通信原理(第7版)-第4章 信道(7版)

1、 制作：曹麗娜 美工設計：陳英 技術(shù)支持：張嘉等人 課 件 通信原理（第7版）樊昌信 曹麗娜 編著 第4章 信 道信道分類信道模型恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 傳輸媒質(zhì)l有線信道明線、電纜、光纖明線、電纜、光纖l無線信道自由空間或大氣層自由空間或大氣層無線信道舉例：地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、衛(wèi)星中繼、散射及移動無線電信道 概 述n狹義信道狹義信道：n廣義信道廣義信道： l調(diào)制信道研究調(diào)制研究調(diào)制/ /解調(diào)問題解調(diào)問題l編碼信道研究編碼研究編碼/ /譯碼問題譯碼問題信道的定義與分類對流層平流層電離層10 km60 km0 km

2、l 對流層：約 0 10 kml 平流層：約 1060 kml 電離層：約 60400 kmn地球大氣層的結(jié)構(gòu)：4.1 無線信道r地波地波 ground- wave頻率： 2 MHz特性：有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千米用于：AM廣播 r天波天波 sky- wave頻率：230 MHz特性：被電離層反射距離： 30 MHz 特性：直線傳播、穿透電離層 用途：衛(wèi)星和外太空通信 超短波及微波通信 距離：與天線高度有關(guān) r 視線傳播視線傳播 line-of-sight無線信道D 為收發(fā)天線間距離(km) 設收發(fā)天線的架設設收發(fā)天線的架設高度均為高度均為40 m，則最，則最遠通信距離為：遠通信距離為： D

3、 = 44.7 km)(50822mDrDh例如u 微波中繼（微波接力）u 衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星）u 平流層通信 增大視線傳播距離的其他途徑？遠距離通信時，需建立多個中繼站兩點間傳輸距離30km 50km無線信道u 微波中繼微波中繼 優(yōu)點優(yōu)點：容量大、投資少、維護方便、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定。 應用應用：遠距離傳輸話音和電視信號。優(yōu)點：優(yōu)點：通信容量大，傳輸質(zhì)量穩(wěn)定, 傳輸距離遠，覆蓋區(qū)域廣。缺點：缺點：傳輸時延大，信號衰減大， 造價高。無線信道u 衛(wèi)星中繼衛(wèi)星中繼 對流層散射頻率：100 4000 MHz距離： 600 km對流層散射通信對流層散射通信地球有效散射區(qū)域有效散射區(qū)域無線信道r 散

4、射通信散射通信 電離層散射頻率 ： 30 60 MHz距離 ： 1000 km以上流星余跡流星余跡無線信道r 流星余跡散射流星余跡散射特性: 高度80 120 km，長度15 40 km 存留時間：小于1秒至幾分鐘頻率: 30 100 MHz距離: 1000 km以上用途: 低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸n明線明線n對稱電纜對稱電纜n同軸電纜同軸電纜n光纖光纖4.2 有線信道1880年紐約街貌年紐約街貌n明線明線導體絕緣層雙絞線Twisted Rair屏蔽雙絞線(STP) （可減少噪聲干擾）非屏蔽雙絞線(UTP)（便宜、易彎曲、易安裝）由 多 對雙絞線組成特點特點缺點缺點應用應用有線信道n對稱電

5、纜對稱電纜 由同軸的兩個導體組成內(nèi)芯：金屬導線外導體：金屬編織網(wǎng) 抗電磁干擾能力強 帶寬更寬、速率更高 成本較高； 解決：用光纜代替（干線） 組成組成優(yōu)點優(yōu)點（相比雙絞線）缺點缺點有線信道n同軸電纜同軸電纜 寬帶寬帶（射頻）同軸電纜：同軸電纜：l75，用于傳輸模擬信號l多用于有線電視（CATV）系統(tǒng)l傳輸距離可達幾十千米 基帶基帶同軸電纜同軸電纜：l50，多用于數(shù)字基帶傳輸l速率可達10Mb/sl傳輸距離幾千米有線信道單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖 光纖結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)：l纖芯l包層按折射率分類：l階躍型l梯度型按模式分類：l多模光纖l單模光纖有線信道n光纖光纖 易碎，接口昂貴，安裝和維護

6、需要專門技能。l 傳輸帶寬寬、通信容量大；l 傳輸衰減小，無中繼傳輸距離遠； ( 0.2dB/km) （幾百公里）l 抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好，防竊聽，耐腐蝕；l 體積小，重量輕，節(jié)省有色金屬，環(huán)保。缺點缺點 長途電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等的主干線路中。應用應用優(yōu)點優(yōu)點有線信道信道分類信道模型恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 4.3 信道數(shù)學模型1. 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型n 模型模型：l有一對（或多對）輸入端和輸出端l大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理l對信號有固定或時變的延遲和損耗l無信號輸入時，仍可能有輸出（噪聲）n共性：疊加有噪聲的線性時變/時不變網(wǎng)絡：

7、n入出關(guān)系：0( )( )( ) tr ts tno( )( )(iifcs ts tstto( )( )iCSS 反映信道 本身特性u調(diào)制信道對信號的影響程度取決 與 的特性。 C( )n t加性噪聲加性噪聲始終存在始終存在 乘性干擾乘性干擾（共存共失）（共存共失） 調(diào)制信道分為： （根據(jù)信道的時變特性）l 恒參信道 特性基本不隨時間變化l 隨參信道 特性隨時間隨機快變化u 不同的物理信道具有不同的特性C()= 常數(shù)（可取1）加性高斯白噪聲信道模型+ = 1P(1/ 0)P(0 / 1) 001 1P(0 / 0)P(1 / 1)發(fā)送端接收端二進制二進制無記憶無記憶編碼信道編碼信道模型模型可

8、用 轉(zhuǎn)移概率來描述。+ = 1 P(0/0) P(1/1) 正確 P(1/0) P(0/1) 錯誤e(0) (1/0)(1) (0/1)PPPPP2. 編碼信道模型編碼信道模型n 模型模型：01233210接收端發(fā)送端四進制四進制無記憶無記憶編碼信道編碼信道信道分類信道模型恒參/隨參信道特性對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 4.4 l特點：傳輸特性隨時間緩變或不變。l舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 )()()( jeHH )(H )( 1. 傳輸特性傳輸特性幅頻特性相頻特性線性時不變系統(tǒng) 恒參信道 特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?2. 無失真?zhèn)鬏敓o失真?zhèn)鬏?)dj tHeK(

9、 )HKdt)(恒參信道( )HKdt)(dtdd)()(群遲延特性幅頻特性相頻特性n無失真?zhèn)鬏敚ɡ硐牒銋⑿诺溃┨匦郧€： 若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道的輸出:o( )()ds tK s tt( )dj tHeK恒參信道( )()dh tKtt固定的遲延固定的衰減 這種情況稱為無失真?zhèn)鬏攏理想恒參信道的沖激響應: dt dt )( 3. 失真失真 影響影響 措施措施恒參信道群遲延失真:對模擬信號：造成波形失真信噪比下降對數(shù)字信號：產(chǎn)生碼間串擾誤碼率增大( )HKn ： 對語音信號影響不大，對視頻信號影響大對數(shù)字信號：碼間串擾誤碼率增大含義？ n ： 相頻特性典型音頻電話信道: 幅度衰減

10、特性群遲延頻率特性恒參信道1. 隨參信道舉例舉例 指傳輸特性隨時間隨機快變的信道。隨參信道 特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憀陸地移動信道l短波電離層反射信道l超短波流星余跡散射信道l超短波及微波對流層散射信道l超短波電離層散射l超短波超視距繞射 2. 隨參信道特性特性隨參信道l 衰減隨時間變化l 時延隨時間變化l 多徑傳播多徑傳播 示意圖：( )cosctAs t112211( )( )cos( )( )cos( ) ( )( )( )( )( )cos( ) coscosccncnncinciiiiir ta tttatttattttta tta tt 3. 多徑效應多徑效應第i條路徑接收信號振幅

11、經(jīng)過n n條路徑條路徑傳播（各路徑有時變時變的衰落衰落和時延）時延） 多經(jīng)傳播的影響)()(ttici傳輸時延則接收信號接收信號為 設發(fā)送發(fā)送信號為幅度恒定頻率單一根據(jù)概率論中心極限定理：當 n 足夠大時，x(t)和y(t) 趨于正態(tài)分布。 niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(同相 正交形式包絡 相位形式瑞利瑞利分布分布均勻均勻分布分布cos( )( )cV ttt11( )( )coscos( )sinsin ( )cos( )sinnniiciiciiccr ta tta ttX ttY tt多徑效應包絡相位隨機緩變 的窄帶信號波形發(fā)送信號接收信號頻譜l 多徑傳

12、播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落；l 多徑傳播引起頻率彌散。( )co(s( )cr tV ttt( )cosctAs t結(jié)論我們更關(guān)心的問題： 多徑多徑傳播傳播 對于一個對于一個復雜信號復雜信號 f (t) （實際情況） 的影響如何呢的影響如何呢 ？ 兩徑多徑多徑效應多徑效應 傳輸衰減均為 K 傳輸時延分別為 1和 2發(fā)射信號接收信號設兩條路徑的信道為f (t)fo(t) = K f(t - 1) + K f(t - 2 ) 信道傳輸函數(shù)fo(t) = 2 - 1相對時延差1o( )( )(1)( )jjFHKeeF則接收信號為11()o( )=( )+( )jjFKFeKFe 常數(shù)衰減因子1(1)j

13、jeeK確定的傳輸時延因子 與信號頻率 有關(guān)的復因子( )12 cos2jHeu 信道對信號不同的頻率成分，將有不同的衰減。 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落如何減小如何減?。啃诺婪l特性u 信道相關(guān)帶寬：定義為定義為相鄰傳輸零點的頻率間隔相鄰傳輸零點的頻率間隔 ，工程經(jīng)驗公式： 4. 減小頻率選擇性衰落的措施f f 1/ u 應使信號帶寬 Bs (1/3 1/5)fu 數(shù)字信號的碼元寬度:Ts (3 5) RBmmBs f歸納l 衰減隨時間變化l 時延隨時間變化l 多徑傳播n 隨參信道特性n 多徑效應l瑞利型衰落l頻率彌散l頻率選擇型衰落l 分集接收l 擴頻技術(shù)l OFDM等n 減小衰落的措施B

14、s (1/3 1/5)f信道分類信道模型恒參/隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 1. 何謂何謂噪聲噪聲l信道中存在的不需要的電信號。l它獨立于信號始終存在，又稱加性干擾。l它使信號失真，發(fā)生錯碼，限制傳輸速率。n 按噪聲 2. 噪聲類型噪聲類型4.5 信道噪聲人為噪聲自然噪聲 內(nèi)部噪聲 （如熱噪聲）脈沖噪聲 窄帶/單頻噪聲 起伏噪聲 （熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）起伏噪聲n 按噪聲熱噪聲：l 來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。 l 均勻分布在 01012 Hz 頻率范圍。l 性質(zhì)：高斯白噪聲 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù) T

15、 熱力學溫度（K） R 阻值（） B 帶寬（Hz）熱噪聲電壓有效值：)V(4kTRBV 歸納l代表：起伏噪聲（熱噪聲等） l性質(zhì)：高斯白噪聲l n(t) BPF 窄帶高斯噪聲0( )(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvfdffPNn)(l 平均功率：l 噪聲等效帶寬：l 功率譜：噪聲等效帶寬 Pn(f)接收濾波器特性 通過通過寬度為寬度為Bn的矩形濾波器的噪聲功率的矩形濾波器的噪聲功率 = 通過實際接收濾波器的噪聲功率。通過實際接收濾波器的噪聲功率。000( )( )2()()nnnnnPf dfPffPfBdPf 物理 意義Pn (f0)信道分類信道模型恒參

16、/隨參信道特性和對信號傳輸?shù)挠绊懶诺涝肼曅诺廊萘?本章內(nèi)容: 第4章 信道 指信道能夠無差錯傳輸時的最大平均信息速率。 1. 離散信道容量離散信道容量4.6 信道容量式中，P(xi) 發(fā)送符號xi的概率（i=1,2,3, ,n）（1）信源發(fā)送的平均信息量（熵）niiixPxPxH12)(log)()(（2）因信道噪聲而損失的平均信息量mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(式中，P(yj) 收到y(tǒng)j的概率（j=1,2,3, ,m）； P(xi/yj) 收到y(tǒng)j后判斷發(fā)送的是xi的轉(zhuǎn)移概率（3）信息傳輸速率R 信道每秒傳輸?shù)钠骄畔⒘縃(x) H(x/y) 是接

17、收端得到的平均信息量( )-( / ) (b/s)rRH xH x y r 信道每秒傳輸?shù)姆枖?shù)為（符號速率）最大信息傳輸速率：對一切可能的信源概率分布，求R的最大值：t( )( )max max ( )( / )(b/s)P xP xCRr H xH x y含義：每個符號能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘? )max( )( / )(b/)P xCH xH x y符號（4）信道容量Ct 等價式：S 信號平均功率（W）；B 帶寬（Hz） n0 噪聲單邊功率譜密度；N = n0B 噪聲功率（W） 2. 連續(xù)信道容量連續(xù)信道容量由香農(nóng)信息論香農(nóng)信息論可證，白噪聲背景下的連續(xù)信道容量為:香農(nóng)公式香農(nóng)公式2lo

18、g1(b/s)SCNB20log1(b/s)n BSCB等價式：等價式： 若 Rb C ，則總能找到一種信道編碼方式，實現(xiàn)無差錯傳輸；若傳輸速率大于信道容量，則不可能實現(xiàn)無差錯傳輸。意義： 當信號和信道噪聲的平均功率給定時，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。 含義：20log1(b/s)n BSCB 信道容量 C依賴于 B、S 和 n0 增大 S 可增加 C，若S ，則C ； 減小 n0 可增加 C，若n0 0，則C ； 增大 B 可增加 C，但不能使 C無限制增大。 當 B 時，C 將趨向一個定值：結(jié)論：20log1SBCBn200limlimlog (1)1.44BBSSCBn Bn 信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BC1.44(S/n0)l C一定時，信道帶寬B、信噪比S/N、傳輸時間t 三者之間可以互相轉(zhuǎn)換。l 增加B，可以換取S/N的降低；反之亦然。l 若S/N不變，增加B，可以換取 t 的減少。應用：20log1(b/s)n BSCB1113KHz, 15SBN互換前：若則2224 KHz, 7SBN互換后：若則312 10 b/sC 【例如】221loglog 123.58 bit( )iiIP x62.25 108.055MbitiII圖片