通信原理—绪论2讲(新).ppt

上节课内容 基本要求 了解通信的发展 掌握消息 信息 信号的定义 掌握数字通信的概念 理解数字通信的优点 掌握数字通信系统模型掌握信息及其度量 2020 1 25 1 本节课内容 基本要求 掌握数字通信系统主要性能指标 掌握信道模型 并会分析信道特性对信号传输的影响 熟悉信道中的噪声 2020 1 25 2 主要性能指标 重点 通信的任务是快速 准确地传递信息 评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性 有效性是指在给定信道单位时间内传输的信息内容的多少 或者说是传输的 速度 问题 可靠性是指接收信息的准确程度 也就是传输的 质量 问题 这两个问题相互矛盾而又相对统一 通常还可以进行互换 2020 1 25 3 主要性能指标 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量 同样的消息用不同的调制方式 则需要不同的频带宽度 可靠性用接收端最终输出信噪比来度量 数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量 可靠性可用差错率来衡量 2020 1 25 4 主要性能指标 传输速率 码元传输速率和信息传输速率码元传输速率RB简称传码率 又称符号速率等 它表示单位时间内传输码元的数目 单位是波特 Baud 记为B 例如 若1秒内传2400个码元 则传码率为2400B 数字信号有多进制和二进制之分 但码元速率与进制数无关 只与传输的码元长度T有关 2020 1 25 5 主要性能指标 信息传输速率Rb简称传信率 又称比特率等 它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数 单位是比特 秒 可记为bit s 或b s 或bps 每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量 因此码元速率 传码率 和信息速率 传信率 有确定的关系 即Rb RB H x b s 式中 H x 为信源中每个符号所含的平均信息量 熵 等概传输时 熵有最大值log2M 信息速率也达到最大 即Rb RBlog2M b s 2020 1 25 6 主要性能指标 A 二进制1 符号 比特 码元 码元 四进制01 八进制001 2020 1 25 7 主要性能指标 通常在给出码元速率时 有必要说明码元的进制 由于M进制的一个码元可以用log2M个二进制码元去表示 因而在保证信息速率不变的情况下 M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系 RB2 RBMlog2M B 2020 1 25 8 主要性能指标 例 码元速率为1200B 采用八进制 M 8 时 信息速率为3600b s 采用二进制 M 2 时 信息速率为1200b s 可见 二进制的码元速率和信息速率在数量上相等 有时简称它们为数码率 2020 1 25 9 主要性能指标 频带利用率 比较不同通信系统的有效性时 单看它们的传输速率是不够的 还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度B 所以 真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率 码元频带利用率 即RB码元速率和信息速率Rb有着确定的关系 为了比较不同系统的传输效率 又可定义信息频带利用率为 2020 1 25 10 希腊字母读音表1 大写小写英文注音国际音标注音中文注音 alphaalfa阿耳法 betabeta贝塔 gammagamma伽马 detadelta德耳塔 epsilonepsilon艾普西隆 zetazeta截塔 etaeta艾塔 theta ita西塔 iotaiota约塔 2020 1 25 11 希腊字母读音表2 kappakappa卡帕 lambdalambda兰姆达 mumiu缪 nuniu纽 xiksi可塞 omicronomikron奥密可戎 pipai派 rhorou柔 sigmasigma西格马 tautau套 2020 1 25 12 希腊字母读音表3 phifai斐 chikhai喜 psipsai普西 omegaomiga欧米伽 2020 1 25 13 差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率 常用误码率和误信率表示 误码率 码元差错率 Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例 更确切地说 误码率是码元在传输系统中被传错的概率 即误信率 信息差错率 Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例 即 主要性能指标 2020 1 25 14 主要性能指标 例3 设一信息源的输出由128个不同符号组成 其中16个出现的概率为1 32 其余112个出现概率为1 224 信息源每秒发出1000个符号 且每个符号彼此独立 试计算该信息源的平均信息速率 解 每个符号的平均信息量为 已知码元速率 故该信息源的平均信息速率为 2020 1 25 15 例4 已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000bit s 在收端10分钟内共测得出现18个错误码元 试求该系统的误码率 解 依题意 得 系统的误码率 2020 1 25 16 信道与噪声 信道定义与数学模型恒参信道及其传输特性随参信道及其传输特性加性噪声信道容量的概念 2020 1 25 17 信道定义 信道 以传输媒质为基础的信号通道 狭义信道 信号的传输媒质 广义信道 不仅是传输媒质 而且包括通信系统中的一些转换装置 2020 1 25 18 信道定义 狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道明线 双绞线 同轴电缆及光纤等无线信道地波传播 短波电离层反射 超短波或微波视距中继 人造卫星中继 散射及移动无线电信道等 广义信道中与通信系统有关的变换装置可以是发送设备 接收设备 馈线与天线 调制器 解调器等等 广义信道按照它包括的功能 调制信道编码信道 2020 1 25 19 狭义信道 有线 明线 即平行绝缘线 优点 传输损耗低缺点 噪声干扰敏感 铜芯 绝缘层 外导体屏蔽层 保护套 同轴电缆优点 外导体接地 屏蔽干扰LAN用基带 50 93 CATV 75 2020 1 25 20 狭义信道 有线 双绞线 拧成扭绞状的电缆 优点 较稳定缺点 损耗较大 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 常用的双绞线为3类 16Mbit s 和5类 155Mbit s 两种 以铝箔屏蔽以减少干扰和串音 双绞线外无任何屏蔽层 2020 1 25 21 狭义信道 有线 只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度 就可以产生全反射 并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输 这种光纤就称为多模光纤 MultimodeFiber 2020 1 25 22 狭义信道 无线 无线视距中继信道 地面微波接力 2020 1 25 23 狭义信道 无线 卫星中继通信 使用微波频段使用转发器接收和转发 2020 1 25 24 编码信道 调制信道 广义信道 模型 编码器 调制器 发转换器 媒质 译码器 解调器 收转换器 输入 输出 调制信道和编码信道 2020 1 25 25 广义信道 调制信道数学模型 调制信道模型调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道 是模拟信道 它具有如下共性 1 有一对 或多对 输入端和一对 或多对 输出端 2 绝大多数的信道都是线性的 即满足线性叠加原理 3 信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间 4 信号通过信道会受到固定的或时变的损耗 5 即使没有信号输入 在信道的输出端仍可能有一定的输出 噪声 2020 1 25 26 广义信道 调制信道数学模型 可用一个二端对 或多端对 的时变线性网络去代替调制信道 这个网络称作调制信道模型 二端对网络 多端对网络 2020 1 25 27 广义信道 调制信道数学模型 寻找到这种函数关系是 表示信道对信号的影响 变换 的某种函数关系 信道对信号影响有两点 加性干扰 乘性干扰 2020 1 25 28 广义信道 调制信道数学模型 随 2020 1 25 29 恒参信道的特性及对信号的影响 理想恒参信道对信号传输的影响是 1 对信号在幅度上产生固定的衰减 2 对信号在时间上产生固定的迟延 这种情况也称信号是无失真传输 恒参信道是指乘性干扰基本不随时间变化的信道 2020 1 25 30 回顾 寻找到这种函数关系是 表示信道对信号的影响 变换 的某种函数关系 信道对信号影响有两点 加性干扰 乘性干扰 2020 1 25 31 恒参信道的特性及对信号的影响 传输特性 幅 频特性 相 频特性 经过信道后不产生失真 则希望H w 满足不失真条件 为一条直线 呈线性关系 2020 1 25 32 信道 恒参信道对信号传输的影响 非时变线性网络 其幅度 频率特性 信道特性对信号传输的影响 2020 1 25 33 恒参信道的特性及对信号的影响 幅度 频率失真幅度 频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的 这种失真又称为频率失真 属于线性失真 信道的幅度 频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真 若传输数字信号 则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠 造成码间干扰 2020 1 25 34 信道 信道特性对信号传输的影响 恒参信道对信号传输的影响 其相位 频率特性 2020 1 25 35 相位 频率失真也是属于线性失真 它对模拟话音传输影响不明显 如果传输数字信号 相频失真同样会引起码间干扰 相位 频率失真 恒参信道的特性及对信号的影响 2020 1 25 36 例5 设某恒参信道的传输特性为 其中 td为常数 试确定信号s t 通过该信道后的输出信号表达式 并讨论该信道对信号传输的影响 2020 1 25 37 解 该恒参信道的传输函数为 冲激响应为 2020 1 25 38 输出信号为 讨论 因为该信道的幅频特性不为常数 所以输出信号存在幅频失真 而相频特性是频率的线性函数 所以输出信号不存在相频失真 2020 1 25 39 思考 信号在恒参信道中传输主要有哪些失真 如何减少这些失真 2020 1 25 40 随参信道及其传输特性 随参信道的传输媒质具有以下三个特点 1 对信号的衰耗随时间随机变化 2 信号传输的时延随时间随机变化 3 多径传播 多径衰落与频率弥散 Multi pathfadingandfrequencydispersal 频率选择性衰落与相关带宽 Frequency selectivefadingandcoherencebandwidth 2020 1 25 41 思考 多径传输对信号的传输有哪些影响 2020 1 25 42 多径衰落与频率弥散 Multi pathfadingandfrequencydispersal 输入信号 接收信号的特性 设发送信号为Acos 0t 2020 1 25 43 随参信道 信道特性对信号传输的影响 式中ri t 第i条路径的接收信号振幅 i t 第i条路径的传输时延 I t 0 i t Xc t Xs t 则经过n条路径传播后的接收信号R t 可以表示为 2020 1 25 44 随参信道 信道特性对信号传输的影响 式中 V t 合成波R t 的包络 多径衰落 t 合成波R t 的相位 即有 由于 相对于 0而言 ri t 和 i t 变化缓慢 故Xc t Xs t 及V t t 也是缓慢变化的 所以 R t 可以视为一个窄带信号 随机过程 2020 1 25 45 随参信道 信道特性对信号传输的影响 由下式可见 原发送信号Acos 0t 经过传输后 恒定振幅A 变成慢变振幅V t 恒定相位0 变成慢变相位 t 因而 频谱由单一频率变成窄带频谱 2020 1 25 46 相对于原发送信号Acos 0t来说V t 和j t 是慢变化随机过程 于是R t 可以看成是一个窄带随机过程 两个结论 1 多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号 这种信号称为衰落信号 即多径传播使信号产生瑞利型衰落 2 从频谱上看 多径传播使单一谱线变成了窄带频谱 即多径传播引起了频率弥散 多径衰落与频率弥散 Multi pathfadingandfrequencydispersal 2020 1 25 47 广义信道 编码信道数学模型 编码信道包括调制信道 调制器和解调器 是一种数字信道或离散信道 由于信道噪声或其他因素的影响 将导致输出数字序列发生错误 因此输入 输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征 二进制编码信道模型 2020 1 25 48 对于多进制无记忆编码信道 对于二进制无记忆编码信道 输出的总的错误概率 M元输入符号 N元输出符号 转移概率 广义信道 编码信道数学模型 2020 1 25 49 广义信道 编码信道数学模型 一个多进制无记忆编码信道模型 2020 1 25 50 加性噪声 Addednoise 加性噪声与信号相互独立 并且始终存在 实际中只能采取措施减小加性噪声的影响 而不能彻底消除加性噪声 加性噪声来源分类 人为噪声 外台信号 电气开关合断 点火系统自然噪声 来源于雷电 磁暴 宇宙射线 太阳黑子内部噪声 系统设备内部本身产生的各种噪声 电阻器热噪声 电子管 半导体管中的电子起伏 散弹噪声 2020 1 25 51 起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声 双边功率谱密度 自相关函数 如果线性网络具有窄带特性 则输出噪声为窄带噪声 加性噪声 Addednoise 2020 1 25 52 信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率 这里只讨论连续信道的信道容量 香农公式 Shann