數(shù)字通信原理與技術(shù)二信道.ppt

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2020 2 21 第1頁 數(shù)字通信原理 徐雷郵箱 xulei marcus 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 2020 2 21 第2頁 2 1信道的定義和分類 2 2信道的數(shù)學(xué)模型 2 3恒參信道 2 4變參信道 2 5信道的加性噪聲 第二章信道 2020 2 21 第3頁 2 1信道的定義和分類 狹義信道 是指以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號(hào)通路 它可分為有線信道與無線信道兩類 有線信道 明線 對(duì)稱電纜 同軸電纜及光纜等 無線信道 地波傳播 短波電離層反射 超短波或微波視距中繼 人造衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等 信道可大體分成 狹義信道和廣義信道 一 狹義信道 2020 2 21 第4頁 廣義信道 除包括傳輸媒介外 還包括有關(guān)的變換裝置 如 發(fā)送設(shè)備 接收設(shè)備 饋線與天線 調(diào)制器 解調(diào)器等等 在內(nèi)的信道 在討論通信的一般原理時(shí) 我們采用廣義信道 廣義信道按照功能可分為調(diào)制信道和編碼信道 二 廣義信道 2020 2 21 第5頁 2 1信道的定義和分類 2 2信道的數(shù)學(xué)模型 2 3恒參信道 2 4隨參信道 2 5信道的加性噪聲 第二章信道 2020 2 21 第6頁 1 調(diào)制信道的共性 1 有一對(duì) 或多對(duì) 輸入端和一對(duì) 或多對(duì) 輸出端 2 絕大多數(shù)的信道都是線性的 即滿足疊加原理 3 信號(hào)通過信道具有一定的遲延時(shí)間 4 信道對(duì)信號(hào)有損耗 包括固定損耗或時(shí)變損耗 5 即使沒有信號(hào)輸入 在信道的輸出端仍有一定的功率輸出 噪聲 2 2信道的數(shù)學(xué)模型 一 調(diào)制信道模型 2020 2 21 第7頁 對(duì)于二對(duì)端的信道模型 其輸出與輸入的關(guān)系有eo t f ei t n t ei t 輸入的已調(diào)信號(hào) eo t 信道總輸出波形 n t 加性噪聲 或稱加性干擾 n t 獨(dú)立于ei t f ei t 已調(diào)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的 時(shí)變 線性變換 用一個(gè)二對(duì)端 或多對(duì)端 的時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)來表示調(diào)制信道 2 調(diào)制信道的表示 2020 2 21 第8頁 若f ei t 寫為k t ei t k t 稱其為乘性干擾 eo t k t ei t n t 即為二對(duì)端信道的一種數(shù)學(xué)模型 調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響可歸結(jié)到兩點(diǎn) 1 乘性干擾k t 有些信道的k t 不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢 稱為恒 定 參 量 信道 有些信道的k t 是隨機(jī)快變化的 稱為隨 機(jī) 參 量 信道 它是非恒參信道的統(tǒng)稱 2 加性干擾n t n t 獨(dú)立于ei t 3 調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響 2020 2 21 第9頁 若解調(diào)器每個(gè)輸出碼元的差錯(cuò)發(fā)生是相互獨(dú)立的 則信道是無記憶的 即一碼元的差錯(cuò)與其前后碼元是否發(fā)生差錯(cuò)無關(guān) 編碼信道模型可以用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率來描述 P 0 0 P 1 0 P 0 1 P 1 1 稱為信道轉(zhuǎn)移概率 P 0 0 P 1 1 是正確轉(zhuǎn)移概率 P 1 0 P 0 1 是錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率 P 0 0 P 1 0 1 P 0 1 P 1 1 1 1 無記憶二進(jìn)制編碼信道模型 二 編碼信道模型 2020 2 21 第10頁 2 無記憶多進(jìn)制編碼信道模型 轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性所決定 一個(gè)特定的編碼信道 有確定的轉(zhuǎn)移概率 2020 2 21 第11頁 2 1信道的定義和分類 2 2信道的數(shù)學(xué)模型 2 3恒參信道 2 4隨參信道 2 5信道的加性噪聲 第二章信道 2020 2 21 第12頁 2 3恒參信道 恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的 它等效于一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò) 得到網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性 就可得到已調(diào)信號(hào)通過恒參信道的變化規(guī)律 可用幅度 頻率特性及相位 頻率特性來表征 要使任意一個(gè)信號(hào)通過線性網(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)與頻率成線性關(guān)系 網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以表示為 一 恒參信道特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊?2020 2 21 第13頁 1 幅度 頻率畸變是由信道的幅度 頻率特性的不理想所引起的 解決方案 要求改善電話信道中的濾波性能 或者再通過一個(gè)線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 使衰耗特性曲線變得平坦 均衡 原因 有線電話信道中可能存在各種濾波器 混合線圈 串聯(lián)電容和分路電感等 影響 模擬信號(hào)波形失真 數(shù)字信號(hào)碼間干擾 典型音頻電話信道 低頻端截止頻率約在300Hz以下 每倍頻程衰耗升高15 25dB 在300 1100Hz范圍內(nèi)衰耗比較平坦 在1100 2900Hz之間 衰耗通常是線性上升的 2600Hz的衰耗比1100Hz處高8dB 不均勻衰耗必然使傳輸信號(hào)的幅度隨頻率發(fā)生畸變 引起信號(hào)波形的失真 在2900Hz以上 每倍頻程增加80 90dB 2020 2 21 第14頁 2 相位 頻率畸變指信道的相位 頻率特性偏離線性關(guān)系所引起的畸變 經(jīng)常采用群遲延 頻率特性來表示 相位特性對(duì)頻率求導(dǎo) 解決方案 群遲延畸變也是線性畸變 可采用相位均衡技術(shù)補(bǔ)償 原因 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 尤其是在信道頻帶的邊緣畸變更為嚴(yán)重 影響 對(duì)模擬話音通信影響并不顯著 因?yàn)槿硕鷮?duì)相頻畸變不太靈敏 對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸會(huì)引起碼間干擾 造成誤碼 2020 2 21 第15頁 1 明線明線是指平行而相互絕緣的架空裸線線路 與電纜相比 優(yōu)點(diǎn)是傳輸損耗低 但它易受氣候和天氣的影響 并且對(duì)外界噪聲干擾較敏感 2 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜是在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì) 導(dǎo)線材料是鋁或銅 直徑為0 4 l 4mm 每一對(duì)線都擰成扭絞狀 減小各線對(duì)之間的相互干擾 傳輸損耗比明線大得多 但其傳輸特性比較穩(wěn)定 3 同軸電纜由同軸的兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成 外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的空管 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) 也可能是空氣 1 有線信道 二 恒參信道舉例 2020 2 21 第16頁 同軸電纜 2020 2 21 第17頁 各種有線信道的比較 2020 2 21 第18頁 光纖信道 以光導(dǎo)纖維 光纖 為傳輸媒質(zhì) 光波為載波的信道 傳輸容量極大 損耗低 頻帶寬 線徑細(xì) 重量輕 可彎曲半徑小 不怕腐蝕 節(jié)省有色金屬 不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn) 2 光纖信道 光源是光載波的發(fā)生器 半導(dǎo)體發(fā)光二極管 LED 或激光二極管 LD 光源 光纖線路是一根或多根光纖 直接檢波式的光探測(cè)器 用光電二極管來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的檢測(cè) 2020 2 21 第19頁 直接中繼器是光放大器 直接將光信號(hào)放大以補(bǔ)償光纖的傳輸損耗 以便延長傳輸距離 間接中繼器是將光信號(hào)先解調(diào)為電信號(hào) 經(jīng)放大或再生處理后 再調(diào)制到光載波上 利用光纖繼續(xù)進(jìn)行傳輸 在數(shù)字光纖信道中 每隔一定距離加入再生中繼器 在光纖線路中可能還設(shè)有中繼器 中繼器有兩種類型 直接中繼器和間接中繼器 2020 2 21 第20頁 光纖由介質(zhì)芯線及包在它外面的另一種介質(zhì)材料做成的包層構(gòu)成 光纖分為均勻光纖及非均勻光纖兩類 當(dāng)光纖中只能傳輸一種光波的模式時(shí) 稱為單模光纖 單模光纖的芯徑極小 傳光特性較好 但因截面尺寸小 在制造 耦合和連接上都比較困難 如果光纖中能傳輸?shù)哪Ｊ讲簧弦粋€(gè) 則稱為多模光纖 在制造 耦合和連接上都比單模光纖容易 對(duì)光纖最主要的要求是低損耗和低色散 低損耗是光纖能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤?2020 2 21 第21頁 2 1信道的定義和分類 2 2信道的數(shù)學(xué)模型 2 3恒參信道 2 4隨參信道 2 5信道的加性噪聲 第二章信道 2020 2 21 第22頁 隨參信道中傳輸媒介的影響是主要的 隨參信道的傳輸媒介特點(diǎn) 1 對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化 2 傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變 3 多徑傳播 1 多徑傳播和頻率彌散設(shè)發(fā)射波為 則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號(hào) 是緩慢變化的隨機(jī)過程 同向分量 正交分量 2 4隨參信道 發(fā) 收 電離層 一 隨參信道特性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊?2020 2 21 第23頁 則 合成波的包絡(luò) 合成波的相位 多徑傳播的結(jié)果使確定的載波信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào) 稱之為衰落信號(hào) 從頻譜上看 多徑傳輸引起了頻率彌散 由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜 是緩慢變化的 R t 為一個(gè)窄帶過程 2020 2 21 第24頁 2 頻率選擇性衰落和相關(guān)帶寬頻率選擇性衰落 信號(hào)頻譜中某些分量的一種衰落現(xiàn)象 設(shè)兩條多徑信號(hào)具有相同的強(qiáng)度和一個(gè)相對(duì)時(shí)延差 信道的傳遞函數(shù)為 2020 2 21 第25頁 相鄰傳輸零點(diǎn)的頻率間隔稱為多徑傳播媒質(zhì)的相關(guān)帶寬 f f 1 m m表征最大多徑時(shí)延差 原因 多徑傳播的頻率選擇性衰落同樣依賴于相對(duì)時(shí)延差 影響 如果傳輸信號(hào)的頻譜寬于 f 則該信號(hào)將產(chǎn)生明顯的頻率選擇性衰落 會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾 設(shè)計(jì)方案 為了不引起明顯的選擇性衰落 傳播信號(hào)的頻帶必須小于多徑傳輸媒質(zhì)的相關(guān)帶寬 數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)希望有較高的傳輸速率 應(yīng)有較寬的相關(guān)帶寬 否則要限制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率 以減少碼間干擾 2020 2 21 第26頁 為了抗快衰落可采用分集接收技術(shù) 如果在接收端同時(shí)接收到幾個(gè)不同路徑的信號(hào) 將這些信號(hào)適當(dāng)合并處理構(gòu)成總的接收信號(hào) 則能夠大大減小衰落的影響 這就是分集接收的基本思想 分集兩字就是分散接收幾個(gè)合成信號(hào)并集中 合并 處理這些信號(hào)的意思 只要被分集的幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的 1 常見的分集方式 l 空間分集 在接收端架設(shè)幾副天線 各天線的位置間要求有足夠的間距 以保證各天線上獲得的信號(hào)基本互相獨(dú)立 2 頻率分集 用多個(gè)不同載頻傳送同一個(gè)消息 如果各載頻的頻差相隔比較遠(yuǎn)各載頻信號(hào)也基本互不相關(guān) 3 角度分集 利用天線波束指向不同方向使信號(hào)不相關(guān)的 4 極化分集 分別接收水平極化和垂直極化波 這兩種波是相關(guān)性極小的 二 隨參信道特性的改善 分集接收 2020 2 21 第27頁 2 分集合并的方法 1 最佳選擇式 從幾個(gè)分散信號(hào)中設(shè)法選擇其中信噪比最好的一個(gè)作為接收信號(hào) 2 等增益合并 將幾個(gè)分散信號(hào)以相同的支路增益進(jìn)行直接相加 相加后的信號(hào)作為接收信號(hào) 3 最大比合并 使各支路增益分別與本支路的信噪比成正比 再相加獲得接收信號(hào) k為分集的重?cái)?shù) 最大比合并方式性能最好 等增益合并方式次之 最佳選擇方式最差 2020 2 21 第28頁 短波是指波長為100 10m 頻率為3 30MHz 的無線電波 可沿地表面?zhèn)鞑?地波傳播 傳播距離近 可由電離層反射傳播 天波傳播 傳輸幾千千米 至上萬千米 1 傳播路徑電離層離地面高60 600km的大氣層 分D E F1 F2四層 由于D層和F1層在夜晚幾乎完全消失 常存在的是E和F2層 三 隨參信道舉例 1 短波電離層反射信道 2020 2 21 第29頁 2 工作頻率電磁波投射到電離層的入射角 0 當(dāng)垂直入射 0 0 時(shí) 能從電離層反射的最高頻率稱為臨界頻率 記為f0 當(dāng)電磁波以 0角入射時(shí) 能從電離層反射的最高頻率稱為最高可用頻率MUF 當(dāng)工作頻率高于最高可用頻率時(shí) 電磁波將穿透電離層 不再返回地面 由于電離層的電子密度隨晝夜 季節(jié)及年份劇烈地變化 使得最高可用頻率和吸收損耗也相應(yīng)變化 工作頻率需要經(jīng)常更換 當(dāng)電波在這樣的媒質(zhì)中傳播時(shí) 因逐步折射使軌道發(fā)生彎曲 在某一高度將產(chǎn)生全反射 F2層的高度為250 300km 一次反射的最大距離約為4000km 兩次反射通信距離可達(dá)8000km 2020 2 21 第30頁 3 多徑傳播引起多徑傳播的主要原因 1 電波經(jīng)電離層的一次反射和多次反射 2 幾個(gè)反射層高度不同 3 地球磁場引起的電磁波束分裂成尋常波與非尋常波 4 電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象 第一種情況下的路程時(shí)延差最大 可達(dá)幾毫秒 它不僅引起快衰落 而且還會(huì)產(chǎn)生多徑時(shí)延失真 其他三種情況主要的影響是快衰落 快衰落信號(hào)的振幅大體上服從廣義瑞利分布 在工程設(shè)計(jì)按瑞利分布 為了克服快衰落的影響 一般采用分集接收辦法 2020 2 21 第31頁 2 陸地移動(dòng)信道 1 路徑損耗 電波在自由空間傳播中所產(chǎn)生的損耗 反映了無線電波在千米量級(jí)的宏觀大范圍的空間距離上接收信號(hào)場強(qiáng)均值的變化 其衰減特性與距離基站的距離d的n次方成反比 一般n為3 4 主要與用戶終端與基站之間的距離 基站天線的增益和方向 載波的頻率等參數(shù)有關(guān) 其變化速度最慢 2 陰影衰落 又稱為慢衰落 是由于電波傳播環(huán)境中受到地形起伏 建筑物 氣象條件變化等影響而引起的衰落 反映了數(shù)百波長量級(jí)的中等范圍內(nèi)接收信號(hào)場強(qiáng)均值變化 一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布 3 多徑傳播 無線電波在傳播過程中有直射波 地面反射波 還有各種障礙物所引起的散射波 因而到達(dá)接收天線的信號(hào)不是單一路徑來的 而是許多波的合成 不可分辨的多徑造成衰落 可分辨的多徑造成碼間干擾 由于多徑傳播環(huán)境所引起的衰落 反映了數(shù)十波長量級(jí)的微觀小范圍內(nèi)接收信號(hào)場強(qiáng)的瞬時(shí)值呈現(xiàn)快速變化的特點(diǎn) 2020 2 21 第32頁 2 1信道的定義和分類 2 2信道的數(shù)學(xué)模型 2 3恒參信道 2 4隨參信道 2 5信道的加性噪聲 第二章信道 2020 2 21 第33頁 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 白噪聲的功率譜密度函數(shù)為 雙邊譜密度 單邊譜密度 功率信號(hào)的功率譜密度與其自相關(guān)函數(shù)互為傅氏變換對(duì) 2 5信道的加性噪聲 一 白噪聲與有色噪聲 1 白噪聲 2020 2 21 第34頁 高斯白噪聲 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 其一維概率密度函數(shù)可表示為 a為噪聲的數(shù)學(xué)期望值 也就是均值 為噪聲的方差 2 高斯白噪聲 2020 2 21 第35頁 3 白噪聲通過理想低通濾波器的傳輸 白噪聲通過理想低通濾波器后成為矩形的限帶白噪聲 它的功率密度譜為 它的自相關(guān)函數(shù)為抽樣函數(shù) 5 4 3 2 0 2 3 4 5 即在這些點(diǎn)上 隨機(jī)變量互不相關(guān) 2020 2 21 第36頁 加性噪聲雖然獨(dú)立于有用信號(hào) 它卻始終干擾有用信號(hào) 1 信道中加性噪聲的來源1 人為噪聲 來源于人類活動(dòng)造成的其他信號(hào)源 開關(guān)接觸噪聲 工業(yè)的點(diǎn)火輻射及熒光燈干擾等 2 自然噪聲 指自然界存在的各種電磁波源 閃電 大氣中的電暴 銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等 3 內(nèi)部噪聲 是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲 在電阻類的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng) 熱噪聲 真空管中電子的起伏發(fā)射和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化 散彈噪聲 等 2 信道中加性噪聲的分類 從噪聲的確定性分 1 某些類型的噪聲是確知的 例如自激振蕩 各種內(nèi)部的諧波干擾等 在原理上可消除或基本消除 2 另一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其波形 不能預(yù)測(cè)的噪聲統(tǒng)稱為隨機(jī)噪聲 所關(guān)心的 五 信道的加性噪聲舉例 2020 2 21 第37頁 3 隨機(jī)噪聲的分類1 單頻噪聲是一種連續(xù)波的干擾 可視為一個(gè)已調(diào)正弦波 但事先不能預(yù)知的 如外電臺(tái) 占有極窄的頻帶 干擾頻率可實(shí)測(cè) 并不是都存在 比較容易防止 2 脈沖噪聲是在時(shí)間上無規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲 工業(yè)上的點(diǎn)火輻射 閃電及偶然的碰撞和電氣開關(guān)通斷等產(chǎn)生的噪聲 特點(diǎn)是其突發(fā)的脈沖幅度大 但持續(xù)時(shí)間短 且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間往往有較長的安靜時(shí)段 有較寬的頻譜 從甚低頻到高頻 頻率越高 其頻譜強(qiáng)度就越小 對(duì)模擬話音信號(hào)的影響不大 在數(shù)字通信中 一旦出現(xiàn)突發(fā)脈沖 將會(huì)導(dǎo)致一連串的誤碼 3 起伏噪聲是以熱噪聲 散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲 是普遍存在和不可避免的 重點(diǎn) 2020 2 21 第38頁 1 熱噪聲是在電阻一類導(dǎo)體中 自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的噪聲 它是服從高斯分布的 具有均勻的功率譜密度2kTG 其中k為玻耳茲曼常數(shù) k 1 3805 10 23J K T為熱噪聲源的絕對(duì)溫度 G為電阻R的電導(dǎo) 4 起伏噪聲的分類 2020 2 21 第39頁 2 散彈噪聲由真空電子管和半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射的不均勻性引起的 在給定的溫度下 二極管熱陰極每秒發(fā)射的電子平均數(shù)目是常數(shù) 不過電子發(fā)射的實(shí)際數(shù)目隨時(shí)間是變化的和不能預(yù)測(cè)的 發(fā)射電子所形成的電流是在一個(gè)平均值上起伏變化 散彈噪聲是一個(gè)高斯隨機(jī)過程 2020 2 21 第40頁 3 宇宙噪聲指天體輻射波對(duì)接收機(jī)形成的噪聲 它在整個(gè)空間的分布是不均勻的 最強(qiáng)的來自銀河系的中部 其強(qiáng)度與季節(jié) 頻率等因素有關(guān) 在20 3000MHz的頻率范圍內(nèi) 它的強(qiáng)度與頻率的三次方成反比 宇宙噪聲也是服從高斯分布律的 散彈噪聲 熱噪聲 宇宙噪聲都是一種高斯噪聲 且在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度 白噪聲 三種起伏噪聲被近似成高斯白噪聲 接收轉(zhuǎn)換器等效成一個(gè)帶通濾波器 該輸出噪聲稱為帶通噪聲 這種噪聲滿足 窄帶 稱它為窄帶噪聲 帶通濾波器 線性網(wǎng)絡(luò) 輸入端的噪聲是高斯白噪聲 輸出窄帶噪聲應(yīng)是窄帶高斯噪聲 2020 2 21 第41頁 無線信道的頻率范圍與應(yīng)用 2020 2 21 第42頁 本章小結(jié) 狹義信道 廣義信道 信道的數(shù)學(xué)模型 調(diào)制信道 編碼信道 乘性干擾 加性干擾 高斯白噪聲 恒參信道 隨參信道