络的输入与输出之间的关系可表示为：的输入与输出之间的关系可表示为：3.3.2 3.3.2 编码信道模型（离散系统）编码信道模型（离散系统）信道对信号的影响是序列变换信道对信号的影响是序列变换,信道的失真以误码率体现信道的失真以误码率体现数数字字信信道道 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 译译 码码 器器 编编 码码 器器 调制信道调制信道编码信道编码信道模模拟拟信信道道 调调 制制 器器例如例如 :二进制数字传输的编码信道二进制数字传输的编

6、码信道令令码码元元发发生生错错误误相相互互独独立立,即信道无记忆即信道无记忆 信道性能：用转移概率描述信道性能：用转移概率描述 P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0),P(1/1)P(0/0),P(1/1)为正确转移概率为正确转移概率 P(1/1)=1-P(0/1)P(1/1)=1-P(0/1)P(1/0),P(0/1)P(1/0),P(0/1)为错误转移概率为错误转移概率转移概率转移概率完全完全由由编码信道所决定。需用大量的编码信道所决定。需用大量的统计分析得到统计分析得到四进制四进制:编码信道编码信道模型可用数字的转移概率来描述模型可用数字的转移概率来描述

7、3.4 3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.4.13.4.1、有线电信道、有线电信道表表3-1 3-1 三种有线电信道的性能三种有线电信道的性能明线明线:传输损耗低。传输损耗低。易受天气和气候影响，对外界噪声敏感易受天气和气候影响，对外界噪声敏感对称电缆对称电缆:传输损耗比明线大的多，传输损耗比明线大的多，传输特性比较稳定传输特性比较稳定同轴电缆同轴电缆：外导体屏蔽，特性稳定：外导体屏蔽，特性稳定3.4.23.4.2、光纤、光纤信道信道 以光纤为传输媒介，以光纤为传输媒介，光波为载波。光波为载波。可提供极大容量可提供极大容量光纤信道一般组成光纤信道一般组成3.4.33.4.3、无线电视距中继、

8、无线电视距中继 工作频率：超短波和微波，沿视线传输，工作频率：超短波和微波，沿视线传输，依靠中继方式依靠中继方式 0.32.7 0.3150 12108 12252 601300 604100 3009000 30012000 30060000 1+3 1+3+12 24 60 300 960 1800 2700 10800 架空明线架空明线 架空明线架空明线 对称电缆对称电缆 对称电缆对称电缆 小同轴电缆小同轴电缆 小同轴电缆小同轴电缆 中同轴电缆中同轴电缆 中同轴电缆中同轴电缆 中同轴电缆中同轴电缆 300 80120 35 1218 8 4 6 4.5 1.5 增音段长度增音段长度 (k

9、m)频率范围频率范围 (kHZ)通话路数通话路数 线路类型线路类型 三种有线电信道的性能三种有线电信道的性能3.4.43.4.4、卫星中继、卫星中继(Satellite Relay)(Satellite Relay)无线电中继的特殊形式无线电中继的特殊形式同步卫星为中继站同步卫星为中继站传输容量大、发射功率小，通信稳定可靠。用于多路电话及电视传输容量大、发射功率小，通信稳定可靠。用于多路电话及电视地球地球地球地球地面站地面站地面站地面站地球地球地球地球地面站地面站地面站地面站光源光调制器光纤线路光探测器基 带 处 理基 带 处 理已调光信号已调光信号已调电信号已调电信号解调电信号解调电信号基带

10、电信号基带电信号基带电信号基带电信号光源：光源：LED或或LD光源光源光纤线路：一根或多根光纤光纤线路：一根或多根光纤光探测器：光探测器：PIN光电二极管或雪崩光电二极管（光电二极管或雪崩光电二极管（APD）中继器：直接中继器和间接中继器中继器：直接中继器和间接中继器恒恒参参信信道道可可等等效效为为线线性性时时不不变变网网络络，只只要要得得到到网网络络的的传传输输特特性性，就可知信道对信号的影响就可知信道对信号的影响网网络络的的传传输输特特性性用用幅幅频频函函数数(amplitude-frequency(amplitude-frequency function)function)、相频函数相频

11、函数(phase-frequency function)(phase-frequency function)描述描述 3.5 3.5 恒参信道特性及对信号传输的影响恒参信道特性及对信号传输的影响 3.5.13.5.1 幅度幅度-频率畸变频率畸变-传输特性的不均匀衰耗传输特性的不均匀衰耗(decline)(decline)引起引起 已调信号中各频率分量通过信道时带来不同衰减（或增益）已调信号中各频率分量通过信道时带来不同衰减（或增益）造成输出信号的失真造成输出信号的失真频率失真频率失真(distortion)(distortion)理想无失真传输信道，其传函应满足：理想无失真传输信道，其传函应满

12、足：典型音频信道幅度频率特性曲线典型音频信道幅度频率特性曲线K:K:传输系数传输系数:延迟时间延迟时间衰减衰减/dB/dBf/(kHz)f/(kHz)H(f)H(f)改善措施：改善滤波性能，增加均衡器改善措施：改善滤波性能，增加均衡器(equalizer)(equalizer)、线、线性补偿网络性补偿网络音频电话信道的幅度频率特性音频电话信道的幅度频率特性 3.5.2 3.5.2 相位相位-频率畸变频率畸变 网络的相频特性非线性（来源于阻抗性元件）所引起的畸变。网络的相频特性非线性（来源于阻抗性元件）所引起的畸变。主要影响数字信号主要影响数字信号,引起严重的码间串扰引起严重的码间串扰 设设相频

13、特性相频特性为为 相位相位频率特性频率特性理想时：理想时：群迟延群迟延频率特性频率特性 定义：定义：群迟延频率特性群迟延频率特性 实际中：实际中：群迟延不为常数。群迟延不为常数。不同的频率的信号经过信道传输后，到达输出不同的频率的信号经过信道传输后，到达输出端的相对时间不一致。端的相对时间不一致。群迟延产生信号畸变示意图群迟延产生信号畸变示意图3.6 3.6 随参信道随参信道 3.6.1 3.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道 波长为波长为100 100 1010 m m,频率为频率为3 33030MHZMHZ的无线电波的无线电波1.1.传播路径传播路径 信号的传播路径图信号的传播路

14、径图 利用离地面利用离地面60 60 600600KMKM的电离层反射信号。的电离层反射信号。电离层分为电离层分为D D、E E、F F1 1、F F2 2四层，其中四层，其中D D、F F1 1 夜间消失夜间消失 2 2工作频率工作频率更高的频率信号将穿透电离层更高的频率信号将穿透电离层3.3.多径传播多径传播(Multiple Path Transfer)(Multiple Path Transfer)原因原因:1):1)电波经电离层一次反射或多次反射；电波经电离层一次反射或多次反射；2)2)几个反射层高度不同；几个反射层高度不同；3)3)电离层不均匀引起的漫射电离层不均匀引起的漫射(di

15、ffusion)(diffusion)；4)4)磁场影响，使电磁波来分裂成寻常波，非寻常波。磁场影响，使电磁波来分裂成寻常波，非寻常波。4.4.应用应用 优点：功率小，距离远，地形随意，合适的频宽，保密；优点：功率小，距离远，地形随意，合适的频宽，保密；缺点：可靠性差，工作频率变，多径失真，干扰大。缺点：可靠性差，工作频率变，多径失真，干扰大。3.6.2 3.6.2 对流层散射信道对流层散射信道 1 1、传播距离约、传播距离约100 100 500 km500 km 利用离地面利用离地面10 10 12 km12 km以下的大气对流层，对流层中大气湍流运动产生以下的大气对流层，对流层中大气湍流

16、运动产生不均匀性，引起电波的散射，可提供不均匀性，引起电波的散射，可提供1212240240频分复用话路，可靠性频分复用话路，可靠性99.999.9%。对流层散射传播路径的示意图对流层散射传播路径的示意图2 2、传播损耗、传播损耗 1 1）自由空间能量扩散损耗）自由空间能量扩散损耗 2 2）散射损耗）散射损耗 主要特征：主要特征：1 1、衰落、衰落 1 1）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化）慢衰落：气象引起。每季月、日信号强度变化 2 2）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变化）快衰落：多径传播。使信号的幅度和相位快速随机变化 其克服方法：分集接收。其克服方法：分集接收。4

17、4、天线与媒介间的耦合损耗、天线与媒介间的耦合损耗 天线增益亏损：理论增益与实际增益之差天线增益亏损：理论增益与实际增益之差5 5、应用应用 干线通信干线通信 点对点通信点对点通信例子例子3 3、信道允许频带、信道允许频带 ：最大多径时延差最大多径时延差3.7 3.7 随参信道特性及对信号传输的影响随参信道特性及对信号传输的影响 随参信道的三个特点：随参信道的三个特点：1 1）衰耗随时间而变）衰耗随时间而变 ；2 2）时延随时间而变；）时延随时间而变；3 3）多径传播）多径传播 。随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述随机信号的统计特性用它的概率分布或数学特征表述3.7.1 3.7.1

18、 接收信号接收信号 的描述的描述设发射信号为设发射信号为则接收信号为则接收信号为第第i i 条条路径路径的接收信号振幅的接收信号振幅第第i i 条条路径路径的传输的传输时延时延包络包络相位相位 2 2）多径传播使多径传播使 变成包络和相位受到调制的窄带信号变成包络和相位受到调制的窄带信号 3 3）多径传播引起了频率弥散）多径传播引起了频率弥散(频率频率展宽展宽)。R R(t t)称为衰落信号称为衰落信号或或均为缓慢变化的随机过程均为缓慢变化的随机过程0 0V(t)V(t)R(t)R(t)结论：结论：1 1）是窄带过程是窄带过程 、的统计特性的统计特性 讨论讨论：2 2、多径传播、多径传播 设多

19、径传播最大相对时延差为设多径传播最大相对时延差为1 1、以两径传播模型为例、以两径传播模型为例 框图及公式推导框图及公式推导定义：定义：为相邻传输零点的频率间隔。为相邻传输零点的频率间隔。分析模型的传输分析模型的传输特性特性3.7.2.3.7.2.的频率选择性衰落的频率选择性衰落讨论讨论模特性模特性看成两个网络级联看成两个网络级联 则则 为信道带宽为信道带宽结论：传输信号带宽结论：传输信号带宽 一般工程上：信号带宽一般工程上：信号带宽3.8 3.8 随参信道特性的改善随参信道特性的改善分集接收分集接收 分集接收分集接收(diversity receive)receive)抗快衰落措施之一抗快衰

20、落措施之一思思想想:在在接接收收端端同同时时分分别别获获得得(分分散散得得到到)几几个个不不同同路路径径的的信信号号(相相互互独独立立)，然然后后将将这这些些信信号号适适当当合合并并,构构成成总总的的接接收收信信号号,其其总信号的衰落现象将大大改善总信号的衰落现象将大大改善.1 1、分集方法、分集方法:1 1）空间分集：）空间分集：用几副天线，各天线间有足够的间距用几副天线，各天线间有足够的间距 2 2）频频率率分分集集：用用多多个个不不同同载载频频传传送送同同一一消消息息，当当各各载载频频相相隔隔比比较较远远，如如频频差差为为多多径径时时延延的的倒倒数数，则则各各载载频频信号基本互不相关信号

21、基本互不相关.3 3）角度分集：利用天线波束指向不同，使信号不相关）角度分集：利用天线波束指向不同，使信号不相关 4 4）极化分集：）极化分集：分别接收水平极化波和垂直极化波分别接收水平极化波和垂直极化波2 2、分集信号的合并、分集信号的合并w 最佳选择式：从几个分散信号中选择信噪比最好的一个最佳选择式：从几个分散信号中选择信噪比最好的一个 作为接收信号作为接收信号w 等增益相加式：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相等增益相加式：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相 加，相加后的信号作为接收信号加，相加后的信号作为接收信号w 最大比值相加：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪最大

22、比值相加：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪 比成正比，然后再相加获得作为接收信号比成正比，然后再相加获得作为接收信号的改善k最佳选择等增益合并最大比值合并3.9 3.9 信道的加性噪声信道的加性噪声加性噪声加性噪声:1)1)人为噪声人为噪声 2)2)自然噪声自然噪声 3)3)内部噪声内部噪声 随机噪声随机噪声1)1)单频噪声单频噪声:连续波干扰，可视为已调正弦波。占极窄频带连续波干扰，可视为已调正弦波。占极窄频带2)2)脉冲噪声脉冲噪声：时间上无规则地突发的短促噪声。脉冲噪声幅：时间上无规则地突发的短促噪声。脉冲噪声幅 度大，持续时间短，频谱宽，频率越高，频谱度大，持续时间短，频谱宽，

23、频率越高，频谱 强度越小强度越小 3)3)起伏噪声起伏噪声:热噪声、散弹噪声、宇宙噪声。普遍存在，不热噪声、散弹噪声、宇宙噪声。普遍存在，不 可避免可避免影响通信的主要因素。影响通信的主要因素。1 1、热噪声热噪声 电子随机运动产生的交流成分，服从高斯分布电子随机运动产生的交流成分，服从高斯分布2 2、散弹、散弹噪声噪声 真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀引起的，高斯随真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀引起的，高斯随机过程机过程3 3、宇宙噪声、宇宙噪声 天体辐射波对接收机形成的噪声天体辐射波对接收机形成的噪声结论：三种噪声均可认为是一种高斯噪声，在相当宽的频结论：三种噪声均可认为

24、是一种高斯噪声，在相当宽的频 率范围内具有平坦的功率谱密度。率范围内具有平坦的功率谱密度。高斯白噪声高斯白噪声 起伏噪声起伏噪声从调制信道角度看从调制信道角度看带通型噪声带通型噪声接收转换器接收转换器带通滤波器带通滤波器(BPF:Band Pass Filter)(BPF:Band Pass Filter)输出为输出为窄带高斯噪声窄带高斯噪声设带通型噪声的功率谱密度设带通型噪声的功率谱密度 如图示，可由高斯白噪声通过如图示，可由高斯白噪声通过一个带通滤波器得到。一个带通滤波器得到。-f0 f0 0等效噪声带宽等效噪声带宽对带宽为对带宽为 的窄带高斯噪声，可以认为它的功率谱密度在的窄带高斯噪声，

25、可以认为它的功率谱密度在带宽带宽 内是平坦的。内是平坦的。3.10 3.10 信道容量信道容量(channel capacity)(channel capacity)3.10.1 3.10.1 离散信道的信道容量离散信道的信道容量 设输入为设输入为 ，输出为，输出为取取统计平均，统计平均，表示发送的每个符号的平均信息量表示发送的每个符号的平均信息量 表示发送符号在有噪信道中传输平均丢失的信息表示发送符号在有噪信道中传输平均丢失的信息 量，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量量，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量 信息传输速率：信道在单位时间内所传输的平均信息量信息传输速率：信道在单位时间

26、内所传输的平均信息量 ：信息源的信息速率：信息源的信息速率 ：单位时间内对发送：单位时间内对发送x x而收到而收到y y的条件平均信息量的条件平均信息量设单位时间传送的符号数为设单位时间传送的符号数为r,r,则则w 无噪声时，信道不存在不确定性，无噪声时，信道不存在不确定性，H(x/y)=0H(x/y)=0 这时这时w 噪声很大时，噪声很大时，,则则 R R0 0 信道容量信道容量C:C:信道传输信息的速率信道传输信息的速率R R的最大值的最大值解：信息源的平均信息量为：解：信息源的平均信息量为：则信息源发送信息的速率为则信息源发送信息的速率为接收端的条件平均信息量接收端的条件平均信息量由于信

27、道不可靠性在单位时间内丢失的信息量为由于信道不可靠性在单位时间内丢失的信息量为信道传输信息的速率信道传输信息的速率例：设信息源由符号例：设信息源由符号0 0和和1 1组成，如果消息传输组成，如果消息传输速率是每秒速率是每秒10001000符号，且两符号出现概率相等。符号，且两符号出现概率相等。在传输中弱干扰引起的差错是：平均每在传输中弱干扰引起的差错是：平均每100100个个符号中有一个不正确，信道模型如图示。求传符号中有一个不正确，信道模型如图示。求传输信息的速率输信息的速率 0.99 0.99 0.01 0.013.10.2 3.10.2 连续信道的信道容量连续信道的信道容量CC信道容量信

28、道容量 SS信号平均功率信号平均功率 NN噪声平均功率噪声平均功率 BB信道带宽信道带宽香农公式：香农公式：结论：结论：（1 1）对给定对给定B B、S/NS/N，信道的极限传输能力（信道容量）信道的极限传输能力（信道容量）C C即确定。即确定。R=C RC RC 无差错传输理论上不可能无差错传输理论上不可能 （2 2）信道容量信道容量C C一定时，带宽一定时，带宽B B和信噪比和信噪比S/NS/N之间可互换之间可互换 （3 3）增大信道带宽增大信道带宽B B并不能无限制地增大信道容量并不能无限制地增大信道容量 证明：若噪声单边功率谱密度为证明：若噪声单边功率谱密度为n n0,0,则噪声功率则

29、噪声功率N Nn n0 0B B （4 4）信道容量信道容量C C是信道传输的极限速率时，由于是信道传输的极限速率时，由于 可见，给定可见，给定I I和和S/NS/N的情况下，带宽和时间也可以互换的情况下，带宽和时间也可以互换典型例题典型例题 例例1 1 P61.3-2P61.3-2输出信号输出信号讨论：此信道幅频特性 ,相频特性为 有幅频失真，相频特性与 成线性关系，无相频失真，所以输出信号的失真是由信道的幅频失真引起的解：幅频特性解：幅频特性 则 例例2 2 P61.3-3P61.3-3 输入 C 输出 R 可见，可见，信号通过该信道既产生幅频失真又产生相频失真信号通过该信道既产生幅频失真

30、又产生相频失真解：解：例例3 3.P61.3-8P61.3-8处为处为极大值点极大值点即传输衰落最大。即传输衰落最大。传输衰耗最大的频率为：传输衰耗最大的频率为：传输信号最有利的频率为传输信号最有利的频率为处为零点解：解：由分析，例4.P61.3-10所以信道相关带宽为：所以信道相关带宽为：信号带宽一般选择为：信号带宽一般选择为：数字信号的最小带宽等于码速率，因此码元脉冲宽度数字信号的最小带宽等于码速率，因此码元脉冲宽度解：最大多径时延差解：最大多径时延差3ms3ms，即即例例5 5.计算机终端通过电话信道传输计算机数据，电话信道带宽计算机终端通过电话信道传输计算机数据，电话信道带宽3.4KH

31、z3.4KHz，信道输出信噪比为信道输出信噪比为20dB20dB，该终端输出该终端输出128128个符号，各符号相互统计独个符号，各符号相互统计独立，等概出现。立，等概出现。（1 1）求香农信道容量）求香农信道容量（2 2）求无误码传输的最高符号速率）求无误码传输的最高符号速率解：解：（1 1）信噪比为信噪比为20dB20dB，则则则香农信道容量则香农信道容量（2 2）无误码传输的最大信息传输速率）无误码传输的最大信息传输速率所以无误码传输的最大符号速率所以无误码传输的最大符号速率例例6 6.P62 3-15.P62 3-15某一待传输的图片约含某一待传输的图片约含2.25102.25106 6个像元，为了很好地重现图片需要个像元，为了很好地重现图片需要1212个亮度电平，假若所有这些亮度电平等概率出现，试计算用个亮度电平，假若所有这些亮度电平等概率出现，试计算用3min3min传送传送一张图片时所需要的信道带宽（假设信道中信噪功率比为一张图片时所需要的信道带宽（假设信道中信噪功率比为30dB30dB）解：先求每个像元解：先求每个像元x x的平均信息量。因为的平均信息量。因为 1212个亮度电平等概出现个亮度电平等概出现3min3min传送一张图片时的平均信息速率为传送一张图片时的平均信息速率为信道容量信道容量