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1、1基本内容基本内容n信道定义信道定义n信道数学模型信道数学模型n恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响n随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响21. 信道定义信道定义(1)n影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的不理想和信道传输特性的不理想n信道：信号通道，必不可少信道：信号通道，必不可少n狭义信道：信号的传输媒质狭义信道：信号的传输媒质(在发送器和接收器在发送器和接收器之间的物理通路之间的物理通路)n导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播
2、n金属导体：双绞线、金属导体：双绞线、 同轴电缆同轴电缆n光纤光纤n非导向媒体：自由空间非导向媒体：自由空间n无线电无线电(短波、微波、卫星短波、微波、卫星)、红外线、红外线31. 信道定义信道定义(2)双绞线双绞线双绞线双绞线电话业务电话业务电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆AM AM 无线电无线电无线电无线电FM FM 无线电和无线电和无线电和无线电和 TVTV地面微波接力地面微波接力地面微波接力地面微波接力 光纤光纤光纤光纤 卫星卫星卫星卫星 10 102 210103 310104 410105 510106 610107 710108 810109 9101010101
3、01011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电无线电无线电红外线红外线红外线红外线紫外线紫外线紫外线紫外线可见光可见光可见光可见光微波微波微波微波 HzHz海事无线电海事无线电海事无线电海事无线电41. 信道定义信道定义(3)n广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备所构成的部份所构成的部份n调制信道：从调制器输出端到解调器输入端调制信道：从调制器输出端到解调器输入端n编码信道：从编码器输出端到译码器输入端编码信道：从编码器输出端到译码器输入端n根据具体问题来选择不同类型的信道根
4、据具体问题来选择不同类型的信道 已调信号已调信号已调信号已调信号 数字序列数字序列数字序列数字序列52. 信道数学模型信道数学模型(1)n反映信道输出和输入之间的关系反映信道输出和输入之间的关系n调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真情调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续变化况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续变化的，故也称为连续信道，甚至称为信道的，故也称为连续信道，甚至称为信道n具有一对具有一对(或多对或多对)输入和输出端输入和输出端n绝大多数信道是线性的绝大多数信道是线性的n有时延、损耗有时延、损耗n输入信号为输入信
5、号为0时，信道输出端仍有一定功率输出时，信道输出端仍有一定功率输出62. 信道数学模型信道数学模型(2)n f ：信道线性算子：信道线性算子n恒参信道：恒参信道： f 非时变线性算子非时变线性算子n时变信道：时变信道： f 时变线性算子时变线性算子n随参信道：随参信道： f 随时间随机变化随时间随机变化n(t) 加性噪声加性噪声(干扰干扰)，与，与ei (t) 独立独立 乘性干扰，包括各种线性和非线性畸变乘性干扰，包括各种线性和非线性畸变72. 信道数学模型信道数学模型(3)n编码信道模型编码信道模型n一种数字序列的变换，也称为离散或数字信道一种数字序列的变换，也称为离散或数字信道n包含调制信
6、道包含调制信道n噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码率而不是噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码率而不是信号失真情况信号失真情况n无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元的取值无关后码元的取值无关n有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元的取值有关后码元的取值有关 依赖于调制信道的性能依赖于调制信道的性能使用转移概率来描述使用转移概率来描述82. 信道数学模型信道数学模型(4)n无记忆二进制编码信道模型无记忆二进制编码信道模型n对称编码信道：二进制编码信道的转移概率对称编码信道：二进制编码信道的转移概率
7、 P (0/1) = P (1/0)n非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率 P (0/1) P (1/0)n无记忆四进制编码信道模型无记忆四进制编码信道模型93.1 恒参信道举例恒参信道举例(1)n双绞线双绞线n既可用于模拟传输，也可用于数据传输既可用于模拟传输，也可用于数据传输n带宽依赖于线的粗细和传输距离带宽依赖于线的粗细和传输距离n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线(UTP)n屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP): 以箔屏蔽来减少干扰以箔屏蔽来减少干扰103.1 恒参信道举例恒参信道举例(2)n同轴电缆同轴电缆n基带同轴电缆：基带同轴电缆：50 ，为，为数据通
8、信传输数据通信传输基带数字信基带数字信号，局域网中广泛使用号，局域网中广泛使用n10Mb/s, 1kmn宽带同轴电缆：宽带同轴电缆：75 ，多，多用于用于CATV系统，传送频分系统，传送频分复用的模拟信号复用的模拟信号n6MHz/300400MHz，100kmn单向放大器单向放大器铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体保护套保护套113.1 恒参信道举例恒参信道举例(3)n光纤光纤n纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息信息n光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光调制器光调制器光纤线路光纤线路光源光源调
9、制电信号调制电信号调制电信号调制电信号基带处理基带处理光探测器光探测器解调电信号解调电信号解调电信号解调电信号基带处理基带处理123.1 恒参信道举例恒参信道举例(4)n常用的三个波长窗口常用的三个波长窗口133.1 恒参信道举例恒参信道举例(5)n光纤的传送模式光纤的传送模式多模阶跃光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤多模阶跃光纤输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号多模缓变光纤多模缓变光纤多模缓变光纤多模缓变光纤单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤 波长波长波长波长 : 1300,1550 nm: 1300,1550 nmh2h2h1h1波长波长波长波长 : 850,1300 nm: 850,130
10、0 nmh2h2h1h1纤芯纤芯纤芯纤芯/ /包层特性包层特性包层特性包层特性输出电信号输出电信号输出电信号输出电信号h1h1h2h2光纤的直径减小到光纤的直径减小到一个光波波长一个光波波长143.1 恒参信道举例恒参信道举例(6)n光纤的特点光纤的特点n传送速率高，通信容量大传送速率高，通信容量大(2530THz带宽带宽/波段波段)。目前，在试验室中光纤带宽超过目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps；8 2.5 Gbps，8 10Gbps ，32 10Gbps系统系统已经实用已经实用n传输损耗小传输损耗小(f 时，时，R(t) 波形一定有畸变，产生波形一定有畸变，产生频率选择性衰落；频率选
11、择性衰落；n 当信号带宽当信号带宽B f 时，时， R(t) 时强时弱时强时弱(与与有关有关)，属于平坦性衰落属于平坦性衰落(一般性衰落一般性衰落)；n 为了不引起明显的频率选择性衰落，为了不引起明显的频率选择性衰落，B 应小于应小于f 且且采用分集接收等技术使信号稳定。采用分集接收等技术使信号稳定。 相关带宽相关带宽相关带宽相关带宽334.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(1)n由于存在多径与时变性，随参信道中的信号在接收端有可由于存在多径与时变性，随参信道中的信号在接收端有可能会受到严重的衰减。能会受到严重的衰减。n衰减使得接收端不可能正确地判断发送信号，除非有其它衰减使得接收端不
12、可能正确地判断发送信号，除非有其它的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集被称为分集(diversity)。n分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起来的移动通信中的一项重要技术。来的移动通信中的一项重要技术。n分集接收基本思路：将接收到的多径信号分离成不相关的分集接收基本思路：将接收到的多径信号分离成不相关的(独立的独立的)多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大起来，使接收的有用信号能
13、量最大n对数字系统而言，使接收端的误码率最小对数字系统而言，使接收端的误码率最小n对模拟系统而言，提高接收端的信噪比对模拟系统而言，提高接收端的信噪比344.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(2)n分集方式分集方式n时间分集：采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本时间分集：采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本n频率分集：在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的频率分集：在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的副本副本n空间分集：利用多副天线实现空间分集：利用多副天线实现n为获得好的分集效果，时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之为获得好的分集效果，时
14、间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，而空间间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，而空间分集为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性，要求各副天分集为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性，要求各副天线之间的距离要足够大线之间的距离要足够大(大于若干个波长大于若干个波长)n由上可见，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传由上可见，空间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。输速率的同时获得分集增益，因而得到了广泛的应用。n常用的空间分集有接收分集、发送分集、极化分集和角度分集等。
15、常用的空间分集有接收分集、发送分集、极化分集和角度分集等。354.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(3)n时频分集时频分集(混合分集之一，以四时四频分集为例混合分集之一，以四时四频分集为例) ：将：将一个码元宽度时间一个码元宽度时间Ts等分四份为等分四份为4个时间段个时间段，分别传，分别传输输4个载频个载频，不同代码传输顺序不同。，不同代码传输顺序不同。n在在Ts内只要能正确接收到一个频率，就可判断在内只要能正确接收到一个频率，就可判断在Ts内内传输的信息代码传输的信息代码信息代码信息代码 时频编码时频编码 00 f1、f2、f3、f4 01 f2、f1、f4、f3 10 f3、f4、
16、f1、f2 11 f4、f3、f2、f1364.3 随参信道特性的改善随参信道特性的改善(4)n信号合并方式信号合并方式n最佳选择式合并：选最佳选择式合并：选择信噪比最好的一路择信噪比最好的一路信号信号n等增益合并：各支路等增益合并：各支路信号以相同的增益直信号以相同的增益直接相加接相加n最大比合并：各支路最大比合并：各支路增益与本支路信噪比增益与本支路信噪比成正比成正比 图中图中n为分集重数，为分集重数，r为合并为合并后输出信噪比的平均值。后输出信噪比的平均值。37思考题和作业思考题和作业n什么是调制信道？什么是编码信道？什么是调制信道？什么是编码信道？n什么是恒参信道？什么是随参信道？举例
17、。什么是恒参信道？什么是随参信道？举例。n信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真？如信号在恒参信道中传输时主要有哪些失真？如何减小这些失真？何减小这些失真？n什么是群时延频率特性？它与相位频率特性的什么是群时延频率特性？它与相位频率特性的关系？关系？n为什么信号在随参信道中会发生衰落现象？为什么信号在随参信道中会发生衰落现象？n作业：作业：4-2，4-338附录附录:连续信道的信道容量连续信道的信道容量395 连续信道的信道容量连续信道的信道容量(1)n带宽受限带宽受限B 和平均功率受限和平均功率受限 S 的的条件下，独立的加性白条件下，独立的加性白高斯噪声信道高斯噪声信道(噪声功率为噪声功率为
18、N)的信道容量的信道容量(极限传信率极限传信率) Shannon Shannon公式公式公式公式n目前尚无一个实际系统的传信率达到信道容量目前尚无一个实际系统的传信率达到信道容量.405 连续信道的信道容量连续信道的信道容量(2)理想情况下，理想情况下，Rb = C，则有则有415 连续信道的信道容量连续信道的信道容量(3)n例例. 一帧电视图像由一帧电视图像由300000个像元组成。每一像元取个像元组成。每一像元取8个可辨别的亮度电平，各电平独立地以等概率出现，图个可辨别的亮度电平，各电平独立地以等概率出现，图像每秒发送像每秒发送25帧。要求信噪比为帧。要求信噪比为30 dB，试求所需传输，试求所需传输带宽。带宽。n需要传送的信息速率：需要传送的信息速率：42通信系统仿真通信系统仿真: 信道容量观察信道容量观察close all;clear all;B=0:0.1:100; %Channel bandwidthC_B=0.001:0.01:16;EbN0=(2.C_B-1)./C_B;EbN0_dB=10*log10(EbN0);plot(EbN0_dB,C_B);xlabel(Eb/N0 (dB);ylabel(C/B (bit/s/Hz);grid
