通信原理--ch2

1、1 第第2章章 信道与噪声信道与噪声2【第第1章测试章测试】一通信系统同时传送语音、一通信系统同时传送语音、文字和图像，语音按常规文字和图像，语音按常规8kHz抽样量化，抽样量化，假设图像数字化（假设图像数字化（720576像素）压缩像素）压缩60倍，按电视速率传送。语音、图像采用倍，按电视速率传送。语音、图像采用8bit二进制编码每抽样点。文字用二进制编码每抽样点。文字用ASCII编码，编码，假设传送方式是打字，打字速度为假设传送方式是打字，打字速度为6字符字符/s。请问通信请问通信10min，系统传送文字、语音和图，系统传送文字、语音和图像的数据量各是多少？比例是多少？像的数据量各是多少？

2、比例是多少？3解：解：文字： 6字符/s8bit/字符(1060s)=28800(bit)语音： 8k样点/s8bit/样点(1060s)=38400(kbit)图像：电视帧速率（PAL制式）为25帧/s 25帧/s(7205768/60bit)/帧 (1060s)=829440(kbit) 比例为： 文字:语音:图像=1:1333:28800显然，传输多媒体语音与图像的数据量相比文字信息量更大。4内内 容容52.1 信道及其分类信道及其分类研究信道的目的研究信道的目的信道的定义信道的定义狭义信道广义信道信道的分类信道的分类狭义信道：有线信道和无线信道广义信道：调制信道和编码信道 6调制信道和

3、编码信道调制信道和编码信道无记忆信道无记忆信道有记忆信道有记忆信道编码信道编码信道随参信道：如短波电离层反射、对流层散射等随参信道：如短波电离层反射、对流层散射等恒参信道：如明线、对称电缆、同轴电缆、光纤恒参信道：如明线、对称电缆、同轴电缆、光纤调制信道调制信道广义广义信道信道无线信道：如短波电离层反射、对流层散射等无线信道：如短波电离层反射、对流层散射等信道信道有线信道：如明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等有线信道：如明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等狭义狭义信道信道72.2 信道模型信道模型 调制信道模型调制信道模型 编码信道模型编码信道模型 8一、调制信道模型一、调制信道模型调制信道特点：调

4、制信道特点：具有一对（或多对）输入端和输出端；绝大部分信道是线性的，即满足叠加性和齐次性；信号通过信道需要一定的延迟时间；信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）；即使没有信号输入，在输出端仍有一定的功率输出。 9一、调制信道模型一、调制信道模型调制信道模型：调制信道模型： 10一、调制信道模型一、调制信道模型11二、编码信道模型二、编码信道模型 二进制信号、无记忆信道：二进制信号、无记忆信道：12二、编码信道模型二、编码信道模型01233210接收端接收端发送端发送端 四进制编码信道模型：四进制编码信道模型：132.3 典型恒参信道典型恒参信道明线明线对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆光纤光纤无

5、线视距中继无线视距中继卫星中继卫星中继14一、明一、明 线线15二、对称电缆：双绞线二、对称电缆：双绞线16三、同轴电缆三、同轴电缆常用的同轴电缆有两类：常用的同轴电缆有两类：50和和7517四、光四、光 纤纤表面涂层表面涂层包层包层芯区芯区n1n2折射率折射率折射率n1n22a18五、无线视距中继五、无线视距中继 频率：频率：30MHz以上以上 类似光波做视线传播（将穿透电离层）类似光波做视线传播（将穿透电离层）地地 面面发射天线发射天线19六、卫星中继六、卫星中继202.4恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响恒参信道一般特性恒参信道一般特性理想恒参信道理想恒参信道实际信道实

6、际信道其他影响因素及措施其他影响因素及措施21一、恒参信道一般特性一、恒参信道一般特性 恒参信道传输特性可等效为线性时恒参信道传输特性可等效为线性时不变网络。不变网络。 线性时不变网络可用幅频特性和相线性时不变网络可用幅频特性和相频特性来表征，即：频特性来表征，即：()( )( )jHHe 22二、理想恒参信道二、理想恒参信道()()()()()dddHktdtdtdd 常数或常数( )H( ) ( ) 23相频失真理解相频失真理解0102030405060708090100-2-1.5-1-0.500.511.520102030405060708090100-2-1.5-1-0.500.51

7、1.52输入信号由基波输入信号由基波和二次波合成和二次波合成 基波延迟基波延迟、二、二次波延迟次波延迟2后后的合成信号的合成信号0102030405060708090100-2-1.5-1-0.500.511.52基波延迟基波延迟、二、二次波延迟次波延迟3后后的合成信号的合成信号 24三、实际信道三、实际信道幅频失真：幅频失真：相频失真：相频失真：0 300 1100 (Hz)损耗(dB)f25四、其他影响因素及措施四、其他影响因素及措施26【例例2-1】如图所示网络，求它的频率特性。判如图所示网络，求它的频率特性。判断是否存在幅频失真及相频失真。断是否存在幅频失真及相频失真。 arctan(

8、)22222211( )11( )( )1jRCHej RCR CdRCdR C 272.5 典型随参信道典型随参信道28多径传播的几种主要形式多径传播的几种主要形式 292.5 典型随参信道典型随参信道302.6 恒参信道特性及其对信号影响恒参信道特性及其对信号影响 31一、随参信道的特点一、随参信道的特点 信号的衰耗随时间随机变化信号的衰耗随时间随机变化 信号传输的时延随时间随机变化信号传输的时延随时间随机变化 多径传播多径传播32二、多径效应导致信号瑞利衰落（频率扩散）二、多径效应导致信号瑞利衰落（频率扩散） 设有设有n条路径，并设输入信号为条路径，并设输入信号为 ( )coscs tA

9、t则收端接收信号为：则收端接收信号为： 11( )( )cos( )( )cos( ) ( )nniciiciiiir ta ttta tttt11( )coscos( )sinsinnniiciiciia tta tt( )cos( )sinccX ttY tt( )cos( )( )cV tttV t其中服从瑞利分布33二、多径效应的瑞利衰落二、多径效应的瑞利衰落结论：结论： （1）多径传播使单一频率的正弦信号变成了包）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，这种信号称络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号为衰落信号（2）从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了）

10、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。窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。34三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落( )is t并设输入信号为并设输入信号为( ) t设多径传播的路径只有两条设多径传播的路径只有两条( ) tkk则收端接收信号为：则收端接收信号为： ( )( )( )oiis tks tks tt( )( )( )( )( )( )1jtjtoiiiSkSkSekSe 其频域表示式为：其频域表示式为：( )( )( )1( )jtoiSHkeS 信道传输函数为：信道传输函数为：35三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频

11、率选择性衰落( )( )( )1( )jtoiSHkeS 信道传输函数为：信道传输函数为：( )( )1jtHke 则则1cos( )sin( )ktjt 2( )( )( )2cos2sincos222tttkj ( )( )( )2coscossin222tttkj ( )2cos2tk 36三、多径效应的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落( )( )2cos2tHk 结论：结论： 当当 即即 或或 时，时，出现传播极点；出现传播极点； 当当 即即 或或 时，出现传播零点；时，出现传播零点；( )/2tn 2/n/fn( )/2/2tn (21)/n(1/2)/fn37三、多径效应

12、的频率选择性衰落三、多径效应的频率选择性衰落定义多径传播信道相关带宽为：定义多径传播信道相关带宽为： 1cmB工程设计中，信号带宽为相关带宽的工程设计中，信号带宽为相关带宽的1/51/3。即：。即：11()53cBB 38【例例2-2】 某随参信道的两径时延差某随参信道的两径时延差 为为1ms，试求，试求该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪该信道在哪些频率上传输衰耗最大？选用哪些频率传输信号最有利？些频率传输信号最有利？ 211() (kHz)(22(kHz)()nfnnfn最不利)最有利39 2.7 分集接收分集接收 频率分集 角度分集 极化分集 40 2.7 分集接收分集接收 最佳选择式

13、等增益相加式最佳比例相加式 412.8 信道加性噪声信道加性噪声 42 2.9 信道容量信道容量 信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率 互信息量：互信息量： (/)( ,)log()ijijiP xyI x yP x11loglog( )(/)iijP xP xy( )(/)iijI xI xy某个符号传递的信息量。(/)( ,)log( )ijijiP xyI x yP x43二、离散信道的信道容量二、离散信道的信道容量(, )()(/ )I X YH XH X Y(, )( )( /)I X YH YH YX对于一定的信道， 是一定的，而不同的 ，将对应不同的 ，其中某一种概率分布

14、 对应的 将最大，表示为： (/ )H X Y()iP x(/ )I X Y()iP x(/ )I X Y()max (, )iP xCI X Y：C是每个符号平均能够传送的最大信息量，即信道容量。0()max (, )issP xCRCRI X Y11(/ )(/)log (/)( /)(/)log (/)LijijiMjijijH X YP xyP xyH Y XP yxP yx 44【例例2-3】设信息源由符号设信息源由符号0和和1组成，顺次选组成，顺次选择两符号构成所有可能的消息。如择两符号构成所有可能的消息。如果消息传输速率是每秒果消息传输速率是每秒1000符号，符号，且两符号出现的

15、概率相等。传输中，且两符号出现的概率相等。传输中，平均每平均每100符号中有一个符号不正确，符号中有一个符号不正确，试问这时传输信息的速率是多少？试问这时传输信息的速率是多少？45三、连续信道的信道容量三、连续信道的信道容量 2log (1)SCBN20log1SCBn B 增大信号功率可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大。 减小噪声功率（或减小噪声功率谱密度），可以增加信道容量，若噪声功率趋于零，则信道容量趋于无穷大。 增大信道带宽可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。 46【例例2-4】 电视图像可以大致认为由电视图像可以大致认为由300000个小像元组成

16、。个小像元组成。对于一般要求的对比度，每一像元大约取对于一般要求的对比度，每一像元大约取10个可个可辨别的亮度电平（例如对应黑色、深灰色、浅灰辨别的亮度电平（例如对应黑色、深灰色、浅灰色、白色等）。现假设对于任何像元，色、白色等）。现假设对于任何像元，10个亮度个亮度电平是等概率出现的，每秒发送电平是等概率出现的，每秒发送30帧图像；并且，帧图像；并且，为了满意地重现图像，要求信噪比为了满意地重现图像，要求信噪比S/N为为1000（即（即30dB）。在这种条件下，我们来计算传输上）。在这种条件下，我们来计算传输上述信号所需的带宽。述信号所需的带宽。 47小小 结结 (狭义信道和广义信道狭义信道和广义信道) (有线信道和无线信道有线信道和无线信道) (调制信道和编码信道调制信道和编码