通信原理培训讲义课件

,*,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,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),通信原理培训讲义,(PPT66,页,),信道的定义,通信系统中的,信道,是,指发送设备到接收设备之间信号传输的通道,，是通信系统的重要组成部分,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,无线信道,自由空间或大气层,有线信道,明线、电缆、光纤,概 述,按照传输媒介的不同,按照系统模型中研究对象的不同：,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,按照信道中冲击响应是否随时间变化,恒参信道,特性参数变化缓慢，视为恒定值,随参信道,特性参数随时间变化,无线信道,4,.1,利用电磁波在空间的传播来实现的,对流层,平流层,电离层,10 km,60 km,0 km,对流层：约,0 10,km,平流层：约,1060,km,电离层：约,60400,km,地球大气层的结构,：,地波,ground- wave,频率,：, 2 MHz,特性：有绕射能力,距离：数百或数千千米,用于：调幅（,AM,）广播,天波,sky- wave,频率：,230 MHz,特性：被电离层反射,距离：, 30 MHz,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,d,d,h,接收,天线,发射,天线,传播途径,D,r,r,视线传播方式,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,40 m,，则最远通信距离为：,D = 44.7 km,例如,（,1,）不能被电离层反射,（,2,）沿地面绕射能力也很小,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,无线信道,微波中继,无线信道,卫星中继,地面站,地面站,地球,对流层散射通信,地球,有效散射区域,无线信道,散射通信,流星余迹,无线信道,流星余迹散射,特性,:,高度,80 120 km,，长度,15 40 km,存留时间：小于,1,秒至几分钟,频率,:,30 100 MHz,距离,:,1000 km,以上,用途,:,低速存储、高速突发、断续传输,有线信道,4,.2,利用人造的传导或光信号的媒介来传输信号；,e.g.,明线 对称电缆 同轴电缆 光纤,明线,平行架设在电线杆上的架空线路,易受天气和外界干扰的影响,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,有线信道,同轴电缆,信道频带在几百,MHz,至,1GHz,左右,主要应用：,长途通信干线，有线电视等,宽带,（射频）,同轴电缆：,75,，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,：,50,，,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,单模阶跃折射率光纤,光纤结构示意图,有线信道,光纤,光作为一种特殊的电磁波，,在人造介质（光纤）中传播，,实现大容量，高可靠性的通信,主要应用：,电信网和移动网的骨干网,缺点,应用,优点,有线信道,信道数学模型,4,.3,按照系统模型中研究对象的不同：,调制信道,研究调制,/,解调问题,编码信道,研究编码,/,译码问题,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,：,基本模型：,4,.3.1,调制信道模型,调制信道,：发送信号,：接收信号,：加性高斯白噪声,：信道的冲激响应,信号输入输出关系,：,时域表达式：,频域表达式：,傅里叶变换特性，卷积乘积,加性噪声,始终存在,调制信道对信号的影响程度取决于,H,(,w,),与,n,(t),的特性,导致的结果：,会使信号产生失真、延时和衰落,调制信道,分为：,（依据冲激响应随时间变化的情况）,恒参,信道,信道的冲激响应随时间,变化缓慢，或者不变,（等效为线性是不变滤波器）,随参,信道,信道的冲激响应随时间较快变化,（等效为线性时变率滤波器）,不同的物理信道具有不同的特性,H,(,),=,常数,（可取,1,）,加性高斯白噪声信道模型,即：描述通信信号只有加性噪声影响的实际物理信道，是一种理想信道,若恒参信道，随参信道的特性不理想，会影响信号的无失真传输,4,.3.2,编码信道模型,编码信道,是一种,数字信道或离散信道，,其输入和输出都是离散信号（数字序列）,编码信道,+,= 1,二进制,无记忆,编码信道模型,+,= 1,P(0/0),P(1/1),正确,P(1/0),P(0/1),错误,模型,：,用,条件转移概率,来描述,误码率：,衡量该信道优劣的重要参数指标：,0,1,2,3,3,2,1,0,接收端,发送端,四进制,无记忆,编码信道,模型,：,注意：,从上述编码信道模型可以看出，,数字序列的传输有时是不可靠的。,因此，,如何在不可靠的信道中实现高效的可靠通信是通信理论研究的一个主要内容。,恒参,/,随参,信道特性对信号传输的影响,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,线性时不变系统,恒参,信道,特性,及其对信号传输的,影响,在,不考虑噪声的前提下,，理想恒参信道是一种特殊类型的信道，可以实现信号的无失真传输,（,1,）只有幅度大小和出现先后的不同,（,2,）波形没有畸变,发送设备,恒参信道,接收设备,发送端,接收端,s(t),0,t,发送信号,恒参信道作用,r,(t),0,t,接收信号,发送信号,接收信号的关系为：,表达式,：,理想恒参信道的传递函数,1.,传输特性,幅频特性,相频特性,假设 由,得,恒参,信道,特性,2.,无失真传输（,恒参信道,）,幅频特性,相频特性,恒参信道,群迟延,频率特性,幅频特性,相频特性,恒参信道对发送信号的不同频率分量的衰减是一样的,表明,恒参信道相频特性在信号的频带范围内是频率的线性函数,群时延特性在信号的频带范围内是常数；,即恒参信道对发送信号不同频率分量的时延是一样的,若输入信号为,s,(,t,),，则理想恒参信道的输出,:,恒参信道,固定,的迟延,固定,的衰减,这种情况称为,无失真传输,理想恒参信道频时域表达式,:,频域表达式：,时域表达式：,IFT,即：此时信道的冲激响应也是冲激函数，只是强度变化了,K,倍，延迟了时间,t,d,3.,失真 影响 措施,恒参信道,幅频失真：,即幅频特性在信号的频带范围内不是常数,相邻码元之间发生重叠,幅频无失真信道,幅频失真信道,即：接收信号发生畸变,3.,失真 影响 措施,恒参信道,群迟延失真,:,相频失真：,相频无失真信道,相频失真信道,接收信号同样发生畸变,无论,幅频失真、相频失真,均属于线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。,此外还存在,非线性失真，频率偏移、相位抖动,等失真因素，会引起信号的非线性码间干扰，使得模拟和数字通信系统的解调性能下降，对高速数据通信系统的性能影响比较大。,恒参信道,恒参,信道,特性,及其对信号传输的,影响,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,随参信道,衰减随时间变化,时延随时间变化,多径传播,无线通信信道是随参信道的典型实例：,无线信道的衰落分为,大尺度衰落,和,小尺度衰落,衰落特性可以描述为：,大尺度衰落，随时间和位移,缓慢,变化,小尺度衰落，随时间和位移,快速,变化,信道的衰落因子,3.,多径效应,多经传播的影响,发送信号经过反射、散射、绕射传播到接收机，这些经不同途径的信号在接收机处叠加，导致接收信号发生剧烈变化,多径效应,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,传输时延,则,接收信号,为,设,发送,信号为,幅度恒定,频率单一,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。,同相,正交形式,包络,相位形式,瑞利,分布,均匀分布,多径效应,包络相位,随机缓变,的,窄带信号,波形,发送信号,接收信号,频谱,结论,我们更关心的问题：,多径效应,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,),f,o,(,t,),=,K f,(,t,-,1,) +,K f,(,t,-,2,),信道传输函数,f,o,(,t,),=,2,-,1,相对时延差,则接收信号为,常数衰减因子,确定的传输时延因子,与信号频率,有关的复因子,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,即：信道对不同,f,的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化,.,曲线最大和最小值的位置取决于相对时延,t,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：,即平坦衰落，此时信号所,经历的衰减基本相同,4.,减小频率选择性衰落的措施,f,f,1/,应使信号带宽,B,s,(1/3 1/5),f,数字信号的码元宽度,:,从而降低多径效应对传码率的影响,T,s,(3 5),R,B,m,m,B,s,f,归纳,随参信道特性,多径效应,减小衰落的措施,信道噪声,4,.5,（,1,）任何实际的物理信道中都存在噪声和干扰,（,2,）对通信系统的传输信号造成限制和损伤,（,3,）导致通信系统性能下降，,e.g. SNR,下降，误码率上升等,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）,按,噪,声,性,质,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,2.,噪声类型,按噪声,来源,人为噪声：,由人类的活动产生的，,e.g.,汽车点火系统产生的电火花，微波炉产生的电场波等,自然噪声：,自然界中存在的各种电磁波辐射，,e.g.,大气噪声、宇宙噪声等,内部噪声：,主要由系统内部电,子器件和导体中的自由电子的布,朗运动产生，又称热噪声,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,2.,噪声类型,按噪声性质,脉冲噪声：,是突发性地产生，幅度较大，频谱较宽，,e.g.,电火花,不是普遍持续存在的，对话音通信影响较小，,但对数字通信影响可能较大。,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者可以测知的，可以看作是一种非所需的连续已调正弦波（只存在特点频率、时间、地点，影响有限）,起伏噪声：,遍布在时域和频域内的随机噪声，包括热噪声、散弹噪声、宇宙噪声等,.,（始终存在）,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,热噪声：,式中,k = 1.38,10,-23,（,J/K,） 波兹曼常数,T, 热力学温度（,K,）,R, 阻值（,）,B, 带宽（,Hz,）,热噪声电压有效值：,讨论噪声对通信系统的影响时，主要考虑起伏噪声，特别是热噪声,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,归纳,信道加性噪声,n(t) :,独立于信号始终存在，会使模拟信号失真，数字信号发生错码，限制信息的传输速率,代表：,起伏噪声（,热噪声,等）,性质：,高斯白噪声,信号解调时，热噪声经过接收机带通滤波器的滤波，变成带限白噪声，即窄带噪声,n(t),BPF,窄带高斯噪声,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,平均功率：,噪声等效带宽：,噪声等效带宽,P,n,(,f,),接收,滤波器,特性,通过,宽度为,B,n,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。,物理,意义,窄带高斯噪声,:,P,n,(,f,0,),双边噪声功率谱：,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,信道容量,4,.6,指信道能够,无差错,传输时的,最大,平均信息速率,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,式中，,P,(,x,i,),：发送符号,x,i,的概率（,i=1,2,3,n,）,（,1,）,信源发送的平均信息量（熵）,（,2,）,因信道噪声而损失的平均信息量,式中，,P,(,y,j,),：收到,y,j,的概率（,j=1,2,3,m,）；,P,(,x,i,/y,j,),：收到,y,j,后判断发送的是,x,i,的,转移概率,4,.6.1,离散信道容量,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,（,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,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：,含义：每个符号能够传输的最大平均信息量,（,4,）,信道容量,C,t,等价式：,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,当输入符号等概率分布，即,而条件熵表示为：,解：,二进制对称信道的信道容量计算,其中，错误转移概率为,p,，则正确转移概率为,1-p,，,x,1,=0,，,x,2,=1,，,y,1,=0,，,y,2,=1,则此信源的平均信息量（熵）为,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,条件熵表示为：,解：,二进制对称信道的信道容量计算,由贝叶斯公式（后验概率用先验概率表示）,当输入符号等概率分布，即,单位时间内的信道容量,c,t,为：,每个符号的信道容量,c,为：,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,例题,设信源由两种符号“,0,”和“,1,”组成，符号传输速率为,1000,符号,/,秒，且这两种符号的出现,概率相等,，均为,1/2.,信道为对称信道，其传输的符号错误概率为,1/128.,试画出此信道模型，并求此信道的容量,C,和,C,t,解：条件（,1,）二进制；（,2,）等概率对称信道,信道模型如下：,由,信道的容量,C,为,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,其中，,S, 信号平均功率（,W,）；,B, 信道带宽（,Hz,）,信道容量是指单位时间（秒）内信道上所能传输的最大信息量,。,对于带宽有限、平均功率有限的高斯白噪声连续信道，信道容量为,香农公式,等价式：,4,.6.2,连续信道容量,对于窄带宽高斯白噪声而言，,噪声功率（,W,），,n,0,噪声单边功率谱密度,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,意义,：,含义,：,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,信道容量,C,依赖于,B,、,S,和,n,0,增大,S,可增加,C,，若,S,，则,C,；,减小,n,0,可增加,C,，若,n,0,0,，,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,：,信道容量和带宽关系,S,/,n,0,S,/,n,0,B,C,1.44(,S,/,n,0,),通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,C,一定时，,信道带宽,B,、信噪比,S/N,、传输时间,t,三者之间可以互相转换。,增加,B,，可以换取,S/N,的降低；反之亦然。,若,S/N,不变，增加,B,，可以换取,t,的减少。,应用,：,【,例如,】,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,香农公式进一步改写：,每比特能量,每比特持续时间,信号的平均功率,表明,（,1,）,为了得到给定的信道容量，可以增大带宽,B,以换取,E,b,的减小；（,2,）在接收功率受限的情况下，有,E,b,=ST,b,，知，可以增大,T,b,以减少,S,来保持,E,b,和信道容量,C,的不变,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,30dB,每个像素的信息量,一幅图片的信息量,解：,例,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,在二进制系统中，由于只有,0,、,1,两种符号，由概率论知识可得下列关系：,传输,0,码的正确转移概率：,传输,1,码的正确转移概率：,当无记忆二进制编码信道的差错发生统计独立，且具有对称的条件概率时,错误转移概率：,正确转移概率：,该信道称为二进制对称信道（,Binary Symmetric Channel,，,BSC,）,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,通信原理培训讲义,(PPT66,页,),培训课件培训讲义培训,ppt,教程管理课件教程,ppt,