最新-第4章信道與噪聲-PPT課件

1、任課老師 溫洪明 普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材國防工業(yè)出版社 現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理14.1 信道的定義、分類及模型4.2 恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.3 隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4 信道的加性噪聲4.5 信道容量4.1 信道的定義、分類及模型第4章 信道與噪聲 7/19/20222一、信道的定義狹義信道：僅指信號的傳輸媒介。廣義信道：除包含傳輸媒介外，還包括有關(guān)的變換裝置。在討論通信的一般原理時通常采用廣義信道，為敘述方便，常把廣義信道簡稱為信道。7/19/20223二、信道的分類從定義可看出，信道大致分成兩大類：狹義信道和廣義信道。狹義信道按具體媒介不同分為： 有線信道：同軸電

2、纜、明線、光纜等，傳輸效率較高； 無線信道：短波、衛(wèi)星中繼等，傳輸效率較低，安全性較差。廣義信道按包含的功能不同分為調(diào)制信道和編碼信道。7/19/20224調(diào)制信道編碼信道狹義調(diào) 制 器發(fā) 轉(zhuǎn) 換 器 媒 質(zhì)收 轉(zhuǎn) 換 器解 調(diào) 器編 碼 器解 碼 器為了便于研究，不管信道過程做了什么變換，也不管用什么傳輸媒質(zhì)，我們只關(guān)心通過信道后的結(jié)果，即只關(guān)心輸出信號與輸入信號的關(guān)系。數(shù)學模型返回7/19/20225總結(jié)特性三、信道的數(shù)學模型研究復雜問題的一般流程：大量考察數(shù)學模型7/19/20226調(diào)制信道的主要特性：有一對（或多對）的輸入端和一對（或多對）的輸出端；絕大多數(shù)是線性的；信號通過信道需要一

3、定的遲延時間，且會受到一定的損耗（固定或時變的）；即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍有一定功率輸出。1. 調(diào)制信道模型因此，可用一個二對端（或多對端）的時變線性網(wǎng)絡來替代調(diào)制信道。7/19/20227時變線性網(wǎng)絡ei(t)eo(t)時變線性網(wǎng)絡ei1(t)eo1(t)ei2(t)eo2(t)ein(t)eom(t)7/19/20228對于二對端網(wǎng)絡的信道模型可表示為： eo(t)=fei(t) + n() 假定 fei(t)()() 則 eo(t)=()ei(t) + n() ()：加性噪聲，獨立于() ()：乘性干擾，依賴于網(wǎng)絡的特性，是由于信道傳輸特性不理想造成的，它隨著輸入信號的消失而消

4、失。7/19/20229 在研究信道時，根據(jù)k(t)的不同情況可把調(diào)制信道分成兩大類：恒參信道：(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的。隨參信道（變參信道）：(t)隨時間隨機快變化的信道。 一般情況下，有線信道為恒參信道，無線信道為隨參信道。7/19/202210.編碼信道模型編碼信道對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換（即編碼），可看成數(shù)字信道。編碼信道模型可以用數(shù)字的轉(zhuǎn)換概率來描述。二進制編碼信道模型P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)11p(0/0)，p(1/0)，p(0/1)，p(1/1)為信道轉(zhuǎn)換概率，由編碼信道的特性所決定。P(0/0) + P(

5、1/0) = 1 P(1/1) + P(0/1) = 1圖7/19/202211 4.1 信道的定義、分類及模型 4.2 恒參信道及其對傳輸信號的影響 4.3 隨參信道及其對傳輸信號的影響 4.4 信道的加性噪聲 4.5 信道容量第4章 信道與噪聲 7/19/202212一、恒參信道舉例有線電信道光纖信道無線電視距中繼衛(wèi)星中繼信道7/19/2022131. 有線電信道 架空明線 優(yōu)點：傳輸損耗低（與電纜相比） 缺點：易受氣候影響，通信質(zhì)量不穩(wěn)定，頻帶窄 傳輸信號類型：模擬信號 主要應用：電話系統(tǒng)（業(yè)務量較小的次要傳輸線路）7/19/202214 對稱電纜 分類：三類線、五類線、六類線 優(yōu)點：頻

6、帶較明線寬，多線對采用雙扭線，減少了線對間的串擾 缺點：容易受到外部高頻電磁波干擾，且線路本身會產(chǎn)生一定噪聲，誤碼率較高 傳輸信號類型：數(shù)字信號與模擬信號均可 主要應用：局域網(wǎng)、電話系統(tǒng)7/19/202215 同軸電纜 優(yōu)點：具有良好的傳輸特性和屏蔽特性，帶寬高 傳輸信號類型：數(shù)字信號與模擬信號均可 主要應用：有線電視系統(tǒng)、局域網(wǎng) 種類：基帶同軸電纜（50歐，數(shù)字）、寬帶同軸電纜（75歐，模擬）7/19/2022162. 光纖信道 傳輸信號：光信號，用光脈沖的有無來代表二進制數(shù)字。 傳輸原理：全反射。種類： 多模：纖芯直徑為50或62.5m，可以存在多條入射角不同的光線。 單模：纖芯直徑為81

7、0m（一個光波的波長），光線不出現(xiàn)反射，直接向前傳輸。7/19/202217 優(yōu)點： 頻帶寬； 抗雷擊和電磁干擾； 保密性強； 傳輸損耗??； 重量輕。 缺點：太細，精確連接兩根光纖比較困難7/19/2022183.無線電視距中繼 工作在超短波（30300M，米波）和微波（300M3G，分米波）波段。 電磁波基本沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸。終端站中繼中繼終端站例如：移動通信網(wǎng)，電力230M專網(wǎng)7/19/2022194.衛(wèi)星中繼信道無線電中繼信道的一種特殊形式。同步衛(wèi)星，距地面35860公里缺點：傳輸時延大。7/19/202220低軌道衛(wèi)星優(yōu)點：距離近，所需發(fā)射功率小，傳輸時延比同步衛(wèi)星

8、小。缺點：衛(wèi)星天線覆蓋區(qū)域小，地面天線必須隨時跟蹤衛(wèi)星。7/19/202221二、恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懶诺赖姆l特性不理想會引起幅頻畸變（又稱頻率失真）。衰耗(dB)頻率(Hz)原因：感性負載、容性負載如何引起畸變？1. 幅頻特性（ H() ）7/19/202222白：基波綠：三次諧波紅：信號（合成波）信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后基波比三次諧波衰減得多，比值為2:1從圖中可看出信號不同頻率分量的衰耗不同造成信號幅度畸變（即波形失真），若傳輸?shù)氖菙?shù)字信號則會引起相鄰碼元在時間上相互重疊，即造成碼間串擾。7/19/202223改善 ： 加線性補償網(wǎng)絡，即“均衡”= 為常數(shù)，

9、不會出現(xiàn)幅度畸變線性補償網(wǎng)絡 H2()H1()H()7/19/2022242. 相位頻率特性( ) 相頻特性不理想會引起相頻畸變，主要原因是容性、感性負載。 相頻特性經(jīng)常采用群遲延頻率特性來衡量：它代表信號的不同頻率成分的傳輸遲延。如何引起畸變？7/19/202225白：基波綠：三次諧波紅：信號（合成波）信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后，由于遲延不同，基波相移，三次諧波相移2從圖中可看出信號不同頻率分量的傳輸遲延不同造成信號相頻畸變，波形失真了，對于數(shù)字信號傳輸，它同樣會引起嚴重的碼間串擾。如何改善？7/19/202226理想的相頻及群遲延頻率特性k信號不同頻率成分有相同的傳輸

10、遲延，因此不會畸變線性7/19/202227+= 為常數(shù)，不會出現(xiàn)相頻畸變改善 ： 加線性補償網(wǎng)絡，即“均衡”線性補償網(wǎng)絡 H2()H1()H()()2()1() 條件：1()+2()= C7/19/202228結(jié)論：注意：以上兩個條件需同時滿足。 幅頻特性為常數(shù)； 相頻特性為線性或群遲延為常數(shù)。恒參信道信號傳輸不失真的條件：7/19/202229其他因素：1、非線性失真：產(chǎn)生新的諧波、諧波失真（元件的不理想）2、頻率的偏移：發(fā)送端與接收端用于調(diào)制與解調(diào)或者頻率變換的振蕩器的頻率誤差引起的。3、相位的抖動：由各振蕩器的頻率不穩(wěn)定產(chǎn)生的。7/19/202230例題4-1設(shè)一恒參信道的幅頻特性和相

11、頻特性分別為：其中，K0和td都是常數(shù)。試確定信號s(t)通過該信道后的輸出信號的時域表達式，并討論之。討論：信道中的幅頻為常數(shù)，相頻為線性，滿足無失真。 7/19/202231 4.1 信道的定義、分類及模型 4.2 恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?4.3 隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?4.4 信道的加性噪聲 4.5 信道容量第3章 信道與噪聲 7/19/202232短波電離層反射信道對流層散射信道一、隨參信道舉例7/19/202233小知識中性層：地面到60公里高度，大氣成分多處于中性（即非電離狀態(tài)）。電離層：60500公里高度，由于太陽輻射影響，大氣物質(zhì)開始電離，根據(jù)電子濃度不同可分為D、

12、E、F1、F2、G層，其中D、E層電子密度小，短波電磁波基本不反射，但會受到吸收損耗（即衰減）。F1、F2層是反射層。D層在夜晚基本消失。磁層：500公里以上。大氣層按大氣的電磁特性分為3層：7/19/202234對流層：地面到大約1016公里處，該層集中了整個大氣的四分之三質(zhì)量和幾乎全部的水汽量，因而該層大氣湍流運動十分發(fā)達，產(chǎn)生了不均勻性，所以能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生散射。該層頂部氣溫基本不變，經(jīng)常晴空萬里，能見度高，空氣平穩(wěn)，適合噴氣客機。平流層：水汽極少，天氣現(xiàn)象比較少見。中層熱層外大氣層大氣層根據(jù)溫度變化分為5層：7/19/2022351. 短波電離層反射信道波長為10100米的無線電波稱為

13、短波，它既可沿地面?zhèn)鞑?，也可由電離層反射傳播，前者稱為地波傳播，后者為天波傳播，短波電離層反射信道顯然屬于后者?；驹恚弘婋x層在某一高度范圍內(nèi)，其電子密度隨高度增加而增加，則其折射率隨高度增加而減小，所以當電波在其中傳輸時，因逐步折射而使軌道彎曲，從而在某一高度上發(fā)生全反射。7/19/202236短波電離層反射信道具有多徑傳播的特性一次反射與二次反射經(jīng)不同高度全反射7/19/2022372. 對流層散射信道基本原理：由于大氣湍流運動等原因產(chǎn)生了不均勻性，故引起電波的散射。超視距傳播7/19/202238二、隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憣π盘柕乃ズ碾S時間而變化傳輸?shù)臅r延隨時間而變化多徑傳播

14、多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成1. 隨參信道特性7/19/202239設(shè)發(fā)射波為 Acos0t， 則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號為R(t)為： 第i條路徑的接收信號振幅 第i條路徑的傳輸時延2. 接收信號的時域分析7/19/202240令則其中7/19/202241 從波形上看，使確定的載波信號Acos0t變成了包絡與相位均受到調(diào)制的窄帶信號； 從頻譜上看，由單個頻率變成了一個窄帶頻譜（稱頻率彌散）。由上式可以看出，經(jīng)過信號的多徑傳輸產(chǎn)生了兩種結(jié)果：7/19/2022423. 接收信號的頻域分析從頻域上分析多徑傳播還可能造成另一嚴重后果頻率選擇性衰落。設(shè)多徑傳播

15、的路徑只有兩條，且它們到達接收點時的幅度相同，只是到達時間上差一個時延，若發(fā)送信號為f(t)，則兩路信號到達接收端時分別為Kf(t-t0)和Kf(t-t0-)。 若f(t)的頻譜為F() 則 合成信號R(t)= Kf(t-t0)+ Kf(t-t0-)7/19/202243 信道的傳遞函數(shù)為：該結(jié)論可直接用于計算傳播極點傳播零點當2/，即f1/時必然出現(xiàn)傳播零點7/19/202244多徑傳播的相對時延差用最大多徑時延差m 表示，則 為相鄰傳輸零點的頻率間隔；為了不引起明顯的選擇性衰落，傳播信號的頻帶必須小于f；工程上通常選擇信號頻帶 B=(1/5 1/3)f 或使數(shù)字信號的碼元寬度 T=(3 5

16、)m推廣到多徑傳播：7/19/202245例題4-2假設(shè)某隨參信道的兩徑時延差為1ms，試求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？f=(n+1/2) kHz 衰耗最大f=n kHz 傳輸最有利7/19/202246三、隨參信道特性的改善慢衰落（平坦性衰落）主要采取調(diào)整設(shè)備參量方法（如增加發(fā)射功率和自動增益控制）解決快衰落采用分集接收7/19/202247 分集即將分散得到的幾個不同路徑的信號合成并集中。1. 基本原理 前提：被分集的幾路信號之間是統(tǒng)計獨立的。 實現(xiàn)原理：快衰落信道中接收的信號是到達接收機的各徑分量的合成，如果在接收端同時獲得幾個不同路徑的信號，將這些信號以

17、適當方式合并構(gòu)成總的接收信號，則能夠大大減小衰落的影響。7/19/2022482. 分集方式 空間分集：間距足夠的不同天線 頻率分集：不同載頻 角度分集：天線波束指向不同 極化分集：不同極化波 各種分集方式可組合使用7/19/2022493. 合并方法 最佳選擇法：選擇信噪比最好的 等增益相加法：相同支路增益 最大比值相加法：各支路增益與信噪 比成正比 性能依次遞增7/19/202250 4.1 信道的定義、分類及模型 4.2 恒參信道及其對傳輸信號的影響 4.3 隨參信道及其對傳輸信號的影響 4.4 信道的加性噪聲 4.5 信道容量第4章 信道與噪聲 7/19/202251一、噪聲分類1.

18、從噪聲來源分： 自然噪聲：自然界中存在的各種電磁波源，如閃 電、宇宙噪聲；有些噪聲類型是確知的，從原理上可消除或基本消除，而另一些噪聲則往往不能準確預測，稱為隨機噪聲，這是我們的主要研究對象。 內(nèi)部噪聲：通信系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲，如熱 噪聲、散彈噪聲； 人為噪聲：來源于其它信號源，如外臺信號、開 關(guān)接觸噪聲。7/19/2022522. 常見的隨機噪聲 單頻噪聲：一種連續(xù)波的干擾，如外 臺信號、工頻干擾；單頻噪聲和脈沖噪聲均可用技術(shù)手段避免危害，但起伏噪聲不可避免且始終存在，因此它對通信質(zhì)量的影響最大。 脈沖噪聲：在時間上無規(guī)則的突發(fā)的 短促噪聲，如閃電、電氣開關(guān)通斷； 起伏噪聲：以熱噪聲、散

19、彈噪聲及宇 宙噪聲為代表的噪聲。7/19/202253二、通信系統(tǒng)中常見的幾種噪聲1. 白噪聲：指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。 n0的單位是W/Hz。自相關(guān)函數(shù)：實際處理中，只要一個噪聲過程所具有的頻譜寬度遠大于其作用的系統(tǒng)的帶寬，且在該帶寬中其頻譜密度基本為常數(shù)，就可以把它當白噪聲看待。7/19/2022542. 高斯噪聲：指它的概率密度函數(shù)服從正態(tài)分布重要結(jié)論：當噪聲均值為0時，噪聲的平均功率 等于噪聲的方差。通常 a=0，故噪聲的方差 Dn(t) = En(t)-a2 = En2(t) = R(0) = S7/19/2022553. 高斯白噪聲 指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布，且功率譜密度為常數(shù)。熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲都可近似為高斯白噪聲。7/19/2022564. 窄帶高斯噪聲 當高斯噪聲通過窄帶系統(tǒng)時，就形成窄帶高斯噪聲。它的特點是頻譜局限在中心附近很窄的范圍內(nèi)，其包絡和相位都在作緩慢的隨機變化，即：其中 為噪聲的隨機相位， 為噪聲的隨機包絡。稱為噪聲的同相分量稱為噪聲的正交分量7/19/202257幾個重要結(jié)論：（1）一個均值為零的窄帶高斯噪聲n(t)，假定它 是平穩(wěn)隨機過程，則它的同相分量和正交分量也 是平穩(wěn)隨機過程，且均值都為零，方差也相