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1、第三章第三章 信道信道 南京航空航天大学信息科学与技术学院南京航空航天大学信息科学与技术学院 通信原理教研组通信原理教研组22222信道定义与分类信道定义与分类1信道的数学模型信道的数学模型2信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响3信道中的噪声信道中的噪声4信道容量信道容量5本章内容本章内容2023/3/82copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组333333.2 3.2 信道的定义信道的定义 是指以传输媒质为基础的信号通路，可分是指以传输媒质为基础的信号通路，可分为为有线信道有线信道与与无线信道无线信道两类。两类。一、狭义信道一、狭义信道
2、有线信道：有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。无线信道：无线信道：地波传播、短波电离层反射、超短波或微地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。信道可大体分成：信道可大体分成：狭义信道狭义信道和和广义信道广义信道。2023/3/83copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组44444 除传输媒质外，还包括相关变换装置（如发送设除传输媒质外，还包括相关变换装置（如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等）在备、接收设备、馈线
3、与天线、调制器、解调器等）在内的信道，按照功能可分为内的信道，按照功能可分为调制信道调制信道和和编码信道编码信道。调制信道调制信道编码信道编码信道编码器编码器译码器译码器二、广义信道二、广义信道2023/3/84copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组555551 1、调制信道的特点、调制信道的特点 (1)(1)有一对有一对(或多对或多对)输入端输入端和一对和一对(或多对或多对)输出端输出端；(2)(2)绝大多数信道都是绝大多数信道都是线性的线性的，满足叠加原理；，满足叠加原理；(3)(3)信号通过信道具有一定的信号通过信道具有一定的迟延时间迟延时间
4、;(4)(4)信道对信号有损耗，包括固定损耗或时变信道对信号有损耗，包括固定损耗或时变损耗损耗；(5)(5)即使即使没有没有信号输入，在信道的输出端仍信号输入，在信道的输出端仍有有一定的一定的功率输出（功率输出（噪声噪声）。）。一、调制信道模型一、调制信道模型3.3 3.3 信道的数学模型信道的数学模型2023/3/85copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组66666输出与输入的关系：输出与输入的关系：eo(t)=fei(t)+n(t)ei(t)输入的输入的已调信号已调信号；eo(t)信道总信道总输出波形输出波形；n(t)加性噪声加性噪声（或称加性
5、干扰）。（或称加性干扰）。fei(t)已调信号通过网络所发生的已调信号通过网络所发生的时变时变线性变换。线性变换。若为若为k(t)*ei(t)的形式则称其为乘性干扰！的形式则称其为乘性干扰！2 2、调制信道的表示、调制信道的表示2023/3/86copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组77777（1）乘性干扰）乘性干扰k(t)不随时间变化或变化极为缓慢，称为不随时间变化或变化极为缓慢，称为恒参信恒参信道；道；k(t)是随机快变化的，称为是随机快变化的，称为随参信道随参信道，它是非恒，它是非恒参信道的统称。参信道的统称。（2）加性干扰，）加性干扰，n(
6、t)独立于独立于ei(t)。3、调制信道对信号的影响、调制信道对信号的影响若若fei(t)写为写为k(t)ei(t),k(t)称其为称其为乘性干扰乘性干扰。eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)即为二对端信道的一种数学模型。即为二对端信道的一种数学模型。2023/3/87copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组88888 输入、输出均为数字信号，输入、输出均为数字信号，信道的影响表现信道的影响表现在输入、输出序列是否一致在输入、输出序列是否一致，信道特性越差和干，信道特性越差和干扰越大，则发生差错的概率也就越大。扰越大，则发生差错的概率也就越大。无
7、记忆编码信道无记忆编码信道有记忆编码信道有记忆编码信道二进制编码信道二进制编码信道多进制编码信道多进制编码信道二、编码信道模型二、编码信道模型2023/3/88copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组99999 解调器每个输出码元的差错发生是解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的相互独立的，则信道是无记忆的，即一码元的差错与其前后码元是则信道是无记忆的，即一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关。否发生差错无关。P(i/j)-转移概率转移概率011P(1/0)P(0/0)P(0/1)P(1/1)0P(0/0)+P(1/0)=1 P(0/1)+P(1
8、/1)=1二进制时：二进制时：nn:P(0/n)P(n/n)P(1/n)1、无记忆编码信道模型、无记忆编码信道模型2023/3/89copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组10101010100.9 0.10.10.90101弱干扰弱干扰0110无干扰无干扰110101 0.50.50.5强干扰强干扰0.52023/3/810copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组1111111111 信道中一个码元发生差错是与前后码元的信道中一个码元发生差错是与前后码元的差错是关联的，则其模型比较复杂，相应的转差错是关联
9、的，则其模型比较复杂，相应的转移概率计算也很复杂。移概率计算也很复杂。本课程只涉及无记忆信道！本课程只涉及无记忆信道！2、有记忆编码信道、有记忆编码信道2023/3/811copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组12121212121)1)明线明线 平行而相互绝缘的架空裸线线路。平行而相互绝缘的架空裸线线路。优点优点：传输损：传输损耗低；耗低；缺点：缺点：易受气候和天气的影响，并且对外界噪易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。声干扰较敏感。2)2)对称电缆对称电缆 在同一保护层内有多对相互绝缘的双导线的传输在同一保护层内有多对相互绝缘的双导
10、线的传输媒质。每一对线都拧成扭绞状媒质。每一对线都拧成扭绞状,减小各线对之间的相减小各线对之间的相互干扰。互干扰。传输损耗比明线大得多，但传输特性比较稳定。传输损耗比明线大得多，但传输特性比较稳定。1.1.三种有线信道三种有线信道3.4 恒参信道举例恒参信道举例2023/3/812copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组13131313133)3)同轴电缆同轴电缆 由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管管(由金属丝编织而成由金属丝编织而成)，内导体是金属线，内导体是金属线(芯线芯线)。它。它们之间填
11、充着介质，也可能是空气。们之间填充着介质，也可能是空气。对称电缆对称电缆同轴电缆同轴电缆2023/3/813copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组14141414142.2.光纤信道光纤信道光纤信道光纤信道：以光导纤维以光导纤维(光纤光纤)为传输媒质、光波为载波的信道。为传输媒质、光波为载波的信道。传输容量极大、损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半传输容量极大、损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属、不受电磁干扰等优点。径小、不怕腐蚀、节省有色金属、不受电磁干扰等优点。光源光源是光载波的发生器，是光载波的发生器，半
12、导体发光二极管半导体发光二极管(LED)或激光二极管或激光二极管(LD)光源。光源。光纤线路光纤线路是一根或是一根或多根光纤多根光纤直接检波式的直接检波式的光探测光探测器器，用光电二极管来，用光电二极管来实现光强度的检测。实现光强度的检测。2023/3/814copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组1515151515 工作频率在工作频率在超短波和微波波段超短波和微波波段时，电磁波基本上沿时，电磁波基本上沿视视线线传播，通信距离依靠中继方式延伸，相邻中继站间距传播，通信距离依靠中继方式延伸，相邻中继站间距离一般在离一般在404050km50km。具有
13、传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，节具有传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，节省有色金属等优点，被广泛用来传输省有色金属等优点，被广泛用来传输多路电话及电视多路电话及电视。3.无线电视距中继无线电视距中继2023/3/815copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组1616161616 同步通信卫星同步通信卫星的轨道在赤道平面上，离地面高度为的轨道在赤道平面上，离地面高度为35860km35860km，它作为中继站可实现地球上，它作为中继站可实现地球上18000km18000km范围内范围内的多点之间的连接。的多点之间的连接。优点：传输距离远，覆
14、盖地域广，传播稳定可靠，优点：传输距离远，覆盖地域广，传播稳定可靠，传输容量大。传输容量大。应用：广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。应用：广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。在几百公里高度的在几百公里高度的低轨道上运行的卫星低轨道上运行的卫星，由于要，由于要求地球站的发射功率较小，特别适用于求地球站的发射功率较小，特别适用于移动通信和个移动通信和个人通信系统人通信系统。4.4.卫星中继信道卫星中继信道2023/3/816copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组18181818183.5 3.5 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影
15、响 恒参信道对信号传输的影响是确定的或变化恒参信道对信号传输的影响是确定的或变化极其缓慢，等效于一个极其缓慢，等效于一个非时变的线性网络非时变的线性网络。信道的传输特性可表示为：信道的传输特性可表示为：得到得到网络的传输特性网络的传输特性，就可得到，就可得到已调信号已调信号通过恒参信道的通过恒参信道的变化规变化规律律。可用。可用幅度幅度频率频率特性及特性及相位相位频率频率特性来表征。特性来表征。要使任意一个信号通过线性网络要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真不产生波形失真，网络的传，网络的传输特性应该具备以下输特性应该具备以下两个理想条件两个理想条件：（1）网络的幅频特性）网络的幅频特性
16、 是一个不随频率变化的常数是一个不随频率变化的常数;（2）网络的相频特性）网络的相频特性 应与频率成线性关系。应与频率成线性关系。2023/3/818copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组1919191919理想情况幅频特性、相频特性和群迟延理想情况幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性频率特性 2023/3/819copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组20202020201.幅度幅度频率畸变频率畸变解决方案：解决方案：要求要求改善改善电话信道中的滤波性能，或者再通过电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线
17、性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦(均衡均衡)。原因：原因：有线电话信道中可能存在各种滤波器、混合线圈、串有线电话信道中可能存在各种滤波器、混合线圈、串联电容和分路电感等。联电容和分路电感等。影响：影响：模拟信号波形失真；数字信号码间干扰。模拟信号波形失真；数字信号码间干扰。典型音频电话信道典型音频电话信道低频端截止频率约在低频端截止频率约在300Hz以下，以下，每倍频程衰耗升高每倍频程衰耗升高1525dB；在在3001100Hz范围内衰耗比较平坦范围内衰耗比较平坦;在在1100 2900Hz之间，衰耗通常是线性上之间，衰耗通常是线性上升的升的(2600
18、Hz的衰耗比的衰耗比1100Hz处高处高8dB)；不均匀不均匀衰耗必然使传输信号的幅度随频率发生衰耗必然使传输信号的幅度随频率发生畸变畸变，引起信，引起信号波形的号波形的失真失真。在在2900Hz以上，每倍频程增加以上，每倍频程增加 8090dB。是由信道的幅度是由信道的幅度频率特性的不理想所引起的。频率特性的不理想所引起的。2023/3/820copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组2121212121 解决方案：解决方案：群迟延群迟延畸变也是线性畸变，可采用相位畸变也是线性畸变，可采用相位均衡技术补偿均衡技术补偿。原因：原因：信道中的各种滤波器及
19、可能有的加感线圈，信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。影响：影响：对模拟话音通信影响对模拟话音通信影响并不显著并不显著，因为人耳对相，因为人耳对相频畸变不太灵敏；数字信号传输会引起码间干扰。频畸变不太灵敏；数字信号传输会引起码间干扰。群迟延：群迟延：相位特性对频率求导相位特性对频率求导2.相位相位频率畸变频率畸变2023/3/821copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组22222222223.6 随参信道举例随参信道举例1 1、短波电离层反射信道、短波电离层反射信道 由于太阳
20、辐射的紫外线和由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面射线，使离地面60600 km的大气层成为的大气层成为电离层电离层。当频率范围为当频率范围为330 MHz的短波的短波(HF,也称为高也称为高频频)无线电波射入电离层时，无线电波射入电离层时，由于由于折射现象折射现象会使会使电波发生反射返回地面，从而形成短波电离层反电波发生反射返回地面，从而形成短波电离层反射信道。射信道。2023/3/822copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组2323232323一次反射的最大距离约为一次反射的最大距离约为4000km4000km两次反射的通信距离可达两次反射的
21、通信距离可达8000km8000km2023/3/823copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组2424242424 当电磁波垂直入射当电磁波垂直入射(0 0=0)=0)时，能从电离层反时，能从电离层反射的最高频率称为射的最高频率称为临界频率，临界频率，当电磁波以当电磁波以0 0角角入射时，能从电离层反射的最高频率称为入射时，能从电离层反射的最高频率称为最高可最高可用频率用频率。由于电离层的密度随昼夜、季节及年份由于电离层的密度随昼夜、季节及年份剧烈剧烈变化，使得最高可用频率和吸收损耗也相应变化，变化，使得最高可用频率和吸收损耗也相应变化，工作频率需
22、要经常工作频率需要经常更换更换。短波通信的工作频率短波通信的工作频率2023/3/824copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组2525252525短波通信中的多径传播短波通信中的多径传播 第一种情况下的路程第一种情况下的路程时延差最大时延差最大，可达几毫秒，它不仅引，可达几毫秒，它不仅引起起快衰落快衰落，而且还会产生，而且还会产生多径时延失真多径时延失真。其他三种情况主要的影响是其他三种情况主要的影响是快衰落快衰落。2023/3/825copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组26262626262、对流层
23、散射信道、对流层散射信道 对流层散射通信对流层散射通信地球地球有效散射区域有效散射区域机理机理:由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率:100-4000 MHz:100-4000 MHz距离距离:100-600 km:100-600 km离地面离地面1012Km以下的大气层称为以下的大气层称为对流层对流层。2023/3/826copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组27272727273.陆地移动信道陆地移动信道 陆地移动通信频段主要在陆地移动通信频段主要在VHFVHF和和UHFUHF频段，电波传频段，电波传播以直射波为主。
24、由于城市建筑群和其他地形地物的播以直射波为主。由于城市建筑群和其他地形地物的影响，电波在传播过程中会产生反射波、散射波以及影响，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。它们的合成波。路径损耗路径损耗阴影衰落阴影衰落多径传播多径传播2023/3/827copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组28282828283.7 随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输的影响随参信道对信号传输影响随参信道对信号传输影响:对信号的衰减随时间变化对信号的衰减随时间变化;传输时延随时间变化传输时延随时间变化;多径效应：多径效应：信号经过几条路径到达接收端
25、，信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。时间而变，即存在多径传播现象。2023/3/828copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组2929292929结论结论快衰落快衰落:衰落周期和码元周期可以相比。衰落周期和码元周期可以相比。慢衰落慢衰落:衰落周期远远大于码元周期。衰落周期远远大于码元周期。（1 1）从波形上看，多径传播的结果使确定的从波形上看，多径传播的结果使确定的载频信号变成了包络和相位都随机变化的窄带载频信号变成了包络和相位都随机变化的窄带信号，这种信
26、号称为信号，这种信号称为衰落衰落(fading)(fading)信号信号；（2 2）从从频频谱谱上上看看，多多径径传传播播引引起起了了频频率率弥弥散散(色散色散)，即由单个频率变成了一个窄带频谱；，即由单个频率变成了一个窄带频谱；2023/3/829copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组30303030302、频率选择性衰落和相干带宽、频率选择性衰落和相干带宽 接收信号分别为：接收信号分别为：AfAf(t t-0 0)和和AfAf(t t-0 0-)其中：其中：A A 传播衰减，传播衰减，0 0 第一条路径的时延，第一条路径的时延，两条路径的时延差
27、。两条路径的时延差。设发射信号为：设发射信号为：f f(t t),),且仅有两条路径且仅有两条路径,路路径衰减相同，时延不同径衰减相同，时延不同.求此多径信道的传输函数求此多径信道的传输函数?2023/3/830copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组3131313131所以多径信道的传输函数为所以多径信道的传输函数为,其中，其中，A A 常数衰减因子，常数衰减因子，表示确定传输时延，表示确定传输时延，与与 有关的复因子有关的复因子.时域时域频域频域2023/3/831copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研
28、组3232323232 当一个传输信号的频谱宽于当一个传输信号的频谱宽于1/1/时，将时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率频率选择性衰落，简称选择性衰落选择性衰落，简称选择性衰落。复因子模值复因子模值:频率选择性衰落频率选择性衰落与相对时延差有关！与相对时延差有关！2023/3/832copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组3333333333相关带宽相关带宽 如果传输信号的带宽大于如果传输信号的带宽大于f f ，信号会产生，信号会产生明显的频率选择性衰落，引起严重的码间干扰。明显的频率选择性衰落，引起严
29、重的码间干扰。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率传输速率,此时信号带宽也随之减小此时信号带宽也随之减小!对于任意多径情况，设信道的最大时延差为对于任意多径情况，设信道的最大时延差为 ，则，则相邻两个零点之间的频率间隔相邻两个零点之间的频率间隔通常称为通常称为相相关带宽。关带宽。2023/3/833copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组34343434343.8 随参信道特性的改善随参信道特性的改善 抗慢衰落：抗慢衰落：加大发射功率，在接收机内采用加大发射功率，在接收机内采用自动增益控制等技术。自动增
30、益控制等技术。抗快衰落：抗快衰落：各种抗衰落的调制各种抗衰落的调制/解调技术，解调技术，抗衰落接收技术，扩频技术，其中明显有效且抗衰落接收技术，扩频技术，其中明显有效且常用的措施是常用的措施是分集接收技术分集接收技术。随参信道衰落会严重影响通信系统的性能，随参信道衰落会严重影响通信系统的性能，实际中需要采取各种措施抵消衰落的影响！实际中需要采取各种措施抵消衰落的影响！2023/3/834copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组3535353535 基本思想基本思想：在接收端同时获得几个不：在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构同的
31、合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。的影响。要求要求：只有被分集的几个合成信号之：只有被分集的几个合成信号之间是间是统计独立统计独立的，合并后才能使系统性能的，合并后才能使系统性能改善。改善。1、分集接收的基本思想、分集接收的基本思想 2023/3/835copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组3636363636 为了获取互相独立或基本独立的合成信为了获取互相独立或基本独立的合成信号，有如下几种常见分集方式。号，有如下几种常见分集方式。（1 1）空间分集）空间分集 （2 2
32、）频率分集）频率分集 （3 3）角度分集）角度分集 （4 4）极化分集）极化分集 2.得到独立信号的方式得到独立信号的方式 2023/3/836copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组3737373737 对分散的信号进行合并的对分散的信号进行合并的常见方法：常见方法：（1 1）最佳选择方式）最佳选择方式 （2 2）等增益合并方式）等增益合并方式 （3 3）最大比值合并方式）最大比值合并方式 3.集中合成信号的方式集中合成信号的方式 最大比合并方式最大比合并方式 等增益合并等增益合并 最佳选择方式最佳选择方式2023/3/837copyright 信
33、息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组3838383838信道定义与分类信道定义与分类1信道的数学模型信道的数学模型2信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响3信道中的噪声信道中的噪声4信道容量信道容量5本章内容本章内容2023/3/838copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组39393939393.9 信道的加性噪声信道的加性噪声信道中的加性噪声按来源来分信道中的加性噪声按来源来分:人为噪声：开关火花、电台辐射人为噪声：开关火花、电台辐射;自然噪声：闪电、大气噪声、宇宙自然噪声：闪电、大气噪声、宇宙噪声噪声内部噪声
34、：内部噪声：热噪声热噪声，散弹噪声，散弹噪声2023/3/839copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4040404040按噪声性质来分：按噪声性质来分：单频噪声单频噪声 脉冲干扰脉冲干扰 起伏噪声起伏噪声，是通信系统最基本的，是通信系统最基本的噪声源。噪声源。2023/3/840copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组41414141411)1)热噪声热噪声 在电阻一类导体中自由电子的布朗运动引起的噪在电阻一类导体中自由电子的布朗运动引起的噪声，服从声，服从高斯分布高斯分布。3)3)宇宙噪声宇宙噪声 天
35、体辐射波对接收机形成的噪声。它在整个空间天体辐射波对接收机形成的噪声。它在整个空间的分布是不均匀的，最强的来自银河系的中部，其强的分布是不均匀的，最强的来自银河系的中部，其强度与季节、频率等因素有关，也服从度与季节、频率等因素有关，也服从高斯分布高斯分布。2)2)散弹噪声散弹噪声 由真空电子管和半导体器件中电子发射的由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性不均匀性引引起的，是一个起的，是一个高斯随机过程高斯随机过程。起伏噪声的分类起伏噪声的分类2023/3/841copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4242424242 散弹噪声、热噪声、宇宙
36、噪声都是一种散弹噪声、热噪声、宇宙噪声都是一种高斯高斯噪声噪声，且在相当宽的频率范围内具有平坦的功，且在相当宽的频率范围内具有平坦的功率谱密度，实际通信系统分析中三种起伏噪声率谱密度，实际通信系统分析中三种起伏噪声被近似成被近似成高斯白噪声高斯白噪声。接收机接收机 信道信道高斯白噪声高斯白噪声信号信号窄带高斯白噪声窄带高斯白噪声信号信号信号信号2023/3/842copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4343434343白噪声白噪声功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。白噪声的功率谱密度函数为：
37、匀分布。白噪声的功率谱密度函数为：双边谱密度双边谱密度：单边谱密度单边谱密度：功率信号的功率谱密度与其功率信号的功率谱密度与其自相关函数自相关函数互为傅氏变换对：互为傅氏变换对：2023/3/843copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4444444444高斯白噪声高斯白噪声 噪声的概率密度函数满足噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性正态分布统计特性，同时，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。其一维概率密度函数可表示为：其一维概率密度函数可表示为：a a为噪声的数学期望值，也就是均值；为噪声的数学期望值，也
38、就是均值；为噪声的方差。为噪声的方差。2023/3/844copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4545454545窄带高斯噪声窄带高斯噪声 当高斯白噪声通过各种带通滤波器后，就形成当高斯白噪声通过各种带通滤波器后，就形成带限带限(Band-limited)(Band-limited)白噪声白噪声。由于滤波器带宽相比于中心频。由于滤波器带宽相比于中心频率要小得多，又称率要小得多，又称窄带高斯噪声窄带高斯噪声。式式中中，为为噪噪声声的的随随机机包包络络；为为噪噪声声的的随随机机相相位位，相相对于载波的变化而言，它们的变化要缓慢的多。对于载波的变化而言
39、，它们的变化要缓慢的多。1、包络相位表示法、包络相位表示法2023/3/845copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4646464646其中其中 式中式中 及及 分别称为的同相分量和正交分量，其变分别称为的同相分量和正交分量，其变化相对于载波要缓慢的多。化相对于载波要缓慢的多。2、同相分量，正交分量表示法2023/3/846copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4747474747零均窄带高斯噪声的统计特性零均窄带高斯噪声的统计特性一个均值为零，方差为一个均值为零，方差为的的窄带高斯噪声，其窄带高斯噪声
40、，其包络的一维包络的一维分布服从瑞利分布分布服从瑞利分布，其，其相位的一维分布服从均匀分布相位的一维分布服从均匀分布。窄带高斯噪声的包络和相位的联合概率密度函数为：窄带高斯噪声的包络和相位的联合概率密度函数为：2023/3/847copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4848484848余弦信号加窄带高斯噪声可表示为：余弦信号加窄带高斯噪声余弦信号加窄带高斯噪声实际信道中，实际信道中，信号和噪声总信号和噪声总是共存的，那是共存的，那么此混合信号么此混合信号的统计特性如的统计特性如何？与信噪比何？与信噪比有什么样的关有什么样的关系系2023/3/84
41、8copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组4949494949混合信号的包络及相位的联合概率密度函数为：混合信号的包络及相位的联合概率密度函数为：随机包络的一维概率密度函数为：随机包络的一维概率密度函数为：称作广义瑞利分布或莱斯（称作广义瑞利分布或莱斯（Rice）分布）分布随机相位的一维概率密度函数为：随机相位的一维概率密度函数为：第一类零阶第一类零阶贝塞尔函数贝塞尔函数误误 差差 函函 数数2023/3/849copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组50505050502)当信号很大时，当信号很大时，1)
42、信号很小时，近似零，即无信号时信号很小时，近似零，即无信号时2023/3/850copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5151515151余弦信号加窄带高斯噪声的统计特性：余弦信号加窄带高斯噪声的统计特性：正弦信号加窄带高斯噪声所形成的合成信号具有如下统计正弦信号加窄带高斯噪声所形成的合成信号具有如下统计特性：特性：（1）随机包络服从）随机包络服从广义瑞利分布广义瑞利分布（也称（也称莱斯分布莱斯分布Rice）。）。（2）随机相位分布与信道中的信噪比有关，不再是均匀）随机相位分布与信道中的信噪比有关，不再是均匀分布了。当信噪比很小时，它接近于均匀分布
43、。分布了。当信噪比很小时，它接近于均匀分布。2023/3/851copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5252525252信道定义与分类信道定义与分类1信道的数学模型信道的数学模型2信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响3信道中的噪声信道中的噪声4信道容量信道容量5本章内容本章内容2023/3/852copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组53535353531、香农公式：香农公式：假设信道的带宽为B(Hz)，信道输出的信号功率为S(W)及输出加性带限高斯白噪声功率为N(W)，则信道的信道容量为
44、上式是信息论中著名的香农（Shannon）公式。当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。信道容量的计算信道容量的计算香农公式香农公式2、香农公式的另一形式：香农公式的另一形式：若噪声单边功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B，则2023/3/853copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5454545454a)增大信号功率S可以增加信道容量C。若信号功率S趋于无穷大时，则信道容量C也趋于无穷大b)减小噪声功率谱密度n0 也可以增加信道容量C。若n0趋于零，则C趋于无穷大关
45、于香农公式的几点讨论关于香农公式的几点讨论（1）在给定）在给定B、S/N的情况下，的情况下，信道的极限传输能力信道的极限传输能力为为C，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。（2）提高信道容量的方法）提高信道容量的方法:2023/3/854copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5555555555当信道当信道带宽带宽B趋于无穷大时，信道容量趋于无穷大时，信道容量C的的极限值极限值为为c)增大信道带宽增大信道带宽B可以增加信道容量可以增加信道容量C，但不能使信道容量但不能使信道容量C无无限制地增大。限
46、制地增大。2023/3/855copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5656565656（3）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。若若增加信道带宽增加信道带宽，可以适当降低信噪比，反之亦然。，可以适当降低信噪比，反之亦然。当信道容量当信道容量C给定时，给定时，B1，S1/N1和和B2，S2/N2分别表示互换分别表示互换前后的带宽和信噪比，则有前后的带宽和信噪比，则有（4）当信道传输的）当信道传输的信息量不变信息量不变时，时，信道带宽信道带宽 B、信噪比、信噪比S/N及及传输时间传输时
47、间三者是可以互换的。三者是可以互换的。若信噪比不变，那么若信噪比不变，那么增加信道带宽增加信道带宽可以换取传输时间的减可以换取传输时间的减少，反之亦然。少，反之亦然。2023/3/856copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组5757575757 在传输图片时，每帧约 个象素。为了接收端能良好的重现，需要12个等级的亮度，假定所有的亮度等级等概出现，信道的信噪比为30dB，求：1）若传送一张图片所需时间改为3min，则所需的信道带宽？2）若在带宽为3.4kHz的线路上传输这种图片，试问传输一张图片所需的时间为多少？例：例：解：每个像素的平均信息量：每帧的平均信息量：传信率：信道带宽：2023/3/857copyright 信息科学与技术学院通信原理教研组信息科学与技术学院通信原理教研组Copyright 南航信息科学与技术学院南航信息科学与技术学院