通信原理课件第4章信道

为平流层通信。
• 有线信道分为有线电信道和有线光信道两大类。
有线电信道有明线、对称电缆、同轴电缆之分。
有线光信道中的光信号在光纤传输。光纤按照传
输模式分为单模光纤和多模光纤。按照光纤中折
射率变化的不同，光纤又分为阶跃型光纤和梯度 型光纤。 • 光纤色散将会使信号产生畸变，它限制着通信容 量和信号传输距离的增加。
在单模光纤中不存在模式色散，因而其色散 性能也较好。在多模光纤中，非均匀光纤的色散 比均匀光纤小得多，这是因为非均匀光纤采用了 合理的折射指数分布，从而均衡了模式色散的缘 故。
光纤色散将会使信号产生畸变，它限制着通 信容量和信号传输距离的增加。
复习引入
• 介绍了信道的定义、分类、功能及各种实际的
4、卫星中继信道
• 卫星中继信道是无线电视距中继信道的特例和发展。
它是利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。
•卫星中继信道是以通信卫星转发器作为中继站与接
收、发送地球站之间构成。
•若卫星运行轨道在赤道平面作圆周运动，离地面高
度为35780km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，
与地球自转同步，这种卫星称为静止卫星(同步卫星)。
乘性干扰是一个复杂的函数，会信号产生各 种失真，包括线性失真、非线性失真、时间迟延 以及衰减等。故k(t)往往只能用随机过程来表述。 在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：
• 恒（定）参（量）信道：即它们（乘性干扰）可 看成不随时间变化或基本不变化； • 随（机）参（量）信道：它是非恒参信道的统称， 或者说，它（乘性干扰）是随机快变化的。
光导纤维通过内部全反射来传输光信号，其
传输过程如图所示。由于光纤的折射系数高于外
部包层的折射系数，使得光波在纤芯与包层界面
之间产生全反射。以小角度进入光纤的光波将沿 着纤芯以反射的方式向前传播。 • 均匀光纤：芯线和包层中的折射率都是均匀的； • 非均匀光纤：芯线的折射率是沿半径方向逐渐减 小的，而包层的折射率是均匀的。
层。
• 流星余迹散射：由于流星经过大气层时产生的很强
的电离余迹使电磁波散射的现象。
4.2 有线信道
三种有线电信道 1.明线
明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。 与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易受 气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。 目前，已逐渐被电缆所代替。

2. 对称电缆
地球
图 4 -4 无线电中继信道的构成
•
无线电视距中继通信系统由终端站、中继站及
各站间的电波传播路径所构成。
• 这种系统具有传输容量大、发射功率小、通信
稳定可靠，和同轴电缆相比，可以节省有色金
属等优点。 • 它主要用于长途干线、移动通信网及某些数据 收集系统中，也被广泛用来传输多路电话及电 视。
• 若以静止卫星作为中继站，采用三个相差120°的
静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两 极盲区除外)，如图 4 - 5 所示。 •卫星中继信道具有传输距离远、覆盖地域广、传 播稳定可靠、传输容量大等突出的优点。目前广泛 用来传输多路电话、电报、数据和电视。
B 地球 A
图4–5
卫星中继信道示意图
内层导体
芯 1
芯 四芯 组 B 1 芯 2 四芯 线 A 芯 4
芯 2 芯 3
芯 芯 芯 6 芯 5 芯 4 1 芯 2 芯 3 芯 7 芯 6 芯 5 芯 4 芯 8 1 芯 2 芯 3
(b)
图 4- 10同轴电缆结构图
4. 光纤信道
光纤具有损耗低、频带宽、线径细、重 量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色 金属以及不受电磁干扰等优点，是有线传输 介质中性能最好的一类。这是一种直径为 50~100μm的、柔软的、传导光波的介质，一 般由玻璃或塑料构成，其中使用超高纯度石 英玻璃制作的光纤传输损耗最低。
无线信道和有线信道的知识。
• 无线信道按照传播方式区分，有地波、天波和
视线传播三种；另外，还有散射传播，包括对
流层散射、电离层散射和流星余迹散射。
• 为了增大通信距离，可以采用转发站转发信号。
用地面转发站转发视距传输信号的方法称为无
线电中继通信；用人造卫星转发信号的方法称
为卫星通信；用平流层平台转发信号的方法称
光纤信道是远距离传送光波的一种手段，其
长度常达几十公里，甚至几百或几千公里。在这
样长的距离上传送光信号，对光纤提出了较高的 要求。这些要求中最主要的是低损耗和低色散。 低损耗是光纤能实现远距离传输的前提。不 同波长的光在光纤中传输的损耗是不同，在波长 等于1.35μm与1.55μm时出现两个损耗最小点，其 损耗一般可低至0.2dB/km以下，所以称这两波长
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 4 - 5 所示。
• 双绞线的传输距离：
传输模拟信号：5~6km需放大；
传输数字信号：2~3km需转发； 远程中速时，最大距离15km； 用于局域网时，最大距离100m。
4.3
信道的数学模型
根据信道的功能可将信道分为调制信道和编码 信道。 1. 调制信道模型
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。
第 4 章 信道
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
信道的引入
• 信道的定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通
道。
• 信道的分类： 狭义信道：仅是指信号的传输媒质； 广义信道：不仅是指传输媒质，而且 包括通信系统中的一些转换装置。 • 信道的功能：将信号从发送端传送到接收端。
光纤分为多模光纤与单模光纤两类。
• 多模光纤：是指允许一束多波长的光沿着纤芯反射 地向前传播；
• 单模光纤：仅允许单一波长的光沿着纤芯直线向前 传播，不在其中产生反射。 两者相比，单模光纤直径较小、价格昂贵，但 传输性能优于多模光纤。 光纤对数字信号的传输是利用光脉冲的有无来 代表二进制数字1、0的。因此，光纤信道是一个典 型的数字信道。
为前向散射。但由于散射信号的能量分散于许多
方向，故接收点散射信号的强度比反射信号的强
度要小得多。
散射传播分为电离层散射、对流层散射和流星
余迹散射三种。
• 电离层散射：发生在30MHz~60MHz的电磁波上。
• 对流层散射击：是由于对流层中的大气不均匀性产
生的。从地面至高约十余千米间的大气层称为对流
电磁波在大气层内传播时会受到大气的影
响。大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。
电磁波的频率越高，传播衰减越严重。
此外，电磁波还可以经过散射方式传播。
散射是由于传播媒体的不均匀性，使电磁波传播
产生向许多方向折射的现象。散射现象具有强的
方向性，散射击的能量主要集中于前方，常称其
气绝缘的情况下，内导体依靠有一定间距的绝缘子来定
位。
• 分类：
1）视频（基带）同轴电缆：用于数字数据信号的
直接传输，阻抗为50Ω，可传输数据率为
10Mbps。最大传输距离不超过几千米。
2）射频（带通）同轴电缆：用于传输高频信号，
阻抗为75 Ω，最大传输距离可达几十千米。
绝缘体
塑料外皮
外层导体（屏蔽层） (a)
2. 编码信道模型 编码信道的输入信号和输出信号是数字序列， 故编码信道对信号的影响是使传输的数字序列发 生变化，即导致输出数字序列发生错误， 因此输
入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概
率来表征。
P(0) 0 P(1/0 ) P(0/1 ) P(1) 1
P(0/0 )
0
P(1/1 )
图 4 –14 二进制编码信道模型
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 4 - 13 所示。 二端口的调制信道模型，其输出与输入的关系 有 eo(t)=f［ei(t)］+n(t)
si(t)
线性时变网络
so(t)

式中，ei(t)为输入的已调信号；eo(t)为调制信道对
塑料外皮
双绞线（ 5对）
图 4 – 9 对称电缆结构图
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
构图如图 4 - 6(a)所示。 •同轴电缆由同轴的内外两导体构成，外导体是一个圆 柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝 纺织而成），内导体是金属线（芯线），它们之间填充 着介质。电介质可能是塑料，也可能是空气。在采用空
两次反射，那么通信距离可达8000km。
0
F
F F E D
A
地球
B A
30 0
km
地球反射点 B
图 4 – 2 短波信号从电离层反射的传播路径
3、 无线电视距中继 (微波中继) 频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不能 被反射回来。此外，它沿地面绕射的能力也很小。 其传输特点是在自由空间沿视距传输。 •无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波段 （2~40GHz）时，电磁波基本上沿视线（直线）传 播。 •相邻中继站间距离一般为40~50 km，且随中继站的 高度的增加相邻距离变长。如图 4 - 4 所示。
为光纤的两个窗口。
色散是光纤的加一个重要指标。色散是指信号 的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真这种 物理现象。