海事大学通信原理chapter 1.part 3

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1、Introduction1第第一一章章 概论概论吴吴楠楠 特别感谢：王旭东 何荣希 教授 王君 09电信 雷奇 11电信21.6.2 调制信道.恒参信道 理想特性理想理想恒恒参信道参信道特性特性信号幅度上产生恒定衰减 k0；信号时间上产生恒定的迟延 td；0( )dj tHk e0cos ()dkttcos t经过信道时域：31.6.2 调制信道.恒参信道 理想特性0K0|H()|0()td0td图：理想横参信道的幅频特性、相频特性、固定的时延0( )dj tHk e41.6.2 调制信道.恒参信道 幅频畸变信道幅频特性在信号频带范围之内不是常数，信号产生幅频畸变。3500800200028

2、00 30006f / Hz-1-2(a)0300A( f ) / dB(b)3020100120024003600f / HzA( f ) / dB图：典型音频电话信道的幅度衰减特性图 (a)是理想音频电话信道的幅度衰减特性（300-3KHz频率范围内比较平平坦且衰减小）坦且衰减小）。其他频率衰耗增加很快。CCITT M.1020建议的衰减特性如图(b)所示。51.6.2 调制信道.恒参信道 相频畸变信道相频特性在信号频带范围之内不是的线性函数，则信号产生相频畸变。 或者说，不同频率延时不同。图：典型电话信道相频特性()O理想特性话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此相频失真对模拟话音

3、传输影响不明显。如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰，性能降低非常严重。61.6.3 调制信道 典型随参信道*随参信道：随参信道： 传输媒质随时间随机很快的变化；例， 短波电离层反射信道短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道； 超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射； 超短波超视距绕射等无线地面通信无线地面通信信道。 注意： 以上讨论均为恒定参数信道（包络有线和无线）71.6.3 短波电离层反射信道*电离层电离层： 太阳辐射使离地60-600km的大气层成为电离层； 电离层D层和F1层夜晚完全消失。D、E层电子密度小，不能反射条件。反射层F2，高度为300km，一次反射的最大

4、距离约为4000 km。 白天， F2电离层较厚，最高可用频率较高。在夜晚，电离层较薄，F2层的电子密度较小，最高可用频率要比白天低。图：短波信号从电离层反射的传播路径0FFED300 kmAB地球FBA地球反射点81.6.3 短波电离层反射信道 方式*ABAB(a)(b)ABA B(c)(d ) 电波从电离层的一次反射反射和多次反射 电离层反射反射区高度高度所形成的细多径 地球磁场引起的寻常波和(分分裂裂)非寻常波 电离层不均匀性引起的漫射漫射现象9Project Loonhttp:/ n#slideid-82250Testing at New Zealand 2013.4随随参参信道信道：

5、 多径(multiple-path) ：Time-Dispersion和Frequency Selective； 多普勒（Doppler）：Frequency-Dispersion和Time Selective101.6.3 调制信道.随参信道 特性111.6.3 多径 Multi-path多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各路径信号的各路径信号的合成合成。121.6.3 多径 Multi-path图：多径对信号的影响（时域、频域）多径多径 产生了一个多抽头的信道响应：Channel Impulse Response； 时域的效果： Time Dispersion，一个信号于多个

6、时间到达； 频域的效果： Frequency Selective，不同分量衰减不同；Audio Demo: Gun131.6.3 多普勒效应 Doppler Effect多普勒效应：多普勒效应： 频域：频率扩展 Frequency Dispersion； 时域：CIR是变化的 Time selectivity；坐火车信号时好时坏；14多径的CIR15The Shape Kinect sales Number161.6.3 随参信道 多径建模假设发送信号为单一频率正弦波，即( )coscAs tt多径信道一共有n条路径，各条路径具有时变衰耗和时变传输时延，且从各条路径到达接收端的信号相互独立，则

7、接收的合成波：1( )( )cos( )in icir tA ttt( )(11)( )( )cos ( ) cos( )sin( ) sincos )( )(nn iiiciiiccX tY tr tA tttAtttV ttt建模成乘性干扰乘性干扰；去掉17( )cos()(crVtttt1.6.3 随参信道 多径建模Doppler：决定fading变化的快慢；多多径：径：使信号包络和相位: 随机变量，称为衰落衰落 (fading)181.6.3 随参信道 多径建模（幅度）22( )( )( )V tXtYt X(t)和Y(t)都是相互独立的随机变量之和，根据中心极限定理中心极限定理(CL

8、T)(CLT)，大量独立随机变量之和的分布趋于正态分布正态分布。 通常情况下X(t)和Y(t)的均值为零，方差相等，其一维概率密度函数为22221( )exp()221( )exp()22xf xyf y (11)( )( )( )cos( )cos( )sin( )sinnn iiiciiiX tY tcr tA tttA ttt 研究幅度研究幅度V (t)的分布的分布：191.6.3 CLT Example独立同分布独立同分布、且数学期望和方差有限的随机变量序列的标准化和以标准正态分布为极限；独立但独立但不同分不同分布（布（一定条件下）的随机变量序列的标准化和依然以标准正态分布为极限202

9、2( )( )( )tXtYtV 幅度V (t)：222( )exp()2vvf V因X(t)和Y(t)都是相互独立的正态分布，其包络V(t)符合瑞利分布瑞利分布，其一维概率密度函数为：1.6.3 随参信道 多径建模（幅度）21( )arcta) ( )n(Y ttX t 由X(t)和Y(t)的关系，相位相位(t)的一维分布服从均匀分布均匀分布：1,02( )2 0,f else 多径使信号变成了包络变为瑞利型衰落和相位均匀分布的随机信号 相位的分布：相位的分布： 时间延时是均匀分布。乘性干扰结论1.6.3 随参信道 多径建模（相位） 频率选择性：频率选择性：对不同频率分量的信号衰减不同；希望

10、信号尽量衰减一致 定义相干带宽定义相干带宽 CoherentCoherent：相邻两个零点之间的频率间隔。221.6.3 随参信道 多径建模（频域）图：多径传输对信号的影响（时域、频域）1 ()C mB允许最大多径时延 为了保证接收信号质量，实际系统通常选择信号带宽为相关带宽的1/5-1/3。23Previously on Principles of Communication.调制信道调制信道 . 横参信道： 光纤； 卫星； 微波中继；0( )dj tHk e调制信道调制信道 . 随参信道： 地面的无线通信；24Previously on Principles of Communicatio

11、n.调制信道调制信道 . 随参信道：多径多径 时域的效果： Time Dispersion 时间弥散； 频域的效果： Frequency Selective 频率选择；25Previously on Principles of Communication.1( )( )cos( )in icir tA ttt( )cos()(crVtttt多径多径 . 具体分析：看成一个信号 多径使信号变成了包络变为瑞利型衰落和相位均匀分布的随机信号相干带宽相干带宽 CoherentCoherent1 ()C mB允许最大多径时延261.6.4 加性噪声 Additive Noise热噪声热噪声 ：通信设备（

12、所有器件）本身产生的导体中自由电子的热运动产生的热噪声。0( )( )( )( )ie th t en tt热噪声热噪声 具有很宽的频带，并且始终存在并且始终存在，它是影响通信系统性能的主要因素（乘性干扰随信号消失）。 电子运动的过程，在电阻两端产生瞬时起伏电压； 长时间平均电压为零；1.6.4 热噪声 高斯白噪声27 （时域）（时域）瞬时噪声电压服从正态分布（高斯分布）：因此，称为高斯噪声。因此，称为高斯噪声。 （频域）（频域）均方均方噪声电压/电流功率谱功率谱（单位频带电压/电流平均功率）2 22 24(/)4(/)n Un IUSkTRVHzB USkTGAHzB S( f )f0图：电

13、压/电流功率谱因与频率无关，因与频率无关， 称为称为白噪声白噪声2211()exp()22n n nnup u 28从滤波器的角度：从滤波器的角度：由于带通线性系统的滤波作用，滤除了热噪声中的一部分频率分量，使其频率发生了变化，功率频谱密度变成了频率的函数；从信号和系统的角度：从信号和系统的角度：卷积定理；图：外部热噪声通过线性网络-功率谱的变化S Si i( (f ) )ffoH2(fo)0(b) 传输函数传输函数ffo0(a) 白噪声功率谱白噪声功率谱ffo0(c) 输出噪声功率谱输出噪声功率谱S So o( (f ) )1.6.4 热噪声 高斯白噪声*291.6.5 信道容量问题：问题：

14、 作为一个管道，容量Capacity是多少？ 适用于AWGN；图：信道301.6.5 信道容量 概念图：信道定义：定义： 信道中信息无差错无差错传输(error-free)的最大最大速率速率； 与广义、狭义信道无关；衡量方法：衡量方法： 一端输入信息， 一端输出信息，计算Mutual Information； 具体过程在信息论中讨论；311.6.5 连续信道容量2log (1)(/sec)NCbitsSB更进一步的预测：更进一步的预测： 只要传输速率小于小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现实现无差错传输无差错传输； 若传输速率大于信道

15、容量，则不可能无差错传输。 正在变成现实；香农公式香农公式信道带宽(Hz) 3dB带宽测试白噪声功率(Watts)信号功率(Watts)321.6.5 连续信道容量 交通的解释2log (1)NSCBB：路宽S：车引擎动力N：各种干扰C：车能跑多快？N: 其他车的干扰；S的情况，N的情况；B 的情况（各种干扰也上升）；C：车速se22 c)log (1)1log ()(/sec)bitsSCBNBbitsN SN带宽(Hz,1/331.6.5 连续信道容量 信息的解释B：Analog Bandwidth 模拟带宽模拟带宽 in Hz，频域的描述;C： Bits per Sec 数字带宽数字带宽 in BPS，时域描述；但是，BPS和H