通信原理第4章.ppt

u 无线信道电磁波的频率Ø 受天线尺寸限制u 地球大气层的结构Ø 对流层：地面上 0 ~ 10 kmØ 平流层：约10 ～ 60 kmØ 电离层：约60 ～ 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 kmu 无线信道(无形而看不见,摸不着！) Ø 利用自由空间物体界面反射或绕射电磁波达传播目的 Ø 地波、短波电离层反射；超短波或微波视距中继；人造卫 星中继、散射信道…§4.1 无线信道u电离层对于传播的影响Ø反射 Ø散射频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰 减衰减(dB/k m)水蒸气氧 气频率(GHz) (b) 降雨的衰减衰减(dB/km )降雨率图4-6 大气衰减u大气层对于传播的影响Ø散射 Ø吸收传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图4-2 天波传播u电磁波的分类：Ø地波• 频率 ＜ 2 MHz• 有绕射能力• 距离：数百或数千km Ø天波• 频率：2 ~ 30 MHz• 特点：能被电离层反射• 一次反射距离：< 4000 km• 寂静区：u 视线（视距）传播： Ø 频率 ＞ 30 MHz Ø 距离: 和天线高度有关ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播图4-4 无线电中继[例]若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)m(4.1-3)---式中，D 为 收发天线间距离(km)Ø 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）；平流层通信例：无线视距中继信道例：无线视距中继信道 （超短波/微波） 优点：容量大（无线通信比电 缆通信容量大）发射功率小性能稳定 ∵电磁波传播一定距离 后会变弱且失真 ∴每隔几十km须中继 • 中继站作用： • 模拟通信---接收 、滤波、放大再续传 • 数字通信---接收、 整形（再生）后续传ü使用微波频段ü使用转发器接收 和转发地面站地面站地球地球地面站地面站例：卫星中继通信 （通信卫星、上下行线路、地球站）图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域u 散射传播Ø电离层散射机理 － 由电离层不均匀性引起频率 － 30 ~ 60 MHz距离 － 1000 km以上Ø对流层散射机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起频率 － 100 ~ 4000 MHz最大距离 < 600 kmv流星流星余迹散射流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，长度15 ~ 40 km存留时间：小于1秒至几分钟 频率 － 30 ~ 100 MHz 距离 － 1000 km以上特点 － 低速存储、高速突发、断续传输图4-8 流星余迹散射通信流星余迹v 对称电缆：由许多对双绞线组成v 同轴电缆图4-9 双绞线导体绝缘层导体金属编织网(外导 体屏蔽层)绝缘 保护层实心介质 （绝缘层）图4-10 同轴线屏蔽双绞线 STP铜线聚氯乙烯 套层屏蔽层 绝缘层§4.2 有线信道v 光纤光缆§ 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• 单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～ 1012 5折射率n1n2单模阶跃折射 率光纤 图4-11 光纤结构示意图(a )(b )(c )例：光纤信道以光导纤维为传输媒质,光波为载波的信道已调光信号基带处理光源光调制器光纤线路光检测器基带处理解调电 信号基带电信号 （原始电信号）基带电信号 （原始电信号）产生载波光光纤光缆 + 有 关转换器 及光中继器光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射主要优点： •损耗低 •频带宽 •不受电磁干扰 •可中继传输常用传输媒体的比较电视、 、数据远程通信费用与距离无 关很好一万八千 多km500Mbps 卫星 电视远程通信低于同容量和 长度的电缆很好 几百km4-6Gbps地面微 波接力 广播远程低速通信较低 一般，通信 质量差全球几十———几百bps短波 长话线路， 主干网远距离传输较高很好30公里100M ——几千Mbps 光纤CATV模拟传输，可分多信道 混合传输电视、数据及 CD音频较高较好100公里300-450Mbps75同轴 电缆 LAN基带数字信号略高于TP较好 1公里内10M bps50同轴 电缆用户环线 LAN 模拟传输 数字传输低可以几十km模拟:300-3400Hz； 双绞线示 例应 用 价 格性能(抗 干扰性 )传输 距离速 率 传输 媒体 编码信道调制信道① 调制信道——已调信号的传输系统 ② 编码信道——编码信号（数字信号）的传输系统信道的分类已调信号（ 频带信号）已调信号（ 频带信号）数字信号 （序列）数字信号 （序列）§4.3 信道的数学模型一、调制信道模型f [ei(t)]＋ei(t)e0(t)n(t) 图4-13 调制信道数学模型加性干扰取决于信道特性的畸变 函数---称乘性干扰被传信号• 对被传信号影响---存在 k（t）和n（t）→ 被传信号失真,且不同信道有不同的k（t）和 n（t）!• 信道输出：v 因k(t)随t变，故信道称：时变信道。

v 因k(t)与ei(t)相乘，故称其为：乘性干扰v 若k(t)作随机变化，故信道又称：随(变)参信道v 若k(t)变化很慢或很小，故信道又称：恒参信道v乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰调制信道又分：恒参和随参信道∵ 数字序列经传输会误码 ∴ 用数字转移概率描述无记忆二进制编码信道模型0011P(0/0)P(1/1)P(1/0)P(0/1)发收01230123无记忆4进制编码信道模型4个正确转移概率 12个错误转移概率P(0 / 0)和P(1 / 1) － 正确转移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率 P(0 / 0) = 1 – P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 – P(0 / 1)二、编码信道模型1.常见恒参信道• 有线电信道• 光纤信道• 无线电视距中继信道• 卫星中继信道2.恒参信道的模型与特点？3.对被传信号的影响？K（t）基本不随时间 变化或变化缓慢---明线、对称电缆、同轴电缆一、恒参信道的影响§§4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2 2、恒参信道的模型与特点、恒参信道的模型与特点模型---线性非时变网络特性---幅/相频特性fcf∣K（ω）∣φ（ω）ffcBk（t）＋ei（t）e0（t）n（t）---其无失真传输信号的近似条件？若信道特性不满足此条件 ，则出现两种畸变（见下页）3 3、恒参信道的影响、恒参信道的影响------① 频率失真• 例：线传输特性：• 影响§ 模拟信号波形失真§ 数字信号产生ISI• 解决方法• 控制畸变/使用畸变较小区域• 均衡（收端加线性补偿网络---特性补偿）线实际的 插入损耗～频率特性② ② 相位失真 （（相频特性不理想造成）• 减小相频畸变措施？---时域均衡（数字通信时）τ(ω)f理想• 影响• 对模拟通信影响不大 • 数字通信时会引起ISI、误码• 特性的衡量（用群迟延特性衡量）实际τ(ω) f对不同频率 分量，有不 同的延迟非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压③ 非线性失真和其它失真• 非线性失真： 信道部件非线性特性不理想造成，不易消除 • 频率偏移（指载频（射频）的随机漂移） • 相位抖动（随机抖动）结论---恒参信道将使信号产生：频率失真；相位失真（含群延迟畸变） ；非线性失真及频率偏移;相位抖动…二、变参信道的影响二、变参信道的影响1.随参信道举例2.随参信道的特点（共性）3.对被传信号的影响4.分集接收技术简介对单频信号的影响？对宽带信号的影响？• 天波、地波、视距传播、散射传播…• 短波电离层反射信道；（1）发射单频信号时？---产生快衰落快衰落 和频率扩散频率扩散设发送信号：则接收信号：其中：μi（t）为第i路径收信号的振幅τi（t）为第i路径收信号的传输时延φi（t）=－ω0τi（t）经证明： R（t）为窄带G.RP都是随机 变化的！R(t)的随机包络 R(t)的随机相位∴接收信号可看作包 络和相位随机缓慢 变化的窄带信号频域: 发生频率扩散f0-f00f发射单频正弦s(t)的频谱ff单频→窄带谱 ----发生了频率弥散 (频谱扩充)现象接收R(t)的功率谱f0-f00fPR(ω )接下页---以两经传播为例分析 （2）发射宽频带信号时？---产生频率选择性衰落AA延迟t0延迟t0 +τ+Af(t)Af(t)f(t)H (ω)H2 (ω)f(t)f0(t )A延迟t0H2 (ω)特性 的影响? 频率选择性衰落---H2 (ω) →不同频率分量的衰减量不同ωπ /τ3π /τ5π /τ7π /τ0△f=1/τ∴ 信号频带B应 ＜ △fB△f=1/τ相关带宽△f=1/τ 结论 若多路径时的最大相对时延差为τm则相关带宽： △f = 1/τm∵信号频带 B＞△f会产生明显选择性衰落u 噪声• 信道中存在的不需要的电信号。

• 又称加性干扰u 按噪声来源分类• 人为噪声 例：开关火花、电台辐射• 自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声1. 噪声的分类§§4.5 4.5 信道中的噪声信道中的噪声• 来源?• 分类?• 统计特性?u 热噪声 § 来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动 § 频率范围：均匀分布在大约 0 ～ 1012 Hz § 热噪声电压有效值：式中k = 1.38  10-23（J/K） － 波兹曼常数T － 热力学温度（ºK）R － 阻值（）B － 带宽（Hz） § 统计特性：高斯白噪声u 按噪声性质分类l 脉冲噪声：带突发性；幅度很大；其持续时间比间隔时间短；频谱较宽电火花就是一种典型的脉冲噪声 l 窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频 率位置通常是确知的或可以测知的可以看作是一种非所 需的连续的已调正弦波l 起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇 宙噪声等注：讨论噪声对于通信系统的影响时， 主要考虑起伏噪声（特别是热噪声）的影响u 窄带高斯噪声§ 带限白噪声：经接收机带通滤波器过滤后的热噪声§ 窄带高斯噪声：高斯过程通过滤波器一类线性电路后，仍为一高斯过程，故窄带噪声又称窄带高斯噪声。

§ 窄带高斯噪声功率：式中 Pn(f) － 双边噪声功率谱密度图4-19 噪声功率谱特性Pn(f )2. 噪声带宽 Bn=？∵ 起伏噪声共性① 可近似为G.W ② 经BPF后为窄带G.RP ∴ 信道的加性噪声可近似为窄带G.RP! 这样：① “矩形定义法”定义了Bn② Bn下的功率谱可视作平坦的!∴ 噪声功率： N = 2×Pn（0）× Bn一. 概念l 含义---G.W背景下,且信道带宽与有用信号功率受限下, 信道无差错地传输数据信号的最大平均信息速率(Ct=maxRb)称信道容量l 连续信道容量？---要求掌握！l 离散信道容量？---自己了解！§§4.6 4.6 信道容量信道容量二. 连续信道容量l 定义：设：信道工作频带 = B B(Hz)；有用信号功率为S(W)重要 公式理想信道模型连续信道的容量Ct与信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0等因素有关＋S(t )S噪声r=S/NPi()= n0/2的G.W则连续信道的信道容量由香农公式决定：第4章内容小结 v信道部分：§ 作用---传输消息信号§ 对被传输信号的影响?• 调制信道的影响? 编码信道的影响? ---误码• 恒参/随参信道的具体影响？ v噪声部分：§ 噪声分类• 加性噪声---来源？ 分类？ 起伏噪声？• 乘性干扰(包括ISI、量化噪声及信道特性不理想造成)§ 对被传输信号的影响• 使模拟信号波形失真(图形畸变)； 使数字信号误码(码元有错)v信道容量？---概念与计算公式？。