3.3变参信道及其对信号传输的影响.ppt

第三章信道与干扰 数字通信原理 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 主要内容 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 3 3变参信道及其对信号传输的影响 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道 变参信道包含的传输媒质比较复杂 信道特性随时间变化很快 比恒参信道复杂得多 对信号传输过程的影响也要严重得多典型的变参信道对流层散射流星余迹散射电离层反射和散射 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 对流层散射 电磁波经过大气中的不均匀物质后 传输方向发生改变的现象称为散射不均匀物质为散射体 利用大气层中散射体对电磁波的散射和反射作用而进行的超视距无线电通信叫散射通信 对流层散射通常是指无线电电磁波在大气对流层和平流层的散射传播 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 对流层 从地面开始到10 16公里的高空 两极为10公里 赤道为16公里 叫对流层对流层是大气的最低层 对流层中的湿度 压力 水气都是随温度变化的由于地表情况不同 地理条件不同 经常会出现大气湍流 形成一个个大气旋涡 各涡流单元拥有不同的介电常数 对电磁波的折射率也不同 当发射天线辐射的电波作用于这些不均匀气团时 由于介电常数的不同 必然产生折射和散射 这时 电磁波传播方向不再与以前一致 而是向四面八方发散 对流层散射的传播距离可达500 600公里远 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 平流层 从对流层顶到离地面60公里左右的高空大气层叫平流层 它处于对流层与电离层之间平流层散射距离可达600 1000公里 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道 对流层散射流星余迹散射电离层反射和散射 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 流星余迹散射 流星经常出现在离地面70 130公里的高空 流星运动的速度和动能都比较大 在与大气的碰撞过程中 足以使部分流星发生物理电离 形成一个柱形的电离区 流星余迹 这个柱形电离区存在的时间大约在1秒以上 利用它可以进行散射通信 流星的出现是离散的 流星余迹也是不连续的 但流星的出现非常频繁 统计表明 每昼夜进入地球大气层的流星在1010以上 尽管余迹时间短暂且不连续 但由于数量很多 仍可利用它进行通信 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道 对流层散射流星余迹散射电离层反射和散射 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 电离层反射和散射 电离层是离地面60 2000公里的高空大气层 太阳光中的紫外线照射高空大气使之发生电离 形成电离层 电离层一般分为四层 60 80公里为D层 160 120公里为E层 200公里左右为F1层 350 400公里为F2层 D层只有在白天日照时才存在 主要对长波起反射作用 而对短波和中波则起吸收作用E层主要由氧原子电离形成 可反射中波和短波 白天晚上都存在利用F层的反射作用 可进行短波远距离通信 通信距离为1000 2000公里 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 散射通信 由于散射体既不受电离层变化的骚扰 又不怕雷电等恶劣天气的影响 即便在太阳黑子活动情况异常或是在磁爆 核爆炸等恶劣情况下 大气中的散射体也始终存在 因而散射通信具有抗破坏能力强 抗干扰性强 通信距离远 通信稳定可靠 保密性强等特点 尤其适合用在近海跨越海峡 海湾和岛屿及用于内陆跨越沙漠 高山 湖泊 沼泽和人烟稀少的边远地区的通信 散射通信设备已广泛用于建立永久性固定通信干线 散射设备还被用于装车 使其成为能在现场迅速开通或转移的移动散射站 成为民用机动通信的重要手段 散射通信适合在野战条件下使用 目前在军事领域内也被广泛采用 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 信号在媒质中的传播 由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点 多径传播 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道传输媒质的特点 对信号的衰耗随时间的变化而变传输的时延随时间而变多径传播 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 3 3变参信道及其对信号传输的影响 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道对信号传输的影响 频率弥散与快衰落频率选择性衰落和时间弥散慢衰落 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率弥散与快衰落 可用变参信道传送单频信号来说明频率弥散快衰落现象 发射波 经过n条路径传播后的接收信号 第i条路径的接收信号振幅 随时间不同而随机变化 第i条路径的接收信号时延 随时间不同而随机变化 第i条路径的随机相位 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率弥散与快衰落 缓慢变化的随机过程 分别是的cos i t 和sin i t 的包络 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率弥散与快衰落 令 得 合成波R t 的包络 合成波R t 的相位 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率弥散与快衰落 变化缓慢 R t 是窄带随机过程 变化缓慢 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率弥散与快衰落 可见从波形上看 多径传播的结果使确定的单一载频信号Vcos ct变成了包络和相位都随机变化的窄带信号 这种信号称为衰落信号 通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落 而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰落 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率弥散与快衰落 可见从频谱上看 多径传播引起了频率弥散 色散 即由单个频率变成了一个窄带频谱 分析说明 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 任意时刻t 是n个随机变量之和 足够大 在 和 中的每一个随机变量可以认为是独立地出现的且具有均匀分布特性 中心极限定理 是高斯随机变量 平稳高斯过程 R t 是窄带高斯过程 V t 一维服从瑞利分布 t 一维服从均匀分布 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 信号的包络服从瑞利分布的衰落 通常称之为瑞利型衰落 设瑞利型衰落信号的包络值记为V 则随机变量V的一维概率密度函数f V 可表示成 相位 t 的一维概率密度函数也可表示为 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 V 时 f V 有极大值 瑞利衰落的特征 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 V的数学期望 瑞利衰落的特征 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 V的均方值 二阶原点矩 瑞利衰落的特征 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 V的方差 二阶中心矩 瑞利衰落的特征 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 当 瑞利衰落的特征 V的中值 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 信号低于 的概率 瑞利衰落的特征 信号包络低于 的时间约为39 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 信号包络V超过某一指定值K 的概率 瑞利衰落的特征 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 衰落特性的描述 衰落特性通常用 衰落深度 和 衰落速度 两个参量来衡量 衰落深度 用来描述接收信号电平变化的范围大小的 它描述了接收信号电平变化的基本范围 对我国通信情况的大量统计平均表明 衰落深度约为10 20dB 短波 衰落速度 用来描述电平变化的快慢情况 它定义为每分钟以正斜率通过中值电平的平均次数 对散射信道 衰落速率可达0 2 2赫 短波信道为5 50次 分 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 衰落深度 90 10 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道对信号传输的影响 频率弥散与快衰落频率选择性衰落和时间弥散慢衰落 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率选择性衰落和时间弥散 多径传播除了会造成频率弥散和快衰现象外 还会引起频率选择性衰落和时间弥散 频率选择性衰落是指信号频谱中某一些分量衰耗特别大 而另一些频谱分量衰耗却比较小 从而造成传输后的信号出现畸变分析说明 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 设 多径传播路径有两条到达接收点的两路信号具有相同强度只是到达时间不同 即时延不同 发射信号f t 经过两条路径传播的信号为 令 固定时延 两路相对时延 某一确定强度 框图 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 模拟框图 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 传递函数 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 取H 的模 零点 极大值 相对时延差随时间变化的传输特性出现的零点与极点在频率轴上的位置随时间而变 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 推广到多径信道 频率选择性衰落依赖于相对时延差多径传播的相对时延差 简称多径时延差 通常用最大多径时延差来表征 并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置 设 多径传播的最大时延差 定义 相邻传输零点的频率间隔 多径传播媒质的 相关带宽 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 频率选择性衰落和时间弥散 如传输波形的频谱宽度大于 f 波形将产生明显的频率选择性衰落 为了不引起明显的选择性衰落 传播波形的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽 f0 工程实现中 一般取传输信号带宽频率选择性衰落造成的波形畸变称为 时间弥散 在多径信道中传输数字信号 特别是传输高速数字信号时 频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰 为了减小码间干扰 必须限制数字信号的传输速率 分析说明 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 分析说明 发端送入的信号f t 为一方波经延迟为t0和t0 两条路径传播在接收点得到的波形f0 t 与f t 比较是发生了畸变幅度变得高低不平波形被展宽多径传播 为各条路径的最大相对时延 这种波形展宽现象称为 时间弥散 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 时间弥散 时间弥散可能会造成前后数字波形的重叠 导致码间干扰为减少这种影响 必须满足Ts 大大降低了数字波形的传输速度 短波电离层反射媒质的信道 0 2 2ms 常选码元宽度Ts 5 15ms 码元宽度与码速成反比 5毫秒宽度的码元 码速为200波特 对二进制码 它的比特速率为200b s 当码宽为15毫秒时 码速为66 6波特 二进制时的比特速率为66 6b s 由于多径时延的影响 数字波形的传输速度被大大地限制了 变参信道的多径传播对数字信号的传输带来的影响是严重的 这也是变参信道对数字信号传输的主要影响 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 变参信道对信号传输的影响 频率弥散与快衰落频率选择性衰落和时间弥散慢衰落 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 慢衰落 由于变参信