通信原理信道

1、沈忠良沈忠良 講師講師理工大學(xué)通信工程學(xué)院理工大學(xué)通信工程學(xué)院無(wú)線(xiàn)通信教研中心聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研室無(wú)線(xiàn)通信教研中心聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研室解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)2 隨機(jī)過(guò)程隨機(jī)過(guò)程 i i(t(t) )通過(guò)線(xiàn)性系統(tǒng)，其輸出：通過(guò)線(xiàn)性系統(tǒng)，其輸出：1) 1) o(to(t) )的數(shù)學(xué)期望的數(shù)學(xué)期望2) 2) o o(t(t) )的自相關(guān)函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)3) 3) o(to(t) )的功率譜密度的功率譜密度4) 4) 輸出過(guò)程輸出過(guò)程 o o(t(t) )的分布的分布解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)3第3章 信道信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道，是通信系統(tǒng)信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道，是通信系統(tǒng)

2、必不可少的組成部分，對(duì)系統(tǒng)性能起著至關(guān)重要的作必不可少的組成部分，對(duì)系統(tǒng)性能起著至關(guān)重要的作用。用。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)43.1 恒參信道n恒參信道：傳輸媒質(zhì)特性基本不隨時(shí)間變化，稱(chēng)為恒參信道。n隨參信道：傳輸媒質(zhì)特性隨時(shí)間隨機(jī)快變化，稱(chēng)為隨參信道。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)5 1. 對(duì)稱(chēng)電纜 由若干對(duì)放在一根保護(hù)套內(nèi)的雙絞線(xiàn)制成?！半p絞”形式能夠減小兩導(dǎo)線(xiàn)之間的干擾。大量用于電話(huà)用戶(hù)線(xiàn)及局域網(wǎng)。3.1.1有線(xiàn)電信道解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)62同軸電纜50同軸電纜，用于天線(xiàn)饋線(xiàn)，稱(chēng)射頻同軸電纜75同軸電纜，用于有線(xiàn)電視，稱(chēng)視頻同軸電纜3.1.1有線(xiàn)電信道解放軍理工大學(xué)解放軍理工大

3、學(xué)73.1.1有線(xiàn)電信道架空明線(xiàn)光纖電話(huà)傳輸，架設(shè)相對(duì)方便。頻帶寬，傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，抗雷電和電磁干擾性能好。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)8 視距傳播 頻率高于 30MHz 的電磁波一般為視距傳播，即直線(xiàn)傳播。4.12()()trDh mh mKm= =+ +3.1.2微波中繼信道解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)9300MHz以上稱(chēng)為微波。視距傳輸，受地形及地球曲率、天線(xiàn)高度限制，一站傳輸距離3050Km。微波中繼微波波段頻率高，頻段范圍寬，信道容量大，通信質(zhì)量好，微波波段頻率高，頻段范圍寬，信道容量大，通信質(zhì)量好，建設(shè)速度快。廣泛用來(lái)傳輸多路電話(huà)及電視。建設(shè)速度快。廣泛用來(lái)傳輸多路電話(huà)及電

4、視。3.1.2微波中繼信道解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)103.1.3衛(wèi)星中繼信道 利用三顆地球同步衛(wèi)星可以覆蓋全球，從而實(shí)現(xiàn)全 球通信。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：通信容量大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣等。：通信容量大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣等。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：離地面較遠(yuǎn)，信號(hào)衰減大；傳輸時(shí)延大。靜止衛(wèi)星電波：離地面較遠(yuǎn)，信號(hào)衰減大；傳輸時(shí)延大。靜止衛(wèi)星電波一次往返需要一次往返需要0.26 s0.26 s左右，會(huì)感到明顯的話(huà)音延遲。左右，會(huì)感到明顯的話(huà)音延遲。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)11解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)12解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)13自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗( (VHF、U

5、HF直射波) )2)4(dGGPPRTTR24()TfsRPdLPdf式中，式中， 的單位為的單位為kmkm； 的單位為的單位為MHzMHz。自由空間傳播損耗，。自由空間傳播損耗，距離或頻率每增加一倍，傳播損耗增加距離或頻率每增加一倍，傳播損耗增加6dB6dB。TGRGd2/4 、 為發(fā)、收天線(xiàn)增益，為發(fā)、收天線(xiàn)增益， 為收發(fā)天線(xiàn)之間的直線(xiàn)距離，為收發(fā)天線(xiàn)之間的直線(xiàn)距離， 為工作頻率的波長(zhǎng)，為工作頻率的波長(zhǎng)， 為各向同性天線(xiàn)有效接收面積。為各向同性天線(xiàn)有效接收面積。 TGRG自由空間損耗：自由空間損耗：在在 、 都為都為1 1時(shí)，發(fā)射功率與接收功率的比時(shí)，發(fā)射功率與接收功率的比值，即：值，即：

6、32.4420lg20lgf sLdfdB用用dBdB表示：表示：接收天線(xiàn)獲得功率：接收天線(xiàn)獲得功率： 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)143.2.1 陸地移動(dòng)信道自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)15 當(dāng)頻率范圍為當(dāng)頻率范圍為330MHzMHz（波長(zhǎng)為（波長(zhǎng)為 10100m m）的短波（或稱(chēng)）的短波（或稱(chēng)為高頻）無(wú)線(xiàn)電波射入為高頻）無(wú)線(xiàn)電波射入電離層電離層時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面，從而形成短波生反射，返回地面，從而形成短波電離層電離層反射信道。反射信道。 由于太陽(yáng)輻射的紫外線(xiàn)和由于太陽(yáng)輻射的紫外線(xiàn)和X X射線(xiàn)，使離地面射線(xiàn)，使

7、離地面60600kmkm的的大氣層電離形成電離層。電離層由分子、原子、離子及自由大氣層電離形成電離層。電離層由分子、原子、離子及自由電子組成。電子組成。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)16電離層可分為電離層可分為D D、E E、F1F1、F2F2四層，其中四層，其中D D、E E層電子密度小，層電子密度小，不能反射，主要是吸收電波，使電波能量損耗。不能反射，主要是吸收電波，使電波能量損耗。F1F1層只有在層只有在白天日照時(shí)才存在。白天日照時(shí)才存在。F2F2為反射層，高度為為反射層，高度為250250300km300km，所以一次反射的最大距離，所以一次反射的最大距離可達(dá)可達(dá)4000km4000km

8、。由于太陽(yáng)輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時(shí)間變化，由于太陽(yáng)輻射的變化，電離層的密度和厚度也隨時(shí)間變化，與天氣、晝夜及季節(jié)也有關(guān)，因此電離層反射信道是典型的與天氣、晝夜及季節(jié)也有關(guān)，因此電離層反射信道是典型的隨參信道。隨參信道。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)17n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)（可達(dá)幾千至上萬(wàn)公里）、受地形影響小、：傳輸距離遠(yuǎn)（可達(dá)幾千至上萬(wàn)公里）、受地形影響小、架設(shè)方便、電離層不易摧毀。架設(shè)方便、電離層不易摧毀。n缺點(diǎn)缺點(diǎn)：傳輸可靠性差（隨參信道）。：傳輸可靠性差（隨參信道）。n主要應(yīng)用主要應(yīng)用：短波：短波AMAM廣播，短波廣播，短波SSBSSB電臺(tái)，數(shù)據(jù)通信。電臺(tái)，數(shù)據(jù)通信。電波從電

9、離層的一次電波從電離層的一次反射和多次反射反射和多次反射電離層反射區(qū)高度電離層反射區(qū)高度所形成的細(xì)多徑所形成的細(xì)多徑多徑傳播：電離層反射信道最主要的特征是多徑傳播。多徑傳播：電離層反射信道最主要的特征是多徑傳播。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)181. 1. 理想恒參信道特性理想恒參信道特性K K0 0為傳輸系數(shù)，為傳輸系數(shù)，t td d為時(shí)間延遲。為時(shí)間延遲。0( )()oids tK s tt0( )( )dj toiSK Se 0dj tHK en恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯呛銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定確定的或者是變化極其的或者是變化極其緩慢緩慢的，可等效為一個(gè)的，可等效為一個(gè)線(xiàn)性時(shí)不變線(xiàn)性

10、時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)191. 1. 理想恒參信道特性理想恒參信道特性n傳輸函數(shù)n幅頻特性n相頻特性n群遲延 0dj tHK e 0HK dt ddtd 或沖激響應(yīng)0( )()dh tKtt0K H0dt( ) 0dt( ) 0不失真?zhèn)鬏敆l件解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)203.3.1 恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型3 3相頻失真相頻失真: :也稱(chēng)群時(shí)延失真，使信號(hào)的也稱(chēng)群時(shí)延失真，使信號(hào)的不同頻率分量產(chǎn)生不不同頻率分量產(chǎn)生不同的時(shí)延同的時(shí)延，從而導(dǎo)致信號(hào)波形失真。，從而導(dǎo)致信號(hào)波形失真?；ㄖC波合成波基波諧波合成波（a）（b）tt2 2幅頻失真幅頻失真: :也稱(chēng)為頻率失真，使

11、信號(hào)的也稱(chēng)為頻率失真，使信號(hào)的不同頻率分量受到不不同頻率分量受到不同衰減同衰減，從而導(dǎo)致信號(hào)波形失真。，從而導(dǎo)致信號(hào)波形失真。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)21相位vs頻率特性( ) 0幅度衰減vs頻率特性( )/AdB0群遲延vs頻率特性( ) 0 幅頻失真 相頻失真 群遲延失真解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)224.4. 具有加性高斯噪聲的恒參信道數(shù)學(xué)模型具有加性高斯噪聲的恒參信道數(shù)學(xué)模型+信道( )s t( )n t( )( )( )( )r ts th tn t( )h t線(xiàn)性濾波器解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)233.3.2 隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型隨參信道三個(gè)共同特點(diǎn)：隨參信道三個(gè)共同特點(diǎn)

12、：（1 1）對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化；）對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化；（2 2）傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化；）傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化；（3 3）多徑傳播）多徑傳播 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)241. 1. 多徑衰落與頻率彌散多徑衰落與頻率彌散( )cos()cs tAt單頻信號(hào)解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)251. 1. 多徑衰落與頻率彌散多徑衰落與頻率彌散 1cos( )niciir tattt路徑路徑1路徑路徑2路徑路徑3路徑路徑n.11( )cos( )ca ttt22( )cos( )ca ttt33( )cos( )ca ttt( )cos( )ncnatttcos()( )cs tAt r

13、t多徑傳播接收信號(hào)是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合多徑傳播接收信號(hào)是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成成 ：解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)263.3.2 隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型1 1多徑衰落與頻率彌散多徑衰落與頻率彌散 1111cos( )cos( )coscossinsin( )cos( )sin( )cos( )nniciiciiinniiciiciiccsccr ta ttta ttta ttta tttXttXttV ttt由于由于 及及 與載頻相比是緩慢變化的，因而包絡(luò)與載頻相比是緩慢變化的，因而包絡(luò) 、相位相位 也是緩慢變化的。故也是緩慢變化的。故 為一個(gè)窄帶過(guò)程，其

14、中心頻為一個(gè)窄帶過(guò)程，其中心頻率為率為 。( )ia t( )it( )V t( ) tcf( )r t解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)27從而單頻信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑傳播后，其時(shí)域波形及其功率譜的示意圖：從而單頻信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑傳播后，其時(shí)域波形及其功率譜的示意圖：00衰落信號(hào)的包絡(luò)與功率譜示意圖)(tr( )V t( )2cdtfdtt)( fPrfcf結(jié)論：結(jié)論：包絡(luò)和相位都是作緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程。包絡(luò)和相位都是作緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程。 包絡(luò)服從瑞利分布，相位服從均勻分布。包絡(luò)服從瑞利分布，相位服從均勻分布。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)28多徑傳播對(duì)信號(hào)的影響表現(xiàn)為：多徑傳播對(duì)信號(hào)的影響表現(xiàn)為：（1 1）

15、瑞利衰落：）瑞利衰落： 波形上，多徑傳播使單一頻率信號(hào)波形上，多徑傳播使單一頻率信號(hào) 變成包絡(luò)和相變成包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，這樣的信號(hào)稱(chēng)為衰落信號(hào)。通位受到調(diào)制的窄帶信號(hào)，這樣的信號(hào)稱(chēng)為衰落信號(hào)。通常，包絡(luò)常，包絡(luò) 服從瑞利分布，所以稱(chēng)為服從瑞利分布，所以稱(chēng)為瑞利型衰落瑞利型衰落。coscAt( )V t（2 2）頻率彌散：）頻率彌散： 頻譜上，多徑傳播使單一頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜，引頻譜上，多徑傳播使單一頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜，引起起頻率彌散頻率彌散。（3 3）頻率選擇性衰落：）頻率選擇性衰落： 即信號(hào)頻譜中的某些頻率分量被衰落而導(dǎo)致信號(hào)失真。即信號(hào)頻譜中的某些頻率分量被衰落而導(dǎo)致信

16、號(hào)失真。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)292. 2. 頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬 ( )1( )2cos2jtHketHk kk延遲(t)+si(t)so(t)f( )H f0122k1321( )( )( )oiis tks tks tt( )( )( )( )jtoiiSkSkSe 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)30 多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差 來(lái)表來(lái)表征，并定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為征，并定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為m1(Hz)cmBBc|H(f)|f(1/5 1/3)cBBcB 為了不引起明顯的頻率選擇性衰落

17、，傳輸信號(hào)的帶為了不引起明顯的頻率選擇性衰落，傳輸信號(hào)的帶寬寬B B必須小于多徑傳播信道的相關(guān)帶寬必須小于多徑傳播信道的相關(guān)帶寬 。在工程設(shè)。在工程設(shè)計(jì)中，選擇計(jì)中，選擇 即即 。 (3 5)mTf( )H f012( ) t2k解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)313.3.2 隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型+信道( )s t( )n t( )( )( ; )( )r ts thtn t( ; )ht線(xiàn)性時(shí)變?yōu)V波器n3 3時(shí)變線(xiàn)性濾波信道模型時(shí)變線(xiàn)性濾波信道模型解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)32編碼信道調(diào)制信道調(diào) 制 器發(fā)轉(zhuǎn)換器(狹義)信道接轉(zhuǎn)換器解 調(diào) 器編碼器輸出譯碼器輸入l狹義信道：即信號(hào)的傳輸媒質(zhì)；

18、狹義信道：即信號(hào)的傳輸媒質(zhì)； l廣義信道：除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)中有關(guān)的電路廣義信道：除傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)中有關(guān)的電路或部件，如收發(fā)設(shè)備、天饋線(xiàn)、調(diào)制解調(diào)器等?；虿考?，如收發(fā)設(shè)備、天饋線(xiàn)、調(diào)制解調(diào)器等。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)33n設(shè)信道輸出信號(hào)功率為設(shè)信道輸出信號(hào)功率為S(W)S(W)，輸出加性高斯噪聲功率為輸出加性高斯噪聲功率為N(W)N(W)，信道帶寬為信道帶寬為B(HzB(Hz) )，AWGNAWGN單邊功率譜密度為單邊功率譜密度為n n0 0則可以證明該信道的則可以證明該信道的信道容量信道容量C C為：為：220log1= log1 (bps)SSCBBNn Bn信

19、道容量信道容量：指信道中信息無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾?。：指信道中信息無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾?。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)34由香農(nóng)公式可得以下結(jié)論：由香農(nóng)公式可得以下結(jié)論：n(1) (1) 增大信號(hào)功率增大信號(hào)功率S S可以增加信道容量，若信號(hào)功率趨于無(wú)窮可以增加信道容量，若信號(hào)功率趨于無(wú)窮大，則信道容量也趨于無(wú)窮大，即大，則信道容量也趨于無(wú)窮大，即n(2) (2) 減小噪聲功率減小噪聲功率N N（或減小噪聲功率譜密度（或減小噪聲功率譜密度n n0 0）可以增加信）可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零（或噪聲功率譜密度趨于零），道容量，若噪聲功率趨于零（或噪聲功率譜密度趨于零），則信道容量趨于無(wú)窮大，

20、即則信道容量趨于無(wú)窮大，即20limlimlog1SSSCBn B 200limlimlog1NNSCBN 2log1SCBN解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)352log1SCBNn(3) (3) 增大信道帶寬增大信道帶寬B B可以增加信道容量，但不能使信道容量可以增加信道容量，但不能使信道容量無(wú)限增大。信道帶寬無(wú)限增大。信道帶寬B B趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量的極限值為趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量的極限值為上式表明，保持上式表明，保持S/nS/n0 0一定，即使信道帶寬一定，即使信道帶寬B B，信道容量，信道容量C C也是有限的。這是因?yàn)樾诺缼捯彩怯邢薜?。這是因?yàn)樾诺缼払 B時(shí)，噪聲功率時(shí)，噪聲功率N N也趨于也趨于無(wú)窮大。但二者在一定范圍內(nèi)可以互換，無(wú)窮大。但二者在一定范圍內(nèi)可以互換，擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信原理。原理