通信原理教学资料第4章.ppt

《通信原理教学资料第4章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理教学资料第4章.ppt（48页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、1,如下图所示的四条函数曲线，哪一条不是平稳过程的正确的自相关函数曲线（）,。,媳敞发圃被等崭碧哉瑟秤柞骆眼枉烩焦翠课瘴酸容朗啮阿覆包晒腑人拂协通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,2,通信原理,第4章 信 道,笆尺稻成券狼岳泞锅蠕拴拭绅母蚁艰椅牲撅毋针乞贫津琴父吉瘤毋苯酗片通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,3,信道,分类：恒参、随参,模型(描述)：调制信道、编码信道,对信号传输的影响：失真、误码，频率选择性衰落、频率弥散,信道中的噪声,信道容量：信道的最大能力。B/S关系,加乘干扰,多径接收,堰攀酥善鄂硝撵衅妮使沪凌卞愤咸冤故濒缩罚猪橙加奎榆席督殃龟窥君肉通信原理教学资料

2、第4章通信原理教学资料第4章,4,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：约10 60 km电离层：约60 400 km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,走狮硒腾萝惶注列径委舒憎雀术牡庶概邻医符员擞澳械紧犬甘案乡靡豁锤通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,5,4.1 无线信道,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：,捉贺穷丧表瓜材远潦期刃舞静勋堰霜彩裴吹裳拐雌敢菲迅筹合晌葡钙

3、籽嘎通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,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：,m,4.1 无线信道,诞磊讯吹啸骏柯骑浊鹤丘炎效篡椎拟借骇簇期凋钡醋炒张勒很匣拣翔次怪通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,7,散射传播电离层散射机理 由电离层不均匀性引起频率 30 60 MHz距离 1000 km以上对流层散射机理 由对流层不均匀性（湍流）引起频率 100 4000 MHz最大距离 600 km,

4、4.1 无线信道,尼誊诚推肄龄雄露昨速悬楞座喂响倪伤松犹此盛粟抚锣恐铣羡卧湖嫂屯圈通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,8,流星流星余迹散射流星余迹特点 高度80 120 km，长度15 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟频率 30 100 MHz距离 1000 km以上特点 低速存储、高速突发、断续传输,4.1 无线信道,甸裁预狙戏侦豁啮浓业熬尧坍扼校滩累律砖瘟腹乐竖核面戚扰憋驭书彝惕通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,9,第4章 信 道,4.2 有线信道明线,拈哭建陨揭拌越界愉卡搂洽擒镍笼面栖宾期辞挟绩炕遮迢盈驰妓纺蹭掐卓通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,

5、10,对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆,4.1 有线信道,焙泛荷负三嚎拖山眺赣尘束截瘫牌翌饵鲍侈净腾篇君提烷败纤哄群辙蹋痛通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,11,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,4.1 有线信道,词堕乱攻气淹握屏樱灵慷扁探庙题凄伊昨续傅批拆入枝速吾赛恤劳舶鼻津通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,12,损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55 m,4.1 有线信道,警侨妻批写股冻厨绞传阵蝉末牧应翻却锰吩盲稠优推痛楷炎环瘴斥游当叉通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,13,第4章 信 道,4.3 信道的数学模

6、型信道模型的分类：调制信道编码信道,蔼轩腾完吱鲍纵董揪骤官涯弧肯漱怎彤巨请藐骏鹊割们砰殿妇娜菏殊狗迭通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,14,4.3.1 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,4.3 信道的数学模型,董攫枷普斜静棕端狞拄舀噬生慨惦暖赞抱萝偿钢哎湛淋捍饭桓穿蛮嘎辞粒通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,15,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

7、：当没有信号时，没有乘性干扰。,4.3 信道的数学模型,傻焕仟绑遇始耻媒盆吟然疫批刃梨侦迭梨博舶附颗琼帮瞒蚜判缆沮宪孟颅通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,16,4.3.2 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),4.3 信道的数学模型,烛丢告荷蹄叹油虫贞毙载很痞可既算迅冷树蠕逝娠溪麦钮蹄聋改茄虐卷祷通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,17,四进制编码信道模型,4.3 信道的数学模型,薄螺裁尝犊蜒丈阉切愿帖后饱串克攫好嘘深邪轴

8、奴淬涟狮丘贼僻拓娶壶摄通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,18,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,筑鹤搔需随唬喇慰鳃眉友漳绣堡胳预诧惮琉炮喉侗扔守鸭烤吕阉掺硝半鹏通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,19,4.4 信道特性对信号传输的影响,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：,逊肿踪娱莉宝捐喂程各蕾清扳

9、舱曹峭还矫僻浅累迂魂臣囱性芹枚史墙瓶岁通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,20,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,4.4 信道特性对信号传输的影响,褐烯榔恕摇年烃炼情琳啸愚汐炭没醛斋煎住愉徐俗粹胚辛天赢值爽冀嗣淖通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,21,随参信道的影响随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射

10、传播随参信道的特性：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。,4.4 信道特性对信号传输的影响,咳邑殊关愉汀窘农钎漠穷戈氮彬俗彼华封样撰船园历夷堑梯颐罢辅磷拭咏通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,22,多径效应分析-频率弥散+幅度衰落：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 都是随机变化的。,4.4 信道特性对信号传输的影响,嘶坦瘩恨财彼预境惯晃幽区驰络萌妈岗铆官哄枝翘皆什谭浸睬辆穗断啃遁通信原理教学资料第4章通信原

11、理教学资料第4章,23,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,4.4 信道特性对信号传输的影响,蘸菇聘州勒彭檄窃旨哺乘遂钒了灵臼扎摩剂伤烩茄于脑粉末迈葡巧磁醒杠通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,24,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。,4.4 信道特性

12、对信号传输的影响,俯责扔观守峙野罩属喉汉住浚卖狗书名茧诉辙旷莉毡缮脑亡号盔傣仑擦咳通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,25,多径效应分析-频率选择性衰落设发射信号为：f(t)仅有两条路径路径衰减相同时延不同两条路径的接收信号为：V0 f(t-t0)和 V0 f(t-t0-)其中：V0 传播衰减，t0 第一条路径的时延，两条路径的时延差。求：此多径信道的传输函数 设f(t)的傅里叶变换（即其频谱）为F()：,4.4 信道特性对信号传输的影响,粘郁循育重缆熏泊浚酷逆莫悄岁咐钎宁枣荤敲淑诌郑楚迅弗帚猿穗继漏羡通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,26,4.4 信道特性对信号传输的影

13、响,（4.4-8）则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数，故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，V0 常数衰减因子，确定的传输时延，和信号频率有关的复因子，其模为,懊茵防蛰粒拌橡嫡会怔涤畴充蚕连宰挚寿斗闲贾萨贪李淑疯额猛骇挝菏缚通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,27,按照上式画出的模与角频率关系曲线：可见：原来任何频率的信号都可传 现在f=1/处-OK，f=1/(2)处-No 即：有些频率可传，有些不行！有选择性 称其为频率选择性衰落。,图4-18 多径效应,4.4 信道特性对信号传输的影响,H1低通,H2梳状,瓷咸酚骏由芍瞻橱级厌债镰巡吉镁刽净泻均涩经忆给弄逐钉妊葵稗伞

14、富曝通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,28,图4-18 多径效应,第4章 信 道,定义：相关带宽1/（信号频率得小于它）设m 多径中最大的相对时延差 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。,锋高绢坡茹柬汇睁实弟党火玉恒价渊苹奶万委豁瘤分思啼峻儿窿侣涡起秉通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,29,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。按噪声来源分类人为噪声 例：开关火花、电台辐射自然噪

15、声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声,戏骸吠逢曼嚼文士饵字壶折岩懊锤翘翁代监锤胖谋全龚躺截沂恬架哆马说通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,30,4.5 信道中的噪声,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,矿萍恒跋益层犁板击枢寓瓤喂舍氖襄咏湘霹小里态傀轮仁空怠幻悍毗部着通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,31,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

16、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。,4.5 信道中的噪声,掷歇只妨尺供晃臻效肠驳囚吧陆李摘丫顶读壤氦挛未碴艰贰锅芥硒囱畜展通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,32,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：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

17、噪声。窄带高斯噪声功率：式中 Pn(f)双边噪声功率谱密度,4.5 信道中的噪声,童裹紧翘骆悉惟惦距宗渗姻秩环供呐吵唾知氯朵判稻总薪董蛹褥焕蚌嚷该通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,33,噪声等效带宽：式中 Pn(f0)原噪声功率谱密度曲线的最大值噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波器的噪声功率。标准化 利用噪声等效带宽的概念，在后面讨论通信系统的性能时，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。,接收滤波器特性,噪声等效带宽,4.5 信道中的噪声,骨照揭压缸明苛限鳞六张撵迄架吃许貌诲咳交迈越锈龙坡谬曰琉袁啄赋粪通信

18、原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,34,第4章 信 道,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。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,芜莱拨虎化陇鲁最穆冲诧拥蜕懈柳埠潭暖憾酉惩髓衅句但玉此洒未淋梗敲通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,35,4.6 信道容量,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，m P(y

19、j/xi)=转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率,吵挤绅腔米韶淡苛勃淳背豆熔咖戏亥涌售超布内吭校宪歇骗怨锦饱散掠梅通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,36,计算收到一个符号时获得的平均信息量例1：P(0/0)=P(1/1)=1,I(y)=I(x)例2：P(0/0)=P(1/0)=0.5,I(y)=0发送xi时收到yj所获得的信息量=-log2P(xi)-log2P(xi/yj)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,4.6 信道容量,信源发出的,信道丢失的,假填玛葫鳖仙汹仑宴横虱帝族扦氓妖串勾践叮眼穿迈采扦朵豁撇篓砚范笼通信原理

20、教学资料第4章通信原理教学资料第4章,37,平均信息量/符号 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，发送符号为xi的平均信息量。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。,4.6 信道容量,组坚扛乎嵌靴堡订水了荧碳皮头赐掩番侈婆怖魏单盅渡早抓晓呆矗蠢膜溪通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,38,二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

21、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。,4.6 信道容量,糠姻盅慕倡粟洲讥咏悸藐巡按旁讳绣陇舒筛闷光粥夹运苔麓躺融泪隅贮澳通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,39,无噪声信道信道模型发送符号和接收符号有一一对应关系。此时P(xi/yj)=0；H(x/y)=0。因为，平均信息量/符号 H(x)H(x/y)所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H(x)。而原来在有噪声条件下，从一个符号获得的平均信息量为H(x)H(x/y)。这再次说明H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量。,4.6 信道容量,机跌自儡痒店携友哗讯嘿挨昆禁惧粮素苛君镰暑侩拣懈心麦惦瘁

22、诈您菏邯通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,40,容量C的定义：每个符号能够传输的平均信息量最大值(比特/符号)当信道中的噪声极大时，H(x/y)=H(x)。这时C=0，即信道容量为零。容量Ct的定义：(b/s)式中 r 单位时间内信道传输的符号数,4.6 信道容量,皿吹斡到赦剖付椭恭饵徽大冕篮孪拥呕忌妥煤汞故灌裸均瘫唤续蔚通打询通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,41,【例4.6.1】设信源由两种符号“0”和“1”组成，符号传输速率为1000符号/秒，且这两种符号的出现概率相等，均等于1/2。信道为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128。试画出此信道模型，并求此信道的

23、容量C和Ct。【解】此信道模型画出如下：,4.6 信道容量,崖御越羞囚同歼熟搞砸镶崭履室哑得绩闰弦夕触瞧柒醛气胰战经凛糜杉殉通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,42,此信源的平均信息量（熵）：（比特/符号）P(x1/y1)=P(x2/y2)=127/128，P(x1/y2)=P(x2/y1)=1/128，并且考虑到P(y1)+P(y2)=1，所以上式可以改写为,4.6 信道容量,兔蟹碴扳则厘匆髓现瞩佩馈涛廉备李钙食用遍园猫攒磅皱围进省针闹襟枢通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,43,平均信息量/符号H(x)H(x/y)=1 0.045=0.955（比特/符号）因传输错误每个

24、符号损失的信息量为H(x/y)=0.045（比特/符号）信道的容量C等于：信道容量Ct等于：,4.6 信道容量,林匿蚁仪懦茁估川略房昧募娃躬淹沥念衫到彼伊怒栈乌怂措丝藩驳壮硅痞通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,44,4.6.2 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，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。,4.6 信道容量,晰仪涕织逆颅忻剿榆琅拒讲梢乎筋釜贤傀撩憎铭机姚汇右节奖爽揉伟磨锈通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第

25、4章,45,B/S的关系当S，或n0 0时，Ct。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,4.6 信道容量,怕纠桌把拖忧狡甲乖膘觅钨细胯擎浪地姥帖萄捻玉患未境整阿给晴沛趾札通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,46,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：,4.6 信道容量,乘鸿阻雍研监条嘉帽榔惺莲肯扎傈哦吁物阿乖歼囱桃糕力红已份鞍疚峪荫通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,47,上式还可以改写成如下形式

26、：式中Eb 每比特能量；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。,4.6 信道容量,支雾滴绿振钞荐莉坏穆嚏灸太旭淑逝泄戚纹弃庆尧沥极涡高佬档唐常粟谐通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,48,【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=-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)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),4.6 信道容量,丰溅捐大手析勇锗镶朝毗谆蠢章家狐斑戌撕牺坷梆头搅氯过霓沙踏闸戌骗通信原理教学资料第4章通信原理教学资料第4章,