成電考研831通信原理

1、第3章 信道與噪聲 第3章 信道與噪聲 3.1 信道定義與數(shù)學(xué)模型信道定義與數(shù)學(xué)模型 3.2 恒參信道及其傳輸特性恒參信道及其傳輸特性 3.3 隨參信道及其傳輸特性隨參信道及其傳輸特性 3.4 3.5 加性噪聲加性噪聲 3.6 信道容量的概念信道容量的概念 第3章 信道與噪聲 3.1信道定義與數(shù)學(xué)模型信道定義與數(shù)學(xué)模型 3.1.1信道定義信道定義 信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。根據(jù)信道的定義，如果信道僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，這種信道稱(chēng)為狹義信道； 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(chēng)為廣義信道。 狹義信道按照傳輸媒質(zhì)的特性可分為有線信道和無(wú)線信道兩類(lèi)。有線信

2、道包括明線、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜及光纖等。 第3章 信道與噪聲 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。 第3章 信道與噪聲 圖 3 1 調(diào)制信道和編碼信道 第3章 信道與噪聲 3.1.2 1. 調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型 （1） 有一對(duì)（或多對(duì)）輸入端和一對(duì)（或多對(duì)）輸出端； （2） 絕大多數(shù)的信道都是線性的， 即滿(mǎn)足線性疊加原理； （3） 信號(hào)通過(guò)信道具有固定的或時(shí)變的延遲時(shí)間； （4） 信號(hào)通過(guò)信道會(huì)受到固定的或時(shí)變的損耗； （5） 即使沒(méi)有信號(hào)輸入， 在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。 第3章 信道

3、與噪聲 圖 3 2 調(diào)制信道模型 第3章 信道與噪聲 圖 3 3 加性噪聲信道模型 第3章 信道與噪聲 圖 3-4 帶有加性噪聲的線性濾波器信道 第3章 信道與噪聲 圖 3 5 帶有加性噪聲的線性時(shí)變?yōu)V波器信道 第3章 信道與噪聲 3.2 恒參信道及其傳輸特性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恒參信道； 如果傳輸媒質(zhì)隨時(shí)間隨機(jī)變化，則構(gòu)成的廣義信道通常屬于隨參信道隨參信道。 第3章 信道與噪聲 3.2.1有線電信道有線電信道 1. 對(duì)稱(chēng)電纜是在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)

4、相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì)。 非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。 第3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(duì)外界干擾具有較好的屏蔽作用。 第3章 信道與噪聲 圖 3- 9同軸電纜結(jié)構(gòu)圖 第3章 信道與噪聲 表表 3 1 幾種有線電纜的特幾種有線電纜的特性性 線路類(lèi)型 頻率范圍/MHz 1100 信號(hào)衰減 電磁干擾 UTP電纜 高 一般 STP電纜 1150 高 小 同軸電纜 11000 低 小 第3章 信道與噪聲 3.2.2微波中繼信道微波中繼信道 微波頻段的頻率范圍一般在幾百兆

5、赫至幾十吉赫，其傳輸特點(diǎn)是在自由空間沿視距傳輸。由于受地形和天線高度的限制，兩點(diǎn)間的傳輸距離一般為3050 km，當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)，需要在中間建立多個(gè)中繼站。 第3章 信道與噪聲 圖 3 -10微波中繼信道的構(gòu)成 第3章 信道與噪聲 3.2.3衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道 第3章 信道與噪聲 圖 3 12 衛(wèi)星中繼信道示意圖 第3章 信道與噪聲 3.2.4恒參信道特性恒參信道特性 1. 理想恒參信道特性理想恒參信道特性 理想恒參信道就是理想的無(wú)失真?zhèn)鬏斝诺溃?其等效的線性網(wǎng)絡(luò)傳輸特性為 -j t H()=K0ed 其中K0為傳輸系數(shù)，td為時(shí)間延遲，它們都是與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)。根據(jù)信道的等效傳輸函

6、數(shù)，可以得到幅頻特性為 |H()|=K0 第3章 信道與噪聲 相頻特性為 ()=td 信道的相頻特性通常還采用群遲延-頻率特性來(lái)衡量， 所謂的群遲延-頻率特性就是相位-頻率特性的導(dǎo)數(shù)， 則群遲延-頻率特性可以表示為 d?(?)?(?)?tdd?第3章 信道與噪聲 理想恒參信道的沖激響應(yīng)為 h(t)=K0(t- td) r (t)=K0s(t- td) 若輸入信號(hào)為s(t)， 則理想恒參信道的輸出為 由此可見(jiàn)， 理想恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯牵?(1) 對(duì)信號(hào)在幅度上產(chǎn)生固定的衰減； (2) 對(duì)信號(hào)在時(shí)間上產(chǎn)生固定的遲延。 這種情況也稱(chēng)信號(hào)是無(wú)失真?zhèn)鬏敗?第3章 信道與噪聲 理想信道的幅頻特性、

7、 相頻特性和群遲延-頻率特性 第3章 信道與噪聲 2. 幅度幅度-頻率失真頻率失真 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(chēng)為頻率失真，屬于線性失真。 信道的幅度-頻率特性不理想會(huì)使通過(guò)它的信號(hào)波形產(chǎn)生失真， 若在這種信道中傳輸數(shù)字信號(hào)，則會(huì)引起相鄰數(shù)字信號(hào)波形之間在時(shí)間上的相互重疊，造成碼間干擾。 第3章 信道與噪聲 圖 3 14 典型音頻電話信道的幅度衰減特性 第3章 信道與噪聲 3. 相位相位-頻率失真頻率失真 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(guò)信道的信號(hào)產(chǎn)生相位-頻率失真，相位-頻率失真也是屬于線性失真。 (a) 相頻特性； (b) 群遲延頻

8、率特性 第3章 信道與噪聲 3.5加性噪聲加性噪聲 3.5.1噪聲的分類(lèi)噪聲的分類(lèi) 噪聲的種類(lèi)很多，也有多種分類(lèi)方式，若根據(jù) 噪聲的來(lái)噪聲的來(lái)源源進(jìn)行分類(lèi)，一般可以分為三類(lèi)。 (1) 人為噪聲。 人為噪聲是指人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無(wú)線電噪聲。工業(yè)噪聲來(lái)源于各種電氣設(shè)備，如開(kāi)關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點(diǎn)火輻射及熒光燈干擾等。無(wú)線電噪聲來(lái)源于各種無(wú)線電發(fā)射機(jī)，如外臺(tái)干擾、寬帶干擾等。 第3章 信道與噪聲 (2) 自然噪聲。 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(yáng)黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等?？梢哉f(shuō)整個(gè)宇宙空間都是產(chǎn)生自然噪聲的來(lái)源。 (

9、3) 內(nèi)部噪聲。 內(nèi)部噪聲是指通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。它來(lái)源于通信設(shè)備的各種電子器件、傳輸線、天線等。如電阻一類(lèi)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3章 信道與噪聲 如果根據(jù)噪聲的性質(zhì)噪聲的性質(zhì)分類(lèi)，噪聲可以分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。這三種噪聲都是隨機(jī)噪聲。 (1) 單頻噪聲。 單頻噪聲主要是無(wú)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^(guò)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)避免單頻噪聲的干擾。 第3章 信道與噪聲 (2) 脈沖噪聲。 脈沖噪聲是在時(shí)間上無(wú)規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。包括工業(yè)干擾

10、中的電火花、汽車(chē)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(zhǎng)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?？梢酝ㄟ^(guò)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3章 信道與噪聲 (3) 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(duì)其特性的表征可以采用隨機(jī)過(guò)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。在以后各章分析通信系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)， 都是以起伏噪聲為重點(diǎn) 第3章 信道與噪聲 3.6信道

11、容量的概念信道容量的概念 1. 帶寬為B(Hz)的連續(xù)信道，其輸入信號(hào)為x(t)，信道加性高斯白噪聲為n(t)，則信道輸出為 y(t )=x(t)+n(t) 式中，輸入信號(hào)x(t)的功率為S；信道噪聲n(t)的功率為N，n(t)的均值為零，方差為2n，其一維概率密度函數(shù)為 np(n)?exp(?2)2?n2?n12第3章 信道與噪聲 連續(xù)信道的信道容量為 C = max H(Y)- H(Y/ X)2 B ?log22?e(s?N)?log22?es?2BS?N? 2BNs?Blog2?1?(b/s)?N?香農(nóng)(Shannon)信道容量公式 簡(jiǎn)稱(chēng)香農(nóng)公式。 第3章 信道與噪聲 香農(nóng)公式表明的是當(dāng)

12、信號(hào)與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時(shí)，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。只要傳輸速率小于等于信道容量，則總可以找到一種信道編碼方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸；若傳輸速率大于信道容量，則不可能實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸。 若噪聲n(t)的單邊功率譜密度為n0，則在信道帶寬B內(nèi)的噪聲功率N=n0B。因此，香農(nóng)公式的另一形式為 ?S ?C?Blog2?1?(b/s )?n B?0?第3章 信道與噪聲 由香農(nóng)公式可得以下結(jié)論： (1) 增大信號(hào)功率S可以增加信道容量，若信號(hào)功率趨于無(wú)窮大，則信道容量也趨于無(wú)窮大，即 ?S ?limC?limBlog2?1? ?n B?S? ?S?

13、?0? (2) 減小噪聲功率N (或減小噪聲功率譜密度n0)可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零(或噪聲功率譜密度趨于零)，則信道容量趨于無(wú)窮大，即 S?limC?limBlog2?1? ? ?N?0N?0N?第3章 信道與噪聲 (3) 增大信道帶寬B可以增加信道容量，但不能使信道容量無(wú)限制增大。信道帶寬B趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量的極限值為 ?n0BS ?SS ?limC?limBlog2?1?limlog1?2?n B?nB? ?S?n B?N? ?B? ?000?SS?log2e?1 .44(3.6-9) n0n0 香農(nóng)公式給出了通信系統(tǒng)所能達(dá)到的極限信息傳輸速率， 達(dá)到極限信息速率的通信系統(tǒng)

14、稱(chēng)為理想通信系統(tǒng)。但是，香農(nóng)公式只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒(méi)有指出這種通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。 第3章 信道與噪聲 2. 由香農(nóng)公式可以看出：對(duì)于一定的信道容量C來(lái)說(shuō)， 信道帶寬B、信號(hào)噪聲功率比S/ N及傳輸時(shí)間三者之間可以互相轉(zhuǎn)換。若增加信道帶寬，可以換來(lái)信號(hào)噪聲功率比的降低， 反之亦然。如果信號(hào)噪聲功率比不變， 那么增加信道帶寬可以換取傳輸時(shí)間的減少，等等。如果信道容量C給定，互換前的帶寬和信號(hào)噪聲功率比分別為B1和S1/ N1，互換后的帶寬和信號(hào)噪聲功率比分別為B2和S2/ N2，則有 B1log2(1+ S1/ N1)=B2 log2(1+ S2/ N2) 第3章 信道與噪聲 由于信道的噪聲單邊功率譜密度n0往往是給定的，所以上式?s1?s2?B1log