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信號傳輸的影響；掌握隨參信道的特性及其對信號傳輸的影響；掌握信道噪聲的統(tǒng)計特性；掌握信道容量和香農公式。目標要求基本要求

重點是：信道的分類和特征；調制信道和編碼信道的定義范圍及其關系。難點是：加性噪聲和乘性噪聲的含義；信道帶寬和信道容量的關系。

目標要求

重點、難點4.1無線信道

4.2有線信道

4.3信道的數學模型

4.4信道特性對信號傳輸的影響

4.5信道中的噪聲

4.6信道容量主要內容主要內容定義：信道是指以傳輸媒質為基礎的信號通道。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；從信道中傳輸的信號特點，將信道劃分為調制信道和編碼信道;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

調制器發(fā)轉換器

媒質

收轉換器解調器調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

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

★

我國：信息產業(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：數百或數千千米

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：被電離層反射通信距離：單次可達4000km，多次可達10000km寂靜區(qū)：地面接收天線發(fā)射天線信號傳播路徑電離層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，電波直接從發(fā)射點傳播到接收點（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的損耗，每隔50公里左右，就需要設置中繼站，將電波放大轉發(fā)而延伸。地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔使用轉發(fā)器接收和轉發(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)星移動通信服務。（5）散射傳播

散射傳播是由于傳播媒體的不均勻性，使電磁波的傳播產生向許多方向折射的現象。

電離層散射：4.1無線信道

對流層散射：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（1）無線頻譜資源有限；（2）無線信道的開放性，導致其易受干擾，信息

易被竊?。唬?）電磁波傳輸環(huán)境惡劣，如多徑效應；（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，需要對信號進行調制后才能傳輸。4.1無線信道無線傳輸技術比有線傳輸技術復雜，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）對稱電纜：由許多對雙絞線組成。4.2有線信道

由內外兩根同心圓柱形導體構成，外導體是一個圓柱形的導體，內導體是金屬線，它們之間填充著介質。(3)同軸電纜導體金屬編織網（外導體）保護層實心介質圖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對稱電纜3512～10824對稱電纜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τ谛盘杺鬏敹?，我們追求的是信號通過信道時不產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信道特性對信號傳輸的影響信道h(t)x(t)y(t)1、無失真?zhèn)鬏數臈l件信道的幅度特性為常數，相位特性是線性函數。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絡（例如分壓器）：相位響應是常數0，即對信號不產生延遲。（2）信道對信號產生的延遲，在頻域上表現為相移。（3）不同頻率分量產生的相移不同，相移滿足線性關系。（4）一個無失真系統(tǒng)具有線性的相位響應。非線性響應會引起信號變形，盡管系統(tǒng)本身是線性的?！纠?-1】：設y=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),信號波形時延為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)鬏敭斣趥鬏攷拑确葪l件或相位條件或兩者都不能滿足時，系統(tǒng)會出現線性失真。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，反射和多徑傳輸也會引起線性失真。3、線性失真的特點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）輸出信號中只包含在輸入信號中已經存在的頻率。這些頻率成分通過系統(tǒng)會引起幅度放大、衰減、消失，或者相位旋轉。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。2.按噪聲來源分類

人為噪聲－例：開關火花、電臺輻射自然噪聲－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動。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；

T

－熱力學溫度（oK）；

R

－阻值（）；

B

－帶寬（Hz）。性質：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：信道無差錯傳輸的最大平均信息速率，反映信道的極限傳輸能力。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：對應的信道容量（等概率時最大平均信息速率）為：3.有噪聲的信道的信道容量4.6信道容量

假設接收端的信號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)，通過信道的信號功率為Pc(W)，該連續(xù)信道的信道容量C為：

（1）香農公式

其中，稱為信道的信噪比，是信號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B→∞時，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）在時間T內，信道容量為C的信道所能傳輸的信息總量：（4）信號平均功率Ps與比特能量Eb關系：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來表示信號和噪聲功率之間的關系？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，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個像素，每個像素有8個等概出現的亮度等級。要求每秒鐘傳輸25幀圖像。若信道輸出S/N=30dB，計算傳輸該黑白電視圖像所要求的信道的最小帶寬?！窘狻恳驗槊總€像素獨立地以等概率取8個亮度電平，故每個像素的信息量為

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)因為每秒傳輸25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。將上述數值代入式(4.6-7)：得到 22.5106=Blog2