第三章 信道与噪声

1、通信原理通信原理 第三章：信道与噪声第三章：信道与噪声3.1 信道信道 信号的传输通道是信道，信道是通信信号的传输通道是信道，信道是通信系统中重要的组成部分，信道中的噪声也系统中重要的组成部分，信道中的噪声也是不可避免的，因此了解信道和噪声对了是不可避免的，因此了解信道和噪声对了解信号的传输原理是至关重要的。解信号的传输原理是至关重要的。 下面通过一个小动画来简单了解一下下面通过一个小动画来简单了解一下信号在信道中传输所经历的一切。信号在信道中传输所经历的一切。 3.1.1 信道的定义及分类信道的定义及分类 信道就是指信号传输的通道，也可以说是信道就是指信号传输的通道，也可以说是传输媒介。传输

2、媒介。 比如：日常生活中的电缆、光纤、天线、比如：日常生活中的电缆、光纤、天线、电磁波等都是信号的传输媒介，都可以成电磁波等都是信号的传输媒介，都可以成为信道。为信道。信道的定义及分类信道的定义及分类 除了这些传输媒介外，信号在传输过程除了这些传输媒介外，信号在传输过程中还会经过编码器、调制器、发送机、接中还会经过编码器、调制器、发送机、接收机、解调器和译码器等设备，这些设备收机、解调器和译码器等设备，这些设备也是信号信号传输过程中要经过的道路。也是信号信号传输过程中要经过的道路。因此，通常把传输媒介称为狭义信道，而因此，通常把传输媒介称为狭义信道，而把信号必须经过的各种通信设备统称为广把信号

3、必须经过的各种通信设备统称为广义信道。义信道。广义信道广义信道信道的定义及分类信道的定义及分类 狭义信道按照传输媒质的特性可分为：狭义信道按照传输媒质的特性可分为：有线信道和有线信道和 无线信道无线信道 两类。两类。 广义信道按照它包括的功能，可以分为广义信道按照它包括的功能，可以分为 调制信道调制信道 、编码信道、编码信道 等。等。 分别介绍有线信道、无线信道、调制信分别介绍有线信道、无线信道、调制信道道 、编码信道、编码信道 。信道的定义及分类信道的定义及分类 调制信道是指从调制器输出端到解调器调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端所包含的发转换装置、媒介和收转输入端所包含的发转换装置、

4、媒介和收转换装置换装置 三部分。三部分。 编码信道是指编码器输出端到译码器输编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。即包括调制器、调制信道和入端的部分。即包括调制器、调制信道和解调器。解调器。信道信道广义信道广义信道（简称信道简称信道）狭义信道狭义信道有线信道有线信道无线信道无线信道调制信道调制信道 编码信道编码信道从研究信息传输的角度 出发，使一些基本问题的研究比较方便。通信效果的好坏，很大程度上将依赖于狭义信道的特性。信道的定义及分类信道的定义及分类 所谓有线信道是指传输媒介为明线、对所谓有线信道是指传输媒介为明线、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能称电缆、同轴电缆、光缆及波导等

5、一类能够看得见的媒介。够看得见的媒介。 有线信道是现代通信网中最常用的信道有线信道是现代通信网中最常用的信道之一，如对称电缆（又称电话电缆）广泛之一，如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。但信号在传输应用于（市内）近程传输。但信号在传输过程中肯定会有衰减，也肯定会有时延。过程中肯定会有衰减，也肯定会有时延。 比如：有线电视信号随着有线电视台到比如：有线电视信号随着有线电视台到用户之间的距离越来越远而衰减得越来越用户之间的距离越来越远而衰减得越来越严重，那么有线电视台是如何保证长距离严重，那么有线电视台是如何保证长距离传输有线电视信号时不衰减的？传输有线电视信号时不衰减的？ 有线

6、电视传输距离是通过中转站（地方有线电视传输距离是通过中转站（地方有线电视台）进行有线电视信号的放大，有线电视台）进行有线电视信号的放大，以解决由传输距离造成的衰减，同时对于以解决由传输距离造成的衰减，同时对于没有中转站，距离较远的地方，比如城市没有中转站，距离较远的地方，比如城市到乡镇再到各区等，都是采用干线放大器到乡镇再到各区等，都是采用干线放大器进行信号放大，（路边电线杆上的小盒子进行信号放大，（路边电线杆上的小盒子就是专用于高频电视信号放大的）。就是专用于高频电视信号放大的）。 对于大多数有线信道，由于它们的传输参对于大多数有线信道，由于它们的传输参数恒定，不随时间而变化，所以幅度数恒定

7、，不随时间而变化，所以幅度- -频率频率特性和相位特性和相位- -频率特性就是它们的主要特性。频率特性就是它们的主要特性。 对于信号而言，幅度、频率、相位是信号对于信号而言，幅度、频率、相位是信号的基本特性，因此我们希望信道经过信道的基本特性，因此我们希望信道经过信道后，幅度不变，相位不变，频率也不变，后，幅度不变，相位不变，频率也不变，这样信号就不可能失真了。这样信号就不可能失真了。 但这是不可能的，信号在传输过程中肯定但这是不可能的，信号在传输过程中肯定会衰减，也肯定会有时延。会衰减，也肯定会有时延。 通过第二章的学习我们知道，一个信号是通过第二章的学习我们知道，一个信号是由不同频率分量的

8、信号组成。这样如果衰由不同频率分量的信号组成。这样如果衰减和时延不一致的话，就会变形。减和时延不一致的话，就会变形。 如果不同频率的信号衰减一致的话，频谱如果不同频率的信号衰减一致的话，频谱形状基本没有变化，所以没有频率失真。形状基本没有变化，所以没有频率失真。 但如果一些衰减大，一些衰减小，那就会但如果一些衰减大，一些衰减小，那就会产生变形。产生变形。3.1.2 如何弥补？如何弥补？ 对于像有线信道这样的有固定幅频特对于像有线信道这样的有固定幅频特性或相频特性的信道，可以添加一个补偿性或相频特性的信道，可以添加一个补偿电路，使总的信道特性趋于平坦，这种通电路，使总的信道特性趋于平坦，这种通过

9、校正幅频特性或相频特性来补偿失真信过校正幅频特性或相频特性来补偿失真信号的处理方法，也称为频域均衡。还有一号的处理方法，也称为频域均衡。还有一种均衡是通过产生波形去补偿失真波形的，种均衡是通过产生波形去补偿失真波形的，这种均衡则称为时域均衡。有关时域均衡这种均衡则称为时域均衡。有关时域均衡我们讲到数字信号的基带传输时再继续。我们讲到数字信号的基带传输时再继续。3.1.3 无线信道无线信道 无线信道的传输媒介比较多，它包括无线信道的传输媒介比较多，它包括短波电离层反射、对流层散射等。可以这短波电离层反射、对流层散射等。可以这样认为，凡不属有线信道的媒介均为无线样认为，凡不属有线信道的媒介均为无线

10、信道的媒介。无线信道具有方便、灵活、信道的媒介。无线信道具有方便、灵活、通信者可移动等优点，但无线信道的传输通信者可移动等优点，但无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠。特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠。 移动通信是最为典型的无线通信系统。移动通信是最为典型的无线通信系统。 移动通信系统多建于大中城市的市区，移动通信系统多建于大中城市的市区，城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、形状各异，这些都使移动通信中无线电波形状各异，这些都使移动通信中无线电波的传播路径进一步复杂化，并导致其传输的传播路径进一步复杂化，并导致其传输特性变化十分剧烈。使

11、得移动台接收到的特性变化十分剧烈。使得移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，这样就造成所接反射波、散射波的叠加，这样就造成所接收信号的电场强度起伏不定，这种现象称收信号的电场强度起伏不定，这种现象称为衰落。为衰落。 第一种衰减是自然的衰减。电磁波即使在第一种衰减是自然的衰减。电磁波即使在无遮无挡的自由空间传播，功率也会随传无遮无挡的自由空间传播，功率也会随传输距离的增加而衰减，衰减量大约是传输输距离的增加而衰减，衰减量大约是传输距离的距离的34倍，这种衰减成为路径衰减。倍，这种衰减成为路径衰减。 第二种衰减是遇到起伏的地形、

12、建筑物或第二种衰减是遇到起伏的地形、建筑物或障碍物时，因为阻塞而发生的衰减，这种障碍物时，因为阻塞而发生的衰减，这种衰减称为阴影衰减。衰减称为阴影衰减。 第三种衰减是由电磁波的多径传输引起的，第三种衰减是由电磁波的多径传输引起的，也叫瑞利衰减。由于电波通过各个路径的也叫瑞利衰减。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接

13、收信号的幅度将急剧变化，反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。即产生了衰落。如何解决？如何解决？ 1 1、路径衰落、路径衰落 当信号衰减到一定程度时，可以加一个中当信号衰减到一定程度时，可以加一个中继放大器来加强信号。继放大器来加强信号。 有时这种衰落还有很大的好处。有时这种衰落还有很大的好处。 2 2、阴影衰落、阴影衰落 可以加一些信号放大器，这些信号放大器可以加一些信号放大器，这些信号放大器有时也称为直放站。目前，解决电梯、地有时也称为直放站。目前，解决电梯、地下室、隧道、偏远山区的信号覆盖，多采下室、隧道、偏远山区的信号覆盖，多采用这种方法。用这种方法。 3 3、瑞利衰落、

14、瑞利衰落 可以多用几面天线来进行接收，这种方法可以多用几面天线来进行接收，这种方法叫做分集接收。叫做分集接收。信道的定义及分类信道的定义及分类 调制信道是指从调制器输出端到解调器调制信道是指从调制器输出端到解调器输入端所包含的发转换装置、媒介和收转输入端所包含的发转换装置、媒介和收转换装置换装置 三部分。三部分。 编码信道是指编码器输出端到译码器输编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。即包括调制器、调制信道和入端的部分。即包括调制器、调制信道和解调器。解调器。3.2 信道的数学模型信道的数学模型 信道的数学模型用来表征实际物理信道信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它对通信系统的

15、的分析和设计是的特性，它对通信系统的的分析和设计是十分方便的。十分方便的。信道信道调制信道调制信道编码信道编码信道广义信道广义信道狭义信道狭义信道有线信道有线信道，如 电缆、光纤 等无线信道无线信道，如中短波、微波信道等恒参信道恒参信道随参信道随参信道有记忆编码信道有记忆编码信道无记忆编码信道无记忆编码信道3.2.1 调制信道的模型调制信道的模型 通过对调制信道进行大量的分析研究，发通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有如下共性现它具有如下共性 ： (1) (1) 有一对有一对( (或多对或多对) )输入端和一对输入端和一对( (或多对或多对) )输出端；输出端； (2) (2) 绝大多

16、数信道是线性的，即满足线性绝大多数信道是线性的，即满足线性叠加原理；叠加原理； (3) (3) 信号通过信道具有固定或时变的延迟信号通过信道具有固定或时变的延迟时间；时间； (4) (4) 信号通过信道会受到固定的或时变信号通过信道会受到固定的或时变 的损耗；的损耗； (5) (5) 即使没有信号输入，在信道的输出端即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。仍可能有一定的输出（噪声）。 调制信道数学模型如下图调制信道数学模型如下图1 1所示。所示。f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图 1 调制信道数学模型) ()() (t ntefteio 信道输入端信号电压； 信道

17、输出端的信号电压； 噪声电压。 通常假设：通常假设： 这时上式变为：这时上式变为：)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio（式1） 因因k k( (t t) )随随t t变，故信道称为时变信道。变，故信道称为时变信道。 因因k k( (t t) )与与e e i i ( (t t) )相乘，故称其为乘性干相乘，故称其为乘性干扰。扰。 因因k k( (t t) )随时间随时间t t随机变化或快速变化，称随机变化或快速变化，称此信道为此信道为随参信道随参信道。 若若k k( (t t) )随时间随时间t t变化很慢或很小，则称此变化很慢或很小，

18、则称此信道为信道为恒参信道恒参信道。 根据公式可知，根据公式可知，当没有信号时，没有乘性当没有信号时，没有乘性干扰，有加性噪声。干扰，有加性噪声。3.1.2 编码信道模型编码信道模型 编码信道输入是离散的时间信号，输编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散时间信号，对信号的影响则是出也是离散时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。将输入数字序列变成另一种输出数字序列。 由于信道噪声或其它因素的影响，将导致由于信道噪声或其它因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入输出数输出数字序列发生错误，因此输入输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来字序列之间的关系可以用

19、一组转移概率来表征。表征。 二进制数字传输系统的一种简单的编码信二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图道模型如图2 2所示：所示：P(0/0)01P(1/1)P(0)P(1)P(1/0)P(0/1)01图 2 二进制编码信道模型先验概率先验概率正确转移正确转移概率概率错误转移错误转移概率概率 图中图中 P(0) P(0) 和和 P(1) P(1) 分别是分别是 发送发送 “ “0” 0” 符号符号 和和 “ “1” 1” 符号的符号的 先验概率先验概率 ； P(0/0) P(0/0) 与与 P(1/1) P(1/1) 是是 正确转移概率正确转移概率 ； P(1/0) P(1/0) 与与

20、 P(0/1) P(0/1) 是是 错误转移概率错误转移概率 。 输出输出 总的错误概率总的错误概率 为：为：(式式2)ePPPPP(0)(1/0)(1)(0/1) 在图在图2 2所示的编码信道模型中，由于信道噪所示的编码信道模型中，由于信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无记错误是统计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道忆编码信道 。 即码元是否发生差错与其前后码元的取值即码元是否发生差错与其前后码元的取值 以及前后码元是否发生差错都无关。以及前后码元是否发生差错都无关。 根据概率的性质可知：根据概率的性质可知：PPP

21、P(0/ )(1/ )1(01/ )(0/ )1011 由二进制无记忆编码信道模型，可以容由二进制无记忆编码信道模型，可以容易的推广到多进制无记忆编码信道模型易的推广到多进制无记忆编码信道模型 。 如果编码信道是有记忆的，即信道噪如果编码信道是有记忆的，即信道噪声或其它因素影响导致输出数字序列发生声或其它因素影响导致输出数字序列发生错误是不独立的，则编码信道模型要复杂错误是不独立的，则编码信道模型要复杂得多。得多。 3.3 恒参及随参信道举例恒参及随参信道举例 恒参信道的信道特性不随时间变化或恒参信道的信道特性不随时间变化或变化很缓慢变化很缓慢 。 由架空明线、电缆、中长波地波播、由架空明线、

22、电缆、中长波地波播、超短波及微波与光波的视距传播、人造卫超短波及微波与光波的视距传播、人造卫星中继、以及光导纤维等星中继、以及光导纤维等 传输媒质构成的传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。广义信道都属于恒参信道。 3.3.1 恒参信道举例恒参信道举例 a) a) 明线明线 平行而相互绝缘的架空裸线线路。优平行而相互绝缘的架空裸线线路。优点：传输损耗低；缺点：易受气候和天气点：传输损耗低；缺点：易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰敏感。目前，的影响，并且对外界噪声干扰敏感。目前，已逐渐被电缆所取代。已逐渐被电缆所取代。明线明线 b) 对称电缆对称电缆 对称电缆是在同一保护套内有许多对对称电

23、缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线相互绝缘的双导线 的传输媒质。的传输媒质。 为了减小各线对之间的相互干扰，每为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。电缆的传输损耗比一对线都拧成扭绞状。电缆的传输损耗比较大，但其传输特性比较稳定，并且价格较大，但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、灵活、安装容易。便宜、灵活、安装容易。对称电缆（双绞线）对称电缆（双绞线）通信原理 2008年 c) c) 同轴电缆同轴电缆 同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间是圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。填充着介质

24、。 实际应用中，同轴电缆的外导体接地，对实际应用中，同轴电缆的外导体接地，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆 抗电磁干扰性能较好。抗电磁干扰性能较好。 在有线电视网络中大量采用同轴电缆。在有线电视网络中大量采用同轴电缆。 d) 微波中继信道微波中继信道 微波频段的频率范围一般在几百微波频段的频率范围一般在几百MHzMHz至至几十几十GHzGHz范围，其传输特点是在范围，其传输特点是在 自由空间自由空间沿视距传输。沿视距传输。 由于受地形和天线高度的限制，两点由于受地形和天线高度的限制，两点间的传输距离一般为间的传输距离一般为30km50km30k

25、m50km，当长距离，当长距离通信时，需要在中间建立多个中继站。通信时，需要在中间建立多个中继站。 微波中继信道具有传输容量大、长途微波中继信道具有传输容量大、长途传输质量稳定、节约有色金属、投资少、传输质量稳定、节约有色金属、投资少、维护方便等优点。因此，被广泛用来传输维护方便等优点。因此，被广泛用来传输多路电话及电视等。多路电话及电视等。地球地球 e) e) 卫星中继信道卫星中继信道 卫星中继信道卫星中继信道 是是 利用人造卫星作为利用人造卫星作为 中继站中继站 构成的通信信道。构成的通信信道。 若卫星运行轨道在赤道平面、离地面若卫星运行轨道在赤道平面、离地面高度为高度为35780Km 3

26、5780Km 时，绕地球运行一周的时时，绕地球运行一周的时间恰为间恰为 2424小时小时 与地球自转同步，这种卫与地球自转同步，这种卫星称为星称为 静止卫星静止卫星 。 不在静止轨道运行的卫星称为不在静止轨道运行的卫星称为 移动卫移动卫星星 。 f ) f ) 光纤信道光纤信道 光导纤维光导纤维 ( (简称光纤简称光纤) ) 为传输媒质、为传输媒质、光波光波 为为 载波载波 的光纤信道。的光纤信道。 组成：组成：光源光源、光纤线路光纤线路 及及 光电探测光电探测器器 等三个部分。等三个部分。恒参信道恒参信道有线电有线电信道信道无线电无线电视距视距中继中继信道信道光纤光纤信道信道架空明线架空明线

27、对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆微波中继信道微波中继信道卫星中继信道卫星中继信道通信原理 2008年 随随参信道参信道 是指 信道传输特性信道传输特性 随时间随时间 随机随机 快速快速 变变化的信道化的信道 。 常见的 随参信道 有： 陆地陆地移动移动信道信道、 短波短波电离层电离层反射反射信道信道、 330 MHz 超短波超短波流星余迹流星余迹散射散射信道、信道、 30100 MHz 超短波超短波及及微波微波对流层对流层散射散射信道信道、 1004000 MHz 超短波超短波电离层电离层散射散射信道、信道、 3060 MHz 超短波超短波超视距超视距绕射绕射信道信道 等 。随参信道举例随参信

28、道举例 a) a) 陆地移动信道陆地移动信道 陆地移动通信工作频段主要在陆地移动通信工作频段主要在VHFVHF和和 UHFUHF频段，电波传播特点是以直射波为主频段，电波传播特点是以直射波为主 。 但是，由于城市建筑群和其它地形地但是，由于城市建筑群和其它地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波以及它们的合成波，电波传输波、散射波以及它们的合成波，电波传输环境较为复杂。环境较为复杂。 因此移动信道是典型的随参信道因此移动信道是典型的随参信道 。 b)b)短波电离层反射信道短波电离层反射信道 短波电离层反射信道是利用地面发射短波电离层反射信道是利用

29、地面发射的无线电波在电离层与地面之间的一次反的无线电波在电离层与地面之间的一次反射或射或 多次反射所形成的信道。多次反射所形成的信道。 离地面离地面60600 km60600 km的大气层称为电离层。的大气层称为电离层。电离层是由分子、原子、离子电离层是由分子、原子、离子 及自由电子及自由电子组成。组成。 形成电离层的主要原因是：太阳辐射形成电离层的主要原因是：太阳辐射的紫外线和的紫外线和x x射线。射线。 短波电离层反射信道短波电离层反射信道 的 优点优点 ： 要求的功率较小，终端设备的成本较低； 传播距离远；且与长波比较，传输频带更宽； 受地形限制较小；因此短波电离层反射信道现在仍然是 远

30、距离传远距离传输输的重要信道之一。 不易受到人为破坏；军事通军事通信信上有重要意义。 缺点缺点如下：存在快衰落快衰落与多径时延失真多径时延失真；电离层的骚动、暴变等会引起较长时间的通信中断，传输可靠性差传输可靠性差（0.9）；需经常更需经常更换工作频率换工作频率，使用不便；干扰电平高干扰电平高。 c )c )对流层散射信道对流层散射信道 对流层散射信道：一种超视距的传播信道，对流层散射信道：一种超视距的传播信道，其一跳的传播距离约为其一跳的传播距离约为100100500km500km，可工作在，可工作在 超短波和超短波和 微波波段微波波段 。 对流层简介：离地面对流层简介：离地面101012k

31、m12km以下的大气以下的大气层。在对流层中，由于大气湍流运动等原因产生层。在对流层中，由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性，故引起电波的散射；散射具有强方了不均匀性，故引起电波的散射；散射具有强方向性。向性。 对流层散射信道中的衰落：可分为慢衰落对流层散射信道中的衰落：可分为慢衰落和快衰落；前者取决于气象条件，后者由多径传和快衰落；前者取决于气象条件，后者由多径传播引起播引起 。 随参信道特性随参信道特性 随参信道的传输媒质具有以下三个特点随参信道的传输媒质具有以下三个特点 ： (1) (1) 对信号的衰耗随时间随机变化；对信号的衰耗随时间随机变化； (2) (2) 信号传输的时延随时间随机

32、变化；信号传输的时延随时间随机变化； （3) 3) 多径传播多径传播 。 小结：1、调制信道模型的共性。、调制信道模型的共性。2、调制信道模型的意义。、调制信道模型的意义。3、编码信道模型。、编码信道模型。4、恒参信道举例。、恒参信道举例。5、随参信道举例。、随参信道举例。6、随参信道特点、随参信道特点。 无论是有线信道，还是无线信道，都无法避免噪声问题。加性噪声与信号相互独立，并且始终存在。它也是通信中的一种电信号。实际中，只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。 ( Added noise )( Added noise ) 因此，加性噪声不可避免地会对通信造成危害。 通信原

33、理 2008年按加性噪声按加性噪声来源分类来源分类人为噪声人为噪声：外台信号、电气开关合断、点火系统自然噪声自然噪声：天电噪声来源于雷电、磁暴、宇宙射 线、太阳黑子内部噪声内部噪声：系统设备内部本身产生的各种噪声， 电阻器热噪声、电子管、半导体管中 的电子起伏（散弹噪声）按随机噪声按随机噪声性质分类性质分类单频噪声单频噪声：外台信号脉冲噪声脉冲噪声：电气开关合断噪声、工业电火花起伏噪声起伏噪声：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声 一、噪声的分类一、噪声的分类 a)a) 根据 噪声来源噪声来源 进行分类，一般可以分为三类三类 1 1人为噪声人为噪声 人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。

34、其中包括工业噪声和无线电噪声。 2 2自然噪声自然噪声 自然噪声 是指 自然界存在的自然界存在的 各种电磁波源各种电磁波源 所产生的噪声。如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线等。 3 3内部噪声内部噪声 内部噪声是指 通信设备本身通信设备本身 产生的各种噪声。 如 电阻一类的导体中 自由电子的热运动产生的热噪声热噪声、电子管中 电子的起伏发射 或 晶体管中 载流子的起伏变化 产生的 散弹噪声散弹噪声 等。通信原理 2008年 b) 根据 噪声的性质噪声的性质 分类，噪声可以分为 单频噪单频噪声声、脉冲噪声脉冲噪声 和 起伏噪声起伏噪声 。 1单频噪声单频噪声 单频噪声 主要是 无线电干

35、扰，频谱特性可能是单一频率单一频率，也可能是 窄带谱窄带谱 。 单频噪声的 特点特点 是：一种连续波干扰。可以通过合理设计系统避免单频噪声的干扰。 2脉冲噪声脉冲噪声 脉冲噪声 是 在时间上无规则的 突发突发脉冲波形脉冲波形 。包括工业干扰中的电火花、汽车点火噪声、雷电等。通信原理 2008年 脉冲噪声的 特点特点 是：以突发脉冲形式出现、干干扰持续时间短扰持续时间短、脉冲幅度大脉冲幅度大、周期是随机的周期是随机的、且相邻突发脉冲之间 有较长的安静时间有较长的安静时间 。 3起伏噪声起伏噪声 起伏起伏噪声噪声 是是 一种一种 连续波连续波 随机噪声随机噪声 ， 包括 热噪热噪声声、散弹噪声散弹

36、噪声 和 宇宙噪声宇宙噪声 。 对其特性的表征 可采用 随机过程的分析方法随机过程的分析方法。 由于脉冲很窄，所以其 频谱很宽频谱很宽 。但是 随着频率的提高，频谱强度逐渐减弱。 可以通过 选择合适的工作频率、远离脉冲源 等措施减小和避免脉冲噪声的干扰。 通信原理 2008年 起伏噪声的特点特点是：具有很宽的具有很宽的频带频带，并且始终存在，它是 影响通信系统性能的 主要因素主要因素 。二、二、起伏噪声及特性起伏噪声及特性 在起伏噪声中，我们主要讨论热噪声、散弹噪声和宇宙噪声的 产生原因产生原因，分析其 统计特性统计特性。 热噪声是 由传导媒质中 电子的随机运动电子的随机运动 而产生的. 根据

37、 中心极限定理 可知，热噪声电压 服从 高斯高斯分布分布，且 均值 为零 。 因此，通常都将 热噪声热噪声 看成 高斯白噪声高斯白噪声 。 除了热噪声之外，电子管和晶体管器件电子发射不均匀所产生的 散弹噪声散弹噪声 ； ( 100 MHz 平坦平坦 ) 来自太阳、银河系及银河系外的 宇宙噪声宇宙噪声 的功率谱密度在很宽的频率范围内也是平坦的。 它们也属于 零均值 高斯分布，因此，散弹噪声散弹噪声和 宇宙噪声 也看成是 高斯白噪声高斯白噪声 。 由以上分析我们可得，热噪声、散弹噪声和宇宙噪声这些 起伏噪声起伏噪声 都可以认为是一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范围都是常数。 因此，起伏噪声起

38、伏噪声通常被认为是近似 高斯白噪声高斯白噪声。 在我们研究 调制解调 问题 时，解调器解调器 输入端输入端 噪噪声声 通常都可以表示为 窄带高斯噪声窄带高斯噪声。 噪声的功率谱密度是个常数，均匀分布在噪声的功率谱密度是个常数，均匀分布在整个频率范围内，有点像光学中的白光。整个频率范围内，有点像光学中的白光。白光在全部可见光的频谱范围内基本上是白光在全部可见光的频谱范围内基本上是连续而均匀的。因此这种噪声称为白噪声。连续而均匀的。因此这种噪声称为白噪声。 由于起伏噪声的功率谱密度在相当宽的频由于起伏噪声的功率谱密度在相当宽的频谱范围内也是均匀的，而且概率密度服从谱范围内也是均匀的，而且概率密度服

39、从高斯分布，称为高斯白噪声。高斯分布，称为高斯白噪声。3.5 信道容量信道容量信道容量是指信道中信息无差错传输的最大信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率速率 。 香农公式香农公式 带宽为带宽为B(Hz)B(Hz)的连续信道，其输入信号的功的连续信道，其输入信号的功率为率为S S，信道加性高斯白噪声的功率为，信道加性高斯白噪声的功率为N N 。 可以证明，信道的可以证明，信道的信道容量信道容量为：为：SCBb sN2log1( / ) 香农公式表明：当信号与信道加性高斯香农公式表明：当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在一定频带宽白噪声的平均功率给定时，在一定频带宽度的信道上，理论

40、上单位时间内可能传输度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值的信息量的极限值 。 只要传输速率小于等于信道容量，则总可只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；输； 若传输速率大于信道容量，则不可能实现若传输速率大于信道容量，则不可能实现 无差错传输无差错传输 。 若噪声若噪声n n( (t t) )的单边功率谱密度为的单边功率谱密度为n n0 0 ，则，则在信道带宽在信道带宽B B 内的噪声功率内的噪声功率N N = = n n0 0B B 。 因此，香农公式因此，香农公式 的的 另一形式另一形式 为：为： S

41、C Bb snB20log 1( / ) 由香农公式可得以下结论：由香农公式可得以下结论： (1) (1) 增大信号功率增大信号功率S S可以增加信道容量，若可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大。无穷大。 （2 2）减小噪声功率）减小噪声功率N N ( ( 或减小噪声功率谱或减小噪声功率谱密度密度n n0 0) ) 可以增加信道容量，若噪声功率趋可以增加信道容量，若噪声功率趋于零于零 ( (或噪声功率谱密度趋于零或噪声功率谱密度趋于零) )，则信道，则信道容量趋于无穷大。容量趋于无穷大。(3) (3) 增大信道带宽增大信道带宽B B

42、可以增加信道容量，但不可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽能使信道容量无限制增大。信道带宽B B 趋趋于无穷大时，信道容量的极限值为于无穷大时，信道容量的极限值为11BBBn BSSCBn BnSSnSnSn Be222000000limlimlog1.44limloglog 但是频带贵如油，不是想增加就增加的。但是频带贵如油，不是想增加就增加的。而且就算频带可以无限制的增大，信道容而且就算频带可以无限制的增大，信道容量也不能无限增大量也不能无限增大? 这是由于高斯白噪声无处不在，带宽增大，这是由于高斯白噪声无处不在，带宽增大，噪声功率也会增大，那么信噪比就下降了，噪声功率也

43、会增大，那么信噪比就下降了，当信噪比低到一定的程度时，再怎么增加当信噪比低到一定的程度时，再怎么增加带宽也不能无差错的传输。带宽也不能无差错的传输。 上述推算：当信道带宽无限大，或信噪比上述推算：当信道带宽无限大，或信噪比很小时，信道容量趋近于信号功率和噪声很小时，信道容量趋近于信号功率和噪声功率谱密度之比的功率谱密度之比的1.44倍。倍。 香农公式给出了通信系统所能达到的极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限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为信系统称为 理想通信系统理想通信系统 。 但是，香农公式只证明了理想通信系但是，香农公式只证明了理想通信系

44、统的统的“存在性存在性”，却没有指出这种通信系，却没有指出这种通信系统的实现方法统的实现方法 。 3G标准广泛采用的是标准广泛采用的是CDMA技术，而技术，而4G，根据根据ITU（国际电信联盟）的定义，应该符（国际电信联盟）的定义，应该符合以下两个特点：合以下两个特点： 1、移动状态下数据传输速率达、移动状态下数据传输速率达100Mbit/s。 2、室内静止状态下数据传输速率达、室内静止状态下数据传输速率达1Gbit/s。 比比3G标准速率提高至少标准速率提高至少50倍。倍。 应该怎么做？应该怎么做？ 提高信道带宽还是提高信噪比？提高信道带宽还是提高信噪比？ 增加增加50倍的带宽不现实，因此技

45、术的落脚倍的带宽不现实，因此技术的落脚点是提高频谱利用率。点是提高频谱利用率。 或提高信号的发射功率，但是对人体的健或提高信号的发射功率，但是对人体的健康将有很大的问题。康将有很大的问题。3.5.1 MIMO技术 MIMO技术：多输入多输出，是当前无线技技术：多输入多输出，是当前无线技术研究的热点，也是术研究的热点，也是4G标准最可能采用的标准最可能采用的技术。技术。 用多面天线来接收和发送信号，接收端合用多面天线来接收和发送信号，接收端合并接收的多路信号或者选择最强的一路接并接收的多路信号或者选择最强的一路接收，其信号功率会比只接收一路强，噪声收，其信号功率会比只接收一路强，噪声功率基本没变

46、，信噪比自然就提高了。功率基本没变，信噪比自然就提高了。以上为信道容量的近似公式，以上为信道容量的近似公式，M M代表发送代表发送端或接收端天线数目。端或接收端天线数目。这就是说，信道的容量，除了增加带宽，这就是说，信道的容量，除了增加带宽，提高信噪比，还可以通过增加天线，向提高信噪比，还可以通过增加天线，向空间索要。空间索要。20log1( / )SCMBb sn B 【例】已知黑白电视图像信号每帧有【例】已知黑白电视图像信号每帧有3030万个像素；每个像素有万个像素；每个像素有8 8个亮度电平；个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送秒发送2525

47、帧。若要求接收图像信噪比帧。若要求接收图像信噪比达到达到30dB30dB，试求所需传输带宽。，试求所需传输带宽。【解】因为每个像素独立地以等概率取【解】因为每个像素独立地以等概率取8 8个亮度电平，个亮度电平，故每个像素的信息量为故每个像素的信息量为I Ip p = -log2(1/ 8) = 3 = -log2(1/ 8) = 3 (bit/ (bit/符号符号) )并且每帧图像的信息量为并且每帧图像的信息量为I IF F = 300,000 = 300,000 3 = 900,000 (bit/ 3 = 900,000 (bit/符号符号) )因为每秒传输因为每秒传输2525帧图像，所以要求传输速率为帧图像，所以要求传输速率为R Rb b = 900,000 = 900,000 25 = 22,500,000 (b/s) 25 = 22,500,000 (b/s) 信道的容量信道的容量C Ct t必须不小于此必须不小于此R Rb b值。将上述数值代值。将上述数值代入式：入式：得到得到 22,500,000 = 22,500,000 =