通信原理第四章(樊昌信第七版)素材

课件通信原理（第7版）樊昌信曹丽娜编著第4章信道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章信道定义·分类模型·特性影响·措施信道噪声信道容量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——自由空间或大气层无线信道举例：地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道概述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：§4.1无线信道6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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：7ddh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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Q&A增大视线传播距离的其他途径？远距离通信时，需建立多个中继站两点间传输距离30km~50km无线信道微波中继优点：容量大、投资少、维护方便、传输质量稳定。应用：远距离传输话音和电视信号。10优点：通信容量大，传输质量稳定,传输距离远，覆盖区域广。缺点：传输时延大，信号衰减大，造价高。无线信道卫星中继对流层散射频率：100~4000MHz距离：600km对流层散射通信地球有效散射区域无线信道散射通信电离层散射频率：30~60MHz距离：1000km以上12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明线对称电缆同轴电缆光纤§4.2有线信道1880年纽约街貌明线导体绝缘层双绞线TwistedRair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）由多对双绞线组成每对呈扭绞状，以减小各线对的相互干扰。特点传输衰减大/距离短，邻道间有串话干扰。缺点电话线路、局域网及综合布线工程中的传输介质应用有线信道对称电缆16由同轴的两个导体组成内芯：金属导线外导体：金属编织网抗电磁干扰能力强带宽更宽、速率更高成本较高；解决：用光缆代替（干线）组成优点（相比双绞线）缺点有线信道同轴电缆17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18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19易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能。传输带宽宽、通信容量大；传输衰减小，无中继传输距离远；(0.2dB/km)（几百公里）抗电磁干扰，传输质量好，防窃听，耐腐蚀；体积小，重量轻，节省有色金属，环保。缺点长途电话网、有线电视网等的主干线路中。应用优点有线信道20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章信道定义·分类模型·特性影响·措施信道噪声信道容量§4.3信道数学模型1.调制信道模型+()nt()ist输入()rt输出()C信道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：+)(tn()ist输入()rt输出()Co()st入出关系：0()()()trtstno()()[]))((iifcstststto(()())iCSS反映信道本身特性调制信道对信号的影响程度取决与的特性。C()nt加性噪声始终存在乘性干扰（共存共失）23调制信道分为：（根据信道的时变特性）恒参信道——特性基本不随时间变化随参信道——特性随时间随机快变化不同的物理信道具有不同的特性C()+)(tn()ist输入()rt输出()C+)(tn()ist输入()rt输出=常数（可取1）加性高斯白噪声信道模型24+=1P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)发送端接收端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2.编码信道模型模型：2501233210接收端发送端四进制无记忆编码信道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章信道定义·分类模型·特性影响·措施信道噪声信道容量§4.4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)(恒参信道()HKdt)(dtdd)()(群迟延特性幅频特性相频特性0K|H()|()tdtd00无失真传输（理想恒参信道）特性曲线：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:dtdt)(3.失真影响措施恒参信道群迟延失真:对模拟信号：造成波形失真信噪比下降对数字信号：产生码间串扰误码率增大()HK幅频失真：对语音信号影响不大，对视频信号影响大对数字信号：码间串扰误码率增大含义？影响影响相频失真：()O理想特性(b)()O理想特性(a)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1.随参信道举例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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超短波超视距绕射…2.随参信道特性随参信道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()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时延）—多径传播的影响)()(ttici传输时延则接收信号为设发送信号为幅度恒定频率单一35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0ffcf缓慢变化的包络tAfcf0波形发送信号接收信号频谱多径传播使信号产生瑞利型衰落；多径传播引起频率弥散。()co(s())crtVttt()cosctAst结论我们更关心的问题：多径传播对于一个复杂信号f(t)（实际情况）的影响如何呢？两径多径多径效应多径效应传输衰减均为K传输时延分别为和发射信号接收信号设两条路径的信道为f(t)fo(t)=Kf(t-)+Kf(t-)信道传输函数fo(t)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112221()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40信道相关带宽：定义：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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↓mBs△f1mf41归纳衰减随时间变化时延随时间变化多径传播随参信道特性多径效应瑞利型衰落频率弥散频率选择型衰落分集接收扩频技术OFDM等减小衰落的措施Bs＝(1/3~1/5)△f信道分类信道模型恒参/随参信道特性和对信号传输的影响信道噪声信道容量本章内容:第4章信道定义·分类模型·特性影响·措施信道噪声信道容量1.何谓噪声信道中存在的不需要的电信号。它独立于信号始终存在，又称加性干扰。它使信号失真，发生错码，限制传输速率。按噪声来源2.噪声类型§4.5信道噪声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44热噪声：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。均匀分布在0～1012Hz频率范围。性质：高斯白噪声式中k=1.3810-23（J/K）－波耳兹曼常数T－热力学温度（K）R－阻值（）B－带宽（Hz）热噪声电压有效值：)V(4kTRBV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)窄带高斯噪声0()(W/Hz)2nnPf)(2)(0nRn222exp21)(nnnvvf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)信道分类信道模型恒参/随参信道特性和对信号传输的影响信道噪声信道容量本章内容:第4章信道定义·分类模型·特性影响·措施信道噪声信道容量指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率。1.离散信道容量§4.6信道容量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（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()ma