信源编码及信道编码讲稿.ppt
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1、信源编码及信道编码信源编码及信道编码第一页,讲稿共五十八页哦-2 2/61-/61-学习目标学习目标l掌握信道的定义和分类l掌握信道的数学模型l掌握什么是信道容量l了解信道复用l掌握信道编码及信道差错控制方法学习完本节课程,您应该能够:学习完本节课程,您应该能够:第二页,讲稿共五十八页哦-3 3/61-/61-课程内容课程内容3.6 3.6 信道的定义和分类信道的定义和分类3.7 3.7 信道的数学模型信道的数学模型3.8 3.8 信道容量及信道复用信道容量及信道复用3.9 3.9 信道编码基本概念信道编码基本概念3.10 3.10 信道差错控制及编码方法信道差错控制及编码方法第三页,讲稿共五
2、十八页哦-4 4/61-/61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类1.信道的定义:信道的定义:n信道信道是指信息传输的通道,包括是指信息传输的通道,包括空间传输空间传输和和时间传输时间传输。n空间传输空间传输:利用各种利用各种物理通道物理通道将信息从一端发到另一端将信息从一端发到另一端n时时间间传传输输:是是指指将将信信息息保保存存,在在以以后后读读取取,如如磁磁带带、光光盘盘等在时间上将信息进行传输的信道。等在时间上将信息进行传输的信道。n关于信道的主要问题有:关于信道的主要问题有:信道的信道的建模建模(信道的统计特性的描述)(信道的统计特性的描述)信道信道容量容量的计算的计算在有噪信道
3、中能不能实现可靠传输?怎样实现可靠传输?在有噪信道中能不能实现可靠传输?怎样实现可靠传输?第四页,讲稿共五十八页哦-5 5/61-/61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类(续续)2.信道的分类信道的分类信道信道狭义信道:信号的传输媒质狭义信道:信号的传输媒质广义信道:媒质及有关变换装置广义信道:媒质及有关变换装置调调制制器器发发转转换换器器媒质媒质收收 转转 换换 器器解解调调器器调制信道调制信道编码信道编码信道狭义狭义广义广义编编码码器器输输出出译译码码器器输输入入第五页,讲稿共五十八页哦-6 6/61-/61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类(续续)2.信道的分类信道的分类(续
4、续)n按其输入/输出信号取值是离散或连续来划分离散信道连续信道半连续信道时间离散的连续信道n按信道的记忆特性无记忆信道有记忆信道第六页,讲稿共五十八页哦-7 7/61-/61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类(续续)2.信道的分类信道的分类(续续)n按输入按输入/输出信号之间的关系分为输出信号之间的关系分为噪声信道噪声信道无噪声信道无噪声信道 n根据信道输入和输出的个数可分为根据信道输入和输出的个数可分为 两端信道(单用户信道):只有一个输入端和一个输出端两端信道(单用户信道):只有一个输入端和一个输出端的单向通信的信道。的单向通信的信道。多端信道(多用户信道):双向通信或三个或更多个用
5、户多端信道(多用户信道):双向通信或三个或更多个用户之间相互通信的情况。之间相互通信的情况。第七页,讲稿共五十八页哦-8 8/61-/61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类(续续)2.信道的分类信道的分类(续续)n根据信道的统计特性是否随时间变化分为:根据信道的统计特性是否随时间变化分为:恒参信道恒参信道(平稳信道平稳信道):信道的统计特性不随时间变化。:信道的统计特性不随时间变化。例:架空明线、电缆等可以近似为恒参信道。例:架空明线、电缆等可以近似为恒参信道。随参信道随参信道(非平稳信道非平稳信道):信道的统计特性随时间变化。:信道的统计特性随时间变化。例如短波电离层反射信道例如短波电
6、离层反射信道。第八页,讲稿共五十八页哦-9 9/61-/61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类(续续)3.通信信道实例通信信道实例:n随参信道举例随参信道举例:短波电离层反射信道短波是指波长为短波是指波长为100m10m(频率为频率为330MHz)的无线电波。的无线电波。可沿地表面传播可沿地表面传播(地波传播地波传播),传播距离近;可由电离层反射,传播距离近;可由电离层反射传播传播(天波传播天波传播)。传输几千千米,至上万千米。传输几千千米,至上万千米。传播路径传播路径:电离层离地面高电离层离地面高60600km的大气层。分为的大气层。分为D、E、F2 等层。等层。由于由于D层在夜晚几乎
7、完全消失,常存在的是层在夜晚几乎完全消失,常存在的是E层和层和F2层。层。第九页,讲稿共五十八页哦-101061-61-3.6信道的定义和分类信道的定义和分类(续续)F2层是反射层,层是反射层,D、E层是吸收层。层是吸收层。当电波在这样的媒质中传播时,因逐步折射使轨道发生弯当电波在这样的媒质中传播时,因逐步折射使轨道发生弯曲,在某一高度将产生全反射。曲,在某一高度将产生全反射。F2层的高度为层的高度为250300km,一次反射的最大距离约为,一次反射的最大距离约为4000km;两次反射通信距离可达两次反射通信距离可达8000km。第十页,讲稿共五十八页哦-111161-61-3.6信道的定义和
8、分类信道的定义和分类(续续)3.通信信道实例通信信道实例(续续):n恒参信道恒参信道有线信道有线信道:一般的有线信道均可看作是恒参信道。一般的有线信道均可看作是恒参信道。明线、对称电缆、同轴电缆明线、对称电缆、同轴电缆光纤信道光纤信道:以光导纤维为传输媒质、以光波为载波的信道,以光导纤维为传输媒质、以光波为载波的信道,具有极宽的通频带,能够提供极大的传输容量具有极宽的通频带,能够提供极大的传输容量。第十一页,讲稿共五十八页哦-121261-61-课程内容课程内容3.6 信道的定义和分类3.7 信道的数学模型3.8 信道容量及信道复用3.9 信道编码基本概念3.10 信道差错控制及编码方法第十二
9、页,讲稿共五十八页哦-131361-61-3.7信道的数学模型信道的数学模型l传输信道主要分为传输信道主要分为n调制信道调制信道n编码信道编码信道下面将分别叙述这两种信道的数学模型下面将分别叙述这两种信道的数学模型:通信信道通信信道噪声信道输入信道输入信道输出信道输出调制信道调制信道编码信道编码信道调调制制器器解解调调器器第十三页,讲稿共五十八页哦-141461-61-3.7.1调制信道数学模型调制信道数学模型信道的数学模型反映信道的信道的数学模型反映信道的输出输出和和输入输入之间的关系。之间的关系。1.调制信道调制信道n调制信道的范围是从调制信道的范围是从调制器输出调制器输出端到端到解调器输
10、入解调器输入端。端。n调制信道调制信道(连续信道连续信道)主要性质:主要性质:n根据上述性质,我们可以用一个两端根据上述性质,我们可以用一个两端(或多端或多端)时变线性网络时变线性网络来表示连来表示连续信道续信道具有一对具有一对(或多对或多对)输入和输出端。输入和输出端。大多数信道是线性的,即满足叠加原理。大多数信道是线性的,即满足叠加原理。信号经过信道会有延时,并还会受到固定的或时变的损耗。信号经过信道会有延时,并还会受到固定的或时变的损耗。无输入信号时,在信道的输出端仍有噪声输出。无输入信号时,在信道的输出端仍有噪声输出。第十四页,讲稿共五十八页哦-151561-61-3.7.1调制信道数
11、学模型调制信道数学模型(续续)2.调制信道模型调制信道模型时变线性网时变线性网络络f ft t S Si i(t)(t)S S0 0(t)(t)S Si i(t)(t)n(t)n(t)lS Si(i(t)t)输入的已调信号输入的已调信号;lft Si(t)ft Si(t)表示已调信号通过网络所发生的(时变)表示已调信号通过网络所发生的(时变)线性变化。线性变化。ln(t):n(t):加性噪声(或称加性干扰)加性噪声(或称加性干扰)lS S0 0(t):(t):信道总输出波形信道总输出波形;l这里这里n(t)n(t)独立于独立于S Si i(t)(t)。表示已调信号通过网络所表示已调信号通过网络
12、所发生的(时变)线性变化。发生的(时变)线性变化。第十五页,讲稿共五十八页哦-161661-61-3.7.1调制信道数学模型调制信道数学模型(续续)n我们把我们把f ft t S Si i(t)(t)写为写为k(t)k(t)S Si i(t)(t)nk(t)k(t)依赖于网络特性依赖于网络特性,k(t)k(t)乘乘S Si i(t)(t)反映网络特性对反映网络特性对 S Si i(t)(t)的作用。的作用。n由以上分析可见,信道对信号的影响可归结到两点:由以上分析可见,信道对信号的影响可归结到两点:一是乘性干扰一是乘性干扰k(t)k(t)二是加性干扰二是加性干扰 n(t)n(t)调制信道模型调
13、制信道模型:S0(t)=k(t)Si(t)+n(t)加性干扰:连续信道的输出中叠加在加性干扰:连续信道的输出中叠加在信号上的干扰。其产生源可分为三大信号上的干扰。其产生源可分为三大类:人为干扰、自然干扰和内部干扰类:人为干扰、自然干扰和内部干扰(常称作内部噪声常称作内部噪声)。第十六页,讲稿共五十八页哦-171761-61-3.7.2编码信道模型编码信道模型调调制制器器发发转转换换器器媒质媒质收收 转转 换换 器器解解调调器器调制信道调制信道编码信道编码信道离散信号编码器输出译码器输入离散信号两者的关系两者的关系?第十七页,讲稿共五十八页哦-181861-61-3.7.2编码信道模型编码信道模
14、型(续续)0101P(0/0)P(1/1)P(0/1)P(1/0)P(0/0)-输入为输入为0输出为输出为0的概率的概率P(0/1)-输入为输入为1输出为输出为0的概率的概率P(1/0)-输入为输入为0输出为输出为1的概率的概率P(1/1)-输入为输入为1输出为输出为1的概率的概率l编码信道模型编码信道模型n编码信道编码信道的数学模型反映其的数学模型反映其输出离散信号输出离散信号与其与其输入离散信号输入离散信号之间的关系,之间的关系,通常是一种通常是一种概率关系概率关系,常用输入输出离散信号的转移概率描述。,常用输入输出离散信号的转移概率描述。n二进制离散信道模型二进制离散信道模型(如下图如下
15、图)第十八页,讲稿共五十八页哦-191961-61-3.7.2编码信道模型编码信道模型(续续)二进制离散信道模型可用转移概率距阵表示二进制离散信道模型可用转移概率距阵表示其中:其中:第十九页,讲稿共五十八页哦-202061-61-3.7.2编码信道模型编码信道模型(续续)n四进制编码信道四进制编码信道如果离散信道的输入和输出为四进制码序列,则称为如果离散信道的输入和输出为四进制码序列,则称为四进四进制编码制编码信道。为四进制编码信道模型。信道。为四进制编码信道模型。l如果编码信道码元的转移概率与其如果编码信道码元的转移概率与其前后码元的取值无关,则称这种信前后码元的取值无关,则称这种信道为无记
16、忆编码信道;否则称为有道为无记忆编码信道;否则称为有记忆编码信道。记忆编码信道。l如果二进制编码信道的转移概率如果二进制编码信道的转移概率P(0|1)=P(1|0)P(0|1)=P(1|0),则称其为二进制,则称其为二进制对称编码信道。对称编码信道。l二进制无记忆对称编码信道是最简二进制无记忆对称编码信道是最简单的一种编码信道。单的一种编码信道。四进制编码信道模型第二十页,讲稿共五十八页哦-212161-61-课程内容课程内容3.6 信道的定义和分类3.7 信道的数学模型3.8 信道容量及信道复用3.9 信道编码基本概念3.10 信道差错控制及编码方法第二十一页,讲稿共五十八页哦-222261
17、-61-3.8.1信道容量信道容量l l什么是信道容量?什么是信道容量?什么是信道容量?什么是信道容量?n是指信道中信息是指信道中信息无差错传输无差错传输的的最大速率最大速率,单位为,单位为bps或或b/s。n它等于信道输入与输出它等于信道输入与输出互信息互信息的最大可能值的最大可能值n其值决定于其值决定于信道自身信道自身的性质,与其输入信号的特性无关。的性质,与其输入信号的特性无关。n信道容量有两种衡量的方法:奈奎斯特公式和香农公式。信道容量有两种衡量的方法:奈奎斯特公式和香农公式。下面分别叙述编码信道及调制信道的信道容量下面分别叙述编码信道及调制信道的信道容量第二十二页,讲稿共五十八页哦-
18、232361-61-3.8.1信道容量信道容量(续续)1.编码信道的信道容量编码信道的信道容量n奈奎斯特公式奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式:无噪信道传输能力公式:C=2Hlog2N(bps)式中式中H为信道的带宽即信道传输上、下限频率的差值,单位为为信道的带宽即信道传输上、下限频率的差值,单位为Hz;N为一个码元所取的离散值个数为一个码元所取的离散值个数。n 例例 普通电话线路带宽约普通电话线路带宽约3kHz3kHz,则码元速率极限值,则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud B=2*H=2*3k=6kBaud;若码元的离散值个数;若码元的离散值个数N=16N=16,则最大数据传
19、输速率,则最大数据传输速率C=2*3k*logC=2*3k*log2 216=24kbps16=24kbps。n奈奎斯特公式表明,对某一有限带宽无噪声信道,带宽固定,通过提高信奈奎斯特公式表明,对某一有限带宽无噪声信道,带宽固定,通过提高信号能表示的不同的状态数,可提高信道容量。号能表示的不同的状态数,可提高信道容量。第二十三页,讲稿共五十八页哦-242461-61-3.8.1信道容量信道容量(续续)2.调制信道信道容量调制信道信道容量n香农公式香农公式-带噪信道容量公式:带噪信道容量公式:C=H*log2(1+S/N)(bps)S为信号功率为信号功率N为噪声功率为噪声功率S/N为信噪比,通常
20、把信噪比表示成为信噪比,通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝分贝(dB)。H为信道的带宽为信道的带宽n 例例 已知信噪比为已知信噪比为30dB30dB,带宽为,带宽为3kHz3kHz,求信道的最大数据传输速率。,求信道的最大数据传输速率。10log10log1010(S/N)=30(S/N)=30 S/N=10 S/N=1030/1030/10=1000=1000 C=3klog2(1+1000)30k bpsC=3klog2(1+1000)30k bps 第二十四页,讲稿共五十八页哦-252561-61-3.8.1信道容量信道容量(续续)n关于香农公式的几点讨论关于香农公式的几点讨论在给
21、定在给定H和和S/N的情况下,信道的极限传输能力为的情况下,信道的极限传输能力为C,而且,而且此时能够做到无差错传输(即差错率为零)。此时能够做到无差错传输(即差错率为零)。提高信噪比提高信噪比S/N,可提高信道容量。,可提高信道容量。增加信道带宽增加信道带宽H,也可有限的增加信道的容量。,也可有限的增加信道的容量。信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。C=H*log2(1+S/N)(bps)第二十五页,讲稿共五十八页哦-262661-61-3.8.2信道复用信道复用l什么是信道复用:什么是信道复用:n为了充分利用信道,在同一信道中
22、传送多路相互独立的信为了充分利用信道,在同一信道中传送多路相互独立的信号,称为信道复用。号,称为信道复用。n主要方式:主要方式:频分复用频分复用(FDM):按照不同频域特征区分信号的方式:按照不同频域特征区分信号的方式时分复用时分复用(TDM):按照不同时域特征区分信号的方式:按照不同时域特征区分信号的方式码分复用码分复用(CDM):按照不同波形:按照不同波形(码形码形)特征区分信号的方式特征区分信号的方式下面以时分复用为例讨论一下信道的复用下面以时分复用为例讨论一下信道的复用:第二十六页,讲稿共五十八页哦-272761-61-3.8.2信道复用信道复用(续续)l时分复用时分复用n时分复用系统
23、不同路的特征信号时分复用系统不同路的特征信号时间上不重叠时间上不重叠,通常是时,通常是时间上不重叠的矩形脉冲序列,如图间上不重叠的矩形脉冲序列,如图时分复用抽样信号tci(t)0 T 2T 3T 4T 5Ttci(t)0 T 2T 3T 4T 5T第二十七页,讲稿共五十八页哦-282861-61-3.8.2信道复用信道复用(续续)时分复用抽样信号示意图时分复用抽样信号11111tci(t)0 T 2T 3T 4T 5T23232323第二十八页,讲稿共五十八页哦-292961-61-3.8.2信道复用信道复用(续续)例例:n时分复用及码分复用传送的不是模拟信号的抽样值,而是抽样时分复用及码分复
24、用传送的不是模拟信号的抽样值,而是抽样值的量化编码值的量化编码(码字码字)。现以。现以30/3230/32路路PCMPCM数字电话时分复用数字电话时分复用系统为例说明其工作原理系统为例说明其工作原理:n一路话音信号的最高频率定为一路话音信号的最高频率定为4kHz,根据抽样定理,抽样频率取,根据抽样定理,抽样频率取8kHz,抽样间隔,抽样间隔T=1/8kHz=125s。每个抽样值编为。每个抽样值编为8位码位码(码字码字),即对每个,即对每个用户每经过用户每经过T要传送要传送8位码位码(码字码字)。PCM30/32路系统要传送路系统要传送32路数字信路数字信号号(其中其中30路为数字电话信号,路为
25、数字电话信号,2路为同步及信令信号路为同步及信令信号),因此将抽样间隔,因此将抽样间隔T=125s分为分为32个时隙,每一个时隙中填充一个码字个时隙,每一个时隙中填充一个码字(8比特比特),构成一帧。,构成一帧。第二十九页,讲稿共五十八页哦-303061-61-3.8.2信道复用信道复用(续续)lTS0为帧同步时隙,供传送帧同步信号。为帧同步时隙,供传送帧同步信号。lTS16为信令时隙,供传送信令。为信令时隙,供传送信令。lTS1TS31为用户话路时隙,供传送用户数字话音信号为用户话路时隙,供传送用户数字话音信号(8比特码字比特码字)。l由由PCM 30/32数字基群的帧结构形式可知,其系统比
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