第2章-信道與噪聲分析.ppt

1、2020/7/7,1,復(fù)習(xí)與小結(jié),1. 對(duì)于模擬通信來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用（ ）和（ ）來(lái)衡量。 對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用（ ）和（ ）來(lái)衡量。 2.平均信息量： 3.傳碼率與傳信率的關(guān)系：,2020/7/7,2,4. 碼元速率不變，二進(jìn)制信息速率與多進(jìn)制信息速率之間的關(guān)系： 系統(tǒng)信息速率不變，多進(jìn)制碼元速率與二進(jìn)制碼元速率之間的關(guān)系： 5. 誤碼率 ： 6.誤信率 ：,2020/7/7,3,第2章 信道與噪聲,2.1 信道的基本概念 2.2 恒參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響 2.3 隨參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響 2.4 信道的加性噪聲 2.5 通信中的常見(jiàn)噪

2、聲 2.6 信道容量的概念,2020/7/7,4,2.1 信道的基本概念,2.1.1 信道的定義 信道，通俗地說(shuō)，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。具體地說(shuō)，信道是指由有線或無(wú)線電線路提供的信號(hào)通路。信道的作用是傳輸信號(hào)，它提供一段頻帶讓信號(hào)通過(guò)，同時(shí)又給信號(hào)加以限制和損害。,2020/7/7,5,2.1.2 信道的分類 信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。 1. 狹義信道 狹義信道是指在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無(wú)線信道。 2. 廣義信道 廣義信道通常也可分成兩種，調(diào)制信道和編碼信道。,6,1 信道的定義與分類（續(xù)）,調(diào)制信道與編碼信道,調(diào)制器中含發(fā)濾波器，解調(diào)器中含收

3、濾波器 收、發(fā)轉(zhuǎn)換器：放大，頻率變換等功能,圖 調(diào)制信道與編碼信道,2020/7/7,7,2.1.3 信道的數(shù)學(xué)模型 1.調(diào)制信道模型 調(diào)制信道的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。通常它具有如下性質(zhì)： （1）有一對(duì)(或多對(duì))輸入端和一對(duì)(或多對(duì))輸出端； （2）絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理；,2020/7/7,8,（3）信號(hào)通過(guò)信道會(huì)出現(xiàn)遲延時(shí)間； （4）信道對(duì)信號(hào)有損耗它包括固定損耗或時(shí)變損耗； （5）即使沒(méi)有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。,2020/7/7,9,對(duì)于二對(duì)端的信道模型來(lái)說(shuō)，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成： 將上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化可以寫成： 這

4、樣信道對(duì)信號(hào)的影響可歸納為兩點(diǎn)：一是乘性干擾k(t)，二是加性干擾n(t)。 不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。,2020/7/7,10,根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：恒參信道和隨參信道。 2. 編碼信道模型 從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。 編碼信道的模型可用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述。,2020/7/7,11,模型中，把 、 、 、 稱為信道轉(zhuǎn)移概率。以 為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為1的概率”。,12,3 信道舉例,明線 最早發(fā)展和使用的傳輸介質(zhì)。它是由電線桿支持，

5、架設(shè)在地面的平行而相互絕緣裸線線路，其導(dǎo)線采用鋼、鋁或銅線，線徑為3-4mm。 明線易受氣候影響和外界電磁擾的影響，通信質(zhì)量不穩(wěn)定，且衰耗大，容量小。 它的優(yōu)點(diǎn)是敷設(shè)技術(shù)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。,13,明線,14,3 信道舉例（續(xù)）,雙絞線 雙絞線由絞合在一起的一對(duì)導(dǎo)線組成，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 雙絞線的主要缺點(diǎn)是不適于遠(yuǎn)距離傳輸。 許多對(duì)位于同一保護(hù)套內(nèi)相互絕緣的雙絞線可以構(gòu)成對(duì)稱電纜。 對(duì)稱電纜的傳輸損耗比明線大得多，但其傳輸特性比較穩(wěn)定。,15,對(duì)稱電纜：雙絞線,16,對(duì)稱電纜：雙絞線,17,3 信道舉例（續(xù)）,同軸電纜 同軸電纜共有四層。它的內(nèi)部共有兩層導(dǎo)體排列在同一軸上，所以稱為“同軸”。

6、 外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的空管（在可彎曲的同軸電纜中，它可以由金屬絲編織而成），內(nèi)導(dǎo)體是金屬線（芯線）。它們之間填充著介質(zhì)。 幾根同軸線管往往套在一個(gè)大的保護(hù)套內(nèi)，另外還裝入一些二芯扭絞線對(duì)或四芯線組，作為傳輸控制信號(hào)之用。,18,同軸電纜,同軸電纜截面示意圖,雙同軸電纜及6芯接頭,19,同軸電纜,基站用射頻同軸電纜 (50同軸電纜),射頻同軸電纜,20,3 信道舉例（續(xù)）,光纖的結(jié)構(gòu) 60年代，發(fā)明激光器,1966年高錕博士提出以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)。1000dB/Km衰減很大。,21,3 信道舉例（續(xù)）,光纖的優(yōu)點(diǎn) 通信容量大：750億 損耗低，傳輸距離長(zhǎng) 不受電磁干擾，通信質(zhì)量好 尺寸小、重量

7、輕，便于施工 原料為SiO2，很豐富,密集波分復(fù)用DWDM商用水平 為320Gb/s,DWDM實(shí)驗(yàn)室水平：Tb/s,22,3 信道舉例（續(xù)）,衛(wèi)星中繼信道（衛(wèi)星通信） 衛(wèi)星通信的定義：利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信的技術(shù)。衛(wèi)星中繼可視為無(wú)線電中繼信道的一種特殊形式。 衛(wèi)星中繼信道由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路構(gòu)成。其中上行與下行線路是地球站至衛(wèi)星及衛(wèi)星至地球站的電波傳播路徑。,23,1.4 信道,轉(zhuǎn)發(fā)站（基站）： 人造衛(wèi)星 （衛(wèi)星通信系統(tǒng)），目前廣泛應(yīng)用。,24,3 信道舉例（續(xù)）,圖 衛(wèi)星中繼信道,圖 靜止衛(wèi)星通信示意圖,2020/7/

8、7,25,2.2 恒參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響,由于恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩慢的，因而可以等效為一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。 2.2.1 信號(hào)不失真?zhèn)鬏敆l件 網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以表示為：,2020/7/7,26,要使任意一個(gè)信號(hào)通過(guò)線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性應(yīng)該具備以下兩個(gè)理想條件： （1）網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性 是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù); （2）網(wǎng)絡(luò)的相頻特性 應(yīng)與頻率成負(fù)斜率直線關(guān)系。,27, 非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)。其振幅-頻率特性,2.2.2 幅度頻率畸變,28,其相位-頻率特性：,2020/7/7,29,2.2.4 減小畸變的措施 減小幅度-頻率畸變的措施：改善電話信

9、道中的濾波性能，或者再通過(guò)一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使衰耗特性曲線變得平坦。這后一措施通常稱之為“均衡”。 減小相位-頻率畸變的措施：采取相位均衡技術(shù)補(bǔ)償群遲延畸變。,2020/7/7,30,復(fù)習(xí)： 1. 信道可大體分成：（ ）信道和（ ）信道。 2. 狹義信道包括（ ）信道和（ ）信道 3. 廣義信道包括（ ）信道和（ ）信道 4. 根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：（ ）信道和（ ）信道。 5. 恒參信號(hào)通過(guò)線性網(wǎng)絡(luò)不失真的條件是？,2020/7/7,31,2.3 隨參信道及其對(duì)所傳信號(hào)的影響,隨參信道傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn) 典型的傳輸媒質(zhì)：電離層反射、對(duì)流層散射等。 特點(diǎn)： （1）信號(hào)的衰耗

10、隨時(shí)間隨機(jī)變化； （2）信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化； （3）多徑傳播。,2020/7/7,32,多徑傳播指由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)，所以接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。,傳輸特點(diǎn)：多徑傳輸且每條路徑的衰減及時(shí)延都是隨機(jī)變化的,2020/7/7,33,2.3.1 隨參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?無(wú)線信號(hào)衰落的種類： 1. 自然衰落（路徑衰落、大尺度衰落）； 2. 陰影衰落（中尺度衰落）； 3. 瑞利衰落（小尺度衰落）； 4. 頻率選擇性衰落；,2020/7/7,34,圖2-10 兩條路徑傳播時(shí)選擇性衰落特性,2020/7/7,35,當(dāng) 時(shí)，出現(xiàn)傳輸極點(diǎn)； 當(dāng)

11、時(shí)，出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)； 當(dāng)一個(gè)傳輸信號(hào)的頻譜寬于 1/ 時(shí)，將致使某些頻率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落，簡(jiǎn)稱選擇性衰落。否則，當(dāng)傳輸信號(hào)的頻譜小于相關(guān)帶寬時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了平坦性衰落。,2020/7/7,36,上述概念可推廣到一般的多徑傳播中去。多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差 來(lái)表征，并用它來(lái)估算傳輸零極點(diǎn)在頻率軸上的位置。 設(shè)信道的最大時(shí)延差為 ，則相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔為： 這個(gè)頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關(guān)帶寬。,2020/7/7,37,2.3.2 隨參信道特性的改善 對(duì)于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機(jī)內(nèi)采用自動(dòng)增益控制等技術(shù)和方法即可。 對(duì)于快衰落，通?？?/p>

12、采用多種措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。,2020/7/7,38,1. 分集接收的基本思想 基本思想：如果能在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同的合成信號(hào)，并將這些信號(hào)適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號(hào)，將有可能大大減小衰落的影響。 要求：只有被分集的幾個(gè)合成信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善。 分集的含義：分散得到幾個(gè)合成信號(hào)、集中處理這些信號(hào)。,2020/7/7,39,2. 分散得到合成信號(hào)的方式 為了獲取互相獨(dú)立或基本獨(dú)立的合成信號(hào)，大致有如下幾種分集方式。 （1）空間分集； （2）頻率分集； （3）角度分集； （4

13、）極化分集。,2020/7/7,40,3. 集中合成信號(hào)的方式 對(duì)各分散的合成信號(hào)進(jìn)行合并的方法有多種，最常用的有： （1）最佳選擇式：選信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào) （2）等增益相加式：收各信號(hào)以相同增益放大相加 （3）最大比值相加式：收各信號(hào)與信噪比成正比地放大、相加。 以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳選擇方式最差。,2020/7/7,41,2.4 信道的加性噪聲,根據(jù)信道中加性噪聲的來(lái)源不同，可以粗略地分為以下四類： （1）無(wú)線電噪聲：來(lái)源于無(wú)線電發(fā)射機(jī) 特點(diǎn)：頻率范圍廣，干擾頻率固定 ，可預(yù)先防止。 （2）工業(yè)噪聲：來(lái)源于各種電氣設(shè)備 特點(diǎn)：干擾頻譜集中

14、在低頻，選擇高于該頻段的信道可防止。,2020/7/7,42,2.4 信道的加性噪聲,（3）天電噪聲：來(lái)源于宇宙空間 特點(diǎn)：頻譜范圍廣，頻率不固定，夏天比冬天嚴(yán)重，赤道比兩極嚴(yán)重，很難防止。 （4）內(nèi)部噪聲：來(lái)源于信道本身的各種電子器件 特點(diǎn)：過(guò)程隨機(jī)，也稱為起伏噪聲。,2020/7/7,43,從噪聲性質(zhì)來(lái)區(qū)分可有： （1）單頻噪聲：主要指無(wú)線電干擾 特點(diǎn)：連續(xù)波干擾，其頻率可測(cè)，可防止。 （2）脈沖干擾：工業(yè)中的電火花，斷續(xù)電流及電干擾中的閃電 特點(diǎn)：波形不連續(xù)，呈脈沖性，時(shí)間短，強(qiáng)度大，頻譜寬，選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l段可防止。,2020/7/7,44,（3）起伏噪聲：信道內(nèi)部的熱噪聲，散彈噪聲以

15、及宇宙噪聲 特點(diǎn)：隨機(jī)的，不可避免。 其中影響最大的是起伏噪聲，它是通信系中最基本的噪聲源。,2020/7/7,45,2.4.2 信道中的噪聲 1.白噪聲 定義：白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。 2.高斯型白噪聲 定義：噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。,2020/7/7,46,2.5 信道容量的概念,1. 信道容量的定義 在信息論中，稱信道無(wú)差錯(cuò)傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記之為C。 信道可以分為：離散信道（編碼信道）和連續(xù)信道（調(diào)制信道）。,2020/7/7,47,2. 香農(nóng)公式 假設(shè)連續(xù)信道的加性高斯白噪聲功率為N（W），信道的帶寬為B（Hz），信號(hào)功率為S（W），則該信道的信道容量為 : 當(dāng)信道特性（B、S和n0）給定以后，上式表示理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。,2020/7/7,48,3. 關(guān)于香農(nóng)公式的幾點(diǎn)討論 （1）在給定B、S/B 的情況下，信道的 極限傳輸能力為C，而且此時(shí)能夠做 到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。 （2）提高信噪比，可提高信道容量。 （3）增加信道帶寬，也可有限的增加信