通信原理-第4章素材培訓(xùn)講學(xué)

通信原理-第4章素材一、信道基本概念（無線信道）電磁波的分類：地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數(shù)百或數(shù)千千米

天波頻率：2~30MHz特點(diǎn)：被電離層反射一次反射距離：<4000km

插曲：天波的發(fā)現(xiàn)過程傳播路徑地面地波傳播地面信號(hào)傳播路徑天波傳播一、信道基本概念（無線信道）視線傳播：頻率>30MHz距離:和天線高度有關(guān)

式中，D–收發(fā)天線間距離(km)。[例]若要求D=50km，則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：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr視線傳播無線電中繼m一、信道基本概念（無線信道）衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)空間信息處理3S一、信道基本概念（無線信道）散射傳播電離層散射

機(jī)理－由電離層不均勻性 頻率－30~60MHz

距離－1000km以上對(duì)流層散射

機(jī)理－對(duì)流層不均勻性（湍流） 頻率－100~4000MHz

最大距離<600km

對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)一、信道基本概念（無線信道）流星余跡散射

流星余跡特點(diǎn):高度－80~120km，長(zhǎng)度15~40km

存留時(shí)間－小于1秒至幾分鐘 頻率－30~100MHz

距離－1000km以上

低速存儲(chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸

流星余跡散射通信流星余跡一、信道基本概念（有線信道）明線一、信道基本概念（有線信道）對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線組成同軸電纜雙絞線導(dǎo)體絕緣層導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)

同軸線一、信道基本概念（有線信道）光纖結(jié)構(gòu)纖芯包層按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)一、信道基本概念（有線信道）0.7

0.9

1.11.31.5

1.7光波波長(zhǎng)（m）1.55m1.31m圖4-12光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系損耗與波長(zhǎng)關(guān)系損耗最小點(diǎn)：1.31與1.55m11二、信道的數(shù)學(xué)模型信道模型的分類：調(diào)制信道編碼信道編碼信道調(diào)制信道12二、信道的數(shù)學(xué)模型調(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。通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋?/p>

－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13二、信道的數(shù)學(xué)模型因k(t)隨t變，故信道稱為時(shí)變信道。因k(t)與ei(t)相乘，故稱其為乘性干擾。因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道。若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，沒有乘性干擾。14二、信道的數(shù)學(xué)模型

編碼信道模型二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型－無記憶信道模型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)

P(1/0)P(0/1)0011P(0/0)P(1/1)二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端接收端15三、恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺琅e例：各種有線信道、衛(wèi)星信道…恒參信道非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過線性系統(tǒng)的分析方法。線性系統(tǒng)中無失真條件：振幅～頻率特性：為水平直線時(shí)無失真

插入損耗～頻率特性左圖為典型電話信道特性16三、恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懴辔弧l率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線 即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無失真 群時(shí)延定義：頻率(kHz)ms時(shí)延

群延遲～頻率特性0相位～頻率特性wqwtdd=)(17三、恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戭l率失真：振幅～頻率特性不良引起的頻率失真波形畸變碼間串?dāng)_解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償相位失真：相位～頻率特性不良引起的對(duì)語音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大解決辦法：同上非線性失真：可能存在于恒參信道中定義：輸入電壓～輸出電壓關(guān)系是非線性的其他失真：

頻率偏移、相位抖動(dòng)…非線性關(guān)系直線關(guān)系非線性特性輸入電壓輸出電壓四、無線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛瓷洚?dāng)傳播的電磁波入射到一個(gè)其尺寸比波長(zhǎng)大的多的物體時(shí)。如：地面，建筑物，墻壁繞射電磁波被一個(gè)具有明顯不規(guī)則性的表面阻塞時(shí)。散射當(dāng)電磁波遇到尺寸小于波長(zhǎng)的障礙物或單位體積的障礙物很多時(shí)。如：樹葉，路燈桿四、無線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨姶挪▊鞑シ绞降膱D示四、無線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰ヂ湫盘?hào)的路徑損失，慢衰落，快衰落四、無線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懧窂綋p耗也稱自由空間的傳輸損耗，描述的是大尺度區(qū)間(數(shù)百或數(shù)千米)內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度隨收發(fā)距離變化的特性。

陰影衰落是由傳輸環(huán)境中的地形起伏、建筑物及障礙物對(duì)電磁波的阻擋和遮蔽引起的衰落，它描述的是中等尺度區(qū)間(數(shù)百個(gè)波長(zhǎng))內(nèi)信號(hào)電平均值起伏變化的趨勢(shì)?？焖ヂ溆糜诿枋龆叹嚯x(幾個(gè)波長(zhǎng))或短時(shí)間(秒級(jí))內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的快速變化，由無線信道的多徑特性引起，故也稱多徑衰落。無線信道衰落分類四、無線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇x擇性衰落角度擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展多徑時(shí)延擴(kuò)展時(shí)間選擇性衰落空間選擇性衰落頻率選擇性衰落四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展）多徑導(dǎo)致波形失真多徑帶來的頻率選擇性失真

根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)得：

四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展）兩徑時(shí)的頻率選擇性衰落即兩徑傳播時(shí)，信道的傳輸特性為其幅頻響應(yīng)為

可以看到在處出現(xiàn)傳播極點(diǎn)，在處出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。顯然當(dāng)一個(gè)傳輸波形的頻譜約寬于時(shí)傳輸波形將出現(xiàn)畸變，這種畸變就是由頻率選擇性衰落引起的。

我們用功率時(shí)延譜和信道沖擊響應(yīng)沿頻率的自相關(guān)函數(shù)來表示信道在時(shí)域和頻域上的相關(guān)性與時(shí)延和頻率差之間的關(guān)系，兩者之間有如下關(guān)系我們稱能夠使不為零的最大的時(shí)延為多徑時(shí)延擴(kuò)展。而能夠使不為零的最大頻率間隔稱為相干帶寬。由于多普勒功率譜和自相關(guān)函數(shù)之間是傅里葉變換關(guān)系，所以存在約等關(guān)系

通過多徑時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬與碼元間隔之間的關(guān)系，我們可以確定信道是平坦衰落還是頻率選擇性衰落。四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展)四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展)四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展)平坦衰落和頻率選擇性衰落例題：某寬帶信道的多徑時(shí)延為5us,為避免碼間干擾，要求碼元周期遠(yuǎn)大于多徑時(shí)延Ts>10,求不發(fā)生碼間干擾的最大符號(hào)速率？四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ǘ嗥绽諗U(kuò)展)多普勒頻移

由于移動(dòng)用戶與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)多徑波都會(huì)有一個(gè)明顯的頻率移動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)引起的接收信號(hào)頻率的移動(dòng)稱為多普勒頻移。——遠(yuǎn)程信號(hào)源；——信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)頻率；

——接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率；——移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與來波方向夾角則其中即為多普勒頻移。稱的最大值為最大多普勒頻移，記為，則。多普勒擴(kuò)展 是一種有多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過程的頻率擴(kuò)散，又稱時(shí)間選擇性衰落。四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ǘ嗥绽諗U(kuò)展)四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ǘ嗥绽諗U(kuò)展)四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ń嵌葦U(kuò)展)四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰江h(huán)境時(shí)延擴(kuò)展（）角度擴(kuò)展（）多普勒擴(kuò)展（）平坦的農(nóng)村（宏單元）0.51190城市（宏單元）520120丘陵（宏單元）2030190林蔭路（微單元）0.312010室內(nèi)（微單元）0.13605例子：蜂窩式通信中的典型擴(kuò)展四、無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰娇朔o線信道衰落的方法-分集接收頻率分集：頻率間不相關(guān)時(shí)間分集：RAKE接收極化分集：水平極化與垂直極化空間分集：多輸入多輸出無線通信系統(tǒng)MIMO,智能天線

噪聲來源性質(zhì)自然噪聲:電磁波源，如閃電，大氣中電暴，銀河系噪聲及其他宇宙噪聲人為噪聲：外臺(tái)信號(hào)，開關(guān)，工業(yè)點(diǎn)火輻射隨機(jī)噪聲確知的：諧波干擾等隨機(jī)的：不能預(yù)測(cè)的噪聲內(nèi)部噪聲：熱噪聲，散彈噪聲單頻噪聲：連續(xù)波干擾脈沖噪聲：突發(fā)的短促噪聲起伏噪聲：在時(shí)域和頻域存在，不可避免的噪聲起伏噪聲熱噪聲：從直流到《1013HZ例子散彈噪聲：電子發(fā)射的不均勻性造成，帶寬通?！?00MHZ宇宙噪聲：工作頻率低于300MHZ要考慮高斯白噪聲五、信道中的噪聲五、信道中的噪聲熱噪聲電壓有效值

式中k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)

T

－熱力學(xué)溫度（oK）

R

－阻值（）B

－帶寬（Hz）噪聲功率譜特性

Pn(f)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六、信道容量-離散信道容量信道容量－指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。兩種度量單位C－每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?bit/符號(hào))Ct

－單位時(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘?bit/s)離散信道容量的信道模型發(fā)送符號(hào)：x1，x2，x3，…，xn接收符號(hào)：y1，y2，y3，…，ymP(xi)=發(fā)送符號(hào)xi的出現(xiàn)概率,i＝1,P(yj)=收到y(tǒng)j的概率，j＝1,2,…,mP(yj/xi)=轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)送xi的條件下收到y(tǒng)j的條件概率x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端xn。。。。。。。。。ym

信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)六、信道容量-離散信道容量有噪信道

收到一個(gè)符號(hào)的平均信息量只有[H(x)–H(x/y)]而發(fā)送符號(hào)的信息量原為H(x),少了的部分H(x/y)就是傳輸錯(cuò)誤率引起的損失。x1x2x3y3y2y1接收端發(fā)送端。。。。。。。yn無噪聲信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xnYj

已知后，x的不確定性平均收到一個(gè)符號(hào)時(shí)發(fā)送符號(hào)

的不確定性交互信息＝平均信息量/符號(hào)無噪聲信道此時(shí)P(xi

/yj)=0；H(x/y)=0。從接收一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息量為H(x)。再次說明H(x/y)即為因噪聲而損失的平均信息量。六、信道容量-離散信道容量例題二進(jìn)制信源的熵在等概分布時(shí)達(dá)到最大設(shè)發(fā)送“1”的概率P(1)=， 則發(fā)送“0”的概率P(0)＝1-

當(dāng)從0變到1時(shí)，信源的熵H()可以寫成：按照上式畫出的曲線：由此圖可見，當(dāng)＝1/2時(shí)， 此信源的熵達(dá)到最大值。 這時(shí)兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等， 其不確定性最大。二進(jìn)制信源的熵H()六、信道容量-離散信道容量例題【例4.6.1】設(shè)信源由兩種符號(hào)“0”和“1”組成，符號(hào)傳輸速率為1000符號(hào)/秒，且這兩種符號(hào)的出現(xiàn)概率相等,均等于1/2。信道為對(duì)稱信道，其傳輸?shù)姆?hào)錯(cuò)誤概率為1/128。試畫出此信道模型，并求此信道的容量C和Ct。

【解】此信道模型畫出如下：六、信道容量-離散信道容量例題此信源的平均信息量（熵）等于： （比特/符號(hào)）而條件信息量可以寫為現(xiàn)在P(x1

/

y1)

=

P(x2

/

y2)

=127/128

P(x1

/

y2)

=

P(x2

/

y1)

=1/128并且考慮到P(y1)+P(y2)=1，所以上式可以改寫為六、信道容量-離散信道容量例題平均信息量/符號(hào)＝H(x)–H(x/

y)=1–0.045=0.955 （比特

/

符號(hào)）因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號(hào)損失的信息量為

H(x/y)=0.045（比特