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1、4.1 信道 4.2 信道的数学模型 4.3 信道特性对信号传输的影响 4.4 信道的加性噪声 4.5 信道的容量,引言,信号的传输离不开信道,而信道的噪声是不可避免的。因而信道和噪声是通信中所要研究的重要内容。 本章在介绍信道定义和信道模型的基础上,着重分析信道特性及其对信号传输的影响,并介绍信道的噪声和信道容量。,4. 1 信道,概念:就是信号传输的媒质 根据通信的概念,信号必须依靠传输介质传输,所以传输介质被定义为狭义信道。另一方面,信号还必须经过很多设备(发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等)进行各种处理,这些设备显然也是信号经过的途径,因此,把传输介质(狭义信道)和信号必须经过的
2、各种通信设备统称为广义信道。,信道的分类:,调制器,发转换器,媒质,收转换器,解调器,编码器,译码器,调制信道与编码信道,调制信道,信源,信宿,编码信道,多模,(1)明线 与电缆相比,它的优点是传输损耗低。但它易受气候和天气的影响,并且对外界噪声干扰较敏感,(2)对称电缆 在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。 导线材料是铝或铜,直径为0.41.4mm。 为了减小各线对之间的相互干扰,每一对线都拧成扭绞状。 通常有两种类型: 非屏蔽(UTP) 和屏蔽(STP)。,特点 电缆的传输损耗比较大 但其传输特性比较稳定 并且价格便宜 安装容易 对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路,在许多
3、局域网如以太网、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。STP电缆的特性同UTP的特性相同,由于加入了屏蔽措施。对噪声有更好的屏蔽作用,但是其价格要昂贵一些.,(3)同轴电缆,由同轴的两个导体构成,外导体是一个圆柱形的导体,内导体是金属线,它们之间填充着介质。实际应用中同轴电缆的外导体是接地的,对外界干扰具有较好的屏蔽作用,所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。 在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。,为了增大容量,也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内,构成多芯同轴电缆,另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组,作为传输控制信号用。,(4).光纤,分为单模光纤、多模光纤。,光纤线径细、重
4、量轻 ;由于不受外界电磁干扰和噪声的影响,能在长距离、高速率传输中保持低误码率 ;可弯曲半径小、不怕腐蚀、安全保密性好、节省有色金属。,无线信道,地波(2MHz以下;绕射),天波(2MHz-30MHz;反射),视距(30MHz以上;透射),卫星通信、平流层通信,散射传播:电离层散射、对流层散射、流星余迹散射,无线电视距中继 无线电中继信道具有传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠,以及和同轴电缆相比,可以节省有色金属等优点,卫星中继信道 卫星中继信道具有通信距离远、覆盖面积大、传播稳定可靠、传输容量大、通信线电路灵活、机动性好等突出的优点。,4.2 信道的数学模型,调制器,发转换器,媒质,收转换
5、器,解调器,编码器,译码器,调制信道与编码信道,调制信道,信源,信宿,编码信道,(1)二对端网络 (2)多对端网络,调制信道模型,表示已调信号通过网络所发生的变换,假定可以用 表示。 依赖于网络的特性,对 来说是一种干扰(乘性干扰), 表示加性干扰,上式可以表示为:,对二对端的信号模型,输入与输出的关系:,调制信道模型:,信道对信号的影响主要有:乘性干扰和加性干扰。 通常乘性干扰是一个复杂的函数,它可能包括各种线性畸变、非线性畸变,同时由于信道的迟延、损耗特性随时间作随机变化,故k(t)只能用随机过程表示。经大量观察表明,有些信道的k(t)基本不随时间变化,即信道对信号的影响是固定的或变化极为
6、缓慢,这类信道称为恒定参数信道。有些信道的k(t) 是随机快变化的,这类信道称为随机参量信道。,编码信道模型 编码信道模型对信号的影响是一种数字序列的变换 ,用数字的转移概率来描述。 P(x/y)表示发端发“y”码而收端判为“x”码的概率 。 由此我们知道P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率,而P(0/1)与P(1/0)是错误转移概率。 P(0/0)=1-P(1/0) P(1/1)=1-P(0/1),二进制编码信道模型图 四进制编码信道模型,4.3 信道特性对信号传输的影响,若要求已调信号 在信道中无失真的传输,则在时域上信道输出信号 和 之间应满足,式中,幅度衰减因子K及延迟时间td均
7、为常数,上式被称为无失真传输的数学模型,信号无失真传输:,对其两端求傅立叶变换,有 -jtd Fo()= KFi()e 由于 Fo()= H()Fi() 得到信道无失真传输在频域的条件,即传输函数为 j() -jtd H(j)= |H()|e = Ke 所以信道无失真传输在频域中的幅频、相频条件为 H()= K ()= td,(1)幅频特性 (2)相频特性,无失真传输的幅频条件和相频条件,理想群延迟频率特性,k,1幅度-频率失真 已调信号中各频率分量在通过信道时带来不同的衰减(或增益),所造成的合成输出信号的失真(畸变)。 2相位-频率失真 已调信号中各频率分量相位移动引起的失真,即不同频率的
8、信号分量不能有相同的时间延迟。,恒参信道特性及其对信号传输的影响,(,(1)原信号 (2)经迟延时后的信号 群迟延产生失真的例子,恒参信道特性及其对信号传输的影响,相位抖动(振荡器频率不稳),谐波失真(单频幅度增益不均匀),线性失真,振幅失真,相位失真,频率偏移(频谱平移),信号的失真,(3)多径传输多经传播的几种主要形式: (a)一次反射和两次反射; (b)反射区高度不同; (c)寻常波与非寻常波; (d)漫射现象,随参信道及其对信号传输的影响,随参信道的传输媒质具有三个特点: 1对信号的衰耗随时间而变化 2传输的时延随时间而变化 3多径传播,随参信道及其对信号传输的影响,多径传播:由发射点
9、出发的电波可能经多条路径到达接收点。,4.4 随参信道及其对信号传输的影响,设发射波为 经n条路径传播后的接收信号为R(t), 第i条路径的接收信号振幅,第i条路径的传输时延,设,由于 , 缓慢变化,故 及 也缓慢变化,所以,R(t)可视为一个窄带高斯过程。,高斯随机变量,多径传播使确定的载波信号变为包络和相位受到调制的窄带信号,称为衰落信号。,多径传播引起了频率弥散。,两径传播模型,f(t)F(),V0f(t-t0)V0F()e -jt0,V0f(t-t0-)V0F()e -j(t0+),V0f(t-t0)+ V0f(t-t0-) V0F()e-jt0(1+e - j),于是,当两径传播时,
10、模型的传输特性H()为,所求的传输特性除常数因子V0外,是由一个模值为1,固定时延为t0的网络与另一个特性为 的网络级联所组成。而后一个网络的模特性(幅度频率特性)为: 由此可见,两径传播的模特性将依赖于|cos/2|,这就是说,对不同的频率,两径传播的结果将有不同的衰减。上述概念可以推广到多径传播中去 ,设最大多径时延差为 ,则定义 为了不引起明显的选择性衰落,传输信号的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽 f。,频率的选择性衰落,随参信道特性的改善分集接收 如果在接收端同时获得几个不同路径的信号,把这些信号适当合并,构成总的接收信号,这样就能大大减小衰落的影响。这就是分集接收的基本思想。主要
11、有如下几种分集方式: (1)空间分集 (2)频率分集 (3)角度分集 (4)极化分集 技术在接收分散的几个信号后,要将其合并,合并的方法主要有: (1)最佳选择式 (2)等增益相加式 (3)最大比值相加式,加性噪声独立于有用信号,但它始终干扰有用信号,引起有用信号的幅度失真(幅度抖动)和相位失真(相位抖动),对通信造成不可避免的危害。 信道中加性噪声(简称噪声)的来源,一般有两类: 人为噪声:电器电磁影响等 自然噪声:热噪声等,4.4 信道的加性噪声,以无限小的差错率和无限大的速率传输信息,这是人们对通信系统的希望。但可靠性和有效性是一对矛盾,不可能两者都达到理想状态。实际工程中,一个现实的折
12、衷方案是在满足可靠性的前提下尽可能提高信息速率。传输的最大平均信息速率被称为信道容量。,4.5 信道的容量,1 离散信道的信道容量,(a)无噪声信道 (b) 有噪声信道 离散信道模型,信源的符号在离散信道种传输,由于噪声 的干扰,发x可能收到y。 设H (x)为信源种各个符号的平均信息量,H (x/y)为因发x而收y造成的信息量的损失。则传输过程中每个符号实际承载的平均信息量为: H (x) - H (x/y) 设单位时间传送的符号数为r,则信息传输速率为:R = r H (x) - H (x/y) ,例:信源由0,1组成,2进制等该发送,速率:1000符号 /S ,信道为对称信道,错误概率为
13、=1/128。1.画出信道模型图;2.求信道容量C和Ct;,香农公式:调制信道带宽为B(Hz),且受到单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声的干扰,信号的平均功率为S(W),则信道传输的最大信息速率(信道容量)为:,2 连续信道的信道容量,1若提高信噪比S/N,则信道容量C也提高; 2若n00,则C,这意味着无干扰信道容量为无穷大; 3若增加信道带宽B,则信道容量C也增加,但不能无限制的增加,即当B时,C1.44S/ n0; 4C一定时,B与S/N可进行互换; 5若信源的信息速率R小于或等于信道容量C,则理论上可实现无误差(任意小的差错率)传输。若RC,则不可能实现无误差传输。,例:黑白电视图像每帧含有3105个像素,每个像素有16个等概出现的亮度等级。要求每秒钟传输30帧图像。若信道输出S/N=30 dB,计算传输该黑白电视图像所要求的信道的最小带宽。,解: 每个像素携带的平均信息量为 H(x)=(log216) bit/符号=4 bit/符号 一帧图像的平均信息量为 I=(43105) bit=12105 bit 每秒钟传输30帧图像时的信息速率为 Rb=(1210530) bit/s=36 Mbit/s,令:,得,即传输该黑白电视图像所要求的最小带宽为3.61 MHz。,作业:4-5,4-6,4-7.,