2-lx-通信概论-信道

1、通信概论通信概论东北大学网 1 无线信道无线信道 2 有线信道有线信道 3 信道数学模型信道数学模型 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 5 信道中的噪声信道中的噪声 6 信道容量信道容量信信 道道本章内容简介本章内容简介通信概论通信概论东北大学网 引言引言信道概念：信道概念： 信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。狭义信道：狭义信道： 指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线电波等。电波等。广义信道：广义信道： 不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号不仅包括传输媒

2、体，还包括特定媒体传输所必须的信号变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。信道分类：信道分类： 模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道与宽带信道等。与宽带信道等。 一个通信系统的传输信道往往不是单一的。一个通信系统的传输信道往往不是单一的。电话线、双绞线、电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传同轴电缆、光纤传输信道。输信道。无线电波、红外线等无线电波、红外线等传输信道。传输信道。 根据

3、信号波长（或频率）划分： 长波、中波、短波、超短波、微波等。 根据传播路径（或机理）划分： 视距传播、电离层反射、对流层散射等。典型的模拟信道是典型的模拟信道是调制信道调制信道。典型的数字信道是典型的数字信道是编码信道编码信道。信信 道道通信概论通信概论东北大学网 引言（引言（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）调制信道调制信道与与编码信道编码信道分别是模拟信道与数字信道的分别是模拟信道与数字信道的典型例子。典型例子。调制器解调器发送转换器接收转换器传输媒体调制信道编码信道自编码器去译码器图图1 调制信道与编码信道调制信道与编码信道信信 道道通信概论通信概论东北大学网1 无线信道无线信道无线

4、信道电磁波的频率无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制受天线尺寸限制信信 道道通信概论通信概论东北大学网一一 地球大气层的结构：地球大气层的结构：对流层：地面上 0 10 km平流层：约10 60 km电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km图2 大气层的结构信信 道道通信概论通信概论东北大学网传播路径地 面图3 地波传播地 面信号传播路径图 4 天波传播二二 电磁波的分类：电磁波的分类：1 地波地波频率频率 2 MHz有绕射能力有绕射能力距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 2 天波天波频率：频率：2 30 MHz特点：被电离层反射特点：被电离层反射

5、一次反射距离：一次反射距离： 30 MHz距离距离: 和天线高度有关和天线高度有关 式中，式中，D 收发天线间距离收发天线间距离(km)。例例 若若D = 50 km，则，则增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径中继通信中继通信卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信平流层通信ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 5 视线传播图6 无线电中继50822DrDhm2225050m85050DDhr 信信 道道通信概论通信概论东北大学网(1)无线电视距传播信道无线电视距传播信道无线电视距传播无线电视距传播无线电中继信道无线电中继信道信信 道道通信概论通

6、信概论东北大学网(2) 卫星中继信道卫星中继信道卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星信信 道道通信概论通信概论东北大学网(3) 平流层通信平流层通信信信 道道 平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代替卫星平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面作为基站的通信，平台高度距地面17km22km。可以用冲。可以用冲氮飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若氮飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若高度在高度在20km，则可以实现地面覆盖半径约，则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区。的通信区。若在平流层安置若在平流

7、层安置250个冲氮飞艇，可以实现覆盖全球个冲氮飞艇，可以实现覆盖全球90以上以上人口的地区。人口的地区。 平流层通信系统与卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时平流层通信系统与卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。间小、建设快、容量大。通信概论通信概论东北大学网电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响反射反射散射散射大气层对于传播的影响大气层对于传播的影响散射散射吸收吸收频率(GHz)(a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b) 降雨的衰减衰减(dB/km)衰减 (dB/km)水蒸气氧气降雨率图7 大气衰减信信 道道三三 电磁波在传播时受到电磁波在传播时

8、受到的影响的影响通信概论通信概论东北大学网电离层散射电离层散射机理机理 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 30 60 MHz距离距离 1000 km以上以上对流层散射对流层散射机理机理 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率 100 4000 MHz最大距离最大距离 600 km信信 道道四四 散射传播散射传播通信概论通信概论东北大学网对流层散射信道对流层散射信道地球地球发送发送接收接收共同照射区的不共同照射区的不均匀散射气团均匀散射气团图图 8 对流层散射信道传播路径对流层散射信道传播路径信信 道道通信概论通信概论东北大学网信信 道道流星余迹散射流星

9、余迹散射 流星余迹散射特点流星余迹散射特点 高度高度80 120 km，长度，长度15 40 km 存留时间：小于存留时间：小于1秒至几分钟秒至几分钟频率频率 30 100 MHz距离距离 1000 km以上以上特点特点 低速存储、高速突发、断续传输低速存储、高速突发、断续传输图 9 流星余迹散射通信流星余迹通信概论通信概论东北大学网2 有线信道有线信道信信 道道 明线明线 （如用户电话线）（如用户电话线） 对称电缆对称电缆 （如五类双绞线、中继电话线）（如五类双绞线、中继电话线） 同轴电缆同轴电缆 （如有线电视进户线、中继电话线）（如有线电视进户线、中继电话线）电缆中的电缆中的线对线对数量可

10、以数量可以不同，不同，线径线径也可不同。也可不同。表表1 三种有线电信道的性能三种有线电信道的性能 线路类型线路类型 通话路数通话路数 频率范围频率范围/kHz 增音段长度增音段长度/km 架空明线架空明线 1+3 0.327 300 架空明线架空明线 1+3+12 0.3 150 120 对称电缆对称电缆 24 12 108 35 对称电缆对称电缆 60 12 252 15 小同轴电缆小同轴电缆 300 60 1300 8 小同轴电缆小同轴电缆 960 60 4100 4 中同轴电缆中同轴电缆 1800 3009000 6 中同轴电缆中同轴电缆 2700 30012000 4.5 中同轴电缆

11、中同轴电缆 10800 30060000 1.5通信概论通信概论东北大学网信信 道道一一 明线明线 明线是指平明线是指平行架设在电线杆行架设在电线杆上的架空线路。上的架空线路。它本身是导电裸它本身是导电裸线或带电绝缘的线或带电绝缘的导线。它的传输导线。它的传输损耗低，但易受损耗低，但易受天气和环境的影天气和环境的影响，对外界噪声响，对外界噪声干扰较敏感。干扰较敏感。通信概论通信概论东北大学网二二 对称电缆：由许多对双绞线组成对称电缆：由许多对双绞线组成图 10 双绞线导体绝缘层信信 道道通信概论通信概论东北大学网信信 道道通信概论通信概论东北大学网信信 道道导体金属编织网保护层实心介质图 11

12、 同轴线三三 同轴电缆同轴电缆通信概论通信概论东北大学网四四 光纤光纤结构结构纤芯纤芯包层包层按折射率分类按折射率分类阶跃型阶跃型梯度型梯度型按模式分类按模式分类多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27101 25折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图 12 光纤结构示意图(a)(b)(c)信信 道道全反射演示.swf通信概论通信概论东北大学网 信信 道道通信概论通信概论东北大学网光纤信道光纤信道光源光源光调制器光调制器耦合器耦合器基带处理基带处理基带电信号基带电信号耦合器耦合器光检测器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号光纤线路光纤线路发发送送端端

13、接接收收端端图图 13 光纤通信系统光纤通信系统 光纤与光缆光纤与光缆 光波长光波长 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤 光纤的色散与衰耗光纤的色散与衰耗信信 道道光纤通信的优点光纤通信的优点 无中继传输距离长；无中继传输距离长； 系统频带宽、容量大；系统频带宽、容量大； 具有极强的抗电磁干扰能力。具有极强的抗电磁干扰能力。通信概论通信概论东北大学网信信 道道色散图解通信概论通信概论东北大学网 信信 道道3 信道数学模型信道数学模型 (调制信道调制信道数学模型数学模型)编码信道调制信道图 14 信道模型的分类通信概论通信概论东北大学网3 信道数学模型信道数学模型 3.1调制信道调制信道数学模

14、型数学模型时变时变线性线性系统系统ei(t)eo(t)图图 15 调制信道调制信道模型模型(二对端网络二对端网络)调制信道调制信道输出输出eo(t)与输入与输入ei(t)关系：关系： eo(t) = f ei(t) + n(t)加性噪声加性噪声时变信道特性影响时变信道特性影响 eo(t) = k(t)ei(t) + n(t)时变信道特性影响常描述为一种干扰：时变信道特性影响常描述为一种干扰：乘性干扰乘性干扰信信 道道通信概论通信概论东北大学网式中式中 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压； 噪声电压。噪声电压。f ei(t)e0(t)ei(t)n

15、(t)图图 16 调制信道数学模型调制信道数学模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn3.1调制信道调制信道数学模型数学模型信信 道道通信概论通信概论东北大学网oie (t )k(t )e (t )n(t )因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与 相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。信信 道道3.1调制信道调制信道数学模型数学模型ie (t )通信概论通信概论东北大学网3.1 信道数学模型信道数学模型 (调制信道调制信道数学模型数学模型)调制

16、信道调制信道(模拟信道模拟信道)对信号对信号(模拟信号模拟信号)传输的影响：传输的影响：衡量衡量调制信道调制信道(模拟信道模拟信道)优劣的标准：优劣的标准：模拟信道模拟信道输出信号输出信号输入信号输入信号噪声噪声n(t)无失真、无畸变无失真、无畸变有失真、有畸变有失真、有畸变有失真、有畸变有失真、有畸变失真原因：失真原因：噪声的影响噪声的影响信道信道(线性系统线性系统)特性不理想特性不理想信道特性时变信道特性时变失真度或畸变度失真度或畸变度信噪比信噪比(输出信号功率与输出噪声功率之比输出信号功率与输出噪声功率之比）或信干比）或信干比有些失真在接收端往往无法察有些失真在接收端往往无法察觉，难以去

17、除。觉，难以去除。信信 道道通信概论通信概论东北大学网3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）3.2 编码信道编码信道数学模型数学模型产生失真、畸变产生失真、畸变判决电平判决电平发送时钟发送时钟判决时钟判决时钟传输信道传输信道输出信号输出信号输入信号输入信号噪声噪声n(t)0 1 0 1 1 0抽样判决抽样判决0 1 0 1 1 0没发生误码没发生误码编码信道编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发质量优劣的标准是考察接收码元是否会发生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定

18、会误输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误码。误码的概率（码。误码的概率（误码率误码率）与接收波形的失真有关，）与接收波形的失真有关，因此与传输信道输出的因此与传输信道输出的信噪比信噪比有关。有关。信信 道道通信概论通信概论东北大学网3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）3.2 编码信道编码信道数学模型数学模型码的码的转移概率转移概率P(i/j)二进制数字编码信道二进制数字编码信道发送码元为发送码元为j，而接收码，而接收码元为元为i的概率。的概率。0101发送端发送端接收端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1

19、P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是是错误接收概率错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是是正确接收概率正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率是？系统的误码率系统的误码率 Pe=P(0)P(1/0)+ P(1)P(0/1)信信 道道通信概论通信概论东北大学网3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）3.2 编码信道编码信道数学模型数学模型M进制数字编码信道进制数字编码信道系统误码率是？系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M

20、-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)1010)/()(MiMijjeijPiPP01发发送送端端接接收收端端2M-1012M-1信信 道道通信概论通信概论东北大学网信信 道道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 恒参信道是指信道的特性参数长期不变或变化恒参信道是指信道的特性参数长期不变或变化非常缓慢非常缓慢。前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波及卫星中继信道都属于恒参信道。及卫星中继信道都属于恒参信道。 恒参信道可以用恒参信道可以用时不变线性系统时不变线性系统来描述。来

21、描述。 恒参信道对信号传输的影响主要表现为：恒参信道对信号传输的影响主要表现为：幅度幅度-频率畸变频率畸变和和相位相位-频率畸变频率畸变。可以认为在一次通信过程中是不变的。可以认为在一次通信过程中是不变的。4.1恒参信道及其对信号传输的影响恒参信道及其对信号传输的影响通信概论通信概论东北大学网4.2 随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 随参信道特性参数（衰耗与时延）随时间快速变化随参信道特性参数（衰耗与时延）随时间快速变化 随参信道多存在多径传播随参信道多存在多径传播 随参信道随参信道是一种是一种时变多径传播信道时变多径传播信道： 对信号的衰耗随时间而变化；对信号

22、的衰耗随时间而变化； 传输的时延随时间而变化；传输的时延随时间而变化； 多径传播。多径传播。 信信 道道通信概论通信概论东北大学网随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播播多径效应多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。径传播现象。 信信 道道4.2 随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通

23、信概论通信概论东北大学网随机噪声（单频噪声、脉冲噪声、起伏噪声）随机噪声（单频噪声、脉冲噪声、起伏噪声）特别是起伏噪声，是各类噪声中最难解决的。特别是起伏噪声，是各类噪声中最难解决的。人为噪声人为噪声：外台干扰、电器开关接触、：外台干扰、电器开关接触、点火辐射、荧光灯、微波炉干扰等。点火辐射、荧光灯、微波炉干扰等。自然噪声自然噪声：闪电、大气电暴、银河系噪：闪电、大气电暴、银河系噪声等。声等。内部噪声内部噪声：热噪声、散弹噪声、自激震：热噪声、散弹噪声、自激震荡、电源噪声等。荡、电源噪声等。5 信道的加性噪声信道的加性噪声噪声噪声具有一定确知性的噪声具有一定确知性的噪声随机噪声随机噪声信信 道

24、道通信概论通信概论东北大学网热噪声热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。热噪声电压有效值：热噪声电压有效值： 式中式中k = 1.38 10-23（J/K） 玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数； T 热力学温度（热力学温度（K）；）； R 阻值（阻值（ ）；）； B 带宽（带宽（Hz）。）。性质：高斯白噪声性质：高斯白噪声5 信道的加性噪声信道的加性噪声信信 道道)V(4kTRBV 通信概论通信概论东北大学网按噪声性质分类按噪声性质分类脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持脉

25、冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。就是一种典型的脉冲噪声。 窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频窄带噪声：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可以测知的。可以谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。看作是一种非所需的连续的已调正弦波。起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。声和宇宙噪声等。讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起讨论噪声对于通信系统的影响时

26、，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。伏噪声，特别是热噪声的影响。信信 道道通信概论通信概论东北大学网热噪声热噪声：01013Hz散弹噪声散弹噪声： 0108Hz宇宙噪声宇宙噪声：0 3108Hz5 信道的加性噪声信道的加性噪声起伏起伏噪声噪声信信 道道通信概论通信概论东北大学网6 信道容量概念信道容量概念信道容量信道容量定义为信道能够传输的最大平均信息速率。定义为信道能够传输的最大平均信息速率。反映了信道可靠传输信息的能力。单位反映了信道可靠传输信息的能力。单位bit/s、kbit/s、Mbit/s。无差错信道（无噪声、信道特性理想）的信道容量无差错信道（无噪声、信道特性理想）的信道容量

27、可以无限大。表明信道可以容许信息源以任意大的可以无限大。表明信道可以容许信息源以任意大的速率发送信息。速率发送信息。实际信道都是有差错信道（存在噪声、信道特性非实际信道都是有差错信道（存在噪声、信道特性非理想），其信道容量取决于单位时间信息源发出信理想），其信道容量取决于单位时间信息源发出信息量息量rH(x)与信息出错丢失的信息量与信息出错丢失的信息量rH(x/y) 的差值。的差值。信信 道道通信概论通信概论东北大学网6.1 离散信道的信道容量离散信道的信道容量信信 道道两种不同的度量单位：C 每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换式

28、中式中 r 单位时间内信道传输的符号数单位时间内信道传输的符号数)/()(max)(yxHxHCxP(比特比特/符号符号)/()(max)(yxHxHrCxPt(比特比特/秒秒)通信概论通信概论东北大学网无噪声信道无噪声信道信道模型信道模型发送符号和接收符号发送符号和接收符号有一一对应关系。有一一对应关系。 此时此时P(xi /yj) = 0； H(x/y) = 0。因为，平均信息量因为，平均信息量 / 符号符号 H(x) H(x/y)所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H(x)。而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息。而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为量为H(x)H(x/y)。这再次说明。这再次说明H(x/y)即为因噪声而损失即为因噪声而损失的平均信息量。的平均信息量。x1x2x3y3y2y1接收端发送端。yn图 17 无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn信信 道道通信概论通信概论东北大学网二进制信源的熵二进制信源的熵设发送设发送“1”的概率的概率P(1) = ，则发送则发送“0”的概率的概率P(0) 1 - 当当 从从0变到变到1时，信源的熵时，信源的熵H( )可以写成：可以写成：按照上式画出的曲线按照上式画出的曲线