通信原理--ch2

1、1 第第2章章 信道與噪聲信道與噪聲2【第第1章測試章測試】一通信系統(tǒng)同時傳送語音、一通信系統(tǒng)同時傳送語音、文字和圖像，語音按常規(guī)文字和圖像，語音按常規(guī)8kHz抽樣量化，抽樣量化，假設(shè)圖像數(shù)字化（假設(shè)圖像數(shù)字化（720576像素）壓縮像素）壓縮60倍，按電視速率傳送。語音、圖像采用倍，按電視速率傳送。語音、圖像采用8bit二進(jìn)制編碼每抽樣點。文字用二進(jìn)制編碼每抽樣點。文字用ASCII編碼，編碼，假設(shè)傳送方式是打字，打字速度為假設(shè)傳送方式是打字，打字速度為6字符字符/s。請問通信請問通信10min，系統(tǒng)傳送文字、語音和圖，系統(tǒng)傳送文字、語音和圖像的數(shù)據(jù)量各是多少？比例是多少？像的數(shù)據(jù)量各是多少？

2、比例是多少？3解：解：文字： 6字符/s8bit/字符(1060s)=28800(bit)語音： 8k樣點/s8bit/樣點(1060s)=38400(kbit)圖像：電視幀速率（PAL制式）為25幀/s 25幀/s(7205768/60bit)/幀 (1060s)=829440(kbit) 比例為： 文字:語音:圖像=1:1333:28800顯然，傳輸多媒體語音與圖像的數(shù)據(jù)量相比文字信息量更大。4內(nèi)內(nèi) 容容52.1 信道及其分類信道及其分類研究信道的目的研究信道的目的信道的定義信道的定義狹義信道廣義信道信道的分類信道的分類狹義信道：有線信道和無線信道廣義信道：調(diào)制信道和編碼信道 6調(diào)制信道和

3、編碼信道調(diào)制信道和編碼信道無記憶信道無記憶信道有記憶信道有記憶信道編碼信道編碼信道隨參信道：如短波電離層反射、對流層散射等隨參信道：如短波電離層反射、對流層散射等恒參信道：如明線、對稱電纜、同軸電纜、光纖恒參信道：如明線、對稱電纜、同軸電纜、光纖調(diào)制信道調(diào)制信道廣義廣義信道信道無線信道：如短波電離層反射、對流層散射等無線信道：如短波電離層反射、對流層散射等信道信道有線信道：如明線、對稱電纜、同軸電纜、光纖等有線信道：如明線、對稱電纜、同軸電纜、光纖等狹義狹義信道信道72.2 信道模型信道模型 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型 編碼信道模型編碼信道模型 8一、調(diào)制信道模型一、調(diào)制信道模型調(diào)制信道特點：調(diào)

4、制信道特點：具有一對（或多對）輸入端和輸出端；絕大部分信道是線性的，即滿足疊加性和齊次性；信號通過信道需要一定的延遲時間；信道對信號有損耗（固定損耗或時變損耗）；即使沒有信號輸入，在輸出端仍有一定的功率輸出。 9一、調(diào)制信道模型一、調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型：調(diào)制信道模型： 10一、調(diào)制信道模型一、調(diào)制信道模型11二、編碼信道模型二、編碼信道模型 二進(jìn)制信號、無記憶信道：二進(jìn)制信號、無記憶信道：12二、編碼信道模型二、編碼信道模型01233210接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端 四進(jìn)制編碼信道模型：四進(jìn)制編碼信道模型：132.3 典型恒參信道典型恒參信道明線明線對稱電纜對稱電纜同軸電纜同軸電纜光纖光纖無

5、線視距中繼無線視距中繼衛(wèi)星中繼衛(wèi)星中繼14一、明一、明 線線15二、對稱電纜：雙絞線二、對稱電纜：雙絞線16三、同軸電纜三、同軸電纜常用的同軸電纜有兩類：常用的同軸電纜有兩類：50和和7517四、光四、光 纖纖表面涂層表面涂層包層包層芯區(qū)芯區(qū)n1n2折射率折射率折射率n1n22a18五、無線視距中繼五、無線視距中繼 頻率：頻率：30MHz以上以上 類似光波做視線傳播（將穿透電離層）類似光波做視線傳播（將穿透電離層）地地 面面發(fā)射天線發(fā)射天線19六、衛(wèi)星中繼六、衛(wèi)星中繼202.4恒參信道特性及其對信號影響恒參信道特性及其對信號影響恒參信道一般特性恒參信道一般特性理想恒參信道理想恒參信道實際信道實

6、際信道其他影響因素及措施其他影響因素及措施21一、恒參信道一般特性一、恒參信道一般特性 恒參信道傳輸特性可等效為線性時恒參信道傳輸特性可等效為線性時不變網(wǎng)絡(luò)。不變網(wǎng)絡(luò)。 線性時不變網(wǎng)絡(luò)可用幅頻特性和相線性時不變網(wǎng)絡(luò)可用幅頻特性和相頻特性來表征，即：頻特性來表征，即：()( )( )jHHe 22二、理想恒參信道二、理想恒參信道()()()()()dddHktdtdtdd 常數(shù)或常數(shù)( )H( ) ( ) 23相頻失真理解相頻失真理解0102030405060708090100-2-1.5-1-0.500.511.520102030405060708090100-2-1.5-1-0.500.51

7、1.52輸入信號由基波輸入信號由基波和二次波合成和二次波合成 基波延遲基波延遲、二、二次波延遲次波延遲2后后的合成信號的合成信號0102030405060708090100-2-1.5-1-0.500.511.52基波延遲基波延遲、二、二次波延遲次波延遲3后后的合成信號的合成信號 24三、實際信道三、實際信道幅頻失真：幅頻失真：相頻失真：相頻失真：0 300 1100 (Hz)損耗(dB)f25四、其他影響因素及措施四、其他影響因素及措施26【例例2-1】如圖所示網(wǎng)絡(luò)，求它的頻率特性。判如圖所示網(wǎng)絡(luò)，求它的頻率特性。判斷是否存在幅頻失真及相頻失真。斷是否存在幅頻失真及相頻失真。 arctan(

8、)22222211( )11( )( )1jRCHej RCR CdRCdR C 272.5 典型隨參信道典型隨參信道28多徑傳播的幾種主要形式多徑傳播的幾種主要形式 292.5 典型隨參信道典型隨參信道302.6 恒參信道特性及其對信號影響恒參信道特性及其對信號影響 31一、隨參信道的特點一、隨參信道的特點 信號的衰耗隨時間隨機(jī)變化信號的衰耗隨時間隨機(jī)變化 信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機(jī)變化信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機(jī)變化 多徑傳播多徑傳播32二、多徑效應(yīng)導(dǎo)致信號瑞利衰落（頻率擴(kuò)散）二、多徑效應(yīng)導(dǎo)致信號瑞利衰落（頻率擴(kuò)散） 設(shè)有設(shè)有n條路徑，并設(shè)輸入信號為條路徑，并設(shè)輸入信號為 ( )coscs tA

9、t則收端接收信號為：則收端接收信號為： 11( )( )cos( )( )cos( ) ( )nniciiciiiir ta ttta tttt11( )coscos( )sinsinnniiciiciia tta tt( )cos( )sinccX ttY tt( )cos( )( )cV tttV t其中服從瑞利分布33二、多徑效應(yīng)的瑞利衰落二、多徑效應(yīng)的瑞利衰落結(jié)論：結(jié)論： （1）多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包）多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號為衰落信號（2）從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了）

10、從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。34三、多徑效應(yīng)的頻率選擇性衰落三、多徑效應(yīng)的頻率選擇性衰落( )is t并設(shè)輸入信號為并設(shè)輸入信號為( ) t設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條( ) tkk則收端接收信號為：則收端接收信號為： ( )( )( )oiis tks tks tt( )( )( )( )( )( )1jtjtoiiiSkSkSekSe 其頻域表示式為：其頻域表示式為：( )( )( )1( )jtoiSHkeS 信道傳輸函數(shù)為：信道傳輸函數(shù)為：35三、多徑效應(yīng)的頻率選擇性衰落三、多徑效應(yīng)的頻

11、率選擇性衰落( )( )( )1( )jtoiSHkeS 信道傳輸函數(shù)為：信道傳輸函數(shù)為：( )( )1jtHke 則則1cos( )sin( )ktjt 2( )( )( )2cos2sincos222tttkj ( )( )( )2coscossin222tttkj ( )2cos2tk 36三、多徑效應(yīng)的頻率選擇性衰落三、多徑效應(yīng)的頻率選擇性衰落( )( )2cos2tHk 結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)當(dāng) 即即 或或 時，時，出現(xiàn)傳播極點；出現(xiàn)傳播極點； 當(dāng)當(dāng) 即即 或或 時，出現(xiàn)傳播零點；時，出現(xiàn)傳播零點；( )/2tn 2/n/fn( )/2/2tn (21)/n(1/2)/fn37三、多徑效應(yīng)

12、的頻率選擇性衰落三、多徑效應(yīng)的頻率選擇性衰落定義多徑傳播信道相關(guān)帶寬為：定義多徑傳播信道相關(guān)帶寬為： 1cmB工程設(shè)計中，信號帶寬為相關(guān)帶寬的工程設(shè)計中，信號帶寬為相關(guān)帶寬的1/51/3。即：。即：11()53cBB 38【例例2-2】 某隨參信道的兩徑時延差某隨參信道的兩徑時延差 為為1ms，試求，試求該信道在哪些頻率上傳輸衰耗最大？選用哪該信道在哪些頻率上傳輸衰耗最大？選用哪些頻率傳輸信號最有利？些頻率傳輸信號最有利？ 211() (kHz)(22(kHz)()nfnnfn最不利)最有利39 2.7 分集接收分集接收 頻率分集 角度分集 極化分集 40 2.7 分集接收分集接收 最佳選擇式

13、等增益相加式最佳比例相加式 412.8 信道加性噪聲信道加性噪聲 42 2.9 信道容量信道容量 信道容量：是指信道中信息無差錯傳輸?shù)淖畲笏俾?互信息量：互信息量： (/)( ,)log()ijijiP xyI x yP x11loglog( )(/)iijP xP xy( )(/)iijI xI xy某個符號傳遞的信息量。(/)( ,)log( )ijijiP xyI x yP x43二、離散信道的信道容量二、離散信道的信道容量(, )()(/ )I X YH XH X Y(, )( )( /)I X YH YH YX對于一定的信道， 是一定的，而不同的 ，將對應(yīng)不同的 ，其中某一種概率分布

14、 對應(yīng)的 將最大，表示為： (/ )H X Y()iP x(/ )I X Y()iP x(/ )I X Y()max (, )iP xCI X Y：C是每個符號平均能夠傳送的最大信息量，即信道容量。0()max (, )issP xCRCRI X Y11(/ )(/)log (/)( /)(/)log (/)LijijiMjijijH X YP xyP xyH Y XP yxP yx 44【例例2-3】設(shè)信息源由符號設(shè)信息源由符號0和和1組成，順次選組成，順次選擇兩符號構(gòu)成所有可能的消息。如擇兩符號構(gòu)成所有可能的消息。如果消息傳輸速率是每秒果消息傳輸速率是每秒1000符號，符號，且兩符號出現(xiàn)的

15、概率相等。傳輸中，且兩符號出現(xiàn)的概率相等。傳輸中，平均每平均每100符號中有一個符號不正確，符號中有一個符號不正確，試問這時傳輸信息的速率是多少？試問這時傳輸信息的速率是多少？45三、連續(xù)信道的信道容量三、連續(xù)信道的信道容量 2log (1)SCBN20log1SCBn B 增大信號功率可以增加信道容量，若信號功率趨于無窮大，則信道容量也趨于無窮大。 減小噪聲功率（或減小噪聲功率譜密度），可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零，則信道容量趨于無窮大。 增大信道帶寬可以增加信道容量，但不能使信道容量無限制增大。 46【例例2-4】 電視圖像可以大致認(rèn)為由電視圖像可以大致認(rèn)為由300000個小像元組成

16、。個小像元組成。對于一般要求的對比度，每一像元大約取對于一般要求的對比度，每一像元大約取10個可個可辨別的亮度電平（例如對應(yīng)黑色、深灰色、淺灰辨別的亮度電平（例如對應(yīng)黑色、深灰色、淺灰色、白色等）。現(xiàn)假設(shè)對于任何像元，色、白色等）?，F(xiàn)假設(shè)對于任何像元，10個亮度個亮度電平是等概率出現(xiàn)的，每秒發(fā)送電平是等概率出現(xiàn)的，每秒發(fā)送30幀圖像；并且，幀圖像；并且，為了滿意地重現(xiàn)圖像，要求信噪比為了滿意地重現(xiàn)圖像，要求信噪比S/N為為1000（即（即30dB）。在這種條件下，我們來計算傳輸上）。在這種條件下，我們來計算傳輸上述信號所需的帶寬。述信號所需的帶寬。 47小小 結(jié)結(jié) (狹義信道和廣義信道狹義信道和廣義信道) (有線信道和無線信道有線信道和無線信道) (調(diào)制信道和編碼信道調(diào)制信道和編碼