通信原理教案2.ppt

1、第 二 章信 道 与 噪 声,数字通信原理,一、信 道,本节重点： 信道的定义和分类；信道容量、香农公式。 本节难点： 无 本节课时： 2 学习本节达到的目的和要求： 1. 掌握信道的定义和分类 2. 掌握连续信道的信道容量、香农公式,信道是通信系统必不可少的组成部分，任何一个通信系统据均可视为由发送设备、信道与接收设备三大部分组成。信道特性将直接影响通信的质量。 信道通常是指以传输媒质为基础的信号通道，而信号在信道中传输遇到噪声又是不可避免的，即信道允许信号通过的同时又给信号以限制和损害。因而，对信道和噪声的研究乃是研究通信问题的基础。 在通信中，能够作为实际通信信道的种类是很多的，而信道噪

2、声更是多种多样的。本章我们只研究信道和噪声的一般特性，而不去详细讨论每一种具体信道。,信道定义与及分类,信道是指以传输媒质为基础的信号通道。 如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道。例如架空明线、电缆、光纤、波导、电磁波等等。 如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。如天线与馈线、功率放大器、滤波器、混频器、调制器与解调器等等。,1. 狭义信道-信号的物理传输媒质。 分类：有线信道 无线信道 2广义信道-信号的传输通道（传输系统） 定义: 传输媒质（狭义信道） + 有关转换器 分类：调制信道；编码信道,狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通

3、信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。 今后，为了叙述方便，常把广义信道简称为信道。,调制信道,所谓调制信道是指(如图) 从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的发转换装置、媒质和收转换装置三部分。 定义调制信道对于研究调制与解调问题时是方便的和恰当的。 传输模拟信号,是连续信道。,调制信道和编码信道,编码信道,所谓编码信道是指（如图）编码器输出端到译码器输入端的部分。即编码信道包括调制器、调制信道和解调器。传输数字信号,是离散信道. 在数字通信系统中，如果研究编码与译码问题时，则采用编码信道会使问题分析更容易。 调制信道和编码信道是通信系统中常用的两种广义信道，如果研究的对象和关

4、心的问题不同，还可以定义其它形式的广义信道。,信道的数学模型,信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它对通信系统的分析和设计是十分方便的。, 调制信道的共性： （1）有一对(或多对)输入和输出端 （2）绝大部分信道是线性的，满足叠加定理 （3）具延迟作用和损耗 （4）无输入时（0输入）也有输出噪声 模型时变线性网络,1. 调制信道数学模型,调制信道模型：,二对端的调制信道模型，其输出与输入的关系有： 式中， e(t)为输入的已调信号； o(t)为调制信道对输入信号响应输出信号；n(t)为加性噪声（干扰），n(t)相互独ei(t)。K(t)反映了信道时变线性网络特性，称为乘性干扰，它依赖于信

5、道的特性,不同的物理信道具有不同的特性。,e o (t) = k(t) e i (t) + n ( t ),信道对信号的影响可归结为两个因素：一是乘性干扰k(t)的影响； 二是加性干扰，n(t)的影响。 若k(t) 为常数,如为1,则无乘性干扰; 若为变化的量,则会引起信号的畸变。 加性干扰n(t)是不可避免的。,调制信道分类,据k（t）分: 恒参信道 -k(t) 不随时间变化(或变化缓慢) 例如架空明线、同轴电缆以及中长波、地面波传播均属于恒参信道。 随参信道 -k(t)随时间随机变化 例如短波电离层反射、超短波流星余迹散射均属于随参信道。,1、常见恒参信道,（1）有线电信道,明线(即平行绝

6、缘线) 优点：传输损耗低 缺点：噪声干扰敏感,明线,（1）有线电信道,对称电缆（图2-17）(拧成扭绞状的电缆) 优点：较稳定 缺点：损耗较大 有两种类型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。,对称电缆（双绞线）,（1）有线电信道,同轴电缆 同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。 优点：外导体接地,屏蔽干扰 CATV：大量采用,（2）光纤信道,组成：,解调电信号,（3）无线视距中继信道超短波、微波,使用微波频段 使用转发器接收和转发,（4）卫星中继通信主要用来传输多路电话、 电视和数据。,人造卫星,2、随参信道举例,随参信道是指信道传输特性随

7、时间随机快速变化的信道。 常见的随参信道有陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。,短波：波长:100-10m的无线电波 分类： 沿地表传播的“地波” 由电离层反射传播的“天波”,传播路径 电离层（F layer) 离地60-600km的大气层 电离层分四层：D、E、F1、F2,短波电离层反射信道,3、随参信道对被传信号的影响,随参信道的特点(共性),对信号的衰耗随时间变 传输时延随时间变 存在多径传播现象,由发射点出发的电波可能经多条路径 到达接收点，这种现象称为多径传播，,多径传播现象,2. 编码信道

8、数学模型,编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。,无记忆编码信道 有记忆编码信道,由于信道噪声或其它因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图所示。,无记忆编码信道,图中P(0)和P(1)分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率；由于信道噪声或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。 P(0/0)与P(1/1)是正确转移的概率， 而P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。 我们可以得到

9、： P(0/0)+P(1/0)=1 P(1/1)+ P(0/1) =1,一个多进制无记忆编码信道模型。,二、信道噪声,1、加性噪声,前面我们讨论了恒参信道和随参信道传输特性以及其对信号传输的影响。除此之外，信道的加性噪声同样会对信号传输产生影响。加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。 因此，加性噪声不可避免地会对通信造成危害。,噪声是我们生活中出现频率颇高的一个词，也是通信领域中与信号齐名的高频度术语。 但通信领域中所谓的噪声不同于我们所熟悉的以音响形式反映出来的各种噪声(如交通噪声、风声、雨声、人们的吵闹声、建筑工地的机器轰鸣声等

10、等)，它其实是一种不携带有用信息的电信号，是对有用信号以外的一切信号的统称。 概括地讲，不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能是噪声。,根据噪声的来源不同可分为：人为噪声、自然噪声、内部噪声。 人为噪声：是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。 自然噪声：是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。 内部噪声：是指通信设备本身产生的各种噪声。是普遍存在的,不可消除的。, 外台信号 人为施放的干扰源 工业电火辐射 荧光灯干扰 闪电 大气中的电暴 银河系噪声 其它宇宙噪声 热噪声 散弹噪声11 电源哼声12 接触不良

11、13 自激振荡14 各种内部谐波干扰 ,噪声来源,根据噪声的表现形式可分为：单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。 单频噪声：是一种以某一固定频率出现的连续波噪声，如50Hz的交流电噪声。 脉冲噪声：是一种随机出现的无规律噪声，如电路开关噪声、工业噪声中的电火花。,起伏噪声：主要是内部噪声，而且是一种随机噪声，对它的研究必须运用概率论和随机过程知识。 元器件本身产生的热噪声、散弹噪声都可看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加，它们是服从高斯分布的，即热噪声、散弹噪声都是高斯过程。 为研究方便，我们称这类噪声为高斯噪声。,除了用概率分布描述噪声的特性外，还可用功率谱密度加以描述。 若噪声的功率谱密度在整个频

12、率范围内都是均匀分布的，即称其为白噪声。 原因是其谱密度类似于光学中包含所有可见光光谱的白色光光谱。,理想的白噪声功率谱密度通常被定义为 双边 式中 n。的单位是wHz.,单边 热噪声是一种典型白噪声。 不是白色噪声的噪声称为带限噪声或有色噪声。 通常把统计特性服从高斯分布、功率谱密度均匀分布的噪声称为高斯白噪声。,白噪声的功率谱密度与自相关函数,高斯白噪声的功率谱密度,2、信道容量,概 念,定义：信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率称为信道容量C。 或信道中信息无差错传输时，单位时间所传输的信息量C=（信息量）I/T（单位时间）。 单位：bit/s,连续信道的信道容量,香农公式,假设信

13、道的带宽为B（HZ），信道输出的信号 功率为S（W)，输出加性带限高斯白噪声功率为N(W) 则该信道的信道容量为：,上式是信息论中具有重要意义的香农(shannon) 公式,表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。,若噪声 N 的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N = n0B。因此，香农公式的另一形式为：,香农公式表明，当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。 只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方

14、式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。,由香农公式可得到如下结论： (1)当给定B、SN时，信道的极限传输能力(信道容量)C即确定。如果信道实际的传输信息速率R小于或等于C时，此时能做到无差错传输(差错率可任意小)。如果R大于C，那么无差错传输在理论上是不可能的。 (2)当信道容量C一定时，带宽B和信噪比SN之间可以互换。换句话说，要使信道保持一定的容量，可以通过调整带宽B和信噪比SN的关系来达到。,(3)增加信道带宽B并不能无限制地增大信道容量。当信道噪声为高斯白噪声时，随着带宽B的增大，噪声功率N = no B (no为单边噪声功率谱密度)也增大，在极限情况下,由上式可见，即使信道带宽无限大， 信道容量仍然是有限的。,(4) 信道容量C是信道传输的极限速率时，由于C =I / T, I为信息量，T为传输时间。 根据香农公式： C = I / T = Blog2(1十SN) 于是有,I = BT log2(1十SN)（bit）,由此可知，在给定C和SN的情况下， 带宽与时间也可以互换。,说明，信噪比一定时，即使增加信道带宽，信道容量也是有限的，因为带宽增加