chap3信道与噪声教程课件

*,通信原理,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,通信原理,*,2024/9/13,通信原理,1,Chap3,信道与噪声,2024/9/13,通信原理,2,本章纲要,3.1,信道定义与数学模型,3.2,恒参信道及其传输特性,3.3,随参信道及其传输特性,3.4,分集接收技术,3.5,加性噪声,3.6,信道容量的概念,作业,2024/9/13,通信原理,3,信道定义与数学模型,信道：信号传输的通道,两大特点：,通信系统中重要的、不可缺少的重要环节,传输；,通信系统中噪声主要来源,噪声的集中表现之处。,分类：,狭义信道,无线信道,有线信道,广义信道,调制信道,编码信道,2024/9/13,通信原理,4,信道定义与数学模型,3.1.1,狭义信道,含义：,仅包含信号的传输媒介，即习惯上所说的信道。,狭义信道,有线信道,无线信道,电缆,光缆,短波广播,超短波、微波传输,移动通信,卫星通信,2024/9/13,通信原理,5,信道定义与数学模型,3.1.2,广义信道,包括信号的各种变换装置和传输媒介的信道。,通常有调制信道和编码信道两种。,离散信号,媒 质,收转换器,解调器,译码器,编码器,编码信道,连续信号,调制器,发转换器,调制信道,2024/9/13,通信原理,6,信道定义与数学模型,调制信道,范围：,调制器输出端 解调器输入端,共性：,有一对,(,或多对,),输入、输出端；,线性的；,对信号有延迟、损耗；,无信号输入时，仍有噪声输出。,2024/9/13,通信原理,7,信道定义与数学模型,调制信道模型：二,对端 （多对端）线性时变网络,可写成,r(t)=s,o,(t)+n(t)=fs,i,(t)+n(t),若有,fs,i,(t)= c(t)*s,i,(t),，或,S,o,()=C()S,i,(),C(,),：乘性干扰。恒参信道,C(,),=,常数,随参信道,C(,),常数,n(t),：加性干扰。,2024/9/13,通信原理,8,信道定义与数学模型,C(,),的三种典型形式,1.,加性噪声信道,2024/9/13,通信原理,9,信道定义与数学模型,带有加性噪声的线性滤波器,2024/9/13,通信原理,10,信道定义与数学模型,带有加性噪声的线性时变滤波器,2024/9/13,通信原理,11,信道定义与数学模型,编码信道,范围：编码器输出端 译码器输入端,模型：,P,e,=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),无记忆编码信道：,P(0/0)+P(1/0)=1,P(1/1)+P(0/1)=1,转移概率完全由编码信道的特性所决定 。,任意一个码元的差错与前后码元的差错不发生任何依赖关系。,BACK,2024/9/13,通信原理,12,恒参信道,3.2.1,常用的恒参信道,明线（架空明线）,组成：相互绝缘的平行架空裸线。,优点：传输损耗小（与电缆相比）。,缺点：易受气候、环境影响，易受干扰。,结论：已逐渐淘汰。,2024/9/13,通信原理,13,恒参信道,对称电缆,组成：处于同一保护套内的许多对相互绝缘的双导线，每对的两根线拧成扭绞状。,优点：与外界相互干扰较小；传输性能稳定。,缺点：损耗比明线大。,主要应用：用户电话接入线。,2024/9/13,通信原理,14,恒参信道,同轴电缆,组成：由同轴的两根导体组成，其间填充以介质。,优点：与外界间相互干扰小；带宽大。,缺点：成本较高（与对称电缆相比）。,应用：广泛。常用的有,2,种阻抗，一是,75,，如电视电缆；二是,50,，如实验室仪器常用的信号电缆。,2024/9/13,通信原理,15,恒参信道,光纤,组成：以光导纤维为传输媒介，光波作为载波的通道。,优点：传输损耗小，频带宽，重量轻，线径细，耐腐蚀，不受电磁干扰等。,缺点：作为完整的通信系统，尚有些器件的技术问题还未能解决。,主要应用：目前在长距离干线上应用较广。估计可能最终全面取代电缆。,2024/9/13,通信原理,16,恒参信道,微波中继,微波通常指频率范围为,300,MHz,300GHz,的电磁波，包括,UHF,、,SHF,、,EHF,频段。,优点：传输容量大、通信稳定可靠。,缺点：需每隔,50km,左右设一个中继站。,应用：广泛。,2024/9/13,通信原理,17,恒参信道,卫星中继,在离地面,35860km,的赤道上空放置了,3,颗同步卫星，就可实现除南、北两极地区之外的全球覆盖，从而可实现全球通信。,优点：传输距离远，覆盖地域广，传输稳定可靠，传输容量大。,缺点：技术要求高，一次性投入大。,应用：广泛。,2024/9/13,通信原理,18,恒参信道,3.2.2,恒参信道的传输特性,恒参信道,等效,线性时不变网络,采用,线性系统分析,线性系统的分析方法包括时域的冲激响应（卷积）和频域的频率特性（付氏分析）。,网络的传输特性用,幅频函数,、,相频函数,描述。,恒参信道,2024/9/13,通信原理,19,理想恒参信道的冲激响应为,h,(,t,)=,K,0,(,t,t,d,) (3.2 - 5),若输入信号为,s,(,t,),， 则理想恒参信道的输出为,r,(,t,)=,K,0,s,(,t,t,d,),（,3.2 - 6),由此可见， 理想恒参信道对信号传输的影响是：,(1),对信号在幅度上产生固定的衰减； ,(2),对信号在时间上产生固定的迟延。 ,这种情况也称信号是无失真传输。 ,图,3-13,理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延,-,频率特性,2024/9/13,通信原理,21,恒参信道,幅频特性,理想幅频特性：水平直线。,实际电话信道幅频特性,2024/9/13,通信原理,22,恒参信道,特点：仅,3001100Hz,内平坦,;,成因：信道中惰性元件（如电感、电容、滤波器等）；,影响：,模拟信号：失真；,数字信号：码元扩展 码间干扰。,克服：,自身改善：精心设计；,补偿：均衡技术。,2024/9/13,通信原理,23,恒参信道,相频特性,理想相频特性：过坐标零点的直线,理想群迟延特性：水平直线。,相位,频率特性,理想时：,群迟延,频率特性,2024/9/13,通信原理,24,恒参信道,群迟延产生信号畸变示意图,发送端信号：,三次谐波,基波,合成波,接收端信号：,三次谐波,基波,合成波,2024/9/13,通信原理,25,恒参信道,实际电话信道相频特性和群延迟特性,实际中：,群迟延不为常数。,说明不同的频率的信号经过信道传输 后，到达输出端的相对时间不一致。,2024/9/13,通信原理,26,恒参信道,特点：仅小范围平坦；,成因：同幅频特性；,影响：,模拟信号：失真（但人耳对相位失真不敏感）,数字信号：码间干扰,克服：同幅频特性。,幅频失真和相频失真都是线性失真。,造成失真的其他因素：非线性畸变、频率偏移及相位抖动等,2024/9/13,通信原理,27,例题,1,教材,P60,习题,3-3,设某一恒参信道可用图,3-1,所示的线性二端网络来等效。试求它的传输函数 ，并说明信号通过该信道时会产生哪些失真？,解：该网络的传输函数为,幅频特性,相频特性,2024/9/13,通信原理,28,例题,1,群迟延特性,输出信号,因为,|H(,)|,常数，,(,),与,呈非线性关系，即群迟延特性,(,),常数，因此会产生幅频失真和相频失真（或群迟延失真）。,2024/9/13,通信原理,29,例题,2,设某恒参信道的幅频特性为 ，其中，,t,d,为常数，试确定信号,s(t),通过该信道后输出信号表达式，并讨论之。,解：方法一：,经过傅里叶反变换可得：,2024/9/13,通信原理,30,例题,2,方法二：,BACK,2024/9/13,通信原理,31,随参信道,3.3.1,常用的随参信道,陆地移动信道,电波传播方式,自由空间传播,直射波,接收天线的功率,自由空间波损耗,反射波,折射波,散射波,图,3-17,移动信道的传播路径,图,3-18,平滑表面反射,图,3,19,电波折射示意图,P61习题3-6,2024/9/13,通信原理,35,则可得接收机天线上获得的功率为,自由空间路径损耗为,或,2024/9/13,通信原理,36,随参信道,短波电离层反射,短波是指频率范围为,330MHz,（波长,10100m,）的电磁波。,传播路径,利用离地面,60 600 km,的电离层反射信号。,电离层分为,D,、,E,、,F1,、,F2,四层，其中,D,、,F1,夜间消失，,F2,是反射层。,工作频率,演示,2024/9/13,通信原理,37,随参信道,优点：可以利用天然的、不易摧毁的中继层，传输距离远，受地形影响小。,缺点：传输可靠性差。,应用：短波,AM,广播，数据通信。,通信距离最大为,8000km,，随高度增加而减小。,F,2,二次反射,一次反射,2024/9/13,通信原理,38,随参信道,超短波,/,微波对流层散射,超短波是指频率,30300MHz,（波长为,110m,）的电磁波,机理,特点：与短波电离层反射信道类似，仅是一跳距离要近得多，常为,100500km,。,应用：点对点通信、干线通信,2024/9/13,通信原理,39,随参信道,3.3.2,随参信道的特性,随参信道传输媒质具有以下三个特点：,对信号的衰耗随时间而变；,传输的时延随时间而变；,多径传播（引起选择性衰落效应，对通信危害极大） 。,2024/9/13,通信原理,40,随参信道,多径传播（多径效应）,含义：从同一发射点发出的信号，经由多条路径传输后到达同一接收点，从而总接收信号为多路信号之合成的现象。,形式：,电波从电离层的一次反射和多次反射；,电离层反射区高度所形成的细多径；,地球磁场引起的寻常波和非寻常波；,电离层不均匀性引起的漫射现象。,2024/9/13,通信原理,41,随参信道,2024/9/13,通信原理,42,随参信道,分析,设发射信号为单频正弦波 ，则经多径传输后的总接收信号,r(t),为,第,i,条路经的接收信号振幅,第,i,条路经的传输延时,实际中，可将它看成一个窄带随机过程。,2024/9/13,通信原理,43,随参信道,通常情况下，,X(t),和,Y(t),都服从正态分布，且均值为,0,，方差相等。,瑞利分布,均匀分布,2024/9/13,通信原理,44,随参信道,结论,X(t),、,Y(t),缓变,V(t),、,(t),缓变,r(t),为窄带随机过程。,时域（波形）：确知的等幅波 包络忽强忽弱的随机调幅波，即衰落。,频域（频谱）：单根谱线 窄带，即频谱弥散（频谱展宽）。,例子,2024/9/13,通信原理,45,随参信道,对数字系统的影响：,发信号：,即：发信号在时间轴上被展宽。,这种失真类似于该信号通过滤波器后的失真,信道可看成是一个带限滤波器,接收信号：受多径传播的影响变为：,接收信号,2024/9/13,通信原理,46,随参信道,是两条路径信号的相对时延差,模型的传输特性为,2024/9/13,通信原理,47,随参信道,频率选择性衰落,两径传播,分析模型的传输特性,看成两个网络级联,幅频特性：,讨论,2024/9/13,通信原理,48,随参信道,说明：信号,频率不同时,受到的衰减不一样，且衰减量与,有关。,的值随日常时间而变化。,两径传播的幅频特性取决,讨论：,处为零点,为避免频率选择性衰落，应,2024/9/13,通信原理,49,随参信道,多径传播,设多径传播最大相对时延差为,max,于是传输信号的带宽应满足,在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择,信号带宽 。,对数字传输的影响,传输速率高 信号带宽大 易受频率选择性衰落 码间干扰。因而，需限制数字传输速率,R,B,。,2024/9/13,通信原理,50,例题,3,（,P61,习题,3-11,）,假设某随参信道具有两条路径，路径时延差为,=,1,ms,，试求该信道在哪些频率上传输损耗最大？哪些频率上传输信号最有利？,解：,根据两径传播模型，模型传输特性为,假设该随参信道两条路径对信号的衰减系数相同（均为,V,0,），则该信道的幅频特性为：,2024/9/13,通信原理,51,例题,3,当 时，对传输信号最有利，此,时出现传输极点：,当 时，对传输信号损耗最,大，此时出现传输零点：,BACK,2024/9/13,通信原理,52,分集接收技术,1.,分集接收的概念,抗快衰落技术,按广义信道的含义说，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分或一种改造形式，而改造后的随参信道，衰落特性将得到改善。,分集的含义,使各路径信号相互独立（分散接收）,适当合并系统性能（集中处理）,2024/9/13,通信原理,53,分集接收技术,2.,分集接收的方式,（,1,）空间分集,使用空间多个天线,（,2,）频率分集,使用多个频率传同一信息,（,3,）角度分集,天线指向不同,（,4,）极化分集,接收水平、垂直极化波,空间分集和频率分集用得较多。分集方法均不是互相排斥的。在实际使用时可以是组合式的。,2024/9/13,通信原理,54,分集接收技术,3.,各分散的信号进行合并的方法,最佳选择式：选择信噪比最好的一个接收,等增益相加式：各支路等增益相加,最大比值相加式：使增益和本支路信噪比成正比后相加,G,M,=N,2024/9/13,通信原理,55,例题,4,（,P62,习题,3-15,）,某空间分集系统采用,4,重分集，试分别计算选择式合并、等增益合并及最大比值合并方法的合并增益？,解：已知分集支路数,N=4,选择式合并的合并增益,等增益合并的合并增益,最大比值合并的合并增益,性能：,321,2024/9/13,通信原理,56,分集接收技术,BACK,2024/9/13,通信原理,57,加性噪声,3.5.1,概述,含义,以相加方式对信号进行干扰的噪声。,需注意：,它将影响信噪比,SNR,；,它有别于乘性干扰；,在通信系统模型中，加性噪声集中在信道中加入，实际上它是一种等效表示。,2024/9/13,通信原理,58,加性噪声,按来源分类,人为噪声：人类活动引起的噪声。如无线电噪声、工业噪声等。,自然噪声：自然界存在的各种电磁波源引起的噪声。如天体辐射、闪电、大气电暴等。,内部噪声：系统设备内部产生的各种噪声。如热噪声、散弹噪声、电源哼声等。,2024/9/13,通信原理,59,加性噪声,按性质分类,“确知”噪声：这里的“确知”是相对下面的随机噪声，严格说它亦是随机的。,随机噪声：无法预知，不能消除的噪声。如：单频干扰、脉冲干扰、起伏噪声等。,2024/9/13,通信原理,60,加性噪声,对通信系统的影响,单频噪声不是所有的通信系统中都有的而且也比较容易防止；,脉冲噪声由于具有较长的安静期，故对模拟话音信号的影响不大。但是在数字通信中，它的影响是不容忽视的。,起伏噪声既不能避免，且始终存在。因此一般来说，它是影响通信质量的主要因素之一。,2024/9/13,通信原理,61,加性噪声,3.5.2,起伏噪声,无论在时域内还是在频域内他们总是普遍存在和不可避免的。,特点是：,1.,在很宽的频率范围内，存在着大体不变的平均功率谱密度；,2.,由大量互相独立的任意分布的随机杂波叠加而成；,3.,平均直流分量为零。,2024/9/13,通信原理,62,加性噪声,来源,热噪声,产生原因：在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。,特点：服从高斯分布，且具有均匀的功率谱密度。,散弹噪声,产生原因：由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的。,特点：服从高斯分布,2024/9/13,通信原理,63,加性噪声,宇宙噪声,产生原因：天体辐射波对接收机形成的噪声,特点：它在整个空间的分布是不均匀的，最强的来自银河系的中部，其强度与季节、频率等因素有关。统计特性服从高斯分布律，在一般的工作频率范围内，它也具有平坦的功率谱密度。,性质,均为高斯白噪声。,研究调制与解调的问题时，调制信道的加性噪声可直接表述为窄带高斯噪声。,2024/9/13,通信原理,64,加性噪声,3.5.3,在通信系统中的处理,在信道中是集中加入的高斯白噪声；,经过接收端带通滤波器后变为高斯窄带噪声；,解调器输入噪声功率,N,i,的计算。,2024/9/13,通信原理,65,加性噪声,BACK,2024/9/13,通信原理,66,信道容量的概念,定义：信道得以无差错传输时的信息传输速率的最大值，用,C,表示。,香农公式,连续信道的信道容量由香农公式给出：,信道带宽（,Hz,）,信号功率（,W,）,噪声单边功率谱密度（,W/Hz,）,（窄带）（高斯）噪声功率（,W,）,2024/9/13,通信原理,67,信道容量的概念,香农公式成立的条件是信号为高斯分布，噪声为加性高斯白噪声。,由香农公式可以得出以下结论：,香农公式给出了在加性高斯白噪声背景情况下，无差错传输时的信息速率的理论极限值。,香农公式只给出了理论极限值的存在，但未涉及具体的实践途径。,2024/9/13,通信原理,68,信道容量的概念,为了增大信息容量，可采取的措施：,或增大传输功率,S,：,S,，,C,。,或减小噪声功率谱密度,n,0,：,n,0,0,，,C,。,在一定范围内增大带宽,B,，但不能无限增大。因为当,B,时，,维持同样的,C,，,B,与,S,/,N,可互换。即：利用带宽的增大（代价）来换取所需求的信噪比的减小（得益）。,证明,2024/9/13,通信原理,69,证明,香农公式还可写为,可以改写为,当,B,时，则上式变为,利用关系式,因此,2024/9/13,通信原理,70,例题,5,电视图象可以大致认为由,300000,个小象元组成。对于一般要求的对比度，每一象元大约取,10,个可辨别的亮度电平（例如对应黑色、学灰色、浅灰色、白色等）。假设对于任何象元，,10,个亮度电平是等概率地出现的，每秒发送,30,帧图象；还已知，为了满意地重现图象，要求信噪比,S/N,为,1000,（即,30dB,）。在这种条件下，我们来计算传输上述信号所需的带宽。,2024/9/13,通信原理,71,例题,6,解：,一个像元的信息量,一帧的信息量,一秒的信息量,99600030=29.9 10,6,bit,可见，所求带宽约为,3,MHz,。,2024/9/13,通信原理,72,例题,6,一个计算机用户打算买一个调制解调器，以便通过模拟电话线路发送数据。电话线路的信噪比为,25dB,，话音频率的范围为,300,3400Hz,试计算，为保证无差错传输，该电话线路所能获得的最大信息传输速率。,解,:,因为信噪比为,25dB,所以有,由香农公式可得，为保证无差错传输，该电话线路所能获得的最大信息传输速率为,2024/9/13,通信原理,73,作业,教材,P61,习题,3-2,3-4,3-13,2024/9/13,通信原理,74,课堂小测,教材,P62,习题,3-18,3-19,3-20,2024/9/13,通信原理,75,习题,计算机终端通过电话信道传输数据，电话信道带宽为,3.2kHz,，信道输出的信噪比为,S/N,30dB,，该终端输出,256,个符号，且各符号相互独立，等概出现。,（,1,）计算信道容量；,（,2,）求无误码传输的最高符号速率。,BACK,