通信原理第4章

1、1第四章第四章 信信 道道2本章主要内容：本章主要内容：q 无线信道和有线信道无线信道和有线信道q 信道的数学模型信道的数学模型q 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响q 信道中的噪声信道中的噪声q 信道容量信道容量第第4章章 信信 道道3第第4章章 信信 道道l信道分类信道分类：n无线信道无线信道 电磁波（含光波）电磁波（含光波）n有线信道有线信道 电线、光纤电线、光纤l信道中的干扰信道中的干扰：n有源干扰有源干扰 噪声噪声n无源干扰无源干扰 信道本身的传输特性不良信道本身的传输特性不良l本章重点本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号介绍信道传输特性和噪声的特性，及

2、其对于信号传输的影响。传输的影响。44.1 无线信道无线信道无线信道信号传播示意图无线信道信号传播示意图电磁波电磁波5 54.1 无线信道无线信道q 无线信道电磁波的频率，受天线尺寸限制。无线信道电磁波的频率，受天线尺寸限制。fc电磁波电磁波频率频率、波长波长、速率速率之间的关系之间的关系10D天线尺寸天线尺寸与电磁波与电磁波波长波长之间的关系之间的关系q 因而，用于通信的电磁波频率通常都比较高。因而，用于通信的电磁波频率通常都比较高。 smc/10386 64.1 无线信道无线信道u 地地 波波（ground wave）u 天天 波波（sky wave）u 视视 线线（line of sig

3、ht）q 根据通信距离、频率和位置的不同，电磁根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为：波的传播主要分为：7 74.1 无线信道无线信道q 地波传播地波传播 频率较低的电磁波趋于沿弯曲的地球频率较低的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。表面传播，有一定的绕射能力。传播路径传播路径地地 面面图图4-1 地波传播地波传播p频率频率 2 MHzp有绕射能力有绕射能力p距离：数百千米或数千千米距离：数百千米或数千千米8 8q 天波传播天波传播4.1 无线信道无线信道 频率较高的电磁波利用电离层反射的频率较高的电磁波利用电离层反射的传播方式。传播方式。p频率：频率：2 M 30

4、 MHzp特点：被电离层反射特点：被电离层反射p一次反射距离：一次反射距离： 30 MHzp距离：与天线高度有关距离：与天线高度有关ddh接收天线接收天线发射天线发射天线传播途径传播途径D地面地面rr图图 4-3 视线传播视线传播50822DrDhmp增加传播距离方法：增加传播距离方法：无线电中继无线电中继卫星通信卫星通信平流层通信平流层通信图图4-4 无线电中继无线电中继10104.2 有线信道有线信道q 传输电信号的有线信道传输电信号的有线信道u明明 线线u对称电缆对称电缆u同轴电缆同轴电缆逐渐被取代逐渐被取代1111u对称电缆对称电缆：由许多对双绞线组成：由许多对双绞线组成u同轴电缆：同

5、轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成由内外两根同心圆柱形导体构成图图4-9 双绞线双绞线导体导体绝缘层绝缘层导体导体金属编织网金属编织网保护层保护层实心介质实心介质图图4-10 同轴线同轴线有线电话网有线电话网有线电视网有线电视网4.2 有线信道有线信道1212u结结 构构p纤芯纤芯p包层包层u按折射率分类按折射率分类p阶跃型阶跃型p梯度型梯度型u按模式分类按模式分类p多模光纤多模光纤p单模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图图4-11 光纤结构示意图光纤结构示意图(a)(b)(c)q 传输光信号的有线信道传输光信号的有线信道

6、光纤光纤4.2 有线信道有线信道1313u损耗与波长关系损耗与波长关系p损耗最小点：损耗最小点：1.31 m与与1.55 m0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图图4-12光纤损耗与波长的关系光纤损耗与波长的关系光纤通信主要工作波段光纤通信主要工作波段4.2 有线信道有线信道14编码信道编码信道调制信道调制信道4.3 信道的数学模型信道的数学模型q 信道模型的分类信道模型的分类u 调制信道调制信道u 编码信道编码信道154.3 信道的数学模型信道的数学模型4.3.1 调制信道模型调制信道模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)调制信道数学模

7、型调制信道数学模型)()()(tntefteio输出信号：输出信号：通常假设：通常假设：)()()(tetktefii则有：则有：)()()()(tntetkteio调制信道一般数学模型调制信道一般数学模型164.3 信道的数学模型信道的数学模型u因因k(t)随随t变，故信道称为时变信道。变，故信道称为时变信道。u因因k(t)与与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。相乘，故称其为乘性干扰。u因因k(t)作随机变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道。u若若k(t)变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道。u乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰

8、。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio调制信道一般数学模型：调制信道一般数学模型：174.3 信道的数学模型信道的数学模型4.3.2 编码信道模型编码信道模型P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)发送端发送端接收端接收端pP(0 / 0)和和P(1 / 1) 正确转移概率正确转移概率pP(1/ 0)和和P(0 / 1) 错误转移概率错误转移概率pP(0 / 0) = 1 P(1 / 0)pP(1 / 1) = 1 P(0 / 1)q 二进制编码信道模型二进制编码信道模型184.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号

9、传输的影响q 恒参信道的影响恒参信道的影响振幅频率特性振幅频率特性fA0A00相位频率特性相位频率特性)()()(jeHH信道可等效成线性时不变网络信道可等效成线性时不变网络l 传输特性与无失真条件传输特性与无失真条件无失真传输条件：无失真传输条件：幅频特性幅频特性相频特性相频特性)()()(常数dtdd)()(常数KHdt)(群时延特性群时延特性19)()()(常数dtdd群时延特性：群时延特性：含义含义：信号的不同频率成分经过信道传：信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的时延。输后具有相同的时延。4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响20l 两种失真及其影响两种失真及

10、其影响4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响实际的信道特性不理想，将使信号产生失真。实际的信道特性不理想，将使信号产生失真。幅频失真幅频失真影响影响模拟信号：波形失真模拟信号：波形失真信噪比下降信噪比下降数字信号：数字信号：码间串扰码间串扰误码率增大误码率增大KH)(相频失真相频失真dt)(影响影响对话音信号影响小，视频信号影响大对话音信号影响小，视频信号影响大数字信号：数字信号：码间串扰码间串扰误码率增大误码率增大214.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响q 随参信道的影响随参信道的影响l 传输特性传输特性“时变性时变性”p信号的传输衰耗随时间变化信号的传

11、输衰耗随时间变化p信号的传输时延随时间变化信号的传输时延随时间变化p多径传播多径传播224.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响l 多径传播及其影响多径传播及其影响多径传播多径传播，是指由发射点出发的信号经过，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接收端，由于每条路径的长度多条路径到达接收端，由于每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，所以接收信（时延）和衰减都随时间而变，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。的合成。p多径传播含义多径传播含义23p多径传播影响多径传播影响4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传

12、输的影响说明：接收信号可看作说明：接收信号可看作包络和相位随机缓慢变化的窄带信号包络和相位随机缓慢变化的窄带信号。)(cos)()(0tttVtR 结论：发射信号为结论：发射信号为单频恒幅正弦波单频恒幅正弦波时，接收信号时，接收信号因多径效应变成因多径效应变成包络起伏的窄带信号包络起伏的窄带信号。衰衰 落落0瑞利分布瑞利分布均匀分布均匀分布tA0cos信信 道道244.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响p多径传播影响多径传播影响从波形上看，等幅波变成了包络起伏的调从波形上看，等幅波变成了包络起伏的调幅波（衰落信号）幅波（衰落信号）瑞利型衰落瑞利型衰落。从频谱上看，单根线谱变成

13、了窄带频谱从频谱上看，单根线谱变成了窄带频谱频率弥散频率弥散。宽带信号中某些频率成分或其倍频随机性宽带信号中某些频率成分或其倍频随机性严重衰落严重衰落频率选择性衰落频率选择性衰落。传输函数模与角传输函数模与角频率关系图频率关系图254.5 信道中的噪声信道中的噪声q 噪噪 声声信道中存在的不需要的电信号。信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。又称加性干扰。q 按噪声来源分类按噪声来源分类人为噪声人为噪声 例：开关火花、电台辐射例：开关火花、电台辐射自然噪声自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、噪声、热噪声热噪声264.5 信道中的噪声信道中的噪声q 按噪声性质分类

14、按噪声性质分类u脉冲噪声脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。一种典型的脉冲噪声。 u窄带噪声窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱：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可以测知的。可以看作或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。是一种非所需的连续的已调正弦波。u起伏噪声起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。和宇宙噪声等。 讨论

15、噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。起伏噪声，特别是热噪声的影响。274.5 信道中的噪声信道中的噪声q 热噪声热噪声u来来 源源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 u频率范围频率范围：均匀分布在大约：均匀分布在大约 0 1012 Hz。u热噪声电压有效值热噪声电压有效值： )V(4kTRBV 式中式中k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数；波兹曼常数； T 热力学温度（热力学温度（K）；）； R 阻值（阻值（ ）；）； B 带宽（带宽（Hz）。）。u性性 质质：高斯白噪

16、声高斯白噪声284.5 信道中的噪声信道中的噪声q 通信系统中的热噪声通信系统中的热噪声窄带高斯噪声窄带高斯噪声u经过接收机带通线性滤波器过滤的热噪声经过接收机带通线性滤波器过滤的热噪声u窄带高斯噪声功率：窄带高斯噪声功率：dffPPnn)()()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnn图图4-19 噪声功率谱特性噪声功率谱特性 Pn(f)Pn (f0)噪声等噪声等效带宽效带宽双边功率谱密度双边功率谱密度可认为窄带高斯噪声在等效带宽内功率谱恒定。可认为窄带高斯噪声在等效带宽内功率谱恒定。29q 定定 义义4.6 信道容量信道容量u信道能够传输的最大平均信息速率。信道能够传输的最大

17、平均信息速率。q 分分 类类u离散信道容量离散信道容量u连续信道容量连续信道容量304.6.1 离散信道容量离散信道容量4.6 信道容量信道容量uC 每个符号能够传输的平均信息量最大值每个符号能够传输的平均信息量最大值uCt 单位时间（秒）内能够传输的平均信息单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值量最大值u两者之间可以互换两者之间可以互换q 两种不同的度量单位两种不同的度量单位CrCt单位时间（秒）内传送的符号数单位时间（秒）内传送的符号数314.6 信道容量信道容量q 计算离散信道容量的信道模型计算离散信道容量的信道模型x1x2x3y3y2y1接收端接收端发送端发送端xn。ym图图4-2

18、1 信道模型信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)p n个发送符号：个发送符号：x1，x2，xnp m个接收符号个接收符号: y1，y2，ympP(xi)符号符号xi出现的概率出现的概率pP(yj)收到收到yj的概率的概率pP(yj /xi)转移概率，即发送转移概率，即发送xi的的条件下收到条件下收到yj的概率的概率324.6 信道容量信道容量q 熵与损失熵熵与损失熵发送信号的平均信息量：发送信号的平均信息量： niiixPxPxH12)(log)()(信源的熵信源的熵 mjnijijijyxPyxPyPyxH112)/(log)/()()/(损失熵损失熵

19、，表示接收端在收到一个符号后，对，表示接收端在收到一个符号后，对发送符号存在的不确定性。发送符号存在的不确定性。 传输过程中因噪声而损失的平均信息量：传输过程中因噪声而损失的平均信息量： 334.6 信道容量信道容量q信道容量信道容量)/()(max)(yxHxHCxP给定信道后，理论上能够传送的最大信息量：给定信道后，理论上能够传送的最大信息量： Bit/符号符号 )/()(max)(yxHxHrCrCxPtBit/s r每秒传送符号数每秒传送符号数 q特殊信道特殊信道u一对一的无噪信道；一对一的无噪信道；u一对多的无噪信道；一对多的无噪信道；u噪声极大的信道；噪声极大的信道； )(max)

20、(xHCxP)(max)(xHCxP0C3434复复 习：习：q 随参信道和恒参信道随参信道和恒参信道q 恒参信道无失真传输条件恒参信道无失真传输条件q 恒参信道的两种失真及影响恒参信道的两种失真及影响q 多径传播含义及影响多径传播含义及影响q 通信系统中的热噪声特性通信系统中的热噪声特性q 信道容量含义信道容量含义第第4章章 信信 道道354.6 信道容量信道容量4.6.2 连续信道容量连续信道容量按单位时间计算的信道容量：按单位时间计算的信道容量： )/(1log2sbNSBCtBB带宽；带宽；SS信号平均功率信号平均功率(W)(W)；NN噪声功率噪声功率(W)(W)； 令令N=n0B，可得到：，可得到： )/(1log02sbBnSBCtn n0 0噪声单边功率谱密噪声单边功率谱密度度(W/Hz)(W/Hz)；香农公