通信原理-信道思维导图

介绍了无线信道、有线信道、数字模拟、信道容量、信道中的噪声、信道特性对信号传输的影响等。

信道

• 概述
  • 狭义信道
    • 有线信道
      • 明线、电缆、光纤
    • 无线信道
      • 自由空间或大气层
  • 广义信道
    • 调制信道
      • 研究调制、解调问题
        • 恒定参量信道
          • 特性不随时间变化
        • 随机参量信道
          • 特性随时间变化
    • 编码信道
      • 研究编码/译码问题
        • 有记忆信道
          • 前后码元有依赖关系
        • 无记忆信道
          • 前后码元相互独立
• 无线信道
  • 电磁波的传播方式
    • 地波
      • 频率:<2MHz 特性:有绕射能力 距离:数百或数千米 用于:AM广播
    • 天波
      • 频率:2~30MHz 特性:被电离层反射 距离:<4000km（一跳） 用于:远程、短波通信
    • 视线传播
      • 频率:>30MHz 特性:直线传播、穿透电离层 用途:卫星和外太空通信 、超短波及微波通信 距离：与天线高度有关
  • 无线电中继
    • 优点∶容量大、投资少、维护方便、传输质量稳定。应用∶远距离传输话音和电视信号。
  • 卫星中继
    • 优点;通信容量大，传输质量稳定，传输距离远，覆盖区域广。缺点∶传输时延大，信号衰减大，造价高。
  • 散射通信
    • 电离层散射 频率∶30～60MHz 距离：1000km以上 对流层散射 频率：100~4000MHz 距离：<600km 流星余迹散射 特性:高度80~120km,长度15~40km存留时间:小于1秒至几分钟频率:30~100MHz距离:1000km以上用途:低速存储、高速突发、断续传输
• 有线信道
  • 对称电缆
    • 特点
      • 每对呈扭绞状，以减小各线对的互相干扰
    • 缺点
      • 传输衰减大，距离远，邻道间有串话干扰
    • 应用
      • 电话线路、局域网及综合布线工程中的传输介质
  • 同轴电缆
    • 组成
      • 由同轴的两个导体组成 内芯：金属导线 外导体：金属编织网
    • 优点（相较于双绞线）
      • 抗电磁干扰能力强，带宽更宽，速率更高
    • 缺点
      • 成本较高；解决：用光缆代替
  • 光纤
    • 结构：纤芯、包层 按折射率分类：阶跃型、梯度型 按模式分类：多模光纤、单模光纤
    • 优点
      • 传输带宽宽、通信容量大；传输衰减小，无中继传输距离远；抗电磁干扰，传输质量好，防窃听，耐腐蚀；体积小，重量轻，节省有色金属，环保
    • 缺点
      • 易碎，接口昂贵，安装和维护需要专门技能
    • 应用
      • 长途电话网、有线电视网等的主干线路中
• 数字模型
  • 调制信道模型
    • 模型
      • 叠加有噪声的线性时变/时不变网络
    • 共性
      • 有一对（或多对）输入端和输出端；大多数信道都满足线性叠加原理；对信号有固定或时变的延迟和损耗；无信号输入时，仍可能有输出（噪声）
    • 入出关系
      • 加性噪声始终存在
    • 分类
      • 恒参信道
        • 特性基本不随时间变化
      • 随参信道
        • 特性随时间随机快变化
  • 编码信道模型
    • 模型
      • 可用 转移概率来描述。
• 信道容量
  • 离散信号容量
    • 信源发送的平均信息量（熵）
    • 因信道噪声而损失的平均信息量
    • 信息传输速率R
      • 信道每秒传输的平均信息量
      • r ‒信道每秒传输的符号数为（符号速率） [H(x) – H(x/y)] ‒是接收端得到的平均信息量
    • 信道容量Ct
      • 最大信息传输速率：对一切可能的信源概率分布
      • 含义：每个符号能够传输的最大平均信息量
        • 等价式
  • 连续信道容量
    • 香农公式 S － 信号平均功率（W）；B － 带宽（Hz） n0 －噪声单边功率谱密度；N = n0B －噪声功率（W）
      • 等价式
    • 含义
      • 当信号和信道噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。
    • 意义
      • 若 R，≤ C，则总能找到一种信道编码方式，实现无差错传输;若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。
    • 结论
      • 信道容量 C依赖于 B、S 和 n0
      • 增大 S 可增加 C，若S →∞，则C→∞
      • 减小 n0 可增加 C，若n0 → 0，则C→∞
    • 应用
      • C一定时，信道带宽B、信噪比S/N之间可以互相转换。
      • 增加B，可以换取S/N的降低；反之亦然
• 信道中的噪声
  • 定义
    • 信道中存在不需要的电信号
    • 独立于信号始终存在，所以又称加性干扰
    • 使信号失真，发生错码，限制传输速率
  • 类型
    • 按噪声来源
      • 人为噪声
      • 自然噪声
      • 内部噪声（热噪声）
        • 来自一切电阻性元器件中电子的热运动
        • 均匀分布在0~10^12Hz频率范围
        • 性质：高斯白噪声
    • 按噪声性质
      • 脉冲噪声
      • 窄带/单频噪声
        • 功率谱
        • 噪声等效带宽
          • 物理意义：通过宽度为Bn的矩形滤波器的噪声功率 = 通过实际接收滤波器的噪声功率。
        • 平均功率
      • 起伏噪声
• 信道特性对信号传输的影响
  • 恒参信道（时不变系统）特性及其对信号传输的影响
    • 传输特性
    • 无失真传输
      • 理想恒参信道的冲击响应
      • • 无失真传输（理想恒参信道）特性曲线
    • 失真影响
      • 幅频失真
        • 影响：对模拟信号，造成波形失真→信噪比下降 对数字信号，产生码间串扰→误码率增大
      • 相频失真
        • 影响:对语音信号影响不大，对视频信号影响大，对数字信号：码间串扰→误码率增大
  • 随参信道特性及其对信号传输的影响
    • 随参信道特性
      • 衰减随时间变化 时延随时间变化 多径传播
    • 多径效应
      • 多径传播使信号产生瑞利型衰落
      • 多径传播引起频率弥散
    • 减小频率选择性衰落的措施
      • 分集接收
      • 扩频技术
      • OFDM等