通信原理CH4(V20100329)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,通 信 原 理,Dalian University of Technology,电,2007,级、电,2006,级英强适用,第,4,章,CH4,信道,Channels,1,CH4,信道（,Channel),通信系统模型框图,图,1-1,通信系统模型框图,2,CH4,信道（,Channels),信道的分类,信道对通信的影响,（,1,）带宽的大小影响通信的有效性。,（,2,）加性噪声和传输特性影响通信的可靠性。,信道,传输消息（信号）的路径,有线信道：,明线、双绞线（,UTP,）、对称电缆、同轴电缆、光导纤维等,无线信道,：,地波传播、短波电离层反射、微波视距中继、人造卫星转发、平流层高空平台站、空间散射信道。,UTP,：,Unsheilded,Twisted Pair,非屏蔽双绞线,离散信道,discrete Channel,信道的输入、输出均为离散的时间函数。,连续信道,continuous Channel,信道的输入、输出均为连续的时间函数。,3,4.1,无线信道,Wireless channels,无线信道的传输,电磁波在空间的传输方式,无线传输的方式,方式一,地波,中频,2MHz,以下,衍射,方式二,天波,2MHz,30MHz,电离层反射,4,4.1,无线信道,Wireless channels,无线传输的方式,方式三 视线传播,微波接力中继,卫星通信,平流层通信,HAP,5,4.,无线信道,Wireless channels,无线传输的方式,方式四,散射传播,电离层散射,对流层散射,流星余迹散射,民用通信系统常用：,卫星通信、地面移动通信,6,4.2,有线信道,有线信道,有线电信道,有线光信道,光导纤维,明线,裸线、电线载波、铁路铁轨、有线广播,对称电缆,扁平电缆 双绞线（,UTP,）,同轴电缆,7,4.2,有线信道,裸线、电线载波、铁路铁轨、有线广播,1.,明线,优点：传输损耗低、造价低。,缺点：易受天气、气候的影响；易被干扰或干扰其他系统，,带宽低、约几百,KHz,LAN,用的四类线、五类线,(,多对绞合的双绞线,),。,电视天线用的,300,欧姆阻抗的扁平电缆。,优点：传输特性稳定，绞合线抗干扰。,缺点：分布电容大，传输损耗大于明线（短距离应用）。,2.,对称电缆,8,4.2,有线信道,CATV 75,传输电缆,50,传输电缆,优点：带宽大、抗干扰（外导体相当于屏蔽线）,缺点：造价较、损耗较大、传输距离短。,3.,同轴电缆,介质波导,结构：纤芯、包层,分类：多模阶跃折射率、多模渐变折射率、单模,指标：损耗、色散,特点：,工作波长：,应用：,4.,光导纤维,9,4.3,信道的数学模型,调制信道与编码信道,调制信道：,指调制器输出端到解调器输入端的部分，又称模拟信道。研究调制和解调时，常用调制信道。,编码信道：,指编码器输出端到译码器输入端的部分，有时又称数字信道,/,离散信道。,10,4.3.1,调制信道模型,P72,基本的调制信道模型：一对输入、一对输出端,k,(,t,),n,(,t,),e,i,(,t,),e,o,(,t,),图,4-13,调制信道数学模型,表达式：,式中，,e,i,(,t,),信道输入；,e,o,(,t,),信道输出；,n,(,t,),加性噪声；,f,表示信道输出与输入之间的线性关系,可表示为：,f,e,i,(,t,)=,k,(,t,),e,i,(,t,),(4.3-1),11,4.3.1,调制信道模型,P72,(4.3-1),式改写为：,k,(,t,),n,(,t,),e,i,(,t,),e,o,(,t,),图,4-13,调制信道数学模型,e,o,(,t,),=,k,(,t,),e,i,(,t,)+,n,(,t,),(4.3-2),其中,k,(,t,),的是时变的，对通信质量产生严重影响，也称为乘性干扰。,恒参信道,k,(,t,),的不时变信道，称为恒定参量信道。,随参信道,k,(,t,),的时变信道，称为随机参量信道。,4.1,、,4.2,节中，哪些是恒参信道？哪些是随参信道？,【,P73,】【,P74,】,12,4.3.2,编码信道模型,P72,转移概率（传递概率）,(transfer Probability),P,(0/0),、,P,(1/0),、,P,(0/1),、,P,(1/1),其中,P,(0/0),P,(1/1),为正确转移概率；,P,(1/0),P,(0/1),为错误转移概率,离散无记忆信道,DMC,二进制,DMC,四进制,DMC,图,4-14,二进制编码信道模型,0,1,0,1,P,(0/1),P,(0/0),P,(1/1),P,(1/0),编码信道对信号传输的影响是将一种数字序列变成另一种数字序列。,P,(0/0)=1,P,(1/0),（,4.3-3,）,P,(1/1)=1,P,(0/1),（,4.3-4,）,图,4-15,四进制编码信道模型,0,1,0,1,0,1,0,1,经典参考文献,Thomas M Cover,Joy A Thomas.Elements of Information Theory.Wiley series in,Telcommunications,John Wiley&Sons,Inc.,1991,13,4.4,信道特性对信号传输的影响,P73,1.,恒参信道对信号传输的影响,图,4-16,电话信道特性,幅频、相频,(1),幅频特性,产生：频率失真,后果：码间串扰,ISI,解决：补偿网络,(2),相频特性,产生：相位失真,后果：移相、群时延不是常数,解决：相移补偿网络,群时延,Group delay,(,)/d,单位,s,14,4.4,信道特性对信号传输的影响,P73,(3),非线性失真,输入,/,输出幅度非线性,图,4-17,非线性失真,(4),谐波失真,产生：新的谐波分量,(5),频率偏移,产生：频率平移,(6),相位抖动,15,4.4,信道特性对信号传输的影响,P73,2.,随参信道对信号传输的影响,(1),随参信道的共同特性：,对信号的衰减的时变,传输时延的时变,多径传播,(Multipath propagation),(2),随参信道的分析：,设发射波为单一正弦波：,A,cos(,0,t,),经过,n,条路径,，则接收机输入：,(4.4-1),式中，,i,(,t,),第,i,条路径的接收信号的振幅，,i,(,t,),第,i,条路径的传输时延，,i,(,t,)=,0,i,(,t,),第,i,条路径的接收信号的相位。,16,4.4,信道特性对信号传输的影响,P73,(2),随参信道的分析：,(4.4-2),u,i,(,t,),i,(,t,),随时间的变化，与信号载波,0,相比是缓慢的,式,(4.4-1),可写成：,设,(4.4-3),(4.4-4),式中，,可以得到两个结论,：,多径传播使时域波形由原来的单频正弦波变成了窄带随机过程。,在频域，多径传播引起了频率的弥散，由单一频率变成了一个窄带频谱。,将上式代入,(4.4-2),R,(,t,)=,X,c,(,t,)cos(,0,t,),X,s,(,t,)sin,0,t,=,V,(,t,)cos,0,t,+,(,t,),(4.4-5),17,4.4,信道特性对信号传输的影响,衰落,fading,P75,信号包络因传播有起伏变化。,快衰落,包络起伏变化与码元宽度可比,主要由多径传播引起,慢衰落,包络起伏变化缓慢,主要由阴影障碍物阻挡引起,频率选择性,包络起伏变化与频率有关,18,4.4,信道特性对信号传输的影响,频率选择性衰落分析,P75,设两条路径，衰减相等，延时不同，如下图：,令信道输入为,f,(,t,),F,(,),(4.4-8),Af,(,t,0,),A,F,(,)exp(,j,0,),Af,(,t,0,),A,F,(,)exp,j,(,0,+,),Af,(,t,0,)+,Af,(,t,0,),A,F,(,)exp(,j,0,)1+,exp(,j,),(4.4-9),(4.4-10),(4.4-11),可得信道频率传递函数,H,(,),(4.4-12),19,4.4,信道特性对信号传输的影响,频率选择性衰落分析,P75,重写式,(4.4-12),(4.4-12),(4.4-12),上式最后一项取模值：,定义相关带宽：,B,co,=1/,由上式绘图：,图,4-19,频率选择性衰落信道幅频特性,20,4.5,信道中的噪声,P77,1.,噪声来源,人为噪声：人类的活动产生。,自然噪声：自然接存在的电磁波：闪电、大气、银河系、太阳噪声等。,内部噪声：系统设备自身产生的：电阻的热噪声、半导体的霰弹噪声。,2.,噪声分类,第一类：确知噪声,交流市电工频、自激振荡、交扰调制、谐波干扰等,第二类：随机噪声：无法准确预测。,窄带噪声,：连续干扰、频带窄、可人为是单频（如外台）。,脉冲噪声,：时间上无规则、短促、频带宽。如：闪电。对数据通信的影响严重。,起伏噪声,：全时域、全频域，随机噪声，无所不在。如信道的白噪声,21,4.5,信道中的噪声,P77,3.,起伏噪声,随机噪声中的起伏噪声是主要的噪声源,热噪声,(thermal Noise),由电阻中自由电子无规则的热运动产生的。服从高斯分布。,霰弹噪声,(shot noise),导致电流有起伏；真空电子管：电子发射不均匀,半导体：电子、空穴复合不均匀；服从高斯分布。,宇宙噪声,来自天体辐射：银河系,20300MHz,，恰好落在电视的频率范围。也服从高斯分布。,总之：随机起伏噪声即高斯白噪声,22,4.6,信道容量,channel capacity,P78,4.6.1,离散信道容量,1,.,信道分类,离散信道,discrete Channel,信道的输入、输出均为离散的时间函数。,连续信道,continuous Channel,信道的输入、输出均为连续的时间函数。,2.,离散信道模型,输入符号集,X,：,x,1,x,2,x,n,每个符号的概率：,P,(,x,i,),输出符号集,Y,：,y,1,y,2,y,m,每个符号的概率：,P,(,y,j,),P79,图,4-21,离散信道的模型,23,4.6.1,离散信道容量,P78,3.,几个术语、概念,(,1),前向转移概率,P,(,y,j,/,x,i,),发端发出,x,i,则收端为,y,i,的概率。,(2),后向转移概率,P,(,x,i,/,y,j,),收端收到,y,j,，而发端发出,x,i,的概率。,(3),先验熵,H,(,x,),即输入符号集的熵,输入符号集中每个符号的平均信息量,(4),疑义度,equivocation,H,(,x,/,y,),收端收到全部符号后对发送端仍然存在的平均不确定性。,图,4-22,二进制信源的熵,24,4.6.1,离散信道容量,P78,4.,信道容量,定义,1,互信息的最大值即信道容量,(4.6-4),定义,2,单位时间内传输的互信息的最大值,式中，,t,为码元宽度,P80,例,4-1,25,4.6.2,连续信道容量,P81,(4.6-7),1.,定义式,Shannon,信道容量公式,式中，,B,为信道带宽，,Hz,S,/,N,为信道输出的信噪比，,C,为连续信道的信道容量。,bps bit/s,定义式,2,式中，,n,0,为噪声的单边功率谱，,W/Hz,(4.6-8),定义式,3,式中，,T,b,=1/,B,，,？码元宽度,(4.6-13),26,4.6.2,连续信道容量,P81,2.Shannon,信道容量公式含义,(4.6-7),信道带宽,B,越大，信道允许传输的信息量越大。,信噪比,S,/,N,越大，信道允许传输的信息量越大。,N,0,，,C,0,，连续的无噪信道的,C,S,/,N,1,时，,C,并不,=0,，表明信道仍有传输