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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,无线信道,电磁波的传播方式：,天
2、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,特性:高度80 120 km，长度15 40 km 存留
3、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,
4、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。
5、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
6、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,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)=
7、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,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
8、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(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
9、,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
10、 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。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。,
