通信原理第4章信道

1、通信系統(tǒng)原理框圖通信系統(tǒng)原理框圖信號(hào)源信號(hào)源發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備傳輸信道傳輸信道收信裝置收信裝置接收設(shè)備接收設(shè)備傳輸信道傳輸信道原始手段原始手段有線通信有線通信無線通信無線通信烽火、旗語烽火、旗語電報(bào)電報(bào) 電話電話無線廣播無線廣播移動(dòng)電話移動(dòng)電話 有線信道：有線信道：利用人造的傳導(dǎo)電或者光的利用人造的傳導(dǎo)電或者光的媒體來傳輸信號(hào)媒體來傳輸信號(hào)無線信道：無線信道：利用電磁波在空間中的傳播利用電磁波在空間中的傳播來傳輸信號(hào)來傳輸信號(hào)按照傳輸媒質(zhì)的不同，信道可以分兩大類：按照傳輸媒質(zhì)的不同，信道可以分兩大類：有線（有線（wired）信道，無線（）信道，無線（wireless）信道）信道信道中存在噪聲，對

2、于信道中存在噪聲，對于信號(hào)傳輸有著重要的不信號(hào)傳輸有著重要的不良影響，通常認(rèn)為它是良影響，通常認(rèn)為它是一種有源干擾。一種有源干擾。信道本身的傳輸特信道本身的傳輸特性不良，可以看作性不良，可以看作是一種無源干擾是一種無源干擾本章中將重點(diǎn)介紹信道傳輸本章中將重點(diǎn)介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對特性和噪聲的特性，及其對信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。信?hào)傳輸?shù)挠绊?。n無線通信的傳輸媒質(zhì)是自由空間。無線通信的傳輸媒質(zhì)是自由空間。電磁波從發(fā)射天線輻射出去之后，電磁波從發(fā)射天線輻射出去之后，經(jīng)過自由空間到達(dá)接收天線的傳播經(jīng)過自由空間到達(dá)接收天線的傳播途徑可分為兩大類：地波和天波。途徑可分為兩大類：地波和天波。4.1無

3、線信道無線信道一一 地波（分為地面波和空間波）地波（分為地面波和空間波）1. 地面波地面波 就是沿地面?zhèn)鞑サ臒o線電波（繞射傳播），就是沿地面?zhèn)鞑サ臒o線電波（繞射傳播），適用于長波和超長波。適用于長波和超長波。2. 空間波空間波 是在發(fā)射天線與接收天線間直線傳播的是在發(fā)射天線與接收天線間直線傳播的無線電波（直射傳播）無線電波（直射傳播）, , 發(fā)射天線和接收發(fā)射天線和接收天線較高，接收點(diǎn)的電磁波由直接波和地天線較高，接收點(diǎn)的電磁波由直接波和地面反射波合成。適用于超短波。面反射波合成。適用于超短波。二二 天波（天空波）天波（天空波）n經(jīng)過地面經(jīng)過地面100km100km至至500km500km的電

4、離層反射傳送到接的電離層反射傳送到接收點(diǎn)的電磁波（電離層反射折射傳播）。適用收點(diǎn)的電磁波（電離層反射折射傳播）。適用于短波。于短波。n電離層反射的特點(diǎn)：電離層反射的特點(diǎn)： 頻率越高，吸收能量越小，但頻率過高電波頻率越高，吸收能量越小，但頻率過高電波會(huì)穿透電離層。故頻率只限于中短波段會(huì)穿透電離層。故頻率只限于中短波段300Khz300Khz30Mhz30Mhz 。傳播方式傳播方式 波段名稱波段名稱 波長范圍波長范圍 頻率范圍頻率范圍 頻段名稱頻段名稱n超長波超長波 10,000100,000m 303kHz 甚低頻甚低頻VLFn長長 波波 1,00010,000m 30030kHz 低頻低頻LF

5、n中中 波波 2001,000m 1500300kHz 中頻中頻MFn中短波中短波 50200m 6,0001,500kHz 中高頻中高頻IFn短短 波波 1050m 306MHz 高頻高頻HFn米米 波波 110cm 30030MHz 甚高頻甚高頻VHFn分米波分米波 10100cm 3,00300MHz 特高頻特高頻UHFn厘米波厘米波(微波微波) 110cm 303GHz 超高頻超高頻SHFn毫米波毫米波 110mm 30030GHz 極高頻極高頻EHFn亞毫米波亞毫米波 1mm以下以下 300GHz以上以上 超極高頻超極高頻遠(yuǎn)距離通信采用的新技術(shù)遠(yuǎn)距離通信采用的新技術(shù)n無線電中繼無線電

6、中繼radio relayradio relayn衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信satellite communicationsatellite communicationn平流層通信平流層通信High Altitude Platform High Altitude Platform StationsStations代替衛(wèi)星作為基站的通信代替衛(wèi)星作為基站的通信除天波和地波的傳播方式之外，電磁波還除天波和地波的傳播方式之外，電磁波還可以通過散射方式進(jìn)行傳播?？梢酝ㄟ^散射方式進(jìn)行傳播。反射：鏡面反射反射：鏡面反射散射：傳播媒體不均勻，電磁波的傳播方散射：傳播媒體不均勻，電磁波的傳播方向向許多方向折射向向許多方向

7、折射n電離層散射電離層散射n對流層散射對流層散射n流星余跡散射流星余跡散射內(nèi)導(dǎo)體芯線內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣絕緣內(nèi)屏蔽內(nèi)屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套圖：圖：雙絞線雙絞線(Twisted Pair)表：表： 銅軸電纜的類型銅軸電纜的類型銅芯銅芯絕緣層絕緣層外導(dǎo)體外導(dǎo)體屏蔽層屏蔽層保護(hù)套保護(hù)套圖：圖： 同軸電纜同軸電纜而沿直線傳播而沿直線傳播表：表： 單模光纖與多模光纖的比較單模光纖與多模光纖的比較 （a）折射角大于入射角）折射角大于入射角 （b）光波在纖芯中傳播）光波在纖芯中傳播 （c）62.5/125m漸變漸變增強(qiáng)型多模光纖增強(qiáng)型多模光纖 圖圖 多模光纖多模光纖 圖圖 光纖連接器光纖連接器 ( ) ( )(

8、 )oiietf e tn tk t e tn tei（t）f .eo(t)=fei(t)+n(t)n(t)ei(tei(t) )：模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)；：模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)；ff ： 線性失真，非線性失真，損耗，時(shí)變線性失真，非線性失真，損耗，時(shí)變損耗等。工程上應(yīng)是非線性失真損耗等。工程上應(yīng)是非線性失真 n(tn(t) )： 加性噪聲，與加性噪聲，與ei(tei(t) )無關(guān)。無關(guān)。k(tk(t) )： 產(chǎn)生乘性噪聲，包括各種失真等，只產(chǎn)生乘性噪聲，包括各種失真等，只有有ei(tei(t) )存在時(shí)，乘性噪聲才存在。存在時(shí)，乘性噪聲才存在。1|00|1PP二進(jìn)制編碼信道一、特性一、特性恒參信道

9、：非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)恒參信道：非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)ei（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t) +n(t)n(t)( )()h t FH對于對于理想信道理想信道：（1）H(w)=k 用群遲延頻率特性來描述相頻特性：用群遲延頻率特性來描述相頻特性：(w)=d(w)/d w，當(dāng)，當(dāng)（2）(w)=-td時(shí)，無時(shí)，無相頻畸變。相頻畸變。 H(w) k(常數(shù)常數(shù))，產(chǎn)生頻率失真。線性失真，產(chǎn)生頻率失真。線性失真，可以用一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償?？梢杂靡粋€(gè)線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。 (w) -wtd ，產(chǎn)生相位失真。也是線性失，產(chǎn)生相位失真。也是線性失真，可以用線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。真，可以用線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)

10、使工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使 H() 畸變范圍及畸變范圍及()誤誤差范圍符合要求。差范圍符合要求。)(Hf0BPF頻率特性)(f二、對信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚π盘?hào)傳輸?shù)挠绊慹i（t）h(t)eo(t)=ei(t)*h(t) +n(t)n(t)1模擬信號(hào)模擬信號(hào) H() k，使模擬信號(hào)失真，解調(diào)后基帶，使模擬信號(hào)失真，解調(diào)后基帶信號(hào)失真。信號(hào)失真。 ()=-td，對語音信號(hào)影響不大，對語音信號(hào)影響不大(耳朵對相位耳朵對相位不敏感不敏感)，僅對視頻信號(hào)影響大。，僅對視頻信號(hào)影響大。1數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)H()不理想，可能造成碼間串?dāng)_、誤碼。不理想，可能造成碼間串?dāng)_、誤碼。例：例：2ASK系統(tǒng)，設(shè)帶寬無限大，對信號(hào)傳

11、輸無影響。系統(tǒng)，設(shè)帶寬無限大，對信號(hào)傳輸無影響。調(diào)制器調(diào)制信道檢波判決2ASKSi(t)r(t)mo(t)m(t)100m(t)2ASKSi(t)r(t)cp(t)110mo(t)門限ttttt 2ASK頻譜范圍無限，通過信道后失真碼間串?dāng)_ 收、發(fā)濾波器合理設(shè)計(jì)，可使碼間串?dāng)_為零。三、克服措施三、克服措施模擬通信：模擬通信： 頻域均衡，使信道、均衡器聯(lián)合頻頻域均衡，使信道、均衡器聯(lián)合頻率特性在信號(hào)頻率范圍類無畸變。率特性在信號(hào)頻率范圍類無畸變。 數(shù)字通信：數(shù)字通信：合理設(shè)計(jì)收、發(fā)濾波器，消除信道產(chǎn)生的碼間合理設(shè)計(jì)收、發(fā)濾波器，消除信道產(chǎn)生的碼間串?dāng)_。串?dāng)_。信道特性緩慢變化時(shí)，用時(shí)域均衡器，使碼

12、間信道特性緩慢變化時(shí)，用時(shí)域均衡器，使碼間串?dāng)_降到最小且可自適應(yīng)信道特性變化串?dāng)_降到最小且可自適應(yīng)信道特性變化一、特性一、特性隨參信道：時(shí)變隨參信道：時(shí)變傳輸特點(diǎn)：傳輸特點(diǎn)：信號(hào)的傳輸衰減隨時(shí)間變化信號(hào)的傳輸衰減隨時(shí)間變化信號(hào)的傳輸時(shí)延隨時(shí)間變化信號(hào)的傳輸時(shí)延隨時(shí)間變化信號(hào)經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，并且每條路徑信號(hào)經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，并且每條路徑的衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化。（的衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化。（多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)）ABabcd收發(fā)無線共 同照射區(qū) a、b、c、d散射體，由小氣團(tuán)組成，每個(gè)小氣團(tuán)都是一個(gè)二次輻射源，它們組成一個(gè)散射體。二、對信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚?、對信?hào)傳輸?shù)挠绊?發(fā)射單頻信號(hào)發(fā)

13、射單頻信號(hào) Acost，瑞利衰落、頻率彌散瑞利衰落、頻率彌散。接收信號(hào)經(jīng)接收信號(hào)經(jīng)n條路徑傳輸?shù)浇邮斩?，則接受信號(hào)可條路徑傳輸?shù)浇邮斩?，則接受信號(hào)可以表示為以表示為 )m.,2 ,1i ( ) t (t cos) t (u) t (kioi01010011( )( )cos( )( )cos( )( )cos( )cos( )sin( )sinniiiniiinniiiiiiR ttttttttttttt0( )i( )i( )( )iiiitttt 是第 條路徑到達(dá)的接受信號(hào)振幅；是第 條路徑到達(dá)的信號(hào)的時(shí)延；1100022( )( )cos( )( )( )sin( )( )( )cos(

14、 )sin( )cos( )( )( )( ),( )( )arctan,( )nciiinsiiicscsscX tttX tttR tX ttX ttV tttV tXtXtX ttX t設(shè)其中：是接受信號(hào)的包絡(luò)是接受信號(hào)的相位由于由于ui(t)及及i(t)是緩慢變化的是緩慢變化的(相對于信號(hào)角頻相對于信號(hào)角頻率率0周期相比周期相比），因此），因此Xc(t)、Xs(t)、(t)、V(t)也是緩慢變化的，于是也是緩慢變化的，于是R(t)可視為一個(gè)可視為一個(gè)包絡(luò)包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)。衰落（衰落（fading）：信號(hào)包絡(luò)因?yàn)閭鞑ザ辛似鸱盒盘?hào)包絡(luò)因?yàn)閭?/p>

15、播而有了起伏的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 多徑效應(yīng)下，發(fā)射單頻信號(hào)：多徑效應(yīng)下，發(fā)射單頻信號(hào)：tR(t)f0時(shí)域：瑞利衰落（快衰落）頻域：頻率彌散快衰落：快衰落：多徑傳播使得信號(hào)包絡(luò)產(chǎn)生的起伏遠(yuǎn)小于多徑傳播使得信號(hào)包絡(luò)產(chǎn)生的起伏遠(yuǎn)小于發(fā)送信號(hào)周期，但是仍可能是秒或者秒以下的數(shù)量發(fā)送信號(hào)周期，但是仍可能是秒或者秒以下的數(shù)量級(jí)，所以常常將級(jí)，所以常常將多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)引起的衰落稱為快衰落。引起的衰落稱為快衰落。慢衰落：慢衰落：沒有多徑效應(yīng)時(shí)，沒有多徑效應(yīng)時(shí)，僅有一條無線路徑僅有一條無線路徑傳播傳播時(shí)所引起的衰落稱為慢衰落。時(shí)所引起的衰落稱為慢衰落。2發(fā)射頻帶信號(hào)，發(fā)射頻帶信號(hào)， 頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落。

16、以兩路徑為例，且衰減是恒定的；以兩路徑為例，且衰減是恒定的； f(t)V0V0延遲t0延遲t0+V0f(t-t0)+V0f(t-t0- )0000222020( )(1)()2cos()2jtjjjjjtjjtHV eeV eeeeV ee 是變化的，故傳輸特性零點(diǎn)、極點(diǎn)是變化的。是變化的，故傳輸特性零點(diǎn)、極點(diǎn)是變化的。設(shè)最大遲延為設(shè)最大遲延為m，則相對帶寬，則相對帶寬f=1/m 。當(dāng)信號(hào)帶寬當(dāng)信號(hào)帶寬Bf時(shí)，時(shí)，R(t)波形一定有畸變。波形一定有畸變。當(dāng)信號(hào)帶寬當(dāng)信號(hào)帶寬Bf時(shí)，時(shí)，R(t)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，與發(fā)射單時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，與發(fā)射單頻信號(hào)時(shí)現(xiàn)象相似。頻信號(hào)時(shí)現(xiàn)象相似。為了不引起明顯的選者性衰弱，為

17、了不引起明顯的選者性衰弱，B應(yīng)小于應(yīng)小于f且采且采用分集接收等技術(shù)使信號(hào)穩(wěn)定。用分集接收等技術(shù)使信號(hào)穩(wěn)定。三、克服措施三、克服措施一分集接收技術(shù)一分集接收技術(shù)分別接收若干個(gè)獨(dú)立的攜帶同一信息的信號(hào)，并分別接收若干個(gè)獨(dú)立的攜帶同一信息的信號(hào)，并將它們合并在一起，因這些信號(hào)不可能同時(shí)被衰將它們合并在一起，因這些信號(hào)不可能同時(shí)被衰減掉，因而可改善隨參信道的傳輸特性。減掉，因而可改善隨參信道的傳輸特性。二擴(kuò)頻技術(shù)二擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)展頻譜通信擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)簡稱擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻通信的基簡稱擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的

18、本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行偽隨機(jī)碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來發(fā)射。擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來發(fā)射。香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)在信息論的研究中指出：如果信在信息論的研究中指出：如果信息傳輸速率息傳輸速率C不變，則帶寬不變，則帶寬W和信噪比和信噪比P/N是可是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，也就是可以用擴(kuò)頻方法以寬帶傳輸信息來換取信也就是可以用擴(kuò)頻方法

19、以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。噪比上的好處。一、分類一、分類按照來源分類按照來源分類人為噪聲：電鉆產(chǎn)生的電火花等人為噪聲：電鉆產(chǎn)生的電火花等自然噪聲：閃電，宇宙噪聲等。自然噪聲：閃電，宇宙噪聲等。熱噪聲：電熱噪聲：電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。按照性質(zhì)分類按照性質(zhì)分類確知噪聲確知噪聲諧波干擾，自激諧波干擾，自激隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲脈沖噪聲：突發(fā)產(chǎn)生，頻譜寬，時(shí)間窄。脈沖噪聲：突發(fā)產(chǎn)生，頻譜寬，時(shí)間窄。數(shù)字信號(hào)影響大。數(shù)字信號(hào)影響大。單頻噪聲：非所需的連續(xù)已調(diào)正弦波。存單頻噪聲：非所需的連續(xù)已調(diào)正弦波。存在特定頻率，特定地點(diǎn)。在特定頻率，特定地點(diǎn)。起伏噪聲：起伏噪聲：熱

20、噪聲熱噪聲，散彈噪聲，宇宙噪聲。，散彈噪聲，宇宙噪聲。無處不在。無處不在。二、白噪聲二、白噪聲熱噪聲熱噪聲的頻率范圍很廣，均勻分布在從接的頻率范圍很廣，均勻分布在從接近近0Hz0Hz開始，直到開始，直到10101212HzHz。熱噪聲的頻譜一般是均勻分布的，好像白熱噪聲的頻譜一般是均勻分布的，好像白光的頻譜在可見光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布光的頻譜在可見光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布一樣，所以常常又被稱作一樣，所以常常又被稱作白噪聲白噪聲。熱噪聲本身是白色的，但是經(jīng)過了接收端熱噪聲本身是白色的，但是經(jīng)過了接收端濾波器之后，帶寬受限，于是便不再是白濾波器之后，帶寬受限，于是便不再是白色成了窄帶噪聲，稱作色成了窄帶噪聲，稱作帶限白噪聲帶限白噪聲。三、噪聲帶寬三、噪聲帶寬Sm(t)接收濾波器解調(diào)n(t)ni(t)BPFBPFfni(t)的功率譜密度Pni(t)ff00白噪聲窄帶白噪聲N N不可能為無窮大，故白噪聲的頻率范圍應(yīng)是有限的。不可能為無窮大，故白噪聲的頻率范圍應(yīng)是有限的。( )npf df噪聲功率Pn(f0)Bnf0噪聲帶寬Bn00( )()iinninPPf dfBP Pf為了描述窄帶噪聲帶寬概念，引入為了描述窄帶噪聲帶寬概念，引入噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬概念。概念。