通信原理01_2

11绪论z通信的基本概念z通信系统的组成z通信系统分类及通信方式z信息及其度量z通信系统的主要性能指标z信道噪声z信道容量z21.6信道z信道(channel)：信号的传输媒体；z无线信道：利用电磁波在自由空间中的传播来传输信号（广播电台）z地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星及各种散射信道；z有线信道：利用人造的传输媒体来传输信号（固定电话）z明线、对称电缆、同轴电缆及光缆；31.6.1无线信道z原则上，任何频率的电磁波都可以产生。z电磁波的发射和接收是利用天线进行的－受到天线实现的限制！z通常用于通信的电磁波频率都较高。z根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播可以分为：地波、天波、视线传播。4对流层地球0~10km电离层60~300km平流层电磁波传播：地波、天波、视线传播5地波(groundwave)z频率：2MHz以下z绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比时z通信距离：可达数百～数千km地球6z太阳的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离zD层：60~80kmzE层：100~120kmzF层：150~400kmzF1层：140~200kmzF2层：250~400kmz晚上：D层、F1层消失电离层DDEEFFFF22FF11地地面面60km－400km7z频率：2～30MHzz电离层高度：60～300kmz单跳昀大距离：4000kmz多跳可以环球天波(skywave)8ddh接收天线发射天线传播途径D地面rrz频率：30MHz（类似于光波）z传播距离与天线架设的高度有关z若要求D为50km，则h应为50mhr视线传播(lineofsight)9无线电中继(radiorelay)图1.4.4无线电中继z由于视线传输距离有限，远距离通信可采用无线电中继，如每隔50km将信号转发一次。z天线架设越高，视线传播距离越远。10卫星通信(satellitecommunication)z覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大；z发射功率、延迟大；11全球卫星定位导航系统（GNSS）zGPS（GlobalPositioningSystem）zGLONASSGLObalNAvigationSatelliteSystemzGALILEOzCOMPASS12平流层通信(stratospherecommunication)z用高空平台电台HAPS(HighAltitudePlatformStation)进行中继，17～22km；13频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图1.4.5大气衰减大气对电磁波传播的影响z大气、水蒸汽和降水都会吸收和散射电磁波；z频率越高，传输衰减越严重；z在某些频率范围出现衰减峰值。14散射通信电磁波还可以通过散射方式传播：z电离层散射（30~60MHz）z对流层散射（100~4000MHz）z流星余迹散射（30~100MHz）对流层散射通信地球有效散射区域地球流星余迹散射通信151.6.2有线信道z明线z对称电缆z同轴电缆16有线信道z对称电缆：由许多对双绞线组成z同轴电缆图4-9双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质图4-10同轴线同轴电缆截面示意图17同轴电缆z50欧姆的同轴电缆又称基带同轴电缆，主要用来传送基带数字信号，广泛用于计算机网络。z75欧姆电缆又称宽带同轴电缆，它是CATV电视系统中的标准传输电缆，用于传输电视等模拟信号。在传输模拟信号时，其频率高达500MHz以上，而传输距离可达100km。z与双绞线相比，同轴电缆价格贵，但带宽大，传输距离长，高频衰减较小，抗干扰能力强。18光纤(a)光从硅纤维内以不同的角度入射到空气/硅界面上的3个例子；(b)全反射使得光无损耗的传播。19z1966，高锟，“光纤之父”z结构：纤芯和包层z阶跃型和渐变型光纤zLED与LD光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图(a)(b)(c)20光纤损耗与波长关系z损耗昀小点：1.31与1.55μm21光纤与铜线相比z光纤可以提供比铜线高得多的带宽；z低衰耗，传输距离长，光纤每50km才需要一个中继器；z光纤不受电磁干扰、电源故障和化学腐蚀的影响；z光纤又细又轻，安装费用低：一千根1km长的双绞线重8000kg。而同样长度两根光纤的容量就已经超过了它们，但只有100kg重。z光纤不漏光，且难以拼接，很难被窃听，安全性高。22光纤的不足z光纤是一项相对陌生的技术，要求较高的操作技能，不是每一个工程师都具备的；z光纤接口的成本比电子接口高的多。z抗拉强度低；z光纤怕水：1，会增加光纤的OH_吸收损耗，使信道的总损耗增大，甚至使通信中断；2，会造成光缆中的金属构件氧化，使金属构件腐蚀，导致光缆强度降低；3，进入光缆中的水遇冷后，水结冰体积增大有可能压坏光纤。231.6.3信道的数学模型z狭义信道：按媒质的类型分（传输媒介）z有线信道和无线信道z广义信道：分析研究系统性能（传输媒介＋转换器）z调制信道和编码信道24广义信道编码信道调制信道25ei(t)：输入的已调信号；eo(t)：输出信号；n(t)：加性噪声11调制信道模型调制信道模型z为了方便表述信道的一般特性，引入信道模型z在频带传输系统中，已调信号离开调制器便进入调制信道。z可以用一个二对端的时变线性网络来代替调制信道，其输入输出关系式：f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)调制信道数学模型)()]([)(tntefteio+=26zf[ei(t)]：表示信道对于信号的影响，可以表示为：k(t)ei(t)，zeo(t)=k(t)ei(t)+n(t)z其中k(t)反映时变信道的特性：乘性干扰zk(t)：一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟…z昀简单情况：k(t)=常数，表示衰减。z当k(t)=常数：恒参信道（如同轴电缆）z当k(t)≠常数：随参信道（如移动蜂窝网）27z编码信道对信号的影响是使传输的数字序列发生变化，可用错误概率（转移概率）来描述；z二进制、无记忆信道：z其中，P(0/0)、P(1/1)为正确转移概率，P(0/1)、P(1/0)为错误转移概率。实际编码信道的转移概率值需要大量实验统计分析得出。zP(0/0)=1-P(1/0)，P(1/1)=1-P(0/1)00111100PP(0/0)(0/0)PP(0/1)(0/1)PP(1/1)(1/1)PP(1/0)(1/0)22编码信道模型编码信道模型2801233210接收端发送端z若编码信道是有记忆的，则更复杂；z可把调制信道看成是一种模拟信道，而把编码信道看成是一种数字信道；四进制编码信道模型291.6.4恒参信道对信号传输的影响z恒参信道：各种有线信道和部分无线信道（卫星、某些视线传播链路）；z传输特性：振幅－频率特性，相位－频率特性；z无失真传输要求：z振幅特性与频率无关：水平直线；z相位特性为过原点直线：群时延常数。30实际电话信道的特性曲线z频率失真和相位失真：z影响：波形畸变、码间串扰。z其它：非线性失真、频率偏移、相位抖动…(a)插入损耗～频率特性频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟～频率特性311.6.5随参信道对信号传输的影响z随参信道：部分无线信道（天波、地波、散射信道，某些视线传播信道）z随参信道的特点：z（1）对信号的衰耗随时间变化；z（2）传输的时延随时间变化；z（3）多径传播(多径效应)。32设发射信号为，则经过n条路径传播后的接收信号可以表示为：式中：－第i条路径的接收信号振幅；－第i条路径的传输时延Xc(t)Xs(t)tA0cosω∑∑==+=−=niniiiiitttttttR1100)](cos[)()]([cos)()(ϕωμτωμ)(tiμ)(tiτ)()(0ttiiτωϕ−=∑∑==−=niniiiiitttttttR1100sin)(sin)(cos)(cos)()(ωϕμωϕμ33zR(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅也是缓慢随机变化的。z式中：－接收信号的包络－接收信号的相位z所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化的余弦波。000()()cos()sin()cos[()]csRtXttXttVtttωωωφ=−=+)()()(22tXtXtVsc+=)()(tan)(1tXtXtcs−=ϕ34z从波形上看，多径传播使确定的载波信号变成了包络和相位都变化的窄带信号；z从频谱上看，多径传播引起了频率弥散，即由单个频率变成了一个窄带频谱；z快衰落和慢衰落ff035频率选择性衰落z设：多径传播的路径只有两条，且衰减相同，时延不同；发射信号为f(t)，接收信号为af(t-τ0)和af(t-τ0-τ)；发射信号的频谱为F(ω)。z则有多径信道的传输函数为：)()(ωFtf⇔00()()jaftaFeωττω−−⇔0()0()()jaftaFeωττττω−+−−⇔000()()()(1)jjaftaftaFeeωτωττττω−−−+−−⇔+0()(1)jjaFeeωτωτ0()(1)()jjHaeeFωτωτωω−−==+ω−−+36z多径信道的传输衰减和信号频率及时延差τ有关z当ω=2nπ/τ时，出现传播极点；当ω=(2n+1)π/τ时，出现传播零点；z信道的传输函数对不同的频率具有不同的衰减：频率选择性衰落2cos2sin)cos1(sincos1122ωτωτωτωτωτωτ=++=−+=+−jej371绪论z通信的基本概念z通信系统的组成z通信系统分类及通信方式z信息及其度量z通信系统的主要性能指标z信道噪声z信道容量z381.7噪声z信道中存在的不需要的电信号：加性噪声z按来源分类：z人为噪声：来源于由人类活动造成的其它信号源；z自然噪声：自然界存在的各种电磁波源；z内部噪声：系统设备本身产生的各种噪声如，热噪声、散弹噪声、电源哼声39按性质分类z（1）窄带噪声：不都有，易防止z连续波的干扰，可看成一个幅度、频率或相位事先不能预知的已调正弦波。所占频带窄，位置可实测。z（2）脉冲噪声：对模拟话音信号影响不大，但在数字通信中会导致误码，需纠错编码。z在时间上无规则的突发的短促噪声。幅度大，持续时间短，相邻脉冲之间有较长的安静期，频谱宽。40按性质分类z（3）起伏噪声：无论时域还是频域总是普遍存在不可避免。z热噪声：在导体中由自由电子的布朗运动引起的噪声。电流的平均值为零，交流电流分量，服从高斯分布。z散弹噪声：真空管中电子的起伏发射和半导体中载流子的起伏变化引起。起伏电流是一个高斯随机过程。z宇宙噪声：天体辐射波对接收机形成的噪声。空间分布不均匀，强度与季节、频率等因素有关，也服从高斯分布，在一般的工作频率范围内，具有平坦的功率谱密度。41结论z无论是热噪声、散弹噪声，还是宇宙噪声，都可以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。近似成高斯白噪声。z通信系统模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示。z实际通信系统中，在研究调制解调时，信道的加性噪声－窄带高斯噪声。421绪论z通信的基本概念z通信系统的组成z通信系统分类及通信方式z信息及其度量z通信系统的主要性能指标z信道噪声z信道容量z431.8信道容量z为了提高信号的传输效率，我们总是希望在一定的时间内能传输尽可能多的码元。z任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。z码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。z然而即使信道比较理想，码元的传输速率也不是不受限制的。44理想信道的昀大数据传输速率z早在1924年，奈奎斯特(HenryNyquist)就推导出了一个有限带宽的无噪声信道的昀大数据传输速率的表达式。zNyquist证明，如果一个任意信号已通过带宽为H的低通滤波器，则仅每秒2H采样就可以完全重建这个被滤波的信号。若信号电平分为V级，则奈氏定理如下：45z1