第4章通信原理资料.ppt

教学提示,信道是通信系统的三要素之一,是通信系统组成的重要部分。任何信号离开信道都不能进行传输，可见信道的特性对信号的传输起着重要的作用，所以有必要进行讨论。,本章所讨论的信道不是指各种具体的信道，而是指抽象出来的模型，重要讲述以下几个问题：1、信道的定义及分类;2、恒参信道及其对信号传输的影响;3、随参信道及其对信号传输的影响;4、信道容量；,第四章信道,主要内容：信道的定义、分类恒参信道举例随参信道举例信道数学模型恒参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性的改善信道的加性噪声信道容量的概念、香农公式（shannonformula）,信道定义,1.信道定义：信号通道.2.信道的分类狭义信道：信号的传输媒质.有线信道：架空明线、双绞线、同轴电缆、光缆无线信道：地波、短波、微波、卫星、散射广义信道：传输媒质及有关变换装置.(收、发转换器,放大，频率变换，电电磁波，等。)编码信道调制信道,4.1随参信道举例,随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。随参信道有以下几种。1）短波电离层反射2）超短波流星余迹散射3）超短波及微波对流层散射4）超短波电离层散射5）超短波超视距绕射等,一、短波电离层反射信道1、概念：短波是指波长为10010m(相应的频率为330MHz)的无线电波。2、短波传播方式：既可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电离层反射传播，称为天波传播。3、传播路径离地面高60600km的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成的。短波电磁波从电离层反射的传播路径如图所示。在短波电离层反射信道中，存在多径传播，引起多径传播的主要原因如下。1）电波经电离层的一次反射和多次反射；2）几个反射层高度不同；3）电离层不均匀性引起的慢射现象；4）地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波。,4、特点主要优点如下：1）、要求的功率较小，终端设备的成本较低；(100W几KW)2）、传播距离远；3）、受地形限制较小；4）、有适当的传输频带宽度；5）、不易受认为的破坏，该特点在军事上非常有用。主要缺点如下：1）、传输可靠性差；电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中断。2）、需要经常更换工作频率，因而使用较复杂；3）、存在快衰落与多径时延失真；4）、干扰电平大。(3（4）时频分集(混合分集之一)（5）其它：角度分集，极化分集。,4.4.3随参信道特性的改善,例如：四时四频分集,信息代码时频编码00f1、f2、f3、f4将一个四进制码元宽度时间Ts等分01f2、f1、f4、f3为4个时间段，分别传输4个载频，不10f3、f4、f1、f2同代码传输顺序不同。在Ts内只要能11f4、f3、f2、f1正确接收到一个频率，就可判断在Ts内传输的信息代码。,2合并方法所谓合并就是根据某种方式把得到的N个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。（中频、基带）假设N个独立衰落信号分别：r1(t)、r2(t)、rN(t),则合并器输出为：r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)+aNrN(t)ai第i个信号的加权系数（1）最佳选择式选信噪比最好的一个作为接收信号。（2）等增益相加将各信号以相同增益放大、相加。（3）最大比相加将各信号以信噪比成正比地放大、相加。效果：（3）最好，（1）最差。,（1）最佳选择式选信噪比最好的一个作为接收信号。,二重分集选择式合并,（2）等增益相加将各信号以相同增益放大、相加。,（3）最大比相加将各信号以信噪比成正比地放大、相加。,4.5信道的加性噪声,干扰：对有用信号有害的各种波形的总称。噪声：可用随机过程描述的干扰。不能准确预测其波形,一、加性噪声的来源1、人为噪声来源于无关的其他信号源。如：外台信号、接触不良的触点等，由不希望有的信号源引起的。2.自然噪声来自于大自然。由自然界存在的各种电磁波源引起。如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声、大气干扰及宇宙噪声等。3.内部噪声系统设备本身产生的各种噪声。如：电阻中自由电子的热运动、半导体中载流子(电子和空穴)的随机产生与复合等。是元器件内部固有的噪声。,二、噪声的性质分类单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。本章重点介绍起伏噪声。三、起伏噪声1、热噪声1）、产生原因：在电阻一类导体中自由电子的布郎运动引起的噪声。2）、特点：服从高斯分布，且具有均匀的功率谱密度。2、散弹噪声1）、产生原因：真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起。2）、特点：服从高斯分布3、.宇宙噪声1）、产生原因：天体辐射波对接收机形成的噪声。2）、特点：20300MHz内，强度与频率的三次方成反比，服从高斯分布；具有平坦的功率谱密度。,注意：通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示。通常把加性噪声的主要代表起伏噪声理解成热噪声、散弹噪声、宇宙噪声的集中表示。均为高斯白噪声。,n(t)：白噪声。双边带功率谱密度Pn（f）单边带功率谱密度Pn（f）,N不可能为无穷大，故白噪声的频率范围应是有限的。,带通型噪声的功率谱密度：,Bn为等效噪声带宽，其物理意义是：白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为Bn，高为Pni（f0）的矩形滤波器的效果一样。,4.6信道容量的概念,信道容量：信道的最大（极限）传输能力定义：信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记为C。离散信道：输入输出为离散信号；连续信道：输入输出为连续信号；一、离散信道的信道容量信道模型用转移概率来表示。如图所示。,图中：P(x)发送信道的概率；P(y)是接收信号的概率；P(yi/xi)是转移概率，i=1,2,m，它是发送为xi，而收到的是yi的概率。,接收端接收到的信息量（信息论中称为互信息）为单位是比特/符号。公式中：I：接收端接收到的平均信息量；H（x）：未发送符号前对xi的不确定度；即每个符号的平均信息量。H(x/y)：收到符号yi后对xi的不确定度；即输出符号已知时，输入符号的平均信息量，也即平均丢失信息量。信息传输速率R：是指信道在单位时间内所传输的平均信息量，单位是比特/秒。若码元传输速率是r，则R与I的关系如下：,例4.4,讨论分析：显然R与r、信息源的概率分布以及信道干扰的概率分布有关。对某个给定信道，干扰的概率分布应当认为是确定的，如果此时r一定，则R仅与信息源的概率分布有关。当无噪声时，（3.10-3）当噪声很大时，（3.10-4）离散信道的信道容量定义：对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息的速率R的最大值称为信道容量，用C表示，即,二、连续信道的信道容量香农（Shannon）公式：连续信道中的信道容量C为式中：B为信道的带宽；S为信号的功率；N为信道加性高斯白噪声的功率。物理意义：表示当信号与作用在信道上噪声的平均功率给定时，信道带宽为B，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值。,（3.10-5),当信道带宽为B，噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B(3.10-6)公式（3.10-5)整理为：,问题：无限制地增大B，能够使C无穷大？分析：,结论：即使传输带宽无穷大，此时的信道容量也是有限的。原因：此时的噪声功率也趋于无穷大。,例4.5,例4.6,第4章教学要求,了解信道模型、分类掌握恒参信道特性及其对信号传输的影响掌握随参信道特