通信系统概论

《数字通信》教案第1章通信统概论11第1章通信系统概论§1.1数字通信系统的组成图1-1双绞线1、框图解释信源：完成模/数转换信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性加密与解密目的：保证所传信息的安全信道编码与译码目的：增强抗干扰能力数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号2、数字通信的特点优点：抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于处理、变换、存储；便于将来自不同信源的信号综合到一起传输；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好；缺点：需要较大的传输带宽；对同步要求高。信源信源编码加密器信道编码调制器信道解调器信道译码解密器信源译码信宿噪声源《数字通信》教案第1章通信统概论22§1.2通信信道及其特征信道分类：有线信道－电线光纤信道－光纤无线信道－电磁波（含光波）水声信道－声波存储信道－磁材料有线信道明线对称电缆。由许多对双绞线组成，分非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）两种。图1-2双绞线同轴电缆图1-3同轴电缆光纤信道结构：纤芯、包层按折射率分类：阶跃型（早期的，只有纤芯、包层两种折射率）、梯度型（随后的，纤芯折射率沿半径增大方向减小）《数字通信》教案第1章通信统概论33按模式分类：多模光纤（粗）（早期的，发光二极管作为光源，含有多种频率成分，有多条路径存在色散波形失真，限制了传输带宽），单模光纤（细）（后来的，激光作为光源，单一频率成分，一条路径色散小波形失真小，传输带宽宽）图1-4光纤结构示意图损耗与波长关系：损耗最小点：1.31与1.55m图1-5光纤损耗于波长的关系光纤信道传输衰耗的原因:（1）瑞利散射：当光在传播过程中遇到不均匀或不连续点时，部分能量将向各方传向散射而不能达到终点。（2）材料吸收：材料中含有杂质离子。这些离子在光波作用下发生振动，从而会耗去部分能量（又分紫外吸收和红外吸收）。光纤信道时延失真的原因：色散（Dispersion）：光源发射的光载波总是有一定的频谱宽度，而纤维材料的折射率随f而变化，因而在光波中不同的f分量具有不同的传输速度，到达的时间也不一样，从而引起失真。无线信道无线信道电磁波的频率－受天线尺寸和元器件制造工艺限制地球大气层的结构：对流层：地面上0～10km，平流层：约10～60km，电离层：约60～400km单模《数字通信》教案第1章通信统概论44图1-6地球大气层的结构电磁波的分类：地波，频率2MHz，有绕射能力，距离：数百或数千千米天波，频率：2~30MHz，特点：被电离层反射，一次反射距离：4000km，有寂静区图1-7地波传播图1-8天波传播视线传播，频率30MHz，距离：和天线高度有关，式中，D–收发天线间距离(km)。50822DrDh《数字通信》教案第1章通信统概论55图1-9视线传播[例]若要求D=50km，则由上式m505050508222DrDh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：图1-10无线电中继大气层对于传播的影响：散射、吸收水声信道表面深度：f250存储信道①《数字通信》教案第1章通信统概论66§1.3信道数学模型与信道容量1、噪声信道中的干扰：有源干扰——噪声、无源干扰——传输特性不良（乘性干扰）信道中的噪声：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，元器件的非线性自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、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，频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。性质：高斯白噪声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。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。几个有关噪声的概念：带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声窄带高斯噪声：由于滤波器（往往是解调输出滤波器）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。窄带高斯噪声功率：dffPPnn)(式中Pn(f)－双边噪声功率谱密度。噪声等效带宽：)()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnn式中，Pn(f0)－原噪声功率谱密度曲线的最大值。噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波器的噪声功率。利用噪声等效带宽的概念，在后面讨论通信系统的性能时，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。2、调制信道模型调制信道的共性：（1）有输入端。具有一定功率的信号由此输入；（2）有输出端。由此可以接收到信号的功率；（3）即使输入端无信号输入，输出也不为零（噪声）；（4）输入信号在一定的动态范围内，绝大多数信道是线性的，即输出具有叠加性；（5）信号在信道中传输均受到衰减和延时，或受到其它影响。上述共性提示：用一个三（或多）对端的时变线性系统去替代调制信道，这个系统就称为调制信道的数学模型：《数字通信》教案第1章通信统概论77图1-11调制信道数学模型)()]([)(tntefteio式中)(tei－信道输入端信号电压，)(teo－信道输出端的信号电压，)(tn－噪声电压。通常假设：)()()]([tetktefii这时上式变为：)()()()(tntetkteio－信道数学模型图1-12调制信道数学模型若k(t)随t变，则信道称为时变信道。因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。乘性干扰特点是当没有信号时，乘性干扰也没有。若k(t)作随机变化，则称信道为随参信道；若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。3、编码信道模型二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型图1-13二进制编码信道模型P(0/0)和P(1/1)－正确转移概率；P(1/0)和P(0/1)－错误转移概率P(0/0)=1–P(1/0)，P(1/1)=1–P(0/1)四进制编码信道模型时变线性系统ei（t）eo（t）n（t）《数字通信》教案第1章通信统概论88图1-14四进制编码信道模型4、信道特性对信号传输的影响恒参信道的影响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：dd)(图1-15群时延失真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，对数字信号影响大解决办法：同上例：其中f1(t)的频率为1，f2(t)的频率为2。如幅频特性为一个常数(1/2)，则有《数字通信》教案第1章通信统概论99tftftftftf2121212121没有失真。但如幅频特性不为一个常数（例如对于1衰减为1/2，对于2衰减为1/3），则有tftftftftf212123613121显然f(t)产生了失真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、相位抖动等图1-16非线性失真5、信道容量信道容量指信道能够传输的最大平均信息速率。可以证明)/(1log2sbNSBCt式中S－信号平均功率（W），N－噪声功率（W），B－带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B。故上式可以改写成：)/(1log02sbBnSBCt由上式可见，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。当S，或n00时，Ct。但是，当B时，Ct将趋向何值？令：x=S/n0B，上式可以改写为：xtxnSBnSSBnnSC/12002001log1log利用关系式1)1ln(lim/10xxx及其aealnloglog22《数字通信》教案第1章通信统概论1010上式变为020/120044.1log)1(loglimlimnSenSxnSCxxtB上式表明，当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。Ct和带宽B的关系曲线：图1-17信道容量和带宽关系对于二进制信号，上式还可以改写成如下形式：0202021log/1log1lognEBBnTEBBnSBCbbbt式中Eb－每比特能量；Tb=1/B－每比特持续时间。上式表明，为了得到给定的信道容量Ct，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb=STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。由香农公式可得以下结论：（1）增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即)1(loglimlim02BnSBCSS（2）减小噪声功率N（或减小噪声功率谱密度n0）可以增加信道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大，即)1(loglimlim200NSBCNN（3）增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为02044.1loglimnSenScB香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为理想通信系统。但是，香农公式只证明了理想通信系统的存在性，却没有指出这种通信系统的实现方法。【例1】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为Ip=-log2(1/8)=3(b/pix)《数字通信》教案第1章通信统概论1111并且每帧图像的信息量为IF=300,0003=900,000(b/F)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s)信道的容量Ct必须不小于此Rb值。将上述数值代入式：NSBCt/1log2得到22.5106=Blog2(1+1000)9.97B最后得出所需带宽B=(22.5106)/9.972.26(MHz)【例2】带宽与信噪比互换。设互换前信道带宽B1=3kHz，希望传输的信息速率为104b/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道，则要求信道容量至少要104b/s才行。这时在3kHz带宽情况下，要使得信息传输速率达到104b/s，要求信噪比S1/N1≈9倍。如果将带宽进行互换，设互换后的信道带宽B2=10kHz。这时，信息传输速率仍为104b/s，则所需要的信噪比S2/N2=1倍。可见，在保持信息传输速率不变的情况下，信道带宽B的变化可使输出信噪功率比也变化。这种信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。例如，在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的发射功率不可能做得很大，因此可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。相反，如果信道频带比较紧张，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比，或采用多进制的方法来换取较窄的频带。示我们从那此方面来提高信道容量是可行的。6、线性带通系统的表示法对于实带通系统h(t)及其对应的H(f)，定义000)()(fffHffHcl