通信原理第7版第4章PPT课件(樊昌信版)

西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜通信原理（第7版）樊昌信曹丽娜编著信道第4章西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道分类信道模型恒参/随参信道特性对信号传输的影响信道噪声信道容量本章内容:第4章信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜编码器调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器—传输媒质有线信道——明线、电缆、光纤无线信道——自由空间或大气层概述狭义信道：广义信道：调制信道——研究调制/解调问题编码信道——研究编码/译码问题信道的定义与分类西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无线信道§4.1西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜地面对流层平流层电离层10km60km0km对流层：约0~10km平流层：约10~60km电离层：约60~400km地球大气层的结构：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜地波ground-wave频率：2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播传播路径地波传播方式传播路径天波传播方式无线信道电磁波的传播方式：天波sky-wave频率：2~30MHz特性：被电离层反射距离：4000km（一跳）用于：远程、短波通信西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜ddh接收天线发射天线传播途径Drr视线传播方式频率：30MHz特性：直线传播、穿透电离层用途：卫星和外太空通信超短波及微波通信距离：与天线高度有关视线传播line-of-sight无线信道D为收发天线间距离(km)设收发天线的架设高度均为40m，则最远通信距离为：D=44.7km)(50822mDrDh例如西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无线信道微波中继西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜无线信道卫星中继地面站地面站地球西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜流星余迹无线信道流星余迹散射特性:高度80~120km，长度15~40km存留时间：小于1秒至几分钟频率:30~100MHz距离:1000km以上用途:低速存储、高速突发、断续传输西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜有线信道§4.2明线对称电缆同轴电缆光纤西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜1880年纽约街貌明线西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）由多对双绞线组成有线信道对称电缆西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜有线信道同轴电缆西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜宽带（射频）同轴电缆：75Ω，用于传输模拟信号多用于有线电视（CATV）系统传输距离可达几十千米基带同轴电缆：50Ω，多用于数字基带传输速率可达10Mb/s传输距离几千米有线信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图结构：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单模光纤有线信道光纤西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜缺点应用优点有线信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道数学模型§4.3西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模型：有一对（或多对）输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时，仍可能有输出（噪声）共性：叠加有噪声的线性时变/时不变网络：§4.3.1调制信道模型西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜入出关系：0()()()trtstno()()[]))((iifcstststto(()())iCSSC()nt西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜不同的物理信道具有不同的特性C()=常数（可取1）加性高斯白噪声信道模型西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜+=1二进制无记忆编码信道模型可用转移概率来描述。+=1P(0/0)P(1/1)正确P(1/0)P(0/1)错误e(0)(1/0)(1)(0/1)PPPPP模型：§4.3.2编码信道模型西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜01233210接收端发送端四进制无记忆编码信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜恒参/随参信道特性对信号传输的影响§4.4西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜特点：传输特性随时间缓变或不变。举例：各种有线信道、卫星信道…)()()(jeHH~)(H~)(1.传输特性幅频特性相频特性线性时不变系统恒参信道特性及其对信号传输的影响2.无失真传输()djtHeK()HKdt)(西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜恒参信道()HKdt)(dtdd)()(群迟延特性幅频特性相频特性西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:o()()dstKstt()djtHeK恒参信道()()dhtKtt固定的迟延固定的衰减——这种情况称为无失真传输理想恒参信道的冲激响应:西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜dtdt)(3.失真影响措施恒参信道群迟延失真:()HK幅频失真：相频失真：相邻码元之间发生重叠西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜相频特性典型音频电话信道:幅度衰减特性群迟延频率特性恒参信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜指传输特性随时间随机快变的信道。随参信道特性及其对信号传输的影响短波电离层反射信道西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜随参信道衰减随时间变化时延随时间变化多径传播多径传播示意图：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()cosctAst112211()()cos()()cos()()()()()()cos()coscosccncnncinciiiiirtatttatttatttttattatt3.多径效应第i条路径接收信号振幅经过n条路径传播（各路径有时变的衰落和传输时延），且经过各条路径到达接收端的信号相互独立—多经传播的影响)()(ttici传输时延则接收信号为设发送信号为幅度恒定频率单一西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜根据概率论中心极限定理：当n足够大时，x(t)和y(t)趋于正态分布。niiitatX1cos)()(niiitatY1sin)()(同相~正交形式包络~相位形式瑞利分布均匀分布cos()()cVttt11()()coscos()sinsin()cos()sinnniiciiciiccrtattattXttYtt多径效应包络相位随机缓变的窄带信号西安电子科技大学通院西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜0ffcffcf0波形发送信号接收信号频谱()co(s())crtVttt()cosctAst结论西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜我们更关心的问题：多径效应西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜多径效应传输衰减均为K传输时延分别为1和2发射信号接收信号设两条路径的信道为f(t)fo(t)=Kf(t-1)+Kf(t-2)信道传输函数fo(t)=2-1相对时延差1o()()(1)()jjFHKeeF则接收信号为11()o()=()+()jjFKFeKFe常数衰减因子1(1)jjeeK确定的传输时延因子与信号频率有关的复因子西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()12cos2jHe信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。——频率选择性衰落如何减小？信道幅频特性频选衰落的含义：信道对不同f的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化.西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道相关带宽：定义为相邻传输零点的频率间隔，工程经验公式：4.减小频率选择性衰落的措施△f△f＝1/应使信号带宽Bs＝(1/3~1/5)△f数字信号的码元宽度:Ts＝(3~5)→RB↓mmBs△f西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜归纳随参信道特性多径效应减小衰落的措施西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道噪声§4.5西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜1.何谓噪声按噪声来源2.噪声类型人为噪声自然噪声内部噪声（如热噪声）脉冲噪声窄带/单频噪声起伏噪声（热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）起伏噪声按噪声性质西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜热噪声：式中k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数T－热力学温度（ºK）R－阻值（）B－带宽（Hz）热噪声电压有效值：)V(4kTRBV西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜归纳信道加性噪声n(t):代表：起伏噪声（热噪声等）性质：高斯白噪声n(t)⤳BPF⤳窄带高斯噪声0()(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvf西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜dffPNn)(平均功率：噪声等效带宽：功率谱：噪声等效带宽Pn(f)接收滤波器特性通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率=通过实际接收滤波器的噪声功率。000()()2()()nnnnnPfdfPffPfBdPf物理意义窄带高斯噪声:Pn(f0)西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道容量§4.6西安电子科技大学通信工程学院——指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜ix/)iiPyx（/)jiPyx（iyjy式中，P(xi)‒发送符号xi的概率（i=1,2,3,⋯,n）（1）信源发送的平均信息量（熵）niiixPxPxH12)(log)()(（2）因信道噪声而损失的平均信息量mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(式中，P(yj)‒收到yj的概率（j=1,2,3,⋯,m）；P(xi/yj)‒收到yj后判断发送的是xi的转移概率§4.6.1离散信道容量西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜（3）信息传输速率R——信道每秒传输的平均信息量[H(x)–H(x/y)]‒是接收端得到的平均信息量[()-(/)](b/s)rRHxHxyr‒信道每秒传输的符号数为（符号速率）——最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求R的最大值：t()()max{}max{[()(/)]}(b/s)PxPxCRrHxHxy含义：每个符号能够传输的最大平均信息量()max[()(/)](b/)PxCHxHxy符号（4）信道容量Ct等价式：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜S－信号平均功率（W）；B－带宽（Hz）n0－噪声单边功率谱密度；N=n0B－噪声功率（W）由香农信息论可证，白噪声背景下的连续信道容量为:——香农公式等价式：§4.6.2连续信道容量西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜意义：含义：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜信道容量C依赖于B、S和n0增大S可增加C，若S，则C；减小n0可增加C，若n00，则C；增大B可增加C，但不能使C无限制增大。当B时，C将趋向一个定值：结论：200limlimlog(1)1.44BBS