通信原理教学资料第4章.ppt

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1、1 如下图所示的四条函数曲线，哪一条不是如下图所示的四条函数曲线，哪一条不是平稳过程的正确的自相关函数曲线（平稳过程的正确的自相关函数曲线（）。2通信原理第4章 信 道3信道信道分类：恒参、随参分类：恒参、随参模型模型(描述描述)：调制信道、编码信道：调制信道、编码信道对信号传输的影响：对信号传输的影响：失真、误码，频率选择性衰落、频率弥散失真、误码，频率选择性衰落、频率弥散信道中的噪声信道中的噪声信道容量：信道的最大能力。信道容量：信道的最大能力。B/S关系关系加乘干扰加乘干扰多径接收多径接收4第第4 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无线信道电磁波的频率 受

2、天线尺寸限制受天线尺寸限制n地球大气层的结构地球大气层的结构u对流层：地面上对流层：地面上 0 10 kmu平流层：约平流层：约10 60 kmu电离层：约电离层：约60 400 kmn电离层对于传播的影响电离层对于传播的影响u反射反射u散射散射n大气层对于传播的影响大气层对于传播的影响u散射散射u吸收吸收地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km5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4.1 无线信道n电磁波的分类：电磁波的分类：u地波p频率频率 2 MHzp有绕射能力有绕射能力p距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 u天波p频率：频率：2 30

3、 MHzp特点：被电离层反射特点：被电离层反射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50822DrDhmm505050508222DrDh4.1 无线信道7图4-7 对流层散射通信地球有效散射区域u散射传播散射传

4、播p电离层散射电离层散射机理机理 由电离层不均匀性引起由电离层不均匀性引起频率频率 30 60 MHz距离距离 1000 km以上以上p对流层散射对流层散射机理机理 由对流层不均匀性（湍流）引起由对流层不均匀性（湍流）引起频率频率 100 4000 MHz最大距离最大距离 600 km4.1 无线信道8p流星流星余迹散射流星流星余迹散射流星余迹特点流星余迹特点 高度高度80 120 km，长度，长度15 40 km 存留时间：小于存留时间：小于1秒至几分钟秒至几分钟频率频率 30 100 MHz距离距离 1000 km以上以上特点特点 低速存储、高速突发、断续传输低速存储、高速突发、断续传输图

5、4-8 流星余迹散射通信流星余迹4.1 无线信道9第第4 4章章 信信 道道l4.2 有线信道n明线明线10n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4.1 有线信道11n光纤光纤u结构结构p纤芯纤芯p包层包层u按折射率分类按折射率分类p阶跃型阶跃型p梯度型梯度型u按模式分类按模式分类p多模光纤多模光纤p单模光纤单模光纤折射率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)4.1 有线信道12u损耗与波长关系损耗与波长关系p损耗最小点：损耗最小点

6、：1.31与与1.55 m0.7 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4.1 有线信道13第第4 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：信道模型的分类：u调制信道调制信道u编码信道编码信道编码信道调制信道14n4.3.1 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

7、数学模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio4.3 信道的数学模型15u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。)()()()(tntetkteio4.3 信道

8、的数学模型16n4.3.2 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(0/1)0011P(0/0)P(1/1)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端4.3 信道的数学模型17u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4.3 信道的数学模型18第4章 信 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

9、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 信号通过线性系统的分析方信号通过线性系统的分析方法法。线性系统中无失真条件：。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194.4 信道特性对信号传输的影响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：

10、频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟频率特性dd)(0相位频率特性20u频率失真频率失真：振幅频率特性不良引起的：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相位失真相位失真：相位频率特性不良引起的：相位频率特性不良引起的p对语音影响不大，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

11、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4.4 信道特性对信号传输的影响21n随参信道的影响u随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。u随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播u随参信道的特性：p衰减随时间变化p时延随时间变化p多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。4.4 信道特性对信号传输的影响22u多径效应分析多径效应分析-频率弥散+幅度衰落：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

12、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。都是随机变化的。tA0cosniniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()()(ti)(ti)()(0ttii)(),(),(tttiii4.4 信道特性对信号传输的影响23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 n

13、iniiiiitttttttR1100)(cos)()(cos)()(缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()()(cos)(sin)(cos)()(000tttVttXttXtRsc)()()(22tXtXtVsc)()(tan)(1tXtXtcs4.4 信道特性对信号传输的影响24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：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：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效应变成接收信号因多径效应变成 包络起伏的窄带信号

14、。包络起伏的窄带信号。这种这种包络包络起伏称为起伏称为快衰落快衰落 衰落周期和码元周期可以相比衰落周期和码元周期可以相比。4.4 信道特性对信号传输的影响25u多径效应分析多径效应分析-频率选择性衰落设设发射信号为：发射信号为：f(t)仅有两条路径仅有两条路径路径衰减相同路径衰减相同时延不同时延不同两条路径的接收信号为：两条路径的接收信号为：V0 f(t-t0)和和 V0 f(t-t0-)其中：其中：V0 传播衰减，传播衰减，t0 第一条路径的时延，第一条路径的时延，两条路径的时延差。两条路径的时延差。求求：此多径信道的传输函数：此多径信道的传输函数 设设f(t)的傅里叶变换（即其频谱）为的傅

15、里叶变换（即其频谱）为F()：)()(Ftf4.4 信道特性对信号传输的影响264.4 信道特性对信号传输的影响（4.4-8）则有则有上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数上式两端分别是接收信号的时间函数和频谱函数，故得出此多径信道的传输函数为故得出此多径信道的传输函数为上式右端中，上式右端中，V0 常数衰减因子，常数衰减因子，确定的传输时延，确定的传输时延，和信号频率和信号频率 有关的复因子，其模为有关的复因子，其模为)()(Ftf0)()(000tjeFVttfV)(0000)()(tjeFVttfV)1()()()(000000jtjeeFVttfVttfV)1()()1()()(0

16、000jtjjtjeeVFeeFVH0tje)1(je2cos2sin)cos1(sincos1122jejH1()H2()27按照上式画出的模与角频率按照上式画出的模与角频率 关系曲线：关系曲线：可见：原来任何频率的信号都可传可见：原来任何频率的信号都可传 现在现在f=1/处处-OK，f=1/(2)处处-No 即：有些频率可传，有些不行！有即：有些频率可传，有些不行！有选择性 称其为称其为频率选择性衰落。图4-18 多径效应2cos2sin)cos1(sincos1122jej4.4 信道特性对信号传输的影响H1低通H2梳状28图4-18 多径效应第4章 信 道定义：相关带宽1/（信号频率得小于它）（信号频率得小于它）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 相关带宽相关带宽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，多径效应的影响也随之减轻。29第4章 信 道l4.5 信道中的噪声n噪声噪声u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