數(shù)字通信原理（第3版）課件 第2章 通信信道

1第2章

通信信道2.1信道的定義及分類

2.2信道的模型2.3信道帶寬2.4信道容量2.5有線通信信道2.6無線通信信道

第2章

通信信道3第2章

通信信道2.1信道的定義及分類1.信道的定義

信道是指把攜有信息的信號從發(fā)送端傳遞到接收端的通道。

一般情況

物理信道邏輯信道

按傳輸介質(zhì)分

有線信道無線信道

按傳輸信道類型

模擬信道數(shù)字信道

4調(diào)制信道和編碼信道2.2信道的模型第2章

通信信道51）調(diào)制信道的模型時變

線性

網(wǎng)絡(luò)ei（t）eO（t）……時變

線性

網(wǎng)絡(luò)ei1（t）ei2（t）ei3（t）eim（t）eO1（t）eO2（t）eO3（t）eOn（t）二對端調(diào)制信道模型多對端調(diào)制信道模型第2章

通信信道1.調(diào)制信道62）對于二對端調(diào)制信道模型來說，其輸入和輸出之間的關(guān)系式可表示成式中，ei(t)——輸入的已調(diào)信號；

eo(t)——信道輸出波形；

n(t)——信道噪聲(或稱信道干擾)；

k(t)——表示信道對信號影響(變換)的某種函數(shù)關(guān)系。第2章

通信信道7特點：有一對（或多對）輸入端和輸出端；絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；信號通過信道具有固定的或時變的延遲時間和損耗；即使沒有信號輸入，輸出端有一定的輸出（噪聲）。第2章

通信信道8調(diào)制信道按傳輸函數(shù)k(t)是否恒定分恒參信道：傳輸函數(shù)k(t)不隨時間變化(或變化緩慢)隨參信道：傳輸函數(shù)k(t)隨時間隨機變化第2章

通信信道9特點：編碼信道編碼信號（數(shù)字序列）譯碼器輸出（另一種序列）分類：

信道中碼元的差錯發(fā)生是否獨立無記憶編碼信道有記憶編碼信道第2章

通信信道2.編碼信道10二進制無記憶編碼信道模型二進制無記憶編碼信道模型2）編碼信道模型第2章

通信信道11在上述模型中，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱為信道轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)概率性質(zhì)可知：

P(0/0)和P(1/1)——————正確轉(zhuǎn)移概率

P(1/0)和P(0/1)——————錯誤轉(zhuǎn)移概率 根據(jù)概率性質(zhì)可知第2章

通信信道12第2章

通信信道多進制無記憶編碼信道模型多進制無記憶編碼信道模型132.3信道帶寬第2章

通信信道1.信號帶寬表達式式中，f1是信道能通過的最低頻率；f2是信道能通過的最高頻率。兩者都是由信道的物理特性決定的。14

1）信號帶寬與信道帶寬從通信系統(tǒng)中信號傳輸過程來說,實際上遇到兩種不同含義的帶寬:信號(包括噪聲)的帶寬：這是由信號(或噪聲)能量譜密度G(ω)或功率譜密度P(ω)在頻域的分布規(guī)律確定的,也就是本節(jié)要定義的帶寬;信道的帶寬：這是由傳輸電路的傳輸特性決定的。信號帶寬和信道帶寬的符號都用B表示,單位為Hz。第2章

通信信道15一般信號雖然頻譜很寬,但絕大部分實用信號的主要能量(功率)都是集中在某一個頻率范圍以內(nèi)的,因此通常根據(jù)信號能量(功率)集中的情況,恰當(dāng)?shù)囟x信號的帶寬。常用的定義有以下三種。

(1)以集中一定百分比的能量(功率)來定義。帶寬B是指正頻率區(qū)域，不計負(fù)頻率區(qū)域的，如果信號是低頻信號，那么能量集中在低頻區(qū)域是0->B頻率范圍內(nèi)。第2章

通信信道

拓展：信號帶寬的定義16(2)以能量譜(功率譜)密度下降3dB時的頻率間隔作為帶寬。對于頻率軸上具有明顯的單峰形狀(或者一個明顯的主峰)的能量譜(功率譜)密度的信號,且峰值位于f=0處,則信號帶寬為正頻率軸上G(ω)(或P(ω))下降到3dB(半功率點)處的相應(yīng)頻率間隔。3dB帶寬第2章

通信信道17(3)等效矩形帶寬。用一個矩形的頻譜代替信號的頻譜,矩形頻譜具有的能量與信號的能量相等,矩形頻譜的幅度為信號頻譜f=0時的幅度,如下圖所示?；?/p>

得

第2章

通信信道18等效矩形帶寬第2章

通信信道191）信道容量的含義2.4信道容量第2章

通信信道信道容量是用來衡量物理信道能夠傳輸數(shù)據(jù)的最大能力的基本標(biāo)準(zhǔn)，通常以單位時間內(nèi)信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘縼肀硎?。信道容量有時也表示為單位時間內(nèi)可傳輸?shù)亩M制位的位數(shù)（即信道的數(shù)據(jù)傳輸速率，位速率），以位/秒（b/s）予以表示，簡記為bps。20第2章

通信信道1.數(shù)字信道的信道容量數(shù)字信道（離散信道）的信道容量一般用轉(zhuǎn)移概率來描述。在有噪聲的信道中，假設(shè)發(fā)送符號為xi，接收符號為yi，所獲信息量為對xi，yi取統(tǒng)計平均得平均信息量/符號

式中，H(X)為發(fā)送每個符號的平均信息量；H(X|Y)為發(fā)送符號在有噪聲的信道中傳輸平均丟失的信息量。此處的信息傳送速率是指信道在單位時間傳輸?shù)钠骄畔⒘?，即設(shè)單位時間傳送的符號數(shù)為r，則有對于一切可能的信息源概率分布來說，信道傳輸信息的速率R的最大值稱為信道容量，記為C，此處的C的表達式為：21設(shè)連續(xù)信道(或調(diào)制信道)的輸入端加入單邊功率譜密度為n0(W/Hz)的加性高斯白噪聲，信道的帶寬為B(Hz)，信號功率為S(W)，則通過這種信道無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾蔆為式中，C值就稱為信道容量，上式就是著名的香農(nóng)信道容量公式，簡稱香農(nóng)公式。因為n0B就是噪聲的功率，令N=n0B，故上式也可寫為第2章

通信信道2.模擬信道的信道容量其中，S/N為平均信號/噪聲功率比，B為信道帶寬，C為信道容量，噪聲為正態(tài)分布的加性白噪聲。22(1)任何一個連續(xù)信道都有信道容量。在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C，如果信源的信息速率R小于或等于信道容量C，那么在理論上存在一種方法使信源的輸出能以任意小的差錯概率通過信道傳輸；如果R大于C，則無差錯傳輸在理論上是不可能的。因此，實際傳輸速率(一般地)要求不能大于信道容量，除非允許存在一定的差錯率。根據(jù)香農(nóng)公式可以得出以下重要結(jié)論：第2章

通信信道23(2)增大信號功率S可以增加信道容量C。若信號功率S趨于無窮大時，則信道容量C也趨于無窮大，即減小噪聲功率N(N=n0B)，相當(dāng)減小噪聲功率譜密度n0)也可以增加信道容量C。若噪聲功率N趨于零(或n0趨于零)，則信道容量趨于無窮大，即第2章

通信信道24增大信道帶寬B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C無限制增大。當(dāng)信道帶寬B趨于無窮大時，信道容量C的極限值為由此可見，當(dāng)S和n0一定時，雖然信道容量C隨帶寬B增大而增大，然而當(dāng)B→∞時，C不會趨于無窮大，而是趨于常數(shù)1.44S/n0。第2章

通信信道25(3)當(dāng)信道容量保持不變時，信道帶寬B、信號噪聲功率比S/N及傳輸時間三者是可以互換的。若增加信道帶寬，可以換來信號噪聲功率比的降低，反之亦然。如果信號噪聲功率比不變，那么增加信道帶寬可以換取傳輸時間的減少，反之亦然。當(dāng)信道容量C給定時，B1、S1/N1和B2、S2/N2分別表示互換前后的帶寬和信號噪聲比，則有第2章

通信信道26當(dāng)維持同樣大小的信號噪聲功率比S/N時，給定的信息量為I=TBlb(1+S/N)(C=I/T，T為傳輸時間)可以用不同帶寬B和傳輸時間T來互換。若T1、B1和T2、B2分別表示互換前后的傳輸時間和帶寬，則有通常把實現(xiàn)了極限信息速率傳輸(即達到信道容量值)且能做到任意小差錯率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)。第2章

通信信道27第2章

通信信道2.5有線通信信道1）金屬電纜傳輸特性雙絞線：由兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法扭絞而構(gòu)成的，是早期通信階段最古老、最常用的傳輸媒體。它在傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制，且容易引入電器噪聲。同軸電纜：是一種非對稱傳輸線，電流的去向和回向?qū)w軸是相互重合的。在中心內(nèi)導(dǎo)體外包圍一定厚度的絕緣介質(zhì)，介質(zhì)外是管狀外導(dǎo)體，外導(dǎo)體表面再用絕緣塑料保護。同軸電纜常用于設(shè)備與設(shè)備之間的連接，或應(yīng)用在總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲小Ｅc雙絞線相比，同軸電纜的抗干擾能力強、屏蔽性能好、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價格也便宜，而且它不用連接在集線器或交換機上即可使用。1.有線通信信道的傳輸特性28恒參信道及其對所傳信號的影響第2章

通信信道2）光纖傳輸特性光纖通信利用光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）作為傳輸媒體來傳遞光脈沖，進而運載信號進行傳輸。光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。但由于制造光纖的基本材料是石英（SiO2），光波在光纖中傳輸會產(chǎn)生損耗，使光的功率逐漸下降。光纖損耗通?？煞譃楣逃袚p耗和附加損耗。在光纖通信過程中，常常采取積極措施減少損耗。29理想恒參信道等效的線性網(wǎng)絡(luò)傳輸特性為

其中K0為傳輸系數(shù)，td為時間延遲，它們都是與頻率無關(guān)的常數(shù)。幅頻特性:相頻特性:群遲延-頻率特性：第2章

通信信道2.恒參信道及其特性30理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延-頻率特性第2章

通信信道3）理想恒參信道模型：31拓展：理想恒參信道舉例有線信道常用的有線信道傳輸媒介有:雙絞線、同軸電纜、架空明線、多芯電纜和光釬。無線信道常用的無線信道包括：無線電視距傳播、衛(wèi)星中繼信道第2章

通信信道321.幅度—頻率畸變典型音頻電話信道的總衰耗-頻率特性第2章

通信信道3）恒參信道的實際傳輸33幅度-頻率失真是由實際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的，這種失真又稱為頻率失真，屬于線性失真。它會使通過它的信號波形產(chǎn)生失真，若在這種信道中傳輸數(shù)字信號，則會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，造成碼間干擾。第2章

通信信道1.幅度—頻率畸變34典型電話信道的群遲延特性

第2章

通信信道2.相位—頻率畸變（群遲延畸變）35所謂相位—頻率畸變，是指信道的相位—頻率特性偏離線性關(guān)系所引起的畸變。電話信道的相位—頻率畸變主要來源于信道中的各種濾波器及可能有的加感線圈，尤其在信道頻帶的邊緣，相頻畸變就更嚴(yán)重。相頻畸變對模擬話音通道影響并不顯著，這是因為人耳對相頻畸變不太靈敏；但對數(shù)字信號傳輸卻不然，尤其當(dāng)傳輸速率比較高時，相頻畸變將會引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，給通信帶來很大損害。第2章

通信信道2.相位—頻率畸變（群遲延畸變）36相移失真前后的波形比較

第2章

通信信道2.相位—頻率畸變（群遲延畸變）37減小畸變的措施

幅度—頻率特性畸變通常采用幅—頻均衡措施來改善，均衡的方式有時域和頻域均衡兩種措施，相位—頻率特性畸變通常采用相位均衡措施來改善。第2章

通信信道38第2章

通信信道2.6無線通信信道1.無線電波無線電波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段的電磁波。無線電波是一種能量的傳播形式，也可將其認(rèn)為是一種頻率相對較低的電磁波，其波長大于1mm，頻率小于300GHz。對頻率或波長進行分段，分別稱為頻段或波段。不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不同，因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。根據(jù)工作頻段或傳輸方式分類，可將無線通信分為中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。39第2章

通信信道2.電離層電波傳播電離層電波傳播是指在地球上空55～1000km、受弱等離子體制約的無線電波傳播，包括在這個區(qū)域內(nèi)和透過這個區(qū)域的電波傳播。電離層對超長波至微波頻段的電波均有影響，只是影響程度不同，傳播效應(yīng)各異。電離層電波傳播方式主要有以下幾種。透射傳播。散射傳播。反射傳播。波導(dǎo)傳播。40隨參信道傳輸媒介的特點：對信號的衰耗隨時間的變化而變化；傳輸時延隨時間也發(fā)生變化；具有多徑傳播(多徑效應(yīng))。第2章

通信信道3.隨參信道41自由空間衰落原理；陰影衰落；快衰落（瑞利衰落、頻率選擇性衰落）。第2章

通信信道4.無線信道空間傳輸損耗42多徑傳播示意圖

第2章

通信信道5.多徑衰落1）

多徑傳播43結(jié)論:多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落，屬于慢衰落；從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。第2章

通信信道44假定只有兩條傳輸路徑，且認(rèn)為接收端的幅度與發(fā)端一樣，只是在到達時間上差一個時延τ。若發(fā)送信號為f(t)，它的頻譜為F(ω)，則合成信道的傳輸函數(shù)為H(ω)的幅頻特性為第2章

通信信道2）多徑衰落的數(shù)學(xué)表述與頻率彌散45兩條路徑傳播時選擇性衰落特性

第2章

通信信道2）多徑衰落的數(shù)學(xué)表述與頻率彌散46對于信號不同的頻率成分，信道將有不同的衰減。當(dāng)失真隨時間隨機變化時就形成頻率選擇性衰落。特別是當(dāng)信號的頻譜寬于1/τ時，某些頻率分量會被信道衰減到零，造成嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。對于一般的多徑傳播，信道的傳輸特性將復(fù)雜得多，但同樣存在頻率選擇性衰落現(xiàn)象。設(shè)信道最大多徑時延差為τm，則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為1/τm。第2章

通信信道2）多徑衰落的數(shù)學(xué)表述與頻率彌散47常采用變參信道特性的改善措施有抗衰落性能好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、擴頻技術(shù)、功率控制技術(shù)、與交織結(jié)合的差錯控制技術(shù)、分集接收技術(shù)等。其中分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)，已在短波通信、移動通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。常用的分集接收方式有如下幾種：空間分集（極化分集、角度分集）；頻率分集；時間分集。第2章

通信信道6.信道特性的改善1）分集接收原理分集兩字的含義是，分散得到幾個合成信號，而后集中（合并）處理這些信號。理論和實踐證明，只要被分集的幾個合成信號之間是統(tǒng)計獨立的，那么經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍苁瓜到y(tǒng)性能大為改善。2）分集方式48空間分集空間分集是接收端在不同的位置上接收同一個信號，只要各位置間的距離大到一定程度，則所收到信號的衰落是相互獨立的。因此，空間分集的接收機至少需要兩副間隔一定距離的天線。為了使接收到的多個信號相互獨立，接收端各接收天線之間的間距應(yīng)滿足d≥100λ，d為接收端各接收天線之間的間距，λ為工作頻率的波長。通常，分集天線數(shù)(分集重數(shù))越多，性能改善越好。但當(dāng)分集重數(shù)多到一定數(shù)時，分集重數(shù)繼續(xù)增多，性能改善量將逐步減小。因此，分集