(优选)信道与信道容量
- 格式:ppt
- 大小:910.50 KB
- 文档页数:28
光通信中的信道建模与信道容量分析光通信是一项现代通信技术,它采用光作为信号传输介质,其速度快、带宽宽、并且不受电磁干扰的特点使得其在很多应用场景中得到了广泛的应用。
如何对光通信中的信道进行建模和分析,是光通信领域的研究热点之一。
本文将阐述光通信中的信道建模和信道容量分析的相关内容。
一、光通信中的信道建模信道建模是对通信信道的特性进行描述和抽象的过程。
在光通信中,信道包含光纤、空气等传输介质。
光纤是光通信中最常用的传输介质之一。
根据信道的不同特点,光通信中的信道建模可以分为线性模型和非线性模型两种。
在光纤通信中,信道传输会受到各种噪声的影响,包括热噪声、自发噪声等。
为了对光纤通信中的信道进行建模,研究者通常采用线性模型。
线性模型是将光纤通信中的信号当成一个线性系统,其输入输出过程满足线性定理。
基于线性模型,研究者通常采用瑞利衰落模型或高斯白噪声模型进行分析,瑞利衰落模型适用于描述室内环境或者非常短距离的光纤传输,而高斯白噪声模型适用于描述长距离的光纤传输。
基于线性模型的推导,可以得到光强度和相位的三级统计特性,包括均值、方差和自相关函数等。
在某些情况下,非线性模型可能更适合描述光纤通信中的信道特性。
例如在光纤的高功率传输中,非线性效应会给信道带来一定影响。
非线性模型通常可以建立在薛定谔方程的基础上,对于一些常见的非线性效应,例如半波电流调制效应、自相位调制效应等,都可以采用非线性模型进行建模。
二、光通信中的信道容量分析信道容量是指单位时间内,发送端和接收端之间可以传输的有效信息量。
在光通信中,信道容量分析是评估光通信系统传输性能的重要指标。
光通信中信道容量分析的方法包括香农容量计算法和基于信息论的分析方法。
香农容量是指在理想情况下,对于一定的信道带宽和信道传输速率,通信系统可以最大化信息传输速率的极大值。
在光通信中,香农容量可以通过奈奎斯特公式进行计算。
该公式指出,当信道带宽为B,信号的传输速率为R时,理论最大的信息传输率C为2B log2 (1+SNR)。
第4章 离散信道及其容量4.1节离散无记忆信道(DMC, Discrete Memoryless Channel )什么是 “信道”?通信的基本目标是将信源发出的消息有效、可靠地通过“信道”传输到目的地,即信宿(sink )。
但什么是“信道”?Kelly 称信道是通信系统中“不愿或不能改变的部分”。
比如CDMA 通信中,设备商只能针对给定的频谱范围进行设备开发,而运营商可能出于成本的考虑,不愿意进行新的投资,仍旧采用老的设备。
通信是对随机信号的通信,因此信源必须具有可选的消息,因此不可能利用一个sin(·)信号进行通信,而是至少需要两个可供发射机进行选择。
一旦选择了信息传输所采用的信号,信道决定了从信源到信宿的过程中信号所受到的各种影响。
从数学上理解,信道指定了接收机接收到各种信号的条件概率(conditional probability),但输入信号的先念概念(prior probability )则由使用信道的接收机指定。
如果只考虑离散时间信道,则输入、输出均可用随机变量序列进行描述。
输入序列X 1,X 2,……是由发射机进行选择,信道则决定输出序列Y 1, Y 2,……的条件概率。
数学上考虑的最简单的信道是离散无记忆信道。
离散无记忆信道由三部分组成:(1) 输入字符集A ={a 1, a 2, a 3,…}。
该字符集既可以是有限,也可以是可数无限。
其中每个符号a i 代表发射机使用信道时可选择的信号。
(2) 输出字符集B={b 1, b 2, b 3,…}。
该字符集既可以是有限,也可以是可数无限。
其中每个符号bi 代表接收机使用信道时可选择的信号。
(3) 条件概率分布P Y |X (·|X ),该条件分布定义在B 上,其中X ∈A 。
它描述了信道对输入信号的影响。
离散无记忆的假设表明,信道在某一时刻的输出只与该时刻的输入有关,而与该时刻之前的输入无关。
或者:1111|(|,...,,,...,)(|)n n n Y X n n P y x x y y P y x --=,n =1,2,3….Remark: (1) n x 在信道传输时受到的影响与n 时刻以前的输入信号无关。
信道带宽模拟信道:模拟信道的带宽W=f2-f1其中f1是信道能够通过的最低频率,f2是信道能够通过的最高频率,两者都是由信道的物理特性决定的。
当组成信道的电路制成了,信道的带宽就决定了。
为了是信号的传输的失真小些,信道要有足够的带宽。
数字信道:数字信道是一种离散信道,它只能传送离散值的数字信号,信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉序列的最高速率。
一个数字脉冲称为一个码元,我们用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数,即单位时间内通过信道传输的码元个数。
若信号码元宽度为T秒,则码元速率B=1/T。
码元速率的单位叫波特(Baud),所以码元速率也叫波特率。
早在1924年,贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率,称为尼奎斯特定理。
若信道带宽为W,则尼奎斯特定理指出最大码元速率为B=2W(Baud)尼奎斯特定理指定的信道容量也叫尼奎斯特极限,这是由信道的物理特性决定的。
超过尼奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的,所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。
码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。
若码元取两个离散值,则一个码元携带1比特(bit)信息。
若码元可取四种离散值,则一个码元携带2比特信息。
总之一个码元携带的信息量n(bit)与码元的种类数N有如下关系:n=log2N单位时间内在信道上传送的信息量(比特数)称为数据速率。
在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。
如果把两比特编码为一个码元,则数据速率可成倍提高。
我们有公式:R=B log2N=2W log2N(b/s)其中R表示数据速率,单位是每秒比特,简写为bps或b/s数据速率和波特率是两个不同的概念。
仅当码元取两个离散值时两者才相等。
对于普通电话线路,带宽为3000HZ,最高波特率为6000Baud。
而最高数据速率可随编码方式的不同而取不同的值。
这些都是在无噪声的理想情况下的极限值。
信道、信道容量、数据传输速率简介:信道、信道容量、数据传输速率(⽐特率)、电脑装置带宽列表⼀、信道的概念信道,是信号在通信系统中传输的通道,是信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质,这是狭义信道的定义。
⼴义信道的定义除了包括传输媒质,还包括信号传输的相关设备。
信道容量是在通信信道上可靠地传输信息时能够达到的最⼤速率。
根据有噪信道编码定理,给定信道的信道容量是其以任意⼩的差错概率传输信息的极限速率。
信道容量的单位为⽐特每秒、奈特每秒等等。
⾹农在第⼆次世界⼤战期间发展出信息论,并给出了信道容量的定义和计算信道容量的数学模型。
他指出,信道容量是信道的输⼊与输出的互信息量的最⼤值,这⼀最⼤取值由输⼊信号的概率分布决定。
⼆、信道的分类(⼀)狭义信道的分类狭义信道,按照传输媒质来划分,可以分为有线信道、⽆线信道和存储信道三类。
1. 有线信道有线信道以导线为传输媒质,信号沿导线进⾏传输,信号的能量集中在导线附近,因此传输效率⾼,但是部署不够灵活。
这⼀类信道使⽤的传输媒质包括⽤电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等,还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
2. ⽆线信道⽆线信道主要有以辐射⽆线电波为传输⽅式的⽆线电信道和在⽔下传播声波的⽔声信道等。
⽆线电信号由发射机的天线辐射到整个⾃由空间上进⾏传播。
不同频段的⽆线电波有不同的传播⽅式,主要有:地波传输:地球和电离层构成波导,中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地⾯传播并绕过地⾯的障碍物。
长波可以应⽤于海事通信,中波调幅⼴播也利⽤了地波传输。
天波传输:短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进⾏传播。
短波电台就利⽤了天波传输⽅式。
天波传输的距离最⼤可以达到400千⽶左右。
电离层和对流层的反射与散射,形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径,电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加,使得接收信号的幅度和相位呈随机变化,这就是多径信道的衰落,这种信道被称作衰落信道。
信道带宽模拟信道:模拟信道的带宽W=f2-f1其中f1是信道能够通过的最低频率,f2是信道能够通过的最高频率,两者都是由信道的物理特性决定的。
当组成信道的电路制成了,信道的带宽就决定了。
为了是信号的传输的失真小些,信道要有足够的带宽。
数字信道:数字信道是一种离散信道,它只能传送离散值的数字信号,信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉序列的最高速率。
一个数字脉冲称为一个码元,我们用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数,即单位时间内通过信道传输的码元个数。
若信号码元宽度为T秒,则码元速率B=1/T。
码元速率的单位叫波特(Baud),所以码元速率也叫波特率。
早在1924年,贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率,称为尼奎斯特定理。
若信道带宽为W,则尼奎斯特定理指出最大码元速率为B=2W(Baud)尼奎斯特定理指定的信道容量也叫尼奎斯特极限,这是由信道的物理特性决定的。
超过尼奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的,所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。
码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。
若码元取两个离散值,则一个码元携带1比特(bit)信息。
若码元可取四种离散值,则一个码元携带2比特信息。
总之一个码元携带的信息量n(bit)与码元的种类数N有如下关系:n=log2N单位时间内在信道上传送的信息量(比特数)称为数据速率。
在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。
如果把两比特编码为一个码元,则数据速率可成倍提高。
我们有公式:R=B log2N=2W log2N(b/s)其中R表示数据速率,单位是每秒比特,简写为bps或b/s数据速率和波特率是两个不同的概念。
仅当码元取两个离散值时两者才相等。
对于普通电话线路,带宽为3000HZ,最高波特率为6000Baud。
而最高数据速率可随编码方式的不同而取不同的值。
这些都是在无噪声的理想情况下的极限值。
第5章 信道及信道容量教学内容包括:信道模型及信道分类、单符号离散信道、多符号离散信道、多用户信道及连续信道5.1信道模型及信道分类教学内容:1、一般信道的数学模型2、信道的分类3、信道容量的定义1、 一般信道的数学模型影响信道传输的因素:噪声、干扰。
噪声、干扰:非函数表述、随机性、统计依赖。
信道的全部特性:输入信号、输出信号,以及它们之间的依赖关系。
信道的一般数学模型:2、 信道的分类输出随机信号输入、输出随机变量个数输入和输出的个数信道上有无干扰有无记忆特性3、信道容量的定义衡量一个信息传递系统的好坏,有两个主要指标:图5.1.1 一般信道的数学模型离散信道、连续信道、半离散或半连续信道 单符号信道和多符号信道 有干扰信道和无干扰信道有记忆信道和无记忆信道单用户信道和多用户信道 速度指标质量指标速度指标:信息(传输)率R ,即信道中平均每个符号传递的信息量;质量指标:平均差错率e P ,即对信道输出符号进行译码的平均错误概率;目标:速度快、错误少,即R 尽量大而e P 尽量小。
信道容量:信息率R 能大到什么程度; )/()()/()();(X Y H Y H Y X H X H Y X I R -=-==若信道平均传送一个符号所需时间为t 秒,则);(1Y X I t R t =(bit/s )称t R 为信息(传输)速率。
分析:对于给定的信道,总存在一个信源(其概率分布为*)(X P ),会使信道的信息率R 达到最大。
();(Y X I 是输入概率)(X P 的上凸函数,这意味着);(Y X I 关于)(X P 存在最大值)每个给定的信道都存在一个最大的信息率,这个最大的信息率定义为该信道的信道容量,记为C ,即);(max max Y X I R C XXP P ==bit/符号 (5.1.3)信道容量也可以定义为信道的最大的信息速率,记为t C⎭⎬⎫⎩⎨⎧==);(1max max Y X I t R C XX P t P t (bit /s ) (5.1.4) 解释:(1)信道容量C 是信道信息率R 的上限,定量描述了信道(信息的)最大通过能力; (2)使得给定信道的);(Y X I 达到最大值(即信道容量C )的输入分布,称为最佳输入(概率)分布,记为*)(X P ;(3)信道的);(Y X I 与输入概率分布)(X P 和转移概率分布)/(X Y P 两者有关,但信道容量C 是信道的固有参数,只与信道转移概率)/(X Y P 有关。
3. 信道容量信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率,单位为bps或b/s。
信道容量受信道的带宽限制,信道带宽越宽,一定时间内信道上传输的信息就越多。
带宽指物理信道的频带宽度,即信道允许的最高频率和最低频率之差。
按信道频率范围的不同,通常可将信道分为窄带信道(0~300Hz)、音频信道(300~3400Hz)和宽带信道(3400Hz以上)三类。
信道容量有两种衡量的方法:奈奎斯特公式和香农公式。
(1) 奈奎斯特公式(Nyquist)对有限带宽无噪声信道,信道容量可用如下公式计算:其中,C —最大数据速率(信道容量)H —信道的带宽(Hz)N —一个脉冲所表示的有效状态数,即调制电平数例如,若某信道带宽为4kHz,任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一,则信道容量为:奈奎斯特公式表明,对某一有限带宽无噪声信道,带宽固定,则调制速率也固定。
通过提高信号能表示的不同的状态数,可提高信道容量。
(2) 香农公式(Shannon)对有限带宽随机噪声(服从高斯分布)信道,信道容量可用如下公式计算:其中,H —信道的带宽(Hz)S —信道内信号的功率N —信道内服从高斯分布的噪声的功率S/N是信噪比,通常用表示,单位dB(分贝)例如,计算信噪比为30dB,带宽为4kHz的信道最大容量:由,得出S/N=1000 则,C=4k×log2(1+1000)≈40kbps表示无论采用何种调制技术,信噪比为30dB,带宽为4kHz的信道最大的数据速率约为40kbps。
4. 三个指标之间的关系从上面的分析可以看出,数据速率用于衡量信道传输数据的快慢,是信道的实际数据传输速率;信道容量用于衡量信道传输数据的能力,是信道的最大数据传输速率;而误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。
信道带宽与信道容量的区别是什么?增加带宽是否一定能增加信道容量?带宽:信道可以不失真地传输信号的频率范围。
为不同应用而设计的传输媒体具有不同的信道质量,所支持的带宽有所不同。