通信原理信道.ppt

1、1,通信原理,第4章 信 道,2,信道的定義 信道:是指信號的傳輸媒質(zhì)。 信道的作用:是傳輸信號。它提供一段頻帶讓信號 通過，同時又給信號加以限制和損害。 信道的分類 ： 大體分成：狹義信道和廣義信道。 1. 狹義信道 ： 狹義信道是指在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無線信道。 2. 廣義信道：廣義信道是狹義信道加上兩邊的發(fā)、收設(shè)備。,3,第4章 信 道,狹義信道分類： 無線信道 電磁波（含光波） 有線信道 電線、光纖 信道中的干擾： 有源干擾 噪聲 無源干擾 傳輸特性不良 本章重點(diǎn)： 介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對于信號傳輸?shù)挠绊憽?4,第4章 信 道,4.1 無線

2、信道 無線信道電磁波的頻率 受天線尺寸限制 地球大氣層的結(jié)構(gòu) 對流層：地面上 0 10 km 平流層：約10 60 km 電離層：約60 400 km,5,電離層對于傳播的影響 反射 散射 大氣層對于傳播的影響 散射 吸收,第4章 信 道,6,第4章 信 道,1用dB量表示功率的絕對值： 我們用一個例子來理解dB表示。有一條光纖鏈路，傳輸一個功率為Pi(W)的光信號，這個功率用dB表示為： 在很多情況下，用毫瓦(mW)來測量功率，既可以用dBm表示毫瓦功率： 例如：當(dāng)功率為1mW時，相應(yīng)的dB量為： 當(dāng)功率為10mW時，相應(yīng)的dB量為： 2用dB量表示功率的相對值： 光信號在光纖中傳輸，功率將

3、衰減，假設(shè)發(fā)送功率為：Pt，接收功率為：Pr，則光纖鏈路的衰減，如果以dB量表示，則為： 例題：Pt=1W，Pr=1mW，求鏈路的衰減 解：信號衰減1000倍。 衰減的dB數(shù)為：30dB。 等效的：,7,第4章 信 道,電磁波的分類： 地波傳播： 頻率 2 MHz 有繞射能力 距離：數(shù)百或數(shù)千千米 天波傳播：利用電離層反射傳播的方式 頻率：2 30 MHz 特點(diǎn)：被電離層反射 一次反射距離： 4000 km 寂靜區(qū)：,8,視線傳播： 頻率 30 MHz 距離: 和天線高度有關(guān) (4.1-3) 式中，D 收發(fā)天線間距離(km)。 例 若要求D = 50 km，則由式(4.1-3) 增大視線傳播距

4、離的其他途徑 中繼通信： 衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動衛(wèi)星 平流層通信：,第4章 信 道,m,球平均半徑 6371.004千米, 地球赤道半徑 6378.140千米, 地球極地半徑 6356.755千米,9,第4章 信 道,散射傳播 電離層散射 機(jī)理 由電離層不均勻性引起 頻率 30 60 MHz 距離 1000 km以上 對流層散射 機(jī)理 由對流層不均勻性（湍流）引起 頻率 100 4000 MHz 最大距離 600 km,10,第4章 信 道,流星流星余跡散射：以流星在大氣層中形成的電離余跡作為散射體而實(shí)現(xiàn)的電波散射傳播 流星余跡特點(diǎn) 高度80 120 km，長度15 40 km 存留時間：小

5、于1秒至幾分鐘 頻率 30 100 MHz 距離 1000 km以上 特點(diǎn) 低速存儲、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸,11,第4章 信 道,4.2 有線信道 明線,12,第4章 信 道,對稱電纜：由許多對雙絞線組成 同軸電纜,13,第4章 信 道,光纖 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,14,損耗與波長關(guān)系 損耗最小點(diǎn)：1.31與1.55 m,第4章 信 道,15,第4章 信 道,4.3 信道的數(shù)學(xué)模型 信道模型的分類： 調(diào)制信道 編碼信道,16,第4章 信 道,4.3.1 調(diào)制信道模型 式中 信道輸入端信號電壓； 信道輸出端的信號電壓； 噪聲電壓。 通常假設(shè)

6、： 這時上式變?yōu)椋?信道數(shù)學(xué)模型,17,第4章 信 道,因k(t)隨t變，故信道稱為時變信道。 因k(t)與e i (t)相乘，故稱其為乘性干擾。 因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道。 若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。 乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號時，沒有乘性干擾。,18,第4章 信 道,4.3.2 編碼信道模型 二進(jìn)制編碼信道簡單模型 無記憶信道模型 P(0 / 0)和P(1 / 1) 正確轉(zhuǎn)移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) 錯誤轉(zhuǎn)移概率 P(0 / 0) = 1 P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 P(0 / 1),19,第4章 信 道,四進(jìn)制編碼信道模型

7、,20,第4章 信 道,4.4 信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?恒參信道的影響 理想恒參信道： 振幅頻率特性：為水平直線時無失真 相頻特性為：過原點(diǎn)的負(fù)斜率的直線,21,第4章 信 道,恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 恒參信道 非時變線性網(wǎng)絡(luò) 信號通過線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件： 振幅頻率特性：為水平直線時無失真 左圖為典型電話信道特性 用插入損耗便于測量,(a) 插入損耗頻率特性,22,第4章 信 道,相位頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線， 即群時延為常數(shù)時無失真 群時延定義：,23,第4章 信 道,頻率失真：振幅頻率特性不良引起的 頻率失真 波形畸變 碼間串?dāng)_ 解決辦法：線性

8、網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償 相位失真：相位頻率特性不良引起的 對語音影響不大，對數(shù)字信號影響大 解決辦法：同上 非線性失真： 可能存在于恒參信道中 定義： 輸入電壓輸出電壓關(guān)系 是非線性的。 其他失真： 頻率偏移、相位抖動,24,第4章 信 道,變參信道的影響 變參信道：又稱時變信道，信道參數(shù)隨時間而變。 變參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播 變參信道的特性： 衰減隨時間變化 時延隨時間變化 多徑效應(yīng)：信號經(jīng)過幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長度（時延）和衰減都隨時間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。 下面重點(diǎn)分析多徑效應(yīng),25,第4章 信 道,多徑效應(yīng)分析： 設(shè) 發(fā)射信號為 接收信號為 (4.4-1) 式中

9、 由第i條路徑到達(dá)的接收信號振幅； 由第i條路徑達(dá)到的信號的時延； 上式中的 都是隨機(jī)變化的。,26,第4章 信 道,應(yīng)用三角公式可以將式(4.4-1) 改寫成： (4.4-2) 上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個分量組成的。這兩個分量的振幅分別是緩慢隨機(jī)變化的。 式中 接收信號的包絡(luò) 接收信號的相位,緩慢隨機(jī)變化振幅,緩慢隨機(jī)變化振幅,27,第4章 信 道,所以，接收信號可以看作是一個包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號： 結(jié)論：發(fā)射信號為單頻恒幅正弦波時，接收信號因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號。 這種包絡(luò)起伏稱為快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比。 另外一種衰落：慢衰落 由傳播條件引

10、起的。,28,第4章 信 道,多徑效應(yīng)簡化分析：設(shè) 發(fā)射信號為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，時延不同 兩條路徑的接收信號為：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 傳播衰減， 0 第一條路徑的時延， 兩條路徑的時延差。 求：此多徑信道的傳輸函數(shù) 設(shè)f (t)的傅里葉變換（即其頻譜）為F()：,29,第4章 信 道,（4.4-8） 則有 上式兩端分別是接收信號的時間函數(shù)和頻譜函數(shù) ， 故得出此多徑信道的傳輸函數(shù)為 上式右端中，A 常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時延， 和信號頻率有關(guān)的復(fù)因子，其模為,30,第4章 信 道,按照上式畫出的模與角頻率關(guān)系曲線： 曲線的最大

11、和最小值位置決定于兩條路徑的相對時延差。而 是隨時間變化的，所以對于給定頻率的信號，信號的強(qiáng)度隨時間而變，這種現(xiàn)象稱為衰落現(xiàn)象。由于這種衰落和頻率有關(guān)，故常稱其為頻率選擇性衰落。,圖4-18 多徑效應(yīng),第一過零點(diǎn)：,第二過零點(diǎn)：,相鄰零點(diǎn)間隔：,31,圖4-18 多徑效應(yīng),第4章 信 道,定義：相關(guān)帶寬1/ 實(shí)際情況：有多條路徑。 設(shè)m 多徑中最大的相對時延差 定義：相關(guān)帶寬1/m 多徑效應(yīng)的影響： (1) 多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落； (2) 從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜， 即多徑傳播引起

12、了頻率彌散。 (3)多徑會產(chǎn)生頻率選擇性失真。,32,第4章 信 道,接收信號的分類 確知信號：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號 隨相信號：接收碼元的相位隨機(jī)變化 起伏信號：接收信號的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化。 通過多徑信道傳輸?shù)男盘柖季哂羞@種特性,33,第4章 信 道,4.5 信道中的噪聲 噪聲 信道中存在的不需要的電信號。 又稱加性干擾。 按噪聲來源分類 人為噪聲 例：開關(guān)火花、電臺輻射 自然噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲,34,第4章 信 道,熱噪聲 來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動。 頻率范圍：均勻分布在大約 0 1012 Hz。 熱噪聲電壓有效值： 式中 k

13、 = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)； T 熱力學(xué)溫度（K）； R 阻值（）； B 帶寬（Hz）。 性質(zhì)：高斯白噪聲,35,第4章 信 道,按噪聲性質(zhì)分類 脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。 窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的。可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。 起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。 討論噪聲對于通信系統(tǒng)的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。,36,第4章 信 道,窄帶高斯噪聲 帶限白噪聲：經(jīng)過接收機(jī)帶通濾波器

14、過濾的熱噪聲 窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。 窄帶高斯噪聲功率： 式中 Pn(f) 雙邊噪聲功率譜密度,37,第4章 信 道,噪聲等效帶寬： 式中 Pn(f0) 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： 以此帶寬作一矩形 濾波特性，則通過此 特性濾波器的噪聲功率， 等于通過實(shí)際濾波器的 噪聲功率。 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， 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。,接收濾波器特性,噪聲等效帶寬,38,第4章 信 道,4.6 信道容量 信道容量 指信道能夠無失真?zhèn)?/p>

15、輸?shù)淖畲笮畔⑺俾省?4.6.1 離散信道容量,39,第4章 信 道,4.6.2 連續(xù)信道容量 可以證明 式中 S 信號平均功率 （W）； N 噪聲功率（W）； B 帶寬（Hz）。 設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則N = n0B； 故上式可以改寫成： 由上式可見，連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個因素有關(guān)。,40,第4章 信 道,當(dāng)S ，或n0 0時，Ct 。 但是，當(dāng)B 時，Ct將趨向何值？ 令：x = S / n0B，上式可以改寫為： 利用關(guān)系式 上式變?yōu)?41,第4章 信 道,上式表明，當(dāng)給定S / n0時，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會趨于無限大，而只是S

16、 / n0的1.44倍。這是因?yàn)楫?dāng)帶寬B增大時，噪聲功率也隨之增大。 Ct和帶寬B的關(guān)系曲線：,42,第4章 信 道,上式還可以改寫成如下形式： 式中Eb 每比特能量； Tb = 1/B 每比特持續(xù)時間。 上式表明，為了得到給定的信道容量Ct，可以增大帶寬B以換取Eb的減??；另一方面，在接收功率受限的情況下，由于Eb = STb，可以增大Tb以減小S來保持Eb和Ct不變。,43,第4章 信 道,【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號每幀有30萬個像素；每個像素有8個亮度電平；各電平獨(dú)立地以等概率出現(xiàn)；圖像每秒發(fā)送25幀。若要求接收圖像信噪比達(dá)到30dB，試求所需傳輸帶寬。 【解】因?yàn)槊總€像素獨(dú)立地以等概率取8個亮度電平，故每個像素的信息量為Ip = -log2(1/ 8) =