通信原理 第4章 信道.ppt

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,第四章 信道,第四章信 道,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,),和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道。,无线信道：微波传输等,信 道,狭义,广义,有线信道：光缆光纤等,调制信道,编码信道,恒参信道,随参信道,有记忆信道,无记忆信道,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,明线,对称电缆,同轴电缆,电缆,光纤,对称电缆,同轴电缆,单模,有线信道,（,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,多径传播,幅度衰减时变,恒参信道,随参信道,幅频特性,相频特性,相移时变,调制信道,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,t,d,均为常数，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,-j,t,d,F,o,(,)=,KF,i,(,),e,由于,F,o,(,)=H(,),F,i,(,),得到信道无失真传输在频域的条件，即传输函数为,j,(,)-j,t,d,H(j,)=|H(,)|,e,=,K,e,所以信道无失真传输在频域中的幅频、相频条件为,H(,)=K,(,)=,t,d,（,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,:,由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点。,发,收,电离层,多径传播后的接收,信号将是衰减和时,延随时间变化的各,路径信号的合成,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,(,),V0,f(t-t,0,),V,0,F(,)e,-j,t,0,V,0,f(t-t,0,-,)V,0,F(,)e,-j,(,t,0,+,),V,0,f(t-t,0,)+V,0,f(t-t,0,-,)V,0,F(,),e,-j,t0,(1+e,-j,),于是，当两径传播时，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,=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,n,0,(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,n,0,0,，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/,n,0,；,4,C,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,310,5,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,)=(log,2,16)bit/,符号,=4 bit/,符号,一帧图像的平均信息量为,I=(4310,5,)bit=1210,5,bit,每秒钟传输,30,帧图像时的信息速率为,Rb,=(1210,5,30)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.,