微波通信作业集(40页).doc
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1、-微波通信作业集-第 36 页2015-2016学年微波通信系统与设计 班级 姓名 学号 指导老师 目录第一次作业1题目11a)微波通信特点及系统举例1b)蜂窝移动通信1题目2 香农公式2题目3 多种调制体制误码率性能比较(使用)2第二次作业6题目5 函数绘制方波时域波形与频谱并分析6题目6 调制分析7第三次作业9题目7 推导数字通信中,归一化信噪比(0)与信噪比()的关系。9题目89a)调制方式性能优良的标准9b)、分析比较9题目9 接收机参数计算10题目10多径效应对通信系统的影响分析11第四次作业13题目11、功率密度13题目12、自由空间损耗13题目13、接收机灵敏度15题目14、归一
2、化信噪比16题目15、中频镜像现象及其抑制16题目16、三阶交调17题目17、技术文献查阅17作业要求24附录25参考文献292015-2016年本科微波通信课程平时作业题第一次作业题目1a)微波通信特点及系统举例简要回答微波通信有何特点,请指出微波通信系统的工作频率,即一般为多少频率以上,波长小于多少?并举23个常见的微波通信系统例子。b)蜂窝移动通信简述蜂窝通信系统的小区制在频率复用、个人移动用户方面有何突出优点?城市区域的小区半径一般在什么范畴?答:a)微波通信的特点:(1)通信频段的频带宽,传输信息容量大。微波频段占用的频带约300,而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30。(
3、2)通信稳定、可靠。当通信频率高于100时,工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。(3)通信灵活性较大。微波中继通信采用中继方式,可以实现地面上的远距离通信,并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。(4)天线增益高、方向性强。当天线面积给定时,天线增益与工作波长的平方成反比。(5)微波通信设施建设周期短,耗费少。对于无线通信的基站的互联具有较好的适应性,体积小、重量轻、安装容易。(6)数字化。对于数字微波通信系统来说,是利用微波信道传输数字信号,因为基带信号为数字信号,所以称为数字微波通信系统。微波通信系统的工作频率1000以上,波长小于30。微波通信系统举例:无线电寻呼系统,广播
4、 b)蜂窝通信系统小区制采用频率复用技术提高了频率利用率。在小区制中,相邻小区中使用不同的频率,而在非相邻且距离较远的小区中使用相同的载波频率。由于相距较远,基站功率有限,使用相同的频率不会造成明显的同频干扰,这样就提高了利用率。对个人移动用户来说,定位更加准确。城市区域的小区半径0.1-1。题目2 香农公式在通信系统中,请简述香农()信道容量公式,在加性白高斯噪声信道中的指导作用和意义。答:斯白噪声干扰的信道中,计算最大信息传送速率,即信道容量, ()即香农公式。B是信道带宽(),S是信号功率(W),N是噪声功率(W)。如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C,那么,在理论上存在一种方法
5、可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。该定理还指出:如果RC,则没有任何办法传递这样的信息,或者说传递这样的二进制信息的差错率为1/2。信道带宽限制了比特率的增加,信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。信道上的噪声对信道容量产生负面影响。信道容最取决于传输带宽w和信噪比sN。,与窄带宽、低功率的信号相比,宽带宽、高功率的信号具有更大的信道容量C。而信道容量又反映了在一定信道条件下通信系统无差错传输信息的能力。更具体地说,该式表明了当给定信号平均功率与噪声平均功率时,在具有一定频带宽度w的信道E,单位时间内可能传输的信息量的极限值。可见,信道容餐实际上表明了通信系统的通信能力
6、,而保证一定误码率条件下通信容量的能力就表明了抗干扰能力。所以,香农公式表明了系统的通信能力和抗干扰能力与传输信息所用带宽以及信噪比之间的关系。题目3 多种调制体制误码率性能比较(使用)依据教材或者参考文献上的解调理论公式,对、等体制解调,用程序编程,绘制误码率性能和信噪比变化关系曲线。并进行简要分析说明 提示:不少于二种体制,附源程序。答:不同调制方式下的误码率公式如下所示:其中 为解调器输入端信号噪声功率比,误差函数定义为 (1.3-4)误码率性能和信噪比变化关系曲线: 图1.3-1分析说明:对于所有的数字调制系统误码率与信噪比的关系的图表来看,所有的曲线呈减函数的下降曲线,即随着信噪比的
7、增大,误码率降低;解调方式一定,信噪比相同时,误码率性能从低到高依次是。题目4a)查阅文献资料,简要描述移动通信1G2 G 3 G 4G 5G简要发展历程;b)并从其通信功能、性能、技术指标等方面描述其技术发展和演进特点;c)并对不同的通信技术方案进行简要介绍,分析其传输速率能够得以提高的原因(可选做);d)对不同的国际标准情况进行简要介绍。(可在b小题中结合,简要介绍其标准) 提示:各小题要从专业的角度说明;各的技术方案以中国采用的方案为主说明。答:a) 1G:,80年代。模拟式通信系统,模拟式是代表在无线传输采用模拟式的调制,将介于300到3400的语音转换到高频的载波频率上。缺点:保密性
8、不强、系统容量有限以及无法传输数据等。2G: ,90年代。从1G跨入2G的分野则是从模拟调制进入到数字调制,相比于第1代移动通信,第二代移动通信具备高度的保密性,系统的容量也在增加,支持上网。主流、以及。最后被广泛采用。早在1989年欧洲就以为通信系统的统一标准并正式商业化。3G: ,二十世纪初。国际电信联盟()发布了官方第3代移动通信(3G)标准2000( 2000,国际移动通信2000标准)。3G存在四种标准制式,分别是2000,。4G:。,。频谱更宽,通信速度更快,智能程度更高。三种语言解决方案:,。5G: 5G()即第五代移动电话系统,是4G移动通信技术的延伸。目前尚未有任何一家标准制
9、定组织或者电信公司的公开规格,也没有在任何官方文件中有所涉及,即该技术尚未有具体的标准。b)1G:区域性的移动通信,容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游。2G:较高的通话质量,保密性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点。3G:(1)、全球统一频段、统一标准全球无缝覆盖和漫游。(2)、频谱利用率高。(3)、在144(最好在384)能达到全覆盖和全移动性,还能提高最高塑料布大2的多媒体业务。(4)、支持高质量话音、分组多媒体业务和多用户速率通信。(5)、有按需分配带宽和根据不同业务设置不同服务等级的能力。(6)、适应多用户环境,
10、包括室内、室外、快速移动和卫星环境。(7)、安全保密性能优良。(8)、便于从第二代移动通信向第三代移动通信平滑过渡。(9)、可与各种移动通信系统融合,包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等。4G:(1)、网络频谱更宽。每个4G信道将占有100的频谱,相当于3G网络的20倍。(2)、通信速度更快。传输速率可以达到20,最高可以达到100。(3)、通信更加灵活。(4)、智能性更高。终端设计和操作具有智能化,兼容性更平滑。5G:通信速度大幅加快,下载速度3.6;更加智能化。d): 第一代全入网通信系统技术。该技术按照英国标准而设计的模拟式移动电话系统,其频率范围为900。系统也是一种模拟移动通信系统,提
11、供了全双工、自动拨号等功能,与系统类似, : ,由欧洲电信标准组织制订的一个数字移动通信标准,是全球移动通信系统( ) 的简称。它的空中接口采用时分多址技术。自90年代中期投入商用以来,被全球超过100个国家采用。:该标准是由中国大陆独自制定的3G标准,1999年6月29日,中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向提出。该标准将智能无线、同步和软件无线电等当今国际领先技术融于其中,在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。: ,意为宽频分码多重存取,其支持者主要是以系统为主的欧洲厂商,日本公司也或多或少参与其中,包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电,以
12、及日本的、富士通、夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的网络上,对于系统提供商而言可以较轻易地过渡,而系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。2000: 2000是由窄带( 95)技术发展而来的宽带技术,也称为 ,它是由美国高通北美公司为主导提出,摩托罗拉、和后来加入的韩国三星都有参与,韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频数字标准衍生出来的,可以从原有的结构直接升级到3G,: ( ,分时长期演进)是基于3长期演进技术()的一种通讯技术与标准,属于的一个分支。该技术由上海贝尔、诺基亚西门子 通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通、等业者共同开发。:(频分双工)是该技
13、术的双工模式之一,应用(频分双工)式的即为。模式的特点是在分离(上下行频率间隔190)的两个对称频率信道上,系统进行接收和传送,用保证频段来分离接收和传送信道。模式的优点是采用包交换等技术,可突破二代发展的瓶颈,实现高速数据业务,并可提高频谱利用率,增加系统容量。第二次作业题目5 函数绘制方波时域波形与频谱并分析用程序编程,用函数绘制出方波时域波形和对应的频域频谱。 (提示:先要进行时域波形的函数表述,并用傅里叶变换表述出变换结果(建模);再用软件绘制时域和频域曲线;频域曲线的坐标单位要转换成;并将不同宽度方波(建议3倍)变换结果进行比对和分析说明,附源程序)答:一个周期内方波时域表示 (1)
14、方波信号的傅立叶级数展开为 (2.5-2)方波信号的傅立叶变换为 (2.5-3)频率100的方波信号及其频谱函数如图2.5-1所示:图2.5-1频率300的方波信号及其频谱函数如图2.5-2所示:图2.5-2 由上述内容分析,周期方波信号的频谱是非周期性离散的线状频谱,成为谱线,连接个谱线顶点的曲线为频谱的包络线,它反映了各频率分量的幅度随频率的变化情况。周期信号的幅值频谱是收敛的。即谐波的频率越高,其幅值越小,再整个信号中所占的比重也就越小。题目6 调制分析用程序编程,对调制体制,绘制输入调制码元(基带信号)、载波频率、已调信号的时域波形;用函数绘制出输入调制码元(基带信号)、已调信号的频谱
15、,并对二者的频谱关系进行分析说明。 (提示:附源程序)答:当码元宽度为载波周期的整数倍时,2信号的典型波形如图2-61所示:图2-612已调信号的时域表达式为 (2-61)s(t)是双极性数字基带信号,即 (2-62) (2-63) (2-64) 给出了基带信号、载波信号及调制信号的波形图 图2.6-1第三次作业题目7 推导数字通信中,归一化信噪比(0)与信噪比()的关系。答:S为信号功率,单位为瓦特W或, 为信道传信率()为信号比特能量()有*; N为噪声功率(W),为噪声功率谱密度(),传输带宽B(),有 , 题目8a)调制方式性能优良的标准衡量某种调制方式性能较优良的主要标准是什么,并用
16、示意图进行说明。(1)误码率:衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。相同信噪比情况下,误码率越大,对应调制性能越差。(如图)(2)传输速率(传信率)(3)频带利用率:数字通信传输系统的频带利用率定义为:所传输的信息速率(或符号速率)与系统带宽之比值,其单位为(或为).其他条件相同时,多进制调制可以增大频带利用率,调制性能较好。b)、分析比较传输符号时宽为(s)的信号时,当采用调制,其功率谱密度双边带带宽为多少?当传输同样符号时宽信号时,分别采用、调制,其功率谱密度双边带带宽各自为多少?试将、等时宽符号传输时的功率谱密度绘制在同一图表上,并分析
17、说明这三者之间的调制谱特性。答:、调制功率谱密度双边带带宽见式3.8-1 a) b) c)三种调制方式的功率谱密度表达式如下,其中为输入数据流的比特宽度。功率谱密度: (3.8-2a)信号的归一化单边功率谱密度表达式如下:功率谱密度:题目9 接收机参数计算图3.9-1所示为接收机前端构成框图,天线接收到信号的功率电平113(A点),中频滤波器带宽10。 a)计算接收机的等效噪声系数; b)计算接收机的等效噪声温度; c)计算解调器输入端(B点)的信噪比。本振低噪声放大器带通滤波器中放解调器G25A点B点113G1=101=3G313=2G4=254=5图3.9-1接收机前端部件参数及构成框图解
18、:(a) 求接收机等效噪声系数 各部分增益以及噪声系数如下:G1=1010;1=31.96;2为混频器的插入损耗;G310.794;3=21.585;G4=25316.23;4=53.16;由噪声系数级联公式得等效噪声系数为,则=5.1;(b) 接收机等效噪声温度;= 2.222 X 290K = 644.4K(c) 解调器输入端信噪比,即接收机前端输出信噪比;系统总增益 G=G1+G2+G3+G4=29;B点输出信号功率 =+G84;B点输出噪声功率 =+G70;解调器输出端信噪比 1;题目10多径效应对通信系统的影响分析 要求:简述多径效应产生机理,分析对通信系统的影响。 用图形和公式表明
19、,并用眼图定性描述影响。答:通信系统中,由于通信地面站天线波束较宽,受地物、地貌和海况等诸多因素的影响,使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波,这种现象就是多径效应。这些不同路径到达的电磁波时间与相位也都不一样且具有时变性,导致接收信号呈衰落状态;这些电磁波射线到达的时延不同,又导致码间干扰。多径会导致信号的衰落和相移,除了能量的衰落,即使信号加强,也会产生信号的时域的混叠,使解调判决产生误码(眼图杂乱); 在接收方收到的信号为N个不同路径传播的信号之和,即:式中:为第i条路径的衰减系数;为第i条路径的相对延时差。在短波通信中,为保证电路在多径传输中的最大时延与最小时延差不大于某
20、个规定值,工作频率要求不低于电路最高可用频率的某个百分数。这个百分数称为多径缩减因子。下面给出多径缩减因子与路径距离的关系曲线:图3.10-1眼图参数如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、“1”电平,“0”电平,消光比,Q因子,平均功率等如图所示:图3.10-2多径效应增大了码间串扰,反映在眼图上就是波形失真,码元不完全重合,眼图的迹线就会不清晰,引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响,则使眼图的线条变得模糊,“眼”开启变小,因此,“眼”张开的大小表示了失真的程度,反映了码间串扰的强弱。第四次作业题目11、功率密度若在某频率f0时,发射机功率30W,采用全向天线辐射传输到R0=10距离时,计算:a)
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