第四章 信道(1)

§4.2 有线信道
3. 光纤
（1）单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）
传输模式
（2）多模光纤（模：路径） 阶跃型多模光纤
折射率不同
（Step Index Fiber，SIF）
渐变型多模光纤 （Graded Index Fiber，GIF ）
SMF 、SIF、GIF是三种基本类型的光纤
第四章 信道
Contents
§4.1 无线信道 §4.2 有线信道 §4.3 信道的数学模型
§4.4 信道特性对信号传输的影响
§4.5 信道中的噪声 §4.6 信道容量
§4.1 无线信道
1、信道的定义
模拟通信——调制信道 为了研究调制和解调特性
数字通信——编码信道 为了研究编码和解码的特性
信道是信号的传输媒质
地波传播，短波电离层反射，超短波或微波视距中继， 人造卫星中继，各种散射信道
有线信道媒质的 频率传输范围
§4.1 无线信道
2、信道的分类 按传输信号的特征，可分为模拟信道（连续信道）和数字信道。
模拟通信——调制信道 为了研究调制和解调特性 数字通信——编码信道 为了研究编码和解码的特性
3、无线信道的优缺点： 优 点 缺 点 无线传输介质无需物理连接，通信方便和灵 活，应用广泛。 无线传输介质的传输特性不如有线传输介质的传 输特性稳定和可靠，易受干扰，通信中使用的技 术也较复杂。
视线（line of sight）传播 （高于30MHz）
2、可以采用无线电中继的办法 为了达到远距离通信的目的，可以采用无线电中继（radio relay）的办法，经过多次转发也能实现远程通信。
地球表面
视线（line of sight）传播 （高于30MHz）
1、最简单的办法就是提升天线的高度
R
视线（line of sight）传播 （高于30MHz）
地面波衰减极大，天波又会穿透电离层，只能采用视线波方式 电磁波从一个天线传播到另一个天线，天线有方向性，二者 相向。
地球表面
在地面上的传播距离与天线的高度有关，为了增大视线距离， 1、最简单的办法就是提升天线的高度； 2、也可以采用无线电中继的办法。
外壳 外套 光纤芯 包层 外部保护层
芯 (a) 单根光纤结构 (b) 光缆结构
封套
§4.2 有线信道
3. 光纤 传输原理——通过内部全反射来传输光信号 以小角度进入光纤的光波沿纤芯以反射方式向前传播。通 过内部全反射来传输光信号。
保护层 包层 光纤芯
注意：纤芯的折射系数高于外包层，光波在纤芯与包层界 面上产生全反射。
平流层通信：20-50km 平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(High Altitude Platform Stations,HAPS)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、气球或飞机作为安置转 发站的平台。 若在平流层安置250个充氦飞艇，可以实现覆盖全球90%以 上人口的地区。 若其高度在20km，则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区。 平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时 间小、建设快、容量大。
R
§4.2 有线信道
常用有线传输介质：明线、双绞线、同轴电缆、光纤等。 1. 双绞线（对称电缆） 结构：纤芯较明线细，故损耗大，但性能稳定 类型:屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。 输入阻抗：100Ω和150Ω两种。
§4.2 有线信道
1. 双绞线（对称电缆）
广泛应用于电话网用户接入电路
§4.2 有线信道
§4.1 无线信道
4、无线信道的传输方式： 在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。 通常用于通信的电磁波频率都比较高，原因：
v f
为了有效的发射或接受电磁波，要求 天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。 举例：频率为3KHz，则波长等于100km，那么天线长达10km
§4.1 无线信道
§4.2 有线信道
包层
n2
单模光纤
纤芯 包层 阶跃光纤 纤芯 包层 渐变光纤
n1
n2
n1
nr
纤芯 单模光纤频带宽，数据传输速率高，性能优于多模光纤。 单模光纤价格贵，多模光纤便宜。
§4.2 有线信道
3. 光纤 多模光纤传输中存在的干扰——色散
材料色散： 材料的折射率随频率改变
模式色散： 不同模式的光波群速率不同 波导色散： 不同频率分量的光波群速率不同
4、无线信道的传输方式： 地波（ground wave）
天波（sky wave）
视线（line of sight）传播
散射传播（前向散射）
C
地波（ground wave）（2MHz以下）
通过地表大气层传播，紧靠地面。呈曲线向各个方向传播，
传播距离取决于信号的能量，能量越大，传播越远。 地球表面是有电阻的导体，当电磁波在它上面行进时，有一
5、目前民用的无线通信方式：
甚低频（VLF） 3kHz~ 30kHz
蜂窝网 工作于超高 频段（UHF ）
卫星通信 特高频和 超高频
低频（LF） 30kHz~300kHz 中频（MF） 300kHz~3MHz
高频（HF） 3MHz~30MHz
甚高频（VHF）30MHz~300MHz 超高频（UHF） 300MHz~3GHz 特高频（SHF） 3GHz~30GHz 极高频（EHF） 30GHz~300GHz
2. 同轴电缆 分类：基带（视频）电缆和宽带（射频）电缆。
基带同轴电缆：用于直接传输数字数据信号。传输距离≤几km。 宽带同轴电缆：用于传输高频信号。 ≤几十km 特性阻抗：50Ω和75Ω。 50Ω的基带同轴电缆只用于传输数字基带信号，数 据速率可达10Mb/s，用于局域网中； 75Ω宽带同轴电缆多用于无线电工程，用于传输模 拟信号。 屏蔽性：优于双绞线。
§4.1 无线信道
无线信道在传输时受到的影响： 大气 氧气 水蒸气 降水 水蒸气吸收产生的谐振点： 23GHz、180GHz、350GHz 氧气吸收产生的谐振点： 62GHz、120GHz 吸收和散射（scatter） 电磁波 电磁波的频率越高传 播衰减越严重。 降水对于10GHz以上的电磁 波也有较大影响。 R
1、最简单的办法就是提升天线的高度 由于视线传输的距离和天线架设高度有关，天线架设越高，视 线传输距离越远，故可利用卫星作为中继站，通过微波频带转 发无线电信号，实现远距离、大范围内地球站之间的通信。 ——卫星通信 卫星的轨道在赤道平面，赤道上方36000Km； 由于绕地球一周24小时所以称为同步通信卫星（静止卫星）
§4.1 无线信道
2、信道的分类 信道分类：按信道的组成划分，可分为广义信道和狭义信道。 狭义信道： 发送设备和接收设备之间用以传输信号的媒介或通道 广义信道： 除了传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如调制 器、解调器、编码器、解码器等。
§4.1 无线信道
2、信道的分类 按传输介质划分，可分为有线信道和无线信道。 有线信道： 由各种传输线路构成的信道 明线，对称电缆，同轴电缆，光缆。 无线信道： 电波传播空间构成的信道。
§4.2 有线信道
2. 同轴电缆
内导体 绝缘层 外导体 外部保护层
外导体通常接地——电屏蔽（screen） 用途：有线电视广播 长距离传输已被光纤替代。
§4.2 有线信道
3. 光纤 原材料：由玻璃或塑料制成， 特点：具有很低的传输损耗、传输速率高 结构：在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包 层包住，就可以构成一条光通道。外面再加一保护套，即构 成一条单芯光导纤维电缆，即单芯光缆。多条光纤放在同一 保护套内，就构成多芯光缆。
d 2 r 2 (h r ) 2 d 2rh
D为两个天线的距离(D≈2d),则
D2 (2d )2 8rh
D：收发天线的距离（km） 2d:传播途径 r:地球半径6370km
D2 D2 h ( m) 8r 50
举例：）传播 （高于30MHz）
保护层 包层 光纤芯
单模光纤不存在色散且 容量大，但是其造价高 （激光器做光源），不 易对接
§4.2 有线信道
3. 光纤 我们希望光波在光纤中传输时能够损耗足够小，而损耗与波 长有关，那么在选择波长时要尽量选在损耗最小的波长上。 损耗最小点： 850nm 1310nm 1550nm 损耗高峰： 1400nm
视线（line of sight）传播 （高于30MHz）
相隔120o的地球 同步卫星可以覆 盖除南北两极地 区以外的整个地 球的大部分有人 居住区，能实现 全球通信。 缺点： 1、增大了对发射 功率的要求 2、增大了信号传 输的延迟时间
视线（line of sight）传播 （高于30MHz）
散射传播（前向传播）
对流层散射 电离层散射 通信频率范围 ：100MHz4000MHz 有效传播距离 ：600km
流星余迹散射 30MHz100MHz 传播距离： 1000km以 上 适用于低速存储、 高速转发的方式进 行数据传输。
30MHz60MHz 电离层 不均匀
对流层散 射信道
R
§4.1 无线信道
部分电磁能量被消耗，频率越高，地面波损耗越大。 地面波传播适用于长波。
直射 波
发
收
反射波 地面地面波
地面空间波
地波
R
天波（sky wave）2MHz~30MHz
电离层是距地面50~400km的大气层，在电离层传播中，无线 电波由电离层反射回地面，能以较低的能量传播较远的距离。 电离层 <20Km 对流层 >50Km 电离层 （60km~400km） 寂静区的概念