收藏 分享(赏)

数字通信基础知识.ppt

上传人:czsj190 文档编号:7247205 上传时间:2019-05-10 格式:PPT 页数:53 大小:416.50KB
下载 相关 举报
数字通信基础知识.ppt_第1页
第1页 / 共53页
数字通信基础知识.ppt_第2页
第2页 / 共53页
数字通信基础知识.ppt_第3页
第3页 / 共53页
数字通信基础知识.ppt_第4页
第4页 / 共53页
数字通信基础知识.ppt_第5页
第5页 / 共53页
点击查看更多>>
资源描述

1、第2章 信道与噪声,内容简介,2.1 信道的定义、分类与模型 2.2 恒参信道及其对所传信号的影响 2.3 变参信道及其对所传信号的影响 2.4 信道内的噪声(干扰) 2.5 通信中常见的几种噪声 2.6 信道容量的概念,2.1 信道的定义、分类与模型,2.1.1 信道的定义 信道是指以传输媒质为基础的信号通道。 2.1.2 信道的分类,信道按是否包含转换设备分,狭义信道 广义信道,调制信道 编码信道,有线信道 无线信道,2.1 信道的定义、分类与模型,图 2 1 调制信道和编码信道,2.1.3 信道的模型,1. 调制信道模型 1)调制信道共性:(1) 有一对(或多对)输入端和输出端; (2)

2、 绝大多数的信道都是线性的, 即满足线性叠加原理; (3) 信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间和损耗; (4) 没有信号输入, 输出端有一定的输出(噪声)。 ,1. 调制信道模型,模型时变线性网络,图 2 2 调制信道模型,1. 调制信道模型,对于二对端的信道模型来说,它的输入和输出之间的关系式可表示成,式中, ei(t)输入的已调信号; eo(t)信道输出波形; n(t)信道噪声(或称信道干扰); k(t)表示信道对信号影响(变换)的某种函数关系,(2-2),1. 调制信道模型,调制信道按传输函数k(t)是否恒定分,恒参信道:传输函数不随时间变化(或变化缓慢)随参信道:传输函数随时间随机

3、变化,2. 编码信道模型,1)特点:,无记忆编码信道有记忆编码信道,2)分类:编码信道,2. 编码信道模型,(1)二进制无记忆编码信道模型,图2-3 二进制无记忆编码信道模型,在这个模型里,把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率,具体地把P(0/0)和P(1/1)称为正确转移概率,而把P(1/0)和P(0/1)称为错误转移概率。根据概率性质可知,(2-5),(2-4),2. 编码信道模型,2. 编码信道模型,(2)多进制无记忆编码信道模型,2.2 恒参信道及其对所传信号的影响, 理想恒参信道等效的线性网络传输特性为 其中K0为传输系数,td为时间延迟,它们都是

4、与频率无关的常数。 1) 幅频特性: 2)相频特性: 或群迟延-频率特性:,2.2 恒参信道及其对所传信号的影响,图 2-5 理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延-频率特性,2.2 恒参信道及其对所传信号的影响,2.2.1 幅度频率畸变,图 2-4 典型音频电话信道的相对衰耗,2.2.1 幅度频率畸变,幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的, 这种失真又称为频率失真,属于线性失真。它会使通过它的信号波形产生失真, 若在这种信道中传输数字信号,则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠,造成码间干扰。,2.2.2 相位频率畸变(群迟延畸变),图 2-6 典型电话信道的群迟

5、延特性,2.2.2 相位频率畸变(群迟延畸变),所谓相位频率畸变,是指信道的相位频率特性偏离线性关系所引起的畸变。电话信道的相位频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈,尤其在信道频带的边缘,相频畸变就更严重。 相频畸变对模拟话音通道影响并不显著,这是因为人耳对相频畸变不太灵敏;但对数字信号传输却不然,尤其当传输速率比较高时,相频畸变将会引起严重的码间串扰,给通信带来很大损害。,图 2-7 相移失真前后的波形比较,2.2.2 相位频率畸变(群迟延畸变),2.2.3 减小畸变的措施,恒参信道通常用它的幅度频率特性及相位频率特性来表述。而这两个特性的不理想将是损害信号传输的重要因素。

6、幅度频率特性畸变通常采用幅频均衡措施来改善,均衡的方式有时域和频域均衡两种措施,相位频率特性畸变通常采用相位均衡措施来改善。,2.3 变参信道及其对所传信号的影响,2.3.1 变参信道传输媒质的特点 变参信道传输媒质通常具有以下特点: (1) 对信号的衰耗随时间的变化而变化; (2) 传输时延随时间也发生变化; (3) 具有多径传播(多径效应)。,2.3.2 产生多径效应的分析,图 2-8 多径传播示意图,2.3.2 产生多径效应的分析,1.瑞利型衰落我们假设发送信号为单一频率正弦波,即为 ,则经过n条路径传播后的接收信号 为 式中, 总共n条多径信号中第i条路径到达接收端的随机幅度; 第i条

7、路径对应于它的延迟时间;,(2-11),其中,a(t)是多径信号合成后的包络, 即,(2-12),而(t)是多径信号合成后的相位, 即,(2-13),1.瑞利型衰落,1.瑞利型衰落,结论:(1) 多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号,这种信号称为衰落信号,即多径传播使信号产生瑞利型衰落,属于慢衰落; (2) 从频谱上看, 多径传播使单一谱线变成了窄带频谱, 即多径传播引起了频率弥散。,2.频率选择性衰落,假定只有两条传输路径,且认为接收端的幅度与发端一 样,只是在到达时间上差一个时延。若发送信号为f(t),它的频谱为F() ,则合成信道的传输函数为H()的幅频特性为,(

8、2-19),(2-20),2.频率选择性衰落,图 2-9 两条路径传播时选择性衰落特性,2.频率选择性衰落,对于信号不同的频率成分,信道将有不同的衰减。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。 特别是当信号的频谱宽于 时,某些频率分量会被信道衰减到零, 造成严重的频率选择性衰落。 对于一般的多径传播,信道的传输特性将复杂得多,但同样存在频率选择性衰落现象。设信道最大多径时延差为m,则定义多径传播信道的相关带宽为 。,2.3.3 变参信道特性的改善,常采用变参信道特性的改善措施有抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、 功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。其中分集接收技术是

9、一种有效的抗衰落技术,已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。 1.分集接收方式常用的分集接收方式有如下几种:1)空间分集; 2)频率分集; 3)时间分集;4)角度分集; 5)极化分集。,1.分集接收方式,1) 空间分集空间分集是接收端在不同的位置上接收同一个信号,只要各位置间的距离大到一定程度,则所收到信号的衰落是相互独立的。因此,空间分集的接收机至少需要两副间隔一定距离的天线。 为了使接收到的多个信号相互独立, 接收端各接收天线之间的间距应满足 d100, d为接收端各接收天线之间的间距,为工作频率的波长。通常,分集天线数(分集重数)越多,性能改善越好。但当分集重数多到一定数时,分集重数

10、继续增多,性能改善量将逐步减小。因此,分集重数在 24 重比较合适。,1.分集接收方式,2)频率分集频率分集是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送,只要载波频率之间的间隔大到一定程度,则接收端所接收到信号的衰落是相互独立的。在实际中,当载波频率间隔大于相关带宽时,则可认为接收到信号的衰落是相互独立的。因此,载波频率的间隔应满足fBc = m 式中,f为载波频率间隔,Bc为相关带宽,m为最大多径时延差。 ,1.分集接收方式,3. 时间分集时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发, 只要各次发送的时间间隔足够大,则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。时间分集主要用于在衰落信道中传输

11、数字信号。 在移动通信中,多普勒频移的扩散区间与移动台的运动速度及工作频率有关。因此,为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性,重复发送的时间间隔应满足,2合并方法,各分散的合成信号进行合并的方法通常有:1)最佳选择式:选择其中信噪比最大的那一路信号作为合并器的输出;2)等增益相加式:将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加,相加后的信号作为接收信号;3)最大比值相加式:控制各支路增益,使它们分别与本支路的信噪比成正比,然后再相加获得接收信号。,图 2-10 三种合并方式的比较,2合并方法,2.4 信道内的噪声(干扰),1.从噪声的来源来看: 无线电噪声; (2) 工业噪声; (3) 天

12、电噪声; (4) 内部噪声。 2. 从噪声性质来区分可有: (1)单频噪声。 (2) 脉冲干扰。 (3) 起伏噪声。,2.5 通信中常见的几种噪声,2.5.1 白噪声理想的白噪声功率谱密度通常被定义为 式中n0的单位是W/Hz。白噪声的自相关函数为,图 2-11 理想白噪声的功率谱密度和自相关函数,2.5.1 白噪声,1.定义:所谓高斯(Gaussian)噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声, 可用数学表达式表示成,式中,a为噪声的数学期望值,也就是均值;2为噪声的方差;exp(x)是以e为底的指数函数。通常,通信信道中噪声的均值a=0,均值为零时,噪声的平均功率等于噪

13、声的方差。,(2-25),2.5.2 高斯噪声,2.高斯分布的密度函数的特点:(1) p(x)对称于x=a直线;(2) p(x)在(-, a)内单调上升,在(a, +)内单调下降, 且在点a处达到极大值,当x时 。(3) 。(4) 对不同的a,表现为p(x)的图形左右平移;对不同的,p(x)的图形将随的减小而变高和变窄。(5)当a=0, =1时,则称为标准化的正态分布,这时即有,2.5.2 高斯噪声,图 2-12 高斯分布的密度函数,2.5.2 高斯噪声,3)正态概率分布函数F(x),(2-34),2.5.2 高斯噪声,式中,(x)称为概率积分函数,简称概率积分。,正态概率分布函数还经常表示成

14、与误差函数相联系的形式,所谓误差函数,它的定义式为,(2-36),互补误差函数,(2-37),2.5.2 高斯噪声,2.5.3 高斯型白噪声,所谓高斯白噪声是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性,同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。值得注意的是高斯型白噪声,它是对噪声的两个不同方面而言的, 即对概率密度函数和功率谱密度函数而言的,不可混淆。,2.5.4 窄带高斯噪声,当高斯噪声通过以c为中心角频率的窄带系统时,就可形成窄带高斯噪声。所谓窄带系统是指系统的频带宽度B比起中心频率来小得很多的通信系统,即Bfc=c/2的系统。基于此, 随机噪声通过窄带系统后, 可表示为,图 2-13 窄带高

15、斯噪声的频谱及波形,2.5.4 窄带高斯噪声,结论:(1) 一个均值为零的窄带高斯噪声n(t),假定它是平稳随机过程,则它的同相分量nI(t) 和正交分量nQ(t)也是平稳随机过程,且均值也都为零,方差也相同。(2) 窄带高斯噪声的随机包络服从瑞利分布。(3) 窄带高斯噪声的相位服从均匀分布。,2.5.4 窄带高斯噪声, 在通信系统性能分析中,常有余弦信号加窄带高斯噪声的形式,即Acost+n(t)形式。 (1) 余弦信号和窄带高斯噪声的随机包络服从广义瑞利分布(也称莱斯(Rice)分布)。若信号幅度A0时,其随机包络服从瑞利分布。 (2) 余弦信号加窄带高斯噪声的随机相位分布与信道中的信噪比

16、有关,当信噪比很小时, 它接近于均匀分布。,2.5.5 余弦信号加窄带高斯噪声,2.6 信道容量的概念,信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。 1.离散信道的信道容量:一般用转移概率来描述。 2.连续信道的信道容量在实际的有扰连续信道中,当信道受到加性高斯噪声的干扰时,且当信道传输信号的功率和信道的带宽受限时,则可依据高斯噪声下关于信道容量的香农(Shannon)公式。,设信道(调制信道)的输入端加入单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声,信道的带宽为B(Hz),信号功率为S(W),则通过这种信道无差错传输的最大信息速率C为,(2-50),2.6 信道容量的概念,结论:

17、(1) 在给定B、S/N的情况下,信道的极限传输能力为C,如果信源的信息速率R小于或等于信道容量C,那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的差错概率通过信道传输;如果R大于C, 则无差错传输在理论上是不可能的。通常把实现了极限信息速率传输(即达到信道容量值)且能做到任意小差错率的通信系统称为理想通信系统。香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”,却没有指出具体的实现方法。 因此, 理想系统常常只作为实际系统的理论界限。,2.6 信道容量的概念,(2) 若信号功率S趋于无穷大时,则信道容量C也趋于无穷大;若噪声功率N趋于零(或n0趋于零),则信道容量趋于无穷大。这两种方法均无法实现。增大

18、信道带宽B可以增加信道容量C,但不能使信道容量C无限制地增大。当信道带宽B趋于无穷大时,信道容量C的极限值为,2.6 信道容量的概念,(3) 当信道容量保持不变时,信道带宽B、信号噪声功率比S/N及传输时间三者是可以互换的。若增加信道带宽,可以换来信号噪声功率比的降低,反之亦然。如果信号噪声功率比不变,那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少,反之亦然。当信道容量C给定时,B1、S1/N1和B2、S2/N2分别表示互换前后的带宽和信号噪声比, 则有,2.6 信道容量的概念,当维持同样大小的信号噪声功率比S/N时,给定的信息量I=TB ln(1+S/N)(C=I/T,T为传输时间)可以用不同带宽B和传输时间T来互换。若T1、B1和T2、B2分别表示互换前后的传输时间和带宽, 则有,2.6 信道容量的概念,

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索
资源标签

当前位置:首页 > 企业管理 > 管理学资料

本站链接:文库   一言   我酷   合作


客服QQ:2549714901微博号:道客多多官方知乎号:道客多多

经营许可证编号: 粤ICP备2021046453号世界地图

道客多多©版权所有2020-2025营业执照举报