数字通信原理第3章-自学

,1.传等概独立二进制，每一波形信息量为1比特。2.等概时且信息熵最大Hmax=log2M(bit/符号),1.3信息及其度量,3.非等概时HI总=m*Hbit。,复习,I=log2,P,(bit),2,模拟通信系统,有效性有效传输频带可靠性输出信噪比,1.4主要性能指标,数字通信系统,有效性传输速率,可靠性差错率,复习,3,传输速率,单位时间内传输码元的数目（波特/Baud/B）,传码率RB传信率Rb频带利用率,单位时间内传递的平均信息量或比特数(bit/s或bps),复习,单位频带内的码元传输速率/传信率（B/Hz或b/(sHz)）,差错率,误码率Pe,误信率Pb,码元被传错的概率,差错比特在传输总比特数中所占的比例,等概传输时,不等概传输时,Rb=RBH(b/s),4,Rb不变：RB2=RBMlog2M(B),RB不变：RbM=Rb2log2M(b/s),复习,总结：数字通信中：传码率增大，则有效性提高误码率降低，则可靠性提高,5,3.1信道定义与数学模型3.2恒参信道及其传输特性3.3随参信道及其传输特性3.4分集接收技术3.5加性噪声3.6信道容量的概念,第3章信道与噪声,返回主目录,6,3.1信道定义与数学模型,3.1.1信道定义,信道：指以传输媒质为基础的信号通道。,1、狭义信道：传输媒质。,传输媒质,无线信道：,有线信道：,明线、电缆、光纤,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,P36,7,狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。常把广义信道简称为信道。,2、广义信道：传输媒质+通信系统中的一些。,可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。,调制信道编码信道,按功能,转换装置,8,图31调制信道和编码信道,调制信道：从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的发转换装置、媒质和收转换装置三部分。用以研究调制与解调问题编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。即编码信道包括调制器、调制信道和解调器。用以研究编码与译码问题,9,【目的】：为研究调制与解调问题所建立。,3.1.2信道的数学模型,1.调制信道模型,（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）。,【调制信道共性】：（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；,用来表征实际物理信道的特性，对通信系统的分析和设计是十分方便的。,10,图32调制信道模型,用一个二端口(或多端口)线性时变网络表示调制信道模型,输出与输入的关系有r(t)=so(t)+n(t)=fsi(t)+n(t)(3.1-1),已调信号,【信道模型】,输入信号的响应输出波形,n(t),n(t),1.调制信道模型,关心输入信号形式和最终结果，对于调制信道内部的变换过程并不关心。用具有一定输入、输出关系的方框来表示,11,一般情况，fsi(t)=so(t)=c(t)*si(t)(3.1-2),信道冲激响应c(t),C()信道传输函数可看做乘性干扰,分析信道对信号的具体影响，归结为了解c(t)（或C()）与n(t)的特性。,r(t)=so(t)+n(t)=fsi(t)+n(t)=c(t)*si(t)+n(t),或S()=C()Si()(3.1-3),1.调制信道模型,【信道模型】,信道输出响应可表示为信道冲激响应c(t)与输入信号的卷积C()信道传输特性/信道传输函数。对信号可看成是乘性干扰。,12,c(t)或C()（1）分类,恒参信道：C()基本不随时间变化，信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的,按传输特性,随参信道：信道传输函数C()随时间随机快变化,1.调制信道模型,【信道特性】,13,（2）C()的三种典型形式,第一种形式：C()=常数,图33加性噪声信道模型,r(t)=so(t)+n(t)=csi(t)+n(t)(3.1-4),最常用、最主要,1.调制信道模型,【信道特性】,这种信道可以用加性噪声信道数学模型来表示,在常用物理信道中C()有三种典型形式,14,第二种形式：C()常数，但不随时间变化,图3-4带有加性噪声的线性滤波器信道,r(t)=so(t)+n(t)=c(t)*si(t)+n(t)(3.1-5),1.调制信道模型,【信道特性】,（2）C()的三种典型形式,信道冲激响应c(t),15,第三种形式：C()常数，且随时间变化,图35带有加性噪声的线性时变滤波器信道,r(t)=so(t)+n(t)=*si(t)+n(t)(3.1-6),时变单位冲激响应,1.调制信道模型,【信道特性】,（2）C()的三种典型形式,c(t,),时变冲激响应信道传输函数为C(,),电离层反射信道、移动通信信道都具有这种特性,16,2.编码信道模型,【特性】是数字信道或离散信道。,图36二进制编码信道模型,导致错误,输入数字序列,输出数字序列,发0先验概率,发1先验概率,错误转移概率,正确转移的概率,正确转移的概率,0,1,0,1,输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号,输入、输出关系可以用转移概率来表征,17,【输出的总错误概率】,P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1,2.编码信道模型,【特性】是数字信道或离散信道。,P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)(3.1-10),Pe=,无记忆编码信道（错误统计独立）,全概率公式,信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转移概率P(1/0)与P(0/1)也就越大,因为噪声等引起的错误统计独立，所以是无记忆编码信道,18,恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。,3.2恒参信道及其传输特性,对称电缆,同轴电缆,19,恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。,3.2恒参信道及其传输特性,对称电缆,同轴电缆,微波中继信道,视距传输,20,恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。,3.2恒参信道及其传输特性,视距传输,对称电缆,同轴电缆,微波中继信道,卫星中继信道,21,恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。,3.2恒参信道及其传输特性,卫星中继信道,对称电缆,同轴电缆,微波中继信道,22,恒参信道特性,恒参信道=线性时不变网络,（传输特性）,恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。,信号分析方法,23,1.理想恒参信道特性,理想恒参信道=理想的无失真传输信道,恒参信道特性,等效的线性网络传输特性,H()=K0e-jtd(3.2-1)无失真传输条件,传输系数,时间延迟,幅频特性为|H()|=K0(3.2-2)相频特性为()=td(3.2-3),相频特性群迟延-频率特性,表示对信号的不同频率成分具有相同的延迟,K0，td都是与频率无关的常数,相频特性的导数,24,图3-13理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性,1.理想恒参信道特性,恒参信道特性,理想恒参信道：在整个频率范围(或在信号频带范围之内),幅频特性为常数相频特性为的线性函数,25,理想恒参信道的冲激响应h(t)=K0(t-td)(3.2-5)若输入信号s(t)，则理想恒参信道的输出r(t)=h(t)*s(t)=K0s(t-td)（3.2-6),理想恒参信道传输特性,H()=K0e-jtd无失真传输条件,无失真传输,结论：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。,1.理想恒参信道特性,恒参信道特性,26,幅度-频率失真信道幅度-频率特性不是常数相位-频率失真信道相位-频率特性不是的线性函数,2.两种失真及其影响,恒参信道特性,（1）幅度-频率失真频率失真,原因：实际信道的幅度频率特性不理想指信号中不同的频率分量分别受到信道不同的衰减,模拟信号波形失真数字信号可能错码,影响：,线性失真,27,图314典型音频电话信道的幅度衰减特性,衰减在3003000Hz频率范围内比较平坦；300Hz以下和3000Hz以上衰耗增加很快，这种衰减特性正好适应人类话音信号传输。,28,（2）相位-频率失真群迟延失真,指信号中不同频率分量分别受到信道不同的延迟,模拟不明显数字码间干扰,影响：,2.两种失真及其影响,恒参信道特性,传输速率，码间干扰，使误码率性能降低。,“均衡补偿”,线性失真,29,图315典型电话信道相频特性和群迟延频率特性(a)相频特性；(b)群迟延频率特性,30,1、狭义信道：传输媒质。,复习,广义信道：传输媒质+通信系统中的一些转换装置。,调制信道编码信道,广义信道,2.调制信道数学模型,r(t)=so(t)+n(t)=fsi(t)+n(t)=c(t)*si(t)+n(t),信道冲激响应c(t),C()信道传输函数,31,第二种形式：C()常数，但不随时间变化,r(t)=so(t)+n(t)=c(t)*si(t)+n(t),第三种形式：C()常数，且随时间变化,r(t)=so(t)+n(t)=c(t,)*si(t)+n(t),第一种形式：C()=常数,r(t)=so(t)+n(t)=csi(t)+n(t),复习,32,3.编码信道模型,输出的总错误概率,Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),4.恒参信道：信道特性不随时间变化or变化很慢。,（1）理想恒参信道特性,幅频特性为常数，对信号在幅度上产生固定的衰减；相频特性为的线性函数，对信号在时间上产生固定的迟延。,（2）失真,幅度-频率失真信道幅度-频率特性不是常数相位-频率失真信道相位-频率特性不是的线性函数,复习,33,随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。,3.3随参信道及其传输特性,3.3.1陆地移动信道1.自由空间传播线性衰减2.反射波与散射波时变、多径衰落3.折射波引起超视距传播,34,图319电波折射示意图,引起超视距传播,35,3.3.2短波电离层反射信道电离层：离地面60600km的大气层为电离层。短波电离层反射信道：地面发射的无线电波在电离层反射所形成的信道。使用频率：频率范围330MHz(波长为10100m)的短波(或称为高频)无线电波。,36,短波电离层反射信道最主要的特征是多径传播，多径传播有以下几种形式:(a)一次反射和多次反射；(b)反射区高度形成细多径；(c)地球磁场引起的寻常波和非寻常波；(d)电离层不均匀性引起的漫射现象。,37,3.3.3随参信道特性1.随参信道的传输媒质特点：(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。,38,接收信号=各路信号合成（衰减、时延都随时间变化的多路信号）,设发送信号s(t)=Acosct（3.3-12）多径接收信号r(t)=V(t)cosct+(t)(3.3-21),合成波包络一维分布服从瑞利分布,合成波相位一维分布服从均匀分布,r(t)可视为一窄带随机过程,陆地移动信道、短波电离层反射信道等，相对于载波V(t)、(t)是慢变化随机过程，于是r(t)可看成是一个窄带随机过程。,单一频率、幅度恒定,2.多径传播含义：指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点。,39,（1）瑞利衰落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，称其为衰落信号。即多径传播使信号产生瑞利衰落。fcfV(t),3.多径传播对传输信号的影响,（2）频率弥散从频谱上看，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。,频谱,40,3.多径传播对传输信号的影响,多径传播的又一重要特征,例：两信道多径传播，分析合成信号幅频特性。,k为两条路径的衰减系数,(t)为两条路径信号传输的相对时延差。,当发送信号具有一定频带宽度时，多径传播会使信号产生频率选择性衰落。这是信号中某些分量被衰落的一种现象。,（3）频率选择性衰落,41,3.多径传播对传输信号的影响,图323信道幅频特性,当i为固定值，信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。信号通过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于时，有些频率分量会被信道衰减到零，造成严重的频率选择性衰落。,(t)通常是时变参量，故传输特性中零点、极点在频率轴上的位置也随时间随机变化，这使传输特性变得更复杂。,（3）频率选择性衰落,多径时延量(t)决定了幅频衰减情况,42,“多径”传播，信道的传输特性、频率选择性衰落复杂得多,信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔,（3）频率选择性衰落,3.多径传播对传输信号的影响,m信道最大多径时延差,相关带宽,若信号频谱BC，则产生严重的频率选择性衰落。,减小频率选择性衰落的措施：限制数字信号传输速率。,工程上的经验公式：BS=(1/51/3)BC或TS=(35）m,43,随参信道中问题：多径时散、多径衰落、频率选择性衰落、频率弥散抗衰落技术：提高随参信道中信号传输质量。,3.4分集接收技术,调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、。,在短波通信、移动通信系统中广泛应用,分集接收技术,44,指收端按照某种方式使它收到的携带同一信息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。,一是分散接收，使接收端得到多个携同一信息、统计独立的衰落信号；二是集中处理，收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。,分集接收有两重含义：,分集接收:,45,空间分集频率分集角度分集极化分集时间分集,分集方式：,合并方式：,选择式合并性能最差等增益合并最方便可行最大比值合并性能最好,合并：根据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。,分集：获得多个携同一信息、统计独立的接收信号。,46,特点：与信号相互独立、始终存在、无法彻底消除。,3.5加性噪声,通信中噪声的定义：对信号的传输和处理形成干扰的所有波形的集合（随机）。,47,按来源,3.5.1噪声的分类,人为噪声（工业噪声、无线电噪声）人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声,自然噪声自然界的电磁波源所产生的噪声,内部噪声（热噪声、散弹噪声）通信设备本身产生的各种噪声,临近电台干扰、跳频干扰,汽车点火、电动机、电焊机,按噪声对信号的作用方式,加性噪声m(t)+n(t)独立于有用信号,乘性噪声m(t)+m(t)n(t)=m(t)+1+n(t)信道衰耗or电阻发生变化，则噪声成为调制信号的波形,48,单频噪声脉冲噪声起伏噪声,(1)单频噪声：主要是无线电干扰，可能是单一频率or窄带谱。特点：是连续波干扰。措施：通过合理设计系统可避免。,按噪声性质,3.5.1噪声的分类,(2)脉冲噪声：是在时间上无规则的突发脉冲波形。特点：突发脉冲形式、干扰时间短、脉冲幅度大、周期随机。措施：合理选频、远离脉冲噪声源。,49,(3)起伏噪声：是一种连续波随机噪声。包括：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声特点：具有很宽的频带、始终存在、是影响通信系统性能的主要因素。,单频噪声脉冲噪声起伏噪声,按噪声性质,3.5.1噪声的分类,随机过程的分析方法,信号频率小于300MHz时需要考虑宇宙噪声,加性噪声的主要代表是起伏噪声,起伏噪声是本课程中分析噪声的重点,50,3.5.2起伏噪声及特性,分析结论：热噪声、散弹噪声和宇宙噪声这些起伏噪声都可以认为是一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范围都是常数。因此，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,=0时才相关，任两时刻上互不相关，统计独立的。,51,3.5.2起伏噪声及特性,52,设带通型噪声的功率谱密度为Pn(f),fc：带通型噪声功率谱密度的中心频率,3.5.2起伏噪声及特性,噪声等效带宽,Bn的物理意义：,高度为Pn(fc)，宽度为Bn的噪声功率功率谱密度为Pn(f)的带通型噪声功率,=,噪声等效带宽Bn适用于今后常见的窄带高斯噪声，且认为带宽为Bn的窄带高斯噪声，其功率谱密度Pn(f)在Bn内是常数。,53,两种广义信道,3.6信道容量的概念,信道容量：在白噪声背景下，信道中信息无差错传输的最大速率。记为C。,调制信道：连续信道可用连续信道的信道容量来表征编码信道：离散信道可用离散信道的信道容量来表征,54,3.6信道容量的概念,1.香农公式,香农公式含义：当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。,Shannon信道容量公式,B：连续信道的带宽(Hz)S：信号功率N：噪声功率