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第第4 4章章 信信 道道通信教研室通信教研室w 掌握信道的定义、分类和模型；掌握信道的定义、分类和模型；w 掌握恒参信道的特性及其对信号传输的影响；掌握恒参信道的特性及其对信号传输的影响；w 掌握随参信道的特性及其对信号传输的影响；掌握随参信道的特性及其对信号传输的影响；w 掌握信道噪声的统计特性；掌握信道噪声的统计特性；w 掌握信道容量和香农公式。掌握信道容量和香农公式。目标要求目标要求v基本要求基本要求w 重点是：重点是：信道的分类和特征；信道的分类和特征；调制信道和编码信道的定义范围及其关系。调制信道和编码信道的定义范围及其关系。w 难点是：难点是：加性噪声和乘性噪声的含义；加性噪声和乘性噪声的含义；信道带宽和信道容量的关系。信道带宽和信道容量的关系。目标要求目标要求v 重点、难点重点、难点w 4.1 4.1 无线信道无线信道 w 4.2 4.2 有线信道有线信道w 4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型w 4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响w 4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声w 4.6 4.6 信道容量信道容量主要内容主要内容主要内容主要内容w定义：定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道是指以传输媒质为基础的信号通道。w分类：分类：1.1.广义信道、狭义信道。广义信道、狭义信道。2.2.从信道的物理形态来分，可将信道分为有线信道和无从信道的物理形态来分，可将信道分为有线信道和无线信道；线信道；3.3.从信道中传输的信号特点，将信道划分为调制信道和从信道中传输的信号特点，将信道划分为调制信道和编码信道编码信道;4.4.从信道的特征来分，可将信道分为恒参信道从信道的特征来分，可将信道分为恒参信道 和随参信道和随参信道.引言引言-信道定义与分类信道定义与分类调制信道调制信道编码信道编码信道狭义狭义广义广义信道定义与分类信道定义与分类w均要用天线均要用天线 因天线尺寸的要求，通信频率都较高。因天线尺寸的要求，通信频率都较高。w频率使用规划和管理频率使用规划和管理 国际电信联盟（国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电通信大会）定期召开世界无线电通信大会WRC（The World Radio-communication Conference），），制定频率使用国际协议。制定频率使用国际协议。我国：信息产业部无线电管理局。我国：信息产业部无线电管理局。1.电磁波的发射和接收电磁波的发射和接收4.1 无线信道无线信道2.电磁波传播分类：电磁波传播分类：地波、天波、视波、散射传播地波、天波、视波、散射传播 （1）地波：）地波：频率频率 30 MHz 30 MHz传播的距离传播的距离:和天线高度有关和天线高度有关4.1 无线信道无线信道增大视线传播距离的主要途径：增大视线传播距离的主要途径：1 1）微波中继通信：）微波中继通信：由于地球曲面的影响以及空间由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔传输的损耗，每隔5050公里左右，就需要设置中继站，公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。将电波放大转发而延伸。地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔使用转发器接收和转发使用转发器接收和转发地面站地面站地面站地面站地球地球地球地球地面站地面站地面站地面站 4.1 无线信道无线信道2 2）卫星）卫星中继中继通信：通信：可提供卫星静止通信、卫星移动通信服务。可提供卫星静止通信、卫星移动通信服务。（5）散射传播散射传播 散射传播是由于传播媒体的不均匀性，使电磁散射传播是由于传播媒体的不均匀性，使电磁波的传播产生向许多方向折射的现象。波的传播产生向许多方向折射的现象。w 电离层散射：电离层散射：4.1 无线信道无线信道w 对流层散射：对流层散射：w流星余迹散射：流星余迹散射：3.电磁波的频率划分电磁波的频率划分4.1 无线信道无线信道3.电磁波的频率划分电磁波的频率划分4.1 无线信道无线信道4.无线信道的特点无线信道的特点（1）无线频谱资源有限；）无线频谱资源有限；（2）无线信道的开放性，导致其易受干扰，信息）无线信道的开放性，导致其易受干扰，信息 易被窃取；易被窃取；（3）电磁波传输环境恶劣，如多径效应；）电磁波传输环境恶劣，如多径效应；（4）随着电磁波频率增高，其传输损耗增加；）随着电磁波频率增高，其传输损耗增加；（5）无线信道是带通信道，需要对信号进行调制）无线信道是带通信道，需要对信号进行调制后才能传输。后才能传输。4.1 无线信道无线信道无线传输技术比有线传输技术复杂，更具挑战性。无线传输技术比有线传输技术复杂，更具挑战性。（1 1）明线：明线：平行而相互绝缘平行而相互绝缘的架空裸线线路。的架空裸线线路。4.2 有线信道有线信道1.有线信道类型有线信道类型（2 2）对称电缆：由许多对双绞线组成。）对称电缆：由许多对双绞线组成。4.2 有线信道有线信道由由内内外外两两根根同同心心圆圆柱柱形形导导体体构构成成，外外导导体体是是一一个个圆圆柱柱形形的的导导体体，内内导导体体是是金金属属线线，它它们们之之间间填填充充着着介质。介质。(3)(3)同轴电缆同轴电缆导体导体金属编织网金属编织网（外导体）（外导体）保护层保护层实心介质实心介质图图4-10 4-10 同轴线同轴线4.2 有线信道有线信道v2.2.有线信道电气特征有线信道电气特征1.51.530030060 00060 00010 80010 800中同中同轴电缆4.54.530030012 00012 0002 7002 700中同中同轴电缆6 63003009 0009 0001 8001 800中同中同轴电缆4 460604 1004 100960960小同小同轴电缆8 860601 3001 300300300小同小同轴电缆1212181812122522526060对称称电缆353512121081082424对称称电缆1201200.30.31501501+3+121+3+12明明线3003000.30.327271+31+3明明线传输距离距离(km)(km)频率范率范围(kHz)(kHz)通通话容量容量（路）（路）信道信道类型型4.2 有线信道有线信道4.4.1 无失真传输无失真传输对于信号传输而言，我们追求的是信号通过信道时不对于信号传输而言，我们追求的是信号通过信道时不产生失真或者失真小到不易察觉的程度。产生失真或者失真小到不易察觉的程度。信道特性用信道特性用幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性来描述来描述 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响信道信道h(t)x(t)y(t)1、无失真传输的条件、无失真传输的条件信道的幅度特性为常数，相位特性是线性函数。信道的幅度特性为常数，相位特性是线性函数。4.4.1 无失真传输无失真传输幅度特性：幅度特性：相位特性：相位特性：a a 幅频特性幅频特性 b b 相频特性相频特性2、如何理解无失真传输的相位条件？、如何理解无失真传输的相位条件？4.4.1 无失真传输无失真传输相位特性：相位特性：（1）一种极端的情况是纯电阻网络（例如分压器）：）一种极端的情况是纯电阻网络（例如分压器）：相位响应是常数相位响应是常数0，即对信号不产生延迟。，即对信号不产生延迟。（2）信道对信号产生的延迟，在频域上表现为相移。）信道对信号产生的延迟，在频域上表现为相移。（3）不同频率分量产生的相移不同，相移满足线性关系。）不同频率分量产生的相移不同，相移满足线性关系。（4）一个无失真系统具有线性的相位响应。非线性响应）一个无失真系统具有线性的相位响应。非线性响应 会引起信号变形，尽管系统本身是线性的。会引起信号变形，尽管系统本身是线性的。【例子例子4-1】：设：设y=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),信号波形时信号波形时延为延为0.5ms，f1=1KHz，f2=1KHz。4.4.1 无失真传输无失真传输1、线性失真定义、线性失真定义4.4.2 线性失真传输线性失真传输当在传输带宽内幅度条件或相位条件或两者都不能满足当在传输带宽内幅度条件或相位条件或两者都不能满足时，系统会出现线性失真。时，系统会出现线性失真。2、线性失真类型、线性失真类型（1）衰减失真（不能满足幅度条件），）衰减失真（不能满足幅度条件），（2）时延失真（不能满足相位条件），见）时延失真（不能满足相位条件），见【例例4-1】电话信道的幅频特性电话信道的幅频特性3001100损损耗耗/dB【例例4-2】电话信道特性电话信道特性线性失真在电线、电缆、滤波器和放大器中出现，反线性失真在电线、电缆、滤波器和放大器中出现，反射和多径传输也会引起线性失真。射和多径传输也会引起线性失真。3、线性失真的特点、线性失真的特点4.4.2 线性失真传输线性失真传输（1）线性失真是由线性系统引起的。）线性失真是由线性系统引起的。（2）输出信号中只包含在输入信号中已经存在的频率。）输出信号中只包含在输入信号中已经存在的频率。这些频率成分通过系统会引起幅度放大、衰减、消失，这些频率成分通过系统会引起幅度放大、衰减、消失，或者相位旋转。或者相位旋转。4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.5 信道中的噪声信道中的噪声1.1.噪声：信道中存在的不需要的电信号。噪声：信道中存在的不需要的电信号。2.2.按噪声来源分类按噪声来源分类 人为噪声人为噪声 例：开关火花、电台辐射例：开关火花、电台辐射 自然噪声自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声热噪声热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。频率范围：均匀分布在大约频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。热噪声电压有效值：热噪声电压有效值：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）。）。性质：高斯白噪声性质：高斯白噪声4.5 信道中的噪声信道中的噪声4.5 信道中的噪声信道中的噪声3.窄带高斯噪声的等效带宽窄带高斯噪声的等效带宽（1）窄带高斯噪声的定义：）窄带高斯噪声的定义：（2）窄带高斯噪声的功率：）窄带高斯噪声的功率：图图4-20 噪声功率谱特性噪声功率谱特性 Pn(f)Pn(f)双边噪声功率谱密度双边噪声功率谱密度式中式中 Pn(f0)原噪声功率谱密度曲线的最大值原噪声功率谱密度曲线的最大值 4.5 信道中的噪声信道中的噪声（3）噪声等效带宽）噪声等效带宽图图4-20 噪声功率谱特性噪声功率谱特性 Pn(f)Pn(f0)接收滤波器特性接收滤波器特性噪声等效噪声等效带宽带宽1.1.1.1.信道容量的定义信道容量的定义信道容量的定义信道容量的定义：信信道道无无差差错错传传输输的的最最大大平平均均信信息息速速率率，反反映映信信道道的的极极限传输能力。限传输能力。4.6 信道容量信道容量4.6 信道容量信道容量2.2.无噪声信道的信道容量无噪声信道的信道容量 1924 1924年奈奎斯特推导出年奈奎斯特推导出有限带宽无噪声有限带宽无噪声信道的极限波信道的极限波特率，称为奈氏定理。若信道带宽为特率，称为奈氏定理。若信道带宽为B Bc c，奈氏定理的极限，奈氏定理的极限波特率为：波特率为：对应的信道容量（等概率时最大平均信息速率）为：对应的信道容量（等概率时最大平均信息速率）为：3.有有噪声的信道的信道容量噪声的信道的信道容量4.6 信道容量信道容量 假假设设接接收收端端的的信信号号叠叠加加的的是是高高斯斯白白噪噪声声，噪噪声声的的单单边边功功率率谱谱密密度度为为n0，信信道道的的带带宽宽为为Bc(Hz)，信信道道固固有有噪噪声声功功率率为为N=n0Bc(W)，通通过过信信道道的的信信号号功功率率为为Pc(W)，该连续信道的该连续信道的信道容量信道容量信道容量信道容量C C为为为为：（1）香农公式香农公式 其中，其中，其中，其中，称为信道的信噪比，是信号功率与噪声功率之比。称为信道的信噪比，是信号功率与噪声功率之比。1）提高信噪比）提高信噪比可以增加信道容量，即增大信道的动态范围。可以增加信道容量，即增大信道的动态范围。2）信信道道容容量量C随随着着B的的增增大大而而增增大大，但但不不能能无无限限增增大大，即即当当B时，时，4.6 信道容量信道容量（2）信道容量受）信道容量受“三要素三要素三要素三要素”：BcBc、n n0 0、PcPc的限制：的限制：4.6 信道容量信道容量（3）在时间）在时间T内，信道容量为内，信道容量为C的信道所能传输的信息总量：的信道所能传输的信息总量：（4）信号平均功率）信号平均功率Ps与比特能量与比特能量Eb关系：关系：比特能量比特能量Eb：每比特所含有的能量。：每比特所含有的能量。Ps=Eb*Rb=Eb/Tbv第第10组：组：1.1.信噪比的定义及物理意义，它有没有单位？信噪比的定义及物理意义，它有没有单位？2.2.分贝（分贝（dBdB）的定义？为什么常用）的定义？为什么常用dBdB来表示信号和噪声功率来表示信号和噪声功率之间的关系？之间的关系？3.3.载噪比的定义及物理意义，它的单位？载噪比的定义及物理意义，它的单位？4.4.在仿真分析误码率时，常用信噪比，而不用载噪比，为什在仿真分析误码率时，常用信噪比，而不用载噪比，为什么？么？讨论题：讨论题：例：黑白电视图像每帧含有例：黑白电视图像每帧含有3105个像素，每个像素有个像素，每个像素有8个等概出现的亮个等概出现的亮度等级。要求每秒钟传输度等级。要求每秒钟传输25帧图像。若信道帧图像。若信道 输出输出S/N=30 dB，计算传，计算传输该黑白电视图像所要求的信道的最小带宽。输该黑白电视图像所要求的信道的最小带宽。【解解】因为每个像素独立地以等概率取因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量个亮度电平，故每个像素的信息量为为Ip=-log2(1/8)=3 (b/pix)(4.6-18)并且每帧图像的信息量为并且每帧图像的信息量为IF=300,000 3=900,000 (b/F)(4.6-19)因为每秒传输因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为帧图像，所以要求传输速率为Rb=900,000 25=22,500,000=22.5 106 (b/s)(4.6-20)信道的容量信道的容量Ct必须不小于此必须不小于此Rb值。将上述数值代入式值。将上述数值代入式(4.6-7)：得到得到22.5 106=B log2(1+1000)9.97 B最后得出所需带宽最后得出所需带宽B=(22.5 106)/9.97 2.26 (MHz)4.6 信道容量信道容量w 信道的定义、分类和模型；信道的定义、分类和模型；w 调制信道和编码信道的数学模型；调制信道和编码信道的数学模型；w 恒参信道的特性及其对信号传输的影响；恒参信道的特性及其对信号传输的影响；w 随参信道的特性及其对信号传输的影响；随参信道的特性及其对信号传输的影响；w 信道噪声的统计特性（窄带高斯噪声、噪信道噪声的统计特性（窄带高斯噪声、噪 声等效带宽）；声等效带宽）；w 信道容量和香农公式。信道容量和香农公式。小小 结结Thank you for your attention.The end
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