国防科大通信原理第2讲20130329

1、1通通 信信 原原 理理第第2 2讲讲 信道信道21.4 信息及其度量信息及其度量n信源X中每个符号所包含信息量的统计平均值即平均信息平均信息量量为： 与热力学中的熵的形式相似，故通常又称之为信息源信息源的熵的熵，记作H(x)，单位为 bit/符号。121222221( )log( )( )log( )( )log( ) ( )log( )nnniiiIP xP xP xP xP xP xP xP xI对于离散信源，当各信源符号等概分布时，对于离散信源，当各信源符号等概分布时，信源的熵最大。信源的熵最大。31.4 信息及其度量信息及其度量n例：一个信息源由例：一个信息源由4个符号个符号0，1，

2、2，3组成，它们出现的概率分别为组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是相互独立的。试求某个消息，且每个符号的出现都是相互独立的。试求某个消息20102013021300120321010032101002310200201032100120210的信息量。的信息量。n解：解：此消息共此消息共57个符号，个符号，0出现出现23次，次，1出现出现14次，次，2出现出现13次，次，3出现出现7次。次。 其中：其中： 出现出现0的信息量为的信息量为 23log28/3 = 33bits 出现出现1的信息量为的信息量为 14log24 = 28bits 出现出现2

3、的信息量为的信息量为 13log24 = 26bits 出现出现3的信息量为的信息量为 7log28 = 21bits 故该消息的总信息量为：故该消息的总信息量为： I = 33+28+26+21 = 108 bits 该信源的平均信息量为：该信源的平均信息量为：22222133111111( )( )log( )loglogloglog884444881.906(b/symbol)niiiH xP xP x4第一章绪论第一章绪论 1.1 通信的基本概念通信的基本概念1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式1.4 信息及其度量信息及其度量1.5

4、通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标5 数字通信系统数字通信系统有效性有效性-传输速率、频带利用率传输速率、频带利用率可靠性可靠性-误码率误码率 模拟通信系统模拟通信系统有效性有效性-有效传输频带有效传输频带可靠性可靠性-接收端最终的输出信噪比接收端最终的输出信噪比1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标6 码元传输速率码元传输速率(R B) 又叫又叫符号速率或码速率符号速率或码速率，它表示单位时间它表示单位时间（每秒）内传输的码元（符号）的个数。其（每秒）内传输的码元（符号）的个数。其单位为波特，常用单位为波特，常用B表示。简称波特率。表示。简称波特率。 信息传输速率信息传输速率

5、(Rb) 又叫又叫信息速率或比特速率信息速率或比特速率，它表示单位时，它表示单位时间（每秒）内传送的信息量或比特数。其单间（每秒）内传送的信息量或比特数。其单位为比特位为比特/秒，记为秒，记为bit/s或或bps。1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标1.3.2 1.3.2 传输速率传输速率7 二进制信息传输时，码元传输速率等于信息传二进制信息传输时，码元传输速率等于信息传输速率，输速率， 。 M进制码元传输时，进制码元传输时， （M为为2的整的整幂次）。幂次）。 传输速率的高低直接对应着对传输信道带宽的传输速率的高低直接对应着对传输信道带宽的要求。高的传输速率要求较高的信道传输带宽

6、，要求。高的传输速率要求较高的信道传输带宽，低传输速率要求较窄的信道带宽。低传输速率要求较窄的信道带宽。 2logbBRRM1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标1.3.2 1.3.2 传输速率传输速率bBRR8例例3 3 某一数字信号序列的符号传输速率为某一数字信号序列的符号传输速率为500B,500B,试问它分别采用二进制和四进制传输时，其信息试问它分别采用二进制和四进制传输时，其信息传输速率各为多少？传输速率各为多少？1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标9频带利用率即单位频带的传输速率。频带利用率即单位频带的传输速率。1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标

7、1.3.2 1.3.2 频带利用率频带利用率 ）（频带宽度频带宽度符号传输速率符号传输速率Hz/B ）（频带宽度频带宽度信息传输速率信息传输速率Hz/bitbs 10 误码率误码率 在传输过程中发生误码的码元个数与传输的在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元个数之比。总码元个数之比。 误比特率误比特率1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标1.3.2 1.3.2 可靠性指标可靠性指标NnPe传输的总码元数传输的总码元数发生错误码元数发生错误码元数 传输的总比特数传输的总比特数发生错误比特数发生错误比特数 bP111 1、明确：明确：学习通信原理的目的是要在尽量节省资源学习通信原理

8、的目的是要在尽量节省资源和尽量低的设备成本条件下，在模块级、系统级层和尽量低的设备成本条件下，在模块级、系统级层次上寻求提高通信效率的方法和手段。次上寻求提高通信效率的方法和手段。2 2、领悟：领悟：领悟学习和研究通信原理（理论和技术）领悟学习和研究通信原理（理论和技术）的方法。的方法。3 3、重点：重点：了解通信系统的组成、评价通信系统性能了解通信系统的组成、评价通信系统性能的指标，掌握信息量、信息速率、码元速率的计算的指标，掌握信息量、信息速率、码元速率的计算方法。方法。第一章要求第一章要求 12第二章第二章 信道信道重点：重点：1. 1. 信道的概念信道的概念2. 2. 信道模型的表示信

9、道模型的表示3. 3. 信道的特性信道的特性4. 4. 信道对通信传输的影响信道对通信传输的影响13噪声噪声信道信道信信源源信信宿宿传传输输媒媒介介发送设备发送设备接收设备接收设备通信系统一般模型通信系统一般模型信道：信号传输的通道。信道：信号传输的通道。14为什么要研究信道？为什么要研究信道？信道影响信号传输信道影响信号传输 第二章信道第二章信道假设你处在假设你处在1919世纪末期和世纪末期和2020世纪的初世纪的初期，那时候人们对于信道的认识还不是像期，那时候人们对于信道的认识还不是像现在深入，你发现信道影响信号，尤其是现在深入，你发现信道影响信号，尤其是无线信号后，你怎么办？无线信号后，

10、你怎么办？测量它，建立数学模型去研究它，测量它，建立数学模型去研究它，. . 15信道的基本概念信道的基本概念信道信道传传 输输媒媒 介介发送发送设备设备n 通信系统一般模型通信系统一般模型接收接收设备设备信信源源信信宿宿n 如何研究信道？如何研究信道？Black boxBlack box信信 号号接接 收收噪声噪声n 从信号与系统的角度考虑从信号与系统的角度考虑系系 统统信信 号号)(tht响响 应应16信道的基本概念信道的基本概念( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )r ts th tn ts tr tinvh ts ts t信信 道道接接 收收判 决发发 送送信信 号号

11、( )h t)(ts)(tr)( ts)(ts17信道的基本概念信道的基本概念 从信号处理的角度看，信道就是一个滤波从信号处理的角度看，信道就是一个滤波器，传输的过程也就是此滤波器对信号进行滤器，传输的过程也就是此滤波器对信号进行滤波的过程。波的过程。h(t)是滤波器的冲激响应。是滤波器的冲激响应。 对于信道来说，对于信道来说，h(t)就是信道冲激响应，就是信道冲激响应，也称信道特性。也称信道特性。 从信号与系统的角度，信道就是一个系统，从信号与系统的角度，信道就是一个系统，信号的传输就是信号通过一个系统后的响应。信号的传输就是信号通过一个系统后的响应。h(t)是系统的冲激响应。是系统的冲激响

12、应。18信道的基本概念信道的基本概念显然，信道特性对于通信传输非常重要。知道信显然，信道特性对于通信传输非常重要。知道信道特性，至少从理论上，在通信接收端就可以准确恢道特性，至少从理论上，在通信接收端就可以准确恢复传输的信号。复传输的信号。 如何知道信道特性？如何知道信道特性？物理现象、物理特性，回归到认识自然的本质。显物理现象、物理特性，回归到认识自然的本质。显然不同介质作为传输信道时其特性是不一样的。然不同介质作为传输信道时其特性是不一样的。测量、信道建模。依据是什么？测量、信道建模。依据是什么？192.1 无线信道无线信道2.2 有线信道有线信道2.3 信道的数学模型信道的数学模型2.4

13、 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.5 信道中的噪声和干扰信道中的噪声和干扰第二章信道第二章信道20n 按工作波段分类按工作波段分类毫米波厘米波分米波VSW甚短波SW短波MW中波LW长波VLW甚长波EHF极高频SHF超高频UHF特高频VHF甚高频HF高频MF中频LF低频VLF甚低频3KHz 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz105m 104m 103m 102m 101m 1m 10-1m 10-2m 10-3m 频率频率波长波长2.1 无线信道无线信道 2.1.1 2.1.1 电磁波频谱电磁波频谱21n国际通用的

14、频段名称国际通用的频段名称频段名称VHFUHFLSCXKuKKaFEV频段(GHz)0.030.30.31.01.02.02.04.04.08.08.012.512.518.018.026.526.540.040.060.060.090.090.0140.2.1 无线信道无线信道 2.1.1 2.1.1 电磁波频谱电磁波频谱222.1 无线信道无线信道 2.1.2 2.1.2 电磁波的特性电磁波的特性 电波频率越高，则承载信息的能力越强。电波频率越高，则承载信息的能力越强。 电波频率越高电波频率越高，则同样的天线，则同样的天线，通信波束越通信波束越 窄，功率利用越充分窄，功率利用越充分。 电波

15、频率越高电波频率越高，则其它条件不变的情况下，则其它条件不变的情况下，天天 线发射（接收）效率越高线发射（接收）效率越高，天线口径可越小。，天线口径可越小。如：如：Ku波段卫通设备的天线比波段卫通设备的天线比C波段天线小得多。波段天线小得多。232.1 无线信道无线信道 2.1.2 2.1.2 电磁波的特性电磁波的特性 电波频率越高，其穿透能力和绕射能力越弱电波频率越高，其穿透能力和绕射能力越弱；反之，反之，电波频率越低电波频率越低，则其，则其穿透能力和绕射能力穿透能力和绕射能力越强越强。例：美国超长波对潜通信系统例：美国超长波对潜通信系统 WTFMTF台频率：频率：7272、80 Hz80

16、Hz穿透海水：穿透海水：100100米米信息速率：信息速率： 0.010.01比特比特/ /秒秒天线长度：天线长度：4545公里公里242.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式无线电通信依赖于电波在空间的传播。无线电通信依赖于电波在空间的传播。依据不同的频段及外部环境，无线电波具有依据不同的频段及外部环境，无线电波具有天波传播天波传播、地波传播地波传播、散射传播散射传播与与视距传播视距传播等不同的传播模式，由此决定了无线电通信等不同的传播模式，由此决定了无线电通信的不同应用方式。的不同应用方式。252.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波

17、主要传播模式电波主要传播模式n天波传播天波传播这是短波频段（这是短波频段（3M30MHZ）的电波利的电波利用电离层对电波反射的特性而呈现的一种远用电离层对电波反射的特性而呈现的一种远距离传播模式距离传播模式，距离可达数百至数千公里。，距离可达数百至数千公里。短波通信短波通信距离远、机动性好、顽存性强，距离远、机动性好、顽存性强，在军事上得到广泛应用。在军事上得到广泛应用。262.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n天波传播天波传播IonosphereEarthTransmitterReceiver272.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3

18、电波主要传播模式电波主要传播模式 电离层电离层 地表上空地表上空601000km，太阳辐射使大气分子电离并太阳辐射使大气分子电离并达到动态平衡。达到动态平衡。n天波传播天波传播D层：6090kmE层：100110kmF1层：180kmF2层：300400km282.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n天波传播天波传播 电离层中电波传播特点：电离层中电波传播特点：电波穿透不同密度的自由电子层时满足折射电波穿透不同密度的自由电子层时满足折射定律。定律。 频率频率f与反射的关系：与反射的关系： 频率低易反射。频率低易反射。f 30MHz基本不能反射。基本不

19、能反射。292.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n天波传播天波传播 入射角与反射角的关系：入射角与反射角的关系：角大时易反射。角大时易反射。302.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n天波传播天波传播 短波通信特点：短波通信特点： 传输距离远，所需功率较小。传输距离远，所需功率较小。E层：一跳可至层：一跳可至2000kmF层：一跳可至层：一跳可至4000km 灵活，适于军用。灵活，适于军用。 传输信息量小。传输信息量小。 灯下黑，存在通信盲区。灯下黑，存在通信盲区。 信道不稳定，多径衰落严重。信道不稳定，

20、多径衰落严重。多径传输效应多径传输效应312.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n地波传播地波传播短波以下频段的电波由于其较强的绕射性短波以下频段的电波由于其较强的绕射性能而呈现出的沿地球表面传播的一种模式。频能而呈现出的沿地球表面传播的一种模式。频段较低的段较低的地波传播距离可达数百、上千甚至上地波传播距离可达数百、上千甚至上万公里，是一种比较好的应急通信手段。万公里，是一种比较好的应急通信手段。322.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n地波传播地波传播地球地球332.1 无线信道无线信道 2.1.3

21、2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n散射传播散射传播这是微波频段电波利用空中对流层对电波的散射作用而这是微波频段电波利用空中对流层对电波的散射作用而呈现的一种传播模式呈现的一种传播模式，常作为中大容量战略通信之用。，常作为中大容量战略通信之用。可搬移式散射通信系统34352.1 无线信道无线信道 2.1.3 2.1.3 电波主要传播模式电波主要传播模式n视距传播视距传播超短波、微波频段的无线电波主要采用视超短波、微波频段的无线电波主要采用视距传播方式。收距传播方式。收、发之间无遮挡。、发之间无遮挡。视距传播模式的无线电波要想实现地面超视距传播模式的无线电波要想实现地面超视距的远距离通

22、信，必须专门设置中继平台，视距的远距离通信，必须专门设置中继平台，如卫星、飞机、气球或地面接力站等。如卫星、飞机、气球或地面接力站等。深空无线电通信采用视距传播，距离数以十亿深空无线电通信采用视距传播，距离数以十亿公里计。公里计。362.1 无线信道无线信道 2.1.4 2.1.4 主要无线通信系统主要无线通信系统n卫星通信系统卫星通信系统卫星信道是恒参卫星信道是恒参信道，传输质量好。信道，传输质量好。不足：不足：传输延时大；传输延时大；功率要求高；功率要求高；高频雨衰大。高频雨衰大。372.1 无线信道无线信道 2.1.4 2.1.4 主要无线通信系统主要无线通信系统n微波中继通信系统微波中

23、继通信系统38n天线高度与传输距天线高度与传输距离之间的关系离之间的关系ABCh1h2R12 d1 d2RRhR2211)(arctan11arctan2/2/hRhRRhRd1112212()dRhhkm 平坦地面条件下，收发天线平坦地面条件下，收发天线高度分别为高度分别为50m50m，则计算可得，则计算可得视线距离为视线距离为50km50km。2.1 无线信道无线信道 2.1.4 2.1.4 主要无线通信系统主要无线通信系统n微波中继通信系统微波中继通信系统392.1 无线信道无线信道 2.1.4 主要无线通信系统主要无线通信系统n地面视距通信系统地面视距通信系统n 需注意克服多径带来的信

24、号衰落。需注意克服多径带来的信号衰落。n短波通信系统短波通信系统n 需注意克服多径和电离层变化带来的信号需注意克服多径和电离层变化带来的信号 衰落。衰落。402.1 无线信道无线信道2.2 有线信道有线信道2.3 信道的数学模型信道的数学模型2.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.5 信道中的噪声和干扰信道中的噪声和干扰第二章信道第二章信道412.2 有线信道有线信道 2.2.1 2.2.1 有线信道种类有线信道种类422.2 有线信道有线信道 2.2.2 2.2.2 光纤信道光纤信道光信号入光信号入光信号出光信号出光纤外层光纤外层光纤内层光纤内层 光也是一种电磁波，频率比

25、微波高光也是一种电磁波，频率比微波高1010万万倍以上倍以上光通信的潜在容量极大光通信的潜在容量极大通信光纤的发展已经历五代通信光纤的发展已经历五代432.2 有线信道有线信道 2.2.2 2.2.2 光纤信道光纤信道442.2 有线信道有线信道 2.2.2 2.2.2 光纤信道光纤信道 第二代：第二代：80年代初，年代初，1.31m，单模，单模，1.7Gbps，50km。 第一代：第一代：1978年，年，0.85m，多模，多模，20100Mbps，中继，中继10km。 第三代：第三代：1985年，年，1.55m，4Gbps，100km。 第四代：第四代：90年代初，年代初，WDM + EDF

26、A为主要标志，为主要标志，2.5Gbps4500km， 10Gbps14000km。 第五代：第五代：光孤子通信，光脉冲信号保形传输，基本思想光孤子通信，光脉冲信号保形传输，基本思想1973年提出，年提出， 1988年，贝尔实验室采用受激喇曼散射补偿损耗。潜力巨大。年，贝尔实验室采用受激喇曼散射补偿损耗。潜力巨大。452.2 有线信道有线信道 2.2.2 2.2.2 光纤信道光纤信道光 波 通 信 技 术 的 进 展光 波 通 信 技 术 的 进 展46：Wavelength-Division Multiplex：Er-Doping Fiber AmplifierWDMEDFA是第四代光纤通信

27、技术的标志。石英光纤低损耗窗口的带宽2.2 有线信道有线信道 472.2 有线信道有线信道 2.2.2 2.2.2 光纤信道光纤信道目前目前最高容量已最高容量已超过每秒超过每秒10T10T比特比特（1.21.2亿话路）亿话路）采用采用 273 273波波40G 40G 密集波分复用技术（密集波分复用技术（DWDMDWDM）DWDMDWDM频谱结构频谱结构482.1 无线信道无线信道2.2 有线信道有线信道2.3 信道的数学模型信道的数学模型2.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.5 信道中的噪声和干扰信道中的噪声和干扰第二章信道第二章信道492.3 信道的数学模型信道的数学

28、模型信信源源发送设备发送设备接收设备接收设备信信宿宿噪声噪声调调 制制解解调调信信 道道信道信道低低噪噪放放大大功功率率放放大大调幅、调频、调相调幅、调频、调相信信源源信信宿宿噪声噪声调调 制制解解调调信信 道道调制调制信道信道502.3 信道的数学模型信道的数学模型 0 1 ) 1/0(P) 1/1 (P)0/0(P)0/1 (P1 0512.3 信道的数学模型信道的数学模型 0 1 ) 1/0(P) 1/1 (P)0/0(P)0/1 (P1 0522.3 信道的数学模型信道的数学模型 实质上就是要构建实质上就是要构建 的具体表达式的具体表达式( )h t532.1 无线信道无线信道2.2

29、有线信道有线信道2.3 信道的数学模型信道的数学模型2.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.5 信道中的噪声和干扰信道中的噪声和干扰第二章信道第二章信道542.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 2.4.1 2.4.1 信道的传输特性信道的传输特性 信道的传输特性可用其信道的传输特性可用其幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性来描述来描述。（适用于恒参信道）（适用于恒参信道） 要提高通信的质量，就需要改善信道要提高通信的质量，就需要改善信道的传输特性，克服传输带来的失真。的传输特性，克服传输带来的失真。552.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 2.4.1 2.4.1 信道的传输特性信道的传输特性 n 理想信道的幅、相特性f0()f fdd f 0 0fT-fTf0A( f )幅频特性幅频特性相频特性相频特性群延迟特性群延迟特性 562.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 2.4.1 2.4.1 信道的传输特性信道的传输特性 n 实际信道的幅、相特性解决办法：采用线性网络进行补偿，如时域均衡。解决办法：采用线性网络进行补偿，如时域均衡。572.4 信道