通信原理信道.ppt

*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,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,*,通信原理信道,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,课件制作：曹丽娜,西安电子科技大学 通院,传输媒质,有线信道,明线、电缆、光纤,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,狭义信道,：,广义信道,：,调制信道,研究调制,/,解调问题,编码信道,研究编码,/,译码问题,信道的定义与分类,两点间传输距离30km 50km,特点：传输特性随时间缓变或不变。,含义：每个符号能够传输的最大平均信息量,指传输特性随时间随机快变的信道。,解决：用光缆代替（干线）,不同的物理信道具有不同的特性C(),课件制作：曹丽娜,T 热力学温度（K）,，工程经验公式：,西安电子科技大学 通院,课件制作：曹丽娜,频率：30 MHz,优点：容量大、少、维护方便、传输质量稳定。,数字信号的码元宽度:,（2）因信道噪声而损失的平均信息量,对流层,平流层,电离层,10 km,60 km,0 km,对流层：约,0 10,km,平流层：约,1060,km,电离层：约,60400,km,地球大气层的结构,：,4,.1,无线信道,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,天波,sky-wave,频率：,230 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,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,课件制作：曹丽娜,微波中继（微波接力）,卫星中继（静止卫星、移动卫星）,平流层通信,Q&A,增大视线传播距离的其他途径,？,课件制作：曹丽娜,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,微波中继,优点：容量大、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,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,散射通信,电离层散射,频率：,30 60 MHz,距离：,1000 km,以上,课件制作：曹丽娜,流星余迹,无线信道,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,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,课件制作：曹丽娜,明线,对称电缆,同轴电缆,光纤,4,.2,有线信道,课件制作：曹丽娜,1880,年纽约街貌,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,特点,缺点,应用,有线信道,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：用光缆代替（干线）,组成,优点,（相比双绞线）,缺点,有线信道,同轴电缆,课件制作：曹丽娜,宽带,（射频）,同轴电缆：,75,，用于传输模拟信号,多用于有线电视,（,CATV,）,系统,传输距离可达几十千米,基带,同轴电缆,：,50,，,多用于数字基带传输,速率可达,10Mb/s,传输距离,几千米,有线信道,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。,指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率。,传输衰减小，无中继传输距离远；,带宽更宽、速率更高,双绞线Twisted Rair,调制信道对信号的影响程度取决 与 的特性。,+=1,叠加有噪声的线性时变/时不变网络：,通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率,指传输特性随时间随机快变的信道。,平流层：约 1060 km,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,（根据信道的时变特性）,R 阻值（）,设收发天线的架设高度均为40 m，则最远通信距离为：,足够大时，x(t)和y(t)趋于正态分布。,优点：容量大、少、维护方便、传输质量稳定。,屏蔽双绞线(STP),单模阶跃折射率光纤,光纤结构示意图,结构,：,纤芯,包层,按折射率分类,：,阶跃型,梯度型,按模式分类,：,多模光纤,单模光纤,有线信道,光纤,易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能。,传输带宽宽、通信容量大；,传输,衰减小,，无中继传输,距离远,；,(0.2dB/km),（几百公里）,抗电磁干扰，传输质量好，防窃听，耐腐蚀；,体积小，重量轻，节省有色金属，环保。,缺点,长途 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,课件制作：曹丽娜,西安电子科技大学 通院,4,.3,信道数学模型,1.,调制信道模型,模型,：,有一对（或多对）输入端和输出端,大多数信道都满足线性叠加原理,对信号有固定或时变的延迟和损耗,无信号输入时，仍可能有输出（噪声）,共性,：,叠加有噪声的线性时变,/,时不变网络：,课件制作：曹丽娜,入出关系,：,反映信道,本身特性,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）,课件制作：曹丽娜,调制信道,分为：,（根据信道的时变特性）,恒参信道,特性基本不随时间变化,随参信道,特性随时间随机快变化,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,课件制作：曹丽娜,+,=1,P,(1/0),P,(0/1),0,0,1,1,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,模型,：,课件制作：曹丽娜,0,1,2,3,3,2,1,0,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,课件制作：曹丽娜,西安电子科技大学 通院,特点：传输特性随时间缓变或不变。,举例：各种有线信道、卫星信道,1.,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,课件制作：曹丽娜,恒参信道,群迟延特性,幅频特性,相频特性,无失真传输（,理想恒参信道）,特性曲线：,课件制作：曹丽娜,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,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,:,幅频失真,：,含义？,影响,影响,相频失真,：,相频特性,典型音频 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,陆地移动信道,短波电离层反射信道,超短波流星余迹散射信道,超短波及微波对流层散射信道,超短波电离层散射,超短波超视距绕射,课件制作：曹丽娜,2.,随参信道,特性,随参信道,衰减随时间变化,时延随时间变化,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）,多经传播的影响,传输时延,则,接收信号,为,设,发送,信号为,幅度恒定,频率单一,课件制作：曹丽娜,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,多径传播使信号产生瑞利型衰落；,多径传播引起频率弥散。,结论,课件制作：曹丽娜,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,课件制作：曹丽娜,多径效应,传输衰减均为,K,传输时延分别为,1,和,2,发射信号,接收信号,设两条路径的信道为,f,(,t,),f,o,(,t,),=,K f,(,t,-,1,)+,K f,(,t,-,2,),信道传输函数,f,o,(,t,),=,2,-,1,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,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,信道相关带宽：,定义为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,f,1/,应使信号带宽,B,s,(1/3 1/5),f,数字信号的码元宽度,:,T,s,(3 5),R,B,m,m,B,s,f,归纳,衰减随时间变化,时延随时间变化,多径传播,随参信道特性,多径效应,瑞利型衰落,频率弥散,频率选择型衰落,分集接收,扩频技术,OFDM,等,减小衰落的措施,B,s,(1/3 1/5),f,课件制作：曹丽娜,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,课件制作：曹丽娜,西安电子科技大学 通院,1.,何谓噪声,信道中存在的不需要的电信号。,它独立于信号始终存在，,又,称加性干扰。,它使信号失真，发生错码，限制传输速率。,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,/,单频噪声,起伏噪声,（,热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）,起伏噪声,按,噪,声,性,质,热噪声：,来自一切电阻性元器件中电子的热运动。,均匀分布在,0,10,12,Hz,频率范围。,性质：高斯白噪声,式中,k=1.38,10,-23,（,J/K,）波兹曼常数,T,热力学温度（,K,）,R,阻值（,）,B,带宽（,Hz,）,热噪声电压有效值：,课件制作：曹丽娜,归纳,信道加性噪声,n(t):,代表：起伏噪声（热噪声等）,性质：高斯白噪声,n(t),BPF,窄带高斯噪声,课件制作：曹丽娜,平均功率：,噪声等效带宽：,功率谱：,噪声等效带宽,P,n,(,f,),接收,滤波器,特性,通过,宽度为,B,n,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,窄带高斯噪声,:,P,n,(,f,0,),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,课件制作：曹丽娜,西安电子科技大学 通院,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,(,x,i,),发送符号,x,i,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,(,y,j,),收到,y,j,的概率（,j=1,2,3,m,）；,P,(,x,i,/y,j,),收到,y,j,后判断发送的是,x,i,的转移概率,课件制作：曹丽娜,（,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,C,t,等价式：,S,信号平均功率（,W,）；,B,带宽（,Hz,）,n,0,噪声单边功率谱密度；,N,=,n,0,B,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,R,b,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,：,课件制作：曹丽娜,信道容量,C,依赖于,B,、,S,和,n,0,增大,S,可增加,C,，若,S,，则,C,；,减小,n,0,可增加,C,，若,n,0,0,，,则,C,；,增大,B,可增加,C,，但不能使,C,无限制增大。,当,B,时，,C,将趋向一个定值：,结论,：,信道容量和带宽关系,S,/,n,0,S,/,n,0,B,C,1.44(,S,/,n,0,),课件制作：曹丽娜,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。,增加,B,，可以换取,S/N,的降低；反之亦然。,若,S/N,不变，增加,B,，可以换取,t,的减少。,应用,：,【,例如,】,课件制作：曹丽娜,