数据通信原理信道

数据通信原理信道第1页，共62页，2023年，2月20日，星期六信道连接发送端和接受端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端。第4章信道2第2页，共62页，2023年，2月20日，星期六第4章信道信道分类：无线信道－电磁波（含光波）有线信道－电线、光纤信道中的干扰：有源干扰－噪声无源干扰－传输特性不良本章重点： 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。3第3页，共62页，2023年，2月20日，星期六主要内容：1、无线信道2、有线信道3、信道的数学模型4、信道的特性对信号传输的影响5、信道的噪声6、信道容量4第4页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.1无线信道无线信道利用电磁波在空间的传播来实现。要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。根据通信距离分类：地波天波视波5第5页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.1无线信道地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km6第6页，共62页，2023年，2月20日，星期六电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收4.1无线信道7第7页，共62页，2023年，2月20日，星期六8第8页，共62页，2023年，2月20日，星期六9第9页，共62页，2023年，2月20日，星期六传播路径地面图4-1地波传播电磁波的分类：1、地波频率<2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米10第10页，共62页，2023年，2月20日，星期六地面信号传播路径图4-2天波传播电磁波的分类：2、天波频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：<4000km寂静区：11第11页，共62页，2023年，2月20日，星期六电磁波的分类：3、视线传播：频率>30MHz距离:和天线高度有关 式中，D–收发天线间距离(km)。ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播m12第12页，共62页，2023年，2月20日，星期六[例]若要求D=50km，则由式(4.1-3)m13第13页，共62页，2023年，2月20日，星期六增大视线传播距离的其他途径中继通信：无线电中继卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：位于平流层的高空平台电台图4-4无线电中继14第14页，共62页，2023年，2月20日，星期六散射传播1、电离层散射 机理－由电离层不均匀性引起 频率－30~60MHz 距离－1000km以上15第15页，共62页，2023年，2月20日，星期六图4-7对流层散射通信地球有效散射区域散射传播2、对流层散射 机理－由对流层不均匀性（湍流）引起 频率－100~4000MHz 最大距离<600km16第16页，共62页，2023年，2月20日，星期六3、流星流星余迹散射流星余迹特点：高度80~120km，长度15~40km存留时间：小于1秒至几分钟 频率－30~100MHz 距离－1000km以上 特点－低速存储、高速突发、断续传输图4-8流星余迹散射通信流星余迹17第17页，共62页，2023年，2月20日，星期六常用民用通信方式：蜂窝网：特高频频段卫星通信：特高频和超高频频段？18第18页，共62页，2023年，2月20日，星期六主要内容：1、无线信道2、有线信道3、信道的数学模型4、信道的特性对信号传输的影响5、信道的噪声6、信道容量19第19页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.2有线信道分类明线对称电缆同轴电缆20第20页，共62页，2023年，2月20日，星期六1、明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。21第21页，共62页，2023年，2月20日，星期六2、对称电缆：由许多对双绞线组成3、同轴电缆图4-9双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10同轴线为什么叫做双绞线？22第22页，共62页，2023年，2月20日，星期六光纤---传播光信号的有线信道发明者：华裔科学家高锟高锟教授发明的“纤维光学”在全球获得广泛应用，并在香港知识产权署与香港发明家协会联办的“二十世纪十大最受港人欢迎发明品”选举中入榜。23第23页，共62页，2023年，2月20日，星期六光纤---结构纤芯包层分类按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图4-11光纤结构示意图(a)(b)(c)24第24页，共62页，2023年，2月20日，星期六损耗最小点：1.31与1.55m损耗与波长关系0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波长（m）1.55m1.31m图4-12光纤损耗与波长的关系25第25页，共62页，2023年，2月20日，星期六主要内容：1、无线信道2、有线信道3、信道的数学模型4、信道的特性对信号传输的影响5、信道的噪声6、信道容量26第26页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.3信道的数学模型信道模型的分类：调制信道编码信道编码信道调制信道27第27页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.3.1调制信道模型式中 －信道输入端信号电压； －信道输出端的信号电压； －噪声电压。通常假设：这时上式变为： －信道数学模型28第28页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.3.1调制信道模型因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。29第29页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.3.1调制信道模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)图4-13调制信道数学模型30第30页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.3.2编码信道模型二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型P(0/0)和P(1/1)－正确转移概率P(1/0)和P(0/1)－错误转移概率P(0/0)=1–P(1/0)P(1/1)=1–P(0/1) P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)图4-13二进制编码信道模型发送端接收端31第31页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.3.2编码信道模型四进制编码信道模型01233210接收端发送端32第32页，共62页，2023年，2月20日，星期六主要内容：1、无线信道2、有线信道3、信道的数学模型4、信道的特性对信号传输的影响5、信道的噪声6、信道容量33第33页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.4信道特性对信号传输的影响按调制信道模型，分类：恒参信道非时变线性网络随参信道时变网络34第34页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.4信道特性对信号传输的影响恒参信道的影响恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…恒参信道非时变线性网络信号通过线性系统的分析方法。35第35页，共62页，2023年，2月20日，星期六恒参信道线性系统中无失真条件：1、振幅～频率特性：为水平直线时无失真下图为典型电话信道特性，用插入损耗便于测量(a)插入损耗～频率特性36第36页，共62页，2023年，2月20日，星期六恒参信道线性系统中无失真条件：2、相位～频率特性：要求其为通过原点的直线， 即群时延为常数时无失真 群时延定义：频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟～频率特性0相位～频率特性37第37页，共62页，2023年，2月20日，星期六信道的振幅—频率特性不理想时的失真：频率失真：振幅～频率特性不良引起的频率失真波形畸变码间串扰解决办法：线性网络补偿相位失真：相位～频率特性不良引起的对语音影响不大，对数字信号影响大解决办法：同上38第38页，共62页，2023年，2月20日，星期六信道的振幅—频率特性不理想时的失真：非线性失真：可能存在于恒参信道中定义：输入电压～输出电压关系是非线性的。其他失真： 频率偏移、相位抖动…非线性关系直线关系图4-16非线性特性输入电压输出电压39第39页，共62页，2023年，2月20日，星期六变参信道的影响变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播…变参信道的特性：衰减随时间变化时延随时间变化多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。40第40页，共62页，2023年，2月20日，星期六多径效应分析： 设发射信号为接收信号为

式中－由第i条路径到达的接收信号振幅； －由第i条路径达到的信号的时延；上式中的都是随机变化的。41第41页，共62页，2023年，2月20日，星期六多径效应分析：

应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成：

(4.4-2)

缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅42第42页，共62页，2023年，2月20日，星期六多径效应分析：

所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：这种包络起伏称为快衰落－衰落周期和码元周期可以相比。另外一种衰落：慢衰落－由传播条件引起的。43第43页，共62页，2023年，2月20日，星期六综上所述，接收信号的分类：确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号随相信号：接收码元的相位随机变化起伏信号：接收信号的包络随机起伏、相位也随机变化。通过多径信道传输的信号都具有这种特性44第44页，共62页，2023年，2月20日，星期六主要内容：1、无线信道2、有线信道3、信道的数学模型4、信道的特性对信号传输的影响5、信道的噪声6、信道容量45第45页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.5信道中的噪声噪声信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。按噪声来源分类人为噪声－例：开关火花、电台辐射自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声46第46页，共62页，2023年，2月20日，星期六热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。热噪声电压有效值： 式中 k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数；

T－热力学温度（ºK）；

R－阻值（）；

B－带宽（Hz）。性质：高斯白噪声？47第47页，共62页，2023年，2月20日，星期六按噪声性质分类脉冲噪声：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。电火花就是一种典型的脉冲噪声。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可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。 注：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。48第48页，共62页，2023年，2月20日，星期六主要内容：1、无线信道2、有线信道3、信道的数学模型4、信道的特性对信号传输的影响5、信道的噪声6、信道容量49第49页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.6信道容量信道容量－指信道能够传输的最大平均信息速率。信道分类：连续信道和离散信道，描述方式不同。50第50页，共62页，2023年，2月20日，星期六4.6信道容量4.6.1离散信道容量两种不同的度量单位：C－每个符号能够传输的平均信息量最大值Ct－单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换。51第51页，共62页，2023年，2月20日，星期六计算离散信道容量的信道模型发送符号：x1，x2，x3，…，xn接收符号：y1，y2，y3，…，ymP(xi)=发送符号xi的出现概率， i＝1，2，…，n；P(yj)=收到yj的概率， j＝1，2，…，mP(yj/xi)=转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率52第52页，共62页，2023年，2月20日，星期六计算离散信道容量的信道模型x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。。。。。。。。。ym图4-20信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)53第53页，共62页，2023年，2月20日，星期六计算收到一个符号时获得的平均信息量从信息量的概念得知：发送xi时收到yj所获得的信息量等于发送xi前接收端对xi的不确定程度（即xi的信息量）减去收到yj后接收端对xi的不确定程度。发送xi时收到yj所获得的信息量为：

=-log2P(xi)-[-log2P(xi

/yj)]54第54页，共62页，2023年，2月20日，星期六计算收到一个符号时获得的平均信息量对所有的xi和yj取统计平均值，得出收到一个符号时获得的平均信息量，平均信息量/符号＝

55第55页，共62页，2023年，2月20日，星期六上式中－为每个发送符号xi的平均信息量，称为信源的熵。－为接收yj符号已知后，发送符号xi的平均信息量。 由上式可见，收到一个符号的平均信息量只有[H(x)–H(x/y)]，而发送符号的信息量原为H(x)，少了的部分H(x/y)就是传输错误率引起的损失。56第56页，共62页，2023年，2月20日，星期六二进制信源的熵设发送“1”的概率P(1)=， 则发送“0”的概率P(0)＝1-

当从0变到1时，信源的熵H()可以写成：按照上式画出的曲线：由此图可见，当＝1/2时， 此信源的熵达到最大值。 这时两个符号的出现概率相等， 其不确定性最大。图4-21二进制信源的熵H()57第57页，共62页，2023年，2月20日，星期六无噪声信道对于无噪声信道，模型变为：x1x2x3y3y2y