通信原理-第4章素材

通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念•信道分类无线信道－电磁波（含光波）有线信道－电线、光纤•信道中的干扰有源干扰－噪声无源干扰－传输特性不良•本章重点介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传输的影响。)()()()(0tnthtftfi)()()()(0NHFFi通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（无线信道）•无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制•地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km•电离层对于传播的影响反射散射•对流层对于传播的影响散射吸收地面对流层平流层电离层10km60km0km通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（无线信道）电磁波的分类：•地波–频率2MHz–有绕射能力–距离：数百或数千千米•天波–频率：2~30MHz–特点：被电离层反射–一次反射距离：4000km插曲：天波的发现过程传播路径地面地波传播地面信号传播路径天波传播通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（无线信道）•视线传播：–频率30MHz–距离:和天线高度有关式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则增大视线传播距离的其他途径»中继通信：»卫星通信：静止卫星、移动卫星»平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr视线传播无线电中继50822DrDhmm505050508222DrDh通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（无线信道）速度=11070km/h1734°41756km18101km赤道上赤道12725km73155km35860km重复地区盲区卫星通信的发展趋势空间信息处理3S通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（无线信道）•散射传播–电离层散射机理－由电离层不均匀性频率－30~60MHz距离－1000km以上–对流层散射机理－对流层不均匀性（湍流）频率－100~4000MHz最大距离600km对流层散射通信地球有效散射区通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（无线信道）流星余迹散射流星余迹特点:高度－80~120km，长度15~40km存留时间－小于1秒至几分钟频率－30~100MHz距离－1000km以上低速存储、高速突发、断续传输流星余迹散射通信流星余迹通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（有线信道）明线通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（有线信道）–对称电缆：由许多对双绞线组成–同轴电缆双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质同轴线通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（有线信道）–光纤•结构–纤芯–包层•按折射率分类–阶跃型–梯度型•按模式分类–多模光纤–单模光纤折射率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)通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院一、信道基本概念（有线信道）0.70.91.11.31.51.7光波波长（m）1.55m1.31m图4-12光纤损耗与波长的关系•损耗与波长关系–损耗最小点：1.31与1.55m通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院12二、信道的数学模型信道模型的分类：•调制信道•编码信道信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源编码信道调制信道通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院13二、信道的数学模型调制信道模型式中－信道输入端信号电压；－信道输出端的信号电压；－噪声电压。通常假设：这时上式变为：－信道数学模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t)调制信道数学模型)()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii)()()()(tntetkteio通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院14二、信道的数学模型•因k(t)随t变，故信道称为时变信道。•因k(t)与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰。•因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。•若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。•乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。)()()()(tntetkteio通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院15二、信道的数学模型编码信道模型二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型–P(0/0)和P(1/1)－正确转移概率–P(1/0)和P(0/1)－错误转移概率–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)二进制编码信道模型发送端接收端通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院16三、恒参信道特性对信号传输的影响•恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…•恒参信道非时变线性网络信号通过线性系统的分析方法。•线性系统中无失真条件：–振幅～频率特性：为水平直线时无失真插入损耗～频率特性左图为典型电话信道特性通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院基波合成波谐波tt谐波合成波基波17三、恒参信道特性对信号传输的影响相位～频率特性：要求其为通过原点的直线即群时延为常数时无失真群时延定义：频率(kHz)ms时延群延迟～频率特性0相位～频率特性tdd)(通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院18三、恒参信道特性对信号传输的影响•频率失真：振幅～频率特性不良引起的–频率失真波形畸变码间串扰–解决办法：线性网络补偿•相位失真：相位～频率特性不良引起的–对语音影响不大，对数字信号影响大–解决办法：同上•非线性失真：–可能存在于恒参信道中–定义：输入电压～输出电压关系是非线性的•其他失真：频率偏移、相位抖动…非线性关系直线关系非线性特性输入电压输出电压通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线传输信道对信号传输的影响反射当传播的电磁波入射到一个其尺寸比波长大的多的物体时。如：地面，建筑物，墙壁绕射电磁波被一个具有明显不规则性的表面阻塞时。散射当电磁波遇到尺寸小于波长的障碍物或单位体积的障碍物很多时。如：树叶，路灯杆通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线传输信道对信号传输的影响•电磁波传播方式的图示通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线传输信道对信号传输的影响衰落信号的路径损失，慢衰落，快衰落通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线传输信道对信号传输的影响路径损耗也称自由空间的传输损耗，描述的是大尺度区间(数百或数千米)内接收信号强度随收发距离变化的特性。阴影衰落是由传输环境中的地形起伏、建筑物及障碍物对电磁波的阻挡和遮蔽引起的衰落，它描述的是中等尺度区间(数百个波长)内信号电平均值起伏变化的趋势。快衰落用于描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内接收信号强度的快速变化，由无线信道的多径特性引起，故也称多径衰落。无线信道衰落分类通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线传输信道对信号传输的影响选择性衰落角度扩展多普勒扩展多径时延扩展通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展）•多径导致波形失真•多径带来的频率选择性失真根据傅立叶变换的性质得：时延0V0τ时延0τ+τ0V00Vxt-τ-τ00Vxt-τ0Vxt0Vxt0000Vxt-τ+Vxt-τ-τxt收mt发t000000000000-j2πf-j2πfττ-j2πfτ-j2πfτVxt-τVXfeVxt-τ-τVXfeVxτ-tVxt-τ-τXfeVVe000通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展）两径时的频率选择性衰落即两径传播时，信道的传输特性为其幅频响应为可以看到在处出现传播极点，在处出现传输零点。显然当一个传输波形的频谱约宽于时传输波形将出现畸变，这种畸变就是由频率选择性衰落引起的。Hft4t2t3t02|1|jet0022002201jfjfjfjfXfeVVeHfeVeXftttt20012cos2jfHfVeVtt21/nt2/nt1/t通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院我们用功率时延谱和信道冲击响应沿频率的自相关函数来表示信道在时域和频域上的相关性与时延和频率差之间的关系，两者之间有如下关系我们称能够使不为零的最大的时延为多径时延扩展。而能够使不为零的最大频率间隔称为相干带宽。由于多普勒功率谱和自相关函数之间是傅里叶变换关系，所以存在约等关系通过多径时延扩展和相干带宽与码元间隔之间的关系，我们可以确定信道是平坦衰落还是频率选择性衰落。四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展)()cAt()CAf2()()jfCcAfAedttt()cAt()CAfTtcfB1/cBT通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展)通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（时延扩展)多径时延扩展频率选择性衰落平坦衰落1.信号的带宽信道相干带宽2.符号周期时延扩展1.信号的带宽信道相干带宽2.符号周期时延扩展平坦衰落和频率选择性衰落例题：某宽带信道的多径时延为5us,为避免码间干扰，要求码元周期远大于多径时延Ts10,求不发生码间干扰的最大符号速率？tt通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展)•多普勒频移由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移。——远程信号源；——信号源发出的信号频率；——接收机接收到的信号频率；——移动台运动速度与来波方向夹角则其中即为多普勒频移。称的最大值为最大多普勒频移，记为，则。•多普勒扩展是一种有多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落。vSXYvvScfRfcosRccDffvffDfmfmfvcosvfD通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展)通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（多普勒扩展)多普勒扩展慢衰落快衰落1.多普勒扩展信号带宽2.相干时间码元周期3.信道变化比基带信号变化快1.多普勒扩展信号带宽2.相干时间码元周期3.信道变化比基带信号变化慢通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径（角度扩展)通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径环境时延扩展（）角度扩展（）多普勒扩展（）平坦的农村（宏单元）0.51190城市（宏单元）520120丘陵（宏单元）2030190林荫路（微单元）0.312010室内（微单元）0.13605sHz例子：蜂窝式通信中的典型扩展通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院四、无线信道对信号传输的影响多径克服无线信道衰落的方法-分集接收−频率分集：频率间不相关−时间分集：RAKE接收−极化分集：水平极化与垂直极化−空间分集：多输入多输出无线通信系统MIMO,智能天线通信原理课件孙怡大连理工大学信息与通信工程学院噪声来源性质自然噪声:电磁波源，如闪电，大气中电暴，银河系噪声及其他宇宙噪声人为噪声：外台信号，开关，工业点火辐射随机噪声确知的：谐波干扰等随机的：不能预测的噪声内部噪声：热噪声，散