04_第4章_信道 通信原理

2013-3-24中国民航大学电子信息工程学院王晓亮[e-mail]课程邮箱：[e-mail]，密码：123abc第4章信道2电子信息工程学院通信原理第4章信道™常见通信信道类型ƒ无线电磁信道ƒ有线信道•电信号有线信道•光纤信道ƒ水声信道ƒ存储信道3电子信息工程学院通信原理™信道中的干扰：ƒ有源干扰－噪声ƒ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。第4章信道4电子信息工程学院通信原理第4章信道4.1无线信道4.2有线信道4.3信道的数学模型4.4信道特性对信号传输的影响4.5信道中的噪声4.6信道容量5电子信息工程学院通信原理卫星通信1mm-1cm30G-300G毫米波微波接力、卫星和空间通信、雷达1cm-1dm3G－30G超高频SHF0.1mm-1mm300G-3T亚毫米波3-30极低频ELF30-300超低频SLF300-3k特低频ULF特高频UHF甚高频VHF高频HF中频MF低频LF甚低频VLF频段300M－3G30M－300M3M－30M300k－3M30k－300k3k－30k频率/Hz1dm-1m1m-10m10m-100m100m-1km1km-10km10km-100km波长电视、移动通信、雷达导航、空间遥测调频广播、电视、空中管制、导航短波广播、移动无线电话、军事通信调幅广播、业余无线电导航、信标、电力线通信电话、数据终端应用ƒ无线电频段4.1无线信道6电子信息工程学院通信原理ƒ微波波段•微波一般指波长1cm至1m的电磁波（范围不统一）4.1无线信道7电子信息工程学院通信原理4.1无线信道™天线长度与电磁波频率的关系ƒ天线长度应与电磁波波长在一个数量级8电子信息工程学院通信原理™HF天线里-24.1无线信道9电子信息工程学院通信原理™HF天线运七4.1无线信道10电子信息工程学院通信原理波音7074.1无线信道11电子信息工程学院通信原理™HF天线波音737-300/400/500空客A3204.1无线信道12电子信息工程学院通信原理™VHF天线波音7274.1无线信道13电子信息工程学院通信原理™天线发射功率问题ƒGSM手机：3.2mW-2Wƒ气象雷达：几百-几千Wƒ一次雷达：几千Wƒ二次雷达：几千W24RSπ=球表面积空间某处的功率，与到天线间距离的平方成反比4.1无线信道14电子信息工程学院通信原理™电磁波的传播方式ƒ地波ƒ天波ƒ视线传播4.1无线信道15电子信息工程学院通信原理™地球大气层的结构ƒ对流层：地面上0～10kmƒ平流层：约10～60kmƒ电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km4.1无线信道16电子信息工程学院通信原理图4-7对流层散射通信地球有效散射区域•散射传播–电离层散射机理－由电离层不均匀性引起频率－30~60MHz距离－1000km以上–对流层散射机理－由对流层不均匀性（湍流）引起频率－100~4000MHz最大距离600km4.1无线信道17电子信息工程学院通信原理™电磁波的传播方式ƒ地波•频率较低的电磁波（大约2MHz以下）•有绕射能力•距离：数百或数千千米•如长波通信、中波调幅广播等4.1无线信道传播路径地面图4-1地波传播18电子信息工程学院通信原理™电磁波的传播方式ƒ天波•频率较高的电磁波（大约2MHz~30MHz）•特点：被电离层反射–夜间电台多–白天对无线电波吸收衰减较强的D层电离层消失•一次反射距离：4000km•寂静区：•如短波调幅广播等4.1无线信道地面信号传播路径图4-2天波传播19电子信息工程学院通信原理™电磁波的传播方式ƒ视线传播•频率大于30MHz电磁波•如卫星通信、无线电视等4.1无线信道图4-4无线电中继20电子信息工程学院通信原理4.1无线信道ƒ视线传播•距离:和天线高度有关两等高天线间的距离式中，D–收发天线间距离(km)。ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播50822DrDh≈=m222)(rhrd+=+rhrhhd222≈+=hr图4-4无线电中继()rhdD8222==kmr6370=21电子信息工程学院通信原理4.1无线信道™视线传播（续）ƒ[例]若要求D=50km，则可得m505050508222==≈=DrDh22电子信息工程学院通信原理4.1无线信道™视线传播（续）不同飞行高度的视线距离23电子信息工程学院通信原理4.1无线信道™视线传播（续）ƒ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•……24电子信息工程学院通信原理4.1无线信道™视线传播（续）ƒ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以上特点－低速存储、高速突发、断续传输图4-8流星余迹散射通信流星余迹25电子信息工程学院通信原理™卫星通信ƒ通信卫星位于地球同步轨道锅朝南其他卫星轨道4.1无线信道26电子信息工程学院通信原理™卫星通信ƒ日凌•发生在春分与秋分4.1无线信道27电子信息工程学院通信原理ƒ电离层对于传播的影响•反射•散射ƒ大气层对于传播的影响•散射•吸收频率(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4-6大气衰减28电子信息工程学院通信原理第4章信道4.1无线信道4.2有线信道4.3信道的数学模型4.4信道特性对信号传输的影响4.5信道中的噪声4.6信道容量29电子信息工程学院通信原理™电信号有线信道ƒ明线ƒ双绞线ƒ同轴电缆ƒ波导™光纤信道4.2有线信道30电子信息工程学院通信原理™明线4.2有线信道31电子信息工程学院通信原理™明线4.2有线信道32电子信息工程学院通信原理™双绞线ƒ如网线•四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。•五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和1000BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。•超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（StructuralReturnLoss）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。4.2有线信道双绞线导体绝缘层33电子信息工程学院通信原理™同轴电缆ƒ如有线电视线4.2有线信道34电子信息工程学院通信原理™波导4.2有线信道35电子信息工程学院通信原理™波导ƒ如雷达T/R组件到天线的传输4.2有线信道36电子信息工程学院通信原理4.2有线信道™现代海底电缆37电子信息工程学院通信原理™光纤ƒ结构•纤芯•包层ƒ按折射率分类•阶跃型(a)•梯度型(b)ƒ按模式分类•多模光纤(a)(b)•单模光纤(c)折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图4-11光纤结构示意图(a)(b)(c)4.2有线信道38电子信息工程学院通信原理™光纤ƒ多模光纤•指光线有多条传输路径的光纤•光源：LED•缺点：存在色散，传输带宽有限•优点：成本低，熔接容易ƒ单模光纤•指光线只有一条传输路径的光纤•光源：激光器•优点：色散较小，传输带宽较宽•缺点：价格贵，熔接难4.2有线信道39电子信息工程学院通信原理•损耗与波长关系–损耗最小点：1.31与1.55μm0.70.91.11.31.51.7光波波长（μm）1.55μm1.31μm图4-12光纤损耗与波长的关系4.2有线信道40电子信息工程学院通信原理™利用声波ƒ如声纳水声信道41电子信息工程学院通信原理™磁带™磁盘™光盘™半导体存储存储信道42电子信息工程学院通信原理第4章信道4.1无线信道4.2有线信道4.3信道的数学模型4.4信道特性对信号传输的影响4.5信道中的噪声4.6信道容量43电子信息工程学院通信原理4.3信道的数学模型™信道模型的分类ƒ调制信道•发送端调制器输出端至接收端解调器输入之间的部分ƒ编码信道•编码器输出端至解码器输入端之间的部分编码信道调制信道44电子信息工程学院通信原理™4.3.1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)图4-13调制信道数学模型)()]([)(tntefteio+=)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefii=)()()()(tntetkteio+=4.3信道的数学模型——4.3.1调制信道模型45电子信息工程学院通信原理•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+=4.3信道的数学模型——4.3.1调制信道模型46电子信息工程学院通信原理™4.3.2编码信道模型ƒ二进制编码信道简单模型－无记忆信道模型ƒ用转移概率描述–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)图4-14二进制编码信道模型发送端接收端4.3信道的数学模型——4.3.2编码信道模型47电子信息工程学院通信原理ƒ四进制编码信道模型01233210接收端发送端4.3信道的数学模型——4.3.2编码信道模型48电子信息工程学院通信原理第4章信道4.1无线信道4.2有线信道4.3信道的数学模型4.4信道特性对信号传输的影响4.5信道中的噪声4.6信道容量49电子信息工程学院通信原理™恒参信道的影响ƒ恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道…ƒ恒参信道⇒非时变线性网络⇒信号通过线性系统的分析方法。ƒ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左图为典型电话信道幅频特性用插入损耗便于测量4.4信道特性对信号传输的影响(a)插入损耗～频率特性插入损耗/dB频率/kHz50电子信息工程学院通信原理•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）群延迟(b)群延迟～频率特性ωθωτdd=)(ωθ0相位～频率特性4.4信道特性对信号传输的影响51电子信息工程学院通信原理•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图4-16非线性特性输入电压输出电压4.4信道特性对信号传输的影响52电子信息工程学院通信原理ƒ随参信道的影响•随参信道：信道参数随时间随机变化。•随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播…•随参信道的特性：–衰减随时间变化–时延随时间变化–多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。下面重点分析多径效应4.4信道特性对信号传输的影响53电子信息工程学院通信原理•多径效应分析：设发射信号为接收信号为(4.4-1)式中－由第i条路径到达的接收信号振幅；－由第i条路径达到的信号的时延；上式中的都是随机变化的。tA0cosω∑∑==+=−=niniiiiitttttttR1100)](cos[)()]([cos)()(ϕωμτωμ)(tiμ)(tiτ)()(0ttiiτωϕ−=)()