4.2　課后習(xí)題詳解

思考題

4-1  無線信道有哪些種？

答：（1）無線信道根據(jù)通訊距離、頻率和位置的不同，分為：

①地波傳播，頻率較低的電磁波趨于沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑ィ幸欢ǖ睦@射能力。

②天波傳播，頻率較高的電磁波能夠通過電離層的反射進(jìn)行傳播。

③視距傳播，頻率很高的電磁波因?yàn)榇┩鸽婋x層而不能反射傳播，而且沒有繞射能力，只能類似于光波的傳播。

（2）無線信道根據(jù)傳播方式分為：

①反射傳播，反射傳播即電磁波通過電離層的反射來傳播信號的一種方式。

②散射傳播，由于傳播媒體的不均勻性，使電磁波產(chǎn)生向許多方向的折射，從而實(shí)現(xiàn)散射傳播，散射傳播具有很強(qiáng)的方向性。

4-2  地波傳播距離能達(dá)到多遠(yuǎn)？它適用在什么頻段？

答：（1）地波傳播在數(shù)百米到數(shù)千千米。

（2）它適用于低頻和甚低頻段，頻率大約為2MHz以下。

4-3  天波傳播距離能達(dá)到多遠(yuǎn)？它適用在什么頻段？

答：（1）天波傳播能達(dá)到一萬千米以上。

（2）它適用于中高頻，頻段為2MHz～30MHz。

4-4  視距傳播距離和天線高度有什么關(guān)系？

答：視距傳播距離和天線高度的關(guān)系：天線高度越高，視距傳播的距離越遠(yuǎn)，其具體關(guān)系為，其中h為天線高度，單位為米，D為視距傳播距離，單位為千米。

4-5  散射傳播有哪些種？各適用在什么頻段？

答：（1）散射傳播分為：

①電離層散射；

②對流散射；

③流星余跡散射。

（2）三種散射傳播分別適用于以下頻段：

①電離層散射發(fā)生在30MHz～60MHz；

②對流層散射發(fā)生在100MHz～4000MH；。

③流星余跡散射發(fā)生在30MHz～100MHz。

4-6  何謂多徑效應(yīng)？

答：通信過程中，信號經(jīng)過幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變，即存在多徑傳播現(xiàn)象。多徑傳播對信號的影響稱為多徑效應(yīng)。

4-7  什么是快衰落？什么是慢衰落？

答：（1）多徑傳播使信號包絡(luò)產(chǎn)生的起伏雖然比信號的周期緩慢，但是仍然可能是在秒或秒以下的數(shù)量級，衰落的周期常能和數(shù)字信號的一個(gè)碼元周期相比較，故通常將由多徑效應(yīng)引起的衰落稱為快衰落。

（2）當(dāng)僅有一條無線電路徑傳播時(shí)，由于路徑上季節(jié)、日夜、天氣等的變化，也會使信號產(chǎn)生衰落現(xiàn)象。這種衰落的起伏周期可能較長，甚至以若干天或若干小時(shí)計(jì)，故稱這種衰落為慢衰落。

4-8  何謂恒參信道？何謂隨參信道？它們分別對信號傳輸有哪些主要影響？

答：（1）信道特性基本上不隨時(shí)間變化或者變化很慢的信道稱為恒參信道；信道特性隨機(jī)變化的信道稱為隨參信道。

（2）對信號傳輸?shù)闹饕绊懀?/p>

①恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懀?/p>

a．引起頻率失真；

b．造成碼間串?dāng)_；

c．引起相位失真；

d．造成諧波失真；

e．導(dǎo)致相位抖動。

②隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊懀?/p>

a．引起快衰落；

b．引起慢衰落。

4-9  何謂加性干擾？何謂乘性干擾？

答：（1）疊加在信號之上的且不論信號有無都存在的噪聲稱為加性干擾。

（2）與信號為乘積關(guān)系的且大小隨信號變化而變化的干擾稱為乘性干擾。

4-10  有線電信道有哪些種？

答：傳輸電信號的有線信道有：

（1）明線，明線是指平行架設(shè)在電線桿上的架空線路。

（2）對稱電纜，對稱電纜是由若干對叫做芯線的雙導(dǎo)線放在一根保護(hù)套內(nèi)制造成的。

（3）同軸電纜，同軸電纜則是由內(nèi)外兩根同心圓柱形導(dǎo)體構(gòu)成，在這兩根導(dǎo)體間用絕緣體隔離開。

4-11  何謂階躍型光纖？何謂梯度型光纖？

答：（1）折射率在兩種介質(zhì)中均勻不變，僅在邊界處發(fā)生突變的光纖稱為階躍型光纖，其要求較低，故制造難度低。

（2）纖芯折射率沿半徑增大方向逐漸減小，光波在這種光纖中傳輸?shù)穆窂绞且蛘凵涠饾u彎曲的，并達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康模@種光纖稱為梯度性光纖。由于對梯度型光纖的折射率沿軸向的變化是有嚴(yán)格要求的，因而制造難度大。

4-12  何謂多模光纖？何謂單模光纖？

答：（1）有多種光線傳播路徑的光纖稱為多模光纖。

（2）只有一種光線傳播路徑的光纖稱為單模光纖。

4-13  適合在光纖中傳輸?shù)墓獠úㄩL有哪幾個(gè)？

答：如圖4-1所示。

圖4-1

由圖4-1可知，傳輸損耗在1.31和1.55處達(dá)到最低，所以適合在光纖中傳播的波長有1.31μｍ和1.55μｍ。

4-14  信道中的噪聲有哪幾種？

答：（1）信道中的噪聲按照來源分為：

①人為噪聲，人為噪聲是由人類活動產(chǎn)生的，例如，電鉆和電氣開關(guān)瞬態(tài)造成的電火花、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的電火花、熒光燈產(chǎn)生的干擾、其他電臺和家電用具產(chǎn)生的電磁波輻射等。

②自然噪聲，自然噪聲是自然界中存在的各種電磁波輻射，例如，閃電、大氣噪聲和來自太陽和銀河系等的宇宙噪聲。

（2）按照性質(zhì)分為：

①脈沖噪聲，脈沖噪聲是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。

②窄帶噪聲，窄帶噪聲可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波，或簡單地看作是一個(gè)振幅恒定的單一頻率的正弦波。

③起伏噪聲，起伏噪聲是遍布在時(shí)域和頻域內(nèi)的隨機(jī)噪聲，包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等都屬于起伏噪聲。

4-15  熱噪聲是如何產(chǎn)生的？

答：熱噪聲的產(chǎn)生：熱噪聲起源于一切電阻性元器件中的電子熱運(yùn)動，它是無處不在，不可避免地存在于一切電子設(shè)備中，除非設(shè)備處于熱力學(xué)溫度0K。例如，導(dǎo)線、電阻和半導(dǎo)體器件等均產(chǎn)生熱噪聲。

4-16  信道模型有哪幾種？

答：信道模型的分類：

（1）從調(diào)制和解調(diào)的方面來講，把發(fā)送端調(diào)制器輸出端至接收端解調(diào)器輸入端之間的部分稱之為調(diào)制信道。

（2）從數(shù)字通信系統(tǒng)中的信道編碼和解碼方面來講，把編碼器輸出端至解碼器輸入端之間的部分稱為編碼信道。

4-17  試述信道容量的定義。

答：信道容量是指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘俊０凑针x散信道和連續(xù)信道的不同，信道容量分別有不同的計(jì)算方法。離散信道的容量單位可以是b／符號或是b／s；連續(xù)信道容量的單位是b／s。

4-18  寫出連續(xù)信道容量的表示式。由此式看出信道容量的大小決定于哪些參量？

答：（1）連續(xù)信道的信道容量表示式為

（2）信道容量的大小決定于信道的帶寬B，信號的平均功率S和噪聲的平均功率N。增大信號功率S或減小噪聲功率譜密度n₀，都可以使信道容量C₁增大。當(dāng)S→∞或n₀→0時(shí)，C_T→∞。但是由于信號與噪聲會同時(shí)增大，所以信道容量實(shí)際上并不能無限增大。

課后習(xí)題

4-1  設(shè)一條無線鏈路采用視距傳播方式通信，其收發(fā)天線的架設(shè)高度都等于40m，若不考慮大氣折射率的影響，試求其最遠(yuǎn)通信距離。

解：由教材式（4.1-3）得

所以收發(fā)天線間距離（最遠(yuǎn)通信距離）為

4-2  設(shè)一條天波無線電信道，用高度等于400km的F₂層電離層反射電磁波，地球的等效半徑等于6370×4/3km，收發(fā)天線均架設(shè)在地平面，試計(jì)算其通信距離大約可以達(dá)到多少千米？

解：由題意得

則

因此通信距離L即一次反射距離為

L＝2L₀＝5274km

4-3  若有一平流層平臺距離地面20km，試按上題給定的條件計(jì)算其覆蓋地面的半徑等于多少千米。

解：覆蓋地面的半徑為

4-4  設(shè)某恒參信道的等效模型如圖4-1所示。試分析信號通過此信道傳輸時(shí)會產(chǎn)生哪些失真。

圖4-1

解：此信道的傳輸函數(shù)為

則相應(yīng)的幅頻特性、相頻特性和群遲延特性分別為

所以，|H（ω）|≠C（常數(shù)），有幅頻失真；τ（ω）≠常數(shù)，有群遲延失真。

4-5  設(shè)一個(gè)接收機(jī)輸入電路的等效電阻等于600Ω，輸入電路的帶寬等于6MHz，環(huán)境溫度為27℃，試求該電路產(chǎn)生的熱噪聲電壓有效值。

解：由得到，該電路產(chǎn)生的熱噪聲電壓有效值為

4-6  某個(gè)信息源由A、B、C和D等4個(gè)符號組成。設(shè)每個(gè)符號獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4、1/4、3/16、5/16，經(jīng)過信道傳輸后，每個(gè)符號正確接收的概率為1021/1024，錯為其他符號的條件概率P（x_i/y_j）均為1/1024，試求出該信道的容量C等于多少比特/符號。

解：按照教材式（4.6-2），條件信息量H（x/y）寫為

由于當(dāng)j＝1，2，3或4時(shí)，均有

因此

4個(gè)符號等概率出現(xiàn)時(shí)，信源的熵達(dá)到最大，即

所以該信道的容量C為

4-7  若上例中的4個(gè)符號分別用二進(jìn)制碼組00、01、10、11表示，每個(gè)二進(jìn)制碼元用寬度為0.5ms的脈沖傳輸，試求出該信道的容量C_t等于多少b/s。

解：由題意得，1個(gè)符號的傳輸時(shí)間為1ms，即每秒傳輸1000符號。所以該信道的容量C_t為

4-8  設(shè)一幅黑白數(shù)字相片有400萬個(gè)像素，每個(gè)像素有16個(gè)亮度等級。若用3kHz帶寬的信道傳輸它，且信號噪聲功率比等于20dB，試問需要傳輸多少時(shí)間？

解：由香農(nóng)公式可知，信道的最大信息速率為

則一張相片所含的信息量為

一張相片需要的傳輸時(shí)間

4-9  設(shè)發(fā)射天線增益G_T為100，接收天線增益G_R為10，傳播距離等于50km，電磁波頻率為1800MHz，若允許最小接收功率等于4000pW，試求所需最小發(fā)射功率P_T（注：1pW＝10－12W）。

解：由教材式（4.1-12）可得