通信原理第4章素材

1、1,第四章 信 道,2,本章主要内容：,无线信道和有线信道 信道的数学模型 信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声 信道容量,第4章 信 道,3,第4章 信 道,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 信道本身的传输特性不良 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。,4,4.1 无线信道,无线信道信号传播示意图,电磁波,5,5,4.1 无线信道,无线信道电磁波的频率，受天线尺寸限制。,电磁波频率、波长、速率之间的关系,天线尺寸与电磁波波长之间的关系,因而，用于通信的电磁波频率通常都比较高。,6,6,4.1

2、 无线信道,地 波（ground wave） 天 波（sky wave） 视 线（line of sight）,根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为：,7,7,4.1 无线信道,地波传播,频率较低的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。,频率 2 MHz 有绕射能力 距离：数百千米或数千千米,8,8,天波传播,4.1 无线信道,频率较高的电磁波利用电离层反射的传播方式。,频率：2 M 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离： 4000 km 寂静区：电磁波无法到达的区域,9,9,视线传播/视距传播,4.1 无线信道,频率再高的电磁波将穿透电离层，无法反射回地

3、面，只能实现类似光波的视线传播。,频率： 30 MHz 距离：与天线高度有关,m,增加传播距离方法： 无线电中继 卫星通信 平流层通信,10,10,4.2 有线信道,传输电信号的有线信道,明 线 对称电缆 同轴电缆,逐渐被取代,11,11,对称电缆：由许多对双绞线组成 同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成,有线电话网,有线电视网,4.2 有线信道,12,12,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,传输光信号的有线信道光纤,4.2 有线信道,13,13,损耗与波长关系 损耗最小点：1.31 m与1.55 m,光纤通信主要工作波段,4.2 有线信道,1

4、4,4.3 信道的数学模型,信道模型的分类,调制信道 编码信道,15,4.3 信道的数学模型,4.3.1 调制信道模型,输出信号：,通常假设：,则有：,调制信道一般数学模型,16,4.3 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。,调制信道一般数学模型：,17,4.3 信道的数学模型,4.3.2 编码信道模型,P(0 / 0)和P(1 / 1) 正确转移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) 错

5、误转移概率,P(0 / 0) = 1 P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 P(0 / 1),二进制编码信道模型,18,4.4 信道特性对信号传输的影响,恒参信道的影响,信道可等效成线性时不变网络,传输特性与无失真条件,无失真传输条件：,幅频特性,相频特性,群时延特性,19,群时延特性：,含义：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的时延。,4.4 信道特性对信号传输的影响,20,两种失真及其影响,4.4 信道特性对信号传输的影响,实际的信道特性不理想，将使信号产生失真。,幅频失真,相频失真,21,4.4 信道特性对信号传输的影响,随参信道的影响,传输特性“时变性”,信号的传输衰耗随时

6、间变化 信号的传输时延随时间变化 多径传播,22,4.4 信道特性对信号传输的影响,多径传播及其影响,多径传播，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接收端，由于每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。,多径传播含义,23,多径传播影响,4.4 信道特性对信号传输的影响,说明：接收信号可看作包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。,结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。,衰 落,瑞利分布,均匀分布,24,4.4 信道特性对信号传输的影响,多径传播影响,从波形上看，等幅波变成了包络起伏的调幅波（衰落信号）瑞

7、利型衰落。,从频谱上看，单根线谱变成了窄带频谱频率弥散。,宽带信号中某些频率成分或其倍频随机性严重衰落频率选择性衰落。,传输函数模与角频率关系图,25,4.5 信道中的噪声,噪 声,信道中存在的不需要的电信号。 又称加性干扰。,按噪声来源分类,人为噪声 例：开关火花、电台辐射 自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声,26,4.5 信道中的噪声,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。 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。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。

8、 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。,讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。,27,4.5 信道中的噪声,热噪声,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 0 1012 Hz。 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（）； B 带宽（Hz）。,性 质：高斯白噪声,28,4.5 信道中的噪声,通信系统中的热噪声窄带高斯噪声,经过接收机带通线性滤波器过滤的热噪声 窄带高斯噪声功率：,噪声等效带宽,可认为窄带高斯噪声在等效带宽内功率谱恒定。,

9、29,定 义,4.6 信道容量,信道能够传输的最大平均信息速率。,分 类,离散信道容量 连续信道容量,30,4.6.1 离散信道容量,4.6 信道容量,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,两种不同的度量单位,31,4.6 信道容量,计算离散信道容量的信道模型,n个发送符号：x1，x2，xn,m个接收符号: y1，y2，ym,P(xi)符号xi出现的概率,P(yj)收到yj的概率,P(yj /xi)转移概率，即发送xi的条件下收到yj的概率,32,4.6 信道容量,熵与损失熵,发送信号的平均信息量：,信源的熵,损失熵，表示接

10、收端在收到一个符号后，对发送符号存在的不确定性。,传输过程中因噪声而损失的平均信息量：,33,4.6 信道容量,信道容量,给定信道后，理论上能够传送的最大信息量：,Bit/符号,Bit/s,r每秒传送符号数,特殊信道,一对一的无噪信道； 一对多的无噪信道； 噪声极大的信道；,34,34,复 习：,随参信道和恒参信道 恒参信道无失真传输条件 恒参信道的两种失真及影响 多径传播含义及影响 通信系统中的热噪声特性 信道容量含义,第4章 信 道,35,4.6 信道容量,4.6.2 连续信道容量,按单位时间计算的信道容量：,B带宽； S信号平均功率(W)； N噪声功率(W)；,令N=n0B，可得到：,n0噪声单边功率谱密度(W/Hz)；,香农公式,36,4.6 信道容量,香农公式含义,信道容量C受三要素的限制B、S、n0; 提高信噪比S/N，可增大信道容量； 若n00，则C ，说明无扰信道容量无穷大； C随着B的适当增大而增大，但不能无限增大；,37,4.6 信道容量,【例4-2】已知黑白电视图像信号每帧有30万