《通信原理第6版》樊昌信版信道.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第4章 信道,4.0 信道定义及分类,4.1 无线信道,4.2 有线信道,4.3 信道数学模型,4.4 信道特征及其对信号传输影响,4.5 信道中噪声,4.6 信道容量,小结,思索题,1,1/38,噪声是生活中出现频率颇高一个词，也是通信领域中与信号齐名高频度术语。,通信中所谓噪声是一个不携带有用信息电信号，是对有用信号以外一切信号统称。不携带有用信息信号就是噪声。,噪声是相对于有用信号而言，一个信号在某种场所是有用信号，而在另一个场所就有可能是噪声。,4.5信道中噪声,2,2/38,一、,噪声分类,人为噪声,：,人为噪声起源于人类各种活动，人为原因引发噪声，如电焊产生电火花、车辆或各种机械设备运行时产生电磁波和电源波动，尤其是为某种目标而专门设置干扰源(如电子反抗)。,噪声也称为加性干扰。,1、依据噪声起源：,人为噪声,和,自然噪声,3,3/38,自然界存在各种电磁波辐射（比如：闪电、雷击、大气中电暴和各种宇宙噪声等）,热噪声：起源于一切电阻性元器件中电子热运动。,频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。,热噪声电压有效值：,式中：,k,=1.38,10-23(J/K),T,热力学温度(K),R,阻值（,）；,B,带宽（Hz）。,性质：,高斯白噪声。,自然噪声：,4,4/38,脉冲噪声,脉冲噪声是突发出现幅度高而连续时间短离散脉冲。,特点：,其突发脉冲幅度大，但连续时间短，且相邻突发脉冲之间往往有较长平静时段。,频谱,:有较宽频谱（从甚低频到高频），但频率越高，其频谱强度就越小。,起源：,机电交换机和各种电气干扰，雷电干扰、电火花干扰、电力线感应等。,2、依据噪声性质,常见随机噪声可分为：,脉冲噪声,、,窄带噪声,和,起伏噪声,。,5,5/38,窄带噪声,来自相邻电台或其它电子设备，其频谱或频率位置通常是确知或能够测知。能够看作是一个非所需连续已调正弦波。,起伏噪声,起伏噪声是以热噪声、,电子管内产生,散弹噪声及宇宙噪声为代表噪声。这些噪声特点是，不论在时域内还是在频域内他们总是普遍存在和不可防止。,6,6/38,在上述很多噪声中，以起伏噪声为加性噪声经典代表。其主要特征是：,在时域、频域均普遍存在，切不可不免。,在以后分析系统抗噪声性能时，信道加入噪声即为起伏噪声。,起伏噪声,1、热噪声,是在电阻一类导体中，自由电子布朗运动引发噪声,7,7/38,散弹噪声是由真空电子管和半导体器件中电子发射不均匀性引发。,在给定温度下，发射电子所形成电流并不是固定不变，而是在一个平均值上起伏改变，总电流是一个高斯随机过程。,2、散弹噪声,8,8/38,3、宇宙噪声,宇宙噪声是指天体辐射波对接收机形成噪声。它在整个空间分布是不均匀，最强来自银河系中部，其强度与季节、频率等原因相关。实践证实宇宙噪声统计特征服从高斯分布律，在普通工作频率范围内，它也含有平坦功率谱密度。,9,9/38,概率论极限中心定理：大量相互独立、均匀微小随机变量总和趋于服从高斯分布。对于随机过程也是如此。,不论是散弹噪声、热噪声，还是宇宙噪声，它们都可认为是一个高斯噪声，且在相当宽频率范围内含有平坦功率谱密度。,假如噪声在整个频率范围内含有平坦功率谱密度，则称其为白噪声,，所以，上述三种起伏噪声经常被近似地表述成高斯白噪声。,10,10/38,大量观察表明，高斯噪声一直存在于任何一个信道中。,通信系统模型中噪声源是分散在通信系统各处噪声集中表示。,为使分析问题简明，一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。,11,11/38,窄带噪声,起伏噪声本身是一个频谱很宽噪声，经过通信系统时，使其频谱特征发生改变。,一个通信系统线性部分能够用线性网络来描述，通常含有带通特征。,宽带起伏噪声经过带通特征网络时，输出噪声就变为带通型噪声。假如线性网络含有窄带特征，则输出噪声为窄带噪声。,二、窄带高斯噪声,12,12/38,窄带高斯噪声,假如输入噪声是高斯噪声，则输出噪声就是带通型(或窄带)高斯噪声。在我们研究调制解调问题时，解调器输入端噪声通常都能够表示为窄带高斯噪声。,窄带高斯噪声功率,式中,P,n,(,f,)双边噪声功率谱密度,13,13/38,带通型噪声频谱含有一定宽度，噪声带宽能够用不一样定义来描述。为便于分析噪声功率，惯用噪声,等效带宽,来描述。,设带通型噪声功率谱密度为,P,n,(,f,)，则噪声等效带宽定义为：,P,n,(,f,),14,14/38,噪声等效带宽物理概念,：,以等效带宽作一矩形滤波特征，则经过此特征滤波器噪声功率，等于经过实际滤波器噪声功率。,在后面讨论通信系统性能时，能够认为窄带噪声功率谱密度在带宽,B,n,内是恒定。,P,n,(,f,),15,15/38,4.6,信道容量概念,信道容量：指,信道能够传输最大平均信息速率(,信道中信息无差错传输最大速率,),。,4.6.1 离散信道容量,两种不一样度量单位：,C,每个符号能够传输平均信息量最大值,C,t,单位时间(秒)内能够传输平均信息量最 大值,二者之间能够交换,16,16/38,1、计算离散信道容量信道模型,发送符号：,x,1,，,x,2,，,x,n,接收符号：,y,1,，,y,2,，,y,m,P,(,x,i,)=发送符号,x,i,出现概率,，i 1，2，n,；,P,(,y,j,)=收到,y,j,概率，,j,1，2，m,P,(,y,j,/,x,i,)=转移概率，即发送,x,i,条件下收到,y,j,条件概率,x,1,x,2,x,3,y,3,y,2,y,1,接收端,发送端,x,n,。,。,。,y,m,图4-21 信道模型,P,(,x,i,),P,(,y,1,/,x,1,),P,(,y,m,/,x,1,),P,(,y,m,/,x,n,),P,(,y,j,),17,17/38,从信息量概念得知：发送,x,i,时收到,y,j,所取得信息量等于发送,x,i,前接收端对,x,i,不确定程度(,x,i,信息量)减去收到,y,j,后接收端对,x,i,不确定程度。,发送,x,i,时收到,y,j,所取得信息量,=-log,2,P,(,x,i,)-log,2,P,(,x,i,/,y,j,),2、计算收到一个符号时取得平均信息量,18,18/38,对全部,x,i,和,y,j,取统计平均值，得出收到一个符号时取得平均信息量：,式中：,为每个符号,x,i,平均信息量，称为信源熵。,19,19/38,接收,y,j,符号已知后，发送符号,x,i,平均信息量。,由上式可见，收到一个符号平均信息量只有,H,(,x,),H,(,x/y,)，而发送符号信息量原为,H,(,x,)，少了部分H(x/y)就是传输错误率引发损失。,20,20/38,图4-22二进制信源熵,H(,),3、二进制信源熵,由此图可见，当,1/2时，此信源熵到达最大值。这时两个符号出现概率相等，其不确定性最大。,按照上式画出曲线：,设发送“1”概率,P,(1)=,，则发送“0”概率P(0)1-,。,当,从0变到1时，信源熵H(,)能够写成：,21,21/38,信道模型,发送符号和接收符号,有一一对应关系。,此时,P,(,x,i,/,y,j,)=0;H(x/y)=0。,平均信息量/符号,H,(,x,),H,(,x,/,y,),在无噪声条件下，从接收一个符号取得平均信息量为,H,(,x,)。在有噪声条件下，从一个符号取得平均信息量为,H,(,x,),H,(,x,/,y,)。,x,1,x,2,x,3,y,3,y,2,y,1,接收端,发送端,。,。,。,y,n,图4-23 无噪声信道模型,P,(,x,i,),P,(,y,1,/,x,1,),P,(,y,n,/,x,n,),P,(,y,j,),x,n,4、无噪声信道,22,22/38,5、容量,C,定义,每个符号传输平均信息量与信源发送符号概率,P,(,x,)相关，将其对,P,(,x,)求出最大值定义为信道容量：,(bit/符号)(4.6-4),当信道中噪声极大时，,H,(,x,/,y,)=,H,(,x,)。这时C=0，即信道容量为零。,23,23/38,R最大值，即得出容量,C,t,表示式：,(b/s),设单位时间内信道传输符号数为r(符号/s)，则信道每秒传输平均信息量等于：,6、容量,C,t,定义,式中,r,单位时间内信道传输符号数,24,24/38,4.6.2 连续信道容量,设信道带宽为,B,(Hz)，信道输出信号功率为,S,(W)，输出加性高斯噪声功率为,N,(W)，则能够证实该信道信道容量为：,1香农（,Shannon,）公式,bits/s,25,25/38,香农公式表明是当信号与信道加性高斯白噪声平均功率给定时，在含有一定频带宽度信道上，,理论上单位时间内可能传输信息量极限数值,。,只要传输速率小于等于信道容量 ，则总能够找到一个方式，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。,26,26/38,（1）增大信号功率,S,能够增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即:,由香农公式可得以下结论:,27,27/38,（2）减小噪声功率,N,（或减小噪声功率谱密度,n,0,）能够增加信道容量，若噪声功率趋于零（或噪声功率谱密度趋于零），则信道容量趋于无穷大，即:,28,28/38,（3）增大信道带宽,B,能够增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽,B,趋于无穷大时，信道容量极限值为,29,29/38,香农公式给出了通信系统所能到达极限信息传输速率。通常，把实现了上述极限信息速率通信系统称为理想通信系统（R=C）。,香农公式只证实了理想通信系统“存在性”，却没有指出这种通信系统实现方法。所以，理想通信系统实现还需要不停努力。,以上讨论都是在信道噪声为高斯白噪声前提下进行，对于其它类型噪声，香农公式需要加以修正。,30,30/38,2、香农公式应用,对于一定信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S/N及传输时间三者之间能够相互转换。,若增加信道带宽，能够换来对信号噪声功率比要求降低，反之亦然。,假如信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽能够换取传输时间降低。,31,31/38,假如信道容量C给定，交换前带宽和信号噪声功率比分别为B,1,和S,1,/N,1,，交换后带宽和信号噪声功率比分别为B,2,和S,2,/N,2,，则有,因为信道噪声单边功率谱密度n,0,往往是给定，所以上式也可写成：,32,32/38,例：设交换前信道带宽,B,1,=3kHz,，希望传输Rs=10,4,b/s。为确保信息能够无误地经过信道，则要求信道容量C,10,4,b/s。交换前，在3kHz带宽情况下，使得信息传输速率到达10,4,b/s，要求信噪比,S,1,/N,1,9,倍。,假如将带宽进行交换，设交换后信道带宽,B,2,=10kHz,。这时，,Rs,仍为10,4,b/s，则所需要信噪比,S,2,/N,2,=1,倍。,33,33/38,这种信噪比和带宽交换性在通信工程中有很大用处。,比如，在宇宙飞船与地面通信中，飞船上发射功率不可能做得很大，所以可用增大带宽方法来换取对信噪比要求降低。,相反，假如信道频带比较担心，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提升信号功率来增加信噪比，或采取多进制方法来换取较窄频带。,34,34/38,例,：,已知信道输出信噪比为30dB，带宽为3KHz，求信道容量。,解:由 ，可得,35,35/38,连续信道信道容量：带宽B、输出功率S、白噪声功率N,结论：,要使C加大，可减小n,0,或增大S,增大B.,RC,理论上可实现无差错传输,R=C，理想通信系统,36,36/38,小 结,1、信道分类。（广义信道与狭义信道）,2、调制信道模型。（乘性干扰和 加性干扰）,3、常见恒参信道及其对信号影响。,4、常见随参信道、随参信道传输媒质特点、随参信道对所传信号有何影响。,5、信道容量概念,香农公式,。,37,37/38,思索题,1、通信系统中信道噪声常简化为平稳加性高斯白噪声，试解释平稳、加性、高斯、白这四个术语含义。,2、何为恒参信道？何谓随参信道？对信号传输有哪些影响？,3、何谓乘性干扰？何谓加性干扰？,4、写出连续信道信道容量公式，由此看出信道容量大小决定于哪些参量？,38,38/38,