通信原理教學(xué)課件信道與噪聲

通信原理-信道與噪聲本課程將深入探討通信系統(tǒng)中的信道與噪聲。我們將學(xué)習(xí)信道特性、噪聲類型及其影響，以及如何優(yōu)化系統(tǒng)性能。信道特點傳輸介質(zhì)信道可以是有線（如銅纜、光纖）或無線（如空氣、真空）。帶寬限制每個信道都有特定的頻率范圍，限制了可傳輸?shù)男畔⒘俊Ｋp信號在傳輸過程中會逐漸減弱，影響通信質(zhì)量。干擾外部因素可能會干擾信號傳輸，引入錯誤或噪聲。物理信道分類有線信道包括雙絞線、同軸電纜和光纖。適用于固定位置的高速數(shù)據(jù)傳輸。無線信道包括地面微波、衛(wèi)星通信和移動通信。提供靈活的覆蓋范圍和移動性。信道模型理想信道無失真、無噪聲的理想傳輸環(huán)境。實際中不存在。加性白噪聲信道考慮了隨機噪聲的影響，更接近實際情況。衰落信道信號強度隨時間和頻率變化，適用于無線通信。多徑信道信號通過多個路徑到達(dá)接收端，造成干擾和失真。信號失真幅度失真信號幅度在傳輸過程中發(fā)生變化，影響信號強度。相位失真不同頻率分量傳輸速度不同，導(dǎo)致信號波形變形。頻率失真某些頻率成分被過度衰減或放大，改變信號頻譜。信號能量定義信號能量是信號功率在時間上的積分。計算對于離散信號，能量等于信號幅度平方和。應(yīng)用信號能量用于評估通信系統(tǒng)性能和信噪比。限制實際系統(tǒng)中，信號能量受發(fā)射功率和信道損耗限制。信噪比1信噪比定義信號功率與噪聲功率之比2單位常用分貝（dB）表示3影響因素發(fā)射功率、信道特性、接收機靈敏度4應(yīng)用評估通信質(zhì)量、系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)噪聲特點1隨機性噪聲是隨機的、不可預(yù)測的信號干擾。2加性噪聲通常被認(rèn)為是疊加在原始信號上的。3不相關(guān)性噪聲與信號通常沒有相關(guān)性。4廣譜性噪聲通常分布在較寬的頻率范圍內(nèi)。噪聲源類型熱噪聲定義由導(dǎo)體中電子的熱運動引起的隨機噪聲。特性與溫度成正比，功率譜密度均勻分布。影響限制了接收機的靈敏度，是主要的噪聲來源?？刂品椒ń档拖到y(tǒng)溫度，如使用低噪聲放大器。閃噪聲特征功率譜密度隨頻率降低而增加，呈1/f分布。主要影響低頻信號處理。來源半導(dǎo)體器件中的缺陷和不純物。在放大器和混頻器中尤為明顯。其他噪聲散粒噪聲由電荷的離散性質(zhì)引起，在低電流時顯著。量子噪聲光電器件中的固有噪聲，影響高頻系統(tǒng)。脈沖噪聲由電氣設(shè)備開關(guān)等產(chǎn)生的短暫高能量干擾。信噪比計算1測量信號功率使用功率計或頻譜分析儀2測量噪聲功率在無信號輸入時測量系統(tǒng)輸出3計算比值信號功率除以噪聲功率4轉(zhuǎn)換為分貝10*log10(信號功率/噪聲功率)噪聲功率譜密度定義描述噪聲功率在頻率域的分布。白噪聲功率譜密度在所有頻率上均勻分布。有色噪聲功率譜密度隨頻率變化，如粉紅噪聲。應(yīng)用用于分析噪聲對系統(tǒng)性能的影響。濾波器作用噪聲抑制濾除信號帶寬外的噪聲，提高信噪比。信號整形調(diào)整信號頻譜，減少碼間串?dāng)_。帶寬限制限制信號帶寬，滿足信道容量要求。匹配濾波最大化信噪比，提高信號檢測性能。信號失真建模1線性失真系統(tǒng)的幅頻和相頻特性不理想導(dǎo)致。2非線性失真由系統(tǒng)的非線性特性引起，產(chǎn)生諧波。3時變失真系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化，如多普勒效應(yīng)。4隨機失真由噪聲和干擾引起的不確定性失真。信號對噪聲的敏感性1調(diào)制方式不同調(diào)制方式對噪聲敏感度不同2信號帶寬帶寬越寬，受噪聲影響越大3信號功率功率越大，抗噪能力越強4編碼技術(shù)錯誤校正編碼提高抗噪性能碼間串?dāng)_1定義相鄰符號之間的相互影響，導(dǎo)致信號失真。2原因帶寬受限、多徑傳播、濾波器設(shè)計不當(dāng)。3影響增加誤碼率，限制通信系統(tǒng)的最大傳輸速率。4評估通過眼圖分析和誤碼率測試來評估串?dāng)_程度。碼間串?dāng)_消除均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡器可以動態(tài)補償信道引起的失真。脈沖整形使用升余弦濾波器等技術(shù)減少符號間的重疊。編碼技術(shù)通過前向糾錯編碼提高系統(tǒng)抗串?dāng)_能力。帶寬受限信號失真奈奎斯特準(zhǔn)則信號帶寬應(yīng)不超過采樣頻率的一半，否則會產(chǎn)生頻譜混疊。信號恢復(fù)使用插值濾波器可以在一定程度上恢復(fù)受限帶寬信號。碼間串?dāng)_對比理想信號眼圖開口清晰，表示信號質(zhì)量良好，無明顯串?dāng)_。輕微串?dāng)_眼圖開口略有閉合，但仍可辨識，表示存在輕微串?dāng)_。嚴(yán)重串?dāng)_眼圖幾乎閉合，表示存在嚴(yán)重串?dāng)_，需要采取措施改善。系統(tǒng)設(shè)計考慮1信號功率權(quán)衡傳輸距離和功耗。2帶寬效率選擇合適的調(diào)制方式和編碼技術(shù)。3抗干擾能力采用擴頻技術(shù)或自適應(yīng)濾波。4復(fù)雜度考慮硬件實現(xiàn)難度和成本。接收機抗噪性分析噪聲系數(shù)描述接收機引入的額外噪聲，越低越好。靈敏度接收機能檢測的最小信號強度。動態(tài)范圍接收機能處理的最大和最小信號之比。選擇性接收機區(qū)分相鄰信道信號的能力。干擾分析同頻干擾來自同一頻段的其他發(fā)射源。鄰頻干擾相鄰頻道信號的泄漏。交調(diào)干擾非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的新頻率分量。多徑干擾信號經(jīng)不同路徑到達(dá)造成的自干擾。效率和可靠性頻譜效率單位帶寬內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚ㄟ^高階調(diào)制提高。能量效率單位能量傳輸?shù)男畔⒘?，通過編碼和功率控制優(yōu)化?？煽啃韵到y(tǒng)在噪聲和干擾下保持正常工作的能力，通過冗余設(shè)計提高。接收機設(shè)計指標(biāo)10dB最小信噪比保證可接受誤碼率的最小信噪比要求。-120dBm靈敏度接收機能檢測的最小信號功率。90dB動態(tài)范圍最大可處理信號與最小可檢測信號之比。3dB噪聲系數(shù)接收機引入的額外噪聲，越低越好。性能度量參數(shù)誤碼率衡量數(shù)字通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。信噪比信號功率與噪聲功率之比，反映信號質(zhì)量。信道容量信道能夠無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒙??？偨Y(jié)與展望