通信原理樊昌信第七版課件

1、 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)有線信道明線、電纜、光纖無線信道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 概述狹義信道：廣義信道： 調(diào)制信道研究調(diào)制/解調(diào)問題編碼信道研究編碼/譯碼問題信道的定義與分類地 面對流層平流層電離層10 km60 km0 km 對流層：約 0 10 km 平流層：約 1060 km 電離層：約 60400 km地球大氣層的結(jié)構(gòu)：4.1 無線信道地波 ground- wav

2、e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 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) 視線傳播 line-of-sight無線信道D 為收發(fā)天線間距離(km) 設(shè)收發(fā)天線的架設(shè)高度均為40 m，則最遠(yuǎn)通信距離為： D = 44.7 km例如7 微波中繼（微波接力） 衛(wèi)星中繼（靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星） 平流層通信 Q&A 增大視線傳播距離的其他途徑？遠(yuǎn)距離通信時，需建立多個中繼站兩點(diǎn)間傳輸距離30km 50km無線信道 微波中繼 優(yōu)點(diǎn)：容量大

3、、投資少、維護(hù)方便、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定。 應(yīng)用：遠(yuǎn)距離傳輸話音和電視信號。優(yōu)點(diǎn)：通信容量大，傳輸質(zhì)量穩(wěn)定, 傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋區(qū)域廣。缺點(diǎn)：傳輸時延大，信號衰減大， 造價高。無線信道 衛(wèi)星中繼 10對流層散射頻率：100 4000 MHz距離： 600 km對流層散射通信地球有效散射區(qū)域無線信道 散射通信 電離層散射頻率 ： 30 60 MHz距離 ： 1000 km以上流星余跡無線信道 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12明線對稱電纜同軸電纜光纖4.2

4、 有線信道1880年紐約街貌明線導(dǎo)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 每對呈扭絞狀，以減 小各線對的相互干擾。 特點(diǎn) 傳輸衰減大/距離短，鄰道間有串話干擾。缺點(diǎn) 電話線路、局域網(wǎng)及綜合布線工程中的傳輸介質(zhì)應(yīng)用有線信道對稱電纜 由同軸的兩個導(dǎo)體組成內(nèi)芯：金屬導(dǎo)線外導(dǎo)體：金屬編織網(wǎng) 抗電磁干擾能力強(qiáng) 帶寬更寬、速率更高 成本較高； 解決：用光纜代替（干線） 組成優(yōu)點(diǎn)（相比雙絞線）缺點(diǎn)有線信道同軸電纜16 寬帶（射頻）同軸電纜：75，用于傳輸模擬信號多用于有線電視（CATV）系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)

5、幾十千米 基帶同軸電纜：50，多用于數(shù)字基帶傳輸速率可達(dá)10 Mb/s傳輸距離幾千米有線信道17單模階躍折射率光纖 光纖結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)：纖芯包層按折射率分類：階躍型梯度型按模式分類：多模光纖單模光纖有線信道光纖18 易碎，接口昂貴，安裝和維護(hù)需要專門技能。 傳輸帶寬寬、通信容量大； 傳輸衰減小，無中繼傳輸距離遠(yuǎn)； ( 0.2dB/km) （幾百公里） 抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好，防竊聽，耐腐蝕； 體積小，重量輕，節(jié)省有色金屬，環(huán)保。缺點(diǎn) 長途電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等的主干線路中。應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)有線信道19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 204.3

6、 信道數(shù)學(xué)模型1. 調(diào)制信道模型 模型：有一對（或多對）輸入端和輸出端大多數(shù)信道都滿足線性疊加原理對信號有固定或時變的延遲和損耗無信號輸入時，仍可能有輸出(噪聲)共性：疊加有噪聲的線性時變/時不變網(wǎng)絡(luò)：入出關(guān)系： 反映信道 本身特性調(diào)制信道對信號的影響程度取決 與 的特性。加性噪聲始終存在 乘性干擾（共存共失） 調(diào)制信道分為： （根據(jù)信道的時變特性） 恒參信道 特性基本不隨時間變化 隨參信道 特性隨時間隨機(jī)快變化 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23+ = 1P(1/ 0)P(0 / 1) 001 1P(0 / 0)P(1 / 1)發(fā)送端接收端二進(jìn)制

7、無記憶編碼信道模型可用 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2. 編碼信道模型 模型：2401233210接收端發(fā)送端四進(jìn)制無記憶編碼信道25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 特點(diǎn)：傳輸特性隨時間緩變或不變。舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 1. 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)鬏敽銋⑿诺廊哼t延特性幅頻特性相頻特性無失真?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:恒參信道固定的遲延固定

8、的衰減 這種情況稱為無失真?zhèn)鬏斃硐牒銋⑿诺赖臎_激響應(yīng): 3. 失真 影響 措施恒參信道群遲延失真: 幅頻失真： 含義？ 影響 影響 相頻失真： 相頻特性典型音頻電話信道: 幅度衰減特性群遲延頻率特性恒參信道1. 隨參信道舉例 指傳輸特性隨時間隨機(jī)快變的信道。隨參信道 特性及其對信號傳輸?shù)挠绊戧懙匾苿有诺蓝滩婋x層反射信道超短波流星余跡散射信道超短波及微波對流層散射信道超短波電離層散射超短波超視距繞射 2. 隨參信道特性隨參信道 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑傳播多徑傳播 示意圖 3. 多徑效應(yīng)第i條路徑接收信號振幅經(jīng)過n條路徑傳播（各路徑有時變的衰落和時延） 多徑傳播的影響傳輸時延則接收

9、信號為 設(shè)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(dāng) n 足夠大時，x(t)和y(t) 趨于正態(tài)分布。 同相 正交形式包絡(luò) 相位形式瑞利分布均勻分布多徑效應(yīng)包絡(luò)相位隨機(jī)緩變 的窄帶信號35波形發(fā)送信號接收信號頻譜 多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落； 多徑傳播引起頻率彌散。結(jié)論我們更關(guān)心的問題： 多徑傳播 對于一個復(fù)雜信號 f (t) （實際情況） 的影響如何呢 ？ 兩徑多徑多徑效應(yīng)多徑效應(yīng) 傳輸衰減均為 K 傳輸時延分別為 和發(fā)射信號接收信號設(shè)兩條路徑的信道為f (t)fo(t) = K f(t - ) + K f(t - ) 信道傳輸函數(shù)fo(t) 相對時延差則接收信號為常數(shù)衰減因子確

10、定的傳輸時延因子與信號頻率有關(guān)的復(fù)因子 信道對信號不同的頻率成分，將有不同的衰減。 頻率選擇性衰落如何減??？信道幅頻特性 信道相關(guān)帶寬：定義：相鄰傳輸零點(diǎn)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 應(yīng)使信號帶寬 Bs (1/3 1/5)f 數(shù)字信號的碼元寬度:Ts (3 5)RBmBs f40歸納 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑傳播 隨參信道特性 多徑效應(yīng)瑞利型衰落頻率彌散頻率選擇型衰落 分集接收 擴(kuò)頻技術(shù) OFDM等 減小衰落的措施Bs (1/3 1/5)f41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

11、噪聲信道中存在的不需要的電信號。它獨(dú)立于信號始終存在，又稱加性干擾。它使信號失真，發(fā)生錯碼，限制傳輸速率。 按噪聲來源 2. 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 按噪聲性質(zhì)熱噪聲： 來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動。 均勻分布在 01012 Hz 頻率范圍。 性質(zhì)：高斯白噪聲 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波耳茲曼常數(shù) T 熱力學(xué)溫度（K） R 阻值（） B 帶寬（Hz）熱噪聲電壓有效值：44歸納信道加性噪聲n(t) :代表：起伏噪聲（熱噪聲等） 性質(zhì)：高斯白噪聲 n(t)

12、 窄帶高斯噪聲 平均功率： 噪聲等效帶寬： 功率譜：噪聲等效帶寬 Pn(f)接收濾波器特性 通過寬度為Bn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。 物理 意義窄帶高斯噪聲 :Pn (f0)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 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）（2）因信道噪聲而損失的平均信息量式中，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

13、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) 是接收端得到的平均信息量 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：含義：每個符號能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘浚?）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)信道容量由香農(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(dāng)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： 信道容量 C依賴于 B、S 和 n0 增大 S 可增加 C，若S 趨于無窮，則C趨于無窮； 減小 n0 可增加 C，若n0 趨于 0，則C趨于無窮； 增大 B 可增加 C，但不能使 C無限制增大。 當(dāng) B趨于無窮時，C 將趨向一個定值：結(jié)論： 信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BC1.44(S/n0) 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。 增加B，可以