第4章-信道与噪声.ppt

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1、4.0 信道的定义信道的定义1.狭义信道：狭义信道：传输媒质传输媒质有线信道：例同轴电缆有线信道：例同轴电缆无线信道：例微波中继信道无线信道：例微波中继信道2.广义信道广义信道传输媒质传输媒质转换装置转换装置w调制信道：调制器输出调制信道：调制器输出 解调器输入解调器输入w编码信道：编码器输出编码信道：编码器输出 解码器输入解码器输入11.地波地波4.1 无线信道无线信道地球地球v 频率：频率：2MHz 以下，以下，3KHz2MHz；v 绕射：发生在绕射：发生在波长障碍物尺寸可比波长障碍物尺寸可比时；时；v 沿弯曲的沿弯曲的地球表面地球表面传播，具有一定的绕射能力；传播，具有一定的绕射能力；v

2、 通信距离：可达通信距离：可达数百数千数百数千km；v 典型应用：中波典型应用：中波AM广播广播，550KHz1600KHz24.1 无线信道无线信道v频率：频率：230 MHzv电离层高度：电离层高度：60 400kmv单跳最大距离：单跳最大距离：4000 kmv典型应用：典型应用：短波短波AM，224MHz2.天波天波（电离层反射）（电离层反射）3ddDhrr3.视线传播视线传播4.1 无线信道无线信道v 频率：频率：30 MHzv 传播距离与天线高度的关系传播距离与天线高度的关系:d2+r2=(h+r)2,h D2/50 (m)式中式中 Dkmv 应用：应用：FM、微波通信、卫星通信等、

3、微波通信、卫星通信等44.1 无线信道无线信道3.视线传播视线传播静止卫星中继静止卫星中继大大提高视距大大提高视距但延时增大但延时增大54.1 无线信道无线信道3.视线传播视线传播静止卫星中继静止卫星中继64.1 无线信道无线信道3.视线传播视线传播平流层中继平流层中继v 平流层高度：平流层高度：1722km；v 费用低、延时小、建设快；费用低、延时小、建设快；v 容量大，容量大，250个充氦飞艇可覆盖全球个充氦飞艇可覆盖全球90；v 应用：处于研究中；应用：处于研究中；74.散射方式传播散射方式传播4.1 无线信道无线信道对流层散射通信对流层散射通信地球地球有效散射区域有效散射区域地球地球流

4、星余迹散射通信流星余迹散射通信v 电离层散射电离层散射:30 60 MHz 对流层散射对流层散射:100 4000 MHzv 流星余迹散射流星余迹散射:30 100 MHzv 应用：例如应用：例如海上油田（对流层）海上油田（对流层）；散射散射：由于传播：由于传播媒体的不均匀性媒体的不均匀性，使电磁波的传播产生，使电磁波的传播产生向许向许多方向折射多方向折射的现象。的现象。85.无线通信无线通信视距传播视距传播举例举例蜂窝网蜂窝网4.1 无线信道无线信道移动移动交换交换中心中心电话电话交换交换中心中心94.2 有线信道有线信道1.对称电缆（双绞线）对称电缆（双绞线）v 一条用于传信号，另一条就用

5、作接地参考点；一条用于传信号，另一条就用作接地参考点；v接收端使用两条线路的接收端使用两条线路的电平差值电平差值作为接收信号；作为接收信号；v两条线绞合在一起两条线绞合在一起，保持平衡，保持平衡，同等地受到外部影响同等地受到外部影响；v 典型应用：典型应用：电话线路，电话线路，DSL线路，局域网线路，局域网；104.2 有线信道有线信道2.同轴电缆同轴电缆v 外层导体：外层导体：屏蔽作用；屏蔽作用；v 同轴电缆连接器：同轴电缆连接器：BNC（最常用）；（最常用）；v 典型应用：典型应用：有线电视网中，光纤同轴电路混合网（有线电视网中，光纤同轴电路混合网（HFC）；）；11n1n2折射率折射率折

6、射率折射率n1n22a4.2 有线信道有线信道3.光纤光纤光波波长（光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7v 高带宽、衰减小；高带宽、衰减小；v 无电磁干扰、不易被窃听；无电磁干扰、不易被窃听；v 抗腐蚀材料、重量轻；抗腐蚀材料、重量轻；v 连接困难、怕水、昂贵；连接困难、怕水、昂贵；124.3 信道的数学模型信道的数学模型4.3.1 调制信道模型调制信道模型恒参信道恒参信道：信道特性：信道特性H()不随时间变化或基本不变化不随时间变化或基本不变化；随参信道随参信道：信道特性：信道特性H()随时间作随时间作随机变化随机变化的；的；乘性干扰乘性干扰

7、加性干扰加性干扰13编码信道对信号的影响是将输入编码信道对信号的影响是将输入数字序列数字序列变成另一种输出数变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生发生错误错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转转移概率移概率来表征。下图为最简单的来表征。下图为最简单的二进制无记忆二进制无记忆编码信道模型：编码信道模型：4.3.2 编码信道模型编码信道模型4.3 信道的数学模型信道的数学模型144.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响恒参信道恒参信道（

8、随时间不变或慢变化）（随时间不变或慢变化）幅频特性幅频特性TextText相频特性相频特性等等效效1.恒参信道恒参信道线性线性时时不变不变网络网络15固定的衰减固定的衰减固定的延时固定的延时理想信道满足：理想信道满足：幅频响应为常数，相频响应为线性幅频响应为常数，相频响应为线性 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1.恒参信道恒参信道定义理想信道定义理想信道164.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响1.恒参信道恒参信道非理想信道的失真非理想信道的失真幅度失真幅度失真幅度失真：幅度失真：幅频特性不为常数；幅频特性不为常数；典型电话信道的插入损耗频率特性典型电

9、话信道的插入损耗频率特性插插入入损损耗耗174.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响1.恒参信道恒参信道非理想信道的失真非理想信道的失真相位失真相位失真相位失真：相位失真：相频特性非线性或相频特性非线性或群迟延特性不是常数群迟延特性不是常数；对于对于理想恒参信道理想恒参信道：定义定义群迟延频率特性群迟延频率特性：典型音频电话信道的群迟延特性典型音频电话信道的群迟延特性18v对信号的对信号的衰减衰减随时间随时间随机变化随机变化；v信号传输的信号传输的时延时延随时间随时间随机变化随机变化；v多径传播多径传播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2.随参信道随参信道

10、 ：都是：都是随机变化随机变化的的194.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播多径衰落和频率弥散多径衰落和频率弥散设发送信号为一设发送信号为一单一频率单一频率正弦波：正弦波：经过经过n条不同的路径，条不同的路径，接收信号接收信号：:第第i条路径的条路径的信号振幅信号振幅；:第第i条路径的条路径的传输时延传输时延204.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播多径衰落和频率弥散多径衰落和频率弥散214.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播多径衰落

11、和频率弥散多径衰落和频率弥散随机缓变随机缓变随机缓变随机缓变随机缓变随机缓变 是是窄带过程窄带过程 多径衰落多径衰落：多径传播使信号的：多径传播使信号的包络产生了起伏包络产生了起伏，称为，称为衰落衰落；频率弥散频率弥散：多径传播使：多径传播使单一谱线变成了窄带频谱单一谱线变成了窄带频谱；相对于相对于 0 0224.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播频率选择性衰落和相关带宽频率选择性衰落和相关带宽我们以我们以两条路径两条路径的信道模型来研究：的信道模型来研究：234.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径

12、传播多径传播频率选择性衰落和相关带宽频率选择性衰落和相关带宽244.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.随参信道随参信道多径传播多径传播频率选择性衰落和相关带宽频率选择性衰落和相关带宽v频率选择性衰落：频率选择性衰落：不同的频率，不同的衰减。不同的频率，不同的衰减。且随时间变化；且随时间变化；v相关带宽：相关带宽：m：信道：信道最大多径时延差；最大多径时延差；【注注】一般为了保证接收信号质量，一般为了保证接收信号质量，通常选择通常选择信号带宽信号带宽为相关带宽为相关带宽的的1/51/3。254.5 信道中的信道中的噪声噪声噪声噪声分类分类按噪声的来源按噪声的来源人为噪声人为

13、噪声自然噪声自然噪声热噪声热噪声脉冲噪声脉冲噪声单频噪声单频噪声起伏噪声起伏噪声按噪声的性质按噪声的性质起伏噪声起伏噪声是一种是一种连续波随机噪声连续波随机噪声，包括，包括热噪声热噪声、散弹噪声和、散弹噪声和宇宙噪声宇宙噪声。对其特性的表征可以采用随机过程的分析方法。起伏。对其特性的表征可以采用随机过程的分析方法。起伏噪声的特点是噪声的特点是具有很宽的频带具有很宽的频带，并且，并且始终存在始终存在，它是影响通信系，它是影响通信系统性能的统性能的主要因素主要因素。通常被。通常被近似为白噪声过程近似为白噪声过程。26以起伏噪声中的以起伏噪声中的热噪声热噪声为例，其功率谱密度为：为例，其功率谱密度为

14、：因此，虽然热噪声不是真正白色的，但因此，虽然热噪声不是真正白色的，但f=21012Hz，已经已经大大超过在通常通信系统中所使用的频率，因此可以大大超过在通常通信系统中所使用的频率，因此可以用白噪用白噪声过程来对热噪声建模声过程来对热噪声建模。4.5.1 热噪声热噪声27根据根据中心极限定理中心极限定理可知，成千上万电子随机运动产生的热可知，成千上万电子随机运动产生的热噪声服从噪声服从高斯分布高斯分布，且均值为零。，且均值为零。其一维概率密度函数其一维概率密度函数为：为：因此，起伏噪声通常被认为是近似的因此，起伏噪声通常被认为是近似的高斯白噪声高斯白噪声。在一个阻值为在一个阻值为R的电阻两端，

15、在频带宽度为的电阻两端，在频带宽度为B的范围内，的范围内，产生的热噪声电压有效值为：产生的热噪声电压有效值为：4.5.1 热噪声热噪声28若一个高斯若一个高斯白噪声白噪声经过一个经过一个带通型通信系统带通型通信系统时，就成为时，就成为带带通型噪声通型噪声：4.5.2 带通型噪声带通型噪声29噪声等效带宽的噪声等效带宽的物理意义物理意义是：高度为是：高度为Pn(fc)，宽度为宽度为Bn的的带通白噪声带通白噪声功率与功率谱密度为功率与功率谱密度为Pn(f)的的带通型带通型噪声噪声功率相等。功率相等。4.5.2 带通型噪声带通型噪声噪声等效带宽噪声等效带宽：304.6 信道容量信道容量信道容量信道容

16、量指指给定的信道给定的信道信息信息无差错无差错传输的传输的最大平均信息速率最大平均信息速率。标识标识连续带限高斯白噪声信道连续带限高斯白噪声信道的信道容量的公式就是著名的信道容量的公式就是著名的的香农公式香农公式：31课堂习题举例课堂习题举例【习题习题4-1】：已知彩色电视图像由：已知彩色电视图像由5105个像素组成。设每个个像素组成。设每个像素有像素有64种色彩度，每种色彩度有种色彩度，每种色彩度有16个亮度等级。如果所有色个亮度等级。如果所有色彩度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。彩度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。（1）计算每秒传送）计算每秒传送100个画面所需的信道容量；个画

17、面所需的信道容量；（2）如果信道中信噪比为）如果信道中信噪比为30dB，为了传送彩色图像所需信道，为了传送彩色图像所需信道带宽为多少？带宽为多少？【习题习题4-2】：假定某用户采用拨号上网，已测得电话线可用频：假定某用户采用拨号上网，已测得电话线可用频带为带为3003400Hz，信噪比为，信噪比为25dB，试计算该信道的容量；，试计算该信道的容量；在选择调制解调器时，速率为在选择调制解调器时，速率为56kbit/s、28.8kbit/s、9.6kbit/s的调制解调器哪个较合适？的调制解调器哪个较合适？32v4-7作业作业33精品精品课件件！精品精品课件件！2.模拟通信系统模型模拟通信系统模型3.数字通信系统模型数字通信系统模型1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型36