《信道及噪聲模型》課件

信道及噪聲模型信道是通信系統(tǒng)中，發(fā)送端和接收端之間進(jìn)行信息傳遞的媒介。噪聲是干擾通信信號(hào)的隨機(jī)信號(hào)，會(huì)降低接收信號(hào)的質(zhì)量。課程簡(jiǎn)介通信工程學(xué)生本課程旨在幫助通信工程專業(yè)的學(xué)生掌握信道及噪聲的理論知識(shí)。無(wú)線通信系統(tǒng)課程涵蓋了無(wú)線通信系統(tǒng)中信道模型和噪聲影響的分析，以及應(yīng)對(duì)噪聲的信號(hào)處理方法。數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容與數(shù)字信號(hào)處理密切相關(guān)，將深入探討如何利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)改善通信質(zhì)量。信號(hào)和信道信號(hào)是信息的載體，通常以電磁波的形式傳播。信道是信號(hào)傳輸?shù)拿浇?，例如無(wú)線電波、光纖、電纜等。信號(hào)在信道中傳輸時(shí)會(huì)受到噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致信號(hào)失真。信號(hào)的性質(zhì)信號(hào)是信息的載體，是隨時(shí)間變化的物理量，可以是電壓、電流、聲波等。信號(hào)的頻率決定了信號(hào)變化的速度，高頻信號(hào)變化快，低頻信號(hào)變化慢。信號(hào)的幅度決定了信號(hào)的強(qiáng)弱，幅度大則信號(hào)強(qiáng)，幅度小則信號(hào)弱。信號(hào)的相位決定了信號(hào)的起始位置，相位不同，信號(hào)的波形也會(huì)不同。信號(hào)的頻譜特性頻譜特性描述頻譜寬度信號(hào)占據(jù)的頻率范圍頻譜密度不同頻率成分的能量分布頻譜形狀信號(hào)頻譜的形狀特征頻譜特性是信號(hào)的重要特征，它反映了信號(hào)的頻率組成和能量分布，對(duì)理解信號(hào)的傳輸和處理具有重要意義。通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)將信息轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)。包括信息源、編碼器、調(diào)制器、放大器和天線等。信道信道是連接發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的媒介，負(fù)責(zé)傳輸電磁波信號(hào)。接收機(jī)接收機(jī)將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為信息。包括天線、放大器、解調(diào)器、解碼器和信息接收器等。信號(hào)檢測(cè)和處理1信號(hào)識(shí)別提取信號(hào)特征，區(qū)分信號(hào)與噪聲2信號(hào)濾波消除噪聲，增強(qiáng)信號(hào)3信號(hào)解碼還原原始信息信號(hào)檢測(cè)和處理是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵步驟。它涉及識(shí)別、提取和增強(qiáng)信號(hào)，并將其與噪聲分離，最終還原原始信息。噪聲的產(chǎn)生機(jī)理熱噪聲電子元件在一定溫度下，電子會(huì)發(fā)生無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生隨機(jī)電流，造成熱噪聲。散粒噪聲電子流中的電子不是連續(xù)的，而是以離散形式運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電流波動(dòng)，產(chǎn)生散粒噪聲。閃爍噪聲電子器件中的缺陷和雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致電流的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生閃爍噪聲。干擾噪聲來(lái)自外部的電磁干擾，例如來(lái)自電力設(shè)備、無(wú)線電發(fā)射機(jī)等的干擾，也會(huì)影響信號(hào)傳輸。噪聲的特性1隨機(jī)性噪聲信號(hào)的隨機(jī)性使得無(wú)法預(yù)測(cè)其具體值，只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。2不確定性由于噪聲的隨機(jī)性，其幅度、頻率和相位都難以確定，給信號(hào)處理帶來(lái)困難。3不可預(yù)測(cè)性噪聲的隨機(jī)性使無(wú)法精確預(yù)測(cè)其未來(lái)變化，需要采用相應(yīng)的濾波和編碼技術(shù)來(lái)對(duì)抗噪聲干擾。信噪比的概念信噪比（SNR）是信號(hào)功率與噪聲功率之比，用于衡量通信系統(tǒng)中信號(hào)的清晰程度。高信噪比意味著信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于噪聲，信號(hào)更容易被識(shí)別和解碼，反之則表明噪聲影響很大，信號(hào)難以辨別。信噪比通常用分貝（dB）表示，計(jì)算公式為：SNR=10log10(信號(hào)功率/噪聲功率)，單位是dB。噪聲功率和信號(hào)功率噪聲功率和信號(hào)功率是通信系統(tǒng)中兩個(gè)重要的參數(shù)。噪聲功率是指噪聲信號(hào)的平均功率，它反映了噪聲信號(hào)的強(qiáng)度。信號(hào)功率是指信號(hào)信號(hào)的平均功率，它反映了信號(hào)信號(hào)的強(qiáng)度。1噪聲功率通常用dBm表示10信號(hào)功率通常用dBm表示5信噪比信號(hào)功率與噪聲功率的比值100影響因素信道環(huán)境、干擾源、接收機(jī)性能信噪比的計(jì)算1信噪比的定義信噪比是指信號(hào)功率與噪聲功率之比，通常用dB表示。2計(jì)算公式信噪比（dB）=10log10(信號(hào)功率/噪聲功率)3應(yīng)用場(chǎng)景信噪比是衡量通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，反映了信號(hào)在噪聲背景下的清晰度。信號(hào)與噪聲的分離1濾波通過(guò)濾波器分離信號(hào)和噪聲2自適應(yīng)濾波根據(jù)信號(hào)和噪聲特性自適應(yīng)地濾波3壓縮感知從噪聲中提取信號(hào)4降噪算法使用各種算法減少噪聲信號(hào)與噪聲分離是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它可以提高信號(hào)質(zhì)量、增強(qiáng)信噪比。常用的方法包括濾波、自適應(yīng)濾波、壓縮感知和降噪算法。濾波器的作用信號(hào)增強(qiáng)濾波器通過(guò)抑制干擾信號(hào)，提高有用信號(hào)的信噪比。頻率選擇濾波器可以根據(jù)頻率特性選擇性地通過(guò)或阻擋特定頻率的信號(hào)。信號(hào)整形濾波器可以改變信號(hào)的形狀，例如平滑信號(hào)或消除尖峰。濾波器的分類模擬濾波器模擬濾波器使用連續(xù)時(shí)間信號(hào)和元件，例如電阻、電容和電感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波功能。它們通常用于處理來(lái)自傳感器和音頻設(shè)備的信號(hào)。數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器使用離散時(shí)間信號(hào)和數(shù)字計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波功能。它們通常用于處理來(lái)自數(shù)字音頻和視頻設(shè)備的信號(hào)。主動(dòng)濾波器主動(dòng)濾波器使用電子放大器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)或消除噪聲。它們通常用于音頻系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。被動(dòng)濾波器被動(dòng)濾波器僅使用電阻、電容和電感器等元件來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波功能。它們通常用于低功耗應(yīng)用。低通濾波器的設(shè)計(jì)確定截止頻率低通濾波器的截止頻率決定了濾波器的通帶范圍，需要根據(jù)信號(hào)的頻率特性來(lái)確定。選擇濾波器類型常用的低通濾波器類型包括巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓濾波器等，需要根據(jù)濾波器的性能指標(biāo)來(lái)選擇。設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)根據(jù)選定的濾波器類型和截止頻率，設(shè)計(jì)濾波器的階數(shù)、通帶衰減、阻帶衰減等參數(shù)。實(shí)現(xiàn)濾波器可以使用模擬電路或數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的實(shí)現(xiàn)方式。高通濾波器的設(shè)計(jì)確定截止頻率高通濾波器通常需要確定一個(gè)截止頻率，該頻率以下的信號(hào)被濾除，而高于該頻率的信號(hào)通過(guò)。選擇濾波器類型高通濾波器有許多類型，例如巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器等，每種類型具有不同的特性。確定濾波器階數(shù)濾波器階數(shù)決定了濾波器的平滑程度和過(guò)渡帶的寬度，階數(shù)越高，濾波器越平滑。計(jì)算濾波器系數(shù)根據(jù)所選濾波器類型和階數(shù)，使用相應(yīng)的公式或軟件工具計(jì)算濾波器的系數(shù)。實(shí)現(xiàn)濾波器使用計(jì)算得到的系數(shù)，使用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)高通濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。帶通濾波器的設(shè)計(jì)1中心頻率帶通濾波器允許特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)抑制其他頻率的信號(hào)。2帶寬帶通濾波器通過(guò)的頻率范圍稱為帶寬，它是中心頻率上下限之間的差值。3阻帶濾波器抑制的頻率范圍稱為阻帶，它們位于通帶的兩側(cè)。帶阻濾波器的設(shè)計(jì)1確定中心頻率確定需要抑制的特定頻率。2選擇濾波器類型選擇合適類型的帶阻濾波器，例如巴特沃斯濾波器或切比雪夫?yàn)V波器。3設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)確定帶寬、滾降速率和阻帶衰減等參數(shù)。4實(shí)現(xiàn)濾波器電路使用合適的元器件，例如電阻、電容和電感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器電路。帶阻濾波器通過(guò)抑制特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)來(lái)工作，例如，在音頻系統(tǒng)中用來(lái)濾除特定頻率的噪聲。設(shè)計(jì)帶阻濾波器需要確定中心頻率，選擇合適的濾波器類型，并設(shè)置濾波器參數(shù)，最后根據(jù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器電路。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)1需求分析確定濾波器的類型和參數(shù)2濾波器結(jié)構(gòu)選擇合適的濾波器結(jié)構(gòu)3系數(shù)計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算濾波器系數(shù)4性能評(píng)估驗(yàn)證濾波器性能指標(biāo)5實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用將數(shù)字濾波器應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是一個(gè)多步驟的過(guò)程，需要考慮濾波器的類型、結(jié)構(gòu)、系數(shù)計(jì)算、性能評(píng)估和實(shí)現(xiàn)等多個(gè)方面。信道的分類按傳輸介質(zhì)分類包括無(wú)線信道、有線信道、光纖信道等。無(wú)線信道利用電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸，有線信道利用導(dǎo)線進(jìn)行信號(hào)傳輸，光纖信道利用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸。按頻譜特性分類包括窄帶信道、寬帶信道等。窄帶信道帶寬較小，適合傳輸語(yǔ)音信號(hào)；寬帶信道帶寬較大，適合傳輸視頻信號(hào)。按傳輸距離分類包括短距離信道、中距離信道、長(zhǎng)距離信道等。短距離信道適用于近距離通信，中距離信道適用于城市范圍內(nèi)的通信，長(zhǎng)距離信道適用于跨越洲際的通信。按信道特性分類包括線性信道、非線性信道、時(shí)變信道、時(shí)不變信道等。線性信道滿足疊加原理，非線性信道不滿足疊加原理。時(shí)變信道隨時(shí)間變化，時(shí)不變信道隨時(shí)間保持不變。信道的線性特性疊加性線性信道滿足疊加性，即多個(gè)信號(hào)同時(shí)通過(guò)信道時(shí)，輸出信號(hào)是各個(gè)信號(hào)單獨(dú)通過(guò)信道后輸出信號(hào)的疊加。線性信道不會(huì)改變信號(hào)的頻率，但會(huì)改變信號(hào)的幅度和相位。齊次性線性信道滿足齊次性，即輸入信號(hào)的幅度變化，輸出信號(hào)的幅度也隨之變化。線性信道不會(huì)引入新的頻率成分，保持信號(hào)的頻率特性不變。信道的時(shí)變特性11.衰落信道參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱，影響通信質(zhì)量。22.多普勒頻移移動(dòng)信道中，信號(hào)頻率發(fā)生偏移，造成信號(hào)失真，影響解調(diào)。33.相位變化信道參數(shù)隨時(shí)間變化，導(dǎo)致信號(hào)相位發(fā)生變化，影響信號(hào)的同步和解調(diào)。44.延遲擴(kuò)展多徑傳播導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，造成信號(hào)延時(shí)和散射，影響信號(hào)質(zhì)量。信道的頻譜特性頻帶寬度信道可以傳輸?shù)念l率范圍衰落不同頻率信號(hào)衰減程度不同頻率選擇性信道對(duì)不同頻率信號(hào)的傳輸特性不同多徑效應(yīng)信號(hào)經(jīng)不同路徑到達(dá)接收端，造成頻譜擴(kuò)展信道建模的方法數(shù)學(xué)模型使用數(shù)學(xué)公式和方程來(lái)描述信道的特性。這是一種常見(jiàn)的信道建模方法，可用于分析和預(yù)測(cè)信道性能。仿真模型通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)創(chuàng)建信道環(huán)境，用于測(cè)試和評(píng)估通信系統(tǒng)性能。實(shí)測(cè)模型通過(guò)實(shí)際測(cè)量信道特性來(lái)建立模型，例如使用信道探測(cè)器或信道估計(jì)技術(shù)。高斯白噪聲信道高斯白噪聲信道是一種常用的信道模型，其噪聲信號(hào)服從高斯分布。它假設(shè)噪聲具有零均值和恒定方差。噪聲信號(hào)的頻率分布均勻，在所有頻率上具有相同的功率譜密度。這種信道模型在通信系統(tǒng)中被廣泛用于建模熱噪聲、散粒噪聲等噪聲源。高斯白噪聲信道模型在理論分析和實(shí)際應(yīng)用中都具有重要意義。它可以用來(lái)評(píng)估通信系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)有效的接收機(jī)，以及預(yù)測(cè)信道的容量等。多徑信道多徑信道是指信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間存在多條路徑。信號(hào)沿著不同的路徑傳播，到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生疊加，造成信號(hào)失真和衰落。多徑信道會(huì)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致通信中斷。因此，了解多徑信道特性，并采取相應(yīng)的技術(shù)手段來(lái)克服多徑信道的影響，是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要課題。信號(hào)對(duì)噪聲的魯棒性抗干擾能力信號(hào)的魯棒性是指信號(hào)在存在噪聲干