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1、通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念一、信道基本概念 信道分类信道分类无线信道无线信道 电磁波（含光波）电磁波（含光波）有线信道有线信道 电线、光纤电线、光纤 信道中的干扰信道中的干扰有源干扰有源干扰 噪声噪声无源干扰无源干扰 传输特性不良传输特性不良 本章重点本章重点 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念一、信道基本概念（无线信道）（无线信道）无线信道电磁波的频率无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制受天线尺寸限制地球大气层的结构地
2、球大气层的结构 对流层：地面上对流层：地面上 0 10 km 平流层：约平流层：约10 60 km 电离层：约电离层：约60 400 km电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响 反反 射射 散散 射射对流层对于传播的影响对流层对于传播的影响 散散 射射 吸吸 收收地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念一、信道基本概念（无线信道）（无线信道）电磁波的分类电磁波的分类：地波地波频率频率 2 MHz有有绕射绕射能力能力距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 天波天波频率：频率：2 30 MHz特点：被电离层特点：被电离
3、层反射反射一次反射距离：一次反射距离： 30 MHz距离距离: 和天线高度有关和天线高度有关式中，式中，D 收发天线间距离收发天线间距离(km)。例例 若要求若要求D = 50 km，则，则增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径中继通信：中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr视线传播视线传播无线电中继无线电中继m通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念一、信道基本概念（无线信道）（无线信道）卫星通信的发展趋势卫星通信的发展趋势空间信息处理空间信息处理 3S通信原理课
4、件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念一、信道基本概念（无线信道）（无线信道）散射传播散射传播电离层散射电离层散射机理机理 由电离层不均匀性由电离层不均匀性频率频率 30 60 MHz距离距离 1000 km以上以上对流层散射对流层散射机理机理 对流层不均匀性对流层不均匀性 （湍流）（湍流）频率频率 100 4000 MHz最大距离最大距离 10 ,求不发生码间干扰的最大符号求不发生码间干扰的最大符号 速率？速率？通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展多普勒扩展) )多普勒频移多普勒频移由于移
5、动用户与基站的相对运动，每个多径波都由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都 会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信 号频率的移动称为号频率的移动称为多普勒频移多普勒频移。 远程信号源远程信号源 ； 信号源发出的信号频率；信号源发出的信号频率； 接收机接收到的信号频率；接收机接收到的信号频率； 移动台运动速度与来波方向夹角移动台运动速度与来波方向夹角 则则其中其中 即为即为多普勒频移多普勒频移 。称称 的最大值为的最大值为最大多普勒频移最大多普勒频移，记为，记为 ，则，则 。多普勒扩展多普勒扩展是一种有多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称
6、是一种有多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选时间选择性衰落择性衰落。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展多普勒扩展) )通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展多普勒扩展) )通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径四、无线信道对信号传输的影响多径（角度扩展角度扩展) )通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径四、无线信道对信号传输
7、的影响多径环境环境时延扩展（时延扩展（ ） 角度扩展（角度扩展（ ） 多普勒扩展（多普勒扩展（ ）平坦的农村平坦的农村（宏单元）（宏单元）0.51190城市（宏单元）城市（宏单元）520120丘陵（宏单元）丘陵（宏单元）2030190林荫路（微单元）林荫路（微单元）0.312010室内（微单元）室内（微单元）0.13605例子：蜂窝式通信中的典型扩展例子：蜂窝式通信中的典型扩展通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径四、无线信道对信号传输的影响多径 克服无线信道衰落的方法克服无线信道衰落的方法 - 分集接收分集接收频率分集：频率间不相关频率分集：频率间不
8、相关时间分集：时间分集：RAKE接收接收极化分集：水平极化与垂直极化极化分集：水平极化与垂直极化空间分集：多输入多输出无线通信系统空间分集：多输入多输出无线通信系统MIMO,智能天线智能天线通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院 噪噪声声来来 源源性性 质质自然噪声自然噪声: 电磁波源，如闪电，大气中电暴，银河系噪声电磁波源，如闪电，大气中电暴，银河系噪声 及其他宇宙噪声及其他宇宙噪声人为噪声：外台信号，开关，工业点火辐射人为噪声：外台信号，开关，工业点火辐射随机噪声随机噪声确确 知知 的：谐波干扰等的：谐波干扰等随随 机机 的：不能预测的噪声的：不能预测的噪声内部噪声：热噪声，散弹
9、噪声内部噪声：热噪声，散弹噪声单频噪声：连续波干扰单频噪声：连续波干扰脉冲噪声：突发的短促噪声脉冲噪声：突发的短促噪声起伏噪声：在时域和频域存在，不可避免的噪声起伏噪声：在时域和频域存在，不可避免的噪声起伏噪声起伏噪声热热 噪噪 声：从直流到声：从直流到1013HZ 例子例子散弹噪声：电子发射的不均匀性造成，带宽通常散弹噪声：电子发射的不均匀性造成，带宽通常100MHZ宇宙噪声：工作频率低于宇宙噪声：工作频率低于300MHZ要考虑要考虑高斯白噪声高斯白噪声五、信道中的噪声五、信道中的噪声通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院五、信道中的噪声五、信道中的噪声热噪声电压有效值热噪声电压有
10、效值 式中式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波兹曼常数波兹曼常数 T 热力学温度（热力学温度（K） R 阻值（阻值（ ） B 带宽（带宽（Hz）噪声功率谱特性噪声功率谱特性 Pn(f) 窄带高斯噪声窄带高斯噪声 由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为 一高一高 斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 离散信道容量离散信道容量信道容量信道容量 指信道能够传输的最大平均信息速率。指信道能够传输的最大平均信息速率
11、。两种度量单位两种度量单位C 每个符号能够传输的平均信息量最大值每个符号能够传输的平均信息量最大值(bit/符号符号)Ct 单位时间（秒）内能够传输的最大平均信息量单位时间（秒）内能够传输的最大平均信息量(bit/s) 离散信道容量的信道模型离散信道容量的信道模型 发送符号：发送符号：x1，x2，x3，xn 接收符号：接收符号： y1，y2，y3，ym P(xi) = 发送符号发送符号xi 的出现概率的出现概率 , i 1, P(yj) = 收到收到yj的概率，的概率，j 1,2,m P(yj/xi) = 转移概率，即发送转移概率，即发送xi 的条件的条件 下收到下收到 yj 的条件概率的条件
12、概率x1x2x3y3y2y1接接收收端端发发送送端端xn。ym 信道模型信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 离散信道容量离散信道容量有噪信道有噪信道 收到一个符号的平均信息量只有收到一个符号的平均信息量只有 H(x) H(x/y) 而发送符号的信息量原为而发送符号的信息量原为H(x),少了的部分少了的部分H(x/y) 就是传输错误率引起的损失。就是传输错误率引起的损失。 x1x2x3y3y2y1接接收收端端发发送送端端。yn无噪声信道模型无噪声信道模型P(xi)P(y1/x1)P
13、(yn/xn)P(yj)xnYj 已知后，已知后，x 的不确定性的不确定性平均收到一个符号时发送符号平均收到一个符号时发送符号 的不确定性的不确定性 交交 互互 信信 息息 平均信息量平均信息量 / 符号符号 无噪声信道无噪声信道 此时此时P(xi /yj) = 0； H(x/y) = 0。从接收一个符号。从接收一个符号获得的平均信息量为获得的平均信息量为 H(x)。再次说明。再次说明 H(x/y)即即为因噪声而损失的平均信息量。为因噪声而损失的平均信息量。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 离散信道容量例题离散信道容量例题二进制信源的熵在等概分布时达到
14、最大二进制信源的熵在等概分布时达到最大设发送设发送“1”的概率的概率P(1) = ，则发送则发送“0”的概率的概率P(0) 1 - 当当 从从0变到变到1时，信源的熵时，信源的熵H( )可以写成：可以写成：按照上式画出的曲线按照上式画出的曲线：由此图可见，当由此图可见，当 1/2时，时，此信源的熵达到最大值。此信源的熵达到最大值。这时两个符号的出现概率相等，这时两个符号的出现概率相等，其不确定性最大。其不确定性最大。二进制信源的熵二进制信源的熵H( )通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 离散信道容量例题离散信道容量例题【例例4.6.1】设信源由两种符号设
15、信源由两种符号“0”和和“1”组成，符号传输速率为组成，符号传输速率为1000 符符 号号/秒，且这两种符号的出现概率相等秒，且这两种符号的出现概率相等, 均等于均等于 1/2。信道为。信道为 对称信道，其传输的符号错误概率为对称信道，其传输的符号错误概率为1/128。试画出此信道。试画出此信道 模型，并求此信道的容量模型，并求此信道的容量C和和Ct。【解解】 此信道模型画出如下：此信道模型画出如下：通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 离散信道容量例题离散信道容量例题此信源的平均信息量（熵）等于：此信源的平均信息量（熵）等于： （比特（比特 / 符号）符
16、号）而条件信息量可以写为而条件信息量可以写为现在现在P (x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/ 128 P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 1/ 128并且考虑到并且考虑到P(y1) +P(y2) = 1，所以上式可以改写为，所以上式可以改写为通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 离散信道容量例题离散信道容量例题平均信息量平均信息量 / 符号符号H(x) H(x / y) = 1 0.045 = 0.955 （比特（比特 / 符号）符号）因传输错误每个符号损失的信息量为因传输错误每个符号损失的信息量为H(x / y) =
17、 0.045（比特（比特 / 符号）符号）信道的容量信道的容量C等于：等于：信道容量信道容量Ct等于：等于： 通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 连续信道容量连续信道容量连续信道的输入连续信道的输入 X 和输出和输出 Y 均是连续的随机过程。信道的交互信息为：均是连续的随机过程。信道的交互信息为：已知输入信号已知输入信号 与信道噪声与信道噪声 是相互独立的，信道输出信号是输是相互独立的，信道输出信号是输入信号与噪声的线性叠加，入信号与噪声的线性叠加，通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 连续信道容量连续信道容量一个平
18、均功率受限的信号，只有其统计特性为高斯分布时，才会有最大熵一个平均功率受限的信号，只有其统计特性为高斯分布时，才会有最大熵比特比特/样本样本所以所以同理同理则则设信道的带宽限制在设信道的带宽限制在 ,其输入信号其输入信号 及对应的输出信号及对应的输出信号 都以相隔为都以相隔为秒的顺序取样所完全决定。取样的最小速率为秒的顺序取样所完全决定。取样的最小速率为 /秒，所以一个连续信道容量为：秒，所以一个连续信道容量为：比特比特/秒秒通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院六、信道容量六、信道容量- 信道容量公式意义信道容量公式意义信道带宽越大，信道允许传输的信息量越大，信道带宽越大，信道允许
19、传输的信息量越大，FM通信，扩通信，扩频通信，绿色手机等频通信，绿色手机等信噪比越大，信道允许传输的信息量越大信噪比越大，信道允许传输的信息量越大 信噪比小于信噪比小于1时，信道容量不会等于时，信道容量不会等于0，它表明信道仍有传输，它表明信道仍有传输信息的能力，如保密通信信息的能力，如保密通信因为高斯白噪声是最恶劣的信道干扰，所以对于其他噪声而因为高斯白噪声是最恶劣的信道干扰，所以对于其他噪声而言，上述公式仍然适用言，上述公式仍然适用带宽的增大，并不能使信道容量达到无限大，而有一个极限带宽的增大，并不能使信道容量达到无限大，而有一个极限值。设噪声的单边功率谱密度为值。设噪声的单边功率谱密度为N0, 则则空间换带宽、时间、功率MassiveMIMO通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院作业1、一室内无线信道的最大多径时延为、一室内无线信道的最大多径时延为 50ns,一室外微小区的最大多径时延一室外微小区的最大多径时延为为 30us, 求求 1）两个信道的相干带宽，不发生频率选择性衰落的可传输）两个信道的相干带宽，不发生频率选择性衰落的可传输信号的最大带宽。信号的最大带宽。2）能使符号间干扰可以忽略的最大符号传输速率。）能使符号间干扰可以忽略的最大符号传输速率。2、4-1，4-4，4-7
