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1、第二章信道自动化第一页，本课件共有68页一 信道的定义和分类 信道是指以传输媒质为基础的信号通道信道是指以传输媒质为基础的信号通道 狭义信道狭义信道:仅包含信号的传输媒质，仅包含信号的传输媒质，广广义义信信道道：除除了了传传输输媒媒质质以以外外，还还包包括括通信系统中的一些转换装置，通信系统中的一些转换装置，第二页，本课件共有68页狭狭义义信信道道按按照照传传输输媒媒质质的的特特性性可可分分为为有有线线信信道道和和无无线信道两类。线信道两类。有线信道包括：有线信道包括：明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。无线信道包括：无线信道包括：地地波波传传播播、短短波波电电
2、离离层层反反射射、超超短短波波或或微微波波视视距距中中继、人造卫星中继、散射及移动无线信道等。继、人造卫星中继、散射及移动无线信道等。第三页，本课件共有68页有线电信道常指双绞线、同轴电缆、架空明线、多芯电缆和光纤双绞线由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线绞合而成。绞合为了减少对邻近线对的电磁干扰。为提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织的屏蔽层第四页，本课件共有68页同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成(如图所示)。同轴电缆具有高带宽和较好的抗干扰特性。按特性阻抗不同，分为50和75两种。第五
3、页，本课件共有68页光导纤维由于可见光的频率非常高，光纤的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。光纤呈由芯、封套和外套三部分组成(如图所示)。芯是最中心的部分，由一条或多条玻璃或塑料纤维构成，每根纤维都有封套。由于封套涂层的折射率比芯线低，可使光波保持在芯线内。环绕一束或多束有封套纤维的外套，以防湿气侵入并可防止磨损或挤压等伤害。第六页，本课件共有68页无线电视距中继工作频率在超短波和微波波段时电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路相邻中继站间距离：4050Km第七页，本课件共有68页卫星中继信道由通信卫星、地球站构成上行线路及下行线路
4、，是无线电中继的一种特殊形式第八页，本课件共有68页广义信道广义信道除了包括传输媒质外，还包括通除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置：信系统有关的变换装置：这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。天线、调制器、解调器等等。这相当于在狭义信道的基础上，这相当于在狭义信道的基础上，扩大了信扩大了信道的范围。它的引入主要是从研究信息传输道的范围。它的引入主要是从研究信息传输的角度出发，使通信系统的一些基本问题研的角度出发，使通信系统的一些基本问题研究比较方便。究比较方便。广义信道按照它包括的功能，可以分为广义信道按照它包括
5、的功能，可以分为调制调制信道信道、编码信道编码信道等等第九页，本课件共有68页信源信源编码器编码器信宿信宿译码器译码器媒媒 介介发转换器发转换器调制器调制器收转换器收转换器解调器解调器调制调制信道信道编码编码信道信道第十页，本课件共有68页二 信道的数学模型2.1 2.1 调制信道模型调制信道模型（1 1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；有一对（或多对）输入端和一对（或多对）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绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理(3(3）信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；（4 4）信
6、号通过信道会受到固定的或时变的损耗；信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；（5 5）即即使使没没有有信信号号输输入入，在在信信道道的的输输出出端端仍仍可可能能有有一一定定的的输输出出（噪声）。（噪声）。第十一页，本课件共有68页线性网络ei(t)eo(t)恒恒参参信信道道：信信道道参参数数不不随随时时间间变变化化，即即信信道道参参数是固定的或变化极为缓慢的。数是固定的或变化极为缓慢的。随参信道：信道参数随时间随机快速变化。随参信道：信道参数随时间随机快速变化。第十二页，本课件共有68页2.2 2.2 二进制编码信道模型二进制编码信道模型编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，因此
7、它所关心的是所传输的数字信号通过信道以后是否发生错误的及发生错误的概率，编码信道的数学模型可用数字信号的转移概率来表征。无记忆编码信道：数字信号的差错是独立的，即前一码元的差错对后面的码元没有影响。有记忆编码信道：前一码元的差错对后面的码元有影响。第十三页，本课件共有68页第十四页，本课件共有68页三、恒参信道信道的参数不随时间变化:如加性噪声信道r(t)=KS(t)+n(t)KS(t)n(t)r(t)第十五页，本课件共有68页AWGN第十六页，本课件共有68页线性滤波信道：S(t)n(t)r(t)c(t)恒参信道是一个非时变线性网络，该网络的传输特性可用幅度-频率及相位-频率特性来表示。r(
8、t)=c(t)*s(t)+n(t)第十七页，本课件共有68页所所谓谓幅幅度度-频频率率特特性性是是指指：网网络络对对不不同同频频率信号幅度衰减率信号幅度衰减(或增益或增益)特性特性1234f(KHz)|H(f)|02468衰减(dB）K第十八页，本课件共有68页相位-频率特性：网网络络对对不不同同频频率率信信号号的的相相位位延延迟迟特特性性。为为了了实实现现无无失失真真的的信信号号传传输输，除除了了要要求求满满足足幅幅频频特特性性为为常常数数外外，还还要要求求信信道道的的相相位位和和频频率率呈呈线线性性关关系系，即有：即有：()K0K()0第十九页，本课件共有68页四、变参信道四、变参信道变参
9、信道的参数随时间变化 线性时变滤波信道S(t)n(t)r(t)第二十页，本课件共有68页电离层发收(a)多径传播:由一点出发的电波可能经多条路径到达接收点。T Tm m最大延迟扩展最大延迟扩展:主径信号与多径成分到达接收点的最大时间差主径信号与多径成分到达接收点的最大时间差第二十一页，本课件共有68页第二十二页，本课件共有68页时变多径信道衰落：由信道的时变特性而引起的信号幅度的起伏、波动第二十三页，本课件共有68页传播距离 信号幅度第二十四页，本课件共有68页衰落信道分类频率选择性衰落信道：信道对信号的所有频率成分衰落特性不同非频率选择性衰落信道信道对信号的所有频率成分衰落特性相同相同相干带
10、宽：相干带宽：在信道中衰落特性连续一致的频率范围在信道中衰落特性连续一致的频率范围B:信号带宽第二十五页，本课件共有68页频率频率频率幅度幅度幅度频率选择性衰落与非频率选择性衰落信道频率选择性衰落信道信道对信号的所有频率成分衰落不同非频率选择性衰落信道信号信道响应第二十六页，本课件共有68页快衰落与慢衰落快衰落信道:信号脉冲宽度大于相干时间相干时间(t)c：与通信终端移动性有关的参数 信道的衰落特性保持不变的时间间隔信道的衰落特性保持不变的时间间隔慢衰落慢衰落:(t)cTBd:最大多普勒频移第二十七页，本课件共有68页时间幅度幅度时间快衰落与慢衰落信道的衰落速度大于信号脉冲的重复频率时称为快衰
11、落信道慢衰落第二十八页，本课件共有68页现代通信系统中的抗衰落技术分集接收：接收机接收同一个信号的多个副本，他们同时处于深衰落的概率会大大降低。时间分集 CDMA,GSM空间分集 MIMO频率分集 GSM 不移动或慢移动，OFDM编码交织第二十九页，本课件共有68页五、随机过程5.1 几种常用的概率分布正态分布（高斯分布）方差为s2它的均值为mx第三十页，本课件共有68页（1 1）误差函数和互补误差函数。误差函数和互补误差函数。它是自变量的递增函数，它是自变量的递增函数，erf(0)=0erf(0)=0，erf()=1erf()=1，且且erf(-x)=-erf(x)erf(-x)=-erf(
12、x)。我们称我们称1-erf(x)1-erf(x)为为互补误差函数互补误差函数，记为，记为erfc(x),erfc(x),即即 它它是是自自变变量量的的递递减减函函数数，erfc(0)=1erfc(0)=1，erfc()=0erfc()=0，且且erfc(-erfc(-x)=2-erfc(x)x)=2-erfc(x)。误差函数的定义式为误差函数的定义式为第三十一页，本课件共有68页 （2）Q函数。Q函数是一种经常用于表示高斯曲线下尾部的面积的函数，其定义为Q函数与互补误差函数的关系为第三十二页，本课件共有68页Q数中的自变量t与正态分布概率密度函数的自变量x 的关系为：互补误差函数中的自变量t
13、与正态分布概率密度函数的自变量x 的关系为：第三十三页，本课件共有68页均匀分布、E(X)=(a+b)/2D(X)=(a-b)2/12ab1/(b-a)P(x)x第三十四页，本课件共有68页瑞利分布如果x、y 是正态分布的随机变量，它们具有相同的方差，均值为0，则,随机变量：的分布称为瑞利分布，其概率密度函数为：瑞利分布最常见的应用是描述复高斯随机变量的幅度分布。其分布曲线如图所示第三十五页，本课件共有68页f(x)x0第三十六页，本课件共有68页莱斯分布如果构成瑞利分布的两个随机变量的均值不为0，分别为mx、my。此时随机变量R的分布称为莱斯分布。其概率密度函数为：其中其分布曲线如图所示I0
14、(x)为0阶贝塞尔函数第三十七页，本课件共有68页 随机过程：一个幅度随机变化的时间函数，它不能用确切的时间函数来表达。过程是指时间t的函数。也可以将随机过程看成是在时间进程中处于不同时刻的随机变量的集合。随机过程同时具有随机变量和时间函数的特点。5.2 随机过程的基本概念第三十八页，本课件共有68页第三十九页，本课件共有68页5.2.1 5.2.1 随机过程的统计特性随机过程的统计特性1、表达式 用分布函数或概率密度函数来描述。（1）分布函数 F1(x1,t1)-随机过程X(t)的一维分布函数。X(t)-一个随机过程；X(t1)-t1时刻的随机变量；PX(t1)x1-随机变量X(t1)小于或
15、等于某个 数值x1的概率。第四十页，本课件共有68页（2）一维概率密度函数一维概率密度函数描述了随机过程在各个孤立点上的统计特性。（3）二维分布函数：F2(x1,x2;t1,t2)=PX(t1)x1,X(t2)x2（4）二维概率密度函数物理意义？第四十一页，本课件共有68页1 均值函数 设随机过程(t)在任意给定时刻t1的取值(t1)是一个随机变量，其概率密度函数为f(x1,t1)，则(t1)的数学期望为5.2.2 5.2.2 随机过程的数字特征随机过程的数字特征注意注意，这里t1是任取任取的，所以可以把t1直接写为t,x1改为x,这时上式就变为随机过程在任意时刻的数学期望，记作m(t)，于是
16、称为随机过程(t)的均值函数第四十二页，本课件共有68页2.2.方差函数方差函数第四十三页，本课件共有68页相关函数定义为:t1与t2是任取的两个时刻；f(x1,x2;t1,t2)为二维概率密度函数。3.3.相关函数相关函数第四十四页，本课件共有68页5.2.3 5.2.3 平稳随机过程平稳随机过程所谓平稳随机过程，是指它的统计特性不随时间的推移而变化。设随机过程(t)，tT,若对于任意n和任意选定t1t2tn,tkT，k=1,2,n，以及h为任意值，且x1,x2,xnR，有fn(x1,x2,xn;t1,t2,tn)=fn(x1,x2,xn;t1+h,t2+h,tn+h)则称(t)是严平稳随机
17、过程。或狭义平稳随机过程。第四十五页，本课件共有68页5.2.3.1 5.2.3.1 宽平稳随机过程：宽平稳随机过程：则称(t)是宽平稳随机过程自相关函数仅是时间差的函数如果随机过程的均值函数为常数，第四十六页，本课件共有68页平稳随机过程相关函数的性质x(t)是实平稳随机过程,Rx()是其自相关函数:Rx(0)=Ex2(t),若x(t)是电流或电压,x2(t)是它在 1ohm电阻上的瞬时功率,Rx(0)是其统计平均功率.Rx()=Rx(-)Rx()Rx(0)一般可以认为|-时,x(t)与x(t+)相互独立,所以若Ex(t)=0,则有:第四十七页，本课件共有68页 假设x(t)是平稳随机过程(
18、t)的任意一个实现，它的时间均值和时间相关函数分别为：5.2.3.2 5.2.3.2 各态历经（遍历）随机过程各态历经（遍历）随机过程如果满足：则称该平稳随机过程具有各态历经性第四十八页，本课件共有68页5.2.4 平稳随机过程的功率谱密度确定信号：非周期有限能量信号 频谱可用傅里叶变换求得 周期信号，能量无穷大，可用傅里叶级数求得第四十九页，本课件共有68页 平稳随机过程的功率谱密度平稳随机过程的功率谱密度S()与其自相关函数R()是一对傅里叶变换关系:物理意义：单位带宽内的信号功率（W/Hz/s限带噪声功率计算：第五十页，本课件共有68页即系统输出功率谱密度等于输入功率谱密度SX()与系统
19、传输函数|H()|2的乘积。5.2.5 平稳随机过程通过线性系统第五十一页，本课件共有68页随机过程通过乘法器第五十二页，本课件共有68页由于输出过程与时间有关，所以不是不是平稳程。第五十三页，本课件共有68页输出过程的功率谱密度输出过程的功率谱密度为第五十四页，本课件共有68页六 信道的加性噪声 噪声，从广义上讲是指通信系统中有用信号以外的有害干扰信号。通常把周期性的、规律的有害信号称做干扰；而把其它有害的信号称做噪声。信道中加性噪声(简称噪声)主要来源于三个方面：（1）人为噪声，（2）自然噪声，（3）内部噪声第五十五页，本课件共有68页6.1 白噪声白噪声是指它的功率谱密度功率谱密度在全频
20、域全频域(,）是常数常数,即：Sn（f）f0Rn（）0第五十六页，本课件共有68页6.2 窄带高斯噪声tn(t)Sn()00-0W窄带网络白噪声H()窄带噪声n(t)第五十七页，本课件共有68页nC(t)称为n(t)的同相分量，nS(t)称为n(t)的正交分量 第五十八页，本课件共有68页窄带噪声的包络和相位可分别表示为 窄带高斯噪声nc(t)和ns(t)的功率谱与n(t)的功率谱之间有如下关系第五十九页，本课件共有68页七、信道容量：(1)增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即(2)减小噪声功率N(或减小噪声功率谱密度n0)可以增加信道容量，若噪声功
21、率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大，即：第六十页，本课件共有68页(3)增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为(4)信道容量C是信道传输的极限速率时，由于C=I/T,I为信息量,T为传输时间,根据香农公式 第六十一页，本课件共有68页h1(t)h2(t)h3(t)z-t1z-t2x(t)y(t)第六十二页，本课件共有68页第六十三页，本课件共有68页第六十四页，本课件共有68页第六十五页，本课件共有68页t第六十六页，本课件共有68页0 xf(x)erf(x)1/2erfc(x)第六十七页，本课件共有68页f(x)Q(x)0 x第六十八页，本课件共有68页