第4章 信道

0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
在1.31μm和1.55μm波长上出现了两个损耗最小点。
4.3 信道数学模型
信道的分类：
信 息 源
信 源 编
码
加 密
信 道 编
天波传播：
利用电离层反射的传播方式称为天波传播。
电离层的结构：
D层：高60 ~ 80 km E层：高100 ~ 120 km F层：高150 ~ 400 km F1层：140 ~ 200 km F2层：250 ~ 400 km 晚上：D层、F1层消失；E层、F2层减弱
电离层高度：60 ～ 400 km 单跳（一次反射）最大距离：4000 km 多跳可以环球 频率：2 ～ 30 MHz，频率高于30MHz的电磁
• 频率过低，波长过长，天线难于实现。 • 例如，若电磁波的频率等于3000Hz，则其波长等
于100km。这时要求天线的尺寸大于10km。
电磁波传播：地波、天波、视线传播
地波传播：
频率：2MHz 以下 绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比时 通信距离：可达数百～数千 km 特点：由于地表面的电性能及地貌、地 物等基本上不随时间快速变化，也不受气 候条件对影响，因此信号稳定。
HAPS(High Altitude Platform Station) 平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代
替卫星作为基站的通信。平台高度距地面17km～ 22km。可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机 作为安置转发站的平台。
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大气对电磁波传播的影响：
衰 (dB/km减)
电离层对于传播的影响： 反射、散射
实心介质 导体
金属编织网
保护层
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同轴线
光纤：
光纤：传输光信号的有线信道是光导纤维。 最早出现的光纤是由折射率不同的两种导光介
质（高纯度的石英玻璃）纤维制成的。内层称 为纤芯，在纤芯外包有另一种折射率的介质， 称为包层。 由于纤芯的折射率n1比包层的折射率n2大，光 波会在两层的边界处产生反射。经过多次反射， 光波可以达到远距离传输。
传输损耗低； 易受天气和环境的影响； 对外界噪声干扰较敏感； 很难沿一条路径架设大
量的成百对线路； 目前已经逐步被电缆所
替代。
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电缆：
电缆有两类，即对称电缆和同轴电缆。 对称电缆：由许多对双绞线组成。
对称电缆的芯线比明线细，直径在0.4mm～1.4mm， 故损耗较大，但性能较稳定。
对称电缆在有线电话网中广泛用于用户接入系统。
多模光纤直径较粗，不同入射角的光波在光纤中有不同 的传播路径，各路径的传输时延不同，并且存在色散的 现象，故会造成信号波形的失真，从而限制了传输带宽。
单模光纤：直径较小。用激光器作为光源，产生单一频 率的光波，并且光波在光纤中只有一种传播模式。
光纤损耗与光波波长的关系：
1.31 m
1.55 m
0.7
大气层对于传播的影响： 散射、吸收
衰 (dB/km减)
水蒸气
氧气
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
降雨率
(b) 降雨的衰减
频率(GHz)
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大气衰减
散射通信：
电离层散射
机理：由电离层不对称性引起 频率: 30 ~ 60 MHz 距离：1000km以上
对流层散射
机理：由对流层不对称性引起 频率: 100 ~ 4000 MHz 距离：<600km
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折射率在两种介质内是均匀不变的，仅在边界处发生突 变，这种光纤称为阶跃（折射率）型光纤。
光纤的纤芯折射率沿半径增大方向逐渐减小，光波在这 种光纤中的路径是因折射而逐渐弯曲的，这种光纤称为 梯度（折射率）型光纤。
n2 n1
折射率
n2 n1
折射率
2a
上述两种光纤中光线有多条传播路径，故称为多模光纤
天波传播的随机多径效应严重，多径时延 较长，信道带宽较窄。因此为了保证通信 质量，在接收时通常要采用抗多径干扰技 术。
天波传播不稳定，衰落严重。
电离层所能反射的频率范围很有限，一般 为短波范围，因此短波电台特别拥挤，电 台间的干扰很大。
视线传播:
频率：> 30 MHz。此时电磁波将穿透电离层， 只能做视距传播。
提高天线的高度可增大视线传播的距离。
为了实现远程通信，通常采用无线电中继， 如微波中继、人造卫星中继等。
无线电中继：
由于视距传输的距离有限，为了达到远距离通信 的目的，可以采用无线电中继的办法。这样经过 多次转发，也能实现远程通信。
图1.4.4 无线电中继
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静止卫星中继通信：
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平流层中继通信：
有效散射区域
地球
对流层散射通信
流星余迹散射
特点:高度80～120 km，长度15～40 km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率: 30 ~ 100 MHz 距离：1000km以上 特点：低速存储、高速突发、断续传输
地 球
流星余迹散射通信
蜂窝网：
移动 交换 中心
电话
交换
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中心
4.2 有线信道
明线：是指架设在电 线杆上的架空线路。
导体
绝缘层
18双绞线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
同轴电缆：由两根同心圆柱形导线构成，两根导线 间用绝缘体隔离开。
内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编制 网，在外导体外面有一层绝缘保护层。
内外导体间可填充实心介质材料，或者用空气作介质，但间 隔一段距离有绝缘支架用于连接和固定内外导体。
外导体通常接地，能够很好地起到电屏蔽作用。 在有线电视广播网中较广泛地应用同轴电缆将信号送入用户。 远距离传输信号多采用光纤代替同轴电缆。
第四章 信 道
信道分类：
无线信道 ——电磁波（含光波） 有线信道 ——电线、光纤
信道中的干扰：
有源干扰 ——噪声 无源干扰 ——传输特性不良
本章重点：
介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于 信号传输的影响。
4.1 无线信道
无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制：
• 为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸 不小于电磁波波长的1/10。
波将穿透电离层，不能被反射回来。
天波传播的主要特点：
频率的选择非常重要，频率太高，电磁波 会穿透电离层而射向太空；频率太低，电 离层吸收太大，以致不能保证必要的信噪 比。由于电离层随年、月、日、时而变化， 因此，为了保证可靠地进行通信最好在不 同时刻使用不同的频率。但为了避免换频 太频繁，通常一日之内使用两个（日频和 夜频）或三个频率。