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1、1通信原理樊昌信第4章通信原理第第4章章 信信 道道2通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l信道分類：信道分類：n無線信道 電磁波（含光波）n有線信道 電線、光纖l信道中的干擾：信道中的干擾：n有源干擾 噪聲n無源干擾 傳輸特性不良l本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：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?通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l4.1 無線信道無線信道n無線信道電磁波的頻率 受天線尺寸限制n地球大氣層的結(jié)構(gòu)u對流層：地面上 0 10 kmu平流層：約10 60 kmu電離層：約60 400 km地 面對流層平流層電離層10 km60 km0 km4通信原理樊昌信第
2、4章n電離層對于傳播的影響u反射u散射n大氣層對于傳播的影響u散射u吸收頻率(GHz)(a)氧氣和水蒸氣（濃度7.5 g/m3）的衰減頻率(GHz)(b)降雨的衰減衰減(dB/km)衰減 (dB/km)水蒸氣氧氣降雨率圖4-6 大氣衰減第第4章章 信信 道道5通信原理樊昌信第4章傳播路徑地 面圖4-1 地波傳播地 面信號傳播路徑圖 4-2 天波傳播第第4章章 信信 道道n電磁波的分類：u地波p頻率 2 MHzp有繞射能力p距離：數(shù)百或數(shù)千千米 u天波p頻率：2 30 MHzp特點(diǎn)：被電離層反射p一次反射距離：30 MHzp距離:和天線高度有關(guān)(4.1-3)式中，D 收發(fā)天線間距離(km)。例
3、若要求D=50 km，則由式(4.1-3)p增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星平流層通信：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖 4-3 視線傳播圖4-4 無線電中繼第第4章章 信信 道道m(xù)7通信原理樊昌信第4章圖4-7 對流層散射通信地球有效散射區(qū)域第第4章章 信信 道道u散射傳播p電離層散射機(jī)理 由電離層不均勻性引起頻率 30 60 MHz距離 1000 km以上p對流層散射機(jī)理 由對流層不均勻性（湍流）引起頻率 100 4000 MHz最大距離 600 km8通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道p流星流星余跡散射 流星余跡特點(diǎn) 高度80 120 k
4、m，長度15 40 km 存留時(shí)間：小于1秒至幾分鐘頻率 30 100 MHz距離 1000 km以上特點(diǎn) 低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸圖4-8 流星余跡散射通信流星余跡9通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l4.2 有線信道有線信道n明線10通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n對稱電纜：由許多對雙絞線組成n同軸電纜圖4-9 雙絞線導(dǎo)體絕緣層導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10 同軸線11通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n光纖u結(jié)構(gòu)p纖芯p包層u按折射率分類p階躍型p梯度型u按模式分類p多模光纖p單模光纖折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2單模階躍折
5、射率光纖單模階躍折射率光纖圖4-11 光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)12通信原理樊昌信第4章u損耗與波長關(guān)系p損耗最小點(diǎn)：1.31與1.55 m第第4章章 信信 道道0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波長（m）1.55 m1.31 m圖4-12光纖損耗與波長的關(guān)系13通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l4.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型n信道模型的分類：u調(diào)制信道u編碼信道編碼信道調(diào)制信道14通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n4.3.1 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(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋盒诺罃?shù)學(xué)模型f ei(t)
6、e0(t)ei(t)n(t)圖4-13 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型15通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u因k(t)隨t變，故信道稱為時(shí)變信道。u因k(t)與e i(t)相乘，故稱其為乘性干擾。u因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道。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(diǎn)：當(dāng)沒有信號時(shí)，沒有乘性干擾。16通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n4.3.2 編碼信道模型編碼信道模型 u二進(jìn)制編碼信道簡單模型 無記憶信道模型pP(0/0)和P(1/1)正確轉(zhuǎn)移概率pP(1/0)和P(0/1)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率pP(0/0)=1 P(1/0)pP(1/1)=1 P(0/1)
7、P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)圖4-13 二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端17通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u四進(jìn)制編碼信道模型 01233210接收端發(fā)送端18通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫π盘杺鬏數(shù)挠绊憂恒參信道的影響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(shí)變線性網(wǎng)絡(luò) 信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件：p振幅頻率特性：為水平直線時(shí)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19通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道p相位頻率特性：要求其為
8、通過原點(diǎn)的直線，即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無失真群時(shí)延定義：頻率(kHz)（ms）群延遲(b)群延遲頻率特性0相位頻率特性20通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u頻率失真：振幅頻率特性不良引起的p頻率失真 波形畸變 碼間串?dāng)_p解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償u相位失真：相位頻率特性不良引起的p對語音影響不大，對數(shù)字信號影響大p解決辦法：同上u非線性失真：p可能存在于恒參信道中p定義：輸入電壓輸出電壓關(guān)系 是非線性的。u其他失真：頻率偏移、相位抖動非線性關(guān)系直線關(guān)系圖4-16 非線性特性輸入電壓輸出電壓21通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n變參信道的影響u變參信道：又稱時(shí)變信道，信道參數(shù)隨時(shí)間而變
9、。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：p衰減隨時(shí)間變化p時(shí)延隨時(shí)間變化p多徑效應(yīng)：信號經(jīng)過幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。下面重點(diǎn)分析多徑效應(yīng)22通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u多徑效應(yīng)分析：設(shè) 發(fā)射信號為 接收信號為(4.4-1)式中 由第i條路徑到達(dá)的接收信號振幅；由第i條路徑達(dá)到的信號的時(shí)延；上式中的 都是隨機(jī)變化的。23通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道應(yīng)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(gè)分量組成的。這兩個(gè)分量的振幅分別是緩
10、慢隨機(jī)變化的。式中 接收信號的包絡(luò) 接收信號的相位 緩慢隨機(jī)變化振幅緩慢隨機(jī)變化振幅24通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道所以，接收信號可以看作是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號：結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時(shí)，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號。這種包絡(luò)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。25通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u多徑效應(yīng)簡化分析：設(shè) 發(fā)射信號為：f(t)僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時(shí)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(shí)延，兩條路徑的
11、時(shí)延差。求：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設(shè)f(t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F()：26通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道（4.4-8）則有上式兩端分別是接收信號的時(shí)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(shí)延，和信號頻率有關(guān)的復(fù)因子，其模為27通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道按照上式畫出的模與角頻率關(guān)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(shí)延差。而 是隨時(shí)間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強(qiáng)度隨時(shí)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(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落。圖4-18 多徑效應(yīng)28通信
12、原理樊昌信第4章圖4-18 多徑效應(yīng)第第4章章 信信 道道定義：相關(guān)帶寬1/實(shí)際情況：有多條路徑。設(shè)m 多徑中最大的相對時(shí)延差 定義：相關(guān)帶寬1/m多徑效應(yīng)的影響：多徑效應(yīng)會使數(shù)字信號的碼間串?dāng)_增大。為了減小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因?yàn)?，若碼元速率降低，則信號帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。29通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n接收信號的分類u確知信號：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號 u隨相信號：接收碼元的相位隨機(jī)變化 u起伏信號：接收信號的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化。通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性 30通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道
13、道l4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲n噪聲u信道中存在的不需要的電信號。u又稱加性干擾。n按噪聲來源分類u人為噪聲 例：開關(guān)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31通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n熱噪聲u來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)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(xué)溫度（K）；R 阻值（）；B 帶寬（Hz）。u性質(zhì)：高斯白噪聲32通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n按噪聲性質(zhì)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(shí)間比間隔時(shí)間短得
14、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(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的?？梢钥醋魇且环N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(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。33通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n窄帶高斯噪聲u帶限白噪聲：經(jīng)過接收機(jī)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34通信原理樊昌信第4章第第4
15、章章 信信 道道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(shí)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(shí)，可以認(rèn)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)Pn(f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬35通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l4.6 信道容量信道容量信道容量 指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。n 4.6.1 離散信道容量離散信道容量u兩種不同的度量單位：pC 每個(gè)符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祊Ct 單位時(shí)間
16、（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祊兩者之間可以互換36通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u計(jì)算離散信道容量的信道模型p發(fā)送符號：x1，x2，x3，xnp接收符號：y1，y2，y3，ympP(xi)=發(fā)送符號xi 的出現(xiàn)概率，i 1，2，n；pP(yj)=收到y(tǒng)j的概率，j 1，2，m pP(yj/xi)=轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)送xi的條件下收到y(tǒng)j的條件概率x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端xn。ym圖4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)37通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u計(jì)算收到一個(gè)符號時(shí)獲得的平均信息量p從信息量的概念得知：
17、發(fā)送xi時(shí)收到y(tǒng)j所獲得的信息量等于發(fā)送xi前接收端對xi的不確定程度（即xi的信息量）減去收到y(tǒng)j后接收端對xi的不確定程度。p發(fā)送xi時(shí)收到y(tǒng)j所獲得的信息量=-log2P(xi)-log2P(xi/yj)p對所有的xi和yj取統(tǒng)計(jì)平均值，得出收到一個(gè)符號時(shí)獲得的平均信息量：平均信息量/符號 38通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道平均信息量/符號 式中為每個(gè)發(fā)送符號xi的平均信息量，稱為信源的熵熵。為接收yj符號已知后，發(fā)送符號xi的平均信息量。由上式可見，收到一個(gè)符號的平均信息量只有H(x)H(x/y)，而發(fā)送符號的信息量原為H(x)，少了的部分H(x/y)就是傳輸錯(cuò)誤率引起的損
18、失。39通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u二進(jìn)制信源的熵p設(shè)發(fā)送“1”的概率P(1)=，則發(fā)送“0”的概率P(0)1-當(dāng) 從0變到1時(shí)，信源的熵H()可以寫成：p按照上式畫出的曲線：p由此圖可見，當(dāng) 1/2時(shí)，此信源的熵達(dá)到最大值。這時(shí)兩個(gè)符號的出現(xiàn)概率相等，其不確定性最大。圖4-21 二進(jìn)制信源的熵H()40通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u無噪聲信道p信道模型p發(fā)送符號和接收符號有一一對應(yīng)關(guān)系。p此時(shí)P(xi/yj)=0；H(x/y)=0。p因?yàn)?，平均信息?符號 H(x)H(x/y)p所以在無噪聲條件下，從接收一個(gè)符號獲得的平均信息量為H(x)。而原來在有噪聲條件下，
19、從一個(gè)符號獲得的平均信息量為H(x)H(x/y)。這再次說明H(x/y)即為因噪聲而損失的平均信息量。x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端。yn圖4-22 無噪聲信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn41通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u容量C的定義：每個(gè)符號能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?(比特/符號)p當(dāng)信道中的噪聲極大時(shí)，H(x/y)=H(x)。這時(shí)C=0，即信道容量為零。u容量Ct的定義：(b/s)式中 r 單位時(shí)間內(nèi)信道傳輸?shù)姆枖?shù)42通信原理樊昌信第4章0011P(0/0)=127/128P(1/1)=127/128P(1/0)=1/128P(0/1
20、)=1/128發(fā)送端圖4-23 對稱信道模型接收端第第4章章 信信 道道u【例4.6.1】設(shè)信源由兩種符號“0”和“1”組成，符號傳輸速率為1000符號/秒，且這兩種符號的出現(xiàn)概率相等，均等于1/2。信道為對稱信道，其傳輸?shù)姆栧e(cuò)誤概率為1/128。試畫出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct?！窘狻看诵诺滥Ｐ彤嫵鋈缦拢?3通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道此信源的平均信息量（熵）等于：（比特/符號）而條件信息量可以寫為現(xiàn)在P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，并且考慮到P(y1)+P(y2)=1，所以上式可以改寫為44通信原
21、理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道平均信息量/符號H(x)H(x/y)=1 0.045=0.955 （比特/符號）因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號損失的信息量為H(x/y)=0.045（比特/符號）信道的容量C等于：信道容量Ct等于：45通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道n 4.6.2 連續(xù)信道容量連續(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(shè)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Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個(gè)因素有關(guān)。46通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道當(dāng)S ，或n0 0時(shí)，
22、Ct 。但是，當(dāng)B 時(shí)，Ct將趨向何值？令：x=S/n0B，上式可以改寫為：利用關(guān)系式上式變?yōu)?7通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道 上式表明，當(dāng)給定S/n0時(shí)，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會趨于無限大，而只是S/n0的1.44倍。這是因?yàn)楫?dāng)帶寬B增大時(shí)，噪聲功率也隨之增大。Ct和帶寬B的關(guān)系曲線：圖4-24 信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)48通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道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(shí)間。上式表明，為了得到給定的信道容量Ct，可以增大帶寬B以換取Eb的減?。涣硪环矫?，在接收功率受限
23、的情況下，由于Eb=STb，可以增大Tb以減小S來保持Eb和Ct不變。49通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道u【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號每幀有30萬個(gè)像素；每個(gè)像素有8個(gè)亮度電平；各電平獨(dú)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(dá)到30dB，試求所需傳輸帶寬?！窘狻恳?yàn)槊總€(gè)像素獨(dú)立地以等概率取8個(gè)亮度電平，故每個(gè)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IF=300,000 3=900,000 (b/F)(4.6-19)因?yàn)槊棵雮鬏?5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)50通信原理樊昌信第4章第第4章章 信信 道道l4.7 小結(jié)小結(jié)51通信原理樊昌信第4章
通信原理樊昌信第4章1-課件
