通信原理第4章-信道

第4章信道

通信教研室

掌握信道的定義、分類和模型；掌握恒參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?；掌握隨參信道的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?；掌握信道噪聲的統(tǒng)計(jì)特性；掌握信道容量和香農(nóng)公式。目標(biāo)要求基本要求

重點(diǎn)是：信道的分類和特征；調(diào)制信道和編碼信道的定義范圍及其關(guān)系。難點(diǎn)是：加性噪聲和乘性噪聲的含義；信道帶寬和信道容量的關(guān)系。

目標(biāo)要求

重點(diǎn)、難點(diǎn)4.1無線信道

4.2有線信道

4.3信道的數(shù)學(xué)模型

4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

4.5信道中的噪聲

4.6信道容量主要內(nèi)容主要內(nèi)容定義：信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。分類：廣義信道、狹義信道。從信道的物理形態(tài)來分，可將信道分為有線信道和無線信道；從信道中傳輸?shù)男盘?hào)特點(diǎn)，將信道劃分為調(diào)制信道和編碼信道;從信道的特征來分，可將信道分為恒參信道和隨參信道.引言--信道定義與分類

調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器解調(diào)器調(diào)制信道編碼信道狹義廣義

編碼器譯碼器信道定義與分類均要用天線因天線尺寸的要求，通信頻率都較高。頻率使用規(guī)劃和管理

★國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定期召開世界無線電通信大會(huì)WRC（TheWorldRadio-communicationConference），制定頻率使用國(guó)際協(xié)議。

★

我國(guó)：信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局。1.電磁波的發(fā)射和接收4.1無線信道2.電磁波傳播分類：地波、天波、視波、散射傳播（1）地波：頻率<2MHz

有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米

地面地面波地面空間波直射波反射波發(fā)收4.1無線信道（2）天波(電離層反射波)：頻率：2~30MHz特點(diǎn)：被電離層反射通信距離：?jiǎn)未慰蛇_(dá)4000km，多次可達(dá)10000km寂靜區(qū)：地面接收天線發(fā)射天線信號(hào)傳播路徑電離層4.1無線信道電離層：60-400km

D層：高60-80kmE層：高100-120kmF層：高150-400kmF1層：140-200kmF2層：250-400km晚上：D層、F1層消失；

E層、F2層減弱

反射高頻電磁波的主要是F層DEFF2F1地面4.1無線信道（4）視距傳播：是指在發(fā)射天線和接受天線間能相互“看見”的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)（一般要包括地面的反射波）的一種傳播方式。傳播的頻率>30MHz傳播的距離:和天線高度有關(guān)4.1無線信道增大視線傳播距離的主要途徑：1）微波中繼通信：由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)地面站地球地面站

4.1無線信道2）衛(wèi)星中繼通信：可提供衛(wèi)星靜止通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)。（5）散射傳播

散射傳播是由于傳播媒體的不均勻性，使電磁波的傳播產(chǎn)生向許多方向折射的現(xiàn)象。

電離層散射：4.1無線信道

對(duì)流層散射：流星余跡散射：3.電磁波的頻率劃分4.1無線信道3.電磁波的頻率劃分4.1無線信道4.無線信道的特點(diǎn)（1）無線頻譜資源有限；（2）無線信道的開放性，導(dǎo)致其易受干擾，信息

易被竊??；（3）電磁波傳輸環(huán)境惡劣，如多徑效應(yīng)；（4）隨著電磁波頻率增高，其傳輸損耗增加；（5）無線信道是帶通信道，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后才能傳輸。4.1無線信道無線傳輸技術(shù)比有線傳輸技術(shù)復(fù)雜，更具挑戰(zhàn)性。（1）明線：

平行而相互絕緣的架空裸線線路。4.2有線信道1.有線信道類型（2）對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線組成。4.2有線信道

由內(nèi)外兩根同心圓柱形導(dǎo)體構(gòu)成，外導(dǎo)體是一個(gè)圓柱形的導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體是金屬線，它們之間填充著介質(zhì)。(3)同軸電纜導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)（外導(dǎo)體）保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)圖4-10同軸線4.2有線信道2.有線信道電氣特征1.5300～6000010800中同軸電纜4.5300～120002700中同軸電纜6300～90001800中同軸電纜460～4100960小同軸電纜860～1300300小同軸電纜12～1812～25260對(duì)稱電纜3512～10824對(duì)稱電纜1200.3～1501+3+12明線3000.3～271+3明線傳輸距離(km)頻率范圍(kHz)通話容量（路）信道類型4.2有線信道4.4.1無失真?zhèn)鬏攲?duì)于信號(hào)傳輸而言，我們追求的是信號(hào)通過信道時(shí)不產(chǎn)生失真或者失真小到不易察覺的程度。信道特性用幅頻特性和相頻特性來描述

4.4信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺纇(t)x(t)y(t)1、無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件信道的幅度特性為常數(shù)，相位特性是線性函數(shù)。4.4.1無失真?zhèn)鬏敺忍匦裕合辔惶匦裕篴幅頻特性b相頻特性2、如何理解無失真?zhèn)鬏數(shù)南辔粭l件？4.4.1無失真?zhèn)鬏斚辔惶匦裕海?）一種極端的情況是純電阻網(wǎng)絡(luò)（例如分壓器）：相位響應(yīng)是常數(shù)0，即對(duì)信號(hào)不產(chǎn)生延遲。（2）信道對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的延遲，在頻域上表現(xiàn)為相移。（3）不同頻率分量產(chǎn)生的相移不同，相移滿足線性關(guān)系。（4）一個(gè)無失真系統(tǒng)具有線性的相位響應(yīng)。非線性響應(yīng)會(huì)引起信號(hào)變形，盡管系統(tǒng)本身是線性的?！纠?-1】：設(shè)y=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),信號(hào)波形時(shí)延為0.5ms，f1=1KHz，f2=1KHz。4.4.1無失真?zhèn)鬏?、線性失真定義4.4.2線性失真?zhèn)鬏敭?dāng)在傳輸帶寬內(nèi)幅度條件或相位條件或兩者都不能滿足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)線性失真。2、線性失真類型（1）衰減失真（不能滿足幅度條件），（2）時(shí)延失真（不能滿足相位條件），見【例4-1】電話信道的幅頻特性3001100損耗/dB【例4-2】電話信道特性線性失真在電線、電纜、濾波器和放大器中出現(xiàn)，反射和多徑傳輸也會(huì)引起線性失真。3、線性失真的特點(diǎn)4.4.2線性失真?zhèn)鬏敚?）線性失真是由線性系統(tǒng)引起的。（2）輸出信號(hào)中只包含在輸入信號(hào)中已經(jīng)存在的頻率。這些頻率成分通過系統(tǒng)會(huì)引起幅度放大、衰減、消失，或者相位旋轉(zhuǎn)。4.5信道中的噪聲4.5信道中的噪聲1.噪聲：信道中存在的不需要的電信號(hào)。2.按噪聲來源分類

人為噪聲－例：開關(guān)火花、電臺(tái)輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲熱噪聲來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值： 式中

k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)；

T

－熱力學(xué)溫度（oK）；

R

－阻值（）；

B

－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲4.5信道中的噪聲4.5信道中的噪聲3.窄帶高斯噪聲的等效帶寬（1）窄帶高斯噪聲的定義：（2）窄帶高斯噪聲的功率：圖4-20噪聲功率譜特性Pn(f)Pn(f)－雙邊噪聲功率譜密度式中 Pn(f0)－原噪聲功率譜密度曲線的最大值

4.5信道中的噪聲（3）噪聲等效帶寬圖4-20噪聲功率譜特性Pn(f)Pn(f0)接收濾波器特性噪聲等效帶寬1.信道容量的定義：信道無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾剩从承诺赖臉O限傳輸能力。4.6信道容量4.6信道容量2.無噪聲信道的信道容量1924年奈奎斯特推導(dǎo)出有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，稱為奈氏定理。若信道帶寬為Bc，奈氏定理的極限波特率為：對(duì)應(yīng)的信道容量（等概率時(shí)最大平均信息速率）為：3.有噪聲的信道的信道容量4.6信道容量

假設(shè)接收端的信號(hào)疊加的是高斯白噪聲，噪聲的單邊功率譜密度為n0，信道的帶寬為Bc(Hz)，信道固有噪聲功率為N=n0Bc(W)，通過信道的信號(hào)功率為Pc(W)，該連續(xù)信道的信道容量C為：

（1）香農(nóng)公式

其中，稱為信道的信噪比，是信號(hào)功率與噪聲功率之比。1）提高信噪比可以增加信道容量，即增大信道的動(dòng)態(tài)范圍。

2）信道容量C隨著B的增大而增大，但不能無限增大，即當(dāng)B→∞時(shí)，4.6信道容量（2）信道容量受“三要素”：Bc、n0、Pc的限制：4.6信道容量（3）在時(shí)間T內(nèi)，信道容量為C的信道所能傳輸?shù)男畔⒖偭浚海?）信號(hào)平均功率Ps與比特能量Eb關(guān)系：比特能量Eb：每比特所含有的能量。Ps=Eb*Rb=Eb/Tb第10組：信噪比的定義及物理意義，它有沒有單位？2.分貝（dB）的定義？為什么常用dB來表示信號(hào)和噪聲功率之間的關(guān)系？3.載噪比的定義及物理意義，它的單位？4.在仿真分析誤碼率時(shí)，常用信噪比，而不用載噪比，為什么？討論題：例：黑白電視圖像每幀含有3×105個(gè)像素，每個(gè)像素有8個(gè)等概出現(xiàn)的亮度等級(jí)。要求每秒鐘傳輸25幀圖像。若信道輸出S/N=30dB，計(jì)算傳輸該黑白電視圖像所要求的信道的最小帶寬?！窘狻恳?yàn)槊總€(gè)像素獨(dú)立地以等概率取8個(gè)亮度電平，故每個(gè)像素的信息量為

Ip=-log2(1/8)=3 (b/pix) (4.6-18)并且每幀圖像的信息量為

IF=300,0003=900,000(b/F) (4.6-19)因?yàn)槊棵雮鬏?5幀圖像，所以要求傳輸速率為

Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s) (4.6-20)信道的容量Ct必須不小于此Rb值。將上述數(shù)值代入式(4.6-7)：得到 22.5106=Blog2