通信原理国防 信道PPT课件

1、第4 4章学习目标 掌握信道的定义、信道的数学模型、连续信道 的容量香农公式； 理解恒参信道与随参信道的传输特性及其对信 号的影响； 了解信道的分类、加性噪声的统计特性、离散 信道的容量。第1页/共79页作业P854-7第2页/共79页 信道是指信号的传输媒质。这种信道称为狭义信道； 如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。 第3页/共79页 狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。 广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置，这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。这相当于在狭义信道的基础上， 扩

2、大了信道的范围。 广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。第4页/共79页4.1 无线信道 在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：约10 60 km电离层：约60 400 km第5页/共79页传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图 4-2 天波传播 电磁波的分类： 地波 频率2MHz2MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 天波（电离层反射波） 频率：2 230MHz30MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：4000km30MHz30M

3、Hz 距离: : 和天线高度有关(4.1-3)(4.1-3)式中，D收发天线间距离( (km) )； h天线高度（m）, ,r=6370km 增大视线传播距离的其他途径 中继通信： 卫星通信：静止卫星、移动卫星 平流层通信：第7页/共79页图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域 散射传播 电离层散射机理由电离层不均匀性引起频率3060MHz距离1000km以上 对流层散射机理由对流层不均匀性（湍流）引起频率1004000MHz最大距离Ct)，则不可能实现无差错传输(Pe 0、 Pb 0 ）。 若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式

4、为：)/()1 (log02sbBnSBCt第69页/共79页 由香农公式可得以下结论： (1) 增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即)1 (loglimlim02BnSBCStS (2) 减小噪声功率N (或减小噪声功率谱密度n0)可以增加信道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大，即)1 (loglimlim200NSBCNtN)/()1 (log02sbBnSBCt第70页/共79页 (3) 增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为有限值：020020

5、00244. 1log)1 (loglim)1 (loglimlimnSenSBnSSBnnSBnSBCBBB44. 1log)1 (log1lim220exxx 信道容量和带宽关系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)实际系统不可实现区域第71页/共79页 香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率， 达到极限信息速率的通信系统称为理想通信系统。但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。因此，理想通信系统的实现还需要我们不断努力。 上述讨论都是在信道为高斯白噪声的前提下进行的，对于其他类型的噪声，香农公式需要加以修正。 第72页/共79页上式

6、还可以改写成如下形式：式中Eb 每比特能量；Tb = 1/B 每比特持续时间。上式表明，为了得到给定的信道容量Ct： 可以增大带宽B以换取Eb的减小； 在接收功率受限的情况下，由于Eb = STb， 可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。0202021log/1log1lognEBBnTEBBnSBCbbbt)/(1log02sbBnSBCt香农公式的变形第73页/共79页香农公式的应用 由香农公式可以看出：对于一定的信道容量C来说， 信道带宽B、信号噪声功率比S/N可以互相转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低， 反之亦然。)1 (log)1 (log22221121NSBN

7、SB 由于信道的噪声单边功率谱密度n0往往是给定的，所以上式也可写成)1 (log)1 (log2022210121BnSBBnSB第74页/共79页 例如： 设互换前信道带宽B1=3kHz，互换后信道带宽B2=10kHz希望传输的信息速率为104b/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道， 则要求信道容量至少要104b/s才行。 互换前9)1 (log10310)1 (log11112342NSNSNSBCt互换后1)1 (log1010102222234NSNS第75页/共79页 保持信息传输速率不变，信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。 例如，在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的

8、发射功率不可能做得很大，因此可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。 相反，如果信道频带比较紧张，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比， 或采用多进制的方法来换取较窄的频带。前面我们讨论的是带宽和信噪比的互换。此外，带宽或信噪比与传输时间也存在着互换关系。第76页/共79页例1 已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。解：每个像素的信息量为 Ip = -log2(1/ 8) = 3 (b/pix) 每帧图像的信息量为 IF = 300,000 3 = 900,000 (b/F) 每秒传送的信息量 Rb = 900,000 25 = 22,500,000 = 22.5 106 (b/s) 信道的容量Ct必须不小于Rb值 代入 22.5 106 = B log2 (1 + 1000) 9.97 B 得所需带宽 B = (22.5 106) / 9.97 2.26 (MHz)NSBCt/1log2第77页/共79页 计算离散信道容量的信道模型 发送符号：x1，x2，x3，xn 接收符号： y1，y2，y3，ymP(xi) ： 发送符号xi 的出现概率 ，i 1，2，n；P(yj) ： 收到yj的概率，j 1，