《通信原理 課件第4章》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《通信原理 課件第4章（30頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、1 通 信 原 理第4章 信 道 2 第 4章 信 道 信道分類： 無線信道 電磁波（含光波） 有線信道 電線、光纖 信道中的干擾： 有源干擾 噪聲 無源干擾 傳輸特性不良 本章重點：介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽?3 第 4章 信 道 4.3 信道的數(shù)學模型 信道模型的分類： 調(diào)制信道 編碼信道 編 碼 信 道調(diào) 制 信 道 4 第 4章 信 道 4.3.1 調(diào)制信道模型式中 信道輸入端信號電壓； 信道輸出端的信號電壓； 噪聲電壓。通常假設：這時上式變?yōu)椋?信道數(shù)學模型f ei(t) e0(t)ei(t) n(t)圖 4-13 調(diào) 制 信 道 數(shù) 學 模 型( ) (
2、 ) ( )o ie t f e t n t= +)(te i )(teo )(tn ( ) ( ) ( )i if e t k t e t=( ) ( ) ( ) ( )o ie t k t e t n t= + 5 第 4章 信 道u因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。u因k(t)與e i (t)相乘，故稱其為乘性干擾。u若k(t)作隨機快變化，則稱信道為隨參信道。 u若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。u乘性干擾特點：當沒有信號時，沒有乘性干擾。( ) ( ) ( ) ( )o ie t k t e t n t= + 6 第 4章 信 道 4.3.2 編碼信道模型 二進制編碼
3、信道簡單模型 無記憶信道模型 P(0 / 0)和P(1 / 1) 正確轉移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) 錯誤轉移概率 P(0 / 0) = 1 P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 P(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0 011 P(0 / 0)P(1 / 1)圖 4-13 二 進 制 編 碼 信 道 模 型發(fā) 送 端 接 收 端 7 第 4章 信 道四進制編碼信道模型 012 3 3210 接收端發(fā)送端 8 第 4章 信 道 4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道的影響u恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道u恒參信道 非時變線性網(wǎng)絡 信號通過線性系統(tǒng)的分析方
4、法。線性系統(tǒng)中無失真條件：振幅頻率特性：為水平直線時無失真 左圖為典型電話信道特性 用插入損耗便于測量 (a) 插 入 損 耗 頻 率 特 性 9 第 4章 信 道 相位頻率特性：要求其為通過原點的直線，即群時延為常數(shù)時無失真群時延定義： 頻 率 (kHz)（ms ）群延遲 (b) 群 延 遲 頻 率 特 性( ) dd qt w w=0 相 位 頻 率 特 性 10 第 4章 信 道u頻率失真：振幅頻率特性不良引起的 頻率失真 波形畸變 碼間串擾 解決辦法：線性網(wǎng)絡補償u相位失真：相位頻率特性不良引起的 對語音影響不大，對數(shù)字信號影響大 解決辦法：同上 u非線性失真： 可能存在于恒參信道中
5、定義： 輸入電壓輸出電壓關系 是非線性的。u其他失真：頻率偏移、相位抖動 非 線 性 關 系直 線 關 系圖 4-16 非 線 性 特 性 輸 入 電 壓輸出電壓 11 第 4章 信 道 變參信道的影響u變參信道：又稱時變信道，信道參數(shù)隨時間而變。u變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播u變參信道的特性： 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑效應：信號經(jīng)過幾條路徑到達接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。 下面重點分析多徑效應 12 第 4章 信 道 多徑效應分析：設 發(fā)射信號為 接收信號為 (4.4-1)式中 由第i條路徑到達的接收信號振幅； 由第i
6、條路徑達到的信號的時延；上式中的 都是隨機變化的。0cosA tw 0 01 1( ) ( )cos ( ) ( )cos ( )n ni i i ii iR t t t t t t tm w t m w j= = - = +邋( ) i tm ( )i tt 0( ) ( )i it tj w t= - ( ), ( ), ( )i i it t tm t j 13 第 4章 信 道應用三角公式可以將式(4.4-1)改寫成： (4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機變化的。式中 接收信號的包絡 接收信號的相位 0 01 1() ()c
7、os () ()cos ()n ni i i ii iR t t t t t t tm w t m w j= = - = +邋緩 慢 隨 機 變 化 振 幅 緩 慢 隨 機 變 化 振 幅0 01 1( ) ( )cos ( )cos ( )sin ( )sinn ni i i ii iR t t t t t t tm j w m j w= = -邋 0 00( ) ( )cos ( )sin( )cos ( )c sR t X t t X t tV t t tw ww j= -= +2 2( ) ( ) ( )c sV t X t X t= +1 ( )( ) tan ( )scX tt X
8、 tj -= 14 第 4章 信 道所以，接收信號可以看作是一個包絡和相位隨機緩慢變化的窄帶信號：結論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應變成包絡起伏的窄帶信號(瑞利型衰落、頻率彌散)。這種包絡起伏稱為快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比。另外一種衰落：慢衰落 由傳播條件引起的。 15 第 4章 信 道多徑效應簡化分析：設 發(fā)射信號為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時延不同 兩條路徑的接收信號為：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 傳播衰減，0 第一條路徑的時延， 兩條路徑的時延差。求：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設f (t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F
9、()： ( ) ( )f t F w 16 第 4章 信 道（4.4-8）則有上式兩端分別是接收信號的時間函數(shù)和頻譜函數(shù) ，故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為上式右端中，A 常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時延， 和信號頻率有關的復因子，其模為( ) ( )f t F w 00( ) ( ) jAf t AF e wtt w - 0( )0( ) ( ) jAf t AF e w t tt t w - +- - 00 0( ) ( ) ( ) (1 )j jAf t Af t AF e ewt wtt t t w - - + - - +0 0( ) (1 )( ) (1 )( )j j j jAF e e
10、H Ae eFwt wt wt wtww w- - - -+= = + 0je wt-(1 )je wt-+ 2 21 1 cos sin (1 cos ) sin 2cos 2je jwt wtwt wt wt wt-+ = + - = + + = 17 第 4章 信 道按照上式畫出的模與角頻率關系曲線： 曲線的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差。而 是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關，故常稱其為頻率選擇性衰落。圖 4-18 多 徑 效 應 2 21 1 cos sin (1 cos ) sin 2cos 2je
11、 jwt wtwt wt wt wt-+ = + - = + + = 18圖 4-18 多 徑 效 應 第 4章 信 道定義：相關帶寬1/ 實際情況：有多條路徑。設m 多徑中最大的相對時延差 定義：相關帶寬1/m多徑效應的影響：多徑效應會使數(shù)字信號的碼間串擾增大。為了減小碼間串擾的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因為，若碼元速率降低，則信號帶寬也將隨之減小，多徑效應的影響也隨之減輕。 19 第 4章 信 道 接收信號的分類 確知信號：接收端能夠準確知道其碼元波形的信號 隨相信號：接收碼元的相位隨機變化 起伏信號：接收信號的包絡隨機起伏、相位也隨機變化。 通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性 20
12、 第 4章 信 道 4.5 信道中的噪聲 噪聲u信道中存在的不需要的電信號。u又稱加性干擾。 按噪聲來源分類 u人為噪聲 例：開關火花、電臺輻射u自然噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲 21 第 4章 信 道 熱噪聲u來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。 u頻率范圍：均勻分布在大約 0 1012 Hz。u熱噪聲電壓有效值： 式中k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)； T 熱力學溫度（K）； R 阻值（）； B 帶寬（Hz）。 u性質：高斯白噪聲4 (V)V kTRB= 22 第 4章 信 道 按噪聲性質分類u脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間
13、短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。 u窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的。可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。 u起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。 23 第 4章 信 道窄帶高斯噪聲u帶限白噪聲：經(jīng)過接收機帶通濾波器過濾的熱噪聲u窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。 u窄帶高斯噪聲功率：式中 Pn(f) 雙邊噪聲功率譜密度( )n nP P f df- = 24
14、第 4章 信 道u噪聲等效帶寬：式中 Pn(f0) 原噪聲功率譜密度曲線的最大值噪聲等效帶寬的物理概念： 以此帶寬作一矩形濾波特性，則通過此特性濾波器的噪聲功率，等于通過實際濾波器的噪聲功率。 利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時，可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。圖 4-19 噪 聲 功 率 譜 特 性 Pn(f)00 0( )( )2 ( ) ( )nnn n nP f dfP f dfB P f P f- = = Pn (f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬 25 第 4章 信 道 4.6 信道容量信道容量 指信道無差錯傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?4.6.1 離散
15、信道容量u兩種不同的度量單位：C 每個符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾礐 t 單位時間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祪烧咧g可以互換 26 第 4章 信 道 4.6.2 連續(xù)信道容量可以證明式中 S 信號平均功率 （W）； N 噪聲功率（W）； B 帶寬（Hz）。 設噪聲單邊功率譜密度為n0，則N = n0B；故上式可以改寫成：由上式可見，連續(xù)信道的容量C t和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個因素有關。 2log 1 ( / )t SC B b sN驏 = + 桫 2 0log 1 ( / )t SC B b sn B驏 = + 桫 27 第 4章 信 道當S ，或n0 0時，
16、Ct 。但是，當B 時，Ct將趨向何值？令：x = S / n0B，上式可以改寫為：利用關系式上式變?yōu)? 0log 1 ( / )t SC B b sn B驏 = + 桫 ( ) 1/0 2 20 0 0log 1 log 1 xt BnS S SC xn S n B n驏 = + = + 桫1/0limln(1 ) 1xx x + = 2 2log log lna e a= 1/2 20 0 0 0lim lim log (1 ) log 1.44xtB x S S SC x en n n= + = 28 第 4章 信 道 上式表明，當給定S / n0時，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會趨于
17、無限大，而只是S / n0的1.44倍。這是因為當帶寬B增大時，噪聲功率也隨之增大。 Ct和帶寬B的關系曲線：1/2 20 0 0 0lim lim log (1 ) log 1.44xtB x S S SC x en n n= + = 圖 4-24 信 道 容 量 和 帶 寬 關 系S/n0 S/n0 BCt 1.44(S/n0) 29 第 4章 信 道上式還可以改寫成如下形式：式中Eb 每比特能量；Tb = 1/B 每比特持續(xù)時間。 上式表明，為了得到給定的信道容量C t，可以增大帶寬B以換取Eb的減??；另一方面，在接收功率受限的情況下，由于Eb = STb，可以增大Tb以減小S來保持Eb
18、和Ct不變。 2 2 20 0 0/log 1 log 1 log 1b b bt E T ESC B B Bn B n B n驏 驏 驏鼢瓏 鼢= + = + = +瓏 鼢瓏 鼢瓏桫 桫 桫2 0log 1 ( / )t SC B b sn B驏 = + 桫 30 第 4章 信 道 【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號每幀有30萬個像素；每個像素有8個亮度電平；各電平獨立地以等概率出現(xiàn)；圖像每秒發(fā)送25幀。若要求接收圖像信噪比達到30dB，試求所需傳輸帶寬。 【解】因為每個像素獨立地以等概率取8個亮度電平，故每個像素的信息量為Ip = -log2(1/ 8) = 3 (b/pix) (4.6-18)并且每幀圖像的信息量為I F = 300,000 3 = 900,000 (b/F) (4.6-19)因為每秒傳輸25幀圖像，所以要求傳輸速率為Rb = 900,000 25 = 22,500,000 = 22.5 106 (b/s) (4.6-20)信道的容量Ct必須不小于此Rb值。將上述數(shù)值代入式：得到22.5 106 = B log2 (1 + 1000) 9.97 B最后得出所需帶寬B = (22.5 106) / 9.97 2.26 (MHz)NSBCt /1log2
通信原理 課件第4章
