現(xiàn)代通信原理信道與噪聲

現(xiàn)代通信原理 第 2章 信道與噪聲 信道的定義與分類 信道的組成與模型 恒參信道及其對所傳信號的影響 變參信道及其對所傳信號的影響 信道帶寬 、 系統(tǒng)帶寬與信號帶寬 隨機(jī)過程的基本概念 信道常見噪聲及特征 信道容量的概念 (香農(nóng)公式 ) 信道的定義與分類 1. 信道的定義 信道是指定的一段頻帶 ， 它既讓信號通過 ， 同時又會給信號施以限制和損害 。 信道的根本作用是傳輸信號 。 2. 信道的分類 圖 信道的分類 圖 信道的分類 信道狹義信道廣義信道調(diào)制信道編碼信道恒參信道變參信道無記憶信道有記憶信道有線信道無線信道雙絞線同軸電纜光纖/ 光纜3 類雙絞線5 類雙絞線6 類雙絞線7 類雙絞線粗同軸電纜細(xì)同軸電纜電視電纜多模光纖/ 光纜單模光纖/ 信道的組成與模型 調(diào)制信道的組成 編碼信道的組成 調(diào)制信道的數(shù)學(xué)模型 編碼信道的數(shù)學(xué)模型 調(diào)制信道的組成 調(diào)制信道是從研究調(diào)制和解調(diào)的基本問題出發(fā)而提出的 ， 它的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒介；不管其中間過程如何 ， 它們不過是把已調(diào)信號進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換而已 ， 我們只需關(guān)心轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果 ， 而無需關(guān)心形成這個最終結(jié)果的詳細(xì)過程 。 因此 ， 研究調(diào)制與解調(diào)問題時 ， 定義一個調(diào)制信道是方便和恰當(dāng)?shù)?。 如 圖 圖 調(diào)制信道與編碼信道 編碼信道的組成 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果僅著眼于編碼和譯碼問題，則可定義到另一種廣義信道 編碼信道。這是因為，從編碼和譯碼的角度看，編碼器的輸出仍是某一數(shù)字序列，而譯碼器輸入同樣也是一數(shù)字序列，它們在一般情況下是相同的數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒介可用一個完成數(shù)字序列轉(zhuǎn)換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。 調(diào)制信道的數(shù)學(xué)模型 (1) 有一對 (或多對 )輸入端 ， 則必然有一對 (或多對 )輸出端； (2) 絕大部分信道是線性的 ， 即滿足疊加原理； (3) 信號通過信道需要一定的遲延時間； (4) 信道對信號有損耗 (固定損耗或時變損耗 )； (5) 即使沒有信號輸入 ， 在信道輸出端仍可能有一定的功率輸出(噪聲 )。 可用一個二對端 (或多對端 )的時變線形網(wǎng)絡(luò)去替代調(diào)制信道 。這個網(wǎng)絡(luò)就稱作調(diào)制信道模型 ， 如 圖 圖 調(diào)制信道模型 時變線性網(wǎng)絡(luò)時變線性網(wǎng)絡(luò) ( t )e ( t )e ( t )e ( t )e ( t )e ( t )a ) ( b )( a ) 二對端模型 ( b ) 多對端模型t ) t )t )( t )t )( t )N 編碼信道的數(shù)學(xué)模型 編碼信道是包括調(diào)制信道和調(diào)制器 、 解調(diào)器在內(nèi)的信道 。 由于編碼信道包含調(diào)制信道 ， 因而它同樣要受到調(diào)制信道的影響 。 但是 ， 從編 /譯碼的角度看 ， 以上這個影響已被反映在解調(diào)器的最終結(jié)果里 使解調(diào)器輸出數(shù)字序列以某種概率發(fā)生差錯 。顯然 ， 如果調(diào)制信道特性越差 ， 即特性越不理想 、 加性噪聲越嚴(yán)重 ， 則發(fā)生錯誤的概率將會越大 。 由此看來 ， 編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率來描述 。 恒參信道及其對所傳信號的影響 幅度 頻率特性及畸變 相位 頻率特性及畸變 減小畸變的措施 幅度 頻率特性及畸變 幅度頻率 ” 畸變是信道的 “ 幅度頻率 ” 特性不理想所引起的 。 這種畸變又稱為頻率失真 。 在通常的電話信道中可能存在各種濾波器 ， 尤其是帶通濾波器 ， 還可能存在混合線圈 、 串聯(lián)電容器和分路電感等 ，因此電話信道的 “ 幅度頻率 ” 特性總是不理想 。 相位頻率特性及畸變 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感性線圈 ， 尤其在信道頻帶的邊緣 ， 相頻畸變就更嚴(yán)重 。 如 圖 圖 典型音頻電話信道的“相位頻率”特性 0( ) ( ) 減小畸變的措施 為了減小“幅度頻率”畸變，可采取如下 3種措施：嚴(yán)格限制已調(diào)制信號的頻譜，使它保持在信道的線性范圍內(nèi)傳輸。在設(shè)計總的電話信道傳輸特性時，改善電話信道中的濾波性能，一般都要求把“幅度頻率”畸變控制在一個允許的范圍內(nèi)。通過增加一個線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦，這一措施通常稱為“均衡”。 變參信道及其對所傳信號的影響 變參信道傳輸媒質(zhì)的特點 產(chǎn)生多徑效應(yīng)的分析 變參信道特性的改善 變參信道傳輸媒質(zhì)的特點 (1) 對信號的衰耗隨時間的變化而變化； (2) 傳輸時延隨時間也變化； (3) 具有多徑傳輸 (多徑效應(yīng) )。 產(chǎn)生多徑效應(yīng)的分析 屬于變參的傳輸媒質(zhì)主要以電離層反射和散射 、對流層散射等為代表 ， 信號在這些媒質(zhì)中的傳輸示意如 圖 它們的共同特點是：由發(fā)射點出發(fā)的電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收點 ， 這種現(xiàn)象稱為多徑傳播 。 就每條路經(jīng)而言 ， 它的衰耗和時延都不是固定不變的 ， 而是隨電離層或?qū)α鲗拥臋C(jī)理變化而變化的 。 圖 多徑傳播示意圖 電離層雙跳單跳發(fā) 地面 收對流層散射區(qū)發(fā) 收（ b)（ a)( a ) 電離層多徑傳播 ( b ) 變參信道特性的改善 1. 空間分集 2. 頻率分集 3. 角度分集 4. 極化分集 信道帶寬、系統(tǒng)帶寬與信號帶寬 信號帶寬 ， 這是由信號能量譜密度或功率譜密度在頻域的分布規(guī)律確定的 。 系統(tǒng)帶寬 ， 這是由電路系統(tǒng)的傳輸特性決定的 。 信道帶寬 ， 這是由信道的傳輸特性決定的 。 圖 矩形脈沖及頻譜 1. 百分比帶寬 2. 3 3. 等效帶寬 4. 脈沖主瓣帶寬 圖 矩形脈沖及頻譜 t( a ) 矩形脈沖 ( b ) 頻譜 /2 /2x ( t ) ) 2 / 4 / 4 / 2 / A 隨機(jī)過程的基本概念 隨機(jī)過程的定義 隨機(jī)過程的統(tǒng)計特性 高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程 隨機(jī)過程的定義 我們把這種由于某一種隨機(jī)性的物理因素所引出的變化過程稱之為隨機(jī)過程 。 而輸出的信號叫隨機(jī)信號 。 對接收端來講 ， 語音信號就是典型的隨機(jī)信號 ，它和噪聲一樣 ， 都無法用一個或幾個確定的時間函數(shù)或時間曲線精確地描述 。 也就是說 ， 這種實際通信都是隨機(jī)信號的傳輸 。 隨機(jī)過程的統(tǒng)計特性 1. 概率分布函數(shù) 2. 概率密度函數(shù) f (x， t) 3. 數(shù)學(xué)期望 4. 方差 高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程 當(dāng)一隨機(jī)過程是平穩(wěn)的 ， 其概率密度函數(shù)服從高斯分布時 ，就稱該隨機(jī)過程為高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程 。 高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程的重要性質(zhì)如下： (1) 高斯過程的數(shù)學(xué)期望和方差與時間無關(guān) 。 (2) 高斯過程的分布完全由數(shù)學(xué)期望和方差所決定 。 (3) 高斯過程在不同時刻的取值是不相關(guān)的 ， 它們在統(tǒng)計意義上是獨立的 。 (4) 如果一個線性系統(tǒng)的輸入隨機(jī)過程是高斯的 ， 那么線性系統(tǒng)的輸出過程仍然是高斯的 。 信道常見噪聲及特征 信道內(nèi)的噪聲分類 常見噪聲的特征 信道內(nèi)的噪聲分類 根據(jù)噪聲的來源不同 ， 大致有 3類： (1) 天電噪聲： (2) 工業(yè)噪聲： (3) 電路噪聲： 從噪聲的不同特性來區(qū)分 ， 大致分為下面幾種： (1) 脈沖型噪聲： (2) 連續(xù)型噪聲： (3) 高斯噪聲：(4) 白噪聲： (5) 平穩(wěn)噪聲： (6) 加性噪聲： (7) 乘性噪聲： 常見噪聲的特征 1. 平穩(wěn)高斯白噪聲 2. 窄帶平穩(wěn)高斯白噪聲 圖 窄帶噪聲的時間波形和頻譜 3. 正弦波加窄帶平穩(wěn)高斯白噪聲 圖 窄帶噪