第3章 信道

由于D、E层电子密度小，不能形成反射条件，所以短波电 波不会被反射。D、E层对电波传输的影响主要是吸收电波，使 电波能量损耗。
F2层是反射层，其高度为250~400 km，所以一次反射的 最大距离约为4000 km，二次反射的通信距离可达8000 km。
4、电磁波的分类
地波
频率 < 2 MHz ，地表 传播，有绕射能力
信道功能是将信号从发送端传送到接收端。 信道可分为狭义信道和广义信道。
如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭 义信道。
如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的 一些转换装置，这种信道称为广义信道。
狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无 线信道两类。
有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。 无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波 或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信 道等。 狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效 果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。因 此，在研究信道的一般特性时， “传输媒质”仍是讨论 的重点。 今后，为了叙述方便，常把广义信道简称为信道。
1. 调制信道的表示
调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义 信道，它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过 调制信道后的最终结果，对于调制信道内部的变换过程并不 关心。
因此，调制信道可以用具有一定输入、输出关系的方 框来表示。
2、调制信道的共性： 通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它具有以
二、无线信道的电磁波
1、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 －为了有效地发射和接收电磁波，要求天
线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。---频率不能太低!
2、地球大气层的结构
对流层：地面上 0 ~ 10 km 平流层：约10 ～ 60 km 电离层：约60 ～ 400 km
图 3.2-3
芯
芯
1
芯
8
2
芯
芯
7
3
芯
芯
6
芯
4
5 (b)
同轴电缆结构图
二.光纤信道
以光纤纤维（简称光纤）为传输媒质，光波为载波的光纤 信道，可望提供极大的传输容量。
光纤信道的简化框图如下3.2-4所示。
基基
光
带带
调
电 信 号
处 理
制 器
光
光
纤
探
线测
路
器
基
基
带
带
处 理
电 信 号
调制 电信号wk.baidu.com
光
源
已调 光信号
（1） 有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；
（2） 绝大多数的信道都是线性的， 即满足线性叠加原理；
（3） 信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；
（4） 信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；
（5） 即使没有信号输入， 在信道的输出端仍可能有一定的 输出（噪声）。
3、调制信道模型
根据以上几条性质，调制信道可以用一个二端口(或多 端口)线性时变网络来表示，这个网络便称为调制信道模型， 如图 3.3 - 2 所示。
60 km
电离层 平流层
对流层
10 km
地面
0 km
3.短波电离层的传播路径
短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离 层， 或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信 道。
离地面60~400 km的大气层称为电离层。
电离层由分子、原子、离子及自由电子组成，形成的原因 是由于太阳辐射的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离。
注：大气（主要是其中的氧气和水蒸 气）及降水都会吸收和散射电磁波， 使频率在1GHz以上的电磁波的传播 衰减显著增加，如图3-6所示。
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
衰 减
(dB/km)
降雨率
频率(GHz) (b) 降雨的衰减
图3.1-6 大气衰减
四、散射传播
1、电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上
当频率范围为3~30 MHz (波长为10-100m)的短波(或称 为高频)无线电波射入电离层时， 由于折射现象会使电波发生 反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。
电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和F2四层， 如图3.1-1所示。
0 A 地球
F F
E D
B
300 km
F
地球反射点
A
B
图 3.3 – 3 调制信道数学模型
于ei(t) 。
f[ei(t)]中的“f”表示网络对输入信号产生影响的某种函数。
显 然 ， 只 要 “ f” 不 满 足 无 失 真 传 输 条 件 （ 即 满 足 失 真 传 输 条
件），网络就会使ei(t)发生畸变。作为数学上的一种简洁，不妨 令f[ei(t)]=k(t). ei(t)。其中， k(t)依赖于网络特性，它对ei(t)来说 是一种乘性干扰。因此，式（3.3-1)可以写成：
发射天线
h
距离: 和天线高度有关(r=6370km)
d D
传播途径 接收天线
D2 D2
h
m
8r 50
(3.1-3)
r
r
地面
式中，D – 收发天线间距离(km)。 [例] 若要求D = 50 km，则由式(3.1-3)
D2 D2 502 h 50 m
8r 50 50
增大视线传播距离的其他途径
编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。 即编码信道包括调制器、调制信道和解调器。
调制信道和编码信道是通信系统中常用的两种广义信道， 如果研究的对象和关心的问题不同，还可以定义其他形式的广 义信道。
二. 调制信道的数学模型
信道的数学模型用来表征实际物理信道的特性，它对通 信系统的分析和设计是十分方便的。
1.5
1.7
光波波长（m）
图3.2-6 光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m
作业
思考题（自作）： P84 4-10,4-11 4-12
3.3 信道的数学模型
☻ 信道模型的分类 ☻ 调制信道的数学模型 ☻ 编码信道模型
一、信道模型的分类：
调制信道 编码信道
信 息 源
信 源 编
2、对流层散射 机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起 频率 － 100 ~ 4000 MHz 最大距离 < 600 km
3、流星余迹散射:由于流星经过大气层时产生很强的
电离余迹使电磁波散射的现象.
流星余迹
图3.1-8 流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 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 － 1000 km以上 特点 － 低速存储、高速突发、断续传输
距离：数百或数千千 米 (低频和甚低频段)
天波(电离层反射波）
频率：2 ~ 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：<
4000 km 寂静区：电磁波不能
到达的区域。
传播路径 地面
图3.1-2 地波传播
信号传播路径 地面
图 3.1-3 天波传播
视线传播：
频率 > 30 MHz
d
图 3.3 – 2 调制信道模型
二端口的调制信道模型， 其输出与输入的关系有
e0 (t) f [ei (t)] n(t)
(3.3 - 1)
式中，ei(t)为输入的 已调信号； eo(t)为信道 总的输出；n(t)为加性
噪声(或称加性干扰），
n(t)与ei(t)不发生依赖关
系，或者说， n(t)独立
图 3.1-4 视线传播
➢ 中继通信：
➢ 卫星通信：静止卫星、
移动卫星
图3.1-5 无线电中继
➢ 平流层通信：利用位于平流层的高空平台电台代替卫星作为 基站的通信。
三、电离层和大气层对于传播的影响
电离层对于传播的影 响
反射
衰 减
(dB/km)
水蒸气
氧 气
散射
大气层对于传播的影 响
散射
吸收
根据应用情况不同，在光纤线路中可能设有中继器（也可 不设）。中继器有两种类型：直接中继器和间接中继器。
直接中继器就是光放大器，它直接将光信号放大以补偿光 纤的传输损耗，以便延长传输距离；
间接中继器就是将光信号先解调为电信号，经放大或再生 处理后，再调制到光载波上，利用光纤继续进行传输。
在数字光纤信道中，为了减少失真及防止噪声的积累，每隔 一定距离需要加入再生中继器。
通信原理
第3 章信道
3.1 无线信道 3.2 有线信道 3.3 信道的数学模型 3.4 信道特性对信号传输的影响 3.5 信道中的噪声和信道容量
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3.1 无 线 信 道
￭￭ 信道的定义及分类 ￭￭ 无线信道的电磁波 ￭￭ 电离层和大气层对于传播的影响 ￭￭ 散射传播
一、信道的定义及分类
信道：是连接发送端和接收端的通信设备。 或者信 道是指以传输媒质为基础的信号通道。
码
加 密
信 道 编
码
数 字 调
制
信道
数 字 解 调
信 道 译
码
解 密
信 源 译
码
受 信 者
噪声源
调制信道
编码信道
图 3.3 –1 调制信道和编码信道
调制信道是指从调制器的输出端到解调器的输入端所包 含的发转换装置、 媒质和收转换装置三部分。
当研究调制与解调问题时，我们所关心的是调制器输出 的信号形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并不关 心信号的中间变换过程。因此，定义调制信道对于研究调制与 解调问题是方便和恰当的。
n2 n1 折射率
光纤
(a)
结构 纤芯
n2 n1 折射率
包层 (b)
按折射率分类
阶跃型 梯度型
n2 n1 折射率
125
按模式分类 7～10 多模光纤 (c)
单模光纤
单模阶跃折射率光纤
图3.2-5 光纤结构示意图
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
1.3
作业
思考题（自作）： P84 4-2,4-3,4-4
习
题 ： P84 4-1
3.2 有 线 信 道
◆ 传输电信号的有线信道 ◆ 光纤信道
一、传输电信号的有 线信道
1、明线：平行架设在 电线竿上的架空线 路。它是导电裸线 或带绝缘层的导线。
明线传输损耗低， 但易受天气和环境 的影响，对外界噪 声干扰较敏感，很 难沿一条路径架设 大量的成对线路。 现逐渐淘汰。
广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关 的变换装置，这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与 天线、调制器、解调器等等。
这相当于在狭义信道的基础上， 扩大了信道的范围。 它的引入主要是从研究信息传输的角度出发，使通信系统的 一些基本问题研究比较方便。
广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编 码信道等。
图 3 .1-1 电离层结构示意图
由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机 变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。
在白天，由于太阳辐射强，所以D （距地面60-80km）、E （100-120km) 、F1 （150-200km)和F2四层都存在。 在夜晚，由于 太阳辐射减弱，D层和F1层几乎完全消失，因此只有E层和F2层 存在。
解调 电信号
图3.2-4 光纤信道的一般组成
光纤信道由光源，光纤线路及光电探测等三个基本部分组 成。
光源是光载波的发生器，目前，广泛应用半导体发光二极 管(LED)或激光二极管(LD)做光源。光纤线路可能是一根或多 根光纤。在接收端是一个直接检波式的光探测器，常用PIN光 电二极管或雪崩二极管来实现光强度的检测。
图 3.2-3(a)所示。
绝缘 体
塑料 外皮
外层导体（屏蔽层） 内层导体
同轴电缆由同轴的两个导体(a)构成，外导体芯是一个圆柱形的
导体，内导体是芯金属线，它们之间填充着介质1。
四芯
1
四芯
芯
芯
组
线
B
A
4
2
实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰
具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。
在有线电视网络中大量采用这种绝缘体结构的同轴电缆。
为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大
的保护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可以装入一些二芯
绞线对或四芯线组，塑作料外皮为传外层导输体（屏控蔽层）制内层信导体号用。
(a) 芯
芯 1
四芯 1
组
B
芯
四芯
线 A
芯
芯
4
2
芯
2 3
芯
芯
1
芯
6
2
芯
芯
5
芯
3
4
3.2-1 架空明线
2、对称电缆：是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线 的传输媒质。
通常有两种类型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。导线 材料是铝或铜， 直径为0.4~1.4 mm。
为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞 状，如图 3.2-2所示。 由于这些结构上的特点， 故电缆的传输 损耗比较大， 但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、安装 容易。
对称电缆主要用于市话中继线路和用户线路，在许多局 域网如以太网、令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。 STP电缆的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施，对 噪声有更好的屏蔽作用，但是其价格要昂贵一些。
对称电缆：由许多对双绞线组成。
导体
绝缘层
图3.2-2 双绞线
塑料外皮 双绞线（5对）
3. 同轴电缆 同轴电缆与对称电缆结构不同，单根同轴电缆的结构图如