第4章通信原理

1、第 4 章教學(xué)提示信道是通信系統(tǒng)的三要素之一信道是通信系統(tǒng)的三要素之一,是通是通信系統(tǒng)組成的重要部分。任何信號信系統(tǒng)組成的重要部分。任何信號離開信道都不能進(jìn)行傳輸，可見信離開信道都不能進(jìn)行傳輸，可見信道的特性對信號的傳輸起著重要的道的特性對信號的傳輸起著重要的作用，所以有必要進(jìn)行討論。作用，所以有必要進(jìn)行討論。 本章所討論的信道不是指各種具體的信道，而是指抽象出來的本章所討論的信道不是指各種具體的信道，而是指抽象出來的模型，重要講述以下幾個(gè)問題：模型，重要講述以下幾個(gè)問題：1、信道的定義及分類、信道的定義及分類;2、恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?、恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?3、隨參信道及其對

2、信號傳輸?shù)挠绊?、隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?4、信道容量；、信道容量；第 4 章第四章 信 道主要內(nèi)容主要內(nèi)容：信道的定義、分類信道的定義、分類恒參信道舉例恒參信道舉例隨參信道舉例隨參信道舉例信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型恒參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺捞匦约捌鋵π盘杺鬏數(shù)挠绊戨S參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊戨S參信道特性的改善隨參信道特性的改善信道的加性噪聲信道的加性噪聲信道容量的概念、香農(nóng)公式信道容量的概念、香農(nóng)公式（shannon formula）第 4 章 信道定義1.信道定義信道定義：信號通道：信號通道. 2.信道的分類信道的分類 狹義信道狹義信道：

3、信號的傳輸媒質(zhì)：信號的傳輸媒質(zhì) . n有線信道：架空明線、雙絞線、同軸電纜、光纜有線信道：架空明線、雙絞線、同軸電纜、光纜n無線信道：地波、短波、微波、衛(wèi)星、散射無線信道：地波、短波、微波、衛(wèi)星、散射廣義信道廣義信道：傳輸媒質(zhì)及有關(guān)變換裝置：傳輸媒質(zhì)及有關(guān)變換裝置.(收、發(fā)轉(zhuǎn)換器收、發(fā)轉(zhuǎn)換器, 放大，頻率放大，頻率變換，電變換，電電磁波，等。電磁波，等。)n編碼信道編碼信道n調(diào)制信道調(diào)制信道第 4 章第 4 章4. 1 隨參信道舉例隨參信道舉例隨參信道隨參信道是指信道傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快速變化的信道。是指信道傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快速變化的信道。隨參信道有以下幾種。隨參信道有以下幾種。1） 短波電

4、離層反射短波電離層反射2） 超短波流星余跡散射超短波流星余跡散射3） 超短波及微波對流層散射超短波及微波對流層散射4） 超短波電離層散射超短波電離層散射5） 超短波超視距繞射等超短波超視距繞射等 第 4 章一、一、 短波電離層反射信道短波電離層反射信道1、概念、概念：短波是指波長為：短波是指波長為10010m (相應(yīng)的頻率為相應(yīng)的頻率為330MHz)的的無線電波。無線電波。2、短波傳播方式、短波傳播方式：既可沿地表面?zhèn)鞑?，稱為地波傳播；也可由電：既可沿地表面?zhèn)鞑?，稱為地波傳播；也可由電離層反射傳播，稱為天波傳播。離層反射傳播，稱為天波傳播。 3、傳播路徑、傳播路徑離地面高離地面高60600km

5、的大氣層稱為電離層。電離層是由分子、原子、的大氣層稱為電離層。電離層是由分子、原子、離子及自由電子組成的。離子及自由電子組成的。 短波電磁波從電離層反射的傳播路徑如圖所示。短波電磁波從電離層反射的傳播路徑如圖所示。 在短波電離層反射在短波電離層反射信道中，存在多徑傳播，引起多徑傳播的主要原因如下。信道中，存在多徑傳播，引起多徑傳播的主要原因如下。 1） 電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射；電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射；2） 幾個(gè)反射層高度不同；幾個(gè)反射層高度不同；3） 電離層不均勻性引起的慢射現(xiàn)象；電離層不均勻性引起的慢射現(xiàn)象；4） 地球磁場引起的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波。地球磁場引起

6、的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波。第 4 章4、特點(diǎn)、特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)如下：主要優(yōu)點(diǎn)如下：1）、要求的功率較小，終端設(shè)備的成本較低；）、要求的功率較小，終端設(shè)備的成本較低；(100W幾幾KW) 2）、傳播距離遠(yuǎn)；）、傳播距離遠(yuǎn)；3）、受地形限制較?。唬?、受地形限制較小；4）、有適當(dāng)?shù)膫鬏旑l帶寬度；）、有適當(dāng)?shù)膫鬏旑l帶寬度； 5）、不易受認(rèn)為的破壞，該特點(diǎn)在軍事上非常有用。）、不易受認(rèn)為的破壞，該特點(diǎn)在軍事上非常有用。主要缺點(diǎn)如下：主要缺點(diǎn)如下：1）、傳輸可靠性差；電離層中的異常變化會(huì)引起較長時(shí)間的通信中）、傳輸可靠性差；電離層中的異常變化會(huì)引起較長時(shí)間的通信中斷。斷。 2）、需要經(jīng)常更換工作頻率，

7、因而使用較復(fù)雜；）、需要經(jīng)常更換工作頻率，因而使用較復(fù)雜；3）、存在快衰落與多徑時(shí)延失真；）、存在快衰落與多徑時(shí)延失真；4）、干擾電平大。）、干擾電平大。 (100b/s)5、應(yīng)用、應(yīng)用短波電離層反射信道過去是、現(xiàn)在仍然是遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾诺乐?。短波電離層反射信道過去是、現(xiàn)在仍然是遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾诺乐弧栴}：為什么遠(yuǎn)距離問題：為什么遠(yuǎn)距離HF無線電廣播在太陽黑子活無線電廣播在太陽黑子活動(dòng)的動(dòng)的 高峰期時(shí)效果更好？高峰期時(shí)效果更好？第 4 章二、對流層散射信道二、對流層散射信道對流層能夠不規(guī)則地散射無線電波對流層能夠不規(guī)則地散射無線電波 1、 概念概念：離地面：離地面1012km以下的大氣

8、層稱為對流層。以下的大氣層稱為對流層。在對流層中，由于大氣對流層湍流運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生了不均勻性，在對流層中，由于大氣對流層湍流運(yùn)動(dòng)等原因產(chǎn)生了不均勻性，故引起散射，如圖所示。故引起散射，如圖所示。 2、 傳播方式傳播方式：對流層散射信道是一種超視距的傳播信道，可：對流層散射信道是一種超視距的傳播信道，可工作在超短波和微波波段。其一跳的傳播距離約為工作在超短波和微波波段。其一跳的傳播距離約為100500km。 ABabcd收發(fā)天線共 同照射區(qū) a、b、c、d散射體，由小氣團(tuán)組成，每個(gè)小氣團(tuán)都是一個(gè)二次輻射源，它們組成一個(gè)散射體。第 4 章3、 對流層信道的特點(diǎn)對流層信道的特點(diǎn)1）、衰落）、衰落 散

9、射信號電平是不斷隨時(shí)間變化的，這種變化稱為衰落。散射信號電平是不斷隨時(shí)間變化的，這種變化稱為衰落。 衰落有兩類：衰落有兩類： 慢衰落（長期變化），慢衰落取決與氣象條件慢衰落（長期變化），慢衰落取決與氣象條件 快衰落（短期變化），快衰落是由多徑傳播引起的?？焖ヂ洌ǘ唐谧兓?，快衰落是由多徑傳播引起的。2）、傳播損耗）、傳播損耗總損耗包括兩個(gè)部分，總損耗包括兩個(gè)部分， （1） 自由空間的能量擴(kuò)散損耗；自由空間的能量擴(kuò)散損耗；（2） 散射損耗。散射損耗。3）、信道的允許帶寬）、信道的允許帶寬散射信道是典型的多徑信道。由于信源信號到達(dá)終端所經(jīng)過散射信道是典型的多徑信道。由于信源信號到達(dá)終端所經(jīng)過的路程

10、不同，因而各路徑信道到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間也不相同，的路程不同，因而各路徑信道到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間也不相同，結(jié)果信號脈沖被展寬，這種現(xiàn)象稱為時(shí)間擴(kuò)散簡稱多徑時(shí)散。結(jié)果信號脈沖被展寬，這種現(xiàn)象稱為時(shí)間擴(kuò)散簡稱多徑時(shí)散。這樣信道的允許帶寬與最大多徑時(shí)延的關(guān)系為這樣信道的允許帶寬與最大多徑時(shí)延的關(guān)系為BBc（3）空間分集）空間分集 多幅處于不同位置的天線同時(shí)接收多幅處于不同位置的天線同時(shí)接收（天線陣） d3（4）時(shí)頻分集）時(shí)頻分集 (混合分集之一混合分集之一) （5）其它：角度分集，極化分集。）其它：角度分集，極化分集。 4. 4. 3 隨參信道特性的改善隨參信道特性的改善第 4 章例如：四時(shí)四頻分集例如：四

11、時(shí)四頻分集 信息代碼信息代碼 時(shí)頻編碼時(shí)頻編碼 00 f1、f2、f3、f4 將一個(gè)四進(jìn)制碼元寬度時(shí)間將一個(gè)四進(jìn)制碼元寬度時(shí)間Ts等分等分 01 f2、f1、f4、f3 為為4個(gè)時(shí)間段，分別傳輸個(gè)時(shí)間段，分別傳輸4個(gè)載頻，不個(gè)載頻，不 10 f3、f4、f1、f2 同代碼傳輸順序不同。在同代碼傳輸順序不同。在Ts內(nèi)只要能內(nèi)只要能 11 f4、f3、f2、f1 正確接收到一個(gè)頻率，就可判斷在正確接收到一個(gè)頻率，就可判斷在Ts 內(nèi)傳輸?shù)男畔⒋a。內(nèi)傳輸?shù)男畔⒋a。第 4 章2 2合并方法合并方法 所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的N N個(gè)獨(dú)立衰落信號相加后個(gè)獨(dú)立衰落信

12、號相加后合并輸出，從而獲得分集增益。（中頻、基帶）合并輸出，從而獲得分集增益。（中頻、基帶）假設(shè)假設(shè)N N個(gè)獨(dú)立衰落信號分別：個(gè)獨(dú)立衰落信號分別：r r1 1(t)(t)、 r r2 2(t) (t) 、 r rN N(t),(t),則合并則合并器輸出為：器輸出為：r(t)=ar(t)=a1 1r r1 1(t)+ a(t)+ a2 2r r2 2(t)+(t)+a+aN N r rN N(t)(t)a ai i 第第i i 個(gè)信號的加權(quán)系數(shù)個(gè)信號的加權(quán)系數(shù)（1）最佳選擇式）最佳選擇式 選信噪比最好的一個(gè)作為接收信號。選信噪比最好的一個(gè)作為接收信號。（2）等增益相加）等增益相加 將各信號以相同

13、增益放大、相加。將各信號以相同增益放大、相加。（3）最大比相加）最大比相加 將各信號以信噪比成正比地放大、相加。將各信號以信噪比成正比地放大、相加。效果：（效果：（3）最好，（）最好，（1）最差。）最差。 第 4 章（1 1）最佳選擇式）最佳選擇式 選信噪比最好的一個(gè)作選信噪比最好的一個(gè)作為接收信號。為接收信號。接收機(jī)1接收機(jī)2二重分集選擇式合并第 4 章（2 2）等增益相加）等增益相加 將各信號以相同增益放將各信號以相同增益放大、相加。大、相加。接收機(jī)1接收機(jī)2第 4 章（3 3）最大比相加最大比相加 將各信號以信噪比成正將各信號以信噪比成正比地放大、相加。比地放大、相加。接收接收機(jī)機(jī)1接收

14、接收機(jī)機(jī)2第 4 章 4. 5 信道的加性噪聲信道的加性噪聲干擾干擾：對有用信號有害的各種波形的總稱。：對有用信號有害的各種波形的總稱。噪聲噪聲：可用隨機(jī)過程描述的干擾。：可用隨機(jī)過程描述的干擾。不能準(zhǔn)確預(yù)測其波形不能準(zhǔn)確預(yù)測其波形一、加性噪聲的來源一、加性噪聲的來源1、人為噪聲、人為噪聲來源于無關(guān)的其他信號源。來源于無關(guān)的其他信號源。如：外臺(tái)信號、接觸不良的觸點(diǎn)等，由不希望有的信號源引起如：外臺(tái)信號、接觸不良的觸點(diǎn)等，由不希望有的信號源引起的。的。2.自然噪聲自然噪聲來自于大自然。由自然界存在的各種電磁波源引起。來自于大自然。由自然界存在的各種電磁波源引起。如：閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲

15、、大氣干擾及宇宙噪聲如：閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲、大氣干擾及宇宙噪聲等。等。 3.內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。如：電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)、半導(dǎo)體中載流子如：電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)、半導(dǎo)體中載流子(電子和空穴電子和空穴)的隨機(jī)產(chǎn)生與復(fù)合等。是元器件內(nèi)部固有的噪聲。的隨機(jī)產(chǎn)生與復(fù)合等。是元器件內(nèi)部固有的噪聲。第 4 章二、噪聲的性質(zhì)分類二、噪聲的性質(zhì)分類單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。本章重點(diǎn)介紹起伏噪聲。單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。本章重點(diǎn)介紹起伏噪聲。三、起伏噪聲三、起伏噪聲1、熱噪聲、熱噪聲1）、產(chǎn)生原因：在電阻一類導(dǎo)體中自由電子的布郎運(yùn)動(dòng)引

16、起）、產(chǎn)生原因：在電阻一類導(dǎo)體中自由電子的布郎運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。的噪聲。2）、特點(diǎn)：服從高斯分布，且具有均勻的功率譜密度。）、特點(diǎn)：服從高斯分布，且具有均勻的功率譜密度。2、散彈噪聲、散彈噪聲1）、產(chǎn)生原因：真空電子管和半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射的不均）、產(chǎn)生原因：真空電子管和半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射的不均勻性引起。勻性引起。2）、特點(diǎn)：服從高斯分布）、特點(diǎn)：服從高斯分布3、.宇宙噪聲宇宙噪聲1）、產(chǎn)生原因：天體輻射波對接收機(jī)形成的噪聲。）、產(chǎn)生原因：天體輻射波對接收機(jī)形成的噪聲。2）、特點(diǎn)：）、特點(diǎn)：20 300MHz內(nèi)，強(qiáng)度與頻率的三次方成反比，內(nèi)，強(qiáng)度與頻率的三次方成反比，服從高斯分布；具有平坦的功

17、率譜密度。服從高斯分布；具有平坦的功率譜密度。注意：通信系統(tǒng)模型中的噪聲源是分散在通信系統(tǒng)各處的噪聲注意：通信系統(tǒng)模型中的噪聲源是分散在通信系統(tǒng)各處的噪聲的集中表示。通常把加性噪聲的主要代表的集中表示。通常把加性噪聲的主要代表起伏噪聲理解成熱起伏噪聲理解成熱噪噪 聲、散彈噪聲、宇宙噪聲的集中表示。均為高斯白噪聲。聲、散彈噪聲、宇宙噪聲的集中表示。均為高斯白噪聲。第 4 章n(t)：白噪聲。：白噪聲。雙邊帶功率譜密度雙邊帶功率譜密度Pn（f） 單邊帶功率譜密度單邊帶功率譜密度Pn（f）n0/2ffn000 N不可能為無窮大，故白噪聲的頻率范圍應(yīng)是有限的。不可能為無窮大，故白噪聲的頻率范圍應(yīng)是有限

18、的。-dffpNn)(噪聲功率第 4 章帶通型噪聲的功率譜密度：帶通型噪聲的功率譜密度：接收濾波器解調(diào)n(t)ni(t)BPFBPFfni(t)的功率譜密度ffc0Pni(t)Pni(f0)Bnfc噪聲帶寬Bn0)()(cninnifPNBdffPNiiBn 為等效噪聲帶寬，其物理意義是：為等效噪聲帶寬，其物理意義是：白噪聲通過實(shí)際帶通濾波器的效果與白噪聲通過實(shí)際帶通濾波器的效果與通過寬度為通過寬度為Bn ，高為，高為Pni（f0）的矩形）的矩形濾波器的效果一樣。濾波器的效果一樣。第 4 章4. 6 信道容量的概念信道容量的概念信道容量：信道的最大（極限）傳輸能力信道容量：信道的最大（極限）傳

19、輸能力定義定義：信道無差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率稱為信道容量，記為：信道無差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率稱為信道容量，記為C。離散信道：輸入輸出為離散信號；離散信道：輸入輸出為離散信號；連續(xù)信道：輸入輸出為連續(xù)信號；連續(xù)信道：輸入輸出為連續(xù)信號；一、一、 離散信道的信道容量離散信道的信道容量 信道模型用轉(zhuǎn)移概率來表示。信道模型用轉(zhuǎn)移概率來表示。如圖所示。如圖所示。 圖中：圖中：P(x)發(fā)送信道的概率；發(fā)送信道的概率；P(y)是接收信號的概率；是接收信號的概率；P(yi/xi)是轉(zhuǎn)移概率，是轉(zhuǎn)移概率，i=1,2,m，它是發(fā)送為，它是發(fā)送為xi，而收到的是而收到的是yi的概率。的概率。 第 4 章接收

20、端接收到的信息量（信息論中稱為互信息）為接收端接收到的信息量（信息論中稱為互信息）為單位是單位是 比特比特/符號。符號。公式中：公式中： I ：接收端接收到的平均信息量；：接收端接收到的平均信息量； H（x）：未發(fā)送符號前對：未發(fā)送符號前對xi的不確定度；即每個(gè)符號的平均的不確定度；即每個(gè)符號的平均信息量。信息量。H(x/y) ：收到符號：收到符號yi后對后對xi的不確定度；即輸出符號已知時(shí)，的不確定度；即輸出符號已知時(shí)，輸入符號的平均信息量，也即平均丟失信息量。輸入符號的平均信息量，也即平均丟失信息量。 信息傳輸速率信息傳輸速率R：是指信道在單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘?，：是指信道在單位時(shí)間

21、內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘?，單位是單位?比特比特/秒。秒。若碼元傳輸速率是若碼元傳輸速率是r，則，則R與與I的關(guān)系如下：的關(guān)系如下：第 4 章討論分析討論分析： 顯然顯然R與與r、信息源的概率分布以及信道干擾的概率、信息源的概率分布以及信道干擾的概率分布有關(guān)。對某個(gè)給定信道，干擾的概率分布應(yīng)當(dāng)分布有關(guān)。對某個(gè)給定信道，干擾的概率分布應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是確定的，如果此時(shí)認(rèn)為是確定的，如果此時(shí)r一定，則一定，則R僅與信息源的僅與信息源的概率分布有關(guān)。概率分布有關(guān)。 當(dāng)無噪聲時(shí)，當(dāng)無噪聲時(shí)， （3.10-3） 當(dāng)噪聲很大時(shí)，當(dāng)噪聲很大時(shí)， （3.10-4） 離散信道的信道容量定義離散信道的信道容量定義：對于一切可

22、能的信息源：對于一切可能的信息源概率分布來說，信道傳輸信息的速率概率分布來說，信道傳輸信息的速率R的最大值稱為的最大值稱為信道容量，用信道容量，用C表示，即表示，即第 4 章二、二、 連續(xù)信道的信道容量連續(xù)信道的信道容量香農(nóng)（香農(nóng)（Shannon）公式：連續(xù)信道中的信道容量）公式：連續(xù)信道中的信道容量C為為 式中：式中：B為信道的帶寬；為信道的帶寬；S為信號的功率；為信號的功率；N為信道加性高斯白噪聲的功率。為信道加性高斯白噪聲的功率。 物理意義：物理意義：表示當(dāng)信號與作用在信道上噪聲的平均表示當(dāng)信號與作用在信道上噪聲的平均功率給定時(shí)，信道帶寬為功率給定時(shí)，信道帶寬為B B，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限值。傳輸?shù)男畔⒘康臉O限值。bit/s)1 (log2NSBC（3.10-5)第 4 章當(dāng)信道帶寬為當(dāng)信道帶寬為B，噪聲單邊功率譜密度為，噪聲單邊功率譜密度為n0，則，則 N= n0 B (3.10-6)公式（公式（3.10-5)整理為：整理為：BnSBNSBC0221log)1 (log問題：無限制地增大問題：無限制地增大B，能夠使，能夠使C無窮大？無窮大？分析：分析： 結(jié)論：即使傳輸帶寬無窮大，此時(shí)