通信原理第四章课件.

1第4章信道主要内容4.0概述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2学习目标信道的定义、分类和模型；恒参信道的特性及其对信号传输的影响；随参信道的特性及其对信号传输的影响；信道噪声的统计特性；信道容量和香农公式。3信道分类：狭义信道：各种物理传输媒质，可分为有线信道和无线信道。广义信道：把信道范围扩大（除传输媒质处，还包括馈线与天线、放大器、调制解调器等装置）后所定义的信道。目的是为了方便研究通信系统的一些基本问题，可分为：调制信道和编码信道。信道是以传输媒质为基础的通道。信道连接发送端和接收端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端。4.0信道分类信道参数：信道带宽、容量、衰减、延迟、噪声4调制信道编码信道发转换器媒质收转换器解调器译码器编码器调制器输入广义狭义广义信道中必定包含传输媒介（狭义信道），无论何种广义信道，其通信质量在很大程度上依赖于传输媒介的特性4.0信道分类5有线信道和无线信道有线信道：明线、对称电缆，同轴电缆、光纤、波导等；无线信道：指可用来传输电磁波（包括光波）的自由空间或大气,地波、天波、视距、散射4.0信道分类6调制信道和编码信道调制信道：用来研究调制与解调问题，其范围从调制器输出端至解调器输入端；编码信道：用来研究编码与译码问题，其范围从编码器输出端到解码器输入端。编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道调制信道不包括调制器和解调器调制信道中传输的是已调信号，已调信号可以是模拟的，也可以是数字的编码信道中传输的是编码后的数字信号，常把编码信道称之为离散信道或数字信道编码信道除了包含调制信道外，还可能包含调制器和编码器，所以，调制信道的特性会影响编码信道的通信质量。4.0信道分类7恒参信道和随参信道——根据信道特性参数随时间变化的速度来分恒参信道：信道特性参数随时间缓慢变化或不变化。它对传输信号的衰耗和延时基本上是常数（明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等各种有线信道；中长波地波传播、卫星中继、光波视距传播等部分无线信道）。随参信道：信道参数随时间变化，也称为变参或时变信道。随参信道中还存在多径效应。由于每条路径的信号有不同的延时和衰落，更糟糕的是，这些延时和衰落还随时间变化，从而使得输出信号产生衰落，所以随参信道也称为衰落信道。（短波电离层反射信道、各种散射信道（超短波流星余迹散射、超短波及微波对流层散射、超短波电离层散射），超短波超视距绕射等）4.0信道分类8无记忆信道和有记忆信道无记忆信道:前后码元发生错误是互相独立的。也就是说，一个码元的错误与其前后码元是否发生错误无关。（信道内只存在起伏噪声）有记忆信道:一个码元发生的错误与前后码元有依赖关系。（信道内除了存在起伏噪声外，还存在衰落效应）4.0信道分类9调制信道无记忆随参：天波、散射编码广义恒参：有线、视距有记忆狭义有线无线架空明线双绞线同轴电缆光纤电磁波(地波、天波、视距、散射)4.0信道分类10第4章信道主要内容4.0概述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11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无线信道电磁波频率（频率比较高）－受天线尺寸限制除了外层空间两个飞船的无线电收发信机之间的电磁波是在自由空间传播外，我们所研究的无线通信的电磁波传播总是受到地面和大气层的影响。地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km4.1无线信道12根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波传播可以分为：地波天波或称电离层反射波视线传播4.1无线信道13传播路径地面地波传播：电磁波沿弯曲的地球表面传播的传播方式低频和甚低频，频率2MHz有绕射能力,沿弯曲的地球表面传播距离：数百或数千千米4.1无线信道14天波：利用电离层反射的传播方式高频，频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km，多次反射可以达到10000km。是电磁波入射角0地面反射点二次反射一次反射0电离层4.1无线信道15地面信号传播路径寂静区：电磁波不能到达的区域性能：功率小，距离远，合适的频宽，保密好；缺点：工作频率色散、畸变，多径失真（多次反射、电离层不均匀引起的漫射、磁场影响），干扰大。4.1无线信道16ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr视线传播：频率30MHz特点：频率高于30M的电磁波能穿透电离层，不被反射回来，此外也不具有绕射能力距离:和天线高度有关D–收发天线间距离(km)r地球半径6370km[例]若要求D=50km增大视线传播距离的其他途径中继通信：50822DrDhmm505050508222DrDh4.1无线信道17卫星通信：静止卫星、移动卫星静止卫星：在距地面约35800km的赤道平面上人造卫星围绕地球转动的周期和地球的自转周期相等，从地面上看卫星好像静止不动，称为静止卫星。三颗静止卫星作为转发站可以覆盖全球通信。移动卫星（非静止卫星）：高度比静止卫星要低，周期也不同费用高、延时大平流层通信：是指利用平流层的高空平台代替卫星作为基站，高度一般为17~22km，可以使用充氦飞艇、气球或飞机作为安置转发站的平台。高度为20km,可以覆盖半径500km的面积，250个，就可以覆盖全球90%的面积。费用低廉、延时小，建设快、容量大。4.1无线信道18大气层对于传播的影响散射吸收1GHz以上的电磁波的传播衰减比较大，随着频率的增高，衰减越严重频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图4-6大气衰减4.1无线信道19散射是由于传播媒体的不均匀性，使电磁波的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，散射的能量主要集中于前方，故常称之为前向散射。有电离层散射、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，散射信号的强度与30MHz以下的电离层反射信号的强度相比，要小的多，但是仍然可以用于通信。4.1无线信道20地球有效散射区域对流层散射：是由于对流层中的大气不均与性产生的。对流层中大气湍流运动产生不均匀性，引起电磁波的散射，可提供12~240频分复用话路。信号频率范围为：100MHz～4000MHz传播距离约100~600km，通信距离最大约为600km4.1无线信道21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。流星余迹特点－高度80~120km，长度15~40km,存留时间：小于1秒至几分钟频率－30~100MHz距离－1000km以上特点－低速存储、高速突发、断续传输流星余迹4.1无线信道22第4章信道主要内容4.0概述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231明线4.2有线信道242对称电缆：由许多对双绞线组成，根据物理结构的不同，双绞线又分为两种：非屏蔽双绞线（简称UTP）和屏蔽双绞线（简称STP）。4.2有线信道非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（STP）253同轴电缆:由对地不对称的同轴管构成。内层导体外层导体绝缘体包层分类：50Ω同轴电缆：适于传输基带数字信号，常用于计算机局域网或电话系统的远程传输；75Ω同轴电缆：又称宽带同轴电缆主要用于模拟传输系统，是CATV的标准传输电缆。4.2有线信道导体金属编织网保护层实心介质26线路类型通话路数频率范围（kHz）增音段长度(km)架空明线1+30.3~2.7300架空明线1+3+120.3~15080~120对称电缆2412~10835对称电缆6012~25212~18小同轴电缆30060~13008小同轴电缆96060~41004中同轴电缆1800300~90006中同轴电缆2700300~120004.5中同轴电缆10800300~600001.54.2有线信道274光纤：物理结构和同轴电缆相似，但是没有网状屏蔽层。中心是玻璃芯，称为纤芯，芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，称为包层。再外面是一层薄的塑料外套，用来保护玻璃封套4.2有线信道折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯28(1)阶跃光纤。纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。最早的多模光纤属此类。4.2有线信道按折射率分类：阶跃型和梯度型29n(r)(2)渐变光纤(梯度光纤）。纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。纤芯的折射率分布近似为抛物线型，又称梯度光纤。目前，多模光纤均为此类。4.2有线信道30按模式分类：多模光纤和单模光纤4.2有线信道高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤31单模光纤：纤芯很细，直径约10μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。单模光纤的带宽可以达到1Tbit/sn1n24.2有线信道32衰减衰减输入信号输出信号时间时间色散脉冲展宽失真频率非线性新频率光纤对信号的损伤从对信号的损伤来看，主要局限是损耗（衰减）、色散和非线性失真4.2有线信道33（1）光纤的损耗由材料吸收和杂质散射等因素引起，损耗特性与光的工作波长有关，在三个工作窗口有相对小的损耗:第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小4.2有线信道34（2）光纤的色散①材料色散：由于材料的折射率随频率变化产生的②模式色散：由于光纤所传输信号中不同模式成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。③波导色散：由于光纤所传输信号中不同频率成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。4.2有线信道35由于光纤所传输信号中不同模式成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。主模高次模n1θk主模高次模入射光脉冲波ttt主模高次模出射光脉冲波ttt4.2有线信道361.01.11.21.31.41.51.61.71.8－40－20020－60总色散曲线（常规光纤G.652)材料色散曲线波导色散曲线τ（ps/km.nm）G.655色散曲线G.653色散曲线单模光纤的色散谱4.2有线信道375波导:由一个中空的金属管构成，其横截面可以是矩形、椭圆形或圆形。优点：在微波频率上衰减很小。应用场合：常用作微波发送机和微波天线之间的有效连接。4.2有线信道38传输媒体速率传输距离性能(抗干扰性)价格应用双绞线10-1000Mb/s几十kM可以低模拟/数字传输50同轴电缆10Mb/s3kM内较好略高于双绞线基带数字信号75同轴电缆300-450MHz100kM较好较高模拟传输电视、数据及音频光纤几十Gbps50kMup很好较高远距离传输通信媒体比较4.2有线信道39第4章信道主要内容4.0概述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404.3信道的数学模型信道模型用来描述物理信道的特性及其对信号传输带来的影响。编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道41－信道输入端信号电压；－信道输出端的信号电压；－信道加性噪声，独立于信号且始终存在。假设：上式变为：－信道数学模型f[ei(t)]e0(t)ei(t)n(t))()]([)(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()]([tetktefi