通信系統(tǒng)原理課件

第一章緒論通信系統(tǒng)原理教前引導(dǎo)

第一章緒論第0講教前引導(dǎo)教學(xué)理念所教內(nèi)容簡介教學(xué)方式約定考核方式勸勉勤奮學(xué)習(xí)第一章緒論教學(xué)理念教者方面認(rèn)真、盡職教的過程也是學(xué)的過程學(xué)者方面“賢良、喜悅、勤奮”可使學(xué)習(xí)者臻于完善的境地共同方面互換角度、互相尊重互相配合、互相理解、互相學(xué)習(xí)第一章緒論內(nèi)容簡介教學(xué)理念所教內(nèi)容簡介教學(xué)方式約定考核方式勸勉勤奮學(xué)習(xí)第一章緒論所教內(nèi)容簡介緒論隨機(jī)信號分析信道模擬調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)模擬信號的數(shù)字傳輸數(shù)字信號的最佳接收同步原理第一章緒論所教內(nèi)容簡介－本課程重要性本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論信息的傳輸、交換和通信網(wǎng)的基本原理，討論系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)。通過原理分析和實(shí)例講解，學(xué)習(xí)者應(yīng)該領(lǐng)會(huì)到：構(gòu)建一個(gè)通信系統(tǒng)應(yīng)注意的基本問題，如何評價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)。本課程對專業(yè)思維培養(yǎng)至關(guān)重要，是通信領(lǐng)域“門外漢”和“內(nèi)行”的分水嶺，是本專業(yè)核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。第一章緒論所教內(nèi)容簡介－后續(xù)和先導(dǎo)課程本課程是以下課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)：通信網(wǎng)、移動(dòng)通信、光纖通信、程控交換技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CDMA與擴(kuò)頻通信、數(shù)字信號處理先導(dǎo)課程概論論與隨機(jī)過程高頻電子技術(shù)信號與線性系統(tǒng)分析第一章緒論所教內(nèi)容簡介－參考書通信原理－系統(tǒng)、調(diào)制與噪聲（PrinciplsofCommunications-Systems,ModulationandNoise)[美]RodgerE.Zemer著通信系統(tǒng)[加]SimonHaykin現(xiàn)代通信原理曹志剛清華大學(xué)出版社現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理王秉均天津大學(xué)出版社第一章緒論內(nèi)容簡介教學(xué)理念所教內(nèi)容簡介教學(xué)方式約定考核方式勸勉勤奮學(xué)習(xí)第一章緒論教學(xué)目標(biāo)充分理解、熟練掌握教材的內(nèi)容熟練掌握基本的概念和定理熟練掌握關(guān)于傳輸系統(tǒng)基本研究方法通過學(xué)習(xí)和習(xí)題練習(xí)，具備一定的解決問題分析問題的能力掌握一定的科學(xué)思想方法建立起系統(tǒng)概念第一章緒論對學(xué)習(xí)者的要求三個(gè)重要環(huán)節(jié)課前預(yù)習(xí)課上認(rèn)真聽講課后認(rèn)真復(fù)習(xí)消化、作業(yè)通信是個(gè)系統(tǒng)工程，要時(shí)時(shí)注意站在系統(tǒng)的高度看問題經(jīng)常進(jìn)行階段復(fù)習(xí)掌握知識的竅訣：反復(fù)思維實(shí)踐第一章緒論其它約定不得遲到、早退、缺課上課時(shí)請關(guān)閉手機(jī)認(rèn)真完成作業(yè)遲交的作業(yè)及紙片做的作業(yè)恕不批改寫章節(jié)的總結(jié)報(bào)告（內(nèi)容總結(jié)、個(gè)人心得）第一章緒論內(nèi)容簡介教學(xué)理念所教內(nèi)容簡介教學(xué)方式約定考核方式勸勉勤奮學(xué)習(xí)第一章緒論計(jì)分方式最后期終考試成績占60％實(shí)驗(yàn)成績30％平時(shí)成績占10％作業(yè)（包括總結(jié)）：一次不交扣1分，其它情況酌情扣分缺席一次扣1分，遲到一次扣0.5分手機(jī)聲響扣1分嚴(yán)重違反課堂紀(jì)律，視情節(jié)輕重扣分第一章緒論內(nèi)容簡介教學(xué)理念所教內(nèi)容簡介教學(xué)方式約定考核方式勸勉勤奮學(xué)習(xí)第一章緒論勸學(xué)格言一養(yǎng)不教，父之過；教不嚴(yán)，師之惰。子不學(xué)，非所宜；幼不學(xué)，老何為。玉不啄，不成器；人不學(xué)，不知義。

……蠶吐絲，蜂釀蜜；人不學(xué)，不如物。

——《三字經(jīng)》第一章緒論勸學(xué)格言二青青園中葵，朝露待日晞，陽春布德澤，萬物生光輝，常恐秋節(jié)至，焜黃華葉衰。百川東到海，何時(shí)復(fù)西歸？少壯不努力，老大徒傷悲！

——《漢樂府·長歌行》(節(jié)選)第一章緒論結(jié)論

通信原理是通信領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)課程，只有學(xué)好這門課，才能學(xué)好后繼課程、將來進(jìn)一步從事通信領(lǐng)域的科研和創(chuàng)新。要珍惜這個(gè)良好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，認(rèn)真學(xué)習(xí)，逐漸培養(yǎng)科研能力，樹立完善的人格基礎(chǔ)，為將來的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和科研奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章緒論通信原理第一章緒論

第一章緒論第一章緒論1.1引言

1.2通信系統(tǒng)模型

1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.4信息及其度量

1.5通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

第一章緒論1.1引言1.1.1通信概念1.1.2通信網(wǎng)概念1.1.3通信網(wǎng)的構(gòu)成第一章緒論1.1.1通信概念信息的傳遞過程稱為通信.1.1.2通信網(wǎng)概念為了完成多用戶中任意兩個(gè)用戶之間信源與信宿之間的通信過程,一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶通信系統(tǒng)互連的通信體系稱之為通信網(wǎng)。

通信系統(tǒng)內(nèi)容引入第一章緒論1.1.3通信網(wǎng)的構(gòu)成1、終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）等2、傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等3、交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交換等4、協(xié)議和準(zhǔn)則通信網(wǎng)形成第一章緒論1.2通信系統(tǒng)模型1.2.1通信系統(tǒng)模型1.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型第一章緒論1.2.1通信系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。第一章緒論1、信源信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號。如：電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。模擬信源，輸出的是模擬信號；數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號。第一章緒論2、發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。第一章緒論3、信道信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線信道中，信道可以是大氣、自由空間（電磁波）在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。第一章緒論媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對象的不同，需要對實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響。第一章緒論4、噪聲源噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來源是多樣的，它可分為:

內(nèi)部噪聲和外部噪聲外部噪聲往往是從信道引入的為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。第一章緒論5、接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來。對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。第一章緒論6、信宿信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)。其作用是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。第一章緒論1.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型按信號參量的取值方式不同可把信號分為模擬信號和數(shù)字信號。1、模擬信號凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號，如：電話機(jī)送出的語音信號、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號等。第一章緒論2、數(shù)字信號凡信號參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如：電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號、PCM信號等。注：數(shù)字信號有時(shí)也稱離散信號，這個(gè)離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散。第一章緒論模擬信號波形(a)連續(xù)信號；(b)抽樣信號第一章緒論數(shù)字信號波形(a)二進(jìn)制波形；(b)2PSK波形第一章緒論按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。第一章緒論3、模擬通信系統(tǒng)模型第一章緒論信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如:語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。調(diào)制器的作用是將這種具有低頻分量的基帶信號（一般不宜直接傳輸）變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘枺ㄒ颜{(diào)信號）解調(diào)器完成與調(diào)制器相反的變換。第一章緒論已調(diào)信號有三個(gè)基本特征：攜帶有信息適合在信道中傳輸信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。第一章緒論兩種變換連續(xù)消息與基帶信號的變換基帶信號與頻帶信號之間的變換實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進(jìn)行了放大或改善了信號特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。第一章緒論模擬通信的主要特點(diǎn)

1）抗干擾能力差

2）不易于保密通信

3）設(shè)備不易于大規(guī)模集成

4）不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求

5）簡單、易于實(shí)現(xiàn)。第一章緒論4、數(shù)字通信系統(tǒng)模型

技術(shù)問題主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。第一章緒論在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)，數(shù)字基帶信號無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)。第一章緒論信源編碼與譯碼作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用二:是當(dāng)信息源給出的是模擬語音信號時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。信源編碼方法：PCM、ADPAM、DM等信源譯碼是信源編碼的逆過程。第一章緒論信道編碼與譯碼為了減少傳輸差錯(cuò)，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤。信道編碼：線性分組碼、卷積碼、循環(huán)碼等。第一章緒論加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來信息，叫解密。第一章緒論數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對（差分）相移鍵控DPSK。第一章緒論同步與數(shù)字復(fù)接同步是使收、發(fā)兩端的信號在時(shí)間上保持步調(diào)一致。同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。第一章緒論模擬信號經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸數(shù)字電話系統(tǒng)數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘柗N類。第一章緒論通信系統(tǒng)一般模型模擬通信模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型實(shí)際通信系統(tǒng)模型第一章緒論5、數(shù)字通信的主要特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)（信號中繼再生消除噪聲積累）差錯(cuò)可控。易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對信號進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。易于加密處理，且保密強(qiáng)度高。數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)分類1.3.2通信方式第一章緒論1.3.1通信系統(tǒng)分類1、通信系統(tǒng)分類按通信業(yè)務(wù)分：話務(wù)通信和非話務(wù)通信。非話務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫檢索、電子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。按調(diào)制方式分類:基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸。按信號特征分類:模擬信號還是數(shù)字信號按傳輸媒質(zhì)分類:有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類按信號復(fù)用方式分類:頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。2、常用調(diào)制方式第一章緒論表1-1常見的調(diào)制方式

調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)谝徽戮w論

調(diào)制方式

用途脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話續(xù)表（2）第一章緒論1.3.2通信方式前述通信系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng)，但在多數(shù)場合下，信源兼為信宿，需要雙向通信，電話就是一個(gè)最好的例子這時(shí)通信雙方都要有發(fā)送和接收設(shè)備，并需要各自的傳輸媒質(zhì)，如果通信雙方共用一個(gè)信道，就必須用頻率或時(shí)間分割的方法來共享信道。因此，通信過程中涉及通信方式與信道共享問題。第一章緒論1、按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分對于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。通信方式2、按數(shù)字信號代碼排列的順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。串行與并行

第一章緒論1.4信息及其度量1.4.1消息與信息1.4.2信息的度量1.4.3舉例1.4.4信源熵第一章緒論1.4.1消息與信息1、消息

有待于傳輸?shù)奈淖?、符號、?shù)據(jù)和語音、活動(dòng)圖片等。前者是離散消息，后者是連續(xù)消息。2、信息消息中有意義的內(nèi)容。信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。對接收者來說，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息。因此，信息含量就是對消息中這種不確定性的度量.第一章緒論1.4.1信息的度量1、信息與概率的關(guān)系分析根據(jù)概率論知識，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來描述。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。第一章緒論假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息。信息量是概率的函數(shù)，即I=f［P(x)］

P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1時(shí)，I→0；P(x)→0時(shí)，I→∞

若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…第一章緒論3、信息量的單位信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時(shí)，信息量的單位為比特(bit)；a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時(shí)，信息量的單位為哈特萊。目前廣泛使用的單位為比特。2、信息量公式第一章緒論1.4.3舉例設(shè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為P=1/4的信息量為2比特P=1/8的信息量為3比特P=1/M的信息量為log2M(bit)若M是2的整冪次，則第一章緒論1.4.4信源熵設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號組成的符號集，其中每個(gè)符號xi(i=1,2,3,…,n)出現(xiàn)的概率為P(xi)，xi所包含的信息量平均信息量為由于H同熱力學(xué)中的熵形式一樣，故通常又稱它為信息源的熵，其單位為bit/符號。第一章緒論1.5主要性能指標(biāo)1.5.1通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.5.2模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.5.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)第一章緒論1.5.1通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效性和可靠性。有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。這兩個(gè)問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。第一章緒論1.5.2模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效性可用有效傳輸頻帶來度量同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。可靠性用接收端最終輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。第一章緒論1.5.3數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效性可用傳輸速率來衡量。可靠性可用差錯(cuò)率來衡量。第一章緒論1、傳輸速率碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān):第一章緒論信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。由于M進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用log2M個(gè)二進(jìn)制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：第一章緒論每個(gè)碼元或符號通常都含有一定bit數(shù)的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關(guān)系，即式中，H為信源中每個(gè)符號所含的平均信息量（熵）。等概傳輸時(shí)，熵有最大值

信息速率也達(dá)到最大，即

二進(jìn)制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時(shí)簡稱它們?yōu)閿?shù)碼率。第一章緒論頻帶利用率第一章緒論2、差錯(cuò)率衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率，常用誤碼率和誤信率表示。

誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即第一章緒論誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，即在二進(jìn)制中有Pb=Pe第二章隨機(jī)信號分析第二章隨機(jī)信號分析第二章隨機(jī)信號分析第二章隨機(jī)信號分析2.1引言2.2隨機(jī)過程的基本概念和統(tǒng)計(jì)特性2.3平穩(wěn)隨機(jī)過程2.4平穩(wěn)隨機(jī)過程的相關(guān)函數(shù)與功率譜密度2.5高斯隨機(jī)過程2.6窄帶隨機(jī)過程2.7正弦波加窄帶高斯噪聲2.8隨機(jī)過程通過線性系統(tǒng)第二章隨機(jī)信號分析2.1引言隨機(jī)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因客觀物質(zhì)間相互作用的多樣性和復(fù)雜性認(rèn)識主體認(rèn)識能力的有限性第二章隨機(jī)信號分析2.1引言隨機(jī)變量和隨機(jī)過程的區(qū)別當(dāng)樣本空間為一維實(shí)數(shù)集合時(shí)，則稱該一維實(shí)變量為隨機(jī)變量當(dāng)樣本空間為定義于某個(gè)數(shù)集上的函數(shù)組成，則稱該函數(shù)集合為隨機(jī)過程第二章隨機(jī)信號分析2.1引言研究隨機(jī)現(xiàn)象的基本思想舍棄了對輸出某個(gè)結(jié)果機(jī)制的觀察，而是觀察某個(gè)結(jié)果的輸出可能性是對輸出結(jié)果的統(tǒng)計(jì)觀察研究隨機(jī)現(xiàn)象的方法首先建立數(shù)學(xué)模型，然后用數(shù)學(xué)方法解決問題第二章隨機(jī)信號分析2.1引言信號和噪聲都是隨機(jī)過程載有信息的信號是不可預(yù)測的，或者說帶有某種隨機(jī)性。干擾信息信號的噪聲更是不可預(yù)測的。這些不可預(yù)測的信號和噪聲都是隨機(jī)過程。但隨機(jī)信號和噪聲的不可預(yù)測性的意義完全不同。隨機(jī)信號的不可預(yù)測性是它攜帶信息的能力，而噪聲的不可預(yù)測性則是有害的，它將使有用信號受到污染。第二章隨機(jī)信號分析2.1引言隨機(jī)過程對于通信的重要性

在通信系統(tǒng)中，隨機(jī)過程是重要的數(shù)學(xué)工具。它在信息源的統(tǒng)計(jì)建模、信源輸出的數(shù)字化、信道特性的描述以及評估通信系統(tǒng)的性能等方面都是很重要的。

第二章隨機(jī)信號分析2.1引言

本章將扼要介紹通信系統(tǒng)所必需的內(nèi)容，即隨機(jī)過程的基本概念、統(tǒng)計(jì)特性及其通過線性系統(tǒng)的分析方法，并主要介紹用于全書的幾個(gè)重要結(jié)論，這些對于設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)及其性能的評估都是十分有用的。

返回主目錄第二章隨機(jī)信號分析2.2隨機(jī)過程的基本概念和統(tǒng)計(jì)特性2.2.1隨機(jī)過程.2.2.2隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征第二章隨機(jī)信號分析2.2.1隨機(jī)過程自然界中事物的變化過程可以大致分成為兩類確定性過程其變化過程具有確定的形式，或者說具有必然的變化規(guī)律。用數(shù)學(xué)語言來說，其變化過程可以用一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間t的確定函數(shù)來描述。第二章隨機(jī)信號分析2.2.1隨機(jī)過程隨機(jī)過程定義：設(shè)Sk(k=1,2,…)是隨機(jī)試驗(yàn)。每一次試驗(yàn)都有一條時(shí)間波形（稱為樣本函數(shù)或?qū)崿F(xiàn)），記作xi(t)，所有可能出現(xiàn)的結(jié)果的總體{x1(t),x2(t)，…,xn(t)，…}就構(gòu)成一隨機(jī)過程，記作ξ(t)。無窮多個(gè)樣本函數(shù)的總體叫做隨機(jī)過程。第二章隨機(jī)信號分析樣本函數(shù)的總體第二章隨機(jī)信號分析2.2.1隨機(jī)過程隨機(jī)過程具有隨機(jī)變量和時(shí)間函數(shù)的特點(diǎn)。在進(jìn)行觀測前是無法預(yù)知是空間中哪一個(gè)樣本。全體樣本在t1時(shí)刻的取值ξ(t1)是一個(gè)不含t變化的隨機(jī)變量。因此，隨機(jī)過程又可以定義為依賴于時(shí)間參數(shù)的隨機(jī)變量的全體第二章隨機(jī)信號分析2.2.2隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性設(shè)ξ(t)表示一個(gè)隨機(jī)過程，在任意給定的時(shí)刻t1∈T，其取值ξ(t1)是一個(gè)一維隨機(jī)變量。隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特性可以用分布函數(shù)或概率密度函數(shù)來描述。我們把隨機(jī)變量ξ(t1)小于或等于某一數(shù)值x1的概率簡記為F1(x1,t1)，即第二章隨機(jī)信號分析

為ξ(t)的一維概率密度函數(shù)。

隨機(jī)過程的一維分布函數(shù)或一維概率密度函數(shù)僅僅描述了隨機(jī)過程在各個(gè)孤立時(shí)刻上的統(tǒng)計(jì)特性，而沒有說明隨機(jī)過程在不同時(shí)刻取值之間的內(nèi)在聯(lián)系。

第二章隨機(jī)信號分析任給兩個(gè)時(shí)刻t1,t2∈T，則隨機(jī)變量ξ(t1)和ξ(t2)構(gòu)成一個(gè)二元隨機(jī)變量{ξ(t1)，ξ(t2)}，稱F2(x1,x2;t1,t2,)=P{ξ(t1)≤x1,ξ(t2)≤x2}

為隨機(jī)過程ξ(t)的二維分布函數(shù)。如果存在則稱f2(x1,x2

；t1,t2)為ξ(t)的二維概率密度函數(shù)。第二章隨機(jī)信號分析2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征用其數(shù)字特征來描述隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性，更簡單直觀。1.數(shù)學(xué)期望:表示隨機(jī)過程的n個(gè)樣本函數(shù)曲線的擺動(dòng)中心。即均值,記為a(t)第二章隨機(jī)信號分析2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征

即均方值與均值平方之差。D[ξ(t)]常記為σ2(t)2.方差:表示隨機(jī)過程在時(shí)刻t對于均值a(t)

的偏離程度。第二章隨機(jī)信號分析2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征

均值和方差都是定義在一維概率密度函數(shù)之上，描述了隨機(jī)過程在各個(gè)孤立時(shí)刻的特征，為了描述隨機(jī)過程在兩個(gè)不同時(shí)刻狀態(tài)之間的聯(lián)系，還需利用二維概率密度引入新的數(shù)字特征。第二章隨機(jī)信號分析3.協(xié)方差函數(shù)B(t1,t2)和相關(guān)函數(shù)R(t1,t2)設(shè)t1與t2是任取的兩個(gè)時(shí)刻協(xié)方差函數(shù)定義為

2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征第二章隨機(jī)信號分析2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征相關(guān)函數(shù)定義為二者關(guān)系為

B(t1,t2)=R(t1,t2)?a(t1)a(t2)

第二章隨機(jī)信號分析2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征若a(t1)=0或a(t2)=0,則B(t1,t2)=R(t1,t2)。若t2

>t1,并令t2

=t1+τ,則R(t1,t2)可表示為R(t1,t1+τ)。這說明，相關(guān)函數(shù)依賴于起始時(shí)刻t1

及t2與t1之間的時(shí)間間隔τ,即相關(guān)函數(shù)是t1和τ的函數(shù)。由于B(t1,t2)和R(t1,t2)是衡量同一過程的相關(guān)程度的，因此，它們又常分別稱為自協(xié)方差函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)。

第二章隨機(jī)信號分析2.2.3隨機(jī)過程的數(shù)字特征

對于兩個(gè)或更多個(gè)隨機(jī)過程，可引入互協(xié)方差及互相關(guān)函數(shù)。設(shè)ξ(t)和η(t)分別表示兩個(gè)隨機(jī)過程，則互協(xié)方差函數(shù)定義為Bξη(t1,t2)=E{[ξ(t1)?aξ(t1)][η(t2)?aη(t2)]}而互相關(guān)函數(shù)定義為Rξη(t1,t2)

=E[ξ(t1)η(t2)]返回主目錄第二章隨機(jī)信號分析2.3平穩(wěn)隨機(jī)過程2.3.1定義2.3.2各態(tài)歷經(jīng)性第二章隨機(jī)信號分析2.3.1定義

平穩(wěn)隨機(jī)過程是一種特殊而又廣泛應(yīng)用的隨機(jī)過程，在通信領(lǐng)域中占有重要地位。設(shè)隨機(jī)過程{ξ(t)，t∈T},若對于任意n和任意選定的t1

<t2

<…<tn,tk∈T,k=1,2,…,n,以及h為任意值，且x1,x2,…,xn∈R有第二章隨機(jī)信號分析則稱ξ(t)是狹義平穩(wěn)隨機(jī)過程或嚴(yán)平穩(wěn)隨機(jī)過程。即任何n維分布函數(shù)或概率密度函數(shù)與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)?；蛘哒f它的分布特性不隨著時(shí)間的推移而改變，即平穩(wěn)。具體到它的一維分布,即f1(x1,t1)=f1(x1，t1＋h)則與時(shí)間t無關(guān)

f1(x1,t1)=f1(x1)則均值為常數(shù)a,同理，方差也為常數(shù)第二章隨機(jī)信號分析2.3.1定義而二維分布即f2(x1,x2;t1,t2)=f2(x1,x2;t1+h,t2+h)令τ＝t2－t1，則f2(x1,x2;t1,t1+τ)=f2(x1,x2;t1+h,t1+h+τ)只與時(shí)間間隔τ有關(guān)f2(x1,x2;t1,t2)=f2(x1,x2;τ)則自相關(guān)函數(shù)只與τ有關(guān)，記為R(τ)第二章隨機(jī)信號分析2.3.1定義

設(shè)有一個(gè)二階矩隨機(jī)過程ξ(t)，它的均值為常數(shù)，自相關(guān)函數(shù)僅是τ的函數(shù)，則稱它為寬平穩(wěn)隨機(jī)過程或廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程。一個(gè)嚴(yán)平穩(wěn)隨機(jī)過程只要它的均方值E[ξ2(t)]有界，則它必定是廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程，但反過來一般不成立。要求二階矩原因:保證方差和自相關(guān)函數(shù)存在。D[ξ(t)]=E[ξ2(t)]–[a(t)]2，R(t1,t2)=E[ξ

(t1)ξ

(t2)]

通信系統(tǒng)中所遇到的信號及噪聲，大多數(shù)可視為平穩(wěn)的隨機(jī)過程。第二章隨機(jī)信號分析2.3.2各態(tài)歷經(jīng)性假設(shè)x(t)是平穩(wěn)隨機(jī)過程ξ(t)的任意一個(gè)實(shí)現(xiàn)，它的時(shí)間均值和時(shí)間相關(guān)函數(shù)分別為如果平穩(wěn)隨機(jī)過程依概率1使下式成立則稱該平穩(wěn)隨機(jī)過程具有各態(tài)歷經(jīng)性。

第二章隨機(jī)信號分析2.3.2各態(tài)歷經(jīng)性“各態(tài)歷經(jīng)”的含義：隨機(jī)過程中的任一實(shí)現(xiàn)都經(jīng)歷了隨機(jī)過程的所有可能狀態(tài)。因此，我們只需從任意一個(gè)隨機(jī)過程的樣本函數(shù)中就可獲得它的所有的數(shù)字特征，從而使“統(tǒng)計(jì)平均”化為“時(shí)間平均”，使實(shí)際測量和計(jì)算的問題大為簡化。注意：具有各態(tài)歷經(jīng)性的隨機(jī)過程必定是平穩(wěn)隨機(jī)過程，但平穩(wěn)隨機(jī)過程不一定是各態(tài)歷經(jīng)的。在通信系統(tǒng)中所遇到的隨機(jī)信號和噪聲，一般均能滿足各態(tài)歷經(jīng)條件。

返回主目錄第二章隨機(jī)信號分析平穩(wěn)隨機(jī)過程自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度函數(shù)2.4.1平穩(wěn)隨機(jī)過程自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)2.4.2平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度第二章隨機(jī)信號分析2.4.1平穩(wěn)隨機(jī)過程自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)平穩(wěn)隨機(jī)過程的自相關(guān)函數(shù)特別重要。其統(tǒng)計(jì)特性，可通過自相關(guān)函數(shù)來描述；自相關(guān)函數(shù)與譜特性有著內(nèi)在的聯(lián)系。設(shè)ξ(t)為實(shí)平穩(wěn)隨機(jī)過程，則它的自相關(guān)函數(shù)具有下列主要性質(zhì)：第二章隨機(jī)信號分析2.4.1平穩(wěn)隨機(jī)過程自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)（1）R(0)=E[ξ2(t)]=S[ξ(t)的平均功率]（2）R(∞)=E2[ξ(t)][ξ(t)的直流功率]（3）R(τ)=R(?τ)[τ的偶函數(shù)]（4）︱

R(τ)︳≤R(0)[R(τ)的上界]（5）R(0)?R(∞)=σ2[方差，ξ(t)的交流功率]

當(dāng)均值為0時(shí)，有R(0)=σ2。

第二章隨機(jī)信號分析2.4.1平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度Pξ(ω)與其自相關(guān)函數(shù)R(τ)是一對傅里葉變換關(guān)系,即或

第二章隨機(jī)信號分析2.4.2平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度簡記為R(τ)?Pξ(ω)上式稱為維納-辛欽定理。功率譜密度Pξ(ω)有如下性質(zhì)：（1）Pξ(ω)≥0，非負(fù)性；（2）Pξ(?ω)=Pξ(ω)，偶函數(shù)。返回主目錄第二章隨機(jī)信號分析2.5高斯隨機(jī)過程2.5.1定義2.5.2重要性質(zhì)2.5.3一維概率密度函數(shù)2.5.4誤差函數(shù)第二章隨機(jī)信號分析2.5.1定義高斯過程，也稱正態(tài)隨機(jī)過程，是通信領(lǐng)域中最重要的一種過程。在實(shí)踐中觀察到的大多數(shù)噪聲都是高斯過程。定義：若隨機(jī)過程ξ(t)的任意n維（n=1,2,...）分布都是正態(tài)分布，則稱它為高斯隨機(jī)過程或正態(tài)過程。其n維正態(tài)概率密度函數(shù)表示如下

第二章隨機(jī)信號分析式中為歸一化協(xié)方差矩陣的行列式，即

R(tj,tk)?aj

akσjσk＝第二章隨機(jī)信號分析2.5.2重要性質(zhì)a)高斯過程的n維分布完全由n個(gè)隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望、方差和兩兩之間的歸一化協(xié)方差函數(shù)所決定。b)廣義平穩(wěn)的高斯過程也是狹義平穩(wěn)的。若隨機(jī)過程廣義平穩(wěn)，則a,σ為常數(shù)，R(tj,tk)只與τ有關(guān)，與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)，因?yàn)閒n由這些只與一維、二維有關(guān)的量決定，所以fn只與τ有關(guān)，與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)，因此是狹義平穩(wěn)的。第二章隨機(jī)信號分析2.5.2重要性質(zhì)c)如果高斯過程在不同時(shí)刻的取值是不相關(guān)的，那么它們也是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。任意兩個(gè)隨機(jī)變量之間，如果獨(dú)立，則一定互不相關(guān)，反之，只有高斯分布隨機(jī)變量成立。互不相關(guān)<=>E[X1X2]=E[X1]E[X2]<=>bx1x2=0E[X1X2]?E[X1]E[X2]

σx1σx2＝bx1x2<≠>R[X1,X2]=0

統(tǒng)計(jì)獨(dú)立<=>fn(x1,x2,…xn)=f(x1).f(x2)…f(xn)即：n維概率密度函數(shù)等于各一維概率密度函數(shù)乘積第二章隨機(jī)信號分析2.5.2重要性質(zhì)∵互不相關(guān)，∴bjk=0,B為單位矩陣，︱B︱=11j=k︱B︱jk=0j≠k∴fn中只考慮j=k即可，兩個(gè)∑可以用一個(gè)表示第二章隨機(jī)信號分析2.5.2重要性質(zhì)∴統(tǒng)計(jì)獨(dú)立第二章隨機(jī)信號分析2.5.2重要性質(zhì)d)高斯過程經(jīng)過線性變換（或線性系統(tǒng)）后的過程仍是高斯的。e)若干個(gè)高斯過程之和的過程仍是高斯型第二章隨機(jī)信號分析2.5.3一維概率密度函數(shù)高斯過程在任一時(shí)刻上的樣值是一個(gè)一維高斯隨機(jī)變量，其一維概率密度函數(shù)可表示為式中a為高斯隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望，σ2為方差。f(x)曲線為：

第二章隨機(jī)信號分析正態(tài)分布概率密度函數(shù)（1）f(x)

對稱于x=a這條直線。

(3)a表示分布中心，σ表示集中程度，f(x)

圖形將隨著σ的減小而變高和變窄。當(dāng)a=0,σ=1時(shí)，稱f(x)

為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的密度函數(shù)。第二章隨機(jī)信號分析2.5.3一維概率密度函數(shù)一維分布函數(shù)令第二章隨機(jī)信號分析2.5.4誤差函數(shù)誤差函數(shù)：互補(bǔ)誤差函數(shù)：與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的關(guān)系：若x≤a若x≥a第二章隨機(jī)信號分析2.5.4誤差函數(shù)性質(zhì)：誤差函數(shù)是遞增函數(shù)erf(-x)=-erf(x)erf(∞)=1互補(bǔ)誤差函數(shù)是自變量的遞減函數(shù)erfc(∞)=0返回主目錄第二章隨機(jī)信號分析2.6窄帶隨機(jī)過程2.6.1窄帶隨機(jī)過程描述2.6.2同相和正交分量的統(tǒng)計(jì)特性2.6.3包絡(luò)和相位的統(tǒng)計(jì)特性2.6.4白噪聲第二章隨機(jī)信號分析2.6.1窄帶隨機(jī)過程描述所謂窄帶系統(tǒng)，是指其通帶寬度?f<<fc，且fc遠(yuǎn)離零頻率的系統(tǒng)。實(shí)際中，大多數(shù)通信系統(tǒng)都是窄帶型的，通過窄帶系統(tǒng)的信號或噪聲必是窄帶隨機(jī)過程。如用示波器觀察其一個(gè)實(shí)現(xiàn)的波形，它是一個(gè)頻率近似為fc，包絡(luò)和相位隨機(jī)緩變的正弦波。

第二章隨機(jī)信號分析2.6.1窄帶隨機(jī)過程描述窄帶過程的頻譜和波形示意圖

窄帶實(shí)例第二章隨機(jī)信號分析2.6.1窄帶隨機(jī)過程描述窄帶隨機(jī)過程ξ(t)可用下式表示ξ(t)=aξ(t)cos[ωct+?ξ(t)],aξ(t)≥0aξ(t)及?ξ(t)分別是ξ(t)的隨機(jī)包絡(luò)和隨機(jī)相位，

aξ(t)和?ξ(t)的變化相對于載波cosωct的變化要緩慢得多。ξ(t)=aξ(t)cosωctcos?ξ(t)－aξ(t)sinωctsin?ξ(t)將緩慢變化的量歸在一起，令ξc(t)=aξ(t)cos?ξ(t)ξs(t)=aξ(t)sin?ξ(t)分別是ξ(t)的同相分量和正交分量，也是隨機(jī)過程。演示實(shí)驗(yàn)2.6(DSB)，通過對比帶通濾波器前后的噪聲信號頻譜變化，說明研究雜貨窄帶隨機(jī)過程的必要性。用板書講述該節(jié)內(nèi)容。第二章隨機(jī)信號分析2.6.2同相和正交分量的統(tǒng)計(jì)特性則ξ(t)=ξc(t)cosωct?ξs(t)sinωct設(shè)窄帶過程ξ(t)是平穩(wěn)高斯窄帶過程，且均值為零，方差為σξ

2則其正交分量和同相分量有如下性質(zhì)：①ξc(t)和ξs(t)也是均值為0②ξc(t)和ξs(t)是廣義正交的③在同一時(shí)刻上ξc(t)和ξs(t)是不相關(guān)的，且方差相等。④ξc(t)和ξs(t)也是高斯過程，因而統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。第二章隨機(jī)信號分析2.6.2同相和正交分量的統(tǒng)計(jì)特性證明：①均值為0E[ξ(t)]=E[ξc(t)cosωct?ξs(t)sinωct]=E[ξc(t)]cosωct?E[ξs(t)]sinωct已設(shè)ξ(t)平穩(wěn)且均值為零，所以E[ξc(t)]=0E[ξs(t)]=0第二章隨機(jī)信號分析2.6.2同相和正交分量的統(tǒng)計(jì)特性②自相關(guān)函數(shù)Rξ(t,t+τ)=E[ξ(t)ξ(t+τ)]=E{[ξc(t)cosωct?ξs(t)sinωct]?[ξc(t+τ)cosωc(t+τ)?ξs(t+τ)sinωc(t+τ)]}=Rc(t,t+τ)cosωctcosωc(t+τ)?Rcs(t,t+τ)cosωctsinωc(t+τ)?Rsc(t,t+τ)sinωctcosωc(t+τ)+Rs(t,t+τ)sinωctsinωc(t+τ)第二章隨機(jī)信號分析2.6.2同相和正交分量的統(tǒng)計(jì)特性Rc(t,t+τ)=E[ξc(t)ξc(t+τ)]Rcs(t,t+τ)=E[ξc(t)ξs(t+τ)]Rsc(t,t+τ)=E[ξs(t)ξc(t+τ)]Rs(t,t+τ)=E[ξs(t)ξs(t+τ)]第二章隨機(jī)信號分析2.6.2同相和正交分量的統(tǒng)計(jì)特性②ξc(t)和ξs(t)是廣義正交的E[ξ(t)]=E[ξc(t)cosωct?ξs(t)sinωct]=E[ξc(t)]cosωct?E[ξs(t)]sinωct（2.5-5）已設(shè)ξ(t)平穩(wěn)且均值為零，所以?E[ξc(t)]=0?（2.5-6）?E[ξs(t)]=0第二章隨機(jī)信號分析2.7正弦波加窄帶高斯噪聲第二章隨機(jī)信號分析2.8隨機(jī)過程通過線性系統(tǒng)第三章信道與噪聲第三章信道與噪聲第三章信道與噪聲第三章信道與噪聲3.1信道定義與數(shù)學(xué)模型3.2恒參信道及其傳輸特性3.3隨參信道及其傳輸特性3.4分集接收技術(shù)3.5加性噪聲3.6信道容量的概念第三章信道與噪聲3.1信道定義與數(shù)學(xué)模型信道是通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，任何一個(gè)通信系統(tǒng)均可視為由發(fā)送設(shè)備、信道與接收設(shè)備三大部分組成。信號在信道中傳輸遇到噪聲又是不可避免的，即信道允許信號通過的同時(shí)又給信號以限制和損害。因而，對信道和噪聲的研究乃是研究通信問題的基礎(chǔ)。在通信中，能夠作為實(shí)際通信信道的種類是很多的，而信道噪聲更是多種多樣的。本章我們只研究信道和噪聲的一般特性，而不去詳細(xì)討論每一種具體信道。第三章信道與噪聲3.1信道定義與數(shù)學(xué)模型3.1.1信道定義3.1.2信道的數(shù)學(xué)模型第三章信道與噪聲3.1.1信道定義1、信道定義

信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。2、俠義信道

如果信道僅是指信號的傳輸媒質(zhì)，這種信道稱為狹義信道；第三章信道與噪聲3.1.1信道定義狹義信道按照傳輸媒質(zhì)的特性可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纖等。無線信道包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動(dòng)無線電信道等。第三章信道與噪聲3.1.1信道定義3、廣義信道如果信道不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，這種信道稱為廣義信道。廣義信道除了包括傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)有關(guān)的變換裝置，這些裝置可以是發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。廣義信道按照它包括的功能，可以分為調(diào)制信道、編碼信道等。還可以定義其他形式的廣義信道。常把廣義信道簡稱為信道。第三章信道與噪聲調(diào)制信道用于研究調(diào)制與解調(diào)問題是方便和恰當(dāng)?shù)摹?/p>

編碼信道用于研究編碼與譯碼問題時(shí)使問題的分析更容易。第三章信道與噪聲3.1.2信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型用來表征實(shí)際物理信道的特性，它對通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是十分方便的。第三章信道與噪聲1.調(diào)制信道模型通過對調(diào)制信道進(jìn)行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它具有如下共性：①有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；②絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；③信號通過信道具有固定的或時(shí)變的延遲時(shí)間；第三章信道與噪聲1.調(diào)制信道模型④信號通過信道會(huì)受到固定的或時(shí)變的損耗；⑤即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。根據(jù)以上幾條性質(zhì)，調(diào)制信道可以用一個(gè)二端口(或多端口)線性時(shí)變網(wǎng)絡(luò)來表示，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)便稱為調(diào)制信道模型

第三章信道與噪聲二對端的調(diào)制信道模型，其輸出與輸入的關(guān)系有r(t)=s0(t)+n(t)=f[si(t)]+n(t)

式中，si(t)為輸入的已調(diào)信號；s0(t)為調(diào)制信道對輸入信號的響應(yīng)輸出波形；n(t)為加性噪聲，n(t)相互獨(dú)立si(t)。f[si(t)]反映了信道特性對輸入信號產(chǎn)生的影響，不同的物理信道具有不同的特性。

第三章信道與噪聲一般情況f[si(t)]可以表示為

f[si(t)]=k(t)si(t)

其中，k(t)依賴于信道特性。對于信號來說，k(t)可看成是乘性干擾。如果我們了解k(t)與n(t)的特性，就能知道信道對信號的具體影響。

第三章信道與噪聲通常信道特性k(t)是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，它可能包括各種線性失真、非線性失真、交調(diào)失真、衰落等。根據(jù)信道傳輸函數(shù)k(t)的時(shí)變特性的不同可以分為兩大類：一類是k(t)基本不隨時(shí)間變化，即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的，這類信道稱為恒參信道；另一類信道傳輸函數(shù)k(t)隨時(shí)間隨機(jī)快變化，這類信道稱為隨參信道。第三章信道與噪聲2.編碼信道模型編碼信道輸入是離散的時(shí)間信號，輸出也是離散時(shí)間信號，對信號的影響則是將輸入數(shù)字序列變成另一種輸出數(shù)字序列。由于信道噪聲或其它因素的影響，將導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)誤。因此輸入輸出數(shù)字序列之間的關(guān)系可以用一組轉(zhuǎn)移概率來表征。二進(jìn)制編碼信道模型如下：

第三章信道與噪聲圖中P(0)和P(1)分別是發(fā)送“0”符號和“1”符號的先驗(yàn)概率；P(0/0)與P(1/1)是正確轉(zhuǎn)移的概率，而P(1/0)與P(0/1)是錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。輸出總的錯(cuò)誤概率為：Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)

第三章信道與噪聲由于信道噪聲或其他因素影響導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)誤是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，因此這種信道是無記憶編碼信道。在無記憶編碼信道中，有下式成立：

p(0/0)+p(1/0)=1p(0/1)+p(1/1)=1注：如果編碼信道是有記憶的，即信道噪聲或其它因素影響導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)誤是不獨(dú)立的，則編碼信道模型要復(fù)雜得多。

第三章信道與噪聲多進(jìn)制無記憶編碼信道模型第三章信道與噪聲3.2恒參信道及其傳輸特性3.2.1有線電信道3.2.2微波中繼信道3.2.3衛(wèi)星中繼信道3.2.4光纖第三章信道與噪聲3.2恒參信道及其傳輸特性恒參信道的信道特性不隨時(shí)間變化或變化很緩慢。信道特性主要由傳輸媒質(zhì)所決定，如果傳輸媒質(zhì)是基本不隨時(shí)間變化的，所構(gòu)成的廣義信道通常屬于恒參信道；如果傳輸媒質(zhì)隨時(shí)間隨機(jī)快變化，則構(gòu)成的廣義信道通常屬于隨參信道。如由架空明線、電纜、中長波地波傳播、對稱電纜、超短波及微波視距傳播、人造衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的廣義信道都屬于恒參信道。第三章信道與噪聲1.對稱電纜在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì)。導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為0.4~1.4mm。為了減小各線對之間的相互干擾，每一對線都擰成扭絞狀。通常有兩種類型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。3.2.1有線電信道第三章信道與噪聲特點(diǎn)電纜的傳輸損耗比較大，但其傳輸特性比較穩(wěn)定，并且價(jià)格便宜、安裝容易。對稱電纜主要用于市話中繼線路和用戶線路，在許多局域網(wǎng)如以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)中也采用高等級的UTP電纜進(jìn)行連接。STP電纜的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施，對噪聲有更好的屏蔽作用，但是其價(jià)格要昂貴一些第三章信道與噪聲2.同軸電纜由同軸的兩個(gè)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)。實(shí)際應(yīng)用中同軸電纜的外導(dǎo)體是接地的，對外界干擾具有較好的屏蔽作用，所以同軸電纜抗電磁干擾性能較好。在有線電視網(wǎng)絡(luò)中大量采用這種結(jié)構(gòu)的同軸電纜。第三章信道與噪聲為了增大容量，也可以將幾根同軸電纜封裝在一個(gè)大的保護(hù)套內(nèi)，構(gòu)成多芯同軸電纜，另外還可以裝入一些二芯絞線對或四芯線組，作為傳輸控制信號用。第三章信道與噪聲3.2.2微波中繼信道頻率范圍一般在幾百兆赫至幾十G赫其傳輸特點(diǎn)是在自由空間沿視距傳輸兩點(diǎn)間的傳輸距離一般為30~50km長距離通信需要在中間建立多個(gè)中繼站。被廣泛用來傳輸多路電話及電視等。微波接力通信方式第三章信道與噪聲在一條微波中繼信道上可采用二頻制或四頻制頻率配置方式以提高頻譜利用率和減小射頻波道間或鄰近路由的傳輸信道間的干擾，微波中繼信道具有傳輸容量大、長途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)約有色金屬、投資少、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。第三章信道與噪聲3.2.3衛(wèi)星中繼信道1、定義利用人造衛(wèi)星作為中繼站構(gòu)成的通信信道2、靜止衛(wèi)星若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面，離地面高度為35780km時(shí)，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間恰為24小時(shí)，與地球自轉(zhuǎn)同步。3、移動(dòng)衛(wèi)星：不在靜止軌道運(yùn)行的衛(wèi)星主要用來傳輸多路電話、電視和數(shù)據(jù)單跳

雙跳第三章信道與噪聲3.2.3衛(wèi)星中繼信道3、工作頻段：L頻段(1.5/1.6GHz)、C頻段(4/6GHz)、Ku頻段(12/14GHz)、Ka頻段(20/30GHz)。4、主要特點(diǎn)通信容量大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣等。信號衰減大信號延遲大第三章信道與噪聲3.2.4光纖光纜：多根光纖外加防護(hù)層光纖帶寬非常寬，通信容量非常大。速率可達(dá)40Gbps多模與單模

光纜的結(jié)構(gòu)第三章信道與噪聲3.2.4恒參信道特性恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的。其傳輸特性可以等效為一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)。線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以用來表征。幅度頻率特性和相位頻率特性第三章信道與噪聲1.理想恒參信道特性理想恒參信道就是理想的無失真?zhèn)鬏斝诺溃涞刃У木€性網(wǎng)絡(luò)傳輸特性為：H(ω)=K0e?jωtd

其中K0為傳輸系數(shù)，td

為時(shí)間延遲，︱H(ω)︱=K0?(ω)=ωtd

信道的相頻特性通常還采用群遲延-頻率特性來衡量，群遲延-頻率特性就是相位-頻率特性的導(dǎo)數(shù)：第三章信道與噪聲理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延特性曲線如下圖所示

第三章信道與噪聲若輸入信號為s(t)，則理想恒參信道的輸出為r(t)=K0s(t-t0)稱信號是無失真?zhèn)鬏?。由此可見，理想恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯?對信號在幅度上產(chǎn)生固定的衰減；.對信號在時(shí)間上產(chǎn)生固定的遲延。這種情況也稱信號是無失真?zhèn)鬏?。第三章信道與噪聲2.幅度-頻率失真幅度-頻率失真是由實(shí)際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的，這種失真又稱為頻率失真，屬于線性失真。CCITTM.1020建議規(guī)定的衰減特性如下圖所示。典型音頻電話信道的幅度衰減特性使通過它的信號波形產(chǎn)生失真第三章信道與噪聲3.相位-頻率失真當(dāng)信道的相位-頻率特性偏離線性關(guān)系時(shí)，將會(huì)使通過信道的信號產(chǎn)生相位-頻率失真，屬于線性失真。

可以看出，相頻特性和群遲延頻率特性都偏離了理想特性的要求。典型電話信道相頻特性和群遲延頻率特性第三章信道與噪聲在話音傳輸中，由于人耳對相頻失真不太敏感，因此相頻失真對模擬話音傳輸影響不明顯。如果傳輸數(shù)字信號，相頻失真和幅頻失真都會(huì)引起碼間干擾可以采用均衡器對相頻特性和幅頻失真進(jìn)行補(bǔ)償，改善信道傳輸條件。第三章信道與噪聲3.3隨參信道及其傳輸特性信道傳輸特性隨時(shí)間隨機(jī)快速變化的信道。陸地移動(dòng)信道、短波電離層反射信道、超短波流星余跡散射信道、超短波及微波對流層散射信道、超短波電離層散射以及超短波超視距繞射等信道第三章信道與噪聲3.3隨參信道及其傳輸特性3.3.1陸地移動(dòng)信道3.3.2短波電離層反射信道3.3.3隨參信道特性第三章信道與噪聲3.3.1陸地移動(dòng)信道工作頻段主要在VHF(甚高頻(VHF)超短波30~300MHz)和UHF(特高頻(UHF)分米波0.3~3GHz)頻段，電波傳播特點(diǎn)是以直射波為主。由于城市建筑群和其他地形地物的影響，電波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜第三章信道與噪聲3.3.2短波電離層反射信道短波電離層反射信道是利用地面發(fā)射的無線電波在電離層，或電離層與地面之間的一次反射或多次反射所形成的信道。由于太陽輻射的紫外線和X射線，使離地面60~600km的大氣層成為電離層。電離層是由分子、原子、離子及自由電子組成。當(dāng)頻率范圍為3~30MHz(波長為10~100m)的短波(或稱為高頻)無線電波射入電離層時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面，從而形成短波電離層反射信道第三章信道與噪聲電離層厚度有數(shù)百千米，可分為D、E、F1和F2四層在白天，由于太陽輻射強(qiáng)，所以D、E、F1和F2四層都存在。在夜晚，由于太陽輻射弱，D和F1層幾乎完全消失，只有E和F2層存在由于太陽輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時(shí)間隨機(jī)變化，因此短波電離層反射信道也是隨參信道。D、E層主要是吸收電波，使電波能量損耗。F2層是反射層，其高度為250~300km，所以一次反射的最大距離約為4000km。第三章信道與噪聲3.3.2短波電離層反射信道最高可用頻率是指當(dāng)電波以φ0角入射時(shí)，能從電離層反射的最高頻率，可表示為

fMUF=f0secφ0=f0/cosφ0f0為φ0=0時(shí)能從電離層反射的最高頻率(稱為臨界頻率)。在白天，電離層較厚，F(xiàn)2層的電子密度較大，最高可用頻率較高。在夜晚，電離層較薄，F(xiàn)2層的電子密度較小，最高可用頻率要比白天低。第三章信道與噪聲一次反射和兩次反射；反射區(qū)高度不同；尋常波與非尋常波；漫射現(xiàn)象

djcb第三章信道與噪聲3.3.3隨參信道特性特點(diǎn)：(1)對信號的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化；(2)信號傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化；(3)多徑傳播。隨參信道比恒參信道復(fù)雜得多，它對信號傳輸?shù)挠绊懸脖群銋⑿诺绹?yán)重得多。第三章信道與噪聲1.多徑衰落與頻率彌散假設(shè)發(fā)送信號為單一頻率正弦波，即

s(t)=Acosωct

多徑信道一共有n條路徑，各條路徑具有時(shí)變衰耗和時(shí)變傳輸時(shí)延且各條路徑到達(dá)接收端的信號相互獨(dú)立，則接收端接收到的合成波為

r(t)=a1(t)cosωc[t?τ1(t)]+a2(t)cosωc[t?τ2(t)]+…+an(t)cosωc[t?τn(t)]第三章信道與噪聲為第i條路徑到達(dá)接收端信號的隨機(jī)相位。r(t)也可以表示為包絡(luò)和相位的形式，

r(t)=V(t)cos[ωct+?(t)]路徑幅度ai(t)和相位函數(shù)?i(t)隨時(shí)間變化與發(fā)射信號載波頻率相比要緩慢得多。因此，相對于載波來說V(t)和?(t)是慢變化隨機(jī)過程，于是r(t)可以看成是一個(gè)窄帶隨機(jī)過程。第三章信道與噪聲包絡(luò)V(t)的一維分布服從瑞利分布，相位?(t)的一維分布服從均勻分布，可表示為

對比發(fā)射信號s(t)=Acosωct

，可以得到結(jié)論：第三章信道與噪聲

多徑傳播使單一頻率的正弦信號變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號，即多徑傳播使信號產(chǎn)生瑞利型衰落；單一譜線變成了中心頻率為fc的窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。第三章信道與噪聲2.頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬當(dāng)發(fā)送信號是具有一定頻帶寬度的信號時(shí)，多徑傳播除了會(huì)使信號產(chǎn)生瑞利型衰落之外，還會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。我們假設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條，信道模型如圖所示。其中，k為兩條路徑的衰減系數(shù)，?τ(t)為兩條路徑信號傳輸相對時(shí)延差。當(dāng)信道輸入信號為si(t)時(shí)，輸出信號為第三章信道與噪聲第三章信道與噪聲信道幅頻特性為djcb第三章信道與噪聲對于固定的?τi

，信道幅頻特性如下圖所示

上式表示，對于信號不同的頻率成分，信道將有不同的衰減。顯然，信號通過這種傳輸特性的信道時(shí)信號的頻譜將產(chǎn)生失真。當(dāng)失真隨時(shí)間隨機(jī)變化時(shí)就形成頻率選擇性衰落。第三章信道與噪聲另外，相對時(shí)延差?τ(t)通常是時(shí)變參量，故傳輸特性中零點(diǎn)、極點(diǎn)在頻率軸上的位置也隨時(shí)間隨機(jī)變化，這使傳輸特性變得更復(fù)雜，其特性如下圖所示。第三章信道與噪聲對于一般的多徑傳播，通常用最大多徑時(shí)延差來表征。設(shè)信道最大多徑時(shí)延差為Δτm，則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為它表示信道傳輸特性相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔。如果信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。第三章信道與噪聲為了減小頻率選擇性衰落，就應(yīng)使信號的頻譜小于相關(guān)帶寬。在工程設(shè)計(jì)中，為了保證接收信號質(zhì)量，通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的1/5~1/3。當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號時(shí)，特別是傳輸高速數(shù)字信號，頻率選擇性衰落將會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，就必須限制數(shù)字信號傳輸速率第三章信道與噪聲3.4分集接收技術(shù)3.4.1分集接收的含義3.4.2分集方式第三章信道與噪聲常采用的抗衰落技術(shù)措施有調(diào)制解調(diào)技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、功率控制技術(shù)、與交織結(jié)合的差錯(cuò)控制技術(shù)、分集接收技術(shù)等。其中分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)，已在短波通信、移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用第三章信道與噪聲3.4.1分集接收的含義所謂分集接收，是指接收端按照某種方式使它收到的攜帶同一信息的多個(gè)信號衰落特性相互獨(dú)立，并對多個(gè)信號進(jìn)行特定的處理，以降低合成信號電平起伏，減小各種衰落對接收信號的影響。第三章信道與噪聲從廣義信道的角度來看，分集接收可看作是隨參信道中的一個(gè)組成部分，通過分集接收使包括分集接收在內(nèi)的隨參信道衰落特性得到改善。分集接收包含有兩重含義：一是分散接收，使接收端能得到多個(gè)攜帶同一信息的、統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號；二是集中處理，即接收端把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)性能第三章信道與噪聲3.4.2分集方式空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集、時(shí)間分集等第三章信道與噪聲1.空間分集接收端在不同的位置上接收同一個(gè)信號，只要各位置間的距離大到一定程度，則所收到信號的衰落是相互獨(dú)立的。因此，空間分集的接收機(jī)至少需要兩副間隔一定距離的天線接收端各接收天線之間的間距應(yīng)滿足d≥3λ分集天線數(shù)(分集重?cái)?shù))越多，性能改善越好。但當(dāng)分集重?cái)?shù)多到一定數(shù)時(shí)，分集重?cái)?shù)繼續(xù)增多，性能改善量將逐步減小。因此，分集重?cái)?shù)在2~4重比較合適。

空間分集第三章信道與噪聲2.頻率分集將待發(fā)送的信息分別調(diào)制到不同的載波頻率上發(fā)送，只要載波頻率之間的間隔大到一定程度，則接收端所接收到信號的衰落是相互獨(dú)立的。在實(shí)際中，當(dāng)載波頻率間隔大于相關(guān)帶寬時(shí)，則可認(rèn)為接收到信號的衰落是相互獨(dú)立的。頻率分集第三章信道與噪聲在移動(dòng)通信中，當(dāng)工作頻率在900MHz頻段，典型的最大多徑時(shí)延差為5μs，第三章信道與噪聲3.5加性噪聲加性噪聲與信號相互獨(dú)立，并且始終存在實(shí)際中只能采取措施減小加性噪聲的影響，而不能徹底消除加性噪聲。因此，加性噪聲不可避免地會(huì)對通信造成危害第三章信道與噪聲3.5加性噪聲3.5.1噪聲的分類3.5.2起伏噪聲及特性第三章信道與噪聲3.5.1噪聲的分類根據(jù)噪聲的來源進(jìn)行分類(1)人為噪聲。(2)自然噪聲(3)內(nèi)部噪聲根據(jù)噪聲的性質(zhì)分類單頻噪聲、脈沖噪聲起伏噪聲。第三章信道與噪聲1、根據(jù)噪聲的來源進(jìn)行分類人為噪聲是指人類活動(dòng)所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。第三章信道與噪聲內(nèi)部噪聲是指通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。如電阻一類的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲、電子管中電子的起伏發(fā)射或晶體管中載流子的起伏變化產(chǎn)生的散彈噪聲等。第三章信道與噪聲2、根據(jù)噪聲的性質(zhì)分類單頻噪聲主要是無線電干擾，頻譜特性可能是單一頻率，也可能是窄帶譜。單頻噪聲的特點(diǎn)是一種連續(xù)波干擾?？梢酝ㄟ^合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)避免單頻噪聲的干擾。第三章信道與噪聲脈沖噪聲脈沖噪聲是在時(shí)間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾中的電火花、汽車點(diǎn)火噪聲、雷電等。脈沖噪聲的特點(diǎn)是以突發(fā)脈沖形式出現(xiàn)、干擾持續(xù)時(shí)間短、脈沖幅度大、周期是隨機(jī)的且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間有較長的安靜時(shí)間。由于脈沖很窄，所以其頻譜很寬。但是隨著頻率的提高，頻譜強(qiáng)度逐漸減弱。可以通過選擇合適的工作頻率、遠(yuǎn)離脈沖源等措施減小和避免脈沖噪聲的干擾。第三章信道與噪聲起伏噪聲起伏噪聲是一種連續(xù)波隨機(jī)噪聲，包括熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲。對其特性的表征可以采用隨機(jī)過程的分析方法。起伏噪聲的特點(diǎn)是具有很寬的頻帶，并且始終存在，它是影響通信系統(tǒng)性能的主要因素。第三章信道與噪聲3.5.2起伏噪聲及特性主要討論熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲的產(chǎn)生原因，分析其統(tǒng)計(jì)特性熱噪聲是由傳導(dǎo)媒質(zhì)中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，這種在原子能量級上的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的普遍特性。在通信系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲均可以等效成熱噪聲第三章信道與噪聲3.5.2起伏噪聲及特性在阻值為R的電阻器兩端所呈現(xiàn)的熱噪聲，其單邊功率譜密度為在室溫(T=290K)條件下，f＜1000GHz時(shí)，功率譜密度Pn(f)基本上是平坦的。通常我們把這種噪聲按白噪聲處理。第三章信道與噪聲3.5.2起伏噪聲及特性通信系統(tǒng)中熱噪聲的功率譜密度可表示為Pn(f)=2KTR(V2/Hz)系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲以及接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲均可以等效成熱噪聲熱噪聲電壓服從高斯分布，且均值為零第三章信道與噪聲3.5.2起伏噪聲及特性熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲這些起伏噪聲都可以認(rèn)為是一種高斯噪聲，且功率譜密度在很寬的頻帶范圍都是常數(shù)。因此，起伏噪聲通常被認(rèn)為是近似高斯白噪聲。高斯白噪聲的雙邊功率譜密度為第三章信道與噪聲3.6信道容量的概念3.6.1信道容量的概念3.6.2香農(nóng)公式3.6.3香農(nóng)公式的應(yīng)用第三章信道與噪聲信道容量是指信道中信息無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾省Ｕ{(diào)制信道是一種連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的信道容量來表征；編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。我們只討論連續(xù)信道的信道容量。3.6.1信道容量的概念第三章信道與噪聲1、香農(nóng)公式帶寬為B(Hz)的連續(xù)信道，其輸入信號為x(t)，信道加性高斯白噪聲為n(t)，則信道輸出為y(t