通信原理(新4)

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1.电磁波的传输 电磁波的传输分为地波、天波(电离层反射波 )和视线传播三种。 (1)频率较低(大约2MHZ以下)的电磁波趋于沿
弯曲的地球表面传播,有一定的绕射能力。这种传播
方式称为地波传播,在低频和甚低频段能传播超过数
百千米或数千米。如图4-1。
(2)频率较高
(2~30MHZ)的电
发射天线
磁波称为高频电磁波,
(1)光纤信道模型 光纤信道的简化方框图为下图
所示。它有光源,光纤线路及光电探测器等三个基本
部分构成,光源是光载波的发生器,目前广泛应用半导 体发光二极管(LED)或激光二极管(LD)做光源。光纤线
光纤通信系统组成
路可能是一根或多根光纤。在接收端是一个直接检 波式的光探测器,常用PIN光电二极管或雪崩光电 二极管(APD)来实现光强度的检测。根据应用情况 的不同,在光纤线路中可能还没有中继器。当然也 可能设中继器。
通常假设 f ei t kt ei t ,即信道的作用相当于 对输入信号乘一个系数 k t 。则输出信号改写为:
eo t kt ei t nt
调制信道对信号的干扰有两种;除加性干扰 nt 外 还有乘性干扰 k t ,分析信道对信号的影响,主要研 究 k t 和 nt 的特性。根据 k t 的影响,可把调制信 道分为恒参信道[ k t ~t缓变或不变]和随(变)参信 道[ k t ~t快变]。调制信道的模型分为两类,随参信
道和恒参信道。
4.3.2编码信道模型
调制信道对信号的影响是乘性干扰 k t 和加性干 扰 nt 使信号的波形发生失真。即发生模拟性的变
化;编码信道的影响则不同。因为编码信道的输入和
书上p73有四进制编码信道模型。同学们自己看看。
P(0/0) 0
0 P(0/0),P(1/1)—正确转移概率
P(0/1) P(1/0),P(0/1)—错误转移概率
(3)实际信道的传输特性
实际的信道往往都不能满足这些要求。如图4-
16电话情况。
dB 衰

ms
相对 群延

f(Hz)
300
3000
f(KHz) 1.6
幅频—畸变
群延迟—畸变
不同频率分量分别受到信道不同的衰减。对模
拟通信影响较大,发生频率失真。导致信号波形畸
变,输出SNR下降。在传输数字信号时,波形畸变
Fra Baidu bibliotek
关,即其振幅—频率特性曲线是一条水平线;要求其 相位特性是一条通过原点的直线,或者等效地要求其
传输群时延与频率无关,等于常数。
1.恒参信道:将恒参信道等效为一个非时变线性网络。
ei(t)
H()
eo(t)
H()=| H() |ej()
| H() |——幅频特性 ()——相频特性 () d() 群延迟
d 2 r 2 h r 2

传播途径
发射 天线
h
d
d
D
接收 天线
d h2 2rh 2rh
r r
设D为两天线间的距离,则有
地球
D2 2d 2 8rh
将地球半经r = 6370Km的数据代入后,得
h D2 D2 (m) 8r 50
②无线电中继传播 传播的距离更远些就用中继
传播方式。如图4-4。中继的功能是,对传输的信号
dt
(1)理想恒参信道的频域特性(它是衡量信号通过 信道是否产生失真)
| H() |=常数 ()= d
| H() |
()
()
d() dt
d
()
Ko
(2)理想恒参信道的时域特性
h(t) Ko(t d )
r(t) Kos(t d )
1)对信号在幅度上产生固定的衰减;
2)对信号在时间上产生固定的延时。
随参信道的特性比恒参信道要复杂得多,对信号 的影响也要严重得多,其根本原因在于它包含一个复 杂的传输媒质。
随参信道包括短波电离层反射,超短波电离层散 射,绕射信道等。随参信道的传输特性主要依赖于其传 输媒质,K(t)~t快变化(时变),特性复杂,对信号的影 响也严重得多。随参信道的传输媒质具有3个特点:
可引起相邻码元波形之间发生部分重叠,造成码间
串扰。可以用线性网络进行补偿。
群迟延是对不同频率分量分别受到信道不同的时 延,对数字通信影响较大,会引起严重的码间干扰, 造成误码。
信道的相位特性不理想将使信号产生相位失真。 在模拟话音信道中,通话的影响不大,因为人耳对 于声音波形的相位失真不敏感。但是,相位失真对 于数字信号的传输则影响很大,造成码间串扰,使 误码率增大。相位失真也是一种线性失真,所以也 可以用一个线性网络进行补偿。
(3)天波传播 利用电离层反射的传播方式。如 图4-2。靠电离层反射一次反射约4000Km。多次反 射,电磁波可以传播10000Km以上。
4000km
(4)视线传播 ①无线电视传播——超短波、微波波段内工作,
电磁波基本上沿视线传播,通信距离靠中继方式延伸。 相邻中继站间距一般在40~50Km。如图4-3。要想增大 地面的传播距离就提升天线的高度。证明如下,由图可 知:
光纤结构上来说,目前使用的光纤可分为均匀光纤 及非均匀光纤两类. P70图4-11所示,直径2b、2a芯线 的折射指数为n1,包层的折射指数为n2。芯线和包层 中的折射指数都是均匀分布的。它交界面上成阶梯形 的突变,所以也称为阶跃型折射指数光纤。(c) 是非 均匀光纤,n2是均匀分布,而芯线中折射指数则是沿 半径方向逐渐减小的这种光纤称为渐变型折射指数光 纤(梯度型光纤)。看下页图。
3)波导色散,它是由于不同频率分量的光波的群 速不同引起的。
4.3信道数学模型
第1章除了传输媒质外,还包括有关转换设备,如 发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器
等,按照广义信道包含的功能,可以划分为调制信 道与编码信道。下面就学习。
编码器输出 调 制 器
广义信道
发 转 发 器
媒 质
收 转 发 器
2.调制信道的一般数学模型
该模型输出关系为:eo t f ei t nt
式中 ei t 为信道输入端信号电压;eo t 为信道输出 端的信号电压,nt 为噪声电压。噪声 nt 是加在信号 上的,无论有无信号,噪声 nt 是始终存在的。因此
通常称为加性噪声或加性干扰。为了便于数学分析
A
B
D θ0
C
1站
d
2站
R
4.2有线信道
有线信道有,明线、对称电缆、同轴电缆、光 缆、光纤等。
1.明线 明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。 与电缆相比,它的优点传输损耗低。但它容易受气候 和天气的影响,并且对外界噪声干扰敏感。目前,已 逐渐被电缆所代替。
2.对称电缆 对称电缆是在同一保护套内有许多对相互绝缘的 双导线的传输媒质。导线材料是铝或铜,直径为 0.4~1.4mm。为了减少各线之间的相互干扰,每一对
进行能量补充和整形。
特点:容量大、发射功率小、稳定可靠、节省有 色金属等优点。
(5)卫星通信 轨道在赤道平面上的人造卫星,当它离地面高度为 35800Km时,绕地球运行一周的时间恰为24h 。这种 卫星称为同步通信卫星,使用它作为中继站,可以实现 地球上18000Km范围内的多点之间的联接。如图4-5. 上行是地球站至卫星的电波传播路径,下行是卫星 至地球站的电波传播路径。
除了以上两种重要线性失真外还有非线性失真, 如谐波失真、相位抖动等,这个就不讲了。
4-1题
一恒参信道的幅频特性和相频特性分别为:
H k0 td
其中,k0和 td 都是常数。试确定信号s(t)通过该信道后的输
出信号的时域表达式,并讨论之。
判断信号在传输过程中是否失真,一般先根据已知条 件求出系统的传输函数,继而求出幅频特性和相频特性, 然后根据信号传输的无失真条件幅频特性不随ω变化, 相频特性是ω的线性函数来判断输出信号是否有失真。
它能够被电离层反射。
传播路径 地面
接收天线
离地面高60~400Km的大气层称为电离层。它分为D、 E、F1、F2四层。由于D层和F1层在夜晚几乎完全消失, 故经常存在的是E层和F2层。
D层最低,离地面60~80Km的高度;它对电磁波 吸收和衰减作用,随频率增高衰减作用减少。频率较 高的电磁波能穿过D层。E层离地面100~120Km。它 的电离浓度在白天很大,能够反射电磁波。F层白天 分离为F1和F2。F1层的高度在200Km, F2层的高度 在250~400Km,晚上合并为一层。反射高频电磁波 的主要是F层。
一种极有前途的宽带大容量信道。
(2)光纤的分类 ①单模光纤:当光纤中只能传输一种光波的模式时, 称为单模光纤。单模光纤传光特性好,但截面积尺寸 小,在制造、耦合和连接上都比较困难。 ②多模光纤:如果光纤中能传输的模式不止一个, 称为多模光纤。多模光纤的截面积尺寸较大,在制造 和耦合、连接上都比单模光纤容易。 光纤的远距离传输的原因是光纤低损耗和低色散。
几根同轴线管往往套一个大的保护套内,下图所示, 其中,还装入一些二芯扭绞线或四芯线组,作为传
输控制信号之用。同轴线的外导体是接地的,由于它 起屏蔽作用。故外界噪声很少进入其内部。
同轴电缆
对称电缆
传输损耗较大;特性稳定, 价格便宜,安装容易等。
抗干扰性能好
4.光纤信道
以光导纤维(简称光纤)为传输媒质,光波为载波 的光纤信道,可望提供极大的传输容量。光纤这一新的 传输媒质具有损耗低、频带宽、容量大、线经细、重量 轻、可弯曲半径小,不怕腐蚀、节省有色金属以及不受 电磁波干扰等优点。
这种传播的特点是:容量大、传输稳定可靠、传 输距离远、覆盖面广等优点。
(6)对流层散射 信道是一种超视距的传播信道, 其一跳的传播距离约为100~600Km,可工作在超短波 和微波波段。传播可靠性可达99.9%。
离地面10~12Km以下的大气层称为对流层。在对 流层中,由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性,故引 起电波的散射。如图4-7所示。如图ABCD所表示的是收 发天线共同照射区,称为散射体积(区域),其中包含 许多不均匀气团。每个气团都是一个二次辐射源。对流 层散射进行通信的频率范围主要在100~4000MHz。
P(1/0)
1 P(1/1)
1
P(0/0)=1- P(1/0) P(1/1) =1- P(0/1)
4.4信道特性对信号传输的影响
按调制信道,信道有恒参信道和随参信道。恒参 信道实质上就是一个非时变线性网络。则用线性分析 方法得知信号通过恒参信道时受到的影响。恒参信道
的主要传输特性通常可以用振幅—频率特性和相位— 频率特性来描述。无失真传输要求振幅特性与频率无
解 译码器输入 调 器
调制信道 编码信道
调制信道:模拟信道,已调信号的传输。 编码信道:数字信道,数字序列的传输。
4.3.1调制信道模型
1.调制信道模型:调制信道可看成一个输出端叠加
噪声的时变线性网络如下图所示。模型图如图4 -13。
ei(t)
时变线性 网络
eo(t)
ei(t)
K(t)
eo(t)
n(t)
线都拧成扭绞状。如图4-9。由于这些结构上的特点, 故电缆的传输损耗比明线大的多,但其传输特性比较 稳定。不受干扰,干扰小。
3.同轴电缆 同轴电缆结构图(单根)在P69有图4-10(下图)。图中 同轴电缆由同轴的两个导体构成,外导体是一个圆柱形 的空管(在可弯曲的同轴电缆中,它可以由金属丝编织 而成),内导体是金属线(芯线)。它们之间填充着介 质,电介质可能是塑料,也可能是空气。在采用空气绝 缘的情况下,内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。
目前λ=1.35~1.5μm附近损耗一般低于0.2dB/Km以
下。色散是光纤的另一个重要指标。色散是指信号的 群速度随频率或模式不同而引起的信号失真这种物理 现象。
多模光纤的色散有三种:P70上 1)材料色散,它是由于材料的折射率随频率变化
产生的。
2)模式色散,。它是由于不同模式的光波的群速 不同引起的。
第4章 信道
第4章的主要内容有以下几个 1.信道定义及模型; 2.恒参信道特性及对信号传输的影响; 3.随参信道特性及对信号传输的影响; 4. 信道的加性噪声; 5.信道的容量。
4.1无线信道
无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的来实 现的。原则上,任何频率的电磁波都可以产生,但考 虑到设计和传输方便用中、高和超高频,即300KHZ 以上的电磁波。
解:传输函数可写为 冲激响应为 输出信号为:
H H e j k0e jtd ht k0 t td
yt st* ht k0st td
讨论:该恒参信道满足无失真条件,所以条件信号 在传输过程中无失真,但其幅度发生了变化,是原来的 k0倍,同时传输以后有一大小为td的迟延。
2.随参信道特性及其对信号传输的影响
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