通信原理教学课件信道与噪声

通信原理-信道与噪声本课程将深入探讨通信系统中的信道与噪声。我们将学习信道特性、噪声类型及其影响，以及如何优化系统性能。信道特点传输介质信道可以是有线（如铜缆、光纤）或无线（如空气、真空）。带宽限制每个信道都有特定的频率范围，限制了可传输的信息量。衰减信号在传输过程中会逐渐减弱，影响通信质量。干扰外部因素可能会干扰信号传输，引入错误或噪声。物理信道分类有线信道包括双绞线、同轴电缆和光纤。适用于固定位置的高速数据传输。无线信道包括地面微波、卫星通信和移动通信。提供灵活的覆盖范围和移动性。信道模型理想信道无失真、无噪声的理想传输环境。实际中不存在。加性白噪声信道考虑了随机噪声的影响，更接近实际情况。衰落信道信号强度随时间和频率变化，适用于无线通信。多径信道信号通过多个路径到达接收端，造成干扰和失真。信号失真幅度失真信号幅度在传输过程中发生变化，影响信号强度。相位失真不同频率分量传输速度不同，导致信号波形变形。频率失真某些频率成分被过度衰减或放大，改变信号频谱。信号能量定义信号能量是信号功率在时间上的积分。计算对于离散信号，能量等于信号幅度平方和。应用信号能量用于评估通信系统性能和信噪比。限制实际系统中，信号能量受发射功率和信道损耗限制。信噪比1信噪比定义信号功率与噪声功率之比2单位常用分贝（dB）表示3影响因素发射功率、信道特性、接收机灵敏度4应用评估通信质量、系统设计指标噪声特点1随机性噪声是随机的、不可预测的信号干扰。2加性噪声通常被认为是叠加在原始信号上的。3不相关性噪声与信号通常没有相关性。4广谱性噪声通常分布在较宽的频率范围内。噪声源类型热噪声定义由导体中电子的热运动引起的随机噪声。特性与温度成正比，功率谱密度均匀分布。影响限制了接收机的灵敏度，是主要的噪声来源。控制方法降低系统温度，如使用低噪声放大器。闪噪声特征功率谱密度随频率降低而增加，呈1/f分布。主要影响低频信号处理。来源半导体器件中的缺陷和不纯物。在放大器和混频器中尤为明显。其他噪声散粒噪声由电荷的离散性质引起，在低电流时显著。量子噪声光电器件中的固有噪声，影响高频系统。脉冲噪声由电气设备开关等产生的短暂高能量干扰。信噪比计算1测量信号功率使用功率计或频谱分析仪2测量噪声功率在无信号输入时测量系统输出3计算比值信号功率除以噪声功率4转换为分贝10*log10(信号功率/噪声功率)噪声功率谱密度定义描述噪声功率在频率域的分布。白噪声功率谱密度在所有频率上均匀分布。有色噪声功率谱密度随频率变化，如粉红噪声。应用用于分析噪声对系统性能的影响。滤波器作用噪声抑制滤除信号带宽外的噪声，提高信噪比。信号整形调整信号频谱，减少码间串扰。带宽限制限制信号带宽，满足信道容量要求。匹配滤波最大化信噪比，提高信号检测性能。信号失真建模1线性失真系统的幅频和相频特性不理想导致。2非线性失真由系统的非线性特性引起，产生谐波。3时变失真系统参数随时间变化，如多普勒效应。4随机失真由噪声和干扰引起的不确定性失真。信号对噪声的敏感性1调制方式不同调制方式对噪声敏感度不同2信号带宽带宽越宽，受噪声影响越大3信号功率功率越大，抗噪能力越强4编码技术错误校正编码提高抗噪性能码间串扰1定义相邻符号之间的相互影响，导致信号失真。2原因带宽受限、多径传播、滤波器设计不当。3影响增加误码率，限制通信系统的最大传输速率。4评估通过眼图分析和误码率测试来评估串扰程度。码间串扰消除均衡技术自适应均衡器可以动态补偿信道引起的失真。脉冲整形使用升余弦滤波器等技术减少符号间的重叠。编码技术通过前向纠错编码提高系统抗串扰能力。带宽受限信号失真奈奎斯特准则信号带宽应不超过采样频率的一半，否则会产生频谱混叠。信号恢复使用插值滤波器可以在一定程度上恢复受限带宽信号。码间串扰对比理想信号眼图开口清晰，表示信号质量良好，无明显串扰。轻微串扰眼图开口略有闭合，但仍可辨识，表示存在轻微串扰。严重串扰眼图几乎闭合，表示存在严重串扰，需要采取措施改善。系统设计考虑1信号功率权衡传输距离和功耗。2带宽效率选择合适的调制方式和编码技术。3抗干扰能力采用扩频技术或自适应滤波。4复杂度考虑硬件实现难度和成本。接收机抗噪性分析噪声系数描述接收机引入的额外噪声，越低越好。灵敏度接收机能检测的最小信号强度。动态范围接收机能处理的最大和最小信号之比。选择性接收机区分相邻信道信号的能力。干扰分析同频干扰来自同一频段的其他发射源。邻频干扰相邻频道信号的泄漏。交调干扰非线性系统产生的新频率分量。多径干扰信号经不同路径到达造成的自干扰。效率和可靠性频谱效率单位带宽内传输的信息量，通过高阶调制提高。能量效率单位能量传输的信息量，通过编码和功率控制优化。可靠性系统在噪声和干扰下保持正常工作的能力，通过冗余设计提高。接收机设计指标10dB最小信噪比保证可接受误码率的最小信噪比要求。-120dBm灵敏度接收机能检测的最小信号功率。90dB动态范围最大可处理信号与最小可检测信号之比。3dB噪声系数接收机引入的额外噪声，越低越好。性能度量参数误码率衡量数字通信系统性能的关键指标。信噪比信号功率与噪声功率之比，反映信号质量。信道容量信道能够无差错传输的最大信息率。总结与展望