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1、通信原理第四章第1页，本讲稿共35页一、信道及其数学模型（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2页，本讲稿共35页波段划分及各波段传播特点极长波100000m极低频ELF3KHz以
2、下超长波100000-10000m甚低频VLF3-30KHz长波10000-1000m低频LF30-300KHz近距离300km内：地表面波远距离2000km：主要天波中波1000-100m中频MF300-3000KHz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HF3-30MHz天波，地面吸收强，但海面较好超短波10-1m（米波）甚高频VHF30-300MHz空间波分米波100-10cm特高频UHF300-3000MHz直视传播（微波）厘米波10-1cm超高频SHF3-30GHz直视传播（微波）毫米波10-1mm极高频EHF30-300GHz直视传播（微波）亚毫米1
3、-0.75mm超极高频300-400GHz直视传播（微波）第3页，本讲稿共35页l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、信道及其数学模型（2）第4页，本讲稿共35页l调制信道模型：信道l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，
4、即满足叠加原理。3、具有一定的迟延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)。其输出与输入的关系可以写成：ei(t)：输入的已调信号、eo(t)：信道总输出波形、n(t)：加性噪声(或称加性干扰)、设n(t)与ei(t)相互独立。一、信道及其数学模型（3）第5页，本讲稿共35页l假定：l信道对信号的影响：1、乘性干扰k(t)，2、加性干扰n(t)。lk(t)及n(t)不同，信道的特性不同：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，则有一、信道及其数学模
5、型（4）第6页，本讲稿共35页l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：一码元的差错与其前后码元是否发生差错无关 2、有记忆编码信道：一码元的差错与其前后码元是否发生差错有关 如常用到的二进制无记忆编码信道模型：P（0/0）0P（1/1）011P(X/Y)称为信道转移概率 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、信道及其数学模型（5）第7页，本讲稿共35页二、恒参信道(1)l其其k(t)k(t)可看成不随时间变化或基本不变化。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
6、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。l 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8页，本讲稿共35页l光纤信道 组成：光源、光纤线路及光调制器/光电探测器。l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：
7、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(2)第9页，本讲稿共35页l色散：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。多模光纤的色散有三种：1、材料色散：由材料的折射指数随频率而变化引起的色散。2、模式色散：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。这样引起的色散称为模式色散。3、波导色散：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。l光纤色散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(2)第10页，本讲稿共35页l无线电视距中继指工作频率在
8、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。l依靠中继方式延伸通信距离，它主要用于长途干线、移动通信网及某些数据收集。l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l中继方式：直接中继、间接(再生)中继l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电话及电视。二、恒参信道(3)第11页，本讲稿共35页l卫星中继信道：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：只能反射无线电信号，现已被淘汰。2、有源卫星：可
9、以转发无线电信号，是现在的主要发展对象l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，。l中地球轨道MEO：距地面5000-20000km，运行周期4-12h；l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。同步通信卫星。如图4-5所示l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。l特点：传输距离远、覆盖
10、地域广、信道特性稳定可靠、传输容量大。二、恒参信道(4)第12页，本讲稿共35页l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-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-频率特性(简称幅频特性)；为相位-频率特性(简称相频特性)l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为原来的K0，时间上延迟了时间上延迟了二、恒参信道(5)第13页，本讲稿共35页二、恒参信道(6)：畸变 l幅度-频率畸变
11、：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。l相位-频率畸变：是种线性畸变第14页，本讲稿共35页l非线性畸变：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；l频率偏移：频率偏移：通常是由于载波电话(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；l相位抖动：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
12、附加上一个小指数的调频。二、恒参信道(7)：畸变 第15页，本讲稿共35页 三、随(变)参信道（1）l变参信道的参数k(t)随时间而变化，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 l短波、超短波、微波l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16页，本讲稿共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
13、离之间的(几十至一百多公里)区域内，短波信号很弱，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，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，对短波起反射作用。但夜间E层近于消失，失去对短波的反射。3、F层：对短波有良好的
14、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):短波电离层反射信道第17页，本讲稿共35页1、临界频率f0：能从电离层反射的最高频率。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(MUF):当电磁波以0角入射时，能从电离层反射的最高频率。l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
15、传输效应严重。l整个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。l通常将工作频率取在(0.8一0.9)MUF。三、随(变)参信道(2):短波电离层反射信道第18页，本讲稿共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和多次反射；2、几个反射层高度不同；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
16、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):短波电离层反射信道第19页，本讲稿共35页此外还会引起：l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。l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。l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。l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；(4)干扰电平高。三、随(变)参信
17、道(2):短波电离层反射信道第20页，本讲稿共35页三、随(变)参信道（3）:对信号传输的影响l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）l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条路径的接收信号振幅、传输时延 l一般，i(t)、i(t)的变化比与发射载频要缓慢得多，因而，XC(t)、XS(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21页，本讲稿共35页l设多径传播的路径只有两条，且到
18、达接收点的两路信号具有相同的增益V0和一个相对时延差，用下图所示的模型来表示。求其求其传输特性：传输特性：设发射信号为f(t)：则：三、随(变)参信道（3）:对信号传输的影响第22页，本讲稿共35页其中 如图4-191、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，因此称为频率选择性衰落频率选择性衰落。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
19、频带必须小结论：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于多径传输媒质的相关带宽ff。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（3）:对信号传输的影响第23页，本讲稿共35页三、随(变)参信道（3）:随参信道特性的改善 l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。l分集目的：减小衰落的影响。l分集要求：只要被分集的几个信号之间是统计独立的。l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
20、。3、角度分集：天线波束指向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l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24页，本讲稿共35页l加性噪声、乘性噪声l白(色)噪声、有色噪声l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。l按随机噪声的性质进行分类，可分为：单频噪声
21、：是一种连续波的干扰(如外台信号)，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、信道中的噪声（）第25页，本讲稿共35页四、信道中的噪声（2）：起伏噪声l热噪声：热噪声：导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。服从高斯分布服从高斯分布，可以证明，自由电子电流的功率密度谱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
22、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，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26页，本讲稿共35页 噪声电阻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（2）：起伏噪声第27页
23、，本讲稿共35页l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，散弹噪声的功率谱密度可认为是恒定值。l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，也具有平均的功率谱密度。l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、信道中的噪声（2）：起伏噪声第28页，本讲稿共35页带宽定义带宽定义l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
24、域的分布规律确定的。l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。常用以下三种方法定义信号常用以下三种方法定义信号(或噪声或噪声)带宽带宽B 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29页，本讲稿共35页信号带宽定义l等效矩形带宽等效矩形带宽 用一个矩形的频谱代替信号的频谱，矩形频谱具有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30页，本讲稿共35页l以集中一定百分比的能量(功率)来定义。可取90、95或99等。对能量
25、信号，可由求出Bn。l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31页，本讲稿共35页五、信道容量(1)l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？l无记忆信道：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。l对称信道：信道的输入和输出分别具有相同集合的元素。l有扰无记忆离散信道的信道容量有扰无记忆离散信道的信道容量：如图4-21发送xi收到yi所得的信息
26、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：信道在单位时间内所传输的平均信息量第32页，本讲稿共35页l设单位时间传送的符号数为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):发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息量l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。l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：例例4-14-1五、信道容量(2)第33页，本讲稿共35页l连续信道的信道容量：假设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，连续信道的信道容量受“三要素”S、N、B的限制。只要这三要素确定，则信道容量也就随之确定。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，噪声功率N也趋于无穷大。例例4.24.2五、信道容量(3)第34页，本讲稿共35页l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35页，本讲稿共35页