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1、,通信原理（第7版）,樊昌信 曹丽娜 编著,信 道,第4章,信道分类 信道模型 恒参/随参信道特性对信号传输的影响 信道噪声 信道容量,本章内容:,第4章 信道,传输媒质 有线信道 明线、电缆、光纤 无线信道 自由空间或大气层,概 述,狭义信道：,广义信道：,调制信道 研究调制/解调问题 编码信道 研究编码/译码问题,信道的定义与分类,无线信道,4.1,10 km,60 km,0 km,对流层：约 0 10 km 平流层：约 1060 km 电离层：约 60400 km,地球大气层的结构：,地波 ground- wave 频率： 2 MHz 特性：有绕射能力 距离：数百或数千米 用于：AM广播
2、,无线信道,电磁波的传播方式：,天波 sky- wave 频率：230 MHz 特性：被电离层反射 距离： 4000 km（一跳） 用于：远程、短波通信,频率： 30 MHz 特性：直线传播、穿透电离层 用途：卫星和外太空通信 超短波及微波通信 距离：与天线高度有关,视线传播 line-of-sight,无线信道,D 为收发天线间距离(km),设收发天线的架设高度均为40 m，则最远通信距离为： D = 44.7 km,例如,微波中继（微波接力） 卫星中继（静止卫星、移动卫星） 平流层通信,无线信道,微波中继,无线信道,卫星中继,地面站,地面站,地球,无线信道,散射通信,无线信道,流星余迹散射
3、,特性: 高度80 120 km，长度15 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率: 30 100 MHz 距离: 1000 km以上 用途: 低速存储、高速突发、断续传输,有线信道,4.2,明线 对称电缆 同轴电缆 光纤,1880年纽约街貌,明线,屏蔽双绞线(STP) （可减少噪声干扰）,非屏蔽双绞线(UTP) （便宜、易弯曲、易安装）,由 多 对 双绞线组成,有线信道,对称电缆,有线信道,同轴电缆,宽带（射频）同轴电缆： 75，用于传输模拟信号 多用于有线电视（CATV）系统 传输距离可达几十千米,基带同轴电缆： 50，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离几千米,有线信
4、道,结构： 纤芯 包层 按折射率分类： 阶跃型 梯度型 按模式分类： 多模光纤 单模光纤,有线信道,光纤,缺点,应用,优点,有线信道,信道数学模型,4.3,模型：,有一对（或多对）输入端和输出端 大多数信道都满足线性叠加原理 对信号有固定或时变的延迟和损耗 无信号输入时，仍可能有输出（噪声）,共性：,叠加有噪声的线性时变/时不变网络：,4.3.1 调制信道模型,入出关系：,不同的物理信道具有不同的特性C(),= 常数（可取1）,加性高斯白噪声信道模型,+ = 1,二进制 无记忆 编码信道 模型,可用 转移概率来描述。,+ = 1,P(0/0) P(1/1) 正确,P(1/0) P(0/1) 错
5、误,模型：,4.3.2 编码信道模型,四进制 无记忆 编码信道,恒参/随参信道特性对信号传输的影响,4.4,特点：传输特性随时间缓变或不变。 举例：各种有线信道、卫星信道,1. 传输特性,幅频特性,相频特性,线性时不变系统,恒参信道 特性及其对信号传输的影响,2. 无失真传输,恒参信道,群迟延特性,幅频特性,相频特性,若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:,恒参信道,固定的迟延,固定的衰减, 这种情况称为无失真传输,理想恒参信道的冲激响应:,3. 失真 影响 措施,恒参信道,群迟延失真:,幅频失真：,相频失真：,相邻码元之间发生重叠,相频特性,典型音频电话信道:,幅度衰减特性,群迟延频率
6、特性,恒参信道,指传输特性随时间随机快变的信道。,随参信道 特性及其对信号传输的影响,短波电离层反射信道,随参信道,衰减随时间变化 时延随时间变化 多径传播,多径传播 示意图：,3. 多径效应,第i条路径 接收信号振幅,经过n条路径传播（各路径有时变的衰落和传输时延），且经过各条路径到达接收端的信号相互独立, 多经传播的影响,传输时延,则接收信号为,设发送信号为,幅度恒定 频率单一,根据概率论中心极限定理：当 n 足够大时，x(t)和y(t) 趋于正态分布。,同相 正交形式,包络 相位形式,瑞利 分布,均匀分布,多径效应,包络相位 随机缓变 的 窄带信号,西安电子科技大学 通院,波形,发送信号
7、,接收信号,频谱,结论,我们更关心的问题：,多径效应,多径效应,传输衰减均为 K 传输时延分别为1和2,发射信号,接收信号,设两条路径的信道为,f (t),fo(t) = K f(t - 1) + K f(t -2 ),信道传输函数,fo(t), =2 -1 相对时延差,则接收信号为,常数衰减因子,确定的传输时延因子,与信号频率有关的复因子,信道对信号不同的频率成分，将有不同的衰减。,频率选择性衰落,如何减小？,信道幅频特性,频选衰落的含义： 信道对不同f 的信号分量的衰减大小不同，且随时间变化.,信道相关带宽： 定义为相邻传输零点的频率间隔,，工程经验公式：,4. 减小频率选择性衰落的措施,
8、f,f 1/,应使信号带宽,Bs (1/3 1/5)f,数字信号的码元宽度:,Ts (3 5),RB,m,m,Bs f,归纳,随参信道特性,多径效应,减小衰落的措施,信道噪声,4.5,1. 何谓噪声,按 噪 声 来 源,2. 噪声类型,人为噪声 自然噪声 内部噪声 （如热噪声）,脉冲噪声 窄带/单频噪声 起伏噪声 （热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）,起伏噪声,按 噪 声 性 质,热噪声：,式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数 T 热力学温度（K） R 阻值（） B 带宽（Hz）,热噪声电压有效值：,归纳,信道加性噪声n(t) :,代表：起伏噪声（热噪声等） 性质：高斯白噪声 n
9、(t) BPF 窄带高斯噪声,平均功率：,噪声等效带宽：,功率谱：,噪声等效带宽,通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率 = 通过实际接收滤波器的噪声功率。,物理 意义,窄带高斯噪声 :,Pn (f0),信道容量,4.6,西安电子科技大学 通信工程学院,指信道能够无差错传输时的最大平均信息速率,式中，P(xi) 发送符号xi的概率（i=1,2,3,n）,（1）信源发送的平均信息量（熵）,（2）因信道噪声而损失的平均信息量,式中，P(yj) 收到yj的概率（j=1,2,3,m）； P(xi/yj) 收到yj后判断发送的是xi的转移概率,4.6.1 离散信道容量,（3）信息传输速率 R 信道每秒传输
10、的平均信息量,H(x) H(x/y) 是接收端得到的平均信息量,r 信道每秒传输的符号数为（符号速率）,最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布，求R的最大值：,含义：每个符号能够传输的最大平均信息量,（4）信道容量 Ct,等价式：,S 信号平均功率（W）；B 带宽（Hz） n0 噪声单边功率谱密度；N = n0B 噪声功率（W）,由香农信息论可证，白噪声背景下的连续信道容量为:,香农公式,等价式：,4.6.2 连续信道容量,信道容量 C依赖于 B、S 和 n0 增大 S 可增加 C，若S ，则C ； 减小 n0 可增加 C，若n0 0，则C ； 增大 B 可增加 C，但不能使 C无限制增大
11、。 当 B 时，C 将趋向一个定值：,C一定时，信道带宽B、信噪比S/N、传输时间t 三者之间可以互相转换。 增加B，可以换取S/N的降低；反之亦然。 若S/N不变，增加B，可以换取 t 的减少。,【例如】,30dB,每个像素的信息量,一幅图片的信息量,解：,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。,
