《通信原理第四章 (樊昌信第七版).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理第四章 (樊昌信第七版).ppt（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 课 件 通信原理 第7版 樊昌信 曹丽娜 编著 第4章 信道 信道分类 信道模型 恒参 随参信道特性对信号传输的影响 信道噪声 信道容量 本章内容 第4章 信道 传输媒质 l有线信道 明线 电缆 光纤 l无线信道 自由空间或大气层 无线信道举例 地波传播 短波电离层反射 超短波或微波视距中继 卫星 中继 散射及移动无线电信道 概述 n狭义信道 n广义信道 l调制信道 研究调制 解调问题 l编码信道 研究编码 译码问题 信道的定义与分类 地 面 对流层 平流层 电离层 10 km 60 km 0 km l 对流层 约 0 10 km l 平流层 约 10 60 km l 电离层 约 60 40
2、0 km n地球大气层的结构 4 1 无线信道 r地波 ground wave 频率 2 MHz 特性 有绕射能力 距离 数百或数千米 用于 AM广播 r天波 sky wave 频率 2 30 MHz 特性 被电离层反射 距离 30 MHz 特性 直线传播 穿透电离层 用途 卫星和外太空通信 超短波及微波通信 距离 与天线高度有关 r 视线传播 line of sight 无线信道 D 为收发天线间距离 km 设收发天线的架设 高度均为40 m 则最 远通信距离为 D 44 7 km 例如 u 微波中继 微波接力 u 卫星中继 静止卫星 移动卫星 u 平流层通信 Q A 增大视线传播距离的其他
3、途径 远距离通信时 需建立多个中继站 两点间传输距离 30km 50km 无线信道 u 微波中继 优点 容量大 投资少 维护方便 传输质量稳定 应用 远距离传输话音和电视信号 优点 通信容量大 传输质量稳定 传输距离远 覆盖区域广 缺点 传输时延大 信号衰减大 造价高 无线信道 u 卫星中继 对流层散射 频率 100 4000 MHz 距离 600 km 对流层散射通信 地球 有效散射区域 无线信道 r 散射通信 电离层散射 频率 30 60 MHz 距离 1000 km以上 流星余迹 无线信道 r 流星余迹散射 特性 高度80 120 km 长度15 40 km 存留时间 小于1秒至几分钟
4、频率 30 100 MHz 距离 1000 km以上 用途 低速存储 高速突发 断续传输 n明线 n对称电缆 n同轴电缆 n光纤 4 2 有线信道 1880年纽约街貌 n明线 导体绝缘层 双绞线 Twisted Rair 屏蔽双绞线 STP 可减少噪声干扰 非屏蔽双绞线 UTP 便宜 易弯曲 易安装 由 多 对 双绞线组成 每对呈扭绞状 以减 小各线对的相互干扰 特点 传输衰减大 距离短 邻道间有串话干扰 缺点 电话线路 局域网及综合布线工程中的传输介质 应用 有线信道 n对称电缆 由同轴的两个导体组成 内芯 金属导线 外导体 金属编织网 抗电磁干扰能力强 带宽更宽 速率更高 成本较高 解决
5、用光缆代替 干线 组成 优点 相比双绞线 缺点 有线信道 n同轴电缆 宽带 射频 同轴电缆 l75 用于传输模拟信号 l多用于有线电视 CATV 系统 l传输距离可达几十千米 基带同轴电缆 l50 多用于数字基带传输 l速率可达10 Mb s l传输距离 几千米 有线信道 单模阶跃折射率光纤 光纤结构示意图 结构 l纤芯 l包层 按折射率分类 l阶跃型 l梯度型 按模式分类 l多模光纤 l单模光纤 有线信道 n光纤 易碎 接口昂贵 安装和维护需要专门技能 l 传输带宽宽 通信容量大 l 传输衰减小 无中继传输距离远 0 2dB km 几百公里 l 抗电磁干扰 传输质量好 防窃听 耐腐蚀 l 体
6、积小 重量轻 节省有色金属 环保 缺点 长途电话网 有线电视网等的主干线路中 应用 优点 有线信道 信道分类 信道模型 恒参 随参信道特性对信号传输的影响 信道噪声 信道容量 本章内容 第4章 信道 4 3 信道数学模型 1 调制信道模型 n 模型 l有一对 或多对 输入端和输出端 l大多数信道都满足线性叠加原理 l对信号有固定或时变的延迟和损耗 l无信号输入时 仍可能有输出 噪声 n共性 叠加有噪声的线性时变 时不变网络 n入出关系 反映信道 本身特性 u调制信道对信号的影响程度取决 与 的特性 加性噪声 始终存在 乘性干扰 共存共失 调制信道分为 根据信道的时变特性 l 恒参信道 特性基本
7、不随时间变化 l 随参信道 特性随时间随机快变化 u 不同的物理信道具有不同的特性C 常数 可取1 加性高斯白噪声信道模型 1 P 1 0 P 0 1 00 1 1 P 0 0 P 1 1 发送端 接收端 二进制 无记忆 编码信道 模型 可用 转移概率来描述 1 P 0 0 P 1 1 正确 P 1 0 P 0 1 错误 2 编码信道模型 n 模型 0 1 2 33 2 1 0 接收端发送端 四进制 无记忆 编码信道 信道分类 信道模型 恒参 随参信道特性对信号传输的影响 信道噪声 信道容量 本章内容 第4章 信道 4 4 l特点 传输特性随时间缓变或不变 l举例 各种有线信道 卫星信道 1
8、传输特性 幅频特性 相频特性 线性时不变系统 恒参信道 特性及其对信号传输的影响 2 无失真传输 恒参信道 群迟延特性幅频特性相频特性 n无失真传输 理想恒参信道 特性曲线 若输入信号为s t 则理想恒参信道的输出 恒参信道 固定的迟延 固定的衰减 这种情况称为无失真传输 n理想恒参信道的冲激响应 3 失真 影响 措施 恒参信道 群迟延失真 n 幅频失真 含义 影响 影响 n 相频失真 相频特性 典型音频电话信道 幅度衰减特性 群迟延频率特性 恒参信道 1 随参信道举例 指传输特性随时间随机快变的信道 随参信道 特性及其对信号传输的影响 l陆地移动信道 l短波电离层反射信道 l超短波流星余迹散
9、射信道 l超短波及微波对流层散射信道 l超短波电离层散射 l超短波超视距绕射 2 随参信道特性 随参信道 l 衰减随时间变化 l 时延随时间变化 l 多径传播 多径传播 示意图 3 多径效应 第i条路径 接收信号振幅 经过n条路径传播 各路径有时变的衰落和时延 多径传播的影响 传输时延 则接收信号为 设发送信号为 幅度恒定 频率单一 根据概率论中心极限定理 当 n 足够大时 x t 和y t 趋于正态分布 同相 正交形式 包络 相位形式 瑞利 分布 均匀 分布 多径效应 包络 相位 随机 缓变 的 窄带 信号 波形 发送信号接收信号 频谱 l 多径传播使信号产生瑞利型衰落 l 多径传播引起频率
10、弥散 结论 我们更关心的问题 多径传播 对于一个复杂信号 f t 实际 情况 的影响如何呢 两径 多径 多径效应 多径效应 传输衰减均为 K 传输时延分别为 和 发射信号 接收信号 设两条路径的信道为 f t fo t K f t K f t 信道传输函数 fo t 相对时延差 则接收信号为 常数衰减因子 确定的传输时延因子 与信号频率有关的复因子 u 信道对信号不同的频率成分 将有不同的衰减 频率选择性衰落 如何减小 信道幅频特性 u 信道相关带宽 定义 相邻传输零点的频率间隔 工程经验公式 4 减小频率选择性衰落的措施 f u 应使信号带宽 Bs 1 3 1 5 f u 数字信号的码元宽度
11、 Ts 3 5 RB m Bs f 归纳 l 衰减随时间变化 l 时延随时间变化 l 多径传播 n 随参信道特性 n 多径效应 l瑞利型衰落 l频率弥散 l频率选择型衰落 l 分集接收 l 扩频技术 l OFDM等 n 减小衰落的措施 Bs 1 3 1 5 f 信道分类 信道模型 恒参 随参信道特性和对信号传输的影响 信道噪声 信道容量 本章内容 第4章 信道 1 何谓噪声 l信道中存在的不需要的电信号 l它独立于信号始终存在 又称加性干扰 l它使信号失真 发生错码 限制传输速率 n 按 噪 声 来 源 2 噪声类型 4 5 信道噪声 人为噪声 自然噪声 内部噪声 如热噪声 脉冲噪声 窄带 单
12、频噪声 起伏噪声 热噪声 散弹噪声和宇宙噪声 起伏噪声 n 按 噪 声 性 质 热噪声 l 来自一切电阻性元器件中电子的热运动 l 均匀分布在 0 1012 Hz 频率范围 l 性质 高斯白噪声 式中 k 1 38 10 23 J K 波耳兹曼常数 T 热力学温度 K R 阻值 B 带宽 Hz 热噪声电压有效值 归纳 n信道加性噪声n t l代表 起伏噪声 热噪声等 l性质 高斯白噪声 l n t 窄带高斯噪声 l 平均功率 l 噪声等效带宽 l 功率谱 噪声等效带宽 Pn f 接收 滤波器 特性 通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率 通过实际接收滤波器的噪声功率 物理 意义 n窄带高斯噪声
13、Pn f0 信道分类 信道模型 恒参 随参信道特性和对信号传输的影响 信道噪声 信道容量 本章内容 第4章 信道 指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率 1 离散信道容量 4 6 信道容量 式中 P xi 发送符号xi的概率 i 1 2 3 n 1 信源发送的平均信息量 熵 2 因信道噪声而损失的平均信息量 式中 P yj 收到yj的概率 j 1 2 3 m P xi yj 收到yj后判断发送的是xi的转移概率 3 信息传输速率R 信道每秒传输的平均信息量 H x H x y 是接收端得到的平均信息量 r 信道每秒传输的符号数为 符号速率 最大信息传输速率 对一切可能的信源概率分布 求R的最
14、大值 含义 每个符号能够传输的最大平均信息量 4 信道容量Ct 等价式 S 信号平均功率 W B 带宽 Hz n0 噪声单边功率谱密度 N n0B 噪声功率 W 2 连续信道容量 由香农信息论可证 白噪声背景下的连续信道容量为 香农公式 等价式 若 Rb C 则总能找到一种信道编码方式 实现无 差错传输 若传输速率大于信道容量 则不可能实现无差 错传输 意义 当信号和信道噪声的平均功率给定时 在具有一定 频带宽度的信道上 理论上单位时间内可能传输的信息 量的极限数值 含义 信道容量 C依赖于 B S 和 n0 增大 S 可增加 C 若S 趋于无穷 则C趋于无穷 减小 n0 可增加 C 若n0
15、趋于 0 则C趋于无穷 增大 B 可增加 C 但不能使 C无限制增大 当 B趋于无穷时 C 将趋向一个定值 结论 信道容量和带宽关系 S n0 S n0 B C 1 44 S n0 l C一定时 信道带宽B 信噪比S N 传输时间t 三 者之间可以互相转换 l 增加B 可以换取S N的降低 反之亦然 l 若S N不变 增加B 可以换取 t 的减少 应用 例如 30dB 图片传输 每幅含2 25 106个像素 每个像素有12个 亮度电平 它们等概独立出现 线路传输条件为 B 3KHz S N 30dB 求传输图片所需的最小时间 例 每个像素的信息量 一幅图片的信息量 解 配套辅导教材 曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识 归纳结论 梳理关系 引导主线 剖析难点 解惑疑点 强化重点 点击考点 谢谢 此课件下载可自行编辑修改 此课件供参考 部分内容来源于网络 如有侵权请与我联系删除
