通信原理第四章PPT资料.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,通信(tng xn)原理第四章,第一页，共35页。,一、信道(xn do)及其数学模型（1）,狭义信道：信号的传输媒质,1、有线信道:包括明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等,2、无线信道: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,广义信道：除包括传输媒质外，还可以包括有关的变换装置(如发送设备、接收(jishu)设备、馈线与天线、调制器、解调器等等)。,1、调制信道：如图4-13所示，调制器输出端到解调器输入端的部分。用于研究调制和解调,2、编码信道：如图4-14，4-15，编码器输出端到译码器输入端的部分。用于研究信道编译码,第二页，共35页。,波段划分(hu fn)及各波段传播特点,极长波,100000m,极低频,ELF,3KHz,以下,超长波,100000-10000m,甚低频,VLF,3-30KHz,长波,10000-1000m,低频,LF,30-300KHz,近距离,300km,内：地表面波,远距离,2000km,：主要天波,中波,1000-100m,中频,MF,300-3000KHz,白天被电离层吸收，地表面波,晚上，天波参加，距离远,短波,100-10m,高频,HF,3-30MHz,天波，地面吸收强，但海面较好,超短波,10-1m,（米波）,甚高频,VHF,30-300MHz,空间波,分米波,100-10cm,特高频,UHF,300-3000MHz,直视传播（微波）,厘米波,10-1cm,超高频,SHF,3-30GHz,直视传播（微波）,毫米波,10-1mm,极高频,EHF,30-300GHz,直视传播（微波）,亚毫米,1-0.75mm,超极高频,300-400GHz,直视传播（微波）,第三页，共35页。,信号通过信道时，一般受到两种类型的干扰或损害：,信道对信号的确定性的干扰,产生原因：信道的幅度和相位传输特性不理想。如色散、频率(pnl)偏移、信道非线性等。,解决方法：原则上可通过均衡方法解决。,信道对信号的随机性的干扰,产生原因：各种加性和乘性噪声。如热噪声、脉冲噪声和短波及散射信道中的随机衰落现象等。,解决方法：通过选择合理的信号形式、最佳接收方法和适当的误差控制等加以限制。,一、信道(xn do)及其数学模型（2）,第四页，共35页。,调制信道(xn do)模型：,信,道,特点：,1、有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端。,2、绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理。,3、具有一定的迟延(chyn)时间和固定的或时变的损耗。,4、即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率稳出(噪声)。,其输出与输入(shr)的关系可以写成：,e,i,(t),：输入的已调信号、,e,o,(t),：信道总输出波形、,n(t),：加性噪声,(,或称加性干扰,),、设,n(t),与,e,i,(t),相互独立。,一、信道及其数学模型（,3,）,第五页，共35页。,假定(jidng)：,信道对信号的影响：,1、乘性干扰k(t)，,2、加性干扰n(t)。,k(t)及n(t)不同，信道的特性(txng)不同：,1、恒(定)参(量)信道，即k(t)可看成不随时间变化或基本不变化,2、随(机)参(量)信道，它是非恒参信道的统称，k(t)随机快变化。,成立(chngl)，则有,一、信道及其数学模型（,4,）,第六页，共35页。,编码信道模型：包含调制信道，故它要受调制信道的影响。,1、无记忆编码信道：一码元的差错(chcu)与其前后码元是否发生差错(chcu)无关,2、有记忆编码信道：一码元的差错(chcu)与其前后码元是否发生差错(chcu)有关,如常用到的二进制无记忆编码信道模型：,P,（,0/0,）,0,P,（,1/1,）,0,1,1,P(X/Y)称为信道转移(zhuny)概率,P(0/0)=1-P(1/0),、,P(1/1)=1-P(0/1),Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1),一、信道(xn do)及其数学模型（5）,第七页，共35页。,二、恒参信道(xn do)(1),其k(t)可看成不随时间变化或基本不变化。如：,1、有线：架空明线、电缆、光导纤维等。,2、无线：中长波地波传播、超短波及微波视距传播，人造卫星中继、光波视距传播等传输媒质构成的信道。,几种有线信道：,1、明线：与电缆相比，传输损耗低。但易受气候和天气的影响，并且对外界(wiji)噪声干扰较敏感，频带窄。,2、对称电缆：传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定，,3、同轴电缆：传输特性稳定、频带宽、损耗大,4、光纤信道：损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点。,第八页，共35页。,光纤信道,组成：光源(gungyun)、光纤线路及光调制器/光电探测器。,中继器。有两种类型：,1、直接中继器：直接将光信号放大以补偿光纤的传输损耗。,2、间接(再生)中继器：将光信号先解调为电信号，经放大或再生处理后，再调制到光载波上，利用光纤继续传输。,二、恒参信道(xn do)(2),第九页，共35页。,色散(ssn)：指信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真这种物理现象。,多模光纤的色散(ssn)有三种：,1、材料色散(ssn)：由材料的折射指数随频率而变化引起的色散(ssn)。,2、模式色散(ssn)：在多模光纤中，由于一个信号同时激发不同的模式，即使是同一频率，各模式的群速也是不同的。这样引起的色散(ssn)称为模式色散(ssn)。,3、波导色散(ssn)：对同一模式，不同的频谱分量有不同的群速，由此引起的色散(ssn)。,光纤色散(ssn)将会使信号产生畸变，它限制着通信容量和信号传输距离的增加。,二、恒参信道(xn do)(2),第十页，共35页。,无线电视距中继,指工作频率在超短波和微波波段，电磁波基本上沿视线传播，当微波天线高度在50m左右，直视通信距离约为50km。,依靠中继方式延伸(ynshn)通信距离，它主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集。,无线电中继信道的构成如图4-4所示。它由终端站、中继站及各站间的电波传播路径,中继方式：直接中继、间接(再生)中继,传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有色金属等优点，被广泛用来传输多路 及电视。,二、恒参信道(xn do)(3),第十一页，共35页。,卫星中继信道：特殊形式的微波接力通信,由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。,1、无源卫星：只能(zh nn)反射无线电信号，现已被淘汰。,2、有源卫星：可以转发无线电信号，是现在的主要发展对象,低地球轨道LEO(Low Earth Orbit)：距地面500-5000km，卫星运行周期在24h；,链路，如果轨道高度太低，这样，卫星寿命受影响，。,中地球轨道MEO：距地面5000-20000km，运行周期4-12h；,静止轨道GEO(Geostationary)，距地面为35786km，卫星运行周期为24h。也叫同步通信卫星。如图4-5所示,卫星轨道越低：传输损耗小、时延小，受大气阻力影响大，会消耗更多燃料，器件腐蚀也较严重，寿命越短。,卫星轨道越高，对地面覆盖区域则愈大，所需卫星数越少，但传输损耗亦大、时延大。,特点：传输距离远、覆盖地域广、信道特性稳定可靠、传输容量大。,二、恒参信道(xn do)(4),第十二页，共35页。,恒参信道可用一个非时变的线性网络来等效。用幅度-频率特性及相位(xingwi)-频率特性来表征。于是网络的传递函数及H()可表示为：,为网络的幅度(fd)-频率特性(简称幅频特性)；,为相位(xingwi)-频率特性(简称相频特性),理想信道的条件,(,即信号通过网络无畸变条件,),为：,则理想信道的输出信号,O,(t),及其频谱分别为：,可见，信号通过理想恒参信道时其波形不失真，只是幅度上变为原来的,K,0,，,时间上延迟了,二、恒参信道,(5),第十三页，共35页。,二、恒参信道(xn do)(6)：畸变,幅度(fd)-频率畸变：是种线性畸变,如何减小幅度-频率畸变：,1、滤波：,2、均衡：加线性补偿(bchng)网络，使衰耗特性曲线变得平坦。,通常采群迟延,-,频率特性来衡量，即相位,-,频率特性对频率的导数。,若相位,-,频率特性用,(),来表示，则群迟延,-,频率特性,(),为：,()=()/d,采取均衡措施也可得到补偿。,相位,-,频率畸变：是,种线性畸变,第十四页，共35页。,非线性畸变：主要由信道中元器件的振幅特性非线性引起的，它造成谐波失真及若干寄生频率等；,频率偏移：通常是由于载波 (单边带)信道中接收端解调载频与发送端调制载频之间有偏差造成的；,相位抖动：也是由于调制和解调载频不稳定性造成的，这种抖动的结果相当于发送信号附加上一个(y)小指数的调频。,二、恒参信道(xn do)(7)：畸变,第十五页，共35页。,三、随(变)参信道(xn do)（1）,变参信道的参数k(t)随时间(shjin)而变化，特性复杂。如,短波电离层反射、超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射调制信道,短波、超短波、微波,传播路径：,1、地波传播：沿地表面传播。距离近，限于几十千米范围。,2、对流层散射：离地面10-12km以下的大气层。在对流层中，由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性，引起电波散射。,3、天波传播：由电离层反射传播。,第十六页，共35页。,天波传播：由电离层反射传播。距离远（多次反射可传几千，乃至上万千米）。在天波和地波作用距离之间的(几十至一百多公里)区域内，短波(dunb)信号很弱，称为寂静区。,电离层：离地面高60-600km的大气层。由分子、原于、离子及自由电子组成的。形成的主要原因是太阳辐射的紫外线和x射线。电离层可分为D、E、F1、F2等四层，电子密度依此增加。,1、D层：离地面高度60一90km，夜间消失。D层不足以反射短波(dunb)，但都给穿透D层的电波以较大约吸收损耗。所以又称为吸收层。随着频率的降低，吸收损耗加大。工作频率低于某一“最低可用频率”时，过大的吸收损耗将使通信中断。,2、E层：高度l 00一120km。与D层一样，在太阳照射下形成，对短波(dunb)起反射作用。但夜间E层近于消失，失去对短波(dunb)的反射。,3、F层：对短波(dunb)有良好的反射作用，也称反射层。分为F1和F2,F1层：高度为170一220km，电子密度较夜晚明显减弱；,F2层：高度在225450km左右，夜间虽不完全消失，但电子密度较白天降低一个量级，保持了反射作用。,三、随(变)参信道(2):短波(dunb)电离层反射信道,第十七页，共35页。,分集接收的基本方法：,一般而言，在100MHz以下的频率范围内，散弹噪声的功率(gngl)谱密度可认为是恒定值。,等效矩形(jxng)带宽,则信息传输速率仅与信息源的概率分布有关。,(通常称为多径传播媒质的相关带宽)为f=1/m。,工业噪声：来源于各种电气设备。,可见，信号通过理想恒参信道时其波形不失真，只是幅度上变为原来的K0，时间上延迟了,3、角度分集：天线波束指向(zh xin)不同使信号不相关的原理。,由上式，可以对单个噪声电阻描述如下：,但夜间E层近于消失，失去对短波(dunb)的反射。,可取(kq)90、95或99等。,(3)受地形限制较小,可取(kq)90、95或99等。,相位抖动：也是由于调制和解调载频不稳定性造成的，这种抖动的结果相当于发送信号附加上一个(y)小指数的调频。,工作频率低于某一“最低可用频率”时，过大的吸收损耗将使通信中断。,1、直接中继器：直接将光信号放大以补偿光纤的传输损耗。,1、临界频率f0：能从电离层反射(fnsh)的最高频率。,低于此频率时，该层对垂直入射波的电波将起反射(fnsh)作用；,而当频率高于f0时，垂直入射的电波将穿出该层。,2、最高可用频率(pnl)(MUF):当电磁波以0角入射时，能从电,离层反射的最高频率(pnl)。,工作频率应采用按近于最高可用频率。,原因：低频率的电波将受到较大的吸收损耗；同时，电离层的各分层都可能对它产生反射，多径传输效应严重。,整个(zhngg)电离层的最高可用频率实际上为电子密度最大的F2层的最高可用频率。此时，理论上只有一条传输路径。从而避免多径传输带来的种种弊端。,通常将工作频率取在一0.9)MUF。,三、随,(,变,),参信道,(2):,短波电离层,反射,信道,第十八页，共35页。,多径传播：发端发射的电波通过多条途径传播到收端。,由于不同路径的长度及其对电波的延时不同，信号到达收端的时间有先有后，其(最大)时间差称为多径延时差。其大小决定了多径传播对通信系统性能影响的程度。,主要原因：,1、电波经电离层的一次反射(fnsh)和多次反射(fnsh)；,2、几个反射(fnsh)层高度不同；,3、电离层不均匀性引起的漫射现象；,4、地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波等。,多径效应引起：信号衰落(接收信号强度随机起伏)、频率弥散及频率选择性衰落。,三、随(变)参信道(2):短波(dunb)电离层反射信道,第十九页，共35页。,此外还会引起：,快衰落：短波电离层多径干涉衰落的速率(每秒钟通过中值的次数)在每秒零点几到几次之间这种衰落。,慢衰落：干涉衰落的周期为小时甚至更长的时间。如何克服快衰落的影响：一般采用分集接收。,优点：(1)要求的功率较小终端设备的成本较低,(2)传播距离远；,(3)受地形限制较小,(4)不易受到人为破坏。,缺点：(1)传输可靠性差,(2)由于电离层的变化，需要经常更换工作频率；,(3)存在快衰落与多径时延失真(sh zhn)；,(4)干扰电平高。,三、随(变)参信道(xn do)(2):短波电离层反射信道(xn do),第二十页，共35页。,三、随(变)参信道（3）:对信号传输(chun sh)的影响,随参信道的输媒质有三个特点：(1)对信号的衰耗随时间而变化(2)传输(chun sh)的时延随时间而变(3)多径传播（由发射端发出的信号可能通过多条路径到达接收点）,分析发射波Acos(0t)经n条路径传播后的接收信号R(t)？,i(t)、i(t)分别为第i条路径(ljng)的接收信号振幅、传输时延,一般，,i(t),、,i(t),的变化比与发射载频要缓慢得多，因而，,X,C,(t),、,X,S,(t),及包络,V(t),、相位,(t),也是缓慢变化的。于是，,R(t),可视为一个窄带过程。如图,3-18,所示。,第二十一页，共35页。,设多径传播的路径只有两条，且到达接收点的两路信号具有相同的增益V0和一个(y)相对时延差，用下图所示的模型来表示。求其传输特性：,设发射(fsh)信号为f(t)：,则：,三、随(变)参信道（3）:对信号传输(chun sh)的影响,第二十二页，共35页。,其中(qzhng),如图,4-19,1、由图可看出：对于不同的频率，信道的衰减不相同。,2、如果发送信号的频谱足够宽，包括零、极点所在的频率成分，,这些频率成分将受到不同程度的衰减产生严重的失真。,这种现象类似于信号通过一个有选择性的衰耗网络(wnglu)，因此,称为频率选择性衰落。,设最大多径时延差为m，则定义相邻传输零点的频率间隔,(通常称为多径传播媒质的相关带宽)为f=1/m。,结论：为不引起明显的频率选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽f。,3、多径传输原理一样：用最大多径时延差来估算传输零极点在,频率轴上的位置，从而确定传输信号的频带。,三、随(变)参信道(xn do)（3）:对信号传输的影响,第二十三页，共35页。,三、随(变)参信道(xn do)（3）:随参信道(xn do)特性的改善,分集接收(分散接收，集中合并)：将接收端同时获得几个不,同路径的信号适当合并构成总的接收信号。,分集目的：减小衰落的影响。,分集要求：只要被分集的几个信号之间是统计独立的。,分集接收的基本方法：,1、空间分集：几副天线，并相距足够远。,2、频率分集：多个不同载频，并相差足够大。,3、角度分集：天线波束指向(zh xin)不同使信号不相关的原理。,4、极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波。,5、时间分集：不同时间上重复发送同一信号波形,信号合并的方法:,1、最佳选择式：选择其中信噪比最好的一个作为接收信号,2、等增益相加式：将各支路直接相加,3、最大比值相加式：各支路加权相加。,第二十四页，共35页。,加性噪声、乘性噪声,白(色)噪声、有色噪声,信道中加性噪声的来源的不同，般分为：,无线电噪声：它来源于别的无线电发射机。,工业噪声：来源于各种电气设备。,自然噪声（天电噪声），指自然界存在的各种电磁波源。,内部噪声。内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。,按随机噪声的性质进行分类，可分为：,单频噪声：是一种连续波的干扰(如外台信号(xnho)，主要特点是占有极窄的频带，但在频率轴上的位置可以实测。,脉冲噪声：是在时间上无规则地突发的短促噪声，但持续时间短。从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽的频谱(从甚低频到高频)，但频率越高，其频谱强度就越小。,起伏噪声：以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表的噪声。特点是，无论在时域内还是在频域内它们总是普遍存在和不可避免的。,四、信道(xn do)中的噪声（）,第二十五页，共35页。,四、信道(xn do)中的噪声（2）：起伏噪声,热噪声：导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。服从高斯分布，可以证明(zhngmng)，自由电子电流的功率密度谱为,a是每秒钟个电子平均碰撞的次数，k为玻尔兹曼常数(k=1.3805 x 10-23J/K)，T为热噪声源的绝对温度(juduwnd)，G为电阻R的电导。,当/a1时，,热噪声具有均匀的功率密度谱，称热噪声为,白噪声,。,（通常我们认为热噪声是高斯白噪声）,由上式，可以对单个噪声电阻描述如下：,第二十六页，共35页。,噪声电阻(dinz)R表示为无噪声电导G(G1/R)和功率谱密度为2kTG的噪声电流i的并联即诺顿等效电路如上图左所示。或上图右的戴维南等效电路所示。对e(t)R*i(t)两边求平方,再积分,则左边e(t)的双边功率密度谱为,设噪声(zoshng)的电流源i(t)及电压源v(t)的均方根值分别为In及Vn，则由功率谱密度定义：,四、信道中的噪声(zoshng)（2）：起伏噪声(zoshng),第二十七页，共35页。,散弹噪声：由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的。具有较宽的频谱。一般而言，在100MHz以下的频率范围内，散弹噪声的功率(gngl)谱密度可认为是恒定值。,宇宙噪声：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。实践证明宇宙噪声也是服从高斯分布律的，在一般的工作频率范围内，也具有平均的功率(gngl)谱密度。,综上所述，这些起伏噪声都可认为是一种高斯噪声，且在相当宽的频率范围内具有平坦的功率(gngl)谱密度，并服从高斯分布，被近似地表述成高斯白噪声,四、信道(xn do)中的噪声（2）：起伏噪声,第二十八页，共35页。,带宽(di kun)定义,信号(或噪声)带宽：由信号(或噪声)能量谱密度或功率谱密度在频域的分布规律确定的。,信道带宽：由传输电路的传输特性决定的。,根据信号的通频带，对传输电路提出恰当的频带要求，尽量做到在信号不失真或失真不大的条件下提高信噪比。,常用以下三种(sn zhn)方法定义信号(或噪声)带宽B：,设带通型噪声的功率谱密度Pn()如图所示，假设Pn()在0及-0处分别有最大值Pn(0)及Pn(-0)，,第二十九页，共35页。,信号(xnho)带宽定义,等效矩形(jxng)带宽,用一个矩形的频谱代替信号的频谱，矩形频谱具有(jyu)的能量与信号能量相等。矩形频谱的幅度为信号频谱峰值。,由,得,第三十页，共35页。,以集中(jzhng)一定百分比的能量(功率)来定义。,可取(kq)90、95或99等。,对能量(nngling)信号，可由,求出,Bn,。,以能量谱,(,功率谱,),密度下降,3dB,内的频率间隔作为带宽,对于信号能量谱,(,功率谱,),密度具有明显单峰形状，且峰值位于,f=0,处，则信号带宽,B,为正频率轴上谱密度下降到,3dB(,半功率点,),处的相应频率间隔。,得信号带宽为,由式,信号带宽定义,第三十一页，共35页。,五、信道容量,(1),信息容量：单位时间内信道上所能传输的最大信息量。,实际信道中总存在于扰，此时如何计算信道容量？,无记忆(jy)信道：每个输出符号只取决于当前的输入符号，而与其它输入符号无关。,对称信道：信道的输入和输出分别具有相同集合的元素。,有扰无记忆(jy)离散信道的信道容量：如图4-21,发送xi收到yi所得的信息量=xi所含信息量-收到yi后对xi的不确定程度,定义信息传输速率：信道(xn do)在单位时间内所传输的平均信息量,第三十二页，共35页。,设单位时间(shjin)传送的符号数为r，则信息传输速率为：,r:单位时间传送的符号数、H(x):每个符号平均信息量、H(x/y):发送符号在有噪声(zoshng)的信道中传输平均丢失的信息量,信息传输速率与单位时间传送的符号目、信息源的概率分布以及信道干扰的概率分布有关。当信道一定时，干扰的概率分布是确定的。则信息传输速率仅与信息源的概率分布有关。,信道容量的定义：信道最大可能的传输信息的速率，即对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息的速率R的最大值称为信道容量C：,例,4-1,五、信道容量,(2),第三十三页，共35页。,连续信道的信道容量：假设(jish)输入信道的加性高斯白噪声功率为N(瓦W)，信道的带宽为B(Hz)，信号功率为S(瓦W)，则可以证明，该信道的信道容量为：,可见，连续信道(xn do)的信道(xn do)容量受“三要素”S、N、B的限制。只要这三要素确定，则信道(xn do)容量也就随之确定。,上式表明，保持S/no一定，即使信道带宽B，信道容量C也是有限的，这是因为信道带宽B时，噪声(zoshng)功率N也趋于无穷大。,例4.2,五、信道容量,(3),第三十四页，共35页。,第,4,章,思考题：,4-6,，,4-8,，,4-18,习 题：,4-1,，,4-5,，,4-7,第四章 作 业,第三十五页，共35页。,