通信原理--ch2.ppt

第第2章章 信道与噪声信道与噪声【第第1章测试章测试】一通信系统同时传送语音、一通信系统同时传送语音、文字和图像，语音按常规文字和图像，语音按常规8kHz抽样量化，抽样量化，假设图像数字化（假设图像数字化（720576像素）压缩像素）压缩60倍，倍，按电视速率传送。语音、图像采用按电视速率传送。语音、图像采用8bit二进二进制编码每抽样点。文字用制编码每抽样点。文字用ASCII编码，假设编码，假设传送方式是打字，打字速度为传送方式是打字，打字速度为6字符字符/s。请。请问通信问通信10min，系统传送文字、语音和图像，系统传送文字、语音和图像的数据量各是多少？比例是多少？的数据量各是多少？比例是多少？2解：解：文字：6字符/s8bit/字符(1060s)=28800(bit)语音：8k样点/s8bit/样点(1060s)=38400(kbit)图像：电视帧速率（PAL制式）为25帧/s 25帧/s(7205768/60bit)/帧 (1060s)=829440(kbit)比例为：文字:语音:图像=1:1333:28800显然，传输多媒体语音与图像的数据量相比文字信息量更大。3内内 容容 2.1 2.1 信道及其分类信道及其分类信道及其分类信道及其分类 2.2 2.2 信道模型信道模型信道模型信道模型 2.32.3 典型恒参信道典型恒参信道典型恒参信道典型恒参信道 2.42.4 恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响 2.52.5 典型随参信道典型随参信道典型随参信道典型随参信道 2.6 2.6 随参信道特性及其对信号影响随参信道特性及其对信号影响随参信道特性及其对信号影响随参信道特性及其对信号影响 2.7 2.7 分集接收分集接收分集接收分集接收 2.8 2.8 信道加性噪声信道加性噪声信道加性噪声信道加性噪声 2.9 2.9 信道容量信道容量信道容量信道容量42.1 信道及其分类信道及其分类研究信道的目的研究信道的目的信道的定义信道的定义狭义信道广义信道信道的分类信道的分类狭义信道：有线信道和无线信道广义信道：调制信道和编码信道 5调制信道和编码信道调制信道和编码信道无无记忆记忆信道信道有有记忆记忆信道信道编码编码信道信道随参信道：如短波随参信道：如短波电电离离层层反射、反射、对对流流层层散射等散射等恒参信道：如明恒参信道：如明线线、对对称称电缆电缆、同、同轴电缆轴电缆、光、光纤纤调调制信道制信道广广义义信道信道无无线线信道：如短波信道：如短波电电离离层层反射、反射、对对流流层层散射等散射等信道信道有有线线信道：如明信道：如明线线、对对称称电缆电缆、同、同轴电缆轴电缆、光、光纤纤等等狭狭义义信道信道62.2 信道模型信道模型 调制信道模型调制信道模型 编码信道模型编码信道模型 7一、调制信道模型一、调制信道模型调制信道特点：调制信道特点：具有一对（或多对）输入端和输出端；绝大部分信道是线性的，即满足叠加性和齐次性；信号通过信道需要一定的延迟时间；信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）；即使没有信号输入，在输出端仍有一定的功率输出。8一、调制信道模型一、调制信道模型调制信道模型：调制信道模型：e ei i(t t)e eo o(t t)时变线性时变线性网络网络eo(t)=f ei(t)+n(t)9一、调制信道模型一、调制信道模型通常，通常，通常，通常，f f e ei i(t t)可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：k k(t t)e ei i(t t)，此时，此时，此时，此时，e eo o(t t)=)=k k(t t)e ei i(t t)+)+n n(t t)eo(t)=f ei(t)+n(t)当当当当k k(t t)=常数，称为常数，称为常数，称为常数，称为恒恒恒恒(定定定定)参参参参(量量量量)信道信道信道信道 例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆当当当当k k(t t)常数，称为常数，称为常数，称为常数，称为随随随随(机机机机)参参参参(量量量量)信道信道信道信道 例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道10二、编码信道模型二、编码信道模型 二进制信号、无记忆信道：二进制信号、无记忆信道：0 01 11 10 0P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/1)(1/1)P P(1/0)(1/0)11二、编码信道模型二、编码信道模型01233210接接收收端端发发送送端端 四进制编码信道模型：四进制编码信道模型：122.3 典型恒参信道典型恒参信道明线明线对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆光纤光纤无线视距中继无线视距中继卫星中继卫星中继13一、明一、明 线线14二、对称电缆：双绞线二、对称电缆：双绞线15三、同轴电缆三、同轴电缆常用的同轴电缆有两类：常用的同轴电缆有两类：50和和7516四、光四、光 纤纤表面涂层表面涂层包层包层芯区芯区n1n2折射率折射率折射率n1n22a17五、无线视距中继五、无线视距中继 频率：频率：30MHz以上以上 类似光波做视线传播（将穿透电离层）类似光波做视线传播（将穿透电离层）地地 面面接收天线接收天线接收天线接收天线传播路径传播路径传播路径传播路径发射天线发射天线18六、卫星中继六、卫星中继192.4恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响恒参信道一般特性恒参信道一般特性理想恒参信道理想恒参信道实际信道实际信道其他影响因素及措施其他影响因素及措施20一、恒参信道一般特性一、恒参信道一般特性 恒参信道传输特性可等效为线性时恒参信道传输特性可等效为线性时不变网络。不变网络。线性时不变网络可用幅频特性和相线性时不变网络可用幅频特性和相频特性来表征，即：频特性来表征，即：21二、理想恒参信道二、理想恒参信道22相频失真理解相频失真理解输入信号由基波输入信号由基波和二次波合成和二次波合成 基波延迟基波延迟、二、二次波延迟次波延迟2后后的合成信号的合成信号基波延迟基波延迟、二、二次波延迟次波延迟3后后的合成信号的合成信号 23三、实际信道三、实际信道幅频失真：幅频失真：相频失真：相频失真：24四、其他影响因素及措施四、其他影响因素及措施畸变的影响畸变的影响畸变的影响畸变的影响:使波形失真、码间串扰。使波形失真、码间串扰。使波形失真、码间串扰。使波形失真、码间串扰。线性失真线性失真线性失真线性失真:幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真 属于属于属于属于线性失真线性失真线性失真线性失真可用可用可用可用“线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络线性补偿网络”纠正纠正纠正纠正 “均衡均衡均衡均衡”非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、振幅特性非线性、频率偏移、振幅特性非线性、频率偏移、振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动相位抖动相位抖动相位抖动 非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真 难以消除难以消除难以消除难以消除25【例例2-1】如图所示网络，求它的频率特性。判如图所示网络，求它的频率特性。判断是否存在幅频失真及相频失真。断是否存在幅频失真及相频失真。262.5 典型随参信道典型随参信道一、电离层反射信道一、电离层反射信道一、电离层反射信道一、电离层反射信道27多径传播的几种主要形式多径传播的几种主要形式 282.5 典型随参信道典型随参信道二、对流层散射信道二、对流层散射信道二、对流层散射信道二、对流层散射信道292.6 恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响 随参信道的特点随参信道的特点随参信道的特点随参信道的特点 多径效应导致信号瑞利衰落（频多径效应导致信号瑞利衰落（频多径效应导致信号瑞利衰落（频多径效应导致信号瑞利衰落（频率扩散）率扩散）率扩散）率扩散）多径效应引起频率选择性衰落多径效应引起频率选择性衰落多径效应引起频率选择性衰落多径效应引起频率选择性衰落 30一、随参信道的特点一、随参信道的特点信号的衰耗随时间随机变化信号的衰耗随时间随机变化信号传输的时延随时间随机变化信号传输的时延随时间随机变化多径传播多径传播31二、多径效应导致信号瑞利衰落（频率扩散）二、多径效应导致信号瑞利衰落（频率扩散）设有设有n条路径，并设输入信号为条路径，并设输入信号为 则收端接收信号为：则收端接收信号为：32二、多径效应的瑞利衰落二、多径效应的瑞利衰落结论：结论：（1）多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络）多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号衰落信号（2）从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄）从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。带频谱，即多径传播引起了频率弥散。33三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落并设输入信号为并设输入信号为设多径传播的路径只有两条设多径传播的路径只有两条则收端接收信号为：则收端接收信号为：其频域表示式为：其频域表示式为：信道传输函数为：信道传输函数为：34三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落信道传输函数为：信道传输函数为：则则35三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落结论：结论：当当 即即 或或 时，出现传播极点；时，出现传播极点；当当 即即 或或 时，出现传播时，出现传播零点；零点；36三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落定义多径传播信道相关带宽为：定义多径传播信道相关带宽为：工程设计中，信号带宽为相关带宽的工程设计中，信号带宽为相关带宽的1/51/3。即：。即：37【例例2-2】某随参信道的两径时延差某随参信道的两径时延差 为为1ms，试求，试求该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪些频率传输信号最有利？些频率传输信号最有利？38 2.7 分集接收分集接收一、基本思想一、基本思想一、基本思想一、基本思想二、分集方式二、分集方式二、分集方式二、分集方式空间分集空间分集 频率分集 角度分集 极化分集 39 2.7 分集接收分集接收三、合并方式三、合并方式三、合并方式三、合并方式 最佳选择式等增益相加式最佳比例相加式 402.8 信道加性噪声信道加性噪声一、加性噪声的来源一、加性噪声的来源一、加性噪声的来源一、加性噪声的来源人为噪声人为噪声自然噪声自然噪声内部噪声内部噪声二、噪声的种类二、噪声的种类二、噪声的种类二、噪声的种类单频噪声单频噪声脉冲噪声脉冲噪声 起伏噪声起伏噪声 三、起伏噪声三、起伏噪声三、起伏噪声三、起伏噪声 热噪声热噪声 散弹噪声散弹噪声 宇宙噪声宇宙噪声 41 2.9 信道容量信道容量一、信道容量定义一、信道容量定义一、信道容量定义一、信道容量定义 信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率二、离散信道的信道容量二、离散信道的信道容量二、离散信道的信道容量二、离散信道的信道容量 互信息量：互信息量：物理含义：物理含义：物理含义：物理含义：某个符号传递的信息量。42二、离散信道的信道容量二、离散信道的信道容量平均每个符号传递的信息量为：平均每个符号传递的信息量为：平均每个符号传递的信息量为：平均每个符号传递的信息量为：或或或或说明：说明：说明：说明：对于一定的信道，是一定的，而不同的 ，将对应不同的 ，其中某一种概率分布 对应的 将最大，表示为：结论结论结论结论：C是每个符号平均能够传送的最大信息量，即信道容量。信道容量另一定义：信道容量另一定义：信道容量另一定义：信道容量另一定义：对称信道：对称信道：对称信道：对称信道：43【例例2-3】设信息源由符号设信息源由符号0和和1组成，顺次选组成，顺次选择两符号构成所有可能的消息。如果择两符号构成所有可能的消息。如果消息传输速率是每秒消息传输速率是每秒1000符号，且符号，且两符号出现的概率相等。传输中，平两符号出现的概率相等。传输中，平均每均每100符号中有一个符号不正确，符号中有一个符号不正确，试问这时传输信息的速率是多少？试问这时传输信息的速率是多少？44三、连续信道的信道容量三、连续信道的信道容量 或或或或说明：说明：说明：说明：增大信号功率可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大。减小噪声功率（或减小噪声功率谱密度），可以增加信道容量，若噪声功率趋于零，则信道容量趋于无穷大。增大信道带宽可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。45【例例2-4】电视图像可以大致认为由电视图像可以大致认为由300000个小像元组成。个小像元组成。对于一般要求的对比度，每一像元大约取对于一般要求的对比度，每一像元大约取10个可个可辨别的亮度电平（例如对应黑色、深灰色、浅灰辨别的亮度电平（例如对应黑色、深灰色、浅灰色、白色等）。现假设对于任何像元，色、白色等）。现假设对于任何像元，10个亮度个亮度电平是等概率出现的，每秒发送电平是等概率出现的，每秒发送30帧图像；并且，帧图像；并且，为了满意地重现图像，要求信噪比为了满意地重现图像，要求信噪比S/N为为1000（即（即30dB）。在这种条件下，我们来计算传输上）。在这种条件下，我们来计算传输上述信号所需的带宽。述信号所需的带宽。46小小 结结 信道的定义信道的定义信道的定义信道的定义(狭义信道和广义信道狭义信道和广义信道)狭义信道分类狭义信道分类狭义信道分类狭义信道分类(有线信道和无线信道有线信道和无线信道)广义信道分类广义信道分类广义信道分类广义信道分类(调制信道和编码信道调制信道和编码信道)调制信道分类调制信道分类调制信道分类调制信道分类(恒参信道和随参信道恒参信道和随参信道)恒参信道对信号影响恒参信道对信号影响恒参信道对信号影响恒参信道对信号影响(幅频失真、相频失真幅频失真、相频失真)随参信道对信号影响随参信道对信号影响随参信道对信号影响随参信道对信号影响（瑞利型衰落和频率弥散（瑞利型衰落和频率弥散、频率选择、频率选择性衰落）性衰落）加性噪声：加性噪声：加性噪声：加性噪声：起伏噪声是加性噪声的典型代表，主要包括热起伏噪声是加性噪声的典型代表，主要包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声，它们均是高斯白噪声。噪声、散弹噪声和宇宙噪声，它们均是高斯白噪声。信道容量信道容量信道容量信道容量 及及及及47