第四章 信道(1)

1、邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 第四章第四章 信道信道 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 Contents 4.1 無線信道無線信道 4.3 信道的數(shù)學(xué)模型信道的數(shù)學(xué)模型 4.4 信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懶诺捞匦詫?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?4.2 有線信道有線信道 4.5 信道中的噪聲信道中的噪聲 4.6 信道容量信道容量 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 模擬通信模擬通信調(diào)制信道調(diào)制信道 為了研究調(diào)制和解調(diào)特性為了研究調(diào)制和解調(diào)特性 數(shù)字通信數(shù)字通信編碼信道編碼信道 為了研究編碼和解碼的特性為了研究編碼和解碼的特性 1、信道的定義、信道的定義 信道是信號(hào)的傳輸媒質(zhì)信道是信號(hào)的傳輸媒質(zhì) 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無

2、線信道 2、信道的分類、信道的分類 信道分類信道分類：按信道的組成劃分，可分為：按信道的組成劃分，可分為廣義信道廣義信道和和狹義信道狹義信道。 發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用以傳輸信號(hào)的媒介或通道發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用以傳輸信號(hào)的媒介或通道 除了傳輸媒介外，還包括有關(guān)的部件和電路，如調(diào)制除了傳輸媒介外，還包括有關(guān)的部件和電路，如調(diào)制 器、解調(diào)器、編碼器、解碼器等。器、解調(diào)器、編碼器、解碼器等。 廣義信道：廣義信道： 狹義信道：狹義信道： 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 按傳輸介質(zhì)劃分，可分為按傳輸介質(zhì)劃分，可分為有線信道有線信道和和無線信道無線信道。 2、信道的分類、信道的分類 有線信

3、道：有線信道： 無線信道：無線信道： 由各種傳輸線路構(gòu)成的信道由各種傳輸線路構(gòu)成的信道 電波傳播空間構(gòu)成的信道。電波傳播空間構(gòu)成的信道。 明線，對(duì)稱電纜，同軸電纜，光纜。 地波傳播，短波電離層反射，超短波或微波視距中繼， 人造衛(wèi)星中繼，各種散射信道 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 有線信道媒質(zhì)的有線信道媒質(zhì)的 頻率傳輸范圍頻率傳輸范圍 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 2、信道的分類、信道的分類 按傳輸信號(hào)的特征，可分為模擬信道（連續(xù)信道）和數(shù)字信道。按傳輸信號(hào)的特征，可分為模擬信道（連續(xù)信道）和數(shù)字信道。 模擬通信模擬通信調(diào)制信道調(diào)制信道 為了研究調(diào)制和解調(diào)特性為了研究調(diào)制和解調(diào)特性 數(shù)字通信數(shù)

4、字通信編碼信道編碼信道 為了研究編碼和解碼的特性為了研究編碼和解碼的特性 無線傳輸介質(zhì)無需物理連接，通信方便和靈無線傳輸介質(zhì)無需物理連接，通信方便和靈 活，應(yīng)用廣泛。活，應(yīng)用廣泛。 3、無線信道的優(yōu)缺點(diǎn)：、無線信道的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn) 缺缺 點(diǎn)點(diǎn) 無線傳輸介質(zhì)的傳輸特性不如有線傳輸介質(zhì)的傳無線傳輸介質(zhì)的傳輸特性不如有線傳輸介質(zhì)的傳 輸特性穩(wěn)定和可靠，易受干擾，通信中使用的技輸特性穩(wěn)定和可靠，易受干擾，通信中使用的技 術(shù)也較復(fù)雜。術(shù)也較復(fù)雜。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 4、無線信道的傳輸方式：、無線信道的傳輸方式： 在無線信道中信號(hào)的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來實(shí)現(xiàn)的。在無

5、線信道中信號(hào)的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來實(shí)現(xiàn)的。 通常用于通信的電磁波頻率都比較高，原因：通常用于通信的電磁波頻率都比較高，原因： vf 為了有效的發(fā)射或接受電磁波，要求為了有效的發(fā)射或接受電磁波，要求 天線的尺寸不小于電磁波波長的天線的尺寸不小于電磁波波長的1/10。 舉例：頻率為舉例：頻率為3KHz，則波長等于，則波長等于100km，那么天線長達(dá)，那么天線長達(dá)10km 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 4、無線信道的傳輸方式：、無線信道的傳輸方式： 散射傳播（前向散射）散射傳播（前向散射） 天波（天波（sky wave） 地波（地波（ground wave） C 視線（視線（

6、line of sight）傳播）傳播 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 地波（地波（ground wave）（）（2MHz以下）以下） 地球表面是有電阻的導(dǎo)體，當(dāng)電磁波在它上面行進(jìn)時(shí)，有一地球表面是有電阻的導(dǎo)體，當(dāng)電磁波在它上面行進(jìn)時(shí)，有一 部分電磁能量被消耗，頻率越高，地面波損耗越大。部分電磁能量被消耗，頻率越高，地面波損耗越大。 地面波傳播適用于長波。地面波傳播適用于長波。 v通過地表大氣層傳播，緊靠地面。呈曲線向各個(gè)方向傳播，通過地表大氣層傳播，緊靠地面。呈曲線向各個(gè)方向傳播， 傳播距離取決于信號(hào)的能量，能量越大，傳播越遠(yuǎn)。傳播距離取決于信號(hào)的能量，能量越大，傳播越遠(yuǎn)。 地面地面波 地面空間波 直射

7、波 反射波 發(fā)收 地波 R 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 天波（天波（sky wave）2MHz30MHz 電離層是距地面電離層是距地面50400km的大氣層，在電離層傳播中，無線的大氣層，在電離層傳播中，無線 電波由電離層反射回地面，能以較低的能量傳播較遠(yuǎn)的距離。電波由電離層反射回地面，能以較低的能量傳播較遠(yuǎn)的距離。 電離層 50Km 電離層 （60km400km） 寂靜區(qū)的概念寂靜區(qū)的概念 R 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 視線（視線（line of sight）傳播）傳播 （高于（高于30MHz） 電磁波從一個(gè)天線傳播到另一個(gè)天線，天線有方向性，二者電磁波從一個(gè)天線傳播到另一個(gè)天線，天線有方向性，二者 相向。相

8、向。 地面波衰減極大，天波又會(huì)穿透電離層，只能采用視線波方式地面波衰減極大，天波又會(huì)穿透電離層，只能采用視線波方式 地球表面 在地面上的傳播距離與天線的高度有關(guān)，為了增大視線距離，在地面上的傳播距離與天線的高度有關(guān)，為了增大視線距離， 1、最簡(jiǎn)單的辦法就是提升天線的高度；、最簡(jiǎn)單的辦法就是提升天線的高度； 2、也可以采用無線電中繼的辦法。、也可以采用無線電中繼的辦法。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 2、可以采用無線電中繼的辦法、可以采用無線電中繼的辦法 視線（視線（line of sight）傳播）傳播 （高于（高于30MHz） 為了達(dá)到遠(yuǎn)距離通信的目的，可以采用無線電中繼（radio relay）的辦法

9、，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 地球表面 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 視線（視線（line of sight）傳播）傳播 （高于（高于30MHz） 1、最簡(jiǎn)單的辦法就是提升天線的高度、最簡(jiǎn)單的辦法就是提升天線的高度 222 ()drhr D為兩個(gè)天線的距離為兩個(gè)天線的距離(D2d),則則 22 (2 )8Ddrh D：收發(fā)天線的距離（：收發(fā)天線的距離（km） 2d:傳播途徑傳播途徑 r:地球半徑地球半徑6370km 22 ( ) 850 DD hm r 舉例：舉例：D=80km，則，則h=128m 2drh 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 視線（視線（line of sight）傳播）傳播 （高于（高于30MHz）

10、 1、最簡(jiǎn)單的辦法就是提升天線的高度、最簡(jiǎn)單的辦法就是提升天線的高度 由于視線傳輸?shù)木嚯x和天線架設(shè)高度有關(guān)，天線架設(shè)越高，視由于視線傳輸?shù)木嚯x和天線架設(shè)高度有關(guān)，天線架設(shè)越高，視 線傳輸距離越遠(yuǎn)，故可利用衛(wèi)星作為中繼站，通過微波頻帶轉(zhuǎn)線傳輸距離越遠(yuǎn)，故可利用衛(wèi)星作為中繼站，通過微波頻帶轉(zhuǎn) 發(fā)無線電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍內(nèi)地球站之間的通信。發(fā)無線電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍內(nèi)地球站之間的通信。 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 衛(wèi)星的軌道在赤道平面，赤道上方衛(wèi)星的軌道在赤道平面，赤道上方36000Km； 由于繞地球一周由于繞地球一周24小時(shí)所以稱為同步通信衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星）小時(shí)所以稱為同步通信衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星） 邯

11、鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 視線（視線（line of sight）傳播）傳播 （高于（高于30MHz） 相隔相隔120o的地球的地球 同步衛(wèi)星可以覆同步衛(wèi)星可以覆 蓋除蓋除南北兩極地南北兩極地 區(qū)以外區(qū)以外的整個(gè)地的整個(gè)地 球的大部分有人球的大部分有人 居住區(qū)，能實(shí)現(xiàn)居住區(qū)，能實(shí)現(xiàn) 全球通信。全球通信。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1、增大了對(duì)發(fā)射、增大了對(duì)發(fā)射 功率的要求功率的要求 2、增大了信號(hào)傳、增大了信號(hào)傳 輸?shù)难舆t時(shí)間輸?shù)难舆t時(shí)間 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 視線（視線（line of sight）傳播）傳播 （高于（高于30MHz） 平流層通信：平流層通信：20-50km 平流層通信是指用位于平流層的高空平臺(tái)電臺(tái)(

12、High Altitude Platform Stations,HAPS)代替衛(wèi)星作為基站的通信，平臺(tái)高度 距地面17km22km?？梢杂贸浜わw艇、氣球或飛機(jī)作為安置轉(zhuǎn) 發(fā)站的平臺(tái)。 平流層通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，費(fèi)用低廉、延遲時(shí) 間小、建設(shè)快、容量大。 若其高度在20km，則可以實(shí)現(xiàn)地面覆蓋半徑約500km的通信區(qū)。 若在平流層安置250個(gè)充氦飛艇，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋全球90%以 上人口的地區(qū)。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 無線信道在傳輸時(shí)受到的影響：無線信道在傳輸時(shí)受到的影響： 大氣大氣 降水降水 吸收和散射（吸收和散射（scatter） 電磁波電磁波 電磁波的頻率越高傳電磁

13、波的頻率越高傳 播衰減越嚴(yán)重。播衰減越嚴(yán)重。 氧氣氧氣 水蒸氣水蒸氣 水蒸氣吸收產(chǎn)生的諧振點(diǎn)：水蒸氣吸收產(chǎn)生的諧振點(diǎn)： 23GHz、180GHz、350GHz 氧氣吸收產(chǎn)生的諧振點(diǎn)：氧氣吸收產(chǎn)生的諧振點(diǎn)： 62GHz、120GHz 降水對(duì)于降水對(duì)于10GHz以上的電磁以上的電磁 波也有較大影響。波也有較大影響。 R 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 散射傳播（前向傳播）散射傳播（前向傳播） 30MHz- 60MHz 電離層 不均勻 通信頻率范圍 ：100MHz- 4000MHz 有效傳播距離 ：600km 30MHz- 100MHz 傳播距離： 1000km以 上 電離層散射電離層散射 流星余跡散射流星余跡散

14、射 對(duì)流層散射對(duì)流層散射 適用于低速存儲(chǔ)、 高速轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 對(duì)流層散 射信道 R 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.1 無線信道無線信道 5、目前民用的無線通信方式：、目前民用的無線通信方式： 蜂窩網(wǎng)衛(wèi)星通信 工作于超高 頻段（UHF ） 特高頻和 超高頻 甚低頻（甚低頻（VLF） 3kHz 30kHz 低頻（低頻（LF） 30kHz300kHz 中頻（中頻（MF） 300kHz3MHz 高頻（高頻（HF） 3MHz30MHz 甚高頻（甚高頻（VHF）30MHz300MHz 超高頻（超高頻（UHF） 300MHz3GHz 特高頻（特高頻（SHF） 3GHz30GHz 極高

15、頻（極高頻（EHF） 30GHz300GHz R 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.2 有線信道有線信道 常用有線傳輸介質(zhì)：明線、雙絞線、同軸電纜、光纖等。常用有線傳輸介質(zhì)：明線、雙絞線、同軸電纜、光纖等。 1. 雙絞線（對(duì)稱電纜）雙絞線（對(duì)稱電纜） 結(jié)構(gòu)：纖芯較明線細(xì)，故損耗大，但性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：纖芯較明線細(xì)，故損耗大，但性能穩(wěn)定 類型類型:屏蔽型（屏蔽型（STP）和非屏蔽型）和非屏蔽型(UTP)。 輸入阻抗輸入阻抗：100和和150兩種。兩種。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 1. 雙絞線（對(duì)稱電纜）雙絞線（對(duì)稱電纜） 4.2 有線信道有線信道 廣泛應(yīng)用于電話網(wǎng)用戶接入電路廣泛應(yīng)用于電話網(wǎng)用戶接入電路 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)

16、院 4.2 有線信道有線信道 2. 同軸電纜同軸電纜 基帶同軸電纜：基帶同軸電纜：用于直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)。傳輸距離用于直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)。傳輸距離幾幾km。 寬帶同軸電纜：寬帶同軸電纜：用于傳輸高頻信號(hào)。用于傳輸高頻信號(hào)。 幾十幾十km 特性阻抗：特性阻抗：50和和75。 50的基帶同軸電纜只用于傳輸數(shù)字基帶信號(hào)，數(shù)的基帶同軸電纜只用于傳輸數(shù)字基帶信號(hào)，數(shù) 據(jù)速率可達(dá)據(jù)速率可達(dá)10Mb/s，用于局域網(wǎng)中；，用于局域網(wǎng)中； 75寬帶同軸電纜多用于無線電工程，用于傳輸模寬帶同軸電纜多用于無線電工程，用于傳輸模 擬信號(hào)。擬信號(hào)。 屏蔽性：屏蔽性：優(yōu)于雙絞線。優(yōu)于雙絞線。 分類：分類：基帶（視頻）

17、電纜和寬帶（射頻）電纜。基帶（視頻）電纜和寬帶（射頻）電纜。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 外部保護(hù)層外導(dǎo)體絕緣層內(nèi)導(dǎo)體 4.2 有線信道有線信道 2. 同軸電纜同軸電纜 外導(dǎo)體通常接地外導(dǎo)體通常接地電屏蔽（電屏蔽（screen） 用途：有線電視廣播用途：有線電視廣播 長距離傳輸已被光纖替代。長距離傳輸已被光纖替代。 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.2 有線信道有線信道 3. 光纖光纖 結(jié)構(gòu)：在折射率較高的單根光纖外面，再用折射率較低的包結(jié)構(gòu)：在折射率較高的單根光纖外面，再用折射率較低的包 層包住，就可以構(gòu)成一條光通道。外面再加一保護(hù)套，即構(gòu)層包住，就可以構(gòu)成一條光通道。外面再加一保護(hù)套，即構(gòu) 成一條單芯光導(dǎo)纖維電

18、纜，即單芯光纜。多條光纖放在同一成一條單芯光導(dǎo)纖維電纜，即單芯光纜。多條光纖放在同一 保護(hù)套內(nèi)，就構(gòu)成多芯光纜。保護(hù)套內(nèi)，就構(gòu)成多芯光纜。 原材料：由玻璃或塑料制成，原材料：由玻璃或塑料制成， 特點(diǎn)：具有很低的傳輸損耗、傳輸速率高特點(diǎn)：具有很低的傳輸損耗、傳輸速率高 光纖芯包層外部保護(hù)層 (a) 單根光纖結(jié)構(gòu)(b) 光纜結(jié)構(gòu) 外殼外套 芯 封套 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 4.2 有線信道有線信道 3. 光纖光纖 傳輸原理傳輸原理通過內(nèi)部全反射來傳輸光信號(hào)通過內(nèi)部全反射來傳輸光信號(hào) 以小角度進(jìn)入光纖的光波沿纖芯以反射方式向前傳播。通以小角度進(jìn)入光纖的光波沿纖芯以反射方式向前傳播。通 過內(nèi)部全反射來傳輸光信號(hào)。過內(nèi)部全反射來傳輸光信號(hào)。 注意：纖芯的折射系數(shù)高于外包層，光波在纖芯與包層界注意：纖芯的折射系數(shù)高于外包層，光波在纖芯與包層界 面上產(chǎn)生全反射。面上產(chǎn)生全反射。 保護(hù)層 包層 光纖芯 邯鄲學(xué)院邯鄲學(xué)院 （1）單模光纖（）單模光纖（Single Mode Fiber, SMF） 傳輸模式傳輸模式 （2）多模光纖（模：路徑）多模光纖（模：路徑） 階躍型多模光纖階躍型多模光纖 （Step Index Fiber，SIF） SMF 、SIF、GIF是三種基本類型的光纖是三種基本類型的光纖 折射率不同折射率不同 漸變型多模光纖漸變型多模光纖 （Graded Index Fiber，GIF