現(xiàn)代通訊原理第三單元

通信原理1機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!第3章信道本章教學(xué)目的：了解各種實(shí)際信道、信道的數(shù)學(xué)模型和信道容量的概念。說明：信道是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通道。它與發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備一起組成通信系統(tǒng)。沒有信道，通信就無法進(jìn)行；信道的好壞直接影響通信的質(zhì)量。因此，有必要研究信道，根據(jù)信道的特點(diǎn)，正確地選用信道，合理地設(shè)計(jì)收發(fā)信設(shè)備，使通信系統(tǒng)達(dá)到最佳。2機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!第3章信道本章的討論思路：通過介紹實(shí)際信道的例子，在此基礎(chǔ)上歸納信道的特性闡述信道的數(shù)學(xué)模型，最后簡(jiǎn)介了信道容量的概念。要求：注重了解各種實(shí)際信道的特點(diǎn)，掌握信道的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單運(yùn)用信道容量公式解決實(shí)際問題。3機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!第3章的主要內(nèi)容3.1恒參信道3.2隨參信道3.3信道特性及其數(shù)學(xué)模型3.4信道容量的概念4機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!圖3–1調(diào)制信道和編碼信道

5機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!3.1.1有線電信道1．對(duì)稱電纜（圖3-1對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)圖）6機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!3.1.1有線電信道2．同軸電纜圖3-2同軸電纜結(jié)構(gòu)圖7機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!3.1.2微波中繼信道微波頻段的頻率范圍一般在幾百兆赫至幾十吉赫，其傳輸特點(diǎn)是在自由空間沿視距傳輸。由于受地形和天線高度的限制，兩點(diǎn)間的傳輸距離一般為30~50km，當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)，需要在中間建立多個(gè)中繼站圖3-3微波中繼信道的構(gòu)成8機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!3.1.2微波中繼信道（b）二頻制9機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!衛(wèi)星中繼信道是利用人造衛(wèi)星作為中繼站構(gòu)成的通信信道。微波中繼信道是由地面建立的端站和中繼站組成。而衛(wèi)星中繼信道是以衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器作為中繼站與接收、發(fā)送地球站之間構(gòu)成。若衛(wèi)星運(yùn)行軌道在赤道平面，離地面高度為35780km時(shí)，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間恰為24小時(shí)，與地球自轉(zhuǎn)同步，這種衛(wèi)星稱為靜止衛(wèi)星。不在靜止軌道運(yùn)行的衛(wèi)星稱為移動(dòng)衛(wèi)星。10機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3.2隨參信道1.自由空間傳播圖3-6移動(dòng)信道中自由空間傳播損耗11機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!代入式(3.3-2)可得Lfs=用dB可表示為［Lfs］=20lg=32.44+20lgd+20lgf(dB)(3.3-5)式中，d為接收天線與發(fā)射天線之間直線距離，單位為km；f為工作頻率，單位為MHz。由式(3.3-4)可以看出，自由空間傳播損耗與距離d的平方成正比，距離越遠(yuǎn)損耗越大。圖3－6給出了移動(dòng)信道中自由空間傳播損耗與頻率和距離的關(guān)系。12機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!3.2.1陸地移動(dòng)信道3．折射波電波在空間傳播中，由于大氣中介質(zhì)密度隨高度增加而減小，導(dǎo)致電波在空間傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射、散射等13機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!3.2.2短波電離層反射信道圖3-10電離層結(jié)構(gòu)示意圖14機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!3.2.2短波電離層反射信道圖3-11多徑形式示意圖15機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型式中：K0為傳輸系數(shù)，它可以表示放大或衰減一個(gè)固定值；td為時(shí)間延遲，表示輸出信號(hào)滯后輸入信號(hào)一個(gè)固定的時(shí)間。頻域16機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型理想恒參信道的群遲延——頻率特性理想恒參信道的沖激響應(yīng)：

h(t)=K0δ(t-td)17機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型（b）相頻特性；（c）群遲延頻率特性3．相位——頻率失真18機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型（2）具有加性噪聲的線性濾波信道19機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!陸地移動(dòng)多徑傳播示意圖如圖所示?；咎炀€發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過多條不同的路徑到達(dá)移動(dòng)臺(tái)。我們假設(shè)發(fā)送信號(hào)為單一頻率正弦波，即s(t)=Acosωct多徑信道一共有n條路徑，各條路徑具有時(shí)變衰耗和時(shí)變傳輸時(shí)延且從各條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)相互獨(dú)立，則接收端接收到的合成波為20機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!為從第i條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)的隨機(jī)相位。式中由于X(t)和Y(t)都是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量之和，根據(jù)概率論中心極限定理，大量獨(dú)立隨機(jī)變量之和的分布趨于正態(tài)分布。21機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!

式中V(t)=X2(t)+Y2(t)φ(t)=arctan

由第2章隨機(jī)信號(hào)分析理論我們知道，包絡(luò)V(t)的一維分布服從瑞利分布，相位φ(t)的一維分布服從均勻分布，可表示為f(φ)=22機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!3.3.2隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型2．頻率選擇性衰落與相關(guān)帶寬圖3-17多徑傳播的路徑有兩條的信道模型23機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!24機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!3.3.2隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型3．時(shí)變線性濾波信道模型25機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!3.4信道容量的概念1．香農(nóng)公式設(shè)信道帶寬為B（Hz），信道輸出信號(hào)功率為S（W），輸出加性高斯噪聲功率為N（W），則可以證明該信道的信道容量為bits/s26機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!3.4信道容量的概念（2）減小噪聲功率N（或減小噪聲功率譜密度n0）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），則信道容量趨于無窮大，即27機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!3.4信道容量的概念上式表明，保持S/n0一定，即使信道帶寬B，信道容量C也是有限的，這是因?yàn)樾诺缼払時(shí)，噪聲功率N也趨于無窮大。2．香農(nóng)公式的應(yīng)用由香農(nóng)公式可以看出：對(duì)于一定的信道容量C來說，信道帶寬B、信號(hào)噪聲功率比S／N及傳輸時(shí)間三者之間可以互相轉(zhuǎn)換。若增加信道帶寬，可以換來信號(hào)噪聲功率比的降低，反之亦然。如果信號(hào)噪聲功率比不變，那么增加信道帶寬可以換取傳輸時(shí)間的減少，等等。28機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!本章小結(jié)二、幾點(diǎn)說明1、信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ馈Ｋ匝芯啃诺?，根?jù)信道的特性設(shè)計(jì)更加合理有效的發(fā)信設(shè)備和接收設(shè)備，對(duì)提高通信的質(zhì)量（有效性和可靠性）非常重要。29機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!3.1恒參信道恒參信道：信道特性主要由傳輸媒質(zhì)決定，如果傳輸媒質(zhì)特性基本不隨時(shí)間變化，所構(gòu)成的信道稱為恒參信道。隨參信道：如果傳輸媒質(zhì)特性隨時(shí)間隨機(jī)快變化，則構(gòu)成的信道通常稱為隨參信道。狹義信道:如果信道僅是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)如果信道廣義信道:不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，這種信道稱為。30機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!調(diào)制信道是指圖3-1中從調(diào)制器的輸出端到解調(diào)器的輸入端所包含的發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、媒質(zhì)和收轉(zhuǎn)換裝置三部分編碼信道是指圖3-1中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。即編碼信道包括調(diào)制器、調(diào)制信道和解調(diào)器。31機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!對(duì)稱電纜是在同一保護(hù)套內(nèi)有許多對(duì)相互絕緣的雙導(dǎo)線的傳輸媒質(zhì)。類型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。導(dǎo)線材料是鋁或銅，直徑為0.4~1.4mm。為了減小各線對(duì)之間的相互干擾，每一對(duì)線都擰成扭絞狀，特點(diǎn)，故傳輸損耗比較大，傳輸特性比較穩(wěn)定，價(jià)格便宜、安裝容易。應(yīng)用：對(duì)稱電纜主要用于市話中繼線路和用戶線路，在許多局域網(wǎng)如以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)中也采用高等級(jí)的UTP電纜進(jìn)行連接。32機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!

表3–1幾種有線電纜的特性線路類型頻率范圍/MHz信號(hào)衰減電磁干擾UTP電纜1~100高一般STP電纜1~150高小同軸電纜1~1000低小33機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!3.1.2微波中繼信道圖3-4二頻制或四頻制頻率配置方式（a）四頻制34機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!3.1.3衛(wèi)星中繼信道圖3-5衛(wèi)星中繼信道示意圖35機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!3.2隨參信道3.2.1陸地移動(dòng)信道陸地移動(dòng)通信工作頻段主要在VHF和UHF頻段，電波傳播特點(diǎn)是以直射波為主。但是，由于城市建筑群和其他地形地物的影響，電波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，因此移動(dòng)信道是典型的隨參信道。36機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!PR=PTGTGR

式中，GT為發(fā)射天線增益，GR為接收天線增益，d為接收天線與發(fā)射天線之間的直線距離，為各向同性天線的有效面積。當(dāng)發(fā)射天線增益和接收天線增益都等于1時(shí)，式(3.3-1)簡(jiǎn)化為PR=PT自由空間傳播損耗定義為L(zhǎng)fs=37機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!3.2.1陸地移動(dòng)信道2．反射波與散射波當(dāng)電波輻射到地面或建筑物表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射或散射，從而產(chǎn)生多徑傳播現(xiàn)象，圖3-7移動(dòng)信道的傳播路徑和圖3-8平滑表面反射38機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!3.2.2短波電離層反射信道說明：短波電離層反射信道是利用地面發(fā)射的無線電波在電離層，或電離層與地面之間的一次反射或多次反射所形成的信道。電離層離地面60～600km。當(dāng)頻率范圍為3～30MHz（波長(zhǎng)為10～100m）的短波（或稱為高頻）無線電波射入電離層時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面。39機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!短波電離層反射信道最主要的特征是多徑傳播，多徑傳播有以下幾種形式:(1)電波從電離層的一次反射和多次反射；(2)電離層反射區(qū)高度所形成的細(xì)多徑；(3)地球磁場(chǎng)引起的尋常波和非尋常波；(4)電離層不均勻性引起的漫射現(xiàn)象。以上四種形式如圖3-11所示。40機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!3.3信道特性及其數(shù)學(xué)模型3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型說明：恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的。因此，可以等效為一個(gè)非時(shí)變的線性網(wǎng)絡(luò)。1．理想恒參信道特性設(shè)輸入信號(hào)為si(t)，則無失真?zhèn)鬏敃r(shí)，要求信道的輸出信號(hào)41機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型信道的傳輸函數(shù)為信道的幅頻特性相頻特性42機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型2．幅度——頻率失真圖3-13典型音頻電話信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延頻率特性（a）幅頻特性43機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!3.3.1恒參信道特性及其數(shù)學(xué)模型4．具有加性（高斯）噪聲的恒參信道數(shù)學(xué)模型（1）加性噪聲信道44機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!3.3.2隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型說明：隨參信道的傳輸媒質(zhì)具有以下三個(gè)共同特點(diǎn)。（l）對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間隨機(jī)變化；（2）信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間隨機(jī)變化；（3）多徑傳播。1．多徑衰落與頻率彌散45機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!=式中，ai(t)為從第i條路徑到達(dá)接收端的信號(hào)振幅，τi(t)為第i條路徑的傳輸時(shí)延。傳輸時(shí)延可以轉(zhuǎn)換為相位的形式，即r(t)=式中φi(t)=-ωcτi(t)r(t)=a1(t)cosωc［t-τ1(t)］+a2(t)cosωc［t-τ2(t)］+…+an(t)cosωc［t-τn(t)=46機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!

因此，當(dāng)n足夠大時(shí)，X(t)和Y(t)都趨于正態(tài)分布。通常情況下X(t)和Y(t)的均值為零，方差相等，其一維概率密度函數(shù)為且σx=σy。式(3.3-16)也可以表示為包絡(luò)和相位的形式，即r(t)=V(t)cos［ωct+φ(t)］47機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!3.3.2隨參信道特性及其數(shù)學(xué)模型（1）多徑傳播使單一頻率的正弦信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受調(diào)制的窄帶信號(hào)，這種信號(hào)稱為衰落信號(hào)，即多徑傳播使信號(hào)產(chǎn)生瑞利型衰落；（2）從頻譜上看，多徑傳播使單一譜線變成了窄帶頻譜，即多徑傳播引起了頻率彌散。當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，信號(hào)衰落會(huì)引起突發(fā)錯(cuò)誤，對(duì)通信造成嚴(yán)重的危害。在數(shù)字通信中，通常采用交織編譯碼技術(shù)（參見第8章）來減輕這種危害。48機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!so(t)=ksi(t)+ksi［t-Δτ(t)］Y]So(ω)=kSi(ω)+kSi(ω)e-jωΔτ(t)=kSi(ω)［1+e-jωΔτ(t)］(3.3-27)信道傳輸函數(shù)為H(ω)=So(ω)/Si(ω)=k［1+e-jωΔτ(t)］(3.3-28)可以看出，信道傳輸特性主要由［1+e-jωΔτ(t)］項(xiàng)決定。信道幅頻特性為49機(jī)械工業(yè)出版社2004年1月現(xiàn)代通訊原理第三單元共55頁，