通信原理(信道第一次)課件

1、通信系統(tǒng) 傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和。信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿噪聲源圖1-1 通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型第1頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/2022大綱要求3.1 信道及其數(shù)學(xué)模型 了解線性、非線性、時(shí)不變和時(shí)變信道的定義及其特點(diǎn)。3.2 恒參信道3.3恒參信道特性及對(duì)信號(hào)傳播的影響 掌握各種恒參信道基本特性以及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?.4 隨參信道3.5 隨參信道特性及對(duì)信號(hào)傳播的影響 掌握各種隨參信道基本特性以及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?.6 隨參信道的接收對(duì)策分集技術(shù) 掌握衰落信道、多徑時(shí)延、分集接收等基本概念。3.7 信道的加性噪聲 掌握加性高斯白噪聲信道定義的特點(diǎn)。信道容量的定義與計(jì)算第

2、2頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.1 引言信道概念： 信道是信源向信宿發(fā)送和傳輸信息信號(hào)的通道。狹義信道： 指信息收發(fā)設(shè)備之間的傳輸媒體。如電纜、光纖、無(wú)線電波等。廣義信道： 不僅包括傳輸媒體，還包括特定媒體傳輸所必須的信號(hào)變換設(shè)備。如編解碼器（信源、信道、傳輸編解碼）、調(diào)制解調(diào)器、光電轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波器、中繼設(shè)備等。信道分類： 模擬信道與數(shù)字信道、有線信道與無(wú)線信道、窄帶信道與寬帶信道等。 一個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸信道往往不是單一的。電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖傳輸信道。無(wú)線電波、紅外線等傳輸信道。根據(jù)信號(hào)波長(zhǎng)（或頻率）劃分： 長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波等。根據(jù)傳播路徑（或機(jī)理）劃分

3、： 視距傳播、電離層反射、對(duì)流層散射等。典型的模擬信道是調(diào)制信道。典型的數(shù)字信道是編碼信道。第3頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.2 信道定義（調(diào)制信道與編碼信道）調(diào)制信道與編碼信道分別是模擬信道與數(shù)字信道的典型例子。調(diào)制器解調(diào)器發(fā)送轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換器傳輸媒體調(diào)制信道編碼信道自編碼器去譯碼器圖3-1 調(diào)制信道與編碼信道第4頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.3 信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道與編碼信道）一. 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道一般特性：有一對(duì)(或多對(duì))輸入端和一對(duì)(或多對(duì))輸出端；大多數(shù)信道都是線性的，即滿足疊加原理；信號(hào)通過(guò)信道都有一定時(shí)延，受到固定或時(shí)變損耗；即使沒(méi)有輸入，往往會(huì)有一定的輸出

4、(噪聲)。時(shí)變線性系統(tǒng)ei(t)eo(t)圖3-2 調(diào)制信道模型(二對(duì)端網(wǎng)絡(luò))第5頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/2022線性系統(tǒng)ei(t)eo(t)3.3 信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道與編碼信道）一. 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型第6頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.3 信道數(shù)學(xué)模型 (調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)時(shí)變線性系統(tǒng)ei(t)eo(t)圖3-2 調(diào)制信道模型(二對(duì)端網(wǎng)絡(luò))調(diào)制信道輸出eo(t)與輸入ei(t)關(guān)系： eo(t) = f ei(t) + n(t)加性噪聲時(shí)變信道特性影響 eo(t) = k(t)ei(t) + n(t)時(shí)變信道特性影響常描述為一種干擾：乘性干擾第7頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.3

5、 信道數(shù)學(xué)模型 (調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)調(diào)制信道(模擬信道)對(duì)信號(hào)(模擬信號(hào))傳輸?shù)挠绊懀汉饬空{(diào)制信道(模擬信道)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)：模擬信道輸出信號(hào)輸入信號(hào)噪聲n(t)無(wú)失真、無(wú)畸變有失真、有畸變有失真、有畸變失真原因：噪聲的影響信道(線性系統(tǒng))特性不理想信道特性時(shí)變失真度或畸變度信噪比(輸出信號(hào)功率與輸出噪聲功率之比）或信干比有些失真在接收端往往無(wú)法察覺(jué)，難以去除。第8頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.3 信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道與編碼信道）二. 編碼信道數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生失真、畸變判決電平發(fā)送時(shí)鐘判決時(shí)鐘傳輸信道輸出信號(hào)輸入信號(hào)噪聲n(t)0 1 0 1 1 0抽樣判決0 1 0 1 1 0沒(méi)發(fā)生誤碼編碼

6、信道質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是考察接收碼元是否會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。由于信道特性和噪聲的影響，也會(huì)使得傳輸信號(hào)波形發(fā)生失真或畸變，但是失真不一定會(huì)誤碼。誤碼的概率（誤碼率）與接收波形的失真有關(guān)，因此與傳輸信道輸出的信噪比有關(guān)。第9頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.3 信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道與編碼信道）二. 編碼信道數(shù)學(xué)模型碼的轉(zhuǎn)移概率P(i/j)二進(jìn)制數(shù)字編碼信道發(fā)送碼元為j，而接收碼元為i的概率。0101發(fā)送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是錯(cuò)誤接收概率P(0/0)、P(1/1)是正確接收概率系統(tǒng)的誤

7、碼率是？系統(tǒng)的誤碼率 Pe=P(0)P(1/0)+ P(1)P(0/1)第10頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.3 信道數(shù)學(xué)模型（調(diào)制信道與編碼信道）二. 編碼信道數(shù)學(xué)模型M進(jìn)制數(shù)字編碼信道系統(tǒng)誤碼率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)01發(fā)送端接收端2M-1012M-1第11頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.4 恒參信道舉例3.4.1 三種有線電信道 架空明線 （如用戶電話線） 對(duì)稱電纜 （如五類雙

8、絞線、中繼電話線） 同軸電纜 （如有線電視進(jìn)戶線、中繼電話線）一條電纜中的線對(duì)數(shù)量可以不同，線徑也可不同。表3-6 三種有線電信道的性能 線路類型 通話路數(shù) 頻率范圍/kHz 增音段長(zhǎng)度/km 架空明線 1+3 0.327 300 架空明線 1+3+12 0.3 150 120 對(duì)稱電纜 24 12 108 35 對(duì)稱電纜 60 12 252 15 小同軸電纜 300 60 1300 8 小同軸電纜 960 60 4100 4 中同軸電纜 1800 3009000 6 中同軸電纜 2700 30012000 4.5 中同軸電纜 10800 30060000 1.5第12頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/

9、20223.4 恒參信道舉例3.4.2 光纖信道光源光調(diào)制器耦合器基帶處理基帶電信號(hào)耦合器光檢測(cè)器基帶處理基帶電信號(hào)光纖線路發(fā)送端接收端圖3-7光纖通信系統(tǒng) 光纖與光纜 光波長(zhǎng) 單模光纖與多模光纖 光纖的衰耗與色散光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)； 系統(tǒng)頻帶寬、容量大； 具有及強(qiáng)的抗電磁干擾能力。第13頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.4 恒參信道舉例3.4.3 無(wú)線電視距傳播信道無(wú)線電視距傳播無(wú)線電中繼信道第14頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.4 恒參信道舉例3.4.4 衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星第15頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.5 恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠?/p>

10、響 恒參信道是指信道的特性參數(shù)長(zhǎng)期不變或變化非常緩慢。前述有線信道（光纖與電纜）、無(wú)線電視距傳播信道、微波及衛(wèi)星中繼信道都屬于恒參信道。 恒參信道可以用時(shí)不變線性系統(tǒng)來(lái)描述。 恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為：幅度-頻率畸變和相位-頻率畸變?？梢哉J(rèn)為在一次通信過(guò)程中是不變的。3.5.1 幅度-頻率畸變3.5.1 相位-頻率畸變相位-頻率特性幅度-頻率特性第16頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6 隨參信道舉例3.6.1 短波電離層反射信道 隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時(shí)間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對(duì)流層散射信道、市區(qū)移動(dòng)通信等信道都屬于隨參信道。在一次通信過(guò)程中信道參數(shù)不固定。

11、短波：指波長(zhǎng)在100m 10m（對(duì)應(yīng)信號(hào)載波頻率3MHz 30MHz）的無(wú)線電波。 電離層：距離地面高度為60km 600km的大氣層稱為電離層。第17頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/2022 電離層：大氣層在受到太陽(yáng)光的照射后，形成一層帶電的空氣層，稱為電離層。60公里一直到600公里左右。 對(duì)流層：對(duì)流層是大氣層的一個(gè)區(qū)域，其頂部位于地面上空十多公里處，并在不同的緯度地區(qū)有所不同。第18頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6.1 短波電離層反射信道1. 傳播路徑4000kmDEF1F2反射層吸收層 電離層： 各個(gè)層次的高度、厚度、電子密度等都會(huì)隨時(shí)間變化。 一次或多次反射的距離也會(huì)發(fā)生變化，且與入

12、射角有關(guān)。 不同層次（F1、F2）的不同高度上都會(huì)產(chǎn)生反射。地球地面高度為60km 600km入射角o第19頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6.1 短波電離層反射信道2. 工作頻率 最高可用頻率與電離層的電子密度有關(guān)，與入射角有關(guān)。 關(guān)于電離層反射信道的工作頻率： 電離層高度、厚度、電子密度是變化的，能夠隨電離層變化調(diào)整工作頻率、入射角才能滿足一定距離下的最佳通信。 夜間F2層電子密度低，須降低工作頻率，否則信號(hào)會(huì)穿透電離層。 夜間D層消失，E層吸收減小，允許工作頻率降低。第20頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6.1 短波電離層反射信道3. 多徑傳播DEF1F2反射層吸收層 一次反射與

13、兩次反射地球發(fā)送接收一次反射與兩次反射反射高度不同 反射高度不同 漫射現(xiàn)象（電離層不均勻） 尋常波與非尋常波（地球磁場(chǎng)）第21頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6.1 短波電離層反射信道4.電離層反射信道特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 要求功率小，設(shè)備成本低。 傳播距離遠(yuǎn)。 受地形影響小。 不易受人為破壞。 有一定的帶寬或傳輸容量。 缺點(diǎn) 干擾電平高。 存在快衰落和多徑時(shí)延失真。 傳輸可靠性差。 需要經(jīng)常改換工作頻率，導(dǎo)致使用復(fù)雜。第22頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6 隨參信道舉例3.6.2 對(duì)流層散射信道 隨參信道是指信道的特性參數(shù)隨時(shí)間快速變化的信道。短波電離層反射信道、對(duì)流層散射信道、市區(qū)移動(dòng)通信等信道都屬于隨參信道。 超視距傳播信道：工作在超短波和微波波段，一跳距離約100km 500km。 對(duì)流層：距離地面高度為10km 12km的大氣層稱為對(duì)流層。 應(yīng)用： 長(zhǎng)途干線上的無(wú)線電中繼通信。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。第23頁(yè)，共25頁(yè)。7/29/20223.6.2 對(duì)流層散射信道地球發(fā)送接收共同照射區(qū)的不均勻散射氣團(tuán)圖3-17