通信原理教案(DOC 11页).doc

1、通信原理教案严红丽滁州学院电子与电气工程学院第4章 信道本章重点1、信道容量的概念以及计算；2、信道的数学模型和信道特性；本章难点1、信道容量的概念以及计算；教学方法本章是学习后续章节的基础，采用多媒体和板书相结合的手段，详细的讲解了信道的定义、分类和模型；恒参信道的特性及其对信号传输的影响；随参信道的特性及其对信号传输的影响；信道噪声的统计特性；信道容量和香农公式。对基本的概念的含义要讲解透彻，课堂习题讲解与课后作业相结合，力求学生掌握基本概念、基本方法。本章主要采用课堂讲授的教学方法为主，辅以讨论。共用4课时。授课内容4.1信道 任何一个通信系统从大的方向均可视为由发送端、信道、接收端三大

2、部分组成。因此信道是通信系统不可缺少的组成部分。信道的特性好坏直接影响到系统的总特性。本章着重信道的特性及其对信号传输的影响，并介绍信道加性噪声的一般特性及信道容量的概念。4.1 信道定义与分类 侠义信道是以传输媒质为基础的信号通道。分有线信道（如电缆、光缆等）和无线信道（地波传播、短波电离层反射、微波中继、卫星通信等）。 为了研究的需要，将有关转换设备一并划入狭义信道，称为广义信道。 广义信道：除传输媒质外，还包括有关发送设备、接收设备、天线、Modem等。广义信道按照它包括的功能，可以划分为调制信道和编码信道。如图。 调制信道研究的着眼点调制器输出和解调器的输入 ；编码信道研究的着眼点只关

3、心编码和译码（数字通信系统）4.2 信道数学模型一、调制信道模型 在具有调制解调过程的任何一种通信方式中，已调信号离开调制器便进入调制信道，对于Modem而言，通常可以不管调制信号包括什么样的转换器，也不管选用了什么样的传输媒质，以及发生了怎样的传输过程，研究的着眼点只关心已调信号通过调制信道的最终结果，即只关心调制信道输入/输出信号的关系。 因此把调制信道概括成一个模型是可能的。 通过对调制信道进行大量考察之后，发现有如下主要特性： 有一对（或多对）输入端，则必然有一对（或多对）输出端； 绝大多数的信道都是线性的，满足叠加定理； 信号通过信道有迟延时间； 信号通过信道有损耗； 无信号输入信道

4、时，仍有（可能）一定的功率输出（噪声）。时变线性网络时变线性网络二端对网络多端对网络 由此看来，可用一个二端对（或多端对）的时变线性网络去代替调制信道，这个网络称作调制信道模型（图示）。对于二端对网络: 输入的已调信号， 信道输出波形，信道噪声（干扰）（加性干扰）; 表示信道对信号的影响（变换）的某种函数关系。 寻找到这种函数关系是 对的一种乘性干扰。可以写成：所以信道对信号的影响有两点：乘性干扰和加性干扰。 如果了解的特性，信道对信号的特性就能搞清楚。二、编码信道 编码信道对信号的影响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。调制信道对信号影响使发生模拟性变化，称模拟信道。

5、编码信道称数字信道，它将调制信道包含在内。乘性干扰、加性干扰越严重，输出的数字序列出错概率越大。错误转移概率正确转移概率 编码信道可用信道转移概率（条件概率）来描述。 图示二进制无记忆信道模型 编码信道包含调制信道，且特性密切依赖于调制信道。 下面进一步讨论调制信道。分为恒参信道和随参信道。4.3 恒参信道举例一、有线电信道 (1) 架空明线（边远乡村的电话线）；(2) 对称电缆；(3) 同轴电缆二、光纤信道 以光导纤维为传输媒质 光缆三、无线电信道视距中继四、卫星中继通信4.4 恒参信道的特性及对信号的影响一、传输特性与不失真条件 恒参信道是指乘性干扰基本不随时间变化的信道。因此恒参信道可等

6、效为一个线性时不变网络，其传输特性可用幅频特性，相频特性共同描述。 幅频特性：， 相频特性： 我们希望信号经过信道后不产生失真，则希望满足不失真条件： 常采用： 引入群延迟频率特性，定义为相位频率特性的导数： 可见若呈线性关系，则曲线是一条水平线。这时信号的不同频率成分将有相同的时延，因而信号经过该信道传输后，将不发生失真。理想的相位 频率，群延迟 频率特性图： dB衰减电话信道幅频特性 因为人的耳朵对相频不太敏感，可不考虑相频影响，仅考虑幅频特性：，见图示。二、两种失真及影响 实际信道特性不理想，必然对信号产生两种失真： (1) 幅频失真是指信号中不同频率的分量分别受到信道不同的衰减。它对模

7、拟信道影响较大（如模拟电话信道），导致信号波形畸变，输出信噪比下降。 (2) 相频失真（或群延迟失真）是指信号中不同频率分量分别受到信道不同的时延，它对数字通信影响大，会引起严重的码间干扰，造成误码。 综上，恒参信道通常用它的幅频、相频特性来表达这二个特性不理想，将是损害信号传输特性的重要因素。实际中常采用“均衡”措施去补偿信道的传输特性。4.5 随参信道举例 随参信道是指乘性干扰是一随机过程，且随机快变化的信道。 (1) 短波电离层反射信道 电离层离地面60600Km的大气层，由分子、原子、离子及自由电子组成。电离层密度变化导致电磁波被吸收损耗不同。 (2) 对流层散射信道离地面1012Km

8、以下的大气层称对流层。气体分子、雨雾中小滴，对流层结构不均匀造成电波产生折射、反射、散射等。4.6 随参信道特性及对信号传输的影响电离层密度变化对流层气团变化 随参信道特点： 对信号的衰减随时间变化而变化 传输时延随时间变化对流层多经传播电离层多经传播 多经传播 下面重点介绍多经传播。 所谓多经传播是指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点。（见示意图）。 由于每条路径对信号的衰减和时延都随电离层和对流层的机理变化而变化，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。 设发射波为，振幅A，频率恒定。经过几条路径传播后的接收信号： 第i条路径的接收信号振幅。 第i条路径的传输时延

9、，它随时间不同而变化。利用和角公式： 式中， 因缓慢变化，包络、相位也是缓慢变化，于是可视为一个窄带随机过程。 对该窄带过程的分析： 瞬时频率： 若是窄带高斯过程，是合成波的包络，其一维分布是瑞利分布； 是合成波的相位，其一维分布是均匀分布。根据讲义“2.7窄带随机过程”讨论，的包络、的相位曲线见图示。 产生瑞利型衰落，从图上看幅度受到调制。 引起频率弥散：从频谱上看，单个频率变成了窄带频谱。 造成明显的频率选择性衰落：传输信号频谱中某些分量被衰落的一种现象，发生在传输信号的频谱大于多经传播媒质的相关带宽。 多经传播媒质的相关带宽 解释：两经传播时，其两经传播媒质的传输特性的模将依赖于（幅 频

10、特性）。 两经传播模型图： 造成频率选择性衰落的幅频特性见图示。 在处出现传输零极点，在此处信号频率衰减为零。 希望传输信号的频谱宽度，最好限制在宽度内。 对于多经传播时，信号频谱带宽应 传输零极点， 取： 多经传播媒质的相关带宽。 为减少选择性衰落，往往要限制数字信号的速率，实际上限制了数字信号的频谱宽度，即信号频带必须小于相关带宽。一个工程上经验公式： 即数字信号的码元脉冲宽度： 综上分析： 多经传输引起的瑞利型衰落（属快衰落）和频率选择性衰落是严重影响传输的两个因素。如各种抗衰落的调制解调技术及接收技术等。其中较为有效的一种就是分集接收技术（分散接收、集中处理）。4.7 信道的加性噪声一

11、、加性噪声的来源及性质 前面主要对乘性干扰对调制信道的影响作了讨论，除乘性干扰外，还有加性干扰，下面讨论信道中的加性干扰（噪声）。 附带说明一下，干扰和噪声这两个名词严格讲有区别，干扰指对有用信号有害的各种波形的总称，而噪声通常指可用随机过程来描述的各种干扰（如起伏噪声）。在这里我们不把噪声和干扰相区分。关心的是随机噪声。加性噪声的来源：人为噪声（如外台信号、电气开关合断、点火系统）、自然噪声（雷电、磁暴、宇宙射线、太阳黑子）及内部噪声（系统设备内部热运动产生的，如电阻器的热噪声、电子管的、半导体管的）。按随机噪声的分类分：单频噪声（外台信号）、脉冲噪声（电气开关合断噪声、工业电火花）、起伏噪

12、声（如热噪声、散弹噪声、宇宙噪声）二、起伏噪声 高斯白噪声 加性噪声的主要代表是起伏噪声。 高斯白噪声 分析表明：热噪声、散弹噪声、宇宙噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内都具有平坦的功率谱密度，故一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。 高斯白噪声功率谱密度： 一维概率密度函数：三、带通高斯噪声(1) 高斯白噪声带通高斯噪声 带通滤波器允许以为中心的频率分量通过，而使其它频率分量衰减。选频放大器可实现带通功能。 带通型高斯噪声窄带（高斯）噪声（过程） 注：带限高斯白噪声是数学上的抽象，可看作是白噪声通过理想的矩形带通滤波器。(2) 等效噪声带宽 能量信号在电阻上消耗能量： 设带通型噪声功率谱密度如

13、下图： 假设功率谱密度曲线下的面积与图中矩形线下面积相等，即 定义为等效噪声带宽 物理意义：白噪声通过实际带通滤波器的效果与通过宽度为，高度为1的理想矩形带通滤波器的效果一样（噪声功率相同）。 上述噪声带宽的定义将适用于今后常见的窄带高斯噪声，且认为带宽为的窄带高斯噪声，其功率谱密度在带宽是平坦的。4.8 信道容量 从信息论观点，各种信道分二大类：离散信道编码信道（其模型用转移概率表示）连续信道调制信道（其模型用时变线性网络表示）信道容量指信道的极限传输能力。(1) 定义 信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记之为C。(2) 连续信道的信息容量 根据香农信息论可以证明，受到高斯白噪声

14、干扰的连续信道的信道容量为： 信道带宽（Hz） 信号功率（W） 噪声单边功率谱密度（W/Hz） （窄带）（高斯）噪声功率（W） 关于信道容量公式的几个重要结论： 若提高信噪比，则信道容量C也提高。 若，则，意味着无干扰信道容量为无穷大。 若增加但不能无限制增加，即： 注：无噪声时，但有噪声时，信道容量。 C一定时，可进行互换 例： 若信息速率，则理论上可实现无误差（任意小的差错率）传输。 若，则不可能实现无误传输。 若，则称理想通信系统。 例题：应用信息论的概念计算电视中视频图像信号传输的带宽。 每帧电视图像300000（30万）个像素组成，每个像素用10个亮度电平表示，假设对于任何像素，10个亮度电平等概出现。已知传送的是30帧/秒，解：每个像素的信息量= 每帧图像信息量= 每秒（30帧/秒）信息量= 为了传输的电视图像，信道容量必须 已知 图像通信系统的带宽