通信原理-第4章资料

1、一、信道基本概念,信道分类 无线信道 电磁波（含光波） 有线信道 电线、光纤 信道中的干扰 有源干扰 噪声 无源干扰 传输特性不良 本章重点 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。,一、信道基本概念（无线信道）,无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制 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 电离层对于传播的影响 反 射 散 射 对流层对于传播的影响 散 射 吸 收,一、信道基本概念（无线信道）,电磁波的分类： 地波 频率 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 天波 频率：2 30 MHz 特点：被电离层反

2、射 一次反射距离： 4000 km 插曲：天波的发现过程,一、信道基本概念（无线信道）,视线传播： 频率 30 MHz 距离: 和天线高度有关 式中，D 收发天线间距离(km)。 例 若要求D = 50 km，则 增大视线传播距离的其他途径 中继通信： 卫星通信：静止卫星、移动卫星 平流层通信：,m,一、信道基本概念（无线信道）,卫星通信的发展趋势,空间信息处理 3S,一、信道基本概念（无线信道）,散射传播 电离层散射 机理 由电离层不均匀性 频率 30 60 MHz 距离 1000 km以上 对流层散射 机理 对流层不均匀性 （湍流） 频率 100 4000 MHz 最大距离 600 km,

3、一、信道基本概念（无线信道）,流星余迹散射 流星余迹特点: 高度 80 120 km，长度15 40 km 存留时间 小于1秒至几分钟 频率 30 100 MHz 距离 1000 km以上 低速存储、高速突发、断续传输,一、信道基本概念（有线信道）,明线,一、信道基本概念（有线信道）,对称电缆：由许多对双绞线组成 同轴电缆,一、信道基本概念（有线信道）,光纤 结构 纤芯 包层 按折射率分类 阶跃型 梯度型 按模式分类 多模光纤 单模光纤,一、信道基本概念（有线信道）,损耗与波长关系 损耗最小点：1.31与1.55 m,12,二、信道的数学模型,信道模型的分类： 调制信道 编码信道,13,二、信

4、道的数学模型,调制信道模型 式中 信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压； 噪声电压。 通常假设： 这时上式变为： 信道数学模型,14,二、信道的数学模型,因k(t)随t变，故信道称为时变信道。 因k(t)与e i (t)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。,15,二、信道的数学模型,编码信道模型 二进制编码信道简单模型 无记忆信道模型 P(0 / 0)和P(1 / 1) 正确转移概率 P(1 / 0)和P(0 / 1) 错误转移概率 P(0 / 0) = 1 P(

5、1 / 0)；P(1 / 1) = 1 P(0 / 1),16,三、恒参信道特性对信号传输的影响,恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道 恒参信道 非时变线性网络 信号通过线性系统的分析方法。 线性系统中无失真条件： 振幅频率特性：为水平直线时无失真,插入损耗频率特性,左图为典型电话信道特性,17,三、恒参信道特性对信号传输的影响,相位频率特性：要求其为通过原点的直线 即群时延为常数时无失真 群时延定义：,18,三、恒参信道特性对信号传输的影响,频率失真：振幅频率特性不良引起的 频率失真 波形畸变 码间串扰 解决办法：线性网络补偿 相位失真：相位频率特性不良引起的 对语音影响不大，对数字信号影响

6、大 解决办法：同上 非线性失真： 可能存在于恒参信道中 定义：输入电压输出电压关系是非线性的 其他失真： 频率偏移、相位抖动,四、无线传输信道对信号传输的影响,四、无线传输信道对信号传输的影响,电磁波传播方式的图示,四、无线传输信道对信号传输的影响,衰落信号的路径损失，慢衰落，快衰落,四、无线传输信道对信号传输的影响,也称自由空间的传输损耗，描述的是大尺度区间(数百或数千米)内接收信号强度随收发距离变化的特性。,无线信道衰落分类,四、无线传输信道对信号传输的影响,四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展）,多径导致波形失真 多径带来的频率选择性失真 根据傅立叶变换的性质得：,四、无线信道对信

7、号传输的影响多径（时延扩展）,两径时的频率选择性衰落 即两径传播时，信道的传输特性 为 其幅频响应为 可以看到在 处出现传播极点，在 处出现 传输零点。显然当一个传输波形的频谱约宽于 时传输波形将出现畸 变，这种畸变就是由频率选择性衰落引起的。,我们用功率时延谱 和信道冲击响应沿频率的自相关函数 来表示信道在时域和频域上的相关性与时延和频率差之间的关系，两者之 间有如下关系 我们称能够使 不为零的最大的时延 为多径时延扩展。 而能够使 不为零的最大频率间隔 称为相干带宽。 由于多普勒功率谱和自相关函数之间是傅里叶变换关系，所以存在约等 关系 通过多径时延扩展和相干带宽与码元间隔之间的关系，我们

8、可以确定 信道是平坦衰落还是频率选择性衰落。,四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展),四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展),四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展),平坦衰落和频率选择性衰落,例题：某宽带信道的多径时延 为5us,为避免码间干扰，要求码元 周期远大于多径时延Ts10 ,求不发生码间干扰的最大符号 速率？,四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展),多普勒频移 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都 会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信 号频率的移动称为多普勒频移。 远程信号源 ； 信号源发出的信号频率； 接收机接收到的信号频率； 移动台运动速度与

9、来波方向夹角 则 其中 即为多普勒频移 。 称 的最大值为最大多普勒频移，记为 ，则 。 多普勒扩展 是一种有多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选 择性衰落。,四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展),四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展),四、无线信道对信号传输的影响多径（角度扩展),四、无线信道对信号传输的影响多径,例子：蜂窝式通信中的典型扩展,四、无线信道对信号传输的影响多径,克服无线信道衰落的方法 - 分集接收 频率分集：频率间不相关 时间分集：RAKE接收 极化分集：水平极化与垂直极化 空间分集：多输入多输出无线通信系统MIMO,智能天线,噪声,来 源,性

10、 质,自然噪声: 电磁波源，如闪电，大气中电暴，银河系噪声 及其他宇宙噪声,人为噪声：外台信号，开关，工业点火辐射,随机噪声,确 知 的：谐波干扰等,随 机 的：不能预测的噪声,内部噪声：热噪声，散弹噪声,单频噪声：连续波干扰,脉冲噪声：突发的短促噪声,起伏噪声：在时域和频域存在，不可避免的噪声,起伏噪声,热 噪 声：从直流到1013HZ 例子,散弹噪声：电子发射的不均匀性造成，带宽通常100MHZ,宇宙噪声：工作频率低于300MHZ要考虑,高斯白噪声,五、信道中的噪声,五、信道中的噪声,热噪声电压有效值 式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数 T 热力学温度（K） R 阻值

11、（） B 带宽（Hz）,窄带高斯噪声 由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为 一高 斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声,六、信道容量- 离散信道容量,信道容量 指信道能够传输的最大平均信息速率。 两种度量单位 C 每个符号能够传输的平均信息量最大值(bit/符号) Ct 单位时间（秒）内能够传输的最大平均信息量(bit/s),离散信道容量的信道模型 发送符号：x1，x2，x3，xn 接收符号： y1，y2，y3，ym P(xi) = 发送符号xi 的出现概率 , i 1, P(yj) = 收到yj的概率，j 1,2,m P(yj/xi) = 转移概率，即发送xi 的条件 下收

12、到 yj 的条件概率,六、信道容量- 离散信道容量,有噪信道 收到一个符号的平均信息量只有 H(x) H(x/y) 而发送符号的信息量原为H(x),少了的部分H(x/y) 就是传输错误率引起的损失。,Yj 已知后，x 的不确定性,平均收到一个符号时发送符号 的不确定性,交 互 信 息 平均信息量 / 符号,无噪声信道 此时P(xi /yj) = 0； H(x/y) = 0。从接收一个符号获得的平均信息量为 H(x)。再次说明 H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量。,六、信道容量- 离散信道容量例题,二进制信源的熵在等概分布时达到最大 设发送“1”的概率P(1) = ， 则发送“0”的概率P

13、(0) 1 - 当 从0变到1时，信源的熵H()可以写成： 按照上式画出的曲线： 由此图可见，当 1/2时， 此信源的熵达到最大值。 这时两个符号的出现概率相等， 其不确定性最大。,二进制信源的熵,H(),六、信道容量- 离散信道容量例题,【例4.6.1】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, 均等于 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】 此信道模型画出如下：,六、信道容量- 离散信道容量例题,此信源的平均信息量（熵）等于： （比特 / 符号） 而条件信息

14、量可以写为 现在P (x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/ 128 P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 1/ 128 并且考虑到P(y1) +P(y2) = 1，所以上式可以改写为,六、信道容量- 离散信道容量例题,平均信息量 / 符号H(x) H(x / y) = 1 0.045 = 0.955 （比特 / 符号） 因传输错误每个符号损失的信息量为H(x / y) = 0.045（比特 / 符号） 信道的容量C等于： 信道容量Ct等于：,六、信道容量- 连续信道容量,连续信道的输入 X 和输出 Y 均是连续的随机过程。信道的交互信息为：,已知输入信号 与信

15、道噪声 是相互独立的，信道输出信号是输入信号与噪声的线性叠加，,六、信道容量- 连续信道容量,一个平均功率受限的信号，只有其统计特性为高斯分布时，才会有最大熵,比特/样本,所以,同理,则,设信道的带宽限制在 ,其输入信号 及对应的输出信号 都以相隔为 秒的顺序取样所完全决定。取样的最小速率为 /秒，所以一个连续信道容量为：,比特/秒,六、信道容量- 信道容量公式意义,信道带宽越大，信道允许传输的信息量越大，FM通信，扩频通信，绿色手机等 信噪比越大，信道允许传输的信息量越大 信噪比小于1时，信道容量不会等于0，它表明信道仍有传输信息的能力，如保密通信 因为高斯白噪声是最恶劣的信道干扰，所以对于其他噪声而言，上述公式仍然适用 带宽的增大，并不能使信道容量达到无限大，而有一个极限值。设噪声的单边功率谱密度为N0, 则,空间换带宽、时间、功率 Massive MIMO,作业,1、一室内无线信道的最大多径时延为 50ns,一室外微小区的最大多径时延为 30us, 求 1）两个信道