《通信原理》第4章-信道(4.4-6)解析.ppt

《《通信原理》第4章-信道(4.4-6)解析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《通信原理》第4章-信道(4.4-6)解析.ppt（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、通信原理第通信原理第4 4章章-信道信道(4.4-6)(4.4-6)解析解析第4章 信道概要：概要：4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.6 信道容量信道容量 4/30/20232第4章 信道4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响信道分类：信道分类：（1）恒参信道：它的单位冲击响应是恒参信道：它的单位冲击响应是固定固定的（非时变的（非时变网络）网络）（2）随参信道：它的单位冲击响应是）随参信道：它的单位冲击响应是时变时变的。的。4/30/20233第4章 信道（无记忆）信道模型：（无记忆）信道模型：扩展到有记忆信道：扩展到

2、有记忆信道：为信道单位冲击响应。为信道单位冲击响应。4/30/20234第4章 信道 如果如果 （），有记忆信道模型就转化为），有记忆信道模型就转化为无记忆信道模型。无记忆信道模型。如果是恒参信道，则如果是恒参信道，则 是一个是一个（）的函数。的函数。而对于而对于随参信道随参信道，则是一个动态、时变的函数。则是一个动态、时变的函数。4/30/20235第4章 信道 什么情况下是最理想的恒参信道？什么情况下是最理想的恒参信道？（）（）一、恒参信道一、恒参信道 对对恒参恒参信道的信道的 作作傅立叶变换傅立叶变换，可得到信道的，可得到信道的幅幅频特性频特性和和相频特性相频特性。为常数为常数为固定延迟

3、时间为固定延迟时间4/30/20236第4章 信道若输入信号为若输入信号为ei(t)，则则理想恒参信道的输出为理想恒参信道的输出为 eo(t)=K0 ei(t-td)由此可见，由此可见，理想恒参信道对信号传输的影响是理想恒参信道对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生对信号在幅度上产生固定的衰减固定的衰减 (2)对信号在时间上产生对信号在时间上产生固定的迟延固定的迟延 这种情况也称信号是这种情况也称信号是这种情况也称信号是这种情况也称信号是无失真传输无失真传输 4/30/20237第4章 信道理想信道的理想信道的幅频特性幅频特性、相频特性相频特性和和群迟延群迟延-频率特性频率特性 OK0|

4、H(w w)|w wOj j(w w)w ww w tdOtdt t w w w wa 幅频特性 b 相频特性 c 群迟延特性 4/30/20238第4章 信道 其中群迟延特性为其中群迟延特性为理想恒参信道理想恒参信道在整个信号频带范围之内：在整个信号频带范围之内：幅频特性幅频特性和和群迟延群迟延-频率特性为频率特性为常数常数相频特性为相频特性为的线性函数的线性函数对对ei(t)的不同频率成的不同频率成份进行相同的幅度份进行相同的幅度衰减和时延。衰减和时延。4/30/20239第4章 信道 实际中，传输特性可能实际中，传输特性可能偏离理想信道特性偏离理想信道特性，产生失真：，产生失真：（1）如

5、果）如果信道的幅度信道的幅度-频率特性频率特性在信号频带范围之内在信号频带范围之内不是常数不是常数，则会使信号产生则会使信号产生幅度幅度-频率失真，频率失真，称为称为频率失真频率失真；（2）如果）如果信道的相位信道的相位-频率特性频率特性在信号频带范围之内在信号频带范围之内不是不是的线性函数的线性函数，则会使信号产生则会使信号产生相位相位-频率失真，频率失真，称为称为相位失真。相位失真。4/30/202310第4章 信道 一般典型音频电话信道的一般典型音频电话信道的幅度频率特性曲线幅度频率特性曲线：0 300 1100 2900衰衰耗耗(dB)图图 典型音频电话信道的相对衰耗典型音频电话信道的

6、相对衰耗 频率失真频率失真使信号使信号波形失真波形失真，如果是传输，如果是传输数字信号数字信号，会使，会使相邻码元相互重叠（相邻码元相互重叠（码间串扰码间串扰）。）。4/30/202311第4章 信道产生原因产生原因产生原因产生原因 ：由信道中可能存在的由信道中可能存在的各种滤波器、混合线圈、串联电容、各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成的。分路电感等造成的。克服措施克服措施：频率失真频率失真是线性失真是线性失真。改善改善信道中的信道中的滤波性能滤波性能，使，使幅频特性在信道有效传输幅频特性在信道有效传输带宽内平坦带宽内平坦；在发送或接收端，增加在发送或接收端，增加线性补偿网络线性补

7、偿网络，使，使整个系统整个系统衰衰耗特性曲线变得平坦；耗特性曲线变得平坦；均衡器均衡器4/30/202312第4章 信道 相位失真相位失真对对语音传输语音传输影响影响不大不大，但，但数字传输数字传输影响影响很大很大。产生原因产生原因：来源于来源于来源于来源于信道中的各种信道中的各种滤波器滤波器及可能有的及可能有的电感电感线圈，尤其线圈，尤其是在信道频带的是在信道频带的边缘畸变边缘畸变更为严重。更为严重。4/30/202313第4章 信道分析方法分析方法 ：常常采采用用群延迟-频率特性(相位-频率特性对频率的导数)来来衡衡量量；若若相相位位-频频率率特特性性用用()来来表表示示，则则群群迟迟延延

8、-频频率率特性特性 对理想信道，对理想信道，呈呈线性关系线性关系，(为为常数常数)的的曲线将是一条水平直线。曲线将是一条水平直线。实际典型的电话信道的群迟延实际典型的电话信道的群迟延-频率特性却不是平坦的。频率特性却不是平坦的。4/30/202314第4章 信道图图1 理想的相位理想的相位频率特性频率特性及群延迟及群延迟频率特性频率特性=K 0 K0 0.8 1.6 2.4 3.20.20.40.60.81.0相相相相对对对对群群群群延延延延迟迟迟迟ms频率频率(kHz)图图2 群延迟群延迟频率特性频率特性4/30/202315第4章 信道非单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变，如下图非

9、单一频率的信号通过该信道时，引起信号的畸变，如下图 群迟延畸变和幅频畸变一样，是群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变线性畸变，因此，也可采，因此，也可采取取均衡措施均衡措施进行补偿。进行补偿。4/30/202316第4章 信道非线性失真：非线性失真：（1）谐波失真：（元器件性能不稳定）。谐波失真：（元器件性能不稳定）。（2）相位抖动：（振荡器不稳定）。相位抖动：（振荡器不稳定）。非线性失真一旦产生，非线性失真一旦产生，很难在接收端消除很难在接收端消除。4/30/202317第4章 信道二、随参信道二、随参信道 特点：特点：（1）传输）传输衰减衰减随时间而变；随时间而变；（2）传输）传输时延时延

10、随时间而变；随时间而变；（3）多径多径传播，导致传播，导致多径效应多径效应。下面重点讨论多径效应。下面重点讨论多径效应。4/30/202318第4章 信道设发射信号4/30/202319第4章 信道 将将 写成同相分量、正交分量及包络、相位的形式。写成同相分量、正交分量及包络、相位的形式。4/30/202320第4章 信道 可视为（）过程。原来是原来是单一频率单一频率的正弦波的正弦波有有（）带宽的信号。带宽的信号。4/30/202321第4章 信道1、波形、频谱类似、波形、频谱类似窄带窄带信号信号2、原因：衰落信号、多径（、原因：衰落信号、多径（频率弥散频率弥散）4/30/202322第4章

11、信道衰落：衰落：信号信号包络包络因传播产生因传播产生起伏起伏的现象称为的现象称为衰落衰落。快衰落快衰落慢衰落慢衰落4/30/202323第4章 信道 下面讨论两条途径时的下面讨论两条途径时的频率选择性衰落分析频率选择性衰落分析（）（）4/30/202324第4章 信道 系统传输特性：为此，可以分成两部分：4/30/202325第4章 信道（1）时延网络（2）特性 4/30/202326第4章 信道 图形图形 这种传输特性使得不同频率衰减不同这种传输特性使得不同频率衰减不同即即选择性衰落选择性衰落选择性衰落选择性衰落 它决定于它决定于时延差时延差。4/30/202327第4章 信道 如果有如果有

12、多条多条路径：路径：定义最大多径时延差定义最大多径时延差则：频率间隔（相邻的传输零点间隔）则：频率间隔（相邻的传输零点间隔）信号频谱信号频谱大于这个频率间隔大于这个频率间隔会产生明显的会产生明显的选择性衰落选择性衰落数字信号数字信号产生严重的产生严重的码间串扰。码间串扰。抗快衰落技术抗快衰落技术 4/30/202328第4章 信道4.5 信道中的噪声信道中的噪声加性噪声的来源：加性噪声的来源：人为噪声：人为噪声：来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接来源于其它无关的信号源，如外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等触噪声、工业的点火辐射、荧光灯干扰等自然噪声：自然噪声：自然界存

13、在的各种电磁波源，如闪电、大气中的自然界存在的各种电磁波源，如闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等电暴、银河系噪声及其它各种宇宙噪声等 内部噪声：内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电系统设备本身产生的各种噪声，如导体中自由电子的热运动（热噪声）、电源哼声等子的热运动（热噪声）、电源哼声等通信系统的热噪声为通信系统的热噪声为加性高斯白噪声（加性高斯白噪声（AWGN）。4/30/202329第4章 信道按性按性质质分分类类：脉冲噪声脉冲噪声：电火花；：电火花；窄带噪声窄带噪声：近似已调的正弦波（窄带）；：近似已调的正弦波（窄带）；起伏噪声起伏噪声：以热噪声、散弹噪声和

14、宇宙噪声为代表的噪声。以热噪声、散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声。通信系统主要考虑通信系统主要考虑起伏噪声。起伏噪声。4/30/202330第4章 信道1热噪声热噪声（1）定义）定义 布朗运动引起的，其交流成分即为热噪声布朗运动引起的，其交流成分即为热噪声（2）服从高斯分布）服从高斯分布 在在1012Hz以内（微波）以内（微波）其功率谱密度为其功率谱密度为P(w)=2kTG（3）电阻噪声的表示）电阻噪声的表示 均方根值均方根值4/30/202331第4章 信道2 2散弹噪声散弹噪声散弹噪声散弹噪声（1 1）定义）定义）定义）定义 由电子发射不均匀引起的噪声由电子发射不均匀引起的噪声由电子发射不均

15、匀引起的噪声由电子发射不均匀引起的噪声（2 2）单位时间内电子数是随机的，但总电流是一个单位时间内电子数是随机的，但总电流是一个单位时间内电子数是随机的，但总电流是一个单位时间内电子数是随机的，但总电流是一个高斯过程高斯过程高斯过程高斯过程3 3宇宙噪声宇宙噪声宇宙噪声宇宙噪声（1 1）定义）定义）定义）定义 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（2 2）20-300M20-300M内，其强度和频率的内，其强度和频率的内，其强度和频率的内，其强度和频率的3 3次方成正比次方成正比次方成正比次方成正比（3 3）服从服从服

16、从服从高斯分布高斯分布高斯分布高斯分布4/30/202332第4章 信道有效带宽：有效带宽：在接收端，先通过接收滤波器过滤带外的信号和噪声。在接收端，先通过接收滤波器过滤带外的信号和噪声。但但实际的带通滤波器实际的带通滤波器总不是理想的滤波器，结果，总不是理想的滤波器，结果，通过的噪声功率谱密度不是通过的噪声功率谱密度不是带通常数型带通常数型。4/30/202333第4章 信道带通型噪声的功率谱密度带通型噪声的功率谱密度怎样定义怎样定义有效带宽：有效带宽：保持总功率不变，将保持总功率不变，将馒头形馒头形转化为转化为矩形矩形。4/30/202334第4章 信道 利用噪声等效带宽的概念，可以认为窄

17、带噪声的功率利用噪声等效带宽的概念，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽谱密度在带宽 内是恒定的，如图中虚线所示。内是恒定的，如图中虚线所示。4/30/202335第4章 信道4.6 信道容量信道容量信道容量信道容量：信道能够传输信息的信道能够传输信息的最大平均信息速率最大平均信息速率，即信道的即信道的极极限限传输能力。传输能力。从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类：从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类：离散信道离散信道离散信道离散信道：输入和输出的信号都是输入和输出的信号都是取离散的时间函数取离散的时间函数；也就是：也就是：编码信道编码信道连续信道连续信道连续信道连续信道：输入

18、和输出信号都是输入和输出信号都是输入和输出信号都是输入和输出信号都是取值连续的时间函数；取值连续的时间函数；也就是：也就是：调制信道调制信道4/30/202336第4章 信道4.6.1 离散信道的容量离散信道的容量 两种单位：两种单位：（1）每个符号每个符号能够传输的最大平均信息量能够传输的最大平均信息量 C。（2）单位时间单位时间（秒）内能够传输的最大平均信息量（秒）内能够传输的最大平均信息量 Ct。两者关系：两者关系：每秒传输的符号数为每秒传输的符号数为r（个符号（个符号/s），则：），则：Ct（）C。4/30/202337第4章 信道 设信源发送设信源发送 n 个符号个符号 的概率分别为

19、的概率分别为经信道传输后收到经信道传输后收到 m 个符号个符号 的概率为的概率为信道转移概率为信道转移概率为4/30/202338第4章 信道 根据信息论的观点，一个事件的不确定性越大，所含根据信息论的观点，一个事件的不确定性越大，所含的信息量也越大。若事件的信息量也越大。若事件 x 发生的概率为发生的概率为 ，则它的，则它的信息量为：信息量为：类似地：类似地：发发 收到收到 的信息量的信息量=发发 的不确定程度的不确定程度收到收到 而而发送是发送是 的不确定程度的不确定程度4/30/202339第4章 信道 发发 收到收到 的信息量的信息量=发发 的信息量的信息量收到收到 而而发送是发送是

20、的条件条件信息量的条件条件信息量平均信息量平均信息量/符号符号=对所有对所有 和和 作统计平均，可得到收到一个符号时作统计平均，可得到收到一个符号时获得的平均信息量：获得的平均信息量：4/30/202340第4章 信道 是是传输过程中损失传输过程中损失的信息的信息可见，收到的信息量是总比可见，收到的信息量是总比（）少。少。4/30/202341第4章 信道 可见，在有噪声信道中，可见，在有噪声信道中，发送信息有发送信息有 ，而收到只有，而收到只有 。只有无噪声时只有无噪声时，收到的信息量才是，收到的信息量才是 。即式中：即式中：4/30/202342第4章 信道4/30/202343第4章 信

21、道 而而当噪声极大时当噪声极大时，接收端得到的信息量应该是，接收端得到的信息量应该是（）。从公式：从公式：可以看出：可以看出：信息容量是信息容量是 的函数，取最大值，得的函数，取最大值，得（？单位？单位）4/30/202344第4章 信道 设单位时间内信道传输的符号数为设单位时间内信道传输的符号数为 ，则信道每秒传输，则信道每秒传输得平均信息量为得平均信息量为信道容量为信道容量为（？单位？单位）?:什么情况下信道容量最大？什么情况下信道容量最大？=?4/30/202345第4章 信道二进制信源的熵二进制信源的熵设发送设发送“1”的概率的概率P(1)=，则发送，则发送“0”的概率的概率P(0)1

22、-当当 从从0变到变到1时，信源的熵时，信源的熵H()可以写成：可以写成：按照上式画出的曲线：按照上式画出的曲线：由图可见，当由图可见，当 1/2时，时，此此信源的熵达到最大值信源的熵达到最大值。这时这时两个符号的出现概率相等两个符号的出现概率相等，其不确定性最大。其不确定性最大。图4-21 二进制信源的熵H()4/30/202346第4章 信道0011P(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 【例【例4.6.1】设信源由两种符号】设信源由两种符号“0”和和“1”组成，符号传输速率为组成，符号传

23、输速率为1000符号符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于秒，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，。信道为对称信道，其传输的符号错误概率为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。试画出此信道模型，并求此信道的容量C和和Ct。【解】此信道模型画出如下：【解】此信道模型画出如下：4/30/202347第4章 信道分析分析:（1）先求信源的平均信息量）先求信源的平均信息量 ，等概时为最大值，等概时为最大值（2）将转移概率）将转移概率 转为为后验概率转为为后验概率 4/30/202348第4章 信道 （3）求条件信息量）求条件信息量（4）求信道

24、容量）求信道容量4/30/202349第4章 信道4.6.2 连续信道容量连续信道容量 对对带宽有限带宽有限、平均功率有限平均功率有限的的高斯白噪声高斯白噪声连续信道。连续信道。容量为：容量为：b/s式中：式中：S为信号平均功率（为信号平均功率（W）N为噪声功率（为噪声功率（W）B为信号带宽（为信号带宽（Hz）4/30/202350第4章 信道讨论：讨论：（1）增大信噪比）增大信噪比 ，容量增大；，容量增大；（2）增大带宽）增大带宽 ，容量一定增大，容量一定增大？增大带宽，也增大带宽，也增大了噪声功率增大了噪声功率。改写：改写：设噪声单边功率谱密度为设噪声单边功率谱密度为 （W/Hz）4/30

25、/202351第4章 信道 令令 ，显然，显然，则：则：利用：利用：则：则：4/30/202352第4章 信道从这个公式还可以看出：从这个公式还可以看出：信噪比信噪比和和带宽带宽可以互换。可以互换。扩频通信扩频通信就是增大带宽，而就是增大带宽，而降低信噪比降低信噪比，甚至，甚至隐藏信号隐藏信号。CDMA（码分多址，也就是扩频通信）（码分多址，也就是扩频通信）较较GSM环保环保。4/30/202353第4章 信道例例4-2:黑白电视图像每帧有黑白电视图像每帧有300,000个像素，每个像素个像素，每个像素 10个个亮度电平（等概），每秒亮度电平（等概），每秒25帧图像，要求帧图像，要求S/N为为

26、30dB，求传，求传输所用带宽。输所用带宽。分析：分析：（1）先求一个像素、一帧像素、一秒像素的信息量）先求一个像素、一帧像素、一秒像素的信息量 ；（2）用一秒像素的信息量作为最小的带宽代入到：）用一秒像素的信息量作为最小的带宽代入到：可求可求 。4/30/202354第4章 信道回顾：回顾：4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 理想恒参信道的输出为理想恒参信道的输出为 eo(t)=K0 ei(t-td)理想恒参信道理想恒参信道是是是是无失真传输，无失真传输，对信号传输的影响是对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生对信号在幅度上产生固定的衰减固定的衰减 (2)对信号在

27、时间上产生对信号在时间上产生固定的迟延固定的迟延 4/30/202355第4章 信道理想信道的理想信道的幅频特性幅频特性、相频特性相频特性和和群迟延群迟延-频率特性频率特性 OK0|H(w w)|w wOj j(w w)w ww w tdOtdt t w w w wa 幅频特性 b 相频特性 c 群迟延特性 4/30/202356第4章 信道 实际中，传输特性可能实际中，传输特性可能偏离理想信道特性偏离理想信道特性，产生失真：，产生失真：（1）频率失真）频率失真；（2）相位失真；）相位失真；（3）群延迟失真。）群延迟失真。是由各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成的。是由各种滤波器、混

28、合线圈、串联电容、分路电感等造成的。增加增加线性补偿网络（均衡器），减小失真。线性补偿网络（均衡器），减小失真。4/30/202357第4章 信道非线性失真：非线性失真：（1）谐波失真：（元器件性能不稳定）。谐波失真：（元器件性能不稳定）。（2）相位抖动：（振荡器不稳定）。相位抖动：（振荡器不稳定）。非线性失真一旦产生，非线性失真一旦产生，很难在接收端消除很难在接收端消除。4/30/202358第4章 信道二、随参信道二、随参信道 多径传播导致多径传播导致多径衰落，多径衰落，包络和相位作缓慢的随机起伏。包络和相位作缓慢的随机起伏。单频信号变成窄带信号，还会出现单频信号变成窄带信号，还会出现频率

29、选择性衰落频率选择性衰落。4/30/202359第4章 信道4.5 信道中的噪声信道中的噪声 通信系统的热噪声为通信系统的热噪声为加性高斯白噪声（加性高斯白噪声（AWGN）。等效带宽：等效带宽：4/30/202360第4章 信道4.6 信道容量信道容量一、离散信道的容量一、离散信道的容量b/符号符号b/s当信源等概时达到最大值。当信源等概时达到最大值。当信道无噪声时，当信道无噪声时，当信道噪声极大时，当信道噪声极大时，4/30/202361第4章 信道4.6.2 连续信道容量连续信道容量 对对带宽有限带宽有限、平均功率有限平均功率有限的的高斯白噪声高斯白噪声连续信道。连续信道。容量为：容量为：b/s讨论：讨论：（1）增大信噪比）增大信噪比 ，容量增大；，容量增大；（2）增大带宽）增大带宽 ，容量趋向极限，容量趋向极限4/30/202362结束！结束！