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1、通信原理课件通信原理课件1第一章第一章绪论绪论1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.3 1.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量1.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 通信原理课件通信原理课件2传统通信手段传统通信手段?现代通信手段现代通信手段?通信的目的通信的目的?传递传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息通信原理课件通信原理课件31.2通信系统的组成通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型通信系统的一般模型 我们把实现信息传输所需一切设备和传输我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构
2、成的总体称为通信系统媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，通信系统的一般模型以点对点通信为例，通信系统的一般模型如下图所示：如下图所示：通信原理课件通信原理课件4图1-1通信系统的一般模型模拟、数字模拟、数字产生适合于信道传输的信号产生适合于信道传输的信号增强抗干扰能力增强抗干扰能力增大传输距离增大传输距离集中表示集中表示反变换，正确还原出原始电信号反变换，正确还原出原始电信号还原出原始信号还原出原始信号通信原理课件通信原理课件5消息的分类：连续消息连续消息状态连续变化（语音）离散消息离散消息状态是离散的、可数的（数字）电信号的分类：模拟信号模拟信号参量取值连续（抽样信号）数字信号数
3、字信号参量尽可能取有限个值（2PSK）载载体体寄托在电信号的某一参量上寄托在电信号的某一参量上通信系统的分类：模拟通信系统模拟通信系统数字通信系统数字通信系统通信原理课件通信原理课件6调制器调制器解调器解调器信号放大频谱搬移频谱搬移消除噪声影响通信原理课件通信原理课件71.2.3数字通信系统模型数字通信系统模型数数字字通通信信系系统统是是利利用用数数字字信信号号来来传传递递信信息息的的通通信信系系统统。数数字字通通信信系系统统可可进进一一步步细细分分为为数数字字频频带带传传输输通通信信系系统统和和数数字字基基带带传输通信系统传输通信系统。一、数字频带传输通信系统一、数字频带传输通信系统数数字字
4、频频带带传传输输通通信信系系统统如如书书P4图图1-5所示。所示。通信原理课件通信原理课件8信号的模数转换提高信息传输的有效性（减少码元数目、降低码元速率）增强数字信号的抗干扰能力通信原理课件通信原理课件9二、数字基带传输通信系统二、数字基带传输通信系统与与频频带带传传输输系系统统相相对对应应，我我们们把把没没有有调调制制器器/解解调调器器的的数数字字通通信信系系统统称称为为数数字字基基带带传传输输通通信信系系统统，如图所示：如图所示：图图1-4数字基带传输系统模型数字基带传输系统模型通信原理课件通信原理课件10三、三、数字通信的主要特点数字通信的主要特点数数字字通通信信更更能能适适应应现现代
5、代社社会会对对通通信信技技术术越越来来越越高高的的要要求求，数数字字通通信信技技术术已已成成为为当当代代通通信信技技术术的的主流。与模拟通信相比，它有如下优点：主流。与模拟通信相比，它有如下优点：1、抗干扰、抗噪声性能好抗干扰、抗噪声性能好接接收收端端可可以以利利用用码码元元判判决决对对码码元元信信号号重重新新还还原。原。通信原理课件通信原理课件112、差错可控差错可控数数字字信信号号在在传传输输过过程程中中出出现现的的错错误误（差差错错），可通过纠错编码技术来控制。可通过纠错编码技术来控制。3、易加密易加密数数字字信信号号与与模模拟拟信信号号相相比比，容容易易加加密密和和解解密密。因此，数字
6、通信保密性好。因此，数字通信保密性好。4、数数字字通通信信设设备备和和模模拟拟通通信信设设备备相相比比，设设计计和和制造更容易，体积更小，重量更轻。制造更容易，体积更小，重量更轻。5、数数字字信信号号可可以以通通过过信信源源编编码码进进行行压压缩缩，以以减减少冗余度，提高信道利用率。少冗余度，提高信道利用率。通信原理课件通信原理课件121.3通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式通信原理课件通信原理课件133、通信原理课件通信原理课件14表表1.3-1通信频段通信频段、常用传输媒质及主要用途常用传输媒质及主要用途通信原理课件通信原理课件154、按调制方式分类、按调制方式分类根根据据信信道
7、道中中传传输输的的信信号号是是否否经经过过调调制制，可可将将通通信信系系统统分分为为基基带带传传输输系系统统和和频频带带（调调制制）传传输输系系统统。基基带带传传输输是是将将没没有有经经过过调调制制的的信信号号直直接接传传送送；频频带带传传输输是是对对基基带带信信号号调调制制后后再再送送到到信信道道中中传传输输。常常用用的的调调制制方方式式及及相相关关理理论论将将在在后面的章节详细介绍。后面的章节详细介绍。5、按通信业务类型分类、按通信业务类型分类根根据据通通信信业业务务类类型型的的不不同同，通通信信系系统统可可分分为为电电报报通通信信系系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等。统、电
8、话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等。6、按信号复用方式分类、按信号复用方式分类按按信信号号复复用用方方式式，通通信信系系统统又又可可分分为为频频分分复复用用（FDM）通通信信系系统统、时时分分复复用用（TDM）通通信信系系统统和和码码分分复复用用（CDM）通信系统通信系统等。等。通信原理课件通信原理课件161.3.2通信方式通信方式1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式对对于于点点对对点点之之间间的的通通信信，按按信信息息传传送送的的方方向向与与时时间间关关系系，通通信信方方式式可可分分为为单单工工通通信信、半半双双工工通通信信及及全全双双工工
9、通通信信三种三种。单单工工通通信信是是指指信信息息只只能能单单方方向向进进行行传传输输的的一一种种通通信信工工作作方方式式，如如图图1-5（a）所所示示。单单工工通通信信的的例例子子很很多多，如如广广播播、遥遥控控、无无线线寻寻呼呼等等。这这里里，信信号号只只从从广广播播发发射射台台、遥遥控控器器和和无无线线寻寻呼呼中中心心分分别别传传到到收收音音机机、遥遥控控对对象象和和BP机上。机上。半半双双工工通通信信是是指指通通信信双双方方都都能能收收发发信信息息，但但不不能能同同时时进进行行收收和和发发的的工工作作方方式式，如如图图1-5（b）所所示示。例例如如无无线线对对讲机、收发报机等都是这种通
10、信方式。讲机、收发报机等都是这种通信方式。通信原理课件通信原理课件17全全双双工工通通信信是是指指通通信信双双方方可可同同时时进进行行双双向向传传输输信信息息的的工工作作方方式式，如如图图1-5（c）所所示示。例例如如普普通通电电话话、计计算算机机通通信信网络等采用的就是全双工通信方式。网络等采用的就是全双工通信方式。图图1-5通信方式示意图通信方式示意图通信原理课件通信原理课件182、按数字信号码元排列方式划分通信方式、按数字信号码元排列方式划分通信方式在在数数字字通通信信中中按按照照数数字字码码元元排排列列顺顺序序的的方方式式不不同同，可可将将通信方式分为串行传输和并行传输通信方式分为串行
11、传输和并行传输。并并行行传传输输是是将将代代表表信信息息的的数数字字信信号号码码元元序序列列分分割割成成两两路路或或两两路路以以上上的的数数字字信信号号序序列列同同时时在在信信道道上上传传输输，则则称称为为并并行行传传输输通通信信方方式式，如如图图1-6（a）所所示示。并并行行传传输输的的优优点点是是速速度度快快、节节省省传传输输时时间间，但但需需占占用用频频带带宽宽，设设备备复复杂杂，成成本本高高，故故较较少少采采用用，一一般般适适用用于于计计算算机机和和其其他他高高速速数数字字系系统，特别适用于设备之间的近距离通信。统，特别适用于设备之间的近距离通信。串串行行传传输输是是将将代代表表信信息
12、息的的数数字字信信号号码码元元序序列列按按时时间间顺顺序序一一个个接接一一个个地地在在信信道道中中传传输输，如如图图1-6（b）所所示示。通通常常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。通信原理课件通信原理课件19图图1-6并行和串行通信方式并行和串行通信方式通信原理课件通信原理课件203、按照网络结构划分通信方式、按照网络结构划分通信方式通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型等类型。等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的
13、通信属于网通信。多点间的通信属于网通信。网络通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论网络通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论点对点通信点对点通信的原理。的原理。通信原理课件通信原理课件21通信原理课件通信原理课件221.4信息及其度量信息及其度量通信的目的在于传输消息中的信息通信的目的在于传输消息中的信息消息消息信息信息通信系统中传输信息的多少采用通信系统中传输信息的多少采用“信息量信息量”来度量来度量通信原理课件通信原理课件23信息的特点：信息的特点：一般情况下，消息越多，则包含的信息量越大；消息越不可能，信息量越大。通信原理课件通信原理课件24信息的度量信息的度量：信息量的大小
14、与事件发生的概率有关（三条规律信息量的大小与事件发生的概率有关（三条规律）消息中所含的信息量I是出现该消息的概率P(x)的函数，即：I=IP(x)消息出现的概率与其包含的信息量成反比关系，当P(x)=1时I=0；当P(x)趋近于0时I趋近于无穷大若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即：IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+通信原理课件通信原理课件25推导出推导出I与与P(x)的的函数关系为：函数关系为：若若对数以对数以2为底时单位是为底时单位是“比特比特”bit若以若以e为底时单位是为底时单位是“奈特奈特”nat若以若以10为底时单位是为底时单位是“
15、哈特哈特”hart下面以消息的不同种类分别进行讨论下面以消息的不同种类分别进行讨论通信原理课件通信原理课件261.4.1离散消息的度量离散消息的度量等概情况下离散消息的度量等概情况下离散消息的度量例1-1设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为？例1-2有两个相互独立的消息，且每一个消息出现的概率相同，求每个消息所包含的信息量？从上面的两个例子中可以看出发送这样的一个消息从上面的两个例子中可以看出发送这样的一个消息等同于发送一个二进制的波形等同于发送一个二进制的波形通信原理课件通信原理课件27结论结论若要传送若要传送M个个相互独立且等概出现的消息中相
16、互独立且等概出现的消息中的一个的一个，等价于传送一个等价于传送一个M进制的波形进制的波形问题问题M(M=2k)进制的每一个波形所包含的信息量进制的每一个波形所包含的信息量是二进制每个波形包含信息量的几倍？是二进制每个波形包含信息量的几倍？通信原理课件通信原理课件28非等概情况下离散消息的度量非等概情况下离散消息的度量设离散信息源是由n个符号组成的集合，称为符号集。该符号集中各符号xi在消息中按一定概率P(xi)相互独立出现，该符号集表示为：且且通信原理课件通信原理课件29则每个符号所包含的信息量分别为：那么可以推导出每个符号所包含信息量的统计平均值，即平均信息量为：H(x)H(x)称为信息源的
17、熵称为信息源的熵通信原理课件通信原理课件30问：什么情况下信息源的熵具有最大值？最大值为多少？当信息源中每个符号相互独立等概出现时，熵具有最大值（假设信息源中共有M个符号）例题例题：书：书P11页页例例1-2通信原理课件通信原理课件311.4.2连续消息的度量连续消息的度量连续消息的信息量用概率密度来描述；连续消息的信息量用概率密度来描述；连续消息的平均信息量为：连续消息的平均信息量为：f(x)：概率密度函数概率密度函数通信原理课件通信原理课件32练习题：书15页1、2、3、5通信原理课件通信原理课件331.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 是设计和评价通信系统的主要依据是设计和
18、评价通信系统的主要依据有效性有效性可靠性可靠性有效性：有效性：指消息传输的指消息传输的“速度速度”问题问题可靠性：可靠性：主要是指消息传输的主要是指消息传输的“质量质量”问题问题互为矛盾通信原理课件通信原理课件341.5.1模拟通信系统的主要性能指标模拟通信系统的主要性能指标有效性指标有效性指标:所传信号占用的有效传输带宽。所传信号占用的有效传输带宽。例如：话音通信系统话音信号采用单边带调幅，占用带宽4KHz话音信号采用宽带调频，占用带宽48KHz模拟通信系统的传输有效性与系统采用的调制方式有关模拟通信系统的传输有效性与系统采用的调制方式有关所以：通信原理课件通信原理课件35可靠性指标可靠性指
19、标:用整个通信系统的用整个通信系统的输出信噪比输出信噪比来衡量。来衡量。信号的平均功率信号的平均功率S噪声的平均功率噪声的平均功率N输出信噪比输出信噪比=与采用的调制和与采用的调制和解调方式有关解调方式有关例：调幅与调频加性噪声：始终存在加性噪声：始终存在乘性噪声：随信号消乘性噪声：随信号消失而消失失而消失通信原理课件通信原理课件361.5.2数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标基础知识：数字通信中信号是如何表示的？因为数字信号均为离散的因为数字信号均为离散的所以其不同的状态可以用（二进制所以其不同的状态可以用（二进制）数字表示数字表示例：具有四种状态的数字信号具有七种状态的数
20、字信号2位二进制数字3位二进制数字通信原理课件通信原理课件37数字通信系统中数字通信系统中通常用时间间隔相同的脉冲波型来表示一个二进制数字通常用时间间隔相同的脉冲波型来表示一个二进制数字ttI/VT“1”I/VT“0”时间间隔T：码元长度通信原理课件通信原理课件38一、有效性指标一、有效性指标用用传输速率传输速率和和频带利用率频带利用率来表征来表征1、传输速率、传输速率传输速率有两种表示方法：传输速率有两种表示方法：传码率传码率RB单位时间内传输码元的数目，单位是波单位时间内传输码元的数目，单位是波特（特（Baud），），记为记为B。传信率传信率Rb指系统每秒钟传送的信息量，单位是比指系统每秒
21、钟传送的信息量，单位是比特特/秒，常用符号秒，常用符号“bit/s”或或“bps”表示。表示。T:码元长度，单位秒码元长度，单位秒通信原理课件通信原理课件39传码率与传信率的转换传码率与传信率的转换当离散信源每一个符号等概出现时，熵具有最大值，当离散信源每一个符号等概出现时，熵具有最大值，传信率也达到最大值，即：传信率也达到最大值，即：问：二进制问：二进制0、1等概时，传码率与传信率之间的关系？等概时，传码率与传信率之间的关系？通信原理课件通信原理课件40单位带宽内的传输速率单位带宽内的传输速率表示方法：两种通信原理课件通信原理课件41用用差错率差错率来表征，两种表示方法：来表征，两种表示方法
22、：通信原理课件通信原理课件42通信原理课件通信原理课件43解：解：依题意依题意则则系统的误码率系统的误码率通信原理课件通信原理课件44例题例题1.5.3设在设在125s内内传输传输256个四进制码元，计算传信率。个四进制码元，计算传信率。若在若在2s内有内有三个码元产生误码，则误信率为多少？三个码元产生误码，则误信率为多少？解：(1)系统的传码率(2)系统的误信率通信原理课件通信原理课件45练习题：书15页4、7、8、9、10通信原理课件通信原理课件46通信原理课件通信原理课件47第二章第二章信道信道2.1 2.1 引言引言2.2 2.2 信道的分类信道的分类2.3 2.3 信道的数学模型信道
23、的数学模型 2.4 2.4 恒参信道举例恒参信道举例2.5 2.5 恒参信道特性及对信号传输的影响恒参信道特性及对信号传输的影响 2.6 2.6 随参信道随参信道2.7 2.7 信道的加性噪声信道的加性噪声2.8 2.8 信道容量信道容量 通信原理课件通信原理课件482.1引言引言信道的定义：信道的定义：在两点之间用于收发信号的单向或双向通路在两点之间用于收发信号的单向或双向通路狭义信道狭义信道：是信号的传输媒质：是信号的传输媒质广义信道广义信道：除传输媒质外，还包括调制器、解调器：除传输媒质外，还包括调制器、解调器收发设备收发设备是是影响通信效果的主要因素！影响通信效果的主要因素！通信原理课
24、件通信原理课件492.2信道的分类信道的分类广义信道按照功能分为：广义信道按照功能分为：调制信道：调制信道：从调制、解调的观点出发，对于调制通信系统的研究比较方便。编码信道：编码信道：从编码、译码的角度出发，对于研究各种编码技术对数字信号传输的影响比较方便。示意图示意图通信原理课件通信原理课件50调制信道和编码信道调制信道和编码信道数数字字序序列列1 1数数字字序序列列11已已调调波波1 1已已调调波波11通信原理课件通信原理课件512.3信道的数学模型信道的数学模型数学模型用来表征实际物理信道的特性数学模型用来表征实际物理信道的特性它反映信道输出和输入之间的关系它反映信道输出和输入之间的关系
25、1、调制信道模型、调制信道模型属于模拟信道，具有四条共性：属于模拟信道，具有四条共性：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；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；信号通过信道具有一定的延迟时间，信号通过信道具有一定的延迟时间，而且它还会受到（固定的或时变的）损耗；而且它还会受到（固定的或时变的）损耗；即使没有信号输入，即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。有一定的输出（噪声）。通信原理课件通信原理课件52二对端调制信道模型二对端调制信道模型根据以
26、上几条性质，调制信道可以用根据以上几条性质，调制信道可以用一个一个线性时变网络线性时变网络来表示来表示信道的数学抽象信道的数学抽象是一种数学关系是一种数学关系通信原理课件通信原理课件53图中输入输出关系表示为：为为加性噪声，与加性噪声，与ei(t)无无依赖关系，独立存在依赖关系，独立存在表示已调信号通过网络发生的表示已调信号通过网络发生的(时变时变)线性变化线性变化通信原理课件通信原理课件54于是我们得到：于是我们得到：所以二对端调制信道的数学模型可表示为所以二对端调制信道的数学模型可表示为：总结总结调制信道中信道对噪声的影响只有乘性干扰和加性干扰两种调制信道中信道对噪声的影响只有乘性干扰和加
27、性干扰两种信道的不同特性反映在信道模型上仅为信道的不同特性反映在信道模型上仅为k(t)和和n(t)的的不同不同通信原理课件通信原理课件55注意！k(t)有两种不同的表现形式随机变化，且变化较快随机变化，且变化较快随参信道随参信道基本不变，或变化非常缓慢基本不变，或变化非常缓慢恒参信道恒参信道通信原理课件通信原理课件562、编码信道模型、编码信道模型编码信道对信号传输的影响编码信道对信号传输的影响把把一种数字序列变成另一种数字序列一种数字序列变成另一种数字序列即即以一定的概率产生数字错误以一定的概率产生数字错误“0”“1”“1”“0”所以编码信道模型可用所以编码信道模型可用数字的数字的“转移概率
28、转移概率”来描述来描述通信原理课件通信原理课件57例：二进制数字传输系统编码信道的简单模型例：二进制数字传输系统编码信道的简单模型转移概率转移概率其中：其中：P(0/0)、P(1/1)为正确转移概率为正确转移概率P(1/0)、P(0/1)为为错误转移概率错误转移概率且：且：P(1/0)=1-P(0/0)P(0/1)=1-P(1/1)信道输出总的错误概率为：信道输出总的错误概率为：Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)通信原理课件通信原理课件58练习：画出四进制编码信道模型计算总错误概率注意：每个特定的编码信道，有其确定的转移概率确定的转移概率通过对信道的大量统计分析而得到通信原理课件
29、通信原理课件592.4恒参信道举例（多数信道恒参信道举例（多数信道）2.4.1 2.4.1 三种有线电信道三种有线电信道1、明线（、明线（openwire）指平行而相互绝缘的架空裸线或带绝缘层的导线。易受外界环境影响，容易产生串音干扰，容量小，只能传输窄带信号（电报、电话）通信原理课件通信原理课件602、对称电缆、对称电缆（symmetricalcable）在保护套内有一对或多对相互绝缘的双导线，每一对成扭绞状。传输性能稳定，传输损耗较明线高。通信原理课件通信原理课件613、同轴电缆、同轴电缆（coaxialcable）由同轴且相互绝缘的两个金属导体组成。抗干扰能力强，传输带宽大，成本较高。内
30、导体，传输信号内导体，传输信号外导体（金属编织网外导体（金属编织网），），一般一般接地，起电屏蔽作用。接地，起电屏蔽作用。绝缘体绝缘体保护套保护套通信原理课件通信原理课件622.4.2 2.4.2 光纤信道光纤信道以光导纤维（高纯度石英玻璃）为传输媒介，光波作为载波。传输损耗低，频带宽，不怕腐蚀不受电磁干扰。通信原理课件通信原理课件631、光信号的传输、光信号的传输光纤的结构由折射率不同的两种导光介质（石英玻璃）构成，分别称为纤芯和包层，为同轴结构纤芯纤芯包层包层通信原理课件通信原理课件64折射率光从真空射入介质发生折射时，入射角与折射角的正弦之比入射光入射光折射光折射光界面界面界面法线界面法
31、线本质：本质：光的传播速度发生了改变通信原理课件通信原理课件65光介质分类光密介质：折射率相对较大的光介质光密介质：折射率相对较大的光介质（光线进入该介质时，速度变慢，靠近法线光线进入该介质时，速度变慢，靠近法线）光疏介质：折射率相对较小的光介质光疏介质：折射率相对较小的光介质（光线进入该介质时，速度变快，远离法线（光线进入该介质时，速度变快，远离法线）全反射现象当光线从光密介质进入光疏介质从光密介质进入光疏介质时，保证入射入射角足够大角足够大，则折射光线反射回光密介质的现象光密介质光密介质光光疏介质疏介质临界状态临界状态全反射全反射通信原理课件通信原理课件66光信号在光纤中的传输保证纤芯的保
32、证纤芯的n1大于包层的大于包层的n2保证入射角大于临界入射角保证入射角大于临界入射角，即即的的计算计算斯乃尔定理斯乃尔定理临界状态时：临界状态时：通信原理课件通信原理课件672、光纤的类型、光纤的类型阶跃型光纤阶跃型光纤：折射率在纤芯和包层内均匀不变，只在边界处发生突变。梯度型光纤梯度型光纤：纤芯折射率沿半径增大方向逐渐减小。3、光纤的传播模式（传播路径、光纤的传播模式（传播路径）多模光纤多模光纤：光纤有多条传播路径，光源为发光二极管。单模光纤单模光纤：光纤只有一条传播路径，光源为激光器。通信原理课件通信原理课件682.4.3 2.4.3 无线电视距中继信道无线电视距中继信道通信原理课件通信原
33、理课件692.4.4 2.4.4 卫星中继信道卫星中继信道通信原理课件通信原理课件70通信原理课件通信原理课件712.5恒参信道特性及对信号传输的影响恒参信道特性及对信号传输的影响属于调制信道，传输特性：属于调制信道，传输特性：变化缓慢或不变传输特性等效于一个传输特性等效于一个线性时不变线性时不变网络网络特性可用特性可用幅度幅度/频率特性频率特性和和相位相位/频率特性频率特性表征表征通信原理课件通信原理课件721 1、理想恒参信道特性、理想恒参信道特性指指理想的无失真传输信道理想的无失真传输信道线性时不变网络ei(t)e0(t)线性关系：理想情况，不考虑时不变关系：k(t)为常数，转换为频率域
34、函数，用H()表示通信原理课件通信原理课件73H()称为传输网络的传递函数称为传输网络的传递函数反映了恒参信道对信号传输的影响反映了恒参信道对信号传输的影响其中k0：传输系数，是一个常数td：时间改变量，是一个常数“-”：表示时间延迟：输入信号的角频率通信原理课件通信原理课件74对于通信系统来说，输入信号ei(t)可表示为一系列不同频率的正弦函数或虚指数函数（欧拉公式）的形式，即：所以恒参信道输出信号可表示为：欧拉公式欧拉公式虚轴虚轴实轴实轴复平面复平面通信原理课件通信原理课件75信道的幅频特性：信道的相频特性：通常采用群迟延-频率特性来衡量即相频特性的导数：k0幅频特性图相频特性图群延迟特性
35、图通信原理课件通信原理课件76总结总结理想恒参信道对信号传输的影响理想恒参信道对信号传输的影响（1）对信号在幅度上产生固定的衰减）对信号在幅度上产生固定的衰减（2）对信号在时间上产生固定的延迟对信号在时间上产生固定的延迟将这种情况称为信号的无失真传输通信原理课件通信原理课件772 2、恒参信道的失真传输、恒参信道的失真传输（1 1）幅度）幅度频率失真频率失真如果信道的幅频特性在信号频带范围内不是常数如果信道的幅频特性在信号频带范围内不是常数则产生幅度则产生幅度频率失真频率失真幅频失真对模拟通信影响较大，导致信噪比下降幅频失真对模拟通信影响较大，导致信噪比下降幅度衰减幅度衰减dBf/Hz0363
36、00 5002800 3000音频电话信道消除失真消除失真幅度衰减幅度衰减dBf/Hz036300 5002800 3000补偿网络幅频特性补偿网络幅频特性通信原理课件通信原理课件78（2 2）相位）相位频率失真频率失真如果信道的相频特性在信号频带范围内不是频率的线性函数如果信道的相频特性在信号频带范围内不是频率的线性函数则产生相位则产生相位频率失真频率失真对数字通信影响较大对数字通信影响较大信号的各频率分量通过信道后将产生不同的时延信号的各频率分量通过信道后将产生不同的时延会引起严重的码间干扰，造成误码会引起严重的码间干扰，造成误码相频失真理想特性理想特性相频失真理想特性理想特性通信原理课件
37、通信原理课件79通信原理课件通信原理课件80设则所以解法解法2：通信原理课件通信原理课件812.6随参信道随参信道信道传输特性随时间随机快速变化信道传输特性随时间随机快速变化陆地移动信道陆地移动信道短波电离层信道短波电离层信道微波对流层散射信道微波对流层散射信道共性信号的幅度衰减随时间而变信号的幅度衰减随时间而变信号的传输时延随时间而变信号的传输时延随时间而变信号经多条路径到达接收端信号经多条路径到达接收端每条路径的衰减和时延均随时间而变每条路径的衰减和时延均随时间而变即存在即存在多径传播多径传播现象现象通信原理课件通信原理课件822.6.1 2.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道短
38、波：波长10100m频率330MHz电离层：离地面60600km，存在大量自由电子，且密度随高度的增加而增加。能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射。通信原理课件通信原理课件831 1、信号传输路径、信号传输路径电离层属于半导体媒质，其相对介电常数为：电子密度：电磁波频率相对介电常数决定电磁波折射率的大小相对介电常数决定电磁波折射率的大小所以在电离层内，电磁波的折射率随高度的增加而减小所以在电离层内，电磁波的折射率随高度的增加而减小直至在某高度发生全反射现象电电离离层层通信原理课件通信原理课件8460km80km120km200km600kmD D层层E E层层F1F1层层F2F2层层
39、电离层共分为四层其中D、E层为电磁波吸收层F1层为反射层2 2、电磁波工作频率的选定、电磁波工作频率的选定工作频率应小于最高可用频率工作频率应小于最高可用频率MUF使电磁波在使电磁波在D、E层被吸收较少层被吸收较少加大电磁波频率加大电磁波频率当电磁波入射角为当电磁波入射角为9090时能从电离层反射的最高频率为临界频率时能从电离层反射的最高频率为临界频率当电磁波以当电磁波以 角入射时，能从电离层反射的最高频率为角入射时，能从电离层反射的最高频率为MUFMUF通信原理课件通信原理课件852.6.2 2.6.2 多径传播多径传播由发射点出发的电波经多条路径到达接收点由发射点出发的电波经多条路径到达接
40、收点这种现象称为多径传播这种现象称为多径传播通信原理课件通信原理课件86试验表明，随时间变化缓慢试验表明，随时间变化缓慢该式由两个相互正交的分量组成该式由两个相互正交的分量组成通信原理课件通信原理课件87V(t)Xs(t)Xc(t)通信原理课件通信原理课件88包络的起伏变化虽然较信号缓慢，包络的起伏变化虽然较信号缓慢，但周期仍为秒级，故称为但周期仍为秒级，故称为快衰落快衰落通信原理课件通信原理课件89多径传播的影响多径传播的影响幅度衰落幅度衰落频率弥散频率弥散频率选择性衰落频率选择性衰落各条路径的等效网络传输函数不同各条路径的等效网络传输函数不同对不同频率的信号衰减也就不同对不同频率的信号衰减
41、也就不同使接收点合成信号的频谱中使接收点合成信号的频谱中某些频率分量幅度某些频率分量幅度衰减衰减特别严重特别严重实例实例通信原理课件通信原理课件90通信原理课件通信原理课件91常数常数固定衰减固定衰减t0为常数为常数固定时延固定时延由于研究传播衰减，所以求复数由于研究传播衰减，所以求复数的模的模通信原理课件通信原理课件92画图表示总的传播衰减画图表示总的传播衰减：在此频率点的信号幅度在此频率点的信号幅度发生强烈衰减，甚至降为发生强烈衰减，甚至降为0 0通信原理课件通信原理课件93结论结论多径传输时信号幅度衰减由多径传输时信号幅度衰减由路径时延差路径时延差和和信号频率信号频率决定决定多径传播时路
42、径间的时延差通常用最大多径时延差表征定义多径传播信道的相关带宽相关带宽为：表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔在工程设计中，为了保证接收信号质量，在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的通常选择信号带宽为相关带宽的1/51/3通信原理课件通信原理课件94通信原理课件通信原理课件952.7信道的加性噪声信道的加性噪声信道数学模型：信道数学模型：加性噪声加性噪声定义定义：独立于有用信号，是分散在通信系统各处噪声的集中表示。：独立于有用信号，是分散在通信系统各处噪声的集中表示。特点特点：始终存在，不随有用信号的消失而消失始终存在
43、，不随有用信号的消失而消失。一、按照来源分类一、按照来源分类分为人为噪声和自然噪声两大类分为人为噪声和自然噪声两大类通信原理课件通信原理课件961、人为噪声、人为噪声由人类的活动产生由人类的活动产生例如：电钻和电气开关瞬态造成的电火花、例如：电钻和电气开关瞬态造成的电火花、汽车点火系统产生的电火花、汽车点火系统产生的电火花、荧光灯产生的干扰、荧光灯产生的干扰、电台和家电产品产生的电磁波辐射等。电台和家电产品产生的电磁波辐射等。2、自然噪声、自然噪声它是自然界中存在的各种电磁波辐射它是自然界中存在的各种电磁波辐射例如：闪电、例如：闪电、大气噪声、大气噪声、来自太阳和银河系等的宇宙噪声、来自太阳和
44、银河系等的宇宙噪声、热噪声热噪声来自于一切来自于一切电阻性元器件电阻性元器件中电子的热运动。中电子的热运动。特点：无处不在，不可避免地存在于一切电子设备中。特点：无处不在，不可避免地存在于一切电子设备中。通信原理课件通信原理课件971、脉冲噪声、脉冲噪声是突发性地产生的幅度很大、持续时是突发性地产生的幅度很大、持续时间很短、间隔时间很长的干扰。间很短、间隔时间很长的干扰。特点：特点：持续时间很短持续时间很短，频谱较宽频谱较宽，频率越高其频谱频率越高其频谱强度越小强度越小，主要影响数字通信。，主要影响数字通信。例：电火花、雷电例：电火花、雷电1t二、按照性质分类二、按照性质分类分为脉冲噪声、窄带
45、噪声和起伏噪声三类分为脉冲噪声、窄带噪声和起伏噪声三类通信原理课件通信原理课件982、窄带噪声、窄带噪声是一种幅度、频率均已知的已调正弦波，是一种幅度、频率均已知的已调正弦波，通常它来自相邻电台或其它电子设备。通常它来自相邻电台或其它电子设备。特点：特点：只存在于特定频率、特定时间和特定地点只存在于特定频率、特定时间和特定地点。例：电台信号例：电台信号3、起伏噪声、起伏噪声在时域和频域内普遍存在、不可避免的在时域和频域内普遍存在、不可避免的 随机噪声，随机噪声，是影响通信质量的主要因素是影响通信质量的主要因素。例：例：热噪声热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙
46、噪声通信原理课件通信原理课件99热噪声热噪声高斯白噪声高斯白噪声1、特性：统计学特性服从高斯分布，存在于01012Hz的范围内，功率信号功率信号热噪声具有均匀的双边功率谱密度2KTGK：波尔兹曼常数波尔兹曼常数1.380510-23J/KT：绝对温度绝对温度G：电阻的电导电阻的电导2、热噪声的两种表示方法电流形式电流形式：电路由无噪声电导G和噪声电流源in(t)并联组成设该电路频率范围为BHz，噪声电流源双边功率谱密度为Pi(W)，则电流源噪声功率为2Pi(W)B即噪声电流的有效值为：in(t)G通信原理课件通信原理课件100利用戴维宁等效电路将上图转化利用戴维宁等效电路将上图转化电压形式电压
47、形式：电路由无噪声电阻R和噪声电压源Un(t)串联设噪声电压源双边功率谱密度为Pv(W)，则电压源噪声功率为：噪声电压有效值为：RUn(t)=in(t)R通信原理课件通信原理课件1013、热噪声的等效带宽Bn发送设备有用信号带通滤波器发送端发送端接收端接收端热噪声-BBfff0-f0Pn(f)2KTG双边功率谱密度双边功率谱密度通信原理课件通信原理课件1022.8信道容量信道容量指信道能够传输的最大平均信息速率指信道能够传输的最大平均信息速率2.8.1 2.8.1 离散（编码离散（编码）信道容量信道容量C：用每个符号能够传输的平均信息量最大值表示，用每个符号能够传输的平均信息量最大值表示，即即
48、熵熵maxCt：用：用单位时间内能够传输的平均信息量最大值表示，单位时间内能够传输的平均信息量最大值表示，即即熵熵max传码率传码率两种表示方法两种表示方法通信原理课件通信原理课件1031、无噪声编码信道容量、无噪声编码信道容量x1x2xny1y2ynP(yn/xn)=1P(ym/xn)=0设P(xi)为发送符号xi的概率则符号xi包含的信息量为-log2P(xi)那么在符号集x1x2xn中每个符号包含的平均信息量为通信原理课件通信原理课件104当符号集x1x2xn独立等概向外发送符号时信息源的熵达到最大值，即：此时信道容量此时信道容量C为：为：设设信道传码率为信道传码率为r，则，则信道容量信
49、道容量Ct为：为：通信原理课件通信原理课件1052、有噪声编码信道容量、有噪声编码信道容量x1x2xny1y2YmP(y1/x1)P(ym/x1)信息在信道传输时，信息量有一部分损失，损失量用转移概率转移概率来衡量设符号xi以概率P(xi)向外发送，则发送的信息量为-log2P(xi)若接收为yj，则损失的信息量为-log2P(yj/xi)所以发送xi时收到yj所获得的信息量为通信原理课件通信原理课件106对上式取对上式取统计平均统计平均，得出收到一个符号时获得的平均信息量：H(x)：发送的每个符号的平均信息量，即信源熵。发送的每个符号的平均信息量，即信源熵。H(x/y)：发送信号在有噪声信道
50、中传输平均丢失的信息量，发送信号在有噪声信道中传输平均丢失的信息量，即条件信息量。即条件信息量。通信原理课件通信原理课件107所以信道容量所以信道容量C为：为：设设信道传码率为信道传码率为r，则，则信道容量信道容量Ct为：为：例题：书例题：书P80通信原理课件通信原理课件1082.8.2 2.8.2 连续连续（调制调制）信道容量信道容量香农公式香农公式B：信号带宽信号带宽S：信号平均功率信号平均功率N：高斯白噪声平均功率高斯白噪声平均功率n0：噪声单边功率谱密度噪声单边功率谱密度通信原理课件通信原理课件109通信原理课件通信原理课件110例题：书例题：书P82通信原理课件通信原理课件111香农