專業(yè)課復(fù)試通信原理第4章

1、1第4章 信道信 息 源發(fā)送設(shè)備 信 道接收設(shè)備受 信 者噪聲源2第4章 信 道 信道的定義狹義信道：僅指信號(hào)的傳輸媒介；廣義信道：除包含傳輸媒介外，還包括有關(guān)的變換裝置。在討論通信的一般原理時(shí)通常采用廣義信道，為敘述方便，常把廣義信道簡(jiǎn)稱為信道。狹義信道按具體媒介不同分為：有線信道：明線、電纜、光纜等，傳輸效率較高；無線信道：短波、衛(wèi)星中繼等，傳輸效率較低，安全性較差。廣義信道按包含的功能不同分為調(diào)制信道和編碼信道。3第4章 信 道信道中的干擾：有源干擾 噪聲，加性無源干擾 傳輸特性不良，乘性本章重點(diǎn)：介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?第4章 信 道4.1 無線信道無線

2、信道中，信號(hào)傳輸是利用電磁波在空間的傳播來實(shí)現(xiàn)的。無線信道電磁波的頻率受天線尺寸限制。為了有效地發(fā)射或接收電磁波，要求天線尺寸不小于電磁波波長(zhǎng)的1/10，若頻率過低（波長(zhǎng)過長(zhǎng)）則天線難以實(shí)現(xiàn)，例如若頻率為3000Hz，則其波長(zhǎng)為100km，此時(shí)要求天線尺寸大于10km。第4章 信 道小知識(shí)中性層：地面到60公里高度，大氣成分多處于中性（即非電離狀態(tài)）。電離層：60 500公里高度，由于太陽輻射影響，大氣物質(zhì)開始電離，根據(jù)電子濃度不同可分為D、E、F1、F2、G層，其中D、E層電子密度小，短波電磁波基本不反射，但會(huì)受到吸收損耗（即衰減）。F1、F2層是反射層。F1、D層在夜晚基本消失。電離層反射

3、信道。磁層：500公里以上。大氣層按大氣的電磁特性分為3層：5第4章 信 道對(duì)流層：地面到大約1016公里處，該層集中了整個(gè)大氣的四分之三質(zhì)量和幾乎全部的水汽量，因而該層大氣湍流運(yùn)動(dòng)十分發(fā)達(dá)，產(chǎn)生了不均勻性，所以能對(duì)電磁波產(chǎn)生散射。該層頂部氣溫基本不變，經(jīng)常晴空萬里，能見度高，空氣平穩(wěn)，適合噴氣客機(jī)。對(duì)流層散射信道。平流層：水汽極少，天氣現(xiàn)象比較少見。近年來 開始對(duì)平流層通信進(jìn)行研究。中層熱層外大氣層大氣層根據(jù)溫度變化分為5層：6傳播路徑地 面 地波傳播電磁波傳播的分類：地波、天波、視線、散射地波：沿地球表面?zhèn)鞑ヮl率 2 MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米 天波：電離層反射頻率：2 30 M

4、Hz特點(diǎn)：被電離層反射一次反射距離： 30 MHz距離: 和天線高度h有關(guān) 式中，D 收發(fā)天線間距離(km)。例 若要求D = 50 km，則由上式可得：增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星平流層通信對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)域散射傳播：電離層、對(duì)流層、流星余跡散射電離層散射機(jī)理 由電離層不均勻性引起頻率 30 60 MHz距離 1000 km以上對(duì)流層散射機(jī)理 由對(duì)流層不均勻性（湍流）引起頻率 100 4000 MHz最大距離 600 km9第4章 信 道10第4章 信 道流星流星余跡散射流星余跡特點(diǎn) 高度80 120 km，長(zhǎng)度15 40 km存留時(shí)間：十分之幾

5、秒至幾分鐘特點(diǎn) 高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸、低速存儲(chǔ) 頻率 30 100 MHz距離 1000 km以上流星余跡散射通信流星余跡11通信使用的頻段及主要用途 12第4章 信 道4.2 有線信道明線、電纜、光纖 明線 優(yōu)點(diǎn)：傳輸損耗低（與電纜相比） 缺點(diǎn)：易受氣候影響，通信質(zhì)量 不穩(wěn)定，頻帶窄。架設(shè)在電線桿上的架空線路。第4章 信 道對(duì)稱電纜：由若干對(duì)雙絞線組成雙絞線導(dǎo)體絕緣層 分類：三類線、五類線、超五類線 缺點(diǎn)：容易受到外部高頻電磁波干擾，且線路本身會(huì)產(chǎn)生一定噪聲，誤碼率較高 優(yōu)點(diǎn)：頻帶較明線寬，多線對(duì)采用雙絞線，減少了線對(duì)間的串?dāng)_ 主要應(yīng)用：局域網(wǎng)、電話系統(tǒng)1314導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)同軸

6、線同軸電纜截面示意圖第4章 信 道同軸電纜 優(yōu)點(diǎn)：具有良好的傳輸特性和屏蔽特性，帶寬高 種類：基帶同軸電纜(50歐，數(shù)字) 寬帶同軸電纜(75歐，模擬) 傳輸信號(hào)類型：數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)均可主要應(yīng)用：有線電視系統(tǒng)、局域網(wǎng)15第4章 信 道光纖傳輸信號(hào)：光信號(hào)，用光脈沖的有無來代表二進(jìn)制數(shù)字。 傳輸原理：全反射。 種類： 多模：纖芯直徑為50或62.5m，可以存在多條入射角不同的光線。 單模：纖芯直徑為710m（一個(gè)光波的波長(zhǎng)），光線不出現(xiàn)反射，直接向前傳輸。 優(yōu)點(diǎn)： 頻帶寬； 缺點(diǎn)：太細(xì)，精確連接兩根光纖比較困難 抗雷擊和電磁干擾； 重量輕。 保密性強(qiáng)； 傳輸損耗?。?6第4章 信 道調(diào)制信道

7、編碼信道狹義調(diào) 制 器發(fā) 轉(zhuǎn) 換 器 媒 質(zhì)收 轉(zhuǎn) 換 器解 調(diào) 器編 碼 器解 碼 器為了便于研究，不管信道過程做了什么變換，也不管用什么傳輸媒質(zhì)，我們只關(guān)心通過信道后的結(jié)果，即只關(guān)心輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型17第4章 信 道4.3 信道的數(shù)學(xué)模型18第4章 信 道4.3.1 調(diào)制信道模型式中： 信道輸入端信號(hào)電壓； 信道輸出端的信號(hào)電壓； 噪聲電壓。 輸入信號(hào)經(jīng)信道后發(fā)生的線性變換。通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋?調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型19第4章 信 道n(t)：加性噪聲，無論有無信號(hào)其始終存在。k(t)：乘性干擾，沒有信號(hào)時(shí)沒有乘性

8、干擾。因 k(t) 隨 t 變，故信道稱為時(shí)變信道。若 k(t) 作隨機(jī)變化，則稱信道為隨參信道。若 k(t) 變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。20第4章 信 道4.3.2 編碼信道模型 編碼信道是包括調(diào)制信道及調(diào)制器、解調(diào)器在內(nèi)的信道。 調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響：通過 k(t) 和 n(t) 使信號(hào)波形失真。 編碼信道對(duì)信號(hào)的影響：是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列，使序列中的數(shù)字發(fā)生錯(cuò)誤。 故有時(shí)把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。 21第4章 信 道可以用錯(cuò)誤概率來描述編碼信道的特性，這種錯(cuò)誤概率通常稱為轉(zhuǎn)移概率，例如P(0/0)、P(0/1)。 二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型

9、無記憶信道模型P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)發(fā)送端接收端 P(0/0)和P(1/1) 正確轉(zhuǎn)移概率 P(1/0)和P(0/1) 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率 P(0/0) = 1 P(1/0) P(1/1) = 1 P(0/1) 編碼信道中產(chǎn)生錯(cuò)碼的原因以及轉(zhuǎn)移概率的大小主要由調(diào)制信道不理想造成。22第4章 信 道4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺赖挠绊懞銋⑿诺琅e例：各種有線信道、衛(wèi)星信道和某些視距傳輸線路恒參信道實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)，因此只要知道這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，就可以利用信號(hào)通過線性系統(tǒng)的分析方法得知信號(hào)通過恒參信道時(shí)受到的影響。恒參信道的主要傳輸特

10、性通常用振幅-頻率特性（簡(jiǎn)稱幅頻特性）和相位-頻率特性（簡(jiǎn)稱相頻特性）來描述。第4章 信 道信道的幅頻特性不理想會(huì)引起幅頻畸變（又稱頻率失真）。衰耗(dB)頻率(Hz)原因：感性負(fù)載、容性負(fù)載如何引起畸變？ 幅頻特性（ ）23不同頻率的信號(hào)受到的幅度衰減程度不一樣24第4章 信 道紅：基波藍(lán)：三次諧波黑：信號(hào)（合成波）信號(hào)由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后基波比三次諧波衰減得多，比值為2:1從圖中可看出信號(hào)不同頻率分量的衰耗不同造成信號(hào)幅度畸變（即波形失真）。25第4章 信 道改善 ： 加線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，即“均衡”= 為常數(shù)，不會(huì)出現(xiàn)幅度畸變線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) H2()H1()H() 條件：

11、26第4章 信 道 相頻特性不理想會(huì)引起相頻畸變，主要原因是 容性、感性負(fù)載。 相頻特性經(jīng)常采用群遲延頻率特性來衡量：它代表信號(hào)的不同頻率成分的傳輸遲延。如何引起畸變？ 相位頻率特性27第4章 信 道紅：基波藍(lán)：三次諧波黑：信號(hào)（合成波）信號(hào)由基波和三次諧波組成，且幅度比為2:1傳輸后，由于遲延不同，基波相移，三次諧波相移2從圖中可看出信號(hào)不同頻率分量的傳輸遲延不同造成信號(hào)相頻畸變，波形失真了，對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸，它同樣會(huì)引起嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。如何改善？28第4章 信 道k信號(hào)不同頻率成分有相同的傳輸遲延，因此不會(huì)畸變29第4章 信 道+= 為常數(shù)，不會(huì)出現(xiàn)相頻畸變改善 ： 加線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，即“均

12、衡”()2()1() 條件：1()+2()= C線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) H2()H1()H()30第4章 信 道結(jié)論：注意：以上兩個(gè)條件需同時(shí)滿足。 幅頻特性為常數(shù)； 相頻特性為線性或群遲延為常數(shù)。恒參信道信號(hào)傳輸不失真的條件：31第4章 信 道隨參信道的影響隨參信道舉例：天波、地波、視距傳播、散射傳播隨參信道的特性：衰減隨時(shí)間變化時(shí)延隨時(shí)間變化多徑效應(yīng)：信號(hào)經(jīng)過幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長(zhǎng)度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。 下面重點(diǎn)分析多徑效應(yīng)32第4章 信 道多徑效應(yīng)分析：設(shè) 發(fā)射信號(hào)為 接收信號(hào)為式中 由第 i 條路徑到達(dá)的接收信號(hào)振幅； 由第 i 條路徑達(dá)到的信號(hào)的時(shí)延；

13、上式中的 都是隨機(jī)變化的。33第4章 信 道應(yīng)用三角公式可以將接收信號(hào)改寫成： 上式中的R(t)可以看成是由互相正交的兩個(gè)分量組成的。這兩個(gè)分量的振幅分別是緩慢隨機(jī)變化的。式中 接收信號(hào)的包絡(luò) 接收信號(hào)的相位 緩慢隨機(jī)變化振幅緩慢隨機(jī)變化振幅34第4章 信 道所以，接收信號(hào)可以看作是一個(gè)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)：結(jié)論：發(fā)射信號(hào)為單頻恒幅正弦波時(shí)，接收信號(hào)因多徑效應(yīng)變成包絡(luò)起伏的窄帶信號(hào)。這種包絡(luò)起伏稱為快衰落 衰落周期和碼元周期可以相比。另外一種衰落：慢衰落 由傳播條件引起的。 35第4章 信 道多徑效應(yīng)簡(jiǎn)化分析（僅兩條傳播路徑）：設(shè) 發(fā)射信號(hào)為：f(t) 僅有兩條路徑，路徑衰減相同，

14、時(shí)延不同 兩條路徑的接收信號(hào)為：A f(t - 0) 和 A f(t - 0 - ) 其中：A 傳播衰減，0 第一條路徑的時(shí)延， 兩條路徑的時(shí)延差。求：此多徑信道的傳遞函數(shù)設(shè) f (t) 的傅里葉變換（即其頻譜）為F()： 36第4章 信 道則有故可得此多徑信道的傳遞函數(shù)為上式右端中，A 常數(shù)衰減因子， 確定的傳輸時(shí)延，其模為1所以該結(jié)論可直接用于計(jì)算37第4章 信 道傳播極點(diǎn)傳播零點(diǎn)當(dāng)2/，即信號(hào)帶寬f 1/時(shí)必然出現(xiàn)傳播零點(diǎn)，將1/稱為兩條路徑信道的相關(guān)帶寬。衰落與頻率有關(guān)，故稱為頻率選擇性衰落。38第4章 信 道多徑傳播的相對(duì)時(shí)延差用最大多徑時(shí)延差m 表示，則 為多徑信道的相關(guān)帶寬；推廣

15、到多徑傳播：為了不引起明顯的選擇性衰落，要求信號(hào)的帶寬小于相關(guān)帶寬f 。39第4章 信 道綜上所述，接收信號(hào)可分為以下3類：確知信號(hào)：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號(hào)； 隨相信號(hào)：接收碼元的相位隨機(jī)變化； 起伏信號(hào)：接收信號(hào)的包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化。 通過多徑信道傳輸?shù)男盘?hào)都具有這種特性。多徑效應(yīng)的影響：多徑效應(yīng)會(huì)使數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_增大。為了減小碼間串?dāng)_的影響，通常要降低碼元傳輸速率。因?yàn)椋舸a元速率降低，則信號(hào)帶寬也將隨之減小，多徑效應(yīng)的影響也隨之減輕。40第4章 信 道4.5 信道中的噪聲噪聲信道中存在的不需要的電信號(hào)。又稱加性干擾。按噪聲來源分類人為噪聲 例：開關(guān)火花、電臺(tái)輻射

16、自然噪聲 例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲41第4章 信 道熱噪聲來源：來自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。 頻率范圍：均勻分布在大約 0 1012 Hz。熱噪聲電壓有效值： 式中k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)； T 熱力學(xué)溫度（K）； R 阻值（）； B 帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲42第4章 信 道按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多，頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。 窄帶噪聲：來自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管

17、內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。43第4章 信 道窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：經(jīng)過接收機(jī)帶通濾波器過濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率：式中 Pn(f) 雙邊噪聲功率譜密度44第4章 信 道為了描述窄帶噪聲的帶寬，我們引入噪聲等效帶寬的概念。將噪聲功率譜密度曲線的形狀變?yōu)榫匦?，并保持噪聲功率不變（即圖中矩形虛線的面積等于噪聲功率譜密度曲線的面積），且令矩形的高度等于原噪聲功率譜密度曲線的最大值Pn(f0)，則此時(shí)有： 噪聲功率譜特

18、性 Pn(f)45第4章 信 道 Pn(f)即：式中的 Bn 就是噪聲等效帶寬。噪聲等效帶寬的物理概念：以此帶寬作一矩形濾波特性，則通過此特性濾波器的噪聲功率，等于通過實(shí)際濾波器的噪聲功率。利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統(tǒng)的性能時(shí)，可以認(rèn)為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬 Bn 內(nèi)是恒定的。46第4章 信 道4.6 信道容量 4.6.1 離散信道容量（信息論內(nèi)容，略）定義：指單位時(shí)間內(nèi)信道中無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊Ｐ诺廊萘勘碚髁诵诺赖臉O限傳輸能力。47第4章 信 道 4.6.2 連續(xù)信道容量對(duì)于帶寬有限、平均功率有限的高斯白噪聲連續(xù)信道，可以證明其信道容量為：式中 S為信號(hào)平均功率（W），N為噪聲功率（W）， B 為 帶寬（Hz）。設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則N = n0B；故上式可以改寫成：由上式可見，連續(xù)信道的容量Ct和信道帶寬B、信號(hào)功率S及噪聲功率譜密度n0三個(gè)因素有關(guān)。 48第4章 信 道當(dāng)S ，或n0 0時(shí)，Ct 。但是，當(dāng)B 時(shí)，Ct將趨向何值？令：x = S / n0B，上式可以改寫為：利用關(guān)系式上式變?yōu)?9第4章 信 道上式表明，當(dāng)給定S / n0時(shí)，若帶寬B趨于無窮大，信道容量不會(huì)趨于無限大，而只是S / n0的1.4