通信原理第4章.ppt

无线信道电磁波的频率,受天线尺寸限制,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,地 面,对流层,平流层,电离层,10 km,60 km,0 km,无线信道,(,无形而看不见,摸不着！,),利用自由空间物体界面反射或绕射电磁波达传播目的,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,电离层对于传播的影响,反射,散射,频率,(GHz),(a),氧气和水蒸气（浓度,7.5 g/m,3,）的衰减,衰减,(dB/km),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,大气层对于传播的影响,散射,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,电磁波的分类,：,地波,频率,2 MHz,有绕射能力,距离：数百或数千,km,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：,视线,（视距）,传播：,频率,30 MHz,距离,:,和天线高度有关,d,d,h,接收天线,发射天线,传播途径,D,地面,r,r,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),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,（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,使用微波频段,使用转发器接收和转发,地面站,地球,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,散射传播,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,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 km,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,对称电缆：,由许多对双绞线组成,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,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,n,1,n,2,折射率,n,1,n,2,7,10,125,折射率,n,1,n,2,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、电话、数据,远程通信,费用与距离无关,很好,一万八千多,km,500Mbps,卫星,电视,远程通信,低于同容量和长度的电缆,很好,几百,km,4-6Gbps,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,300-450Mbps,75,同轴电缆,LAN,基带数字信号,略高于,TP,较好,1,公里内,10M bps,50,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,调制信道,已调信号的传输系统,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,e,i,(,t,),e,i,(,t,),e,0,(,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：,因,k(t,),随,t,变，故信道称：,时变信道,。,因,k(t,),与,e,i,(t,),相乘，故称其为：,乘性干扰,。,若,k(t,),作随机变化，故信道又称：,随,(,变,),参信道,。,若,k(t,),变化很慢或很小，故信道又称：,恒参信道,。,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,0,0,1,1,P(0/0),P(1/1),P(1/0),P(0/1),发,收,0,1,2,3,0,1,2,3,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,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,恒参信道的模型与特点？,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,信道特性对信号传输的影响,2,、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,f,c,f,K,（,）,（,）,f,f,c,B,k,（,t,）,e,i,（,t,）,e,0,（,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,、恒参信道的影响,-,频率失真,例：,电话线传输特性：,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）,电话线实际的插入损耗频率特性,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）,(),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,(),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,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,随参信道举例,随参信道的特点,（共性）,对被传信号的影响,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,和,频率扩散,设发送信号：,则接收信号：,其中：,i,（,t,）为第,i,路径收信号的振幅,i,（,t,）为第,i,路径收信号的传输时延,i,（,t,）,=,0,i,（,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,f,0,-f,0,0,f,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,f,0,-f,0,0,f,P,R,(),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,A,A,延迟,t,0,延迟,t,0,+,+,Af(t,),Af(t,),f(t),H(),H,2,(),f(t),f,0,(t),A,延迟,t,0,H,2,(),特性的影响,?,频率选择性衰落,-,H,2,(),不同频率分量的衰减量不同,/,3/,5/,7/,0,f=1/,信号频带,B,应,f,B,f=1/,相关带宽,f=1/,结论,若多路径时的最大相对时延差为,m,则相关带宽：,f=1/,m,信号频带,B,f,会产生明显选择性衰落,噪声,信道中存在的不需要的电信号。,又称加性干扰。,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,信道中的噪声,来源,?,分类,?,统计特性,?,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,0,10,12,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（,K,）,R,阻值（,）,B,带宽（,Hz,）,统计特性：,高斯白噪声,按噪声性质分类,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。,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。,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,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,P,n,(,f,),双边噪声功率谱密度,图,4-19,噪声功率谱特性,P,n,(,f,),2.,噪声带宽,B,n,=？,起伏噪声共性,可近似为,G.W ,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：,“,矩形定义法,”,定义了,B,n,B,n,下的功率谱可视作平坦的,!,噪声功率：,N=2,P,n,（,0,）,B,n,一,.,概念,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,(C,t,=,maxR,b,),称信道容量。,连续信道容量？,-,要求掌握！,离散信道容量？,-,自己了解！,4.6,信道容量,二,.,连续信道容量,定义,：,设：信道工作频带,=,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,C,t,与信道带宽,B,、信号功率,S,及噪声功率谱密度,n,0,等因素有关,S(t),S,噪声,r=S/N,P,i,(,)=n,0,/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,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,？,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,),信道容量？,-,概念与计算公式？,