通信原理张理云第4章信道.ppt

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1、1通信原理第第4章章 信信 道道2第第4章章 信信 道道l信道分类：信道分类：n无线信道 电磁波（含光波）n有线信道 电线、光纤l信道中的干扰：信道中的干扰：n有源干扰 噪声n无源干扰 传输特性不良l本章重点：本章重点：介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。3第第4章章 信信 道道l4.1 无线信道无线信道n无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制n地球大气层的结构u对流层：地面上 0 10 kmu平流层：约10 60 kmu电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km4n电离层对于传播的影响u反射u散射n大气层对于传播的影响u散射u吸收频率(G

2、Hz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减 (dB/km)水蒸气氧气降雨率图4-6 大气衰减第第4章章 信信 道道5传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图 4-2 天波传播第第4章章 信信 道道n电磁波的分类：电磁波的分类：u地波地波p频率频率 2 MHzp有绕射能力有绕射能力p距离：数百或数千距离：数百或数千千米千米 u天波天波p频率：频率：2 30 MHzp特点：被电离层反特点：被电离层反射射p一次反射距离：一次反射距离：30 MHzp距离距离:和天线高度有关和天线高度有关(4.1-3)式中，式中，D 收发天线间

3、距离收发天线间距离(km)。例例 若要求若要求D=50 km，则由式，则由式(4.1-3)p增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径中继通信：中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：平流层通信：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 无线电中继第第4章章 信信 道道50822DrDhmm505050508222DrDh7第第4章章 信信 道道l4.2 有线信道有线信道n明线8第第4章章 信信 道道n对称电缆：由许多对双绞线组成n同轴电缆图4-9 双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10 同轴线9第第4

4、章章 信信 道道n光纤u结构p纤芯p包层u按折射率分类p阶跃型p梯度型u按模式分类p多模光纤p单模光纤折射率n1n2折射率n1n2710125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤图4-11 光纤结构示意图(a)(b)(c)10u损耗与波长关系p损耗最小点：1.31与1.55 m第第4章章 信信 道道0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波长（m）1.55 m1.31 m图4-12光纤损耗与波长的关系11第第4章章 信信 道道l4.3 信道的数学模型信道的数学模型n信道模型的分类：u调制信道u编码信道编码信道调制信道-模拟信道-数字信道12第第4章章 信信 道道n4.3

5、.1 调制信道模型调制信道模型式中式中 信道输入端信号电压；信道输入端信号电压；信道输出端的信号电压；信道输出端的信号电压；噪声电压。噪声电压。通常假设：通常假设：这时上式变为：这时上式变为：信道数学模型信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4-13 调制信道数学模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio13第第4章章 信信 道道u因因k(t)随随t变，故信道称为时变信道。变，故信道称为时变信道。u因因k(t)与与e i(t)相乘，故称其为相乘，故称其为乘性干扰乘性干扰。u因因k(t)作随机

6、变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道。u若若k(t)变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道。u乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio14第第4章章 信信 道道n4.3.2 编码信道模型编码信道模型 u二进制编码信道简单模型二进制编码信道简单模型 无记忆信道模型无记忆信道模型pP(0/0)和和P(1/1)正确转移概率正确转移概率pP(1/0)和和P(0/1)错误转移概率错误转移概率pP(0/0)=1 P(1/0)pP(1/1)=1 P(0/1)P(1/0)P(0/

7、1)0011P(0/0)P(1/1)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端15第第4章章 信信 道道u四进制编码信道模型四进制编码信道模型 01233210接收端发送端16第第4章章 信信 道道l4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响n恒参信道的影响恒参信道的影响u恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道u恒参信道恒参信道 非时变线性网络非时变线性网络 信号通过线性系信号通过线性系统的分析方法。线性系统中无失真条件：统的分析方法。线性系统中无失真条件：p振幅频率特性：为水平直线时无失真振幅频率特性：为水平直线时无失真 左图为典型电话信道特性

8、左图为典型电话信道特性 用插入损耗便于测量用插入损耗便于测量(a)插入损耗频率特性17第第4章章 信信 道道p相位频率特性：要求其为通过原点的直线，相位频率特性：要求其为通过原点的直线，即群时延为常数时无失真即群时延为常数时无失真群时延定义：群时延定义：频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟频率特性dd)(0相位频率特性18第第4章章 信信 道道u频率失真：振幅频率特性不良引起的频率失真：振幅频率特性不良引起的p频率失真频率失真 波形畸变波形畸变 码间串扰码间串扰p解决办法：线性网络补偿解决办法：线性网络补偿u相位失真：相位频率特性不良引起的相位失真：相位频率特性不良引起的p对语音影响不大，

9、对数字信号影响大对语音影响不大，对数字信号影响大p解决办法：同上解决办法：同上u非线性失真：非线性失真：p可能存在于恒参信道中可能存在于恒参信道中p定义：定义：输入电压输出电压关系输入电压输出电压关系 是非线性的。是非线性的。u其他失真：其他失真：频率偏移、相位抖动频率偏移、相位抖动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19第第4章章 信信 道道n变参信道的影响变参信道的影响u变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。u变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播播u变参信道的特性：变参信

10、道的特性：p衰减随时间变化衰减随时间变化p时延随时间变化时延随时间变化p多径效应多径效应：信号经过几条路径到达接收端，：信号经过几条路径到达接收端，而且每条而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。播现象。下面重点分析多径效应下面重点分析多径效应20第第4章章 信信 道道u多径效应分析：多径效应分析：设设 发射信号为发射信号为 接收信号为接收信号为(4.4-1)式中式中 由第由第i条路径到达的接收信号振幅；条路径到达的接收信号振幅；由第由第i条路径达到的信号的时延；条路径达到的信号的时延；上式中的上式中的 都是随机变化的

11、。都是随机变化的。tA0cosniniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()()(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii21第第4章章 信信 道道应用三角公式可以将式应用三角公式可以将式(4.4-1)改写成：改写成：(4.4-2)上式中的上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中式中 接收信号的包络接收信号的包络 接收信号的相位接收信号的相位 niniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()(缓慢随机

12、变化振幅缓慢随机变化振幅niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()(cos)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs22第第4章章 信信 道道所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的窄带信号：的窄带信号：结论结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成包络起伏的窄带信号。应变成包络起伏的窄带信号。这种包络起伏称为这种包络起伏称为快衰落快衰落 衰落周

13、期和码元周期可衰落周期和码元周期可以相比以相比。另外一种衰落：慢衰落另外一种衰落：慢衰落 由传播条件引起的。由传播条件引起的。23第第4章章 信信 道道多径传输的后果是电磁波在空间的叠加，将出现多径传输的后果是电磁波在空间的叠加，将出现信号强弱起伏。其最大和最小值位置决定于两条路径的信号强弱起伏。其最大和最小值位置决定于两条路径的相对时延差相对时延差。而。而 是随时间变化的，所以对于给定频是随时间变化的，所以对于给定频率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为率的信号，信号的强度随时间而变，这种现象称为衰落衰落现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为现象。由于这种衰落和频率有关，故常称其为频

14、率选择频率选择性衰落性衰落。图4-18 多径效应24图4-18 多径效应第第4章章 信信 道道设设 m 多径中最大的相对时延差多径中最大的相对时延差 定义：相关带宽定义：相关带宽1/m多径效应的影响：多径效应的影响：多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减多径效应会使数字信号的码间串扰增大。为了减小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，小码间串扰的影响，通常要降低码元传输速率。因为，若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效若码元速率降低，则信号带宽也将随之减小，多径效应的影响也随之减轻。应的影响也随之减轻。25第第4章章 信信 道道l4.5 信道中的噪声信道中的噪声n噪声噪声u

15、信道中存在的不需要的电信号。信道中存在的不需要的电信号。u又称加性干扰。又称加性干扰。n按噪声来源分类按噪声来源分类u人为噪声人为噪声 例：开关火花、电台辐射例：开关火花、电台辐射u自然噪声自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热热噪声噪声26第第4章章 信信 道道n热噪声热噪声u来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。u频率范围：均匀分布在大约频率范围：均匀分布在大约 0 1012 Hz。u热噪声电压有效值：热噪声电压有效值：式中式中k=1.38 10-23（J/K）波兹曼常数；波兹曼常数；T 热力学温度（热力学温度

16、（K）；）；R 阻值（阻值（）；）；B 带宽（带宽（Hz）。）。u性质：性质：高斯白噪声高斯白噪声)V(4kTRBV 27第第4章章 信信 道道n按噪声性质分类按噪声性质分类u脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。就是一种典型的脉冲噪声。u窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频窄带噪声：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。看作是一种非所需的连续的已调正弦波。u起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。声和宇宙噪声等。讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。28第第4章章 信信 道道n窄带高斯噪声窄带高斯噪声u带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪带限白噪声：