第4章信道與噪聲課件

任課老師溫洪明

普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材國防工業(yè)出版社

現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理1任課老師溫洪明普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材國防4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.3隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4信道的加性噪聲4.5信道容量4.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲

1/9/202324.1信道的定義、分類及模型4.1信道的定義、分類及模型一、信道的定義狹義信道：僅指信號的傳輸媒介。廣義信道：除包含傳輸媒介外，還包括有關(guān)的變換裝置。在討論通信的一般原理時通常采用廣義信道，為敘述方便，常把廣義信道簡稱為信道。1/9/20233一、信道的定義1/9/20233二、信道的分類從定義可看出，信道大致分成兩大類：狹義信道和廣義信道。狹義信道按具體媒介不同分為：

有線信道：同軸電纜、明線、光纜等，傳輸效率較高；無線信道：短波、衛(wèi)星中繼等，傳輸效率較低，安全性較差。廣義信道按包含的功能不同分為調(diào)制信道和編碼信道。1/9/20234二、信道的分類1/9/20234調(diào)制信道編碼信道狹義調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器編碼器解碼器為了便于研究，不管信道過程做了什么變換，也不管用什么傳輸媒質(zhì)，我們只關(guān)心通過信道后的結(jié)果，即只關(guān)心輸出信號與輸入信號的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型返回1/9/20235調(diào)制信道編碼信道狹義調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒總結(jié)特性三、信道的數(shù)學(xué)模型研究復(fù)雜問題的一般流程：大量考察數(shù)學(xué)模型1/9/20236總結(jié)特性三、信道的數(shù)學(xué)模型研究復(fù)雜問題的一般流程：大量考察數(shù)調(diào)制信道的主要特性：有一對（或多對）的輸入端和一對（或多對）的輸出端；絕大多數(shù)是線性的；信號通過信道需要一定的遲延時間，且會受到一定的損耗（固定或時變的）；即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍有一定功率輸出。1.調(diào)制信道模型因此，可用一個二對端（或多對端）的時變線性網(wǎng)絡(luò)來替代調(diào)制信道。1/9/20237調(diào)制信道的主要特性：1.調(diào)制信道模型因此，可用一個二對端（時變線性網(wǎng)絡(luò)ei(t)eo(t)…時變線性網(wǎng)絡(luò)ei1(t)eo1(t)ei2(t)eo2(t)…ein(t)eom(t)1/9/20238時變線ei(t)eo(t)…ei1(t)eo1(t)ei2(對于二對端網(wǎng)絡(luò)的信道模型可表示為：

eo(t)=f[ei(t)]+n(ｔ)假定f[ei(t)]＝ｋ(ｔ)ｅｉ(ｔ)則

eo(t)=ｋ(ｔ)ei(t)+n(ｔ)ｎ(ｔ)：加性噪聲，獨立于ｅｉ(ｔ)ｋ(ｔ)：乘性干擾，依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，是由于信道傳輸特性不理想造成的，它隨著輸入信號的消失而消失。1/9/20239對于二對端網(wǎng)絡(luò)的信道模型可表示為：

eo

在研究信道時，根據(jù)k(t)的不同情況可把調(diào)制信道分成兩大類：恒參信道：ｋ(t)基本不隨時間變化，即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的。隨參信道（變參信道）：ｋ(t)隨時間隨機快變化的信道。一般情況下，有線信道為恒參信道，無線信道為隨參信道。1/9/202310在研究信道時，根據(jù)k(t)的不同情況可把調(diào)制信道分２.編碼信道模型編碼信道對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換（即編碼），可看成數(shù)字信道。編碼信道模型可以用數(shù)字的轉(zhuǎn)換概率來描述。

二進(jìn)制編碼信道模型０P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)０11p(0/0)，p(1/0)，p(0/1)，p(1/1)為信道轉(zhuǎn)換概率，由編碼信道的特性所決定。P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1圖1/9/202311２.編碼信道模型編碼信道對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換（即4.1信道的定義、分類及模型

4.2恒參信道及其對傳輸信號的影響4.3隨參信道及其對傳輸信號的影響4.4信道的加性噪聲4.5信道容量第4章信道與噪聲

1/9/2023124.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲1/一、恒參信道舉例有線電信道光纖信道無線電視距中繼衛(wèi)星中繼信道1/9/202313一、恒參信道舉例有線電信道1/9/2023131.有線電信道①架空明線優(yōu)點：傳輸損耗低（與電纜相比）缺點：易受氣候影響，通信質(zhì)量不穩(wěn)定，頻帶窄傳輸信號類型：模擬信號主要應(yīng)用：電話系統(tǒng)（業(yè)務(wù)量較小的次要傳輸線路）1/9/2023141.有線電信道①架空明線1/9/202314②對稱電纜分類：三類線、五類線、六類線優(yōu)點：頻帶較明線寬，多線對采用雙扭線，減少了線對間的串?dāng)_缺點：容易受到外部高頻電磁波干擾，且線路本身會產(chǎn)生一定噪聲，誤碼率較高傳輸信號類型：數(shù)字信號與模擬信號均可主要應(yīng)用：局域網(wǎng)、電話系統(tǒng)1/9/202315②對稱電纜1/9/202315③同軸電纜優(yōu)點：具有良好的傳輸特性和屏蔽特性，帶寬高傳輸信號類型：數(shù)字信號與模擬信號均可主要應(yīng)用：有線電視系統(tǒng)、局域網(wǎng)種類：基帶同軸電纜（50歐，數(shù)字）、寬帶同軸電纜（75歐，模擬）1/9/202316③同軸電纜優(yōu)點：具有良好的傳輸特性和屏蔽特性，帶寬高1/2.光纖信道①傳輸信號：光信號，用光脈沖的有無來代表二進(jìn)制數(shù)字。②傳輸原理：全反射。③種類：多模：纖芯直徑為50或62.5μm，可以存在多條入射角不同的光線。單模：纖芯直徑為8~10μm（一個光波的波長），光線不出現(xiàn)反射，直接向前傳輸。1/9/2023172.光纖信道①傳輸信號：光信號，用光脈沖的有無來代表二進(jìn)④優(yōu)點：頻帶寬；抗雷擊和電磁干擾；保密性強；傳輸損耗??；重量輕。⑤缺點：太細(xì)，精確連接兩根光纖比較困難1/9/202318④優(yōu)點：頻帶寬；⑤缺點：太細(xì)，精確連接兩根光纖比較困難3.無線電視距中繼工作在超短波（30~300M，米波）和微波（300M~3G，分米波）波段。電磁波基本沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸。終端站中繼中繼終端站例如：移動通信網(wǎng)，電力230M專網(wǎng)1/9/2023193.無線電視距中繼工作在超短波（30~300M，米波）和微4.衛(wèi)星中繼信道無線電中繼信道的一種特殊形式。同步衛(wèi)星，距地面35860公里缺點：傳輸時延大。1/9/2023204.衛(wèi)星中繼信道無線電中繼信道的一種特殊形式。缺點：傳輸時延低軌道衛(wèi)星優(yōu)點：距離近，所需發(fā)射功率小，傳輸時延比同步衛(wèi)星小。缺點：衛(wèi)星天線覆蓋區(qū)域小，地面天線必須隨時跟蹤衛(wèi)星。1/9/202321低軌道衛(wèi)星優(yōu)點：距離近，所需發(fā)射功率小，傳輸時延比同步衛(wèi)星小二、恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懶诺赖姆l特性不理想會引起幅頻畸變（又稱頻率失真）。衰耗(dB)頻率(Hz)原因：感性負(fù)載、容性負(fù)載如何引起畸變？1.幅頻特性（H(ω)）1/9/202322二、恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懶诺赖姆l特性不理想會引起幅頻畸白：基波綠：三次諧波紅：信號（合成波）信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后基波比三次諧波衰減得多，比值為2:1從圖中可看出信號不同頻率分量的衰耗不同造成信號幅度畸變（即波形失真），若傳輸?shù)氖菙?shù)字信號則會引起相鄰碼元在時間上相互重疊，即造成碼間串?dāng)_。1/9/202323白：基波信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后基波改善：加線性補償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”×=為常數(shù)，不會出現(xiàn)幅度畸變ωωω線性補償網(wǎng)絡(luò)H2(ω)H1(ω)H(ω)1/9/202324改善：加線性補償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”×=為2.相位—頻率特性()相頻特性不理想會引起相頻畸變，主要原因是容性、感性負(fù)載。相頻特性經(jīng)常采用群遲延—頻率特性來衡量：它代表信號的不同頻率成分的傳輸遲延。如何引起畸變？1/9/2023252.相位—頻率特性()相頻特性不理想會引起白：基波綠：三次諧波紅：信號（合成波）信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后，由于遲延不同，基波相移π，三次諧波相移2π從圖中可看出信號不同頻率分量的傳輸遲延不同造成信號相頻畸變，波形失真了，對于數(shù)字信號傳輸，它同樣會引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。如何改善？1/9/202326白：基波信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后，由理想的相—頻及群遲延—頻率特性k信號不同頻率成分有相同的傳輸遲延，因此不會畸變線性1/9/202327理想的相—頻及群遲延—頻率特性k信號不同頻率成分有相同的傳輸+=為常數(shù)，不會出現(xiàn)相頻畸變改善：加線性補償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”線性補償網(wǎng)絡(luò)H2(ω)H1(ω)H(ω)ωτ(ω)ωτ2(ω)ωτ1(ω)

條件：τ1(ω)+τ2(ω)=C1/9/202328+=為常數(shù)，不會出現(xiàn)相頻畸變改善：加線結(jié)論：注意：以上兩個條件需同時滿足。幅頻特性為常數(shù)；相頻特性為線性或群遲延為常數(shù)。恒參信道信號傳輸不失真的條件：1/9/202329結(jié)論：注意：以上兩個條件需同時滿足。幅頻特性為常數(shù)；恒參信其他因素：1、非線性失真：產(chǎn)生新的諧波、諧波失真（元件的不理想）2、頻率的偏移：發(fā)送端與接收端用于調(diào)制與解調(diào)或者頻率變換的振蕩器的頻率誤差引起的。3、相位的抖動：由各振蕩器的頻率不穩(wěn)定產(chǎn)生的。1/9/202330其他因素：1/9/202330例題4-1設(shè)一恒參信道的幅頻特性和相頻特性分別為：其中，K0和td都是常數(shù)。試確定信號s(t)通過該信道后的輸出信號的時域表達(dá)式，并討論之。討論：信道中的幅頻為常數(shù)，相頻為線性，滿足無失真。1/9/202331例設(shè)一恒參信道的幅頻特性和相頻特性分別為：其中，K0和td都4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

4.3隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4信道的加性噪聲4.5信道容量第3章信道與噪聲

1/9/2023324.1信道的定義、分類及模型第3章信道與噪聲1/短波電離層反射信道對流層散射信道一、隨參信道舉例1/9/202333短波電離層反射信道一、隨參信道舉例1/9/202333小知識中性層：地面到60公里高度，大氣成分多處于中性（即非電離狀態(tài)）。電離層：60~500公里高度，由于太陽輻射影響，大氣物質(zhì)開始電離，根據(jù)電子濃度不同可分為D、E、F1、F2、G層，其中D、E層電子密度小，短波電磁波基本不反射，但會受到吸收損耗（即衰減）。F1、F2層是反射層。D層在夜晚基本消失。磁層：500公里以上。大氣層按大氣的電磁特性分為3層：1/9/202334小知識中性層：地面到60公里高度，大氣成分多處于中性（即非電對流層：地面到大約10~16公里處，該層集中了整個大氣的四分之三質(zhì)量和幾乎全部的水汽量，因而該層大氣湍流運動十分發(fā)達(dá)，產(chǎn)生了不均勻性，所以能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生散射。該層頂部氣溫基本不變，經(jīng)常晴空萬里，能見度高，空氣平穩(wěn)，適合噴氣客機。平流層：水汽極少，天氣現(xiàn)象比較少見。中層熱層外大氣層大氣層根據(jù)溫度變化分為5層：1/9/202335對流層：地面到大約10~16公里處，該層集中了整個大氣的四分1.短波電離層反射信道波長為10~100米的無線電波稱為短波，它既可沿地面?zhèn)鞑?，也可由電離層反射傳播，前者稱為地波傳播，后者為天波傳播，短波電離層反射信道顯然屬于后者?；驹恚弘婋x層在某一高度范圍內(nèi)，其電子密度隨高度增加而增加，則其折射率隨高度增加而減小，所以當(dāng)電波在其中傳輸時，因逐步折射而使軌道彎曲，從而在某一高度上發(fā)生全反射。1/9/2023361.短波電離層反射信道波長為10~100米的無線電波稱為短短波電離層反射信道具有多徑傳播的特性一次反射與二次反射經(jīng)不同高度全反射1/9/202337短波電離層反射信道具有多徑傳播的特性一次反射與二次反射經(jīng)不同2.對流層散射信道基本原理：由于大氣湍流運動等原因產(chǎn)生了不均勻性，故引起電波的散射。超視距傳播1/9/2023382.對流層散射信道基本原理：由于大氣湍流運動等原因產(chǎn)生了不二、隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憣π盘柕乃ズ碾S時間而變化傳輸?shù)臅r延隨時間而變化多徑傳播多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成1.隨參信道特性1/9/202339二、隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憣π盘柕乃ズ碾S時間而變化設(shè)發(fā)射波為Acosω0t，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號為R(t)為：——第i條路徑的接收信號振幅——第i條路徑的傳輸時延2.接收信號的時域分析1/9/202340設(shè)發(fā)射波為Acosω0t，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號令則其中1/9/202341令則其中1/9/202341從波形上看，使確定的載波信號Acosω0t變成了包絡(luò)與相位均受到調(diào)制的窄帶信號；從頻譜上看，由單個頻率變成了一個窄帶頻譜（稱頻率彌散）。由上式可以看出，經(jīng)過信號的多徑傳輸產(chǎn)生了兩種結(jié)果：1/9/202342從波形上看，使確定的載波信號Acosω0t變成了包絡(luò)與相位3.接收信號的頻域分析從頻域上分析多徑傳播還可能造成另一嚴(yán)重后果—頻率選擇性衰落。設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條，且它們到達(dá)接收點時的幅度相同，只是到達(dá)時間上差一個時延τ，若發(fā)送信號為f(t)，則兩路信號到達(dá)接收端時分別為Kf(t-t0)和Kf(t-t0-τ)。若f(t)的頻譜為F(ω)則∴合成信號R(t)=Kf(t-t0)+Kf(t-t0-τ)1/9/2023433.接收信號的頻域分析從頻域上分析多徑傳播還可能造成另一嚴(yán)∴信道的傳遞函數(shù)為：∴該結(jié)論可直接用于計算傳播極點傳播零點當(dāng)Δω＞2π/τ，即Δf＞1/τ時必然出現(xiàn)傳播零點1/9/202344∴信道的傳遞函數(shù)為：∴該結(jié)論可直接用于計算傳播極點傳播零點多徑傳播的相對時延差用最大多徑時延差τm表示，則為相鄰傳輸零點的頻率間隔；為了不引起明顯的選擇性衰落，傳播信號的頻帶必須小于Δf；工程上通常選擇信號頻帶B=(1/5~1/3)Δf或使數(shù)字信號的碼元寬度T=(3~5)τm推廣到多徑傳播：1/9/202345多徑傳播的相對時延差用最大多徑時延差τm表示，則例題4-2假設(shè)某隨參信道的兩徑時延差τ為1ms，試求該信道在哪些頻率上傳輸衰耗最大？選用哪些頻率傳輸信號最有利？f=(n+1/2)kHz衰耗最大f=nkHz傳輸最有利1/9/202346例假設(shè)某隨參信道的兩徑時延差τ為1ms，試求該信道在哪些頻率三、隨參信道特性的改善慢衰落（平坦性衰落）——主要采取調(diào)整設(shè)備參量方法（如增加發(fā)射功率和自動增益控制）解決快衰落——采用分集接收1/9/202347三、隨參信道特性的改善慢衰落（平坦性衰落）——主要采取調(diào)整設(shè)分集即將分散得到的幾個不同路徑的信號合成并集中。1.基本原理前提：被分集的幾路信號之間是統(tǒng)計獨立的。實現(xiàn)原理：快衰落信道中接收的信號是到達(dá)接收機的各徑分量的合成，如果在接收端同時獲得幾個不同路徑的信號，將這些信號以適當(dāng)方式合并構(gòu)成總的接收信號，則能夠大大減小衰落的影響。1/9/202348分集即將分散得到的幾個不同路徑的信號合成并集中。1.基2.分集方式空間分集：間距足夠的不同天線頻率分集：不同載頻角度分集：天線波束指向不同極化分集：不同極化波各種分集方式可組合使用1/9/2023492.分集方式空間分集：間距足夠的不同天線頻率分集：3.合并方法最佳選擇法：選擇信噪比最好的等增益相加法：相同支路增益最大比值相加法：各支路增益與信噪比成正比性能依次遞增1/9/2023503.合并方法最佳選擇法：選擇信噪比最好的等增益相加4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對傳輸信號的影響4.3隨參信道及其對傳輸信號的影響

4.4信道的加性噪聲4.5信道容量第4章信道與噪聲

1/9/2023514.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲1/一、噪聲分類1.從噪聲來源分：

自然噪聲：自然界中存在的各種電磁波源，如閃電、宇宙噪聲；有些噪聲類型是確知的，從原理上可消除或基本消除，而另一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測，稱為隨機噪聲，這是我們的主要研究對象。

內(nèi)部噪聲：通信系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲，如熱噪聲、散彈噪聲；

人為噪聲：來源于其它信號源，如外臺信號、開關(guān)接觸噪聲。1/9/202352一、噪聲分類1.從噪聲來源分：自然噪聲：自然界中存在2.常見的隨機噪聲

單頻噪聲：一種連續(xù)波的干擾，如外臺信號、工頻干擾；單頻噪聲和脈沖噪聲均可用技術(shù)手段避免危害，但起伏噪聲不可避免且始終存在，因此它對通信質(zhì)量的影響最大。

脈沖噪聲：在時間上無規(guī)則的突發(fā)的短促噪聲，如閃電、電氣開關(guān)通斷；

起伏噪聲：以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲。1/9/2023532.常見的隨機噪聲單頻噪聲：一種連續(xù)波的干擾，如外單頻二、通信系統(tǒng)中常見的幾種噪聲1.白噪聲：指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。n0的單位是W/Hz。自相關(guān)函數(shù)：實際處理中，只要一個噪聲過程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)大于其作用的系統(tǒng)的帶寬，且在該帶寬中其頻譜密度基本為常數(shù)，就可以把它當(dāng)白噪聲看待。1/9/202354二、通信系統(tǒng)中常見的幾種噪聲1.白噪聲：指功率譜密度在整2.高斯噪聲：指它的概率密度函數(shù)服從正態(tài)分布重要結(jié)論：當(dāng)噪聲均值為0時，噪聲的平均功率等于噪聲的方差。通常a=0，故噪聲的方差D[n(t)]=E{[n(t)-a]2}=E{n2(t)}=R(0)=S1/9/2023552.高斯噪聲：指它的概率密度函數(shù)服從正態(tài)分布重要結(jié)論：當(dāng)3.高斯白噪聲指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布，且功率譜密度為常數(shù)。熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲都可近似為高斯白噪聲。1/9/2023563.高斯白噪聲熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲都可近似為高斯白4.窄帶高斯噪聲

當(dāng)高斯噪聲通過窄帶系統(tǒng)時，就形成窄帶高斯噪聲。它的特點是頻譜局限在中心附近很窄的范圍內(nèi)，其包絡(luò)和相位都在作緩慢的隨機變化，即：其中為噪聲的隨機相位，為噪聲的隨機包絡(luò)。稱為噪聲的同相分量稱為噪聲的正交分量1/9/2023574.窄帶高斯噪聲其中為噪聲的隨機相位，幾個重要結(jié)論：（1）一個均值為零的窄帶高斯噪聲n(t)，假定它是平穩(wěn)隨機過程，則它的同相分量和正交分量也是平穩(wěn)隨機過程，且均值都為零，方差也相同。1/9/202358幾個重要結(jié)論：1/9/202358（3）窄帶高斯噪聲的相位服從均勻分布，即（2）窄帶高斯噪聲的隨機包絡(luò)服從瑞利分布，即1/9/202359（3）窄帶高斯噪聲的相位服從均勻分布，即（2）窄帶高斯噪聲的4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.3隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4信道的加性噪聲

4.5信道容量第4章信道與噪聲

1/9/2023604.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲1/一、定義信道容量是指單位時間內(nèi)信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊Ｐ诺廊萘勘碚髁诵诺赖臉O限傳輸能力。1/9/202361一、定義信道容量是指單位時間內(nèi)信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊６?、連續(xù)信道的信道容量設(shè)加性高斯白噪聲功率N(W)，信道帶寬為B(Hz)，信號功率為S(W)，則通過這種信道無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾剩葱诺廊萘浚椋?/p>

香農(nóng)公式1/9/202362二、連續(xù)信道的信道容量設(shè)加性高斯白噪聲功率N(W)，信道帶噪聲功率與信道帶寬有關(guān)，假設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則噪聲功率N=n0B，則香農(nóng)公式變?yōu)椋猴@然，C與S、n0、B有關(guān)。①當(dāng)n0→0或S→∞時:②當(dāng)B→∞時，C→∞？C→∞1/9/202363噪聲功率與信道帶寬有關(guān)，假設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則噪聲信道容量C隨著帶寬B的增大而達(dá)到一個極限值。1/9/202364信道容量C隨著帶寬B的增大而達(dá)到一個極限值。1/9/2023香農(nóng)公式的重要意義：這是擴頻通信的理論基礎(chǔ)。用帶寬換取信噪比1/9/202365香農(nóng)公式的重要意義：這是擴頻通信的理論基礎(chǔ)。用帶寬換取信噪比例題4-3在傳輸圖片時，每幀約2.55×106個象素，為使接收端能良好地重現(xiàn)，需要12個亮度等級，假定所有亮度等級等概率出現(xiàn)，信道中信噪比為30dB。⑴若傳一張圖片需1分鐘，問所需的信道帶寬為多少？⑵若傳一張圖片需3分鐘，所需的信道帶寬？⑶若在帶寬為3.4kHz線路上傳輸，試求傳一張圖片所需的時間？1/9/202366例在傳輸圖片時，每幀約2.55×106個象素，為使接收端能良ThankYou!1/9/202367ThankYou!1/9/202367任課老師溫洪明

普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材國防工業(yè)出版社

現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理68任課老師溫洪明普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材國防4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.3隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4信道的加性噪聲4.5信道容量4.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲

1/9/2023694.1信道的定義、分類及模型4.1信道的定義、分類及模型一、信道的定義狹義信道：僅指信號的傳輸媒介。廣義信道：除包含傳輸媒介外，還包括有關(guān)的變換裝置。在討論通信的一般原理時通常采用廣義信道，為敘述方便，常把廣義信道簡稱為信道。1/9/202370一、信道的定義1/9/20233二、信道的分類從定義可看出，信道大致分成兩大類：狹義信道和廣義信道。狹義信道按具體媒介不同分為：

有線信道：同軸電纜、明線、光纜等，傳輸效率較高；無線信道：短波、衛(wèi)星中繼等，傳輸效率較低，安全性較差。廣義信道按包含的功能不同分為調(diào)制信道和編碼信道。1/9/202371二、信道的分類1/9/20234調(diào)制信道編碼信道狹義調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒質(zhì)收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器編碼器解碼器為了便于研究，不管信道過程做了什么變換，也不管用什么傳輸媒質(zhì)，我們只關(guān)心通過信道后的結(jié)果，即只關(guān)心輸出信號與輸入信號的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型返回1/9/202372調(diào)制信道編碼信道狹義調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器媒總結(jié)特性三、信道的數(shù)學(xué)模型研究復(fù)雜問題的一般流程：大量考察數(shù)學(xué)模型1/9/202373總結(jié)特性三、信道的數(shù)學(xué)模型研究復(fù)雜問題的一般流程：大量考察數(shù)調(diào)制信道的主要特性：有一對（或多對）的輸入端和一對（或多對）的輸出端；絕大多數(shù)是線性的；信號通過信道需要一定的遲延時間，且會受到一定的損耗（固定或時變的）；即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍有一定功率輸出。1.調(diào)制信道模型因此，可用一個二對端（或多對端）的時變線性網(wǎng)絡(luò)來替代調(diào)制信道。1/9/202374調(diào)制信道的主要特性：1.調(diào)制信道模型因此，可用一個二對端（時變線性網(wǎng)絡(luò)ei(t)eo(t)…時變線性網(wǎng)絡(luò)ei1(t)eo1(t)ei2(t)eo2(t)…ein(t)eom(t)1/9/202375時變線ei(t)eo(t)…ei1(t)eo1(t)ei2(對于二對端網(wǎng)絡(luò)的信道模型可表示為：

eo(t)=f[ei(t)]+n(ｔ)假定f[ei(t)]＝ｋ(ｔ)ｅｉ(ｔ)則

eo(t)=ｋ(ｔ)ei(t)+n(ｔ)ｎ(ｔ)：加性噪聲，獨立于ｅｉ(ｔ)ｋ(ｔ)：乘性干擾，依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，是由于信道傳輸特性不理想造成的，它隨著輸入信號的消失而消失。1/9/202376對于二對端網(wǎng)絡(luò)的信道模型可表示為：

eo

在研究信道時，根據(jù)k(t)的不同情況可把調(diào)制信道分成兩大類：恒參信道：ｋ(t)基本不隨時間變化，即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的。隨參信道（變參信道）：ｋ(t)隨時間隨機快變化的信道。一般情況下，有線信道為恒參信道，無線信道為隨參信道。1/9/202377在研究信道時，根據(jù)k(t)的不同情況可把調(diào)制信道分２.編碼信道模型編碼信道對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換（即編碼），可看成數(shù)字信道。編碼信道模型可以用數(shù)字的轉(zhuǎn)換概率來描述。

二進(jìn)制編碼信道模型０P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)０11p(0/0)，p(1/0)，p(0/1)，p(1/1)為信道轉(zhuǎn)換概率，由編碼信道的特性所決定。P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1圖1/9/202378２.編碼信道模型編碼信道對信號的影響是一種數(shù)字序列的變換（即4.1信道的定義、分類及模型

4.2恒參信道及其對傳輸信號的影響4.3隨參信道及其對傳輸信號的影響4.4信道的加性噪聲4.5信道容量第4章信道與噪聲

1/9/2023794.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲1/一、恒參信道舉例有線電信道光纖信道無線電視距中繼衛(wèi)星中繼信道1/9/202380一、恒參信道舉例有線電信道1/9/2023131.有線電信道①架空明線優(yōu)點：傳輸損耗低（與電纜相比）缺點：易受氣候影響，通信質(zhì)量不穩(wěn)定，頻帶窄傳輸信號類型：模擬信號主要應(yīng)用：電話系統(tǒng)（業(yè)務(wù)量較小的次要傳輸線路）1/9/2023811.有線電信道①架空明線1/9/202314②對稱電纜分類：三類線、五類線、六類線優(yōu)點：頻帶較明線寬，多線對采用雙扭線，減少了線對間的串?dāng)_缺點：容易受到外部高頻電磁波干擾，且線路本身會產(chǎn)生一定噪聲，誤碼率較高傳輸信號類型：數(shù)字信號與模擬信號均可主要應(yīng)用：局域網(wǎng)、電話系統(tǒng)1/9/202382②對稱電纜1/9/202315③同軸電纜優(yōu)點：具有良好的傳輸特性和屏蔽特性，帶寬高傳輸信號類型：數(shù)字信號與模擬信號均可主要應(yīng)用：有線電視系統(tǒng)、局域網(wǎng)種類：基帶同軸電纜（50歐，數(shù)字）、寬帶同軸電纜（75歐，模擬）1/9/202383③同軸電纜優(yōu)點：具有良好的傳輸特性和屏蔽特性，帶寬高1/2.光纖信道①傳輸信號：光信號，用光脈沖的有無來代表二進(jìn)制數(shù)字。②傳輸原理：全反射。③種類：多模：纖芯直徑為50或62.5μm，可以存在多條入射角不同的光線。單模：纖芯直徑為8~10μm（一個光波的波長），光線不出現(xiàn)反射，直接向前傳輸。1/9/2023842.光纖信道①傳輸信號：光信號，用光脈沖的有無來代表二進(jìn)④優(yōu)點：頻帶寬；抗雷擊和電磁干擾；保密性強；傳輸損耗??；重量輕。⑤缺點：太細(xì)，精確連接兩根光纖比較困難1/9/202385④優(yōu)點：頻帶寬；⑤缺點：太細(xì)，精確連接兩根光纖比較困難3.無線電視距中繼工作在超短波（30~300M，米波）和微波（300M~3G，分米波）波段。電磁波基本沿視線傳播，通信距離依靠中繼方式延伸。終端站中繼中繼終端站例如：移動通信網(wǎng)，電力230M專網(wǎng)1/9/2023863.無線電視距中繼工作在超短波（30~300M，米波）和微4.衛(wèi)星中繼信道無線電中繼信道的一種特殊形式。同步衛(wèi)星，距地面35860公里缺點：傳輸時延大。1/9/2023874.衛(wèi)星中繼信道無線電中繼信道的一種特殊形式。缺點：傳輸時延低軌道衛(wèi)星優(yōu)點：距離近，所需發(fā)射功率小，傳輸時延比同步衛(wèi)星小。缺點：衛(wèi)星天線覆蓋區(qū)域小，地面天線必須隨時跟蹤衛(wèi)星。1/9/202388低軌道衛(wèi)星優(yōu)點：距離近，所需發(fā)射功率小，傳輸時延比同步衛(wèi)星小二、恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懶诺赖姆l特性不理想會引起幅頻畸變（又稱頻率失真）。衰耗(dB)頻率(Hz)原因：感性負(fù)載、容性負(fù)載如何引起畸變？1.幅頻特性（H(ω)）1/9/202389二、恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懶诺赖姆l特性不理想會引起幅頻畸白：基波綠：三次諧波紅：信號（合成波）信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后基波比三次諧波衰減得多，比值為2:1從圖中可看出信號不同頻率分量的衰耗不同造成信號幅度畸變（即波形失真），若傳輸?shù)氖菙?shù)字信號則會引起相鄰碼元在時間上相互重疊，即造成碼間串?dāng)_。1/9/202390白：基波信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后基波改善：加線性補償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”×=為常數(shù)，不會出現(xiàn)幅度畸變ωωω線性補償網(wǎng)絡(luò)H2(ω)H1(ω)H(ω)1/9/202391改善：加線性補償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”×=為2.相位—頻率特性()相頻特性不理想會引起相頻畸變，主要原因是容性、感性負(fù)載。相頻特性經(jīng)常采用群遲延—頻率特性來衡量：它代表信號的不同頻率成分的傳輸遲延。如何引起畸變？1/9/2023922.相位—頻率特性()相頻特性不理想會引起白：基波綠：三次諧波紅：信號（合成波）信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后，由于遲延不同，基波相移π，三次諧波相移2π從圖中可看出信號不同頻率分量的傳輸遲延不同造成信號相頻畸變，波形失真了，對于數(shù)字信號傳輸，它同樣會引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。如何改善？1/9/202393白：基波信號由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后，由理想的相—頻及群遲延—頻率特性k信號不同頻率成分有相同的傳輸遲延，因此不會畸變線性1/9/202394理想的相—頻及群遲延—頻率特性k信號不同頻率成分有相同的傳輸+=為常數(shù)，不會出現(xiàn)相頻畸變改善：加線性補償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”線性補償網(wǎng)絡(luò)H2(ω)H1(ω)H(ω)ωτ(ω)ωτ2(ω)ωτ1(ω)

條件：τ1(ω)+τ2(ω)=C1/9/202395+=為常數(shù)，不會出現(xiàn)相頻畸變改善：加線結(jié)論：注意：以上兩個條件需同時滿足。幅頻特性為常數(shù)；相頻特性為線性或群遲延為常數(shù)。恒參信道信號傳輸不失真的條件：1/9/202396結(jié)論：注意：以上兩個條件需同時滿足。幅頻特性為常數(shù)；恒參信其他因素：1、非線性失真：產(chǎn)生新的諧波、諧波失真（元件的不理想）2、頻率的偏移：發(fā)送端與接收端用于調(diào)制與解調(diào)或者頻率變換的振蕩器的頻率誤差引起的。3、相位的抖動：由各振蕩器的頻率不穩(wěn)定產(chǎn)生的。1/9/202397其他因素：1/9/202330例題4-1設(shè)一恒參信道的幅頻特性和相頻特性分別為：其中，K0和td都是常數(shù)。試確定信號s(t)通過該信道后的輸出信號的時域表達(dá)式，并討論之。討論：信道中的幅頻為常數(shù)，相頻為線性，滿足無失真。1/9/202398例設(shè)一恒參信道的幅頻特性和相頻特性分別為：其中，K0和td都4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

4.3隨參信道及其對信號傳輸?shù)挠绊?.4信道的加性噪聲4.5信道容量第3章信道與噪聲

1/9/2023994.1信道的定義、分類及模型第3章信道與噪聲1/短波電離層反射信道對流層散射信道一、隨參信道舉例1/9/2023100短波電離層反射信道一、隨參信道舉例1/9/202333小知識中性層：地面到60公里高度，大氣成分多處于中性（即非電離狀態(tài)）。電離層：60~500公里高度，由于太陽輻射影響，大氣物質(zhì)開始電離，根據(jù)電子濃度不同可分為D、E、F1、F2、G層，其中D、E層電子密度小，短波電磁波基本不反射，但會受到吸收損耗（即衰減）。F1、F2層是反射層。D層在夜晚基本消失。磁層：500公里以上。大氣層按大氣的電磁特性分為3層：1/9/2023101小知識中性層：地面到60公里高度，大氣成分多處于中性（即非電對流層：地面到大約10~16公里處，該層集中了整個大氣的四分之三質(zhì)量和幾乎全部的水汽量，因而該層大氣湍流運動十分發(fā)達(dá)，產(chǎn)生了不均勻性，所以能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生散射。該層頂部氣溫基本不變，經(jīng)常晴空萬里，能見度高，空氣平穩(wěn)，適合噴氣客機。平流層：水汽極少，天氣現(xiàn)象比較少見。中層熱層外大氣層大氣層根據(jù)溫度變化分為5層：1/9/2023102對流層：地面到大約10~16公里處，該層集中了整個大氣的四分1.短波電離層反射信道波長為10~100米的無線電波稱為短波，它既可沿地面?zhèn)鞑?，也可由電離層反射傳播，前者稱為地波傳播，后者為天波傳播，短波電離層反射信道顯然屬于后者?；驹恚弘婋x層在某一高度范圍內(nèi)，其電子密度隨高度增加而增加，則其折射率隨高度增加而減小，所以當(dāng)電波在其中傳輸時，因逐步折射而使軌道彎曲，從而在某一高度上發(fā)生全反射。1/9/20231031.短波電離層反射信道波長為10~100米的無線電波稱為短短波電離層反射信道具有多徑傳播的特性一次反射與二次反射經(jīng)不同高度全反射1/9/2023104短波電離層反射信道具有多徑傳播的特性一次反射與二次反射經(jīng)不同2.對流層散射信道基本原理：由于大氣湍流運動等原因產(chǎn)生了不均勻性，故引起電波的散射。超視距傳播1/9/20231052.對流層散射信道基本原理：由于大氣湍流運動等原因產(chǎn)生了不二、隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憣π盘柕乃ズ碾S時間而變化傳輸?shù)臅r延隨時間而變化多徑傳播多徑傳播后的接收信號將是衰減和時延隨時間變化的各路徑信號的合成1.隨參信道特性1/9/2023106二、隨參信道特性及其對信號傳輸?shù)挠绊憣π盘柕乃ズ碾S時間而變化設(shè)發(fā)射波為Acosω0t，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號為R(t)為：——第i條路徑的接收信號振幅——第i條路徑的傳輸時延2.接收信號的時域分析1/9/2023107設(shè)發(fā)射波為Acosω0t，則經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號令則其中1/9/2023108令則其中1/9/202341從波形上看，使確定的載波信號Acosω0t變成了包絡(luò)與相位均受到調(diào)制的窄帶信號；從頻譜上看，由單個頻率變成了一個窄帶頻譜（稱頻率彌散）。由上式可以看出，經(jīng)過信號的多徑傳輸產(chǎn)生了兩種結(jié)果：1/9/2023109從波形上看，使確定的載波信號Acosω0t變成了包絡(luò)與相位3.接收信號的頻域分析從頻域上分析多徑傳播還可能造成另一嚴(yán)重后果—頻率選擇性衰落。設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條，且它們到達(dá)接收點時的幅度相同，只是到達(dá)時間上差一個時延τ，若發(fā)送信號為f(t)，則兩路信號到達(dá)接收端時分別為Kf(t-t0)和Kf(t-t0-τ)。若f(t)的頻譜為F(ω)則∴合成信號R(t)=Kf(t-t0)+Kf(t-t0-τ)1/9/20231103.接收信號的頻域分析從頻域上分析多徑傳播還可能造成另一嚴(yán)∴信道的傳遞函數(shù)為：∴該結(jié)論可直接用于計算傳播極點傳播零點當(dāng)Δω＞2π/τ，即Δf＞1/τ時必然出現(xiàn)傳播零點1/9/2023111∴信道的傳遞函數(shù)為：∴該結(jié)論可直接用于計算傳播極點傳播零點多徑傳播的相對時延差用最大多徑時延差τm表示，則為相鄰傳輸零點的頻率間隔；為了不引起明顯的選擇性衰落，傳播信號的頻帶必須小于Δf；工程上通常選擇信號頻帶B=(1/5~1/3)Δf或使數(shù)字信號的碼元寬度T=(3~5)τm推廣到多徑傳播：1/9/2023112多徑傳播的相對時延差用最大多徑時延差τm表示，則例題4-2假設(shè)某隨參信道的兩徑時延差τ為1ms，試求該信道在哪些頻率上傳輸衰耗最大？選用哪些頻率傳輸信號最有利？f=(n+1/2)kHz衰耗最大f=nkHz傳輸最有利1/9/2023113例假設(shè)某隨參信道的兩徑時延差τ為1ms，試求該信道在哪些頻率三、隨參信道特性的改善慢衰落（平坦性衰落）——主要采取調(diào)整設(shè)備參量方法（如增加發(fā)射功率和自動增益控制）解決快衰落——采用分集接收1/9/2023114三、隨參信道特性的改善慢衰落（平坦性衰落）——主要采取調(diào)整設(shè)分集即將分散得到的幾個不同路徑的信號合成并集中。1.基本原理前提：被分集的幾路信號之間是統(tǒng)計獨立的。實現(xiàn)原理：快衰落信道中接收的信號是到達(dá)接收機的各徑分量的合成，如果在接收端同時獲得幾個不同路徑的信號，將這些信號以適當(dāng)方式合并構(gòu)成總的接收信號，則能夠大大減小衰落的影響。1/9/2023115分集即將分散得到的幾個不同路徑的信號合成并集中。1.基2.分集方式空間分集：間距足夠的不同天線頻率分集：不同載頻角度分集：天線波束指向不同極化分集：不同極化波各種分集方式可組合使用1/9/20231162.分集方式空間分集：間距足夠的不同天線頻率分集：3.合并方法最佳選擇法：選擇信噪比最好的等增益相加法：相同支路增益最大比值相加法：各支路增益與信噪比成正比性能依次遞增1/9/20231173.合并方法最佳選擇法：選擇信噪比最好的等增益相加4.1信道的定義、分類及模型4.2恒參信道及其對傳輸信號的影響4.3隨參信道及其對傳輸信號的影響

4.4信道的加性噪聲4.5信道容量第4章信道與噪聲

1/9/20231184.1信道的定義、分類及模型第4章信道與噪聲1/一、噪聲分類1.從噪聲來源分：

自然噪聲：自然界中存在的各種電磁波源，如閃電、宇宙噪聲；有些噪聲類型是確知的，從原理上可消除或基本消除，而另一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測，稱為隨機噪聲，這是我們的主要研究對象。

內(nèi)部噪聲：通信系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲，如熱噪聲、散彈噪聲；

人為噪聲：來源于其它信號源，如外臺信號、開關(guān)接觸噪聲。1/9/2023119一、噪聲分類1.從噪聲來源分：自然噪聲：自然界中存在2.常見的隨機噪聲

單頻噪聲：一種連續(xù)波的干擾，如外臺信號、工頻干擾；單頻噪聲和脈沖噪聲均可用技術(shù)手段避免危害，但起伏噪聲不可避免且始終存在，因此它對通信質(zhì)量的影響最大。

脈沖噪聲：在時間上無規(guī)則的突發(fā)的