通信原理 樊昌信第七版

课件通信原理（第7版）樊昌信曹丽娜编著第4章信道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—传输媒质 有线信道——明线、电缆、光纤 无线信道——自由空间或大气层无线信道举例：地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道概述 狭义信道： 广义信道： 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10km60km0km 对流层：约0~10km 平流层：约10~60km 电离层：约60~400km 地球大气层的结构：§4.1无线信道 地波ground-wave频率：<2MHz特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播 天波sky-wave频率：2~30MHz特性：被电离层反射距离：<4000km（一跳）用于：远程、短波通信无线信道 电磁波的传播方式：电磁波的传播特性主要由其频率值来决定频率：>30MHz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 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40m，则最远通信距离为：D=44.7km例如 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Q&A增大视线传播距离的其他途径？远距离通信时，需建立多个中继站两点间传输距离30km~50km无线信道 微波中继优点：容量大、投资少、维护方便、传输质量稳定。应用：远距离传输话音和电视信号。微波：300M--300GHz的电磁波优点：通信容量大，传输质量稳定,传输距离远，覆盖区域广。缺点：传输时延大，信号衰减大，造价高。无线信道 卫星中继对流层散射 频率：100~4000MHz 距离：<600km无线信道 散射通信电离层散射 频率：30~60MHz 距离：1000km以上电离层散射的机理－由电离层不均匀性引起对流层散射的机理－由对流层不均匀性（湍流）引起无线信道 流星余迹散射特性: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以上用途:低速存储、高速突发、断续传输明线对称电缆同轴电缆光纤§4.2有线信道1880年纽约街貌 明线屏蔽双绞线(STP)（可减少噪声干扰）非屏蔽双绞线(UTP)（便宜、易弯曲、易安装）由多对双绞线组成特点缺点应用有线信道 对称电缆STP：每对加有金属箔屏蔽层（接地）双绞线有多种规格，传输带宽在几十千赫至上百兆赫应用：用作电话线路，传输语音和数据；是本地环路(如连接用户到电话机房的线路)和局域网内及综合布线工程中的传输介质。由同轴的两个导体组成内芯：金属导线外导体：金属编织网抗电磁干扰能力强带宽更宽、速率更高成本较高；解决：用光缆代替（干线）组成优点（相比双绞线）缺点有线信道 同轴电缆宽带（射频）同轴电缆： 75Ω，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： 50Ω，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离<几千米有线信道利用FDM技术可在一条电缆中同时传多路信号；结构：纤芯包层按折射率分类：阶跃型梯度型按模式分类： 多模光纤 单模光纤有线信道 光纤光纤是光导纤维的简称，是一种能传输光信号玻璃或塑胶纤维。光纤：纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息。光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器。易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能。 传输带宽宽、通信容量大； 传输衰减小，无中继传输距离远；(<0.2dB/km)（几百公里） 抗电磁干扰，传输质量好，防窃听，耐腐蚀； 体积小，重量轻，节省有色金属，环保。缺点长途电话网、有线电视网等的主干线路中。应用优点有线信道能够提供远大于金属电缆（双绞线或同轴电缆）的传输带宽和通信容量(约30THz带宽/波段)；；传输衰减小，无中继传输距离远；抗电磁干扰，传输质量好；耐腐蚀（这一特点使其特别适用于沿海区域和海底跨洋远程通信）；不易被窃听，因而对军事通信和保密性强的商业通信极具吸引力；体积小和重量轻，这一特点使其在航空航天以及一些特殊应用领域具有重要的意义；节约有色金属，有利于环保。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§4.3信道数学模型1.调制信道模型 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： 入出关系：反映信道本身特性 调制信道对信号的影响程度取决与的特性。加性噪声始终存在乘性干扰（共存共失）信道特性是一个很复杂的函数，它可能会使信号产生包括各种线性或非线性的失真，延时和衰落等。调制信道分为：（根据信道的时变特性） 恒参信道——特性基本不随时间变化 随参信道——特性随时间随机快变化 不同的物理信道具有不同的特性C()=常数（可取1）加性高斯白噪声信道模型不同的物理信道具有不同的特性C()，根据信道的时变特性，分为。。。一种简单而常见的情况是C(f)为常数（通常可取1），简化。。。加性高斯白噪声信道,它是在通信系统分析和设计中最常用的信道模型。+=1二进制无记忆编码信道模型可用转移概率来描述。+=1P(0/0)P(1/1)正确P(1/0)P(0/1)错误2.编码信道模型 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。它对信号的影响反映为将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。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§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… 1.传输特性幅频特性相频特性线性时不变系统恒参信道特性及其对信号传输的影响2.无失真传输恒参信道群迟延特性幅频特性相频特性 无失真传输（理想恒参信道）特性曲线：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 理想恒参信道的冲激响应:3.失真影响措施恒参信道群迟延失真: 幅频失真：含义？影响影响 相频失真：相频特性典型音频电话信道:幅度衰减特性群迟延频率特性恒参信道1.随参信道举例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 陆地移动信道 短波电离层反射信道 超短波流星余迹散射信道 超短波及微波对流层散射信道 超短波电离层散射 超短波超视距绕射…2.随参信道特性随参信道 衰减随时间变化 时延随时间变化 多径传播多径传播示意图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时延）—多径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并设信道有n条路径，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 多径传播使信号产生瑞利型衰落； 多径传播引起频率弥散。结论我们更关心的问题：多径传播对于一个复杂信号f(t)（实际情况）的影响如何呢？两径多径多径效应多径效应传输衰减均为K传输时延分别为和发射信号接收信号设两条路径的信道为f(t)fo(t)=Kf(t-)+Kf(t-)信道传输函数fo(t)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？信道幅频特性频选衰落的含义：信道对不同f的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化. 信道相关带宽：定义：相邻传输零点的频率间隔，工程经验公式：4.减小频率选择性衰落的措施△f 应使信号带宽Bs＝(1/3~1/5)△f 数字信号的码元宽度:Ts＝(3~5)→RB↓mBs<△f归纳 衰减随时间变化 时延随时间变化 多径传播 随参信道特性 多径效应 瑞利型衰落 频率弥散 频率选择型衰落分集接收扩频技术OFDM等 减小衰落的措施Bs＝(1/3~1/5)△f信道分类信道模型恒参/随参信道特性和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1.何谓噪声 信道中存在的不需要的电信号。 它独立于信号始终存在，又称加性干扰。 它使信号失真，发生错码，限制传输速率。 按噪声来源2.噪声类型§4.5信道噪声 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） 起伏噪声 按噪声性质人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声通信设备本身产生的各种噪声热噪声： 来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 均匀分布在0～1012Hz频率范围。 性质：高斯白噪声式中k=1.3810-23（J/K）－波耳兹曼常数T－热力学温度（K）R－阻值（）B－带宽（Hz）热噪声电压有效值：归纳 信道加性噪声n(t): 代表：起伏噪声（热噪声等） 性质：高斯白噪声 n(t)窄带高斯噪声 平均功率： 噪声等效带宽： 功率谱：噪声等效带宽通过宽度为Bn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:Pn(f0)信道分类信道模型恒参/随参信道特性和对信号传输的影响信道噪声信道容量本章内容:第4章信道指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率。1.离散信道容量§4.6信道容量式中，P(xi)‒发送符号xi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(yj)‒收到yj的概率（j=1,2,3,⋯,m）；P(xi/yj)‒收到yj后判断发送的是xi的转移概率（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Ct等价式：S－信号平均功率（W）；B－带宽（Hz）n0－噪声单边功率谱密度；N=n0B－噪声功率（W）2.连续信道容量由香农信息论可证，白噪声背景下的连续信道容量为:——香农公式等价式：若Rb≦C，则总能找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。当信号和信道噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。 信道容量C依赖于B、S和n0 增大S可增加C，若S趋于无穷，则C趋于无穷； 减小n0可增加C，若n0趋于0，则C趋于无穷； 增大B可增加C，但不能使C无限制增大。当B趋于无穷时，C将趋向一个定值：香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。 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。【例如】香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。30dB图片传输。每幅含2.25×106个像素，每个像素有12个亮度电平，它们等概独立出现。线路传输条件为：B=3KHz，S/N=30dB，求传输图片所需的最小时间。每个像素的信息量一幅图片的信息量解：配套辅导教材：曹丽娜樊昌信编著国防工业出版社 整理知识归纳结论 梳理关系引导主线 剖析难点解惑疑点 强化重点点击考点谢谢！电磁波的传播特性主要由其频率值来决定微波：300M--300GHz的电磁波电离层散射的机理－由电离层不均匀性引起对流层散射的机理－由对流层不均匀性（湍流）引起STP：每对加有金属箔屏蔽层（接地）双绞线有多种规格，传输带宽在几十千赫至上百兆赫应用：用作电话线路，传输语音和数据；是本地环路(如连接用户到电话机房的线路)和局域网内及综合布线工程中的传输介质。利用FDM技术可在一条电缆中同时传多路信号；光纤是光导纤维的简称，是一种能传输光信号玻璃或塑胶纤维。光纤：纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息。光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器。能够提供远大于金属电缆（双绞线或同轴电缆）的传输带宽和通信容量(约30THz带宽/波段)；；传输衰减小，无中继传输距离远；抗电磁干扰，传输质量好；耐腐蚀（这一特点使其特别适用于沿海区域和海底跨洋远程通信）；不易被窃听，因而对军事通信和保密性强的商业通信极具吸引力；体积小和重量轻，这一特点使其在航空航天以及一些特殊应用领域具有重要的意义；节约有色金属，有利于环保。信道特性是一个很复杂的函数，它可能会使信号产生包括各种线性或非线性的失真，延时和衰落等。不同的物理信道具有不同的特性C()，根据信道的时变特性，分为。。。一种简单而常见的情况是C(f)为常数（通常可取1），简化。。。加性高斯白噪声信道,它是在通信系统分析和设计中最常用的信道模型。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。它对信号的影响反映为将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。并设信道有n条路径，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频选衰落的含义：信道对不同f的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化.人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声通信设备本身产生的各种噪声香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。