通信原理国防 信道.pptx

第4 4章学习目标掌握信道的定义、信道的数学模型、连续信道的容量香农公式；理解恒参信道与随参信道的传输特性及其对信号的影响；了解信道的分类、加性噪声的统计特性、离散信道的容量。第1页/共79页作业P854-7第2页/共79页 信道是指信号的传输媒质。这种信道称为狭义信道；如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。第3页/共79页 狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置，这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。这相当于在狭义信道的基础上，扩大了信道的范围。广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。第4页/共79页4.1 无线信道 在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：约10 60 km电离层：约60 400 km第5页/共79页传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图 4-2 天波传播 电磁波的分类：地波频率2MHz2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米 天波（电离层反射波）频率：2 230MHz30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km30MHz30MHz距离:和天线高度有关(4.1-3)(4.1-3)式中，D收发天线间距离(km)；h天线高度（m）,r=6370km 增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：第7页/共79页图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域散射传播电离层散射机理由电离层不均匀性引起频率3060MHz距离1000km以上对流层散射机理由对流层不均匀性（湍流）引起频率1004000MHz最大距离Ct)，则不可能实现无差错传输(Pe 0、Pb 0）。若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式为：第69页/共79页 由香农公式可得以下结论：(1)增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即 (2)减小噪声功率N(或减小噪声功率谱密度n0)可以增加信道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大，即第70页/共79页 (3)增大信道带宽B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B趋于无穷大时，信道容量的极限值为有限值：信道容量和带宽关系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)实际系统不可实现区域第71页/共79页 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信系统称为理想通信系统。但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统的实现方法。因此，理想通信系统的实现还需要我们不断努力。上述讨论都是在信道为高斯白噪声的前提下进行的，对于其他类型的噪声，香农公式需要加以修正。第72页/共79页上式还可以改写成如下形式：式中Eb 每比特能量；Tb=1/B 每比特持续时间。上式表明，为了得到给定的信道容量Ct：可以增大带宽B以换取Eb的减小；在接收功率受限的情况下，由于Eb=STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。香农公式的变形第73页/共79页香农公式的应用 由香农公式可以看出：对于一定的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S/N可以互相转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。由于信道的噪声单边功率谱密度n0往往是给定的，所以上式也可写成第74页/共79页例如：设互换前信道带宽B1=3kHz，互换后信道带宽B2=10kHz希望传输的信息速率为104b/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道，则要求信道容量至少要104b/s才行。互换前互换后第75页/共79页 保持信息传输速率不变，信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。例如，在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的发射功率不可能做得很大，因此可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。相反，如果信道频带比较紧张，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比，或采用多进制的方法来换取较窄的频带。前面我们讨论的是带宽和信噪比的互换。此外，带宽或信噪比与传输时间也存在着互换关系。第76页/共79页例1 已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。解：每个像素的信息量为 Ip=-log2(1/8)=3(b/pix)每帧图像的信息量为 IF=300,000 3=900,000 (b/F)每秒传送的信息量 Rb=900,000 25 =22,500,000=22.5 106 (b/s)信道的容量Ct必须不小于Rb值 代入 22.5 106=B log2(1+1000)9.97 B 得所需带宽 B=(22.5 106)/9.97 2.26 (MHz)第77页/共79页计算离散信道容量的信道模型发送符号：x1，x2，x3，xn接收符号：y1，y2，y3，ymP(xi)：发送符号xi 的出现概率，i 1，2，n；P(yj)：收到yj的概率，j 1，2，m P(yj/xi)：转移概率，即发送xi的条件下收到yj的条件概率x1x2x3y3y2y1接收端发送端xn。ym图4-20 信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)2、离散信道容量 第78页/共79页感谢您的观看！第79页/共79页