樊昌信第六版通信原理第3章.ppt

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*通信原理第3章 信 道*第3章 信 道信道分類:無線信道 - 電磁波(含光波)有線信道 - 電線、光纖信道中的干擾:有源干擾 - 噪聲無源干擾 - 傳輸特性不良本章重點: 信道傳輸特性和噪聲的特性,及其對于信號傳輸的影響,信道容量。*第3章 信 道3.1 信道的分類狹義信道廣義信道*第4章 信 道3.2 信道的數學模型信道模型的分類:調制信道編碼信道編碼信道調制信道*第4章 信 道4.3.1 調制信道模型式中 - 信道輸入端信號電壓; - 信道輸出端的信號電壓; - 噪聲電壓。通常假設:這時上式變為: - 信道數學模型f [ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)圖4-13 調制信道數學模型*第3章 信 道因k(t)隨t變,故信道稱為時變信道。因k(t)與e i (t)相乘,故稱其為乘性干擾。因k(t)作隨機變化,故又稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小,則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點:當沒有信號時,沒有乘性干擾。*第3章 信 道3.2.2 編碼信道模型 二進制編碼信道簡單模型 - 無記憶信道模型P(0 / 0)和P(1 / 1) - 正確轉移概率P(1/ 0)和P(0 / 1) - 錯誤轉移概率P(0 / 0) = 1 – P(1 / 0)P(1 / 1) = 1 – P(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)圖4-13 二進制編碼信道模型發送端接收端*第3章 信 道四進制編碼信道模型 01233210接收端發送端*第4章 信 道3.3信道特性對信號傳輸的影響恒參信道的影響恒參信道舉例:各種有線信道、衛星信道…恒參信道 ? 非時變線性網絡 ? 信號通過線性系統的分析方法。線性系統中無失真條件:振幅~頻率特性:為水平直線時無失真 左圖為典型電話信道特性 用插入損耗便于測量(a) 插入損耗~頻率特性*第3章 信 道相位~頻率特性:要求其為通過原點的直線, 即群時延為常數時無失真 群時延定義:頻率(kHz)(ms)群延遲(b) 群延遲~頻率特性??0相位~頻率特性*第3章 信 道頻率失真:振幅~頻率特性不良引起的頻率失真 ? 波形畸變 ? 碼間串擾解決辦法:線性網絡補償相位失真:相位~頻率特性不良引起的對語音影響不大,對數字信號影響大解決辦法:同上非線性失真:可能存在于恒參信道中定義: 輸入電壓~輸出電壓關系 是非線性的。其他失真: 頻率偏移、相位抖動…非線性關系直線關系圖4-16 非線性特性輸入電壓輸出電壓*第3章 信 道變參信道的影響變參信道:又稱時變信道,信道參數隨時間而變。變參信道舉例:天波、地波、視距傳播、散射傳播…變參信道的特性:衰減隨時間變化時延隨時間變化多徑效應:信號經過幾條路徑到達接收端,而且每條路徑的長度(時延)和衰減都隨時間而變,即存在多徑傳播現象。 下面重點分析多徑效應*第3章 信 道接收信號可以看作是一個包絡和相位隨機緩慢變化的窄帶信號:結論:發射信號為單頻恒幅正弦波時,接收信號因多徑效應變成包絡起伏的窄帶信號。 這種包絡起伏稱為快衰落 - 衰落周期和碼元周期可以相比。 另外一種衰落:慢衰落 - 由傳播條件引起的。 *第3章 信 道接收信號的分類確知信號:接收端能夠準確知道其碼元波形的信號 隨相信號:接收碼元的相位隨機變化 起伏信號:接收信號的包絡隨機起伏、相位也隨機變化。 通過多徑信道傳輸的信號都具有這種特性 *第3章 信 道3.4信道中的噪聲噪聲信道中存在的不需要的電信號。又稱加性干擾。按噪聲來源分類人為噪聲 - 例:開關火花、電臺輻射自然噪聲 - 例:閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲*第3章 信 道熱噪聲來源:來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。 頻率范圍:均勻分布在大約 0 ~ 1012 Hz。熱噪聲電壓有效值: 式中 k = 1.38 ? 10-23(J/K) - 波茲曼常數; T - 熱力學溫度(oK); R - 阻值(?); B - 帶寬(Hz)。性質:高斯白噪聲*第3章 信 道按噪聲性質分類脈沖噪聲:是突發性地產生的,幅度很大,其持續時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。 窄帶噪聲:來自相鄰電臺或其他電子設備,其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的??梢钥醋魇且环N非所需的連續的已調正弦波。起伏噪聲:包括熱噪聲、電子管內產生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。 討論噪聲對于通信系統的影響時,主要是考慮起伏噪聲,特別是熱噪聲的影響。*第3章 信 道窄帶高斯噪聲帶限白噪聲:經過接收機帶通濾波器過濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲:由于濾波器是一種線性電路,高斯過程通過線性電路后,仍為一高斯過程,故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率: 式中 Pn(f) - 雙邊噪聲功率譜密度*第3章 信 道噪聲等效帶寬: 式中 Pn(f0) - 原噪聲功率譜密度曲線的最大值 噪聲等效帶寬的物理概念: 以此帶寬作一矩形濾波特性,則通過此特性濾波器的噪聲功率,等于通過實際濾波器的噪聲功率。 利用噪聲等效帶寬的概念,在后面討論通信系統的性能時,可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬Bn內是恒定的。圖4-19 噪聲功率譜特性 Pn(f)Pn (f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬*第3章 信 道3.5 信道容量信道容量 - 指信道能夠傳輸的最大平均信息速率。 3.5.1 離散信道容量兩種不同的度量單位:C - 每個符號能夠傳輸的平均信息量最大值Ct - 單位時間(秒)內能夠傳輸的平均信息量最大值兩者之間可以互換*第3章 信 道 3.5.2 連續信道容量可以證明式中 S - 信號平均功率 (W); N - 噪聲功率(W); B - 帶寬(Hz)。 設噪聲單邊功率譜密度為n0,則N = n0B; 故上式可以改寫成:由上式可見,連續信道的容量Ct和信道帶寬B、信號功率S及噪聲功率譜密度n0三個因素有關。 *第3章 信 道 當S ? ?,或n0 ? 0時,Ct ? ?。 但是,當B ? ?時,Ct將趨向何值?令:x = S / n0B,上式可以改寫為:利用關系式上式變為*第3章 信 道 上式表明,當給定S / n0時,若帶寬B趨于無窮大,信道容量不會趨于無限大,而只是S / n0的1.44倍。這是因為當帶寬B增大時,噪聲功率也隨之增大。 Ct和帶寬B的關系曲線:S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)*第3章 信 道上式還可以改寫成如下形式:式中 Eb -每比特能量; Tb = 1/B - 每比特持續時間。 上式表明,為了得到給定的信道容量Ct,可以增大帶寬B以換取Eb的減??;另一方面,在接收功率受限的情況下,由于Eb = STb,可以增大Tb以減小S來保持Eb和Ct不變。 *第3章 信 道【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號每幀有30萬個像素;每個像素有8個亮度電平;各電平獨立地以等概率出現;圖像每秒發送25幀。若要求接收圖像信噪比達到30dB,試求所需傳輸帶寬。 【解】因為每個像素獨立地以等概率取8個亮度電平,故每個像素的信息量為gf Ip = -log2(1/ 8) = 3 (b/pix) (4.6-18)并且每幀圖像的信息量為 IF = 300,000 ? 3 = 900,000 (b/F) (4.6-19)因為每秒傳輸25幀圖像,所以要求傳輸速率為 Rb = 900,000 ? 25 = 22,500,000 = 22.5 ? 106 (b/s) (4.6-20)信道的容量Ct必須不小于此Rb值。將上述數值代入式:得到 22.5 ? 106 = B log2 (1 + 1000) ? 9.97 B最后得出所需帶寬 B = (22.5 ? 106) / 9.97 ? 2.26 (MHz)*第3章 信 道 本章考點概念計算 利用香農公式計算信道容量。
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通信 原理 第六
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