通信原理——第四章

.,通信原理（第7版）,樊昌信曹丽娜编著,信道,第4章,.,信道的定义,通信系统中的信道是指发送设备到接收设备之间信号传输的通道，是通信系统的重要组成部分,.,信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量,本章内容:,第4章信道,.,无线信道自由空间或大气层有线信道明线、电缆、光纤,概述,按照传输媒介的不同,按照系统模型中研究对象的不同：,调制信道研究调制/解调问题编码信道研究编码/译码问题,信道的定义与分类,按照信道中冲击响应是否随时间变化,恒参信道特性参数变化缓慢，视为恒定值随参信道特性参数随时间变化,.,无线信道,4.1,利用电磁波在空间的传播来实现的,.,10km,60km,0km,对流层：约010km平流层：约1060km电离层：约60400km,地球大气层的结构：,.,地波ground-wave频率：2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千千米用于：调幅（AM）广播,天波sky-wave频率：230MHz特性：被电离层反射距离：30MHz特性：直线传播、穿透电离层用途：卫星和外太空通信超短波及微波通信距离：与天线高度有关,视线传播line-of-sight,无线信道,D为收发天线间距离(km),设收发天线的架设高度均为40m，则最远通信距离为：D=44.7km,例如,（1）不能被电离层反射（2）沿地面绕射能力也很小,.,微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信,.,无线信道,微波中继,.,无线信道,卫星中继,地面站,地面站,地球,.,无线信道,散射通信,.,无线信道,流星余迹散射,特性:高度80120km，长度1540km存留时间：小于1秒至几分钟频率:30100MHz距离:1000km以上用途:低速存储、高速突发、断续传输,.,有线信道,4.2,利用人造的传导或光信号的媒介来传输信号；e.g.明线对称电缆同轴电缆光纤,.,明线,平行架设在电线杆上的架空线路易受天气和外界干扰的影响,.,屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）,非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）,由多对双绞线组成,有线信道,对称电缆,.,有线信道,同轴电缆,信道频带在几百MHz至1GHz左右主要应用：长途通信干线，有线电视等,.,宽带（射频）同轴电缆：75，用于传输模拟信号多用于有线电视（CATV）系统传输距离可达几十千米,基带同轴电缆：50，多用于数字基带传输速率可达10Mb/s传输距离几千米,有线信道,.,有线信道,光纤,光作为一种特殊的电磁波，在人造介质（光纤）中传播，实现大容量，高可靠性的通信主要应用：电信网和移动网的骨干网,.,缺点,应用,优点,有线信道,.,信道数学模型,4.3,按照系统模型中研究对象的不同：,调制信道研究调制/解调问题编码信道研究编码/译码问题,.,模型：,有一对（或多对）输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时，仍可能有输出（噪声）,共性：,叠加有噪声的线性时变/时不变网络：基本模型：,4.3.1调制信道模型,：发送信号,：接收信号,：加性高斯白噪声,：信道的冲激响应,.,信号输入输出关系：,时域表达式：,频域表达式：,傅里叶变换特性，卷积乘积,加性噪声始终存在,调制信道对信号的影响程度取决于H(w)与n(t)的特性导致的结果：会使信号产生失真、延时和衰落,.,调制信道分为：（依据冲激响应随时间变化的情况）恒参信道信道的冲激响应随时间变化缓慢，或者不变（等效为线性是不变滤波器）随参信道信道的冲激响应随时间较快变化（等效为线性时变率滤波器）,不同的物理信道具有不同的特性H(),=常数（可取1）,加性高斯白噪声信道模型即：描述通信信号只有加性噪声影响的实际物理信道，是一种理想信道,.,4.3.2编码信道模型,编码信道是一种数字信道或离散信道，其输入和输出都是离散信号（数字序列）,+=1,二进制无记忆编码信道模型,+=1,P(0/0)P(1/1)正确,P(1/0)P(0/1)错误,模型：用条件转移概率来描述,误码率：,衡量该信道优劣的重要参数指标：,.,四进制无记忆编码信道,模型：,注意：从上述编码信道模型可以看出，数字序列的传输有时是不可靠的。因此，如何在不可靠的信道中实现高效的可靠通信是通信理论研究的一个主要内容。,.,恒参/随参信道特性对信号传输的影响,4.4,.,特点：传输特性随时间缓变或不变。举例：各种有线信道、卫星信道,线性时不变系统,恒参信道特性及其对信号传输的影响,在不考虑噪声的前提下，理想恒参信道是一种特殊类型的信道，可以实现信号的无失真传输,（1）只有幅度大小和出现先后的不同（2）波形没有畸变,恒参信道作用,发送信号接收信号的关系为：,表达式：,.,理想恒参信道的传递函数,1.传输特性,幅频特性,相频特性,假设由得,恒参信道特性,2.无失真传输（恒参信道）,幅频特性,相频特性,.,恒参信道,群迟延频率特性,幅频特性,相频特性,表明,.,若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:,恒参信道,固定的迟延,固定的衰减,这种情况称为无失真传输,理想恒参信道频时域表达式:,频域表达式：,时域表达式：,IFT,即：此时信道的冲激响应也是冲激函数，只是强度变化了K倍，延迟了时间td,.,3.失真影响措施,恒参信道,幅频失真：即幅频特性在信号的频带范围内不是常数,相邻码元之间发生重叠,幅频无失真信道,幅频失真信道,即：接收信号发生畸变,.,3.失真影响措施,恒参信道,群迟延失真:,相频失真：,相频无失真信道,相频失真信道,接收信号同样发生畸变,.,无论幅频失真、相频失真均属于线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。此外还存在非线性失真，频率偏移、相位抖动等失真因素，会引起信号的非线性码间干扰，使得模拟和数字通信系统的解调性能下降，对高速数据通信系统的性能影响比较大。,恒参信道,恒参信道特性及其对信号传输的影响,.,指传输特性随时间随机快变的信道。,随参信道特性及其对信号传输的影响,短波电离层反射信道,.,随参信道,衰减随时间变化时延随时间变化多径传播,无线通信信道是随参信道的典型实例：无线信道的衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落衰落特性可以描述为：,大尺度衰落，随时间和位移缓慢变化小尺度衰落，随时间和位移快速变化信道的衰落因子,.,3.多径效应,多经传播的影响,发送信号经过反射、散射、绕射传播到接收机，这些经不同途径的信号在接收机处叠加，导致接收信号发生剧烈变化多径效应,.,3.多径效应,第i条路径接收信号振幅,经过n条路径传播（各路径有时变的衰落和传输时延），且经过各条路径到达接收端的信号相互独立，,多经传播的影响,传输时延,则接收信号为,设发送信号为,幅度恒定频率单一,.,根据概率论中心极限定理：当n足够大时，x(t)和y(t)趋于正态分布。,同相正交形式,包络相位形式,瑞利分布,均匀分布,多径效应,包络相位随机缓变的窄带信号,.,波形,发送信号,接收信号,频谱,结论,.,我们更关心的问题：,多径效应,.,多径效应,传输衰减均为K传输时延分别为1和2,发射信号,接收信号,设两条路径的信道为,f(t),fo(t)=Kf(t-1)+Kf(t-2),信道传输函数,fo(t),=2-1相对时延差,则接收信号为,.,信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。,频率选择性衰落,如何减小？,信道幅频特性,即：信道对不同f的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化.,曲线最大和最小值的位置取决于相对时延t,.,信道相关带宽：定义为相邻传输零点的频率间隔,，工程经验公式：即平坦衰落，此时信号所经历的衰减基本相同,4.减小频率选择性衰落的措施,f,f1/,应使信号带宽,Bs(1/31/5)f,数字信号的码元宽度:从而降低多径效应对传码率的影响,Ts(35),RB,m,m,Bsf,.,归纳,随参信道特性,多径效应,减小衰落的措施,.,信道噪声,4.5,（1）任何实际的物理信道中都存在噪声和干扰（2）对通信系统的传输信号造成限制和损伤（3）导致通信系统性能下降，e.g.SNR下降，误码率上升等,.,1.何谓噪声,按噪声来源,2.噪声类型,人为噪声自然噪声内部噪声（如热噪声）,脉冲噪声窄带/单频噪声起伏噪声（热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）,按噪声性质,.,2.噪声类型按噪声来源,人为噪声：由人类的活动产生的，e.g.汽车点火系统产生的电火花，微波炉产生的电场波等自然噪声：自然界中存在的各种电磁波辐射，e.g.大气噪声、宇宙噪声等内部噪声：主要由系统内部电子器件和导体中的自由电子的布朗运动产生，又称热噪声,.,2.噪声类型按噪声性质,脉冲噪声：是突发性地产生，幅度较大，频谱较宽，e.g.电火花不是普遍持续存在的，对话音通信影响较小，但对数字通信影响可能较大。窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或者可以测知的，可以看作是一种非所需的连续已调正弦波（只存在特点频率、时间、地点，影响有限）起伏噪声：遍布在时域和频域内的随机噪声，包括热噪声、散弹噪声、宇宙噪声等.（始终存在）,.,热噪声：,式中k=1.3810-23（J/K）波兹曼常数T热力学温度（K）R阻值（）B带宽（Hz）,热噪声电压有效值：,讨论噪声对通信系统的影响时，主要考虑起伏噪声，特别是热噪声,.,归纳,信道加性噪声n(t):独立于信号始终存在，会使模拟信号失真，数字信号发生错码，限制信息的传输速率,代表：起伏噪声（热噪声等）性质：高斯白噪声信号解调时，热噪声经过接收机带通滤波器的滤波，变成带限白噪声，即窄带噪声n(t)BPF窄带高斯噪声,.,平均功率：,噪声等效带宽：,噪声等效带宽,通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率=通过实际接收滤波器的噪声功率。,物理意义,窄带高斯噪声:,Pn(f0),双边噪声功率谱：,.,信道容量,4.6,指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率,.,式中，P(xi)：发送符号xi的概率（i=1,2,3,n）,（1）信源发送的平均信息量（熵）,（2）因信道噪声而损失的平均信息量,式中，P(yj)：收到yj的概率（j=1,2,3,m）；P(xi/yj)：收到yj后判断发送的是xi的转移概率,4.6.1离散信道容量,.,（3）信息传输速率R信道每秒传输的平均信息量,H(x)H(x/y)是接收端得到的平均信息量,r信道每秒传输的符号数为（符号速率）,最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求R的最大值：,含义：每个符号能够传输的最大平均信息量,（4）信道容量Ct,等价式：,.,当输入符号等概率分布，即,而条件熵表示为：,解：,二进制对称信道的信道容量计算,其中，错误转移概率为p，则正确转移概率为1-p，x1=0，x2=1，y1=0，y2=1,则此信源的平均信息量（熵）为,.,条件熵表示为：,解：,二进制对称信道的信道容量计算,由贝叶斯公式（后验概率用先验概率表示）,当输入符号等概率分布，即,单位时间内的信道容量ct为：,每个符号的信道容量c为：,.,例题,设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均为1/2.信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128.试画出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct,解：条件（1）二进制；（2）等概率对称信道信道模型如下：,由信道的容量C为,.,其中，S信号平均功率（W）；B信道带宽（Hz）,信道容量是指单位时间（秒）内信道上所能传输的最大信息量。对于带宽有限、平均功率有限的高斯白噪声连续信道，信道容量为,香农公式,等价式：,4.6.2连续信道容量,对于窄带宽高斯白噪声而言，噪声功率（W），n0噪声单边功率谱密度,.,.,信道容量C依赖于B、S和n0增大S可增加C，若S，则C；减小n0可增加C，若n00，则C；增大B可增加C，但不能使C无限制增大。当B时，C将趋向一个定值：,.,C一定时，信道带宽B、信噪比S/N、传输时间t三者之间可以互相转换。增加B，可以换取S/N的降低；反之亦然。若S/N不变，增加B，可以换取t的减少。,【例如】,.,香农公式进一步改写：,每比特能量每比特持续时间信号的