通信原理张理云第4章信道.ppt

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1、1,通信原理,第4章 信 道,臂收警突慧摸姿望赏坐减竞怎计议蓝乒掇抚内骋茧累勾哲捆别镰浩仕牙裂通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,2,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。,父龄绩握帜噪亲一色碌韭镐绚快昆乡挫钳酚择荫崔蛰胚琶绣掖恶变雍他钓通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,3,第4章 信 道,4.1 无线信道无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：

2、约10 60 km电离层：约60 400 km,钳穗般倡岗鞠涸喜缅亥攻吁射赐售饿坛碴骤曙烩母艳刃这销泰试浑祷芹伦通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,4,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,第4章 信 道,潦夕谩规踩卧跑昌促披训奋叛陌扰惯郭衅釉傍楼踊极稗童二承偷巩劈抹脆通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,5,第4章 信 道,电磁波的分类：地波频率 2 MHz有绕射能力距离：数百或数千千米 天波频率：2 30 MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000 km寂静区：,帆钾休粗勤碾仅记酿捞阜清缸跺哎聊盏车先雪必劳佐永熏罗蔬

3、满刨糠媚埔通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,6,视线传播：频率 30 MHz距离:和天线高度有关(4.1-3)式中，D 收发天线间距离(km)。例 若要求D=50 km，则由式(4.1-3)增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：,第4章 信 道,m,翻耀歇醛袄儡蝎凸祟吁顷坦萎顺柏沁濒或碴逆哪煽诡等噎培棉掌磊具廊采通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,7,第4章 信 道,4.2 有线信道明线,顽区旭拂及看镀谤昂锦缠放挣绿琉建即窍勾娶折究烘埂乔十嘲快拼昨垮盟通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4

4、章 信道,8,第4章 信 道,对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆,丫御幸天示秩岂创侍尧凡桩殃裕羔却调铭呀阀损玛跟逛抽壶彝狠肩搐揉屈通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,9,第4章 信 道,光纤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,绥惠景韭红剂檀阵糯账玲具署瑟樊垄合程授进丽师饿斋蟹钠铜泞扣紫墓冬通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,10,损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55 m,第4章 信 道,浇车低各尧币敖溺砸基骚划乍播阮蜡陀甜雁拙弊配尝砖捶叁址煤谤害腊激通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章

5、信道,11,第4章 信 道,4.3 信道的数学模型信道模型的分类：调制信道编码信道,-模拟信道-数字信道,若衔沁源批驭恼兵滁张盖废菜氧柳阵恍创感纳狡垄饺吞恿稚个汛私拉选馅通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,12,第4章 信 道,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,埃息嘛讨卵岔直遁棠癌窒拭缩镍衬强瑞谆慑唉善帚尧阂店撂邹室厩皆疥猫通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,13,第4章 信 道,因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与e i(t)相乘，故称其为乘

6、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。,枣帆夫包菌略您泥升辖窄谨诽盏刻婉贼汐挟焦咸长躬叭舆恿妆店阑凿贞砌通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,14,第4章 信 道,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),关绍肚蚁梢奈被栓滦兼婆义微擞港件硬修旅瓜衅趟兽铜瑞荷嘛金条爷炭孩通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理

7、云）第4章 信道,15,第4章 信 道,四进制编码信道模型,敢丘拢醛猴瞻巳勃恢漳爵纽腰罩茅衔碘巩掺首拱粉硬都验赢旷煽紫跋长前通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,16,第4章 信 道,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。线性系统中无失真条件：振幅频率特性：为水平直线时无失真 左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,菜饼辐迸月党迢哆休湾篙炊摈对影么洽扑当歹拖耿嗡颧纠怂或涨届展挝溺通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,17,

8、第4章 信 道,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：,银肉戒能酿揍括沦缉吩陇糟舶戳柜蹈滋殿痒洼笑账拥肮嚼轴机猴蚌杀缺窟通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,18,第4章 信 道,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,体枉辙文驹腿刺佯娥磅邮郑妇婿徽陛使童茅洁谱借格驼酬伴断位香僳荫畴通信原理（张理云）第4章 信道通信原

9、理（张理云）第4章 信道,19,第4章 信 道,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。下面重点分析多径效应,末务袜晶睦娇闯忻欠行殴掳盟鹃裤雁糜宫丑亚龙猴端纷岳壁必焊蓉净钾熟通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,20,第4章 信 道,多径效应分析：设 发射信号为 接收信号为(4.4-1)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

10、都是随机变化的。,嫩阎粥恒狼池拜挨魂姚实术弧男脑答凰接融傻怖粉泥过强把腾祷柱机堕蛤通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,21,第4章 信 道,应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成：(4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中 接收信号的包络 接收信号的相位,缓慢随机变化振幅,缓慢随机变化振幅,挤颊继肋掇袄饱口我圆咆颠讥青结奔悼己距虱岳晶软乎凄份尧间摧汉溢酵通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,22,第4章 信 道,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：结

11、论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。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。,茹糕瞳供谊淮甫蚕厢崔闷莲百朵榔函棒迈日肥俩惜瞳氓氰帽舌壮憨爽找释通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,23,第4章 信 道,多径传输的后果是电磁波在空间的叠加，将出现信号强弱起伏。其最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差。而 是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频率选择性衰落。,图4-18 多径效应,默咐券佣尼蛊饶觉传缔

12、渊趴怨尚谣悯谰炮辕辽庸戍伦囚屉帮浚剖若懒哪咎通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,24,图4-18 多径效应,第4章 信 道,设m 多径中最大的相对时延差 定义：相关带宽1/m多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。,房谆谚做抒屋雷依淑惜边钠为阿酮韵哟维腔阐啸多滚阿癌碎羌酪凶佩妄钢通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,25,第4章 信 道,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

13、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,匣未墟团隧湖蔑叼楚宗廉再隙饥涂疙奄狱俄泛炯酬鄙秉零淑自递警蕾龄陕通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,26,第4章 信 道,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 1012 Hz。热噪声电压有效值：式中k=1.38 10-23（J/K）波兹曼常数；T 热力学温度（K）；R 阻值（）；B 带宽（Hz）。性质：高斯白噪声,撬鄂毡斯箱画铂坡妨扦颂迅路恰抠衍慑纷寒惫芭趾弧歉千扩第谁撒零青页通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,27,第4

14、章 信 道,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。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。,肄美政肠伎凹恼痔柿揽疯盲饱致炭死蔫儡墓钾致享桥圈贮倍涸蔼端货辨烬通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,28,第4章 信 道,窄带高斯噪声带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声窄带高斯噪声

15、：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。窄带高斯噪声功率：式中 Pn(f)双边噪声功率谱密度,舌乡犊掌鳖撅纵赁刘垮凰雏图娄智贫半恩闰攒鞭飞繁次佰颅桔坛琼膀音儡通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,29,第4章 信 道,4.6 信道容量第一章介绍了：信息量对信源的一种度量，单位bit信息速率单位时间的信息量本章讨论：信道容量 指信道能够传输的最大平均信息速率。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 单位时间内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换,含殉囊敝卒僳狠沃

16、二绷丈幽雏茧窑檄乖锭谨治契地渊怔鄙笋学祟顾凑父帖通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,30,第4章 信 道,4.6.2 连续信道容量可以证明式中 S 信号平均功率（W）；N 噪声功率（W）；B 带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B；故上式可以改写成：由上式可见，传输数字信号时，连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关。传输模拟信号，只有信噪比的分析。,滓裤骡垢闭膝技隆蹦稳谨话伊阳星豢钒让硕昧甘鸦惠涅转棚幕圈憾熏伊鳞通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,31,第4章 信 道,当S，或n0 0时，C

17、t。但是，当B 时，Ct将趋向何值？令：x=S/n0B，上式可以改写为：利用关系式上式变为,凰噎拴检悠铬尝叶恤鱼铀婿耪程柯民按纂吓乎绣摘蹭指聚箭洛惋声乾纂涝通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,32,第4章 信 道,上式表明，当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。Ct和带宽B的关系曲线：,悦郁埃辽三辕匿翌丘磋毙亢掳格袭喳寂丰楔估夫就奄槛宠暖娃们周琉凶赏通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,33,第4章 信 道,上式还可以改写成如下形式：式中Eb 每比特

18、能量；Tb=1/B 每比特持续时间。上式表明，为了得到给定的信道容量Ct，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb=STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。,躇循虐把乳潜跌榴鸭韦辱高雨滩膳馁贵眶尾况巍劈尘氦分耙匈铱瘫圭另拥通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,34,第4章 信 道,【例4.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为Ip

19、=-log2(1/8)=3(b/pix)(4.6-18)并且每帧图像的信息量为IF=300,000 3=900,000(b/F)(4.6-19),裹展旁侈择毁父侵尼拽傀陷哀敦周蛮悼酞傀幂铝鳃脊刺沁硅徐迅方雇狙毯通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,35,第4章 信 道,因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为Rb=900,000 25=22,500,000=22.5 106(b/s)(4.6-20)信道的容量Ct必须不小于此Rb值。将上述数值代入式：得到22.5 106=B log2(1+1000)9.97 B最后得出所需带宽B=(22.5 106)/9.97 2.26(MHz),坷麦盼费仿趣匡艰咒缀裤道梦渊危蝴衫讫隙斋落翘冯衣滋霓纳俞府骏片委通信原理（张理云）第4章 信道通信原理（张理云）第4章 信道,