通信原理第三章.ppt

第三章信道 3 1引言信道的概念 就是信號傳輸?shù)拿劫|信道的分類 有線信道 無線信道廣義信道 狹義信道 根據(jù)通信的概念 信號必須依靠傳輸介質傳輸 所以傳輸介質被定義為狹義信道 另一方面 信號還必須經過很多設備 發(fā)送機 接收機 調制器 解調器 放大器等 進行各種處理 這些設備顯然也是信號經過的途徑 因此 把傳輸介質 狹義信道 和信號必須經過的各種通信設備統(tǒng)稱為廣義信道 3 2信道定義 廣義信道 調制信道 編碼信道 圖 調制信道與編碼信道 信道數(shù)學模型 調制信道模型 特性 1 有一對 或多對 輸入端和一對 或多對 輸出端2 信道是線性的 滿足疊加原理3 信道有一定的遲延時間 有損耗4 即使沒有信號輸入 輸出端仍有一定的功率輸出 噪聲 對二對端的信號模型 輸入與輸出的關系 eo t f ei t n t ei t 輸入的已調信號eo t 信道總輸出波形n t 加性噪聲 加性干擾 f ei t 已調信號通過網(wǎng)絡所發(fā)生的變換 如果f ei t k t ei t k t 依賴于網(wǎng)絡的特性 對ei t 來說是一種干擾 乘性干擾 上式可以表示為 eo t f ei t n t eo t k t ei t n t 為二對端信道的一種數(shù)學模型 總結信道對信號的影響 乘性干擾加性干擾使已調信號發(fā)生模擬性的變化 通常乘性干擾是一個復雜的函數(shù) 它可能包括各種線性畸變 非線性畸變 同時由于信道的遲延 損耗特性隨時間作隨機變化 故k t 只能用隨機過程表示 經大量觀察表明 有些信道的k t 基本不隨時間變化 即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢 這類信道稱為恒定參數(shù)信道 有些信道的k t 是隨機快變化的 這類信道稱為隨機參量信道 編碼信道模型 數(shù)字信道 對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換用數(shù)字的轉移概率來描述 二進制編碼信道模型四進制編碼信道模型 3 4恒參信道舉例 恒參信道是由架空明線 電纜 中長波地波傳播 超短波及微波視距傳播 人造為心衛(wèi)星中繼 光導纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質構成的信道一 有線電信道通常指雙絞線 同軸電纜 架空明線 多芯電纜和光纖 雙絞線又稱為雙扭線 它是由若干對且每對有兩條相互絕緣的銅導線按一定規(guī)則絞合而成 采用這種絞合結構是為了減少對鄰近線對的電磁干擾 為了進一步提高雙絞線的抗電磁干擾能力 還可以在雙絞線的外層再加上一個用金屬絲編織而成的屏蔽層 雙絞線示意圖 同軸電纜由內導線銅質芯線 單股實心線或多股絞合線 絕緣層 網(wǎng)狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層所組成 如圖所示 同軸電纜的這種結構使其具有高帶寬和較好的抗干擾特性 并且可在共享通信線路上支持更多的點 按特性阻抗數(shù)值的不同 同軸電纜又分為兩種 一種是50 的基帶同軸電纜 另一種是75 的寬帶同軸電纜 同軸電纜結構示意圖 光纖 OpticalFiber 光導纖維 簡稱光纖 是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質 由于可見光的頻率非常高 約為108MHz的量級 因此 一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于其它各種傳輸介質的帶寬 是目前最有發(fā)展前途的有線傳輸介質 光纖呈圓柱形 由芯 封套和外套三部分組成 如圖所示 芯是光纖最中心的部分 它由一條或多條非常細的玻璃或塑料纖維線構成 每根纖維線都有它自己的封套 由于這一玻璃或塑料封套涂層的折射率比芯線低 因此可使光波保持在芯線內 環(huán)繞一束或多束有封套纖維的外套由若干塑料或其它材料層構成 以防止外部的潮濕氣體侵入 并可防止磨損或擠壓等傷害 光纖結構示意圖 根據(jù)光纖傳輸數(shù)據(jù)模式的不同 它可分為多模光纖和單模光纖兩種 多模光纖意指光在光纖中可能有多條不同角度入射的光線在一條光纖中同時傳播 如圖 a 所示 這種光纖所含纖芯的直徑較粗 單模光纖意指光在光纖中的傳播沒有反射 而沿直線傳播 如圖 b 所示 這種光纖的直徑非常細 就像一根波導那樣 可使光線一直向前傳播 這兩種光纖的性能比較見表1 1 兩種光纖傳輸示意圖 單模光纖與多模光纖的比較 光纖不易受電磁干擾和噪聲影響 可進行遠距離 高速率的數(shù)據(jù)傳輸 而且具有很好的保密性能 但是 光纖的銜接 分岔比較困難 一般只適應于點到點或環(huán)形連接 FDDI 光纖分布數(shù)據(jù)接口 就是一種采用光纖作為傳輸介質的局域網(wǎng)標準 架空明線 即在電線桿上架設的互相平行而絕緣的裸線 它是一種在20世紀初就已經大量使用的通信介質 架空明線安裝簡單 傳輸損耗比電纜低 但通信質量差 受氣候環(huán)境等影響較大并且對外界噪聲干擾比較敏感 因此 在發(fā)達國家中早已被淘汰 在許多發(fā)展中國家中也已基本停止了架設 但目前在我國一些農村和邊遠地區(qū)或受條件限制的地方仍有不少架空明線在工作著 二 無線電視距中繼是指工作頻率在超短波和微波波段時電磁波基本上沿視線傳播 通信距離依靠中繼方式延伸的無線電線路 相鄰中繼站間距離 40 50Km 無線電中繼信道的構成 三 衛(wèi)星中繼信道是無線電中繼的一種特殊形式由通信衛(wèi)星 地球站 上行線路及下構成行線路 3 5恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯谴_定的 或者是變化極其緩慢等效于一個非時變的線性網(wǎng)絡利用信號通過線性系統(tǒng)的分析方法 可求得已調信號通過恒參信道的變化規(guī)律網(wǎng)絡的傳輸特性 幅頻特性 相頻特性 一 幅度 頻率畸變 頻率失真 是由有線電話信道的幅度 頻率特性不理想引起的 信道中存在線圈 分布電容 電感等音頻電話信道的相對衰耗為了減小幅度 頻率畸變 在設計總的電話信道傳輸特性是 一般都要求把幅度 頻率畸變控制在一個允許的范圍內 不均勻衰耗必然使信號的幅度隨頻率發(fā)生畸變 引起信號波形的失真 二 相位 頻率畸變是指信道的相位 頻率特性偏離線性關系引起的畸變 在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴重 主要來源于信道中的各種濾波器信道的相位 頻率特性常采用群遲延 頻率特性來衡量 群遲延 頻率特性 是相位 頻率特性對頻率的導數(shù)相位 頻率特性 群遲延 頻率特性 d d 如果 呈線性關系 是一條水平直線此時信號的不同頻率成分有相同的群遲延 信號經過傳輸后不會發(fā)生畸變 理想的相位 頻率特性及群遲延特性 實際的信道特性 當非單一頻率的信號通過這信道時 信號中的不同頻率分量將有不同的群遲延是原信號 即未經遲延的信號 由基波 三次諧波組成 其幅度比2 1 3 6隨參信道舉例 一 短波電離層反射信道短波是指波長為100 10m 頻率為3 30MHz 的無線電波可沿地表面?zhèn)鞑?地波傳播可由電離層反射傳播 天波傳播電離層是指離地面高60 600Km的大氣層 由分子 原子 離子 自由電子組成 在短波電離層反射信道中 會引起多徑傳播 主要原因有 電波經電離層的一次反射和多次反射幾個反射層高度不同電離層不均勻引起的漫射現(xiàn)象地球磁場引起的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波 對流層散射信道是一種超視距的傳播信道對流層是離地面10 12Km以下的大氣層在對流層中 由于大氣湍流運動等原因產生了不均勻性 引起電波的散射 3 7隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?隨參信道的傳輸媒質的特點1 對信號的衰耗隨時間而變化2 傳輸?shù)臅r延隨時間而變3 多徑傳播 3 9信道的加性噪聲 噪聲是我們生活中出現(xiàn)頻率頗高的一個詞 也是通信領域中與信號齊名的高頻度術語 但通信領域中所謂的噪聲不同于我們所熟悉的以音響形式反映出來的各種噪聲 如交通噪聲 風聲 雨聲 人們的吵鬧聲 建筑工地的機器轟鳴聲等等 它其實是一種不攜帶有用信息的電信號 是對有用信號以外的一切信號的統(tǒng)稱 概括地講 不攜帶有用信息的信號就是噪聲 顯然 噪聲是相對于有用信號而言的 一種信號在某種場合是有用信號 而在另一種場合就有可能是噪聲 根據(jù)來源的不同 噪聲可分為自然噪聲 人為噪聲和內部噪聲 自然噪聲是指存在于自然界的各種電磁波 如閃電 雷暴及其它宇宙噪聲 人為噪聲來源于人類的各種活動 如電焊產生的電火花 車輛或各種機械設備運行時產生的電磁波和電源的波動 尤其是為某種目的而專門設置的干擾源 如上述的電子對抗 內部噪聲指通信系統(tǒng)設備內部由元器件本身產生的熱噪聲 散彈噪聲及電源噪聲等 根據(jù)噪聲的表現(xiàn)形式可分為單頻噪聲 脈沖噪聲和起伏噪聲 1 單頻噪聲是一種以某一固定頻率出現(xiàn)的連續(xù)波噪聲 如50Hz的交流電噪聲 2 脈沖噪聲是一種隨機出現(xiàn)的無規(guī)律噪聲 如閃電 車輛通過時產生的噪聲 3 起伏噪聲主要是內部噪聲 而且是一種隨機噪聲 對它的研究必須運用概率論和隨機過程知識 元器件本身產生的熱噪聲 散彈噪聲都可看成是無數(shù)獨立的微小電流脈沖的疊加 它們是服從高斯分布的 即熱噪聲 散彈噪聲都是高斯過程 為研究方便 我們稱這類噪聲為高斯噪聲 除了用概率分布描述噪聲的特性外 還可用功率譜密度加以描述 若噪聲的功率譜密度在整個頻率范圍內都是均勻分布的 即稱其為白噪聲 原因是其譜密度類似于光學中包含所有可見光光譜的白色光光譜 不是白色噪聲的噪聲稱為帶限噪聲或有色噪聲 通常把統(tǒng)計特性服從高斯分布 功率譜密度均勻分布的噪聲稱為高斯白噪聲 3 10信道容量的概念 一 離散信道的信道容量離散信道的模型 無噪聲信道有噪聲信道 信道無噪聲時 輸入與輸出一一對應有噪聲信道 輸入與輸出不存在一一對應關系當輸入一個x1時 輸出可能是y1 也可能是y2輸入與輸出成為隨機對應關系 不過它們之間具有一定的統(tǒng)計關聯(lián)在有噪聲的信道中發(fā)送符號xi而收到符號yj時所獲得的信息量 等于未發(fā)符號前對xi的不確定程度減去收到符號yi后對xi的不確定程度 發(fā)送xi收到y(tǒng)i時所獲得的信息量 P xi 是未發(fā)符號前xi出現(xiàn)的概率P xi yj 是收到y(tǒng)j而發(fā)送為xi的條件概率對xi和yj取統(tǒng)計平均 即對所有發(fā)送xi收到y(tǒng)i取平均 則平均信息量 符號 H x 表示發(fā)送的每個符號的平均信息量H x y 當輸出符號已知時輸入信號的平均信息量 或發(fā)送符號在有噪聲的信道中傳輸平均丟失的信息量 對信道傳輸信息的能力 用信息傳輸速率表述是指信道在單位時間內所傳送的平均信息量 用R表示 是單位時間內信息源發(fā)出的平均信息量或稱信息源的信息速率 是單位時間內對發(fā)x而收到y(tǒng)的條件平均信息量 設單位時間傳送的符號數(shù)為r 則 說明有噪聲信道中的信息傳輸速率等于每秒鐘內信息源發(fā)送的信息量與由信道不確定性而引起丟失的那部分信息量之差 顯然 無噪聲時 信道傳輸信息量的速率等于信息源的信息速率 即 如果噪聲很大時信道傳輸信息的速率為 以上分析可以看出 信道傳輸信息的速率與單位時間傳送的符號數(shù)目 信息源的概率分布以及信道干擾的概率分布有關 對某一個給定的信道 干擾的概率分布應當認為是確定的 信息源的概率分布不同 信道傳輸信息的速率也不同 一個信道的傳輸能力應該以這個信道最大可能的傳輸信息的速率來度量 因此 信道容量可以定義為 信道傳輸信息的速率的最大值稱為信道容量C即 max是表示對所有可能的輸入概率分布來說的最大值 二 連續(xù)信道的信道容量假設信道的帶寬為B HZ 信道輸出的信號功率為S W 輸出加性帶限高斯白噪聲功率為N W 則該信道的信道容量為 上式是信息論中具有重要意義的香農 shannon 公式 表明了當信號與作用在信道上的起伏噪聲的平均功率給定時 在具有一定頻帶寬度B的信道上 理論上單位時間內可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值 由于噪聲功率N與信道帶寬B有關 所以 若噪聲單邊功率譜密度為n0 N n0B因此 香農公式的另一種形式為 當或信道容量 意味著信道無噪聲 或發(fā)送功率無窮大 所以信道容量為無窮大 顯然這在任何實際系統(tǒng)中都是無法實現(xiàn)的 但這個關系提示出 若要使信道容量加大 則可以通過減小n0或增大s在理論上是可行的 那么增大帶寬 是否使信道容量趨于無窮呢 說明 信噪比一定時 即使增加信道帶寬 信道容量也是有限的 因為帶寬增加時 噪聲功率也增加 通常 把實現(xiàn)了上述極限信息速率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng) 香農定理只說明了理想系統(tǒng)的存在 沒有給出這種通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法注意 以上討論都是在信道噪聲為高斯白噪聲的前提下進行的 對于其他類型的噪聲 香農公式需要加