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带宽限制信道可以是有线（如铜缆、光纤每个信道都有特定的频率范围，）或无线（如空气、真空）限制了可传输的信息量衰减干扰信号在传输过程中会逐渐减弱，外部因素可能会干扰信号传输，影响通信质量引入错误或噪声物理信道分类有线信道无线信道包括双绞线、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相位失真信号幅度在传输过程中发生变化，影不同频率分量传输速度不同，导致信响信号强度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计算信号能量是信号功率在时间上的对于离散信号，能量等于信号幅积分度平方和应用限制信号能量用于评估通信系统性能实际系统中，信号能量受发射功和信噪比率和信道损耗限制信噪比信噪比定义1信号功率与噪声功率之比单位2常用分贝（）表示dB影响因素3发射功率、信道特性、接收机灵敏度应用4评估通信质量、系统设计指标噪声特点随机性1噪声是随机的、不可预测的信号干扰加性2噪声通常被认为是叠加在原始信号上的不相关性3噪声与信号通常没有相关性广谱性4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特性由导体中电子的热运动引起的随与温度成正比，功率谱密度均匀机噪声分布影响控制方法限制了接收机的灵敏度，是主要降低系统温度，如使用低噪声放的噪声来源大器闪噪声特征来源功率谱密度随频率降低而增加，呈分布半导体器件中的缺陷和不纯物1/f主要影响低频信号处理在放大器和混频器中尤为明显其他噪声散粒噪声量子噪声脉冲噪声由电荷的离散性质引起，在低电流时显著光电器件中的固有噪声，影响高频系统由电气设备开关等产生的短暂高能量干扰信噪比计算测量信号功率1使用功率计或频谱分析仪测量噪声功率2在无信号输入时测量系统输出计算比值3信号功率除以噪声功率转换为分贝4信号功率噪声功率10*log10/噪声功率谱密度定义白噪声描述噪声功率在频率域的分布功率谱密度在所有频率上均匀分布有色噪声应用功率谱密度随频率变化，如粉红用于分析噪声对系统性能的影响噪声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线性失真1系统的幅频和相频特性不理想导致非线性失真2由系统的非线性特性引起，产生谐波时变失真3系统参数随时间变化，如多普勒效应随机失真4由噪声和干扰引起的不确定性失真信号对噪声的敏感性调制方式1不同调制方式对噪声敏感度不同信号带宽2带宽越宽，受噪声影响越大信号功率3功率越大，抗噪能力越强编码技术4错误校正编码提高抗噪性能码间串扰定义原因12相邻符号之间的相互影响，导带宽受限、多径传播、滤波器致信号失真设计不当影响评估34增加误码率，限制通信系统的通过眼图分析和误码率测试来最大传输速率评估串扰程度码间串扰消除均衡技术脉冲整形自适应均衡器可以动态补偿信道引起使用升余弦滤波器等技术减少符号间的失真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恢复信号带宽应不超过采样频率的一半，否则会产生频谱混叠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轻微串扰严重串扰眼图开口清晰，表示信号质量良好，无明显眼图开口略有闭合，但仍可辨识，表示存在眼图几乎闭合，表示存在严重串扰，需要采串扰轻微串扰取措施改善系统设计考虑信号功率1权衡传输距离和功耗带宽效率2选择合适的调制方式和编码技术抗干扰能力3采用扩频技术或自适应滤波复杂度4考虑硬件实现难度和成本接收机抗噪性分析噪声系数灵敏度描述接收机引入的额外噪声，越接收机能检测的最小信号强度低越好动态范围选择性接收机能处理的最大和最小信号接收机区分相邻信道信号的能力之比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能量效率可靠性单位带宽内传输的信息量，通过高阶调制单位能量传输的信息量，通过编码和功率系统在噪声和干扰下保持正常工作的能力提高控制优化，通过冗余设计提高接收机设计指标10dB-120dBm最小信噪比灵敏度保证可接受误码率的最小信噪比要求接收机能检测的最小信号功率90dB3dB动态范围噪声系数最大可处理信号与最小可检测信号之比接收机引入的额外噪声，越低越好性能度量参数误码率信噪比信道容量衡量数字通信系统性能的关键指标信号功率与噪声功率之比，反映信号质量信道能够无差错传输的最大信息率总结与展望关键点回顾技术趋势信道特性、噪声类型、信号处理技术是本课程的核心内容、量子通信等新技术将带来更高效的信道利用5G/6G未来挑战学习建议更高频段利用、新型调制编码方案、智能抗干扰技术深入理解基础理论，关注前沿发展，多做实践实验。