简明通信原理第二章信道.ppt

第二章信道 结束放映 学习目录 学习要求 内容简介 学习目标 1 了解信号分类与特性2 了解信道的定义 分类与模型3 了解常用传输媒质的特点4 了解无线电波的传播方式5 了解信道对信号的影响6 掌握信道容量和香农公式 返回 结束 2 1信号 信号分类 模拟信号与数字信号基带信号与频带信号周期信号与非周期信号确知信号与随机信号能量信号与功率信号 本节将介绍信号的频谱 带宽以及调制解调的基本概念 信号的频谱 为什么要了解信号的频谱 每个信号都可以从时间域和频率域进行分析从时间域 可以了解信号与时间的关系 了解信号的起 止时间从频率域 了解信号的频谱结构 得到起 止频率 进而得到信号的带宽从而方便选择与之相匹配的信道 确值信号的频谱为其傅氏变换 或 随机信号的频谱常用其功率普密度表示 功率普密度与信号平均功率的关系 信号的带宽 基带数据信号的一般都具有无穷大的绝对带宽 如下图所示 信号的绝对带宽 B 通常是指信号频谱正频域非零部分对应的频率范围 如下图所示 实际应用中信道德带宽总是有限的 因此依据信号功率谱定义了以下几种等效带宽 1 零点带宽数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的 当其旁瓣不足以引起信号失真时 定义fb为信号的零点带宽 2 百分比带宽百分比带宽由下式来定义 其中fr称为百分比带宽 可以取96 98 99 等值 其含义是 在该带宽范围内信号的功率占总功率 3 矩形等效带宽对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号 如下图所示 可以定义矩形等效带宽BC 其含义为 4 3dB带宽3dB带宽又称半功率带宽 如下图所示 信号频谱在f0处取最大值 且 2 2信道 定义 以传输介质为基础的信号通道 1 了解信道的定义 分类与模型2 了解常用传输媒质的特点3 了解无线电波的传播方式4 了解信道对信号的影响5 掌握信道容量和香农公式 2 2 1信道的分类 1 狭义信道和广义信道 狭义信道即传输媒介广义信道由传输媒介和部分收发端的通信设备组成 2 调制信道和编码信道 调制信道 从调制器出发到解调器为至的所有通信设备和传输媒介 编码信道 从编码器出发到译码器为至的所有通信设备和传输媒介 3 恒参信道和变参信道 恒参信道是指在信号传输过程中 信道传输特性对信号的影响是确定的或者是变化极其缓慢的 可将其视为一个非时变的线性网络 典型的恒参信道如双绞线 同轴电缆 光纤等有线信道以及微波信道 卫星信道等 变参信道 其传输特性随时间变化而快速变化 一般将其等效成时变线性网络或者时变非线性网络来分析 典型的变参信道如电离层反射信道 对流层散射信道以及移动通信信道等 4 无记忆编码信道和有记忆编码信道 无记忆信道是指传输过程中前后码元相互统计独立的信道 有记忆信道是指前后码元之间具有某种统计相关性的信道 实例分析 二进制无记忆信道模型如下图所示 其对应的误码率公式为 2 2 2传输介质 1 双绞线 双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成 绞合的目的 1 减少线对之间的相互干扰 2 同时还增强了机械和电气稳定性 分类 2 同轴电缆 同轴电缆由内导体 绝缘层外导体和塑料保护外套组成 如下图示 分类 内外导体组成一组线对 外导体同时起到屏蔽外界电磁干扰的作用 基带同轴电缆 阻抗为50欧姆 用于局域网数据传输10Base T等宽带同轴电缆 阻抗为75欧姆 CATV网以及PSTN局间传输 3 光纤 光纤可以由超纯硅 合成玻璃甚至塑料制造 其结构如下图示 光纤有单模光纤和多模光纤两类 前者具有较宽的频带 传输损耗小 后者频带较窄 传输衰减也比较大 光传输系统 4 无线信道 长波信道 30Hz 300KHz 可用带宽小 天线尺寸大 常用于电报 电话 水下通信 海上导航等领域 中波信道 0 3 3MHz 用于广播 业余无线电以及海上无线电通信等领域 其中500 1500KHz是标准民用调幅广播 短波信道 3 30MHz 信道干扰大 但其投资少 建设快 常用于军用通信和国际定点通信等 微波信道 3 300GHz 天线方向性通信容量大 可用于微波 卫星通信 射电天文 科学研究等 超短波信道 30MHz 3GHz 天线尺寸小 可用于移动通信 雷达 航天航空 卫星通信等 2 2 3信道对信号的影响 衰减 定义 信号能量的损失 信号在传输过程中由于传输媒介的阻抗特性会出现衰减 同时又可以在一些设备中得到放大 对于数据传输CCITTH 12建议规定信号的最大净损耗不得超过28dB CCITTH 51规定了在模拟话音信道上传输数据信号的功率 一般情况下功率最大值为 13dBm0 即在零测试电平点测得的数据信号的平均功率不应超过 13dBm 信号的传输衰减通常使用绝对电平来表示 其常用单位是dBm dBm0表示零测试电平点 当使用测试单音进行线路调整时 那里的功率是0dBm 即1mW 2 2 3信道对信号的影响 失真 幅频失真 若幅频特性不理想 信号经过信道传输后各个频率分量获得的增益不相同 此时对应的时域信号波形就会出现波形畸变 原始波形基波 二次谐波 2 1 失真波形基波 二次谐波 1 1 波形失真示意图 群时延失真 群时延特性的失真反映了相位频率特性的失真程度 它将对信号的各个频率分量产生不同的时延量 从而引起时域信号波形失真 CCITTM 1020建议对群时延特性的要求如下图所示 2 2 3信道对信号的影响 噪声 按来源可将信道噪声分为 人为噪声 来源于人类日常活动 如工业干扰 其他电台的电信号等 自然噪声 主要指各种天电干扰 如闪电 太阳黑子 宇宙噪声等 数据通信中主要分析以下几种噪声 内部噪声 是设备自身产生的 如电阻等导体中自由电子热运动产生的热噪声等 1 起伏噪声 起伏噪声是以热噪声 散弹噪声和宇宙噪声为代表的噪声 起伏噪声的特点是时域和频域表现平稳 在所有通信系统中普遍存在且不可避免 起伏噪声对数据通信的影响是产生随机错误 随机错误表现为错误码元随机出现 彼此无相关性 起伏噪声是无记忆信道中噪声的主要表现形式 2 脉冲噪声 脉冲噪声在时域表现为无规则突发的短促噪声 从频域来看 脉冲噪声通常有较宽的频带 但频率越高 频谱强度越小 脉冲噪声特点在于突发性 幅度大 持续时间短 且相邻脉冲之间有较长的寂静区 脉冲噪声是记忆信道中噪声的主要表现形式 脉冲噪声对数据通信的影响是产生的突发错误 错误码元比较集中 且相互之间具有某种相关性 3 高斯白噪声 可以从以下两方面对高斯白噪声下定义 其任意维概率密度函数都服从高斯分布 即正态分布 高斯噪声 在整个频域具有均匀分布的功率谱密度 白噪声 2 2 4信道容量 1 奈奎斯特信道容量公式 理想信道 无噪声 无干扰 时带宽与速率的关系 B 带宽 单位Hz M 码元数 2 香农信道容量公式 用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题香农公式 B 带宽 单位Hz S N 信噪功率比 返回 结束