通信原理第三章

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,*,第三章 信道,3.1 引言,信道的概念:就是信号传输的媒质,信道的分类:,有线信道、无线信道,广义信道、狭义信道,根据通信的概念，信号必须依靠传输介质传输，所以传输介质被定义为狭义信道。另一方面，信号还必须经过很多设备(发送机、接收机、调制器、解调器、放大器等)进行各种处理，这些设备显然也是信号经过的途径，因此，把传输介质(狭义信道)和信号必须经过的各种通信设备统称为广义信道,3.2 信道定义,广义信道:调制信道、编码信道,图调制信道与编码信道,信道数学模型,调制信道,模型,特性：,1、有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端,2、信道是线性的，满足叠加原理,3、信道有一定的迟延时间，有损耗,4、即使没有信号输入，输出端仍有一定的功率输出（噪声）,对二对端的信号模型，输入与输出的关系：,e,o,(t)=f,e,i,(t)+n(t),e,i,(t):,输入的已调信号,e,o,(t)：,信道总输出波形,n(t)；,加性噪声（加性干扰）,f,e,i,(t)：,已调信号通过网络所发生的变换,如果,f,e,i,(t)=k(t),e,i,(t),k(t),依赖于网络的特性，对,e,i,(t),来说是一种干扰（乘性干扰）,上式可以表示为：,e,o,(t)=f,e,i,(t)+n(t),e,o,(t)= k(t),e,i,(t) +n(t),为二对端信道的一种数学模型,总结 信道对信号的影响：,乘性干扰 加性干扰,使已调信号发生模拟性的变化,通常乘性干扰是一个复杂的函数，它可能包括,各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的,迟延、损耗特性随时间作随机变化，故,k(t),只能,用随机过程表示。经大量观察表明，有些信道的,k(t),基本不随时间变化，即信道对信号的影响是固,定的或变化极为缓慢，这类信道称为恒定参数信,道。有些信道的,k(t),是,随机快变化的，这类信道,称为随机参量信道。,编码信道模型 （数字信道）,对信号的影响是一种数字序列的变换,用数字的转移概率来描述,二进制编码信道模型 四进制编码信道模型,3.4恒参信道举例,恒参信道是由架空明线、电缆、中长波地波传播，超短波及微波视距传播，人造为心卫星中继，光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道,一、有线电信道,通常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆和光纤。,双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰,能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层,双绞线示意图,同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成(如图所示)。同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在共享通信线路上支持更多的点。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种，一种是50,的基带同轴电缆，另一种是75,的宽带同轴电缆。,同轴电缆结构示意图,光纤(,OpticalFiber,),光导纤维(简称光纤)是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高，约为108,MHz,的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。,光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成(如图所示)。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。环绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等伤害。,光纤结构示意图,根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤意指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播,如图 (,a),所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。单模光纤意指光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播,如图 (,b),所示。这种光纤的直径非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。这两种光纤的性能比较见表11。,两种光纤传输示意图,单模光纤与多模光纤的比较,光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。但是，光纤的衔接、分岔比较困难，一般只适应于点到点或环形连接。,FDDI(,光纤分布数据接口)就是一种采用光纤作为传输介质的局域网标准,架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。架空明线安装简单，传输损耗比电缆低，但通信质量差，受气候环境等影响较大并且对外界噪声干扰比较敏感，因此，在发达国家中早已被淘汰，在许多发展中国家中也已基本停止了架设，但目前在我国一些农村和,边远地区或受条件限制的地方仍有不少架空明线在工作着,二、无线电视距中继,是指工作频率在超短波和微波波段时电磁波基本上沿视线传播，,通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。,相邻中继站间距离：4050,Km,无线电中继信道的构成,三、卫星中继信道,是无线电中继的一种特殊形式,由通信卫星、地球站、上行线路及下构成行线路,3.5恒参信道特性及其对信号传输的影响,恒参信道对信号传输的影响是确定的、或者是变化极其缓慢,等效于一个非时变的线性网络,利用信号通过线性系统的分析方法，可求得已调信号通过恒参信道的变化规律,网络的传输特性：幅频特性、相频特性,一、幅度频率畸变（频率失真）,是由有线电话信道的幅度频率特性不理想引起的.信道中存在线圈、分布电容、电感等,音频电话信道的相对衰耗,为了减小幅度频率畸变，在设计总的电话信道传输特性是，一般都要求把幅度频率畸变控制在一个允许的范围内,不均匀衰耗必然使信号的幅度,随频率发生畸变，引起信号波,形的失真,二、相位频率畸变,是指信道的相位频率特性偏离线性关系引起的畸变。在信道频带的边缘畸变更为严重，主要来源于信道中的各种滤波器,信道的相位频率特性常采用群迟延频率特性来衡量,群迟延频率特性：,是相位频率特性对频率的导数,相位频率特性：,(,),群迟延频率特性:,(),()= d (,)/d,如果,(,),-,呈线性关系,() ,是一条水平直线,此时信号的不同频率成分有相同的群迟延，信号经过传输后不会发生畸变,理想的相位-频率特性及群迟延特性,实际的信道特性：,当非单一频率的信号通过这信道时，信号中的不同频率分量将有不同的群迟延,是原信号，即未经迟延的信号，由基波、三次谐波组成，其幅度比2；1,3.6随参信道举例,一、短波电离层反射信道,短波是指波长为10010,m（,频率为330,MHz）,的无线电波,可沿地表面传播-地波传播,可由电离层反射传播-天波传播,电离层是指离地面高60600,Km,的大气层，由分子、原子、离子、自由电子组成,在短波电离层反射信道中，会引起多径传播，主要原因有：,电波经电离层的一次反射和多次反射,几个反射层高度不同,电离层不均匀引起的漫射现象,地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波,对流层散射信道,是一种超视距的传播信道,对流层是离地面1012,Km,以下的大气层,在对流层中，由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性，引起电波的散射,3.7随参信道特性及其对信号传输的影响,随参信道的传输媒质的特点,1、对信号的衰耗随时间而变化,2、传输的时延随时间而变,3、多径传播,3.9信道的加性噪声,噪声是我们生活中出现频率颇高的一个词，也是通信领域中与信号齐名的高频度术语。但通信领域中所谓的噪声不同于我们所熟悉的以音响形式反映出来的各种噪声(如交通噪声、风声、雨声、人们的吵闹声、建筑工地的机器轰鸣声等等)，它其实是一种不携带有用信息的电信号，是对有用信号以外的一切信号的统称。概括地讲，不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能是噪声。,根据来源的不同，噪声可分为自然噪声、人为噪声和内部噪声。自然噪声是指存在于自然界的各种电磁波，如闪电、雷暴及其它宇宙噪声。人为噪声来源于人类的各种活动，如电焊产生的电火花、车辆或各种机械设备运行时产生的电磁波和电源的波动，尤其是为某种目的而专门设置的干扰源(如上述的电子对抗)。内部噪声指通信系统设备内部由元器件本身产生的热噪声、散弹噪声及电源噪声等。,根据噪声的表现形式可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。,(1)单频噪声是一种以某一固定频率出现的连续波噪声，如50,Hz,的交流电噪声。,(2)脉冲噪声是一种随机出现的无规律噪声，如闪电、车辆通过时产生的噪声。,(3)起伏噪声主要是内部噪声，而且,是一种随机噪声，对它的研究必须运用概率论和随机过程知识。元器件本身产生的热噪声、散弹噪声都可看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加，它们是服从高斯分布,的，即热噪声、散弹噪声都是高斯过程。为研究方便，我们称这类噪声为高斯噪声。,除了用概率分布描述噪声的特性外，还可用功率谱密度加以描述。若噪声的功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的，即称其为白噪声。原因是其谱密度类似于光学中包含所有可见光光谱的白色光光谱。不是白色噪声的噪声称为带限噪声或有色噪声。,通常把统计特性服从高斯分布、功率谱密度均匀分布的噪声称为高斯白噪声。,3.10信道容量的概念,一、离散信道的信道容量,离散信道的模型：,无噪声信道 有噪声信道,信道无噪声时，输入与输出一一对应,有噪声信道，输入与输出不存在一一对应关系,当输入一个,x,1,时。输出可能是,y,1,，,也可能是,y,2,输入与输出成为随机对应关系，不过它们之间,具有一定的统计关联,在有噪声的信道中,发送符号,x,i,而收到符号,y,j,时,所获得的信息量：,等于未发符号前对,x,i,的不确定程度减去收到,符号,y,i,后对,x,i,的不确定程度,发送,x,i,收到,y,i,时所获得的信息量,P(,x,i,),是未发符号前,x,i,出现的概率,P(,x,i,/,y,j,),是收到,y,j,而发送为,x,i,的条件概率,对,x,i,和,y,j,取统计平均，即对所有发送,x,i,收到,y,i,取平均,则 平均信息量/符号,H(x)：,表示发送的每个符号的平均信息量,H(x/y)：,当输出符号已知时输入信号的平均信息量，,或发送符号在有噪声的信道中传输平均丢,失的信息量,对信道传输信息的能力，用信息传输速率表述,是指信道在单位时间内所传送的平均信息量。,用,R,表示,是单位时间内信息源发出的平均信息量,或称信息源的信息速率,是单位时间内对发,x,而收到,y,的条件平均,信息量,设单位时间传送的符号数为,r,则,说明有噪声信道中的信息传输速率等于每秒钟,内信息源发送的信息量与由信道不确定性而引,起丢失的那部分信息量之差。,显然，无噪声时，信道传输信息量的速率等于,信息源的信息速率。即,如果噪声很大时,信道传输信息的速率为,以上分析可以看出，信道传输信息的速率与单位,时间传送的符号数目、信息源的概率分布以及信,道干扰的概率分布有关。,对某一个给定的信道，干扰的概率分布应当认为,是确定的，信息源的概率分布不同，信道传输信,息的速率也不同。,一个信道的传输能力应该以这个信道最大可能的,传输信息的速率来度量,因此、信道容量可以定义为：,信道传输信息的速率的最大值称为信道容量,C,即,max,是表示对所有可能的输入概率分布来说的,最大值,二、连续信道的信道容量,假设信道的带宽为,B（H,Z,），,信道输出的信号,功率为,S（W)，,输出加性带限高斯白噪声功率,为,N(W),则该信道的信道容量为：,上式是信息论中具有重要意义的香农(,shannon,),公式,表明了当信号与作用在信道上的起伏噪声,的平均功率给定时，在具有一定频带宽度,B,的信,道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极,限数值。,由于噪声功率,N,与信道带宽,B,有关。,所以，若噪声单边功率谱密度为,n,0,，N= n,0,B,因此、香农公式的另一种形式为：,当 或 信道容量,意味着信道无噪声，或发送功率无穷大，所以,信道容量为无穷大，显然这在任何实际系统中,都是无法实现的,但,这个关系提示出：,若要使信道容量加大，则可以通过减小,n,0,或,增大,s,在理论上是可行的，那么增大带宽，是否使信道,容量趋于无穷呢？,说明，信噪比一定时，即使增加信道带宽，信道,容量也是有限的，因为带宽增加时，噪声功率也,增加。,通常，把实现了上述极限信息速率的通信系统,称为理想通信系统。香农定理只说明了理想系,统的存在，没有给出这种通信系统的实现方法,注意，以上讨论都是在信道噪声为高斯白噪声,的前提下进行的，对于其他类型的噪声，香农,公式需要加以修正。,例、电视图像可以大致认为由300000个小像,元组成。对于一般要求的对比度，每一个像,元大约取10个可辨别的亮度电平（例如对应,黑色、白色等）。现假设对于任何像元，10,个亮度电平是独立等概地出现的，每秒发送,30帧图像，要求信噪比,S/N,为1000（30,dB)。,在这种条件下，计算传输上述信号所需的最,小带宽。,解：,每一个像元所含的信息量：,每帧,图像的信息量：,300000*3.32=996000,bit,每秒有30帧,所以每秒传送的信息量为996000*30=29.9*10,6,bit,为,传送这个信号，信道容量,C,至少必须等于这个,信息速率,