第4章_信道

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4.3 信道的数学模型
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
4.3.2 编码信道模型
由于信道噪声或其它因素的影响，将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。 转移概率：在二进制系统中，就是“0”转移为“1”的 概率和“1”转移为“0”的概率。
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4.1 无线信道
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地波
频率在2MHz以下的电磁波，趋于沿弯曲的地球表面传 播，有一定的绕射能力。 地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高损 失越大，因此传播距离不大，一般在数百千米到数千千米。
传播路径 传播路径
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
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4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
传输电信号的有线信道主要有三类：
明线、对称电缆和同轴电缆。 同轴电缆
由内外两根同心圆柱导体构成，两根导体之间用绝缘体 隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或 金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层。其优点是抗 干扰特性好。
增大视线传播距离的途径 卫星中继（卫星通信）
利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球，从而实现全球通信。
利用卫星作为中继站能够增大一次 转发的距离，但是却增大了发射功 率和信号传输的延迟。 此外，发射卫星也是一项巨大的工 程。 故开始研究使用平流层通信。 图4-5 卫星中继
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4.1 无线信道
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
图4-4
无线电中继
特点：容量大、发射功率小、稳定可靠等。
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4.1 无线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
增大视线传播距离的途径 卫星中继（卫星通信）
特点：容量大、传输稳定可靠、传输距离远、覆盖面广等。
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4.1 无线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
图4-2 天波传播
接收天线 接收天线
Hale Waihona Puke 104.1 无线信道内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
电离层 对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。波长短 于10m (f > 30MHz) 的微波能穿过电离层，波长超过3000km (f < 100Hz) 的长波，几乎被电离层全部吸收。对于中波、中 短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越 多。 但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高， 夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱， 这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能
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4.3 信道的数学模型
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
4.3.2 编码信道模型
信 息 源 信 源 编 码 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 信道 噪声源
调制信道 编码信道
数 字 解 调
信 道 译 码
解 密
信 源 译 码
受 信 者
编码信道： 输入输出都是离散的时间信号，对信号的影响是 将输入数字序列变成另一种输出数字序列。
水蒸气
(dB/km) 降雨率
氧气
频率(GHz)
(a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
频率(GHz) (b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
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4.1 无线信道
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原则上，任何频率的电磁波都可以产生。但是为了有效地发 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。因此，频率过低，波长过长，则天线难于实现。所以 ，通常用于通信的电磁波频率都比较高。 根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为 地波、天波 和 视线传播三种方式。电磁波还可以通过散射 方式传播。
平流层
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4.1 无线信道
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电离层对于传播的影响： 反射和散射 大气层对于传播的影响： 氧气、水蒸气及降水对电磁波的散射和吸收 在大气中通信时应避免使用衰减严重的频率。 23GHz；62GHz；120GHz；180GHz；350GHz
衰 减 衰 减
(dB/km)
0 km
地 面
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4.1 无线信道
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散射传播——比反射传播强度小得多 电离层散射
机理 － 由电离层不均匀性使电磁波的传播产生 向许多方向折射的现象 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上 对流层散射：由对流层的大气不均匀性（湍流）引起 有效散射区域 频率 － 100 ~ 4000 MHz 最大距离 < 600 km


信道加性噪声
信道容量
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第4章 信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》

信道定义：
信道通常是指以传输媒质为基础的信号通道，即信道是信 号的传输媒质，是通信系统的重要组成部分。

信道分类：
•狭义信道
有线信道：明线、对称电缆、同轴线、光纤等。
无线信道：各种电磁波传输方式。
•广义信道：除传输媒质，还包括各种相关的变换装置，如发 送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等 。

信道中的干扰： 有源干扰 － 噪声
无源干扰 － 传输特性不良
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第4章 信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
信道是对无线通信中发送端和接收端之间通路的一种形象比 喻。 对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有 一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我 们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，想象两者之
结构：纤芯 + 包层 按折射率分类： ﹡阶跃型 ﹡梯度型 按模式分类 ﹡多模光纤 ﹡单模光纤
(a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
(c)
单模阶跃折射率光纤
7～10
图4-11 光纤结构示意图
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4.2 有线信道
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传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。
函数，即说明信道的特性是随时间变化的，此时称为时变信道。 k(t)可以看作是对信号的一种干扰，称为乘性干扰。会使信
号产生各种失真（线性、非线性、包络、延迟、衰减等）
当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘性干扰输出。 恒参信道：k(t)不随时间变化或基本不变； 随参信道：k(t)随时间作较快的随机变化。
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4.3 信道的数学模型
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4.3.1 调制信道模型
ei(t)
调制信道
eo(t)
eo (t ) f [ei (t )] n(t )
式中：ei(t) 为 信道输入端信号电压； f[ei(t)]表示信道输入和输出电压之间的函数关系； eo(t) 为 信道输出端的信号电压； n(t) 为 噪声电压，与 ei(t) 相互独立。 信道中的噪声n(t) 是叠加在信号上的，而且无论有无信号， 噪声n(t) 是始终存在的，因此通常称之为加性噪声或加性干扰。
够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。
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4.1 无线信道
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视线传播
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。所以，只能类似光 波那样作视线传播，即直线传播。
发射天线 发射天线 h
d d D r r
光纤
优点： ﹡传输速率快 ﹡损耗低
0.7 0.9
1.31 m
1.55 m
1.1 1.3 光波波长（m）
1.5
1.7
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31
m 与 1.55 m， 目前应用最广的两个波长
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4.3 信道的数学模型
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广义信道
地面
r = 6370km 接收天线 接收天线 D：单位为km h
地面
D2 D2 h 8r 50
m
图4-3 视线传播
[例] 若要求D = 50 km，求h
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4.1 无线信道
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增大视线传播距离的途径 无线电中继
为了通过视线传播达到远距离通信的目的，可以采用无 线电中继的办法。如图4-4所示，经过多次转发来实现远程通 信。
流星余迹
图4-8 流星余迹散射通信
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4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
传输电信号的有线信道主要有三类：
明线、对称电缆和同轴电缆。
明线：平行架设在电线杆上的架空线路。
优点：传输损耗低； 缺点：易受天气和环境的影响，并且对外界噪声干扰敏感。 目前，已逐渐被电缆所取代
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4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
1880年电话线
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4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
传输电信号的有线信道主要有三类：
明线、对称电缆和同轴电缆。 对称电缆
由若干对放在一根保护套内的双绞线制成。“双绞”形 式能够减小两导线之间的干扰。 优点：性能较稳定，价格便宜，安装容易等。 缺点：传输损耗较明线大；
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4.3 信道的数学模型
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4.3.1 调制信道模型
ei(t)
调制信道
eo(t)