通信原理第4章信道演示教學(xué)

1、通信原理第4章信道第第4章章 信信 道道l4.1 無(wú)線信道無(wú)線信道n無(wú)線信道電磁波的頻率無(wú)線信道電磁波的頻率 受天線尺寸限制受天線尺寸限制n地球大氣層的結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu)u對(duì)流層：地面上對(duì)流層：地面上 0 10 kmu平流層：約平流層：約10 60 kmu電離層：約電離層：約60 400 km地 面對(duì)流層平流層電離層10 km60 km0 kmn電離層對(duì)于傳播的影響電離層對(duì)于傳播的影響u反射反射u散射散射n大氣層對(duì)于傳播的影響大氣層對(duì)于傳播的影響u散射散射u吸收吸收頻率(GHz)(a) 氧氣和水蒸氣（濃度7.5 g/m3）的衰減頻率(GHz)(b) 降雨的衰減衰減(dB/km)衰減 (dB/

2、km)水蒸氣氧氣降雨率圖4-6 大氣衰減第第4章章 信信 道道傳播路徑地 面圖4-1 地波傳播地 面信號(hào)傳播路徑圖 4-2 天波傳播第第4章章 信信 道道n電磁波的分類：電磁波的分類：u地波地波p頻率頻率 2 MHzp有繞射能力有繞射能力p距離：數(shù)百或數(shù)千千米距離：數(shù)百或數(shù)千千米 u天波天波p頻率：頻率：2 30 MHzp特點(diǎn)：被電離層反射特點(diǎn)：被電離層反射p一次反射距離：一次反射距離： 30 MHzp距離距離: 和天線高度有關(guān)和天線高度有關(guān)(4.1-3) 式中，式中，D 收發(fā)天線間距離收發(fā)天線間距離(km)。例例 若要求若要求D = 50 km，則由式，則由式(4.1-3)p增大視線傳播距離

3、的其他途徑增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：中繼通信：衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星平流層通信：平流層通信：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr圖 4-3 視線傳播圖4-4 無(wú)線電中繼第第4章章 信信 道道50822DrDhmm505050508222DrDh圖4-7 對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)域第第4章章 信信 道道u散射傳播散射傳播p電離層散射電離層散射機(jī)理機(jī)理 由電離層不均勻性引起由電離層不均勻性引起頻率頻率 30 60 MHz距離距離 1000 km以上以上p對(duì)流層散射對(duì)流層散射機(jī)理機(jī)理 由對(duì)流層不均勻性（湍流）引起由對(duì)流層不均勻性（湍流）引起頻率頻率

4、 100 4000 MHz最大距離最大距離 600 km第第4章章 信信 道道p流星流星余跡散射流星流星余跡散射流星余跡特點(diǎn)流星余跡特點(diǎn) 高度高度80 120 km，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度15 40 km 存留時(shí)間：小于存留時(shí)間：小于1秒至幾分鐘秒至幾分鐘頻率頻率 30 100 MHz距離距離 1000 km以上以上特點(diǎn)特點(diǎn) 低速存儲(chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸?shù)退俅鎯?chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸圖4-8 流星余跡散射通信流星余跡第第4章章 信信 道道l4.2 有線信道有線信道n明線明線第第4章章 信信 道道n對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線組成對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線組成n同軸電纜同軸電纜圖4-9 雙絞線導(dǎo)體絕緣層導(dǎo)體金屬編織

5、網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10 同軸線第第4章章 信信 道道n光纖光纖u結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)p纖芯纖芯p包層包層u按折射率分類按折射率分類p階躍型階躍型p梯度型梯度型u按模式分類按模式分類p多模光纖多模光纖p單模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖圖4-11 光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)u損耗與波長(zhǎng)關(guān)系損耗與波長(zhǎng)關(guān)系p損耗最小點(diǎn)：損耗最小點(diǎn)：1.31與與1.55 m第第4章章 信信 道道0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波長(zhǎng)（m）1.55 m1.31 m圖4-12光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系第第4章章 信信 道道l4.3 信道的數(shù)學(xué)

6、模型信道的數(shù)學(xué)模型n信道模型的分類：信道模型的分類：u調(diào)制信道調(diào)制信道u編碼信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道第第4章章 信信 道道n4.3.1 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型式中式中 信道輸入端信號(hào)電壓；信道輸入端信號(hào)電壓； 信道輸出端的信號(hào)電壓；信道輸出端的信號(hào)電壓； 噪聲電壓。噪聲電壓。通常假設(shè)：通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋哼@時(shí)上式變?yōu)椋?信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)圖4-13 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio第第4章章 信信 道道u因因k(t)隨隨t變，故信

7、道稱為時(shí)變信道。變，故信道稱為時(shí)變信道。u因因k(t)與與e i (t)相乘，故稱其為相乘，故稱其為乘性干擾乘性干擾。u因因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道隨參信道。u若若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道恒參信道。u乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，沒(méi)有乘性干擾。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，沒(méi)有乘性干擾。)()()()(tntetkteio第第4章章 信信 道道n4.3.2 編碼信道模型編碼信道模型 u二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型 無(wú)記憶信道模型無(wú)記憶信道模型pP(0 / 0)和和P(1 / 1) 正確轉(zhuǎn)移概率正確轉(zhuǎn)

8、移概率pP(1/ 0)和和P(0 / 1) 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率pP(0 / 0) = 1 P(1 / 0)pP(1 / 1) = 1 P(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)圖4-13 二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端第第4章章 信信 道道u四進(jìn)制編碼信道模型四進(jìn)制編碼信道模型 01233210接收端發(fā)送端第第4章章 信信 道道l4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憂恒參信道的影響恒參信道的影響u恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道u恒參信道恒參信道 非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò) 信號(hào)

9、通過(guò)線性系信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無(wú)失真條件：統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無(wú)失真條件：p振幅頻率特性：為水平直線時(shí)無(wú)失真振幅頻率特性：為水平直線時(shí)無(wú)失真 左圖為典型電話信道特性左圖為典型電話信道特性 用插入損耗便于測(cè)量用插入損耗便于測(cè)量(a) 插入損耗頻率特性第第4章章 信信 道道p相位頻率特性：要求其為通過(guò)原點(diǎn)的直線，相位頻率特性：要求其為通過(guò)原點(diǎn)的直線，即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無(wú)失真即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無(wú)失真群時(shí)延定義：群時(shí)延定義：頻率(kHz)（ms）群延遲(b) 群延遲頻率特性dd)(0相位頻率特性第第4章章 信信 道道u頻率失真：振幅頻率特性不良引起的頻率失真：振幅頻率特性不良引起的p

10、頻率失真頻率失真 波形畸變波形畸變 碼間串?dāng)_碼間串?dāng)_p解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償u相位失真：相位頻率特性不良引起的相位失真：相位頻率特性不良引起的p對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大p解決辦法：同上解決辦法：同上u非線性失真：非線性失真：p可能存在于恒參信道中可能存在于恒參信道中p定義：定義： 輸入電壓輸出電壓關(guān)系輸入電壓輸出電壓關(guān)系 是非線性的。是非線性的。u其他失真：其他失真：頻率偏移、相位抖動(dòng)頻率偏移、相位抖動(dòng)非線性關(guān)系直線關(guān)系圖4-16 非線性特性輸入電壓輸出電壓第第4章章 信信 道道n變參信道的影響變參信道的影響u變參信道：又稱時(shí)變信道

11、，信道參數(shù)隨時(shí)間而變。變參信道：又稱時(shí)變信道，信道參數(shù)隨時(shí)間而變。u變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播播u變參信道的特性：變參信道的特性：p衰減隨時(shí)間變化衰減隨時(shí)間變化p時(shí)延隨時(shí)間變化時(shí)延隨時(shí)間變化p多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)：信號(hào)經(jīng)過(guò)幾條路徑到達(dá)接收端，：信號(hào)經(jīng)過(guò)幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條而且每條路徑的長(zhǎng)度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳路徑的長(zhǎng)度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。播現(xiàn)象。 下面重點(diǎn)分析多徑效應(yīng)下面重點(diǎn)分析多徑效應(yīng)第第4章章 信信 道道u多徑效應(yīng)分析：多徑效應(yīng)分析：設(shè)設(shè) 發(fā)射信號(hào)為發(fā)射信號(hào)為 接收信號(hào)為接收信號(hào)

12、為(4.4-1)式中式中 由第由第i條路徑到達(dá)的接收信號(hào)振幅；條路徑到達(dá)的接收信號(hào)振幅； 由第由第i條路徑達(dá)到的信號(hào)的時(shí)延；條路徑達(dá)到的信號(hào)的時(shí)延；上式中的上式中的 都是隨機(jī)變化的。都是隨機(jī)變化的。tA0cosniniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()()(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii第第4章章 信信 道道應(yīng)用三角公式可以將式應(yīng)用三角公式可以將式(4.4-1)改寫(xiě)成：改寫(xiě)成： (4.4-2)上式中的上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個(gè)分量組成的。這兩個(gè)可以看成是由互相正交的兩個(gè)分量組成的。這兩個(gè)分量的振幅分別是緩慢隨機(jī)變化的。分量

13、的振幅分別是緩慢隨機(jī)變化的。式中式中 接收信號(hào)的包絡(luò)接收信號(hào)的包絡(luò) 接收信號(hào)的相位接收信號(hào)的相位 niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()(緩慢隨機(jī)變化振幅緩慢隨機(jī)變化振幅niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()(cos)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs第第4章章 信信 道道所以，接收信號(hào)可以看作是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化所以，接收信號(hào)可以看作是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)：的窄帶信號(hào)：結(jié)論結(jié)論：發(fā)射信號(hào)為單頻恒幅正

14、弦波時(shí)，接收信號(hào)因多徑效：發(fā)射信號(hào)為單頻恒幅正弦波時(shí)，接收信號(hào)因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號(hào)。應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號(hào)。這種包絡(luò)起伏稱為這種包絡(luò)起伏稱為快衰落快衰落 衰落周期和碼元周期可衰落周期和碼元周期可以相比以相比。另外一種衰落：另外一種衰落：慢衰落慢衰落 由傳播條件引起的。由傳播條件引起的。 第第4章章 信信 道道u多徑效應(yīng)簡(jiǎn)化分析：多徑效應(yīng)簡(jiǎn)化分析：設(shè)設(shè) 發(fā)射信號(hào)為：發(fā)射信號(hào)為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時(shí)延不同僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時(shí)延不同 兩條路徑的接收信號(hào)為：兩條路徑的接收信號(hào)為：A f(t - 0) 和和 A f(t - 0 - ) 其中：其中：A 傳播衰減

15、，傳播衰減， 0 第一條路徑的時(shí)延，第一條路徑的時(shí)延， 兩條路徑的時(shí)延差。兩條路徑的時(shí)延差。求求：此多徑信道的傳輸函數(shù)：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設(shè)設(shè)f (t)的傅里葉變換（即其頻譜）為的傅里葉變換（即其頻譜）為F( )： )()(Ftf第第4章章 信信 道道（4.4-8）則有則有上式兩端分別是接收信號(hào)的時(shí)間函數(shù)和頻譜函數(shù)上式兩端分別是接收信號(hào)的時(shí)間函數(shù)和頻譜函數(shù) ，故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為上式右端中，上式右端中，A 常數(shù)衰減因子，常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時(shí)延，確定的傳輸時(shí)延， 和信號(hào)頻率和信號(hào)頻率 有關(guān)的復(fù)因子，其模為有關(guān)的復(fù)因子，其模為)()(Ftf0)()(

16、0jeAFtAf)(00)()(jeAFtAf)1 ()()()(000jjeeAFtAftAf)1 ()()1 ()()(00jjjjeAeFeeAFH0je)1 (je2cos2sin)cos1 (sincos1122jej第第4章章 信信 道道按照上式畫(huà)出的模與角頻率按照上式畫(huà)出的模與角頻率 關(guān)系曲線：關(guān)系曲線： 曲線的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對(duì)曲線的最大和最小值位置決定于兩條路徑的相對(duì)時(shí)延差時(shí)延差 。而。而 是隨時(shí)間變化的，所以對(duì)于給定頻率的是隨時(shí)間變化的，所以對(duì)于給定頻率的信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間而變，這種現(xiàn)象稱為信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落衰落現(xiàn)象?，F(xiàn)象。由

17、于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落。圖4-18 多徑效應(yīng)2cos2sin)cos1 (sincos1122jej圖4-18 多徑效應(yīng)第第4章章 信信 道道定義：相關(guān)帶寬定義：相關(guān)帶寬1/ 實(shí)際情況：有多條路徑。實(shí)際情況：有多條路徑。設(shè)設(shè) m 多徑中最大的相對(duì)時(shí)延差多徑中最大的相對(duì)時(shí)延差 定義：相關(guān)帶寬定義：相關(guān)帶寬1/ m多徑效應(yīng)的影響：多徑效應(yīng)的影響：多徑效應(yīng)會(huì)使數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_增大。為了減多徑效應(yīng)會(huì)使數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_增大。為了減小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因?yàn)?，小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因?yàn)?，若碼

18、元速率降低，則信號(hào)帶寬也將隨之減小，多徑效若碼元速率降低，則信號(hào)帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。應(yīng)的影響也隨之減輕。第第4章章 信信 道道n接收信號(hào)的分類接收信號(hào)的分類u確知信號(hào)確知信號(hào)：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號(hào)：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號(hào) u隨相信號(hào)隨相信號(hào)：接收碼元的相位隨機(jī)變化：接收碼元的相位隨機(jī)變化 u起伏信號(hào)起伏信號(hào)：接收信號(hào)的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變：接收信號(hào)的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化。化。 通過(guò)多徑信道傳輸?shù)男盘?hào)都具有這種特性通過(guò)多徑信道傳輸?shù)男盘?hào)都具有這種特性 第第4章章 信信 道道l4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲n噪聲噪聲u信道中存在的不

19、需要的電信號(hào)。信道中存在的不需要的電信號(hào)。u又稱加性干擾。又稱加性干擾。n按噪聲來(lái)源分類按噪聲來(lái)源分類u人為噪聲人為噪聲 例：開(kāi)關(guān)火花、電臺(tái)輻射例：開(kāi)關(guān)火花、電臺(tái)輻射u自然噪聲自然噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱熱噪聲噪聲第第4章章 信信 道道n熱噪聲熱噪聲u來(lái)源：來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。來(lái)源：來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。 u頻率范圍：均勻分布在大約頻率范圍：均勻分布在大約 0 1012 Hz。u熱噪聲電壓有效值：熱噪聲電壓有效值： 式中式中k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)；波茲曼常數(shù)； T 熱力學(xué)溫度（熱力學(xué)溫度（K）

20、；）； R 阻值（阻值（ ）；）； B 帶寬（帶寬（Hz）。）。u性質(zhì)：性質(zhì)：高斯白噪聲高斯白噪聲)V(4kTRBV 第第4章章 信信 道道n按噪聲性質(zhì)分類按噪聲性質(zhì)分類u脈沖噪聲脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。其頻譜較寬。電火花續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。就是一種典型的脈沖噪聲。 u窄帶噪聲窄帶噪聲：來(lái)自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻：來(lái)自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的。可以譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的。可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。看作

21、是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。u起伏噪聲起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。聲和宇宙噪聲等。討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。第第4章章 信信 道道n窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲u帶限白噪聲：經(jīng)過(guò)接收機(jī)帶通濾波器過(guò)濾的熱噪帶限白噪聲：經(jīng)過(guò)接收機(jī)帶通濾波器過(guò)濾的熱噪聲聲u窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過(guò)程通過(guò)線性電路后，仍為一高斯過(guò)程，故此斯過(guò)程通過(guò)線性電路后，仍為一高斯過(guò)程，故此窄

22、帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。u窄帶高斯噪聲功率：窄帶高斯噪聲功率：式中式中 Pn(f) 雙邊噪聲功率譜密度雙邊噪聲功率譜密度dffPPnn)(第第4章章 信信 道道u噪聲等效帶寬：噪聲等效帶寬：式中式中 Pn(f0) 原噪聲功率譜密度曲線的最大值原噪聲功率譜密度曲線的最大值噪聲等效帶寬的物理概念噪聲等效帶寬的物理概念： 以此帶寬作一矩形以此帶寬作一矩形濾波特性，則通過(guò)此濾波特性，則通過(guò)此特性濾波器的噪聲功率，特性濾波器的噪聲功率，等于通過(guò)實(shí)際濾波器的等于通過(guò)實(shí)際濾波器的噪聲功率。噪聲功率。 利用噪聲等效帶寬的概念，利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時(shí)，在后面

23、討論通信系統(tǒng)的性能時(shí)，可以認(rèn)為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬可以認(rèn)為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內(nèi)是恒定的。內(nèi)是恒定的。圖4-19 噪聲功率譜特性 Pn(f)()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnnPn (f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬第第4章章 信信 道道l4.6 信道容量信道容量信道容量信道容量 指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省 4.6.1 離散信道容量離散信道容量u兩種不同的度量單位：兩種不同的度量單位：pC 每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾得總€(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祊Ct 單位時(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲髥挝粫r(shí)間

24、（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾抵祊兩者之間可以互換兩者之間可以互換第第4章章 信信 道道u計(jì)算離散信道容量的信道模型計(jì)算離散信道容量的信道模型p發(fā)送符號(hào)：發(fā)送符號(hào)：x1，x2，x3，xnp接收符號(hào)：接收符號(hào)： y1，y2，y3，ympP(xi) = 發(fā)送符號(hào)發(fā)送符號(hào)xi 的出現(xiàn)概率的出現(xiàn)概率 ，i 1，2，n；pP(yj) = 收到收到y(tǒng)j的概率，的概率，j 1，2，m pP(yj/xi) = 轉(zhuǎn)移概率，轉(zhuǎn)移概率， 即發(fā)送即發(fā)送xi的條件下收到的條件下收到y(tǒng)j的條件概率的條件概率x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端xn。ym圖4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(

25、ym/xn)P(yj)第第4章章 信信 道道u計(jì)算收到一個(gè)符號(hào)時(shí)獲得的平均信息量計(jì)算收到一個(gè)符號(hào)時(shí)獲得的平均信息量p從信息量的概念得知：發(fā)送從信息量的概念得知：發(fā)送xi時(shí)收到時(shí)收到y(tǒng)j所獲得的信息量等所獲得的信息量等于發(fā)送于發(fā)送xi前接收端對(duì)前接收端對(duì)xi的不確定程度（即的不確定程度（即xi的信息量）減的信息量）減去收到去收到y(tǒng)j后接收端對(duì)后接收端對(duì)xi的不確定程度。的不確定程度。p發(fā)送發(fā)送xi時(shí)收到時(shí)收到y(tǒng)j所獲得的信息量所獲得的信息量 = -log2P(xi) - -log2P(xi /yj)p對(duì)所有的對(duì)所有的xi和和yj取統(tǒng)計(jì)平均值，得出收到一個(gè)符號(hào)時(shí)獲得取統(tǒng)計(jì)平均值，得出收到一個(gè)符號(hào)時(shí)

26、獲得的平均信息量：的平均信息量：平均信息量平均信息量 / 符號(hào)符號(hào) nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(第第4章章 信信 道道平均信息量平均信息量 / 符號(hào)符號(hào) 式中式中為每個(gè)發(fā)送符號(hào)為每個(gè)發(fā)送符號(hào)xi的平均信息量，稱為信源的的平均信息量，稱為信源的熵熵。為接收為接收yj符號(hào)已知后，發(fā)送符號(hào)符號(hào)已知后，發(fā)送符號(hào)xi的平均信息量。的平均信息量。 由上式可見(jiàn)，收到一個(gè)符號(hào)的平均信息量只有由上式可見(jiàn)，收到一個(gè)符號(hào)的平均信息量只有H(x) H(x/y)，而發(fā)送符號(hào)的信息量原為而發(fā)送符號(hào)的信息量原為H(x)，少了的部分，少了

27、的部分H(x/y)就是傳輸錯(cuò)誤就是傳輸錯(cuò)誤率引起的損失。率引起的損失。 nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(niiixPxPxH12)(log)()(mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(第第4章章 信信 道道u二進(jìn)制信源的熵二進(jìn)制信源的熵p設(shè)發(fā)送設(shè)發(fā)送“1”的概率的概率P(1) = ，則發(fā)送則發(fā)送“0”的概率的概率P(0) 1 - 當(dāng)當(dāng) 從從0變到變到1時(shí)，信源的熵時(shí)，信源的熵H( )可以寫(xiě)成：可以寫(xiě)成：p按照上式畫(huà)出的曲線按照上式畫(huà)出的曲線：p由此圖可見(jiàn)，當(dāng)由此圖可見(jiàn)，當(dāng) 1

28、/2時(shí)，時(shí)，此信源的熵達(dá)到最大值。此信源的熵達(dá)到最大值。這時(shí)兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，這時(shí)兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，其不確定性最大。其不確定性最大。)1 (log)1 (log)(22H圖4-21 二進(jìn)制信源的熵H()第第4章章 信信 道道u無(wú)噪聲信道無(wú)噪聲信道p信道模型信道模型p發(fā)送符號(hào)和接收符號(hào)發(fā)送符號(hào)和接收符號(hào)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 p此時(shí)此時(shí)P(xi /yj) = 0； H(x/y) = 0。p因?yàn)椋骄畔⒘恳驗(yàn)?，平均信息?/ 符號(hào)符號(hào) H(x) H(x/y)p所以在無(wú)噪聲條件下，從接收一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息所以在無(wú)噪聲條件下，從接收一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息量為量為H(x)。而

29、原來(lái)在有噪聲條件下，從一個(gè)符號(hào)獲得的。而原來(lái)在有噪聲條件下，從一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息量為平均信息量為H(x)H(x/y)。這再次說(shuō)明。這再次說(shuō)明H(x/y)即為因即為因噪聲而損失的平均信息量。噪聲而損失的平均信息量。x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端。yn圖4-22 無(wú)噪聲信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn第第4章章 信信 道道u容量容量C的定義：每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾档亩x：每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?(比特比特/符號(hào)符號(hào)) p當(dāng)信道中的噪聲極大時(shí)，當(dāng)信道中的噪聲極大時(shí)，H(x / y) = H(x)。這時(shí)。這時(shí)C = 0，即信道，即信道容

30、量為零。容量為零。u容量容量Ct的定義：的定義： (b/s) 式中式中 r 單位時(shí)間內(nèi)信道傳輸?shù)姆?hào)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)信道傳輸?shù)姆?hào)數(shù))/()(max)(yxHxHCxP)/()(max)(yxHxHrCxPt0011P(0/0) = 127/128P(1/1) = 127/128P(1/0) = 1/128P(0/1) = 1/128發(fā)送端圖4-23 對(duì)稱信道模型接收端第第4章章 信信 道道u【例例4.6.1】設(shè)信源由兩種符號(hào)設(shè)信源由兩種符號(hào)“0”和和“1”組成，符號(hào)傳組成，符號(hào)傳輸速率為輸速率為1000符號(hào)符號(hào)/秒，且這兩種符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，秒，且這兩種符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，均等于均等于1/2。

31、信道為對(duì)稱信道，其傳輸?shù)姆?hào)錯(cuò)誤概率為。信道為對(duì)稱信道，其傳輸?shù)姆?hào)錯(cuò)誤概率為1/128。試畫(huà)出此信道模型，并求此信道的容量。試畫(huà)出此信道模型，并求此信道的容量C和和Ct?！窘饨狻看诵诺滥Ｐ彤?huà)出如下：此信道模型畫(huà)出如下：第第4章章 信信 道道此信源的平均信息量（熵）等于：此信源的平均信息量（熵）等于： （比特（比特/符號(hào)）符號(hào)）而條件信息量可以寫(xiě)為而條件信息量可以寫(xiě)為現(xiàn)在現(xiàn)在P(x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/128， P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 1/128，并且考慮到并且考慮到P(y1) +P(y2) = 1，所以上式可以改寫(xiě)為，所以上式可以改

32、寫(xiě)為121log2121log21)(log)()(1222niiixPxPxH)/(log)/()/(log)/()()/(log)/()/(log)/()()/(log)/()()/(2222221221212212112111112yxPyxPyxPyxPyPyxPyxPyxPyxPyPyxPyxPyPyxHmjnijijij第第4章章 信信 道道平均信息量平均信息量 / 符號(hào)符號(hào)H(x) H(x / y) = 1 0.045 = 0.955 （比特（比特 / 符號(hào)）符號(hào)）因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號(hào)損失的信息量為因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號(hào)損失的信息量為H(x / y) = 0.045（比特（比特/ 符號(hào)

33、）符號(hào)）信道的容量信道的容量C等于：等于：信道容量信道容量Ct等于：等于： 045. 0055. 001. 0)7()128/1 (01. 0)128/127()128/1 (log)128/1 ()128/127(log)128/127()/(log)/()/(log)/()/(221221211211yxPyxPyxPyxPyxH符號(hào)）（比特 /955. 0)/()(max)(yxHxHCxP)/(955955. 01000)/()(max)(sbyxHxHrCxPt第第4章章 信信 道道n 4.6.2 連續(xù)信道容量連續(xù)信道容量可以證明可以證明式中式中 S 信號(hào)平均功率信號(hào)平均功率 （W）

34、；）； N 噪聲功率（噪聲功率（W）；）； B 帶寬（帶寬（Hz）。）。 設(shè)噪聲單邊功率譜密度為設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則，則N = n0B；故上式可以改寫(xiě)成：故上式可以改寫(xiě)成：由上式可見(jiàn)，由上式可見(jiàn)，連續(xù)信道的容量連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬和信道帶寬B、信號(hào)功、信號(hào)功率率S及噪聲功率譜密度及噪聲功率譜密度n0三個(gè)因素有關(guān)三個(gè)因素有關(guān)。 )/(1log2sbNSBCt)/(1log02sbBnSBCt第第4章章 信信 道道當(dāng)當(dāng)S ，或，或n0 0時(shí)，時(shí)，Ct 。但是，當(dāng)?shù)牵?dāng)B 時(shí)，時(shí)，Ct將趨向何值？將趨向何值？令：令：x = S / n0B，上式可以改寫(xiě)為：，上式可以改寫(xiě)為：利用關(guān)系式利用關(guān)系式上式變?yōu)樯鲜阶優(yōu)?/(1log02sbBnSBCtxtxnSBnSSBnnSC/12002001log1log1)1ln(lim/10 xxxaealnloglog22020/120044. 1log)1 (loglimlimnSenSxnSCxxtB第第4章章 信信 道道 上式表明，當(dāng)給定上式表明，當(dāng)給定S / n0時(shí)，若帶寬時(shí)，若帶寬