通信原理第4章-信道

第4章信道

通信教研室

掌握信道的定义、分类和模型；掌握恒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；掌握信道噪声的统计特性；掌握信道容量和香农公式。目标要求基本要求

重点是：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。难点是：加性噪声和乘性噪声的含义；信道带宽和信道容量的关系。

目标要求

重点、难点4.1无线信道

4.2有线信道

4.3信道的数学模型

4.4信道特性对信号传输的影响

4.5信道中的噪声

4.6信道容量主要内容主要内容定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。分类：广义信道、狭义信道。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；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;从信道的特征来分，可将信道分为恒参信道和随参信道.引言--信道定义与分类

调制器发转换器

媒质

收转换器解调器调制信道编码信道狭义广义

编码器译码器信道定义与分类均要用天线因天线尺寸的要求，通信频率都较高。频率使用规划和管理

★国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电通信大会WRC（TheWorldRadio-communicationConference），制定频率使用国际协议。

★

我国：信息产业部无线电管理局。1.电磁波的发射和接收4.1无线信道2.电磁波传播分类：地波、天波、视波、散射传播（1）地波：频率<2MHz

有绕射能力距离：数百或数千千米

地面地面波地面空间波直射波反射波发收4.1无线信道（2）天波(电离层反射波)：频率：2~30MHz特点：被电离层反射通信距离：单次可达4000km，多次可达10000km寂静区：地面接收天线发射天线信号传播路径电离层4.1无线信道电离层：60-400km

D层：高60-80kmE层：高100-120kmF层：高150-400kmF1层：140-200kmF2层：250-400km晚上：D层、F1层消失；

E层、F2层减弱

反射高频电磁波的主要是F层DEFF2F1地面4.1无线信道（4）视距传播：是指在发射天线和接受天线间能相互“看见”的距离内，电波直接从发射点传播到接收点（一般要包括地面的反射波）的一种传播方式。传播的频率>30MHz传播的距离:和天线高度有关4.1无线信道增大视线传播距离的主要途径：1）微波中继通信：由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。地球地面站之间的直视线路

微波传送塔使用转发器接收和转发地面站地球地面站

4.1无线信道2）卫星中继通信：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。

电离层散射：4.1无线信道

对流层散射：流星余迹散射：3.电磁波的频率划分4.1无线信道3.电磁波的频率划分4.1无线信道4.无线信道的特点（1）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

易被窃取；（3）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；（5）无线信道是带通信道，需要对信号进行调制后才能传输。4.1无线信道无线传输技术比有线传输技术复杂，更具挑战性。（1）明线：

平行而相互绝缘的架空裸线线路。4.2有线信道1.有线信道类型（2）对称电缆：由许多对双绞线组成。4.2有线信道

由内外两根同心圆柱形导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。(3)同轴电缆导体金属编织网（外导体）保护层实心介质图4-10同轴线4.2有线信道2.有线信道电气特征1.5300～6000010800中同轴电缆4.5300～120002700中同轴电缆6300～90001800中同轴电缆460～4100960小同轴电缆860～1300300小同轴电缆12～1812～25260对称电缆3512～10824对称电缆1200.3～1501+3+12明线3000.3～271+3明线传输距离(km)频率范围(kHz)通话容量（路）信道类型4.2有线信道4.4.1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产生失真或者失真小到不易察觉的程度。信道特性用幅频特性和相频特性来描述

4.4信道特性对信号传输的影响信道h(t)x(t)y(t)1、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。4.4.1无失真传输幅度特性：相位特性：a幅频特性b相频特性2、如何理解无失真传输的相位条件？4.4.1无失真传输相位特性：（1）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0，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。（3）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。非线性响应会引起信号变形，尽管系统本身是线性的。【例子4-1】：设y=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t),信号波形时延为0.5ms，f1=1KHz，f2=1KHz。4.4.1无失真传输1、线性失真定义4.4.2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时，系统会出现线性失真。2、线性失真类型（1）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【例4-1】电话信道的幅频特性3001100损耗/dB【例4-2】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，反射和多径传输也会引起线性失真。3、线性失真的特点4.4.2线性失真传输（1）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。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。4.5信道中的噪声4.5信道中的噪声1.噪声：信道中存在的不需要的电信号。2.按噪声来源分类

人为噪声－例：开关火花、电台辐射自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、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。频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。热噪声电压有效值： 式中

k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数；

T

－热力学温度（ºK）；

R

－阻值（）；

B

－带宽（Hz）。性质：高斯白噪声4.5信道中的噪声4.5信道中的噪声3.窄带高斯噪声的等效带宽（1）窄带高斯噪声的定义：（2）窄带高斯噪声的功率：图4-20噪声功率谱特性Pn(f)Pn(f)－双边噪声功率谱密度式中 Pn(f0)－原噪声功率谱密度曲线的最大值

4.5信道中的噪声（3）噪声等效带宽图4-20噪声功率谱特性Pn(f)Pn(f0)接收滤波器特性噪声等效带宽1.信道容量的定义：信道无差错传输的最大平均信息速率，反映信道的极限传输能力。4.6信道容量4.6信道容量2.无噪声信道的信道容量1924年奈奎斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏定理。若信道带宽为Bc，奈氏定理的极限波特率为：对应的信道容量（等概率时最大平均信息速率）为：3.有噪声的信道的信道容量4.6信道容量

假设接收端的信号叠加的是高斯白噪声，噪声的单边功率谱密度为n0，信道的带宽为Bc(Hz)，信道固有噪声功率为N=n0Bc(W)，通过信道的信号功率为Pc(W)，该连续信道的信道容量C为：

（1）香农公式

其中，称为信道的信噪比，是信号功率与噪声功率之比。1）提高信噪比可以增加信道容量，即增大信道的动态范围。

2）信道容量C随着B的增大而增大，但不能无限增大，即当B→∞时，4.6信道容量（2）信道容量受“三要素”：Bc、n0、Pc的限制：4.6信道容量（3）在时间T内，信道容量为C的信道所能传输的信息总量：（4）信号平均功率Ps与比特能量Eb关系：比特能量Eb：每比特所含有的能量。Ps=Eb*Rb=Eb/Tb第10组：信噪比的定义及物理意义，它有没有单位？2.分贝（dB）的定义？为什么常用dB来表示信号和噪声功率之间的关系？3.载噪比的定义及物理意义，它的单位？4.在仿真分析误码率时，常用信噪比，而不用载噪比，为什么？讨论题：例：黑白电视图像每帧含有3×105个像素，每个像素有8个等概出现的亮度等级。要求每秒钟传输25帧图像。若信道输出S/N=30dB，计算传输该黑白电视图像所要求的信道的最小带宽。【解】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为

Ip=-log2(1/8)=3 (b/pix) (4.6-18)并且每帧图像的信息量为

IF=300,0003=900,000(b/F) (4.6-19)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为

Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s) (4.6-20)信道的容量Ct必须不小于此Rb值。将上述数值代入式(4.6-7)：得到 22.5106=Blog2