第三章通信原理-信道

1第三章信道3.1信道的定义：通俗地说，是指以传输媒介(质)为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。2译码器输入发转换器媒质收转换器解调器调制器（调制）信道广义（编码）信道编码器输出33.2信道模型•调制信道模型:对于单“端对”信道eo(t)=f[ei(t)]+n(t)式中ei(t)－输入的已调信号；eo(t)－输出信号；n(t)－加性噪声，它与ei(t)相互独立。f[ei(t)]－与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。ei(t)eo(t)时变线性网络4通常，f[ei(t)]可以表示为：k(t)ei(t)，此时，eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中k(t)表示时变线性网络的特性，称为乘性干扰。k(t)－一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟…等。最简单情况：k(t)=常数，表示衰减。当k(t)=常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道5•编码信道模型:二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0),P(1/1)－正确转移概率P(0/1),P(1/0)－错误转移概率转移概率－决定于编码信道的特性P(0/0)=1-P(1/0)P(1/1)=1-P(0/1)0110P(0/0)P(0/1)P(1/1)P(1/0)6四进制01233210接收端发送端73.3无线信道无线信道主要由无线电波和光波作为传输载体。在光波中，红外线、激光是常用的信号载体，前者广泛用于短距离通信，如电视、录像机、空调器等家用电器使用的遥控装置；后者可用于建筑物之间的局域网连接，因为它具有高带宽和定向性好的优势，但是，由于受天气、热气流或热幅射等影响，使得它的工作质量存在不稳定性。由于无线电波传播距离远，能够穿过建筑物，而且既可以全方向传播，也可以定向传播，因此绝大多数无线通信都采用无线电波作为信号传输的载体。为了合理、充分地利用无线电频率资源，根据频率高低的不同(波长的不同)，人们将无线电波分为9个大波段。因为不同频率(波长)电磁波的传播特性各异，所以其应用场合也不尽相同。8频率资源划分表9无线电波的传播方式主要有地面波传播、天波传播、地-电离层波导传播、视距传播、散射传播、外大气层及行星际空间电波传播等几种。(1)地面波传播。地面波传播又称地表波传播或地波传播，即无线电波沿地球表面传播。地面波在传播过程中，其场强因大地吸收会衰减，频率愈高则衰减愈大；长波、中波由于频率低，加上绕射能力强，因此利用这种传播可以实现远距离通信。地波传播受季节、昼夜变化影响小，信号传输比较稳定。频率：2MHz以下通信距离：可达数百～数千km10(2)天波传播。天波传播是利用电离层对电波的一次或多次反射进行的远距离传播，是短波的主要传播方式。中波只有在夜间才能以天波形式传播。天波传播存在着严重的信号衰落现象。所谓电离层是大气中具有离子和自由电子的导电层。电离层高度：60～300km单跳最大距离：4000km频率：2～30MHz(3)地-电离层波导传播。这是指电波在从地球表面至低电离层下缘之间的球壳形空间(地-电离层波导)内的传播。长波、甚长波在该波段内能以较小的衰减传播数千千米，且受电离层扰动影响小，传播稳定，故可用于远距离通信。11(4)视距传播。由发射天线辐射的电波像光线一样按直线传播，直接传到接收点，这种传播方式称为直射波传播。另外，还有由发射天线发射、经地面反射到达接收点的传播方式，称为大地反射波传播。视距传播是这两种传播方式的统称，在接收点所接收的电波一般是直射波与大地反射波的合成。视距传播的距离一般为20～50km，主要用于超短波及微波通信。频率：30MHz12(5)散射传播。这是利用对流层或电离层介质中的不均匀体或流星余迹对无线电波的散射作用而进行的传播。利用散射传播实现通信的方式目前主要是对流层散射通信，其常用频段为0.2～5MHz，单跳距离可达100～500km。电离层散射通信只能工作在较低频段30～60MHz，单跳距离可达1000～2000km，但因传输频带窄，其应用受到限制。流星余迹持续时间短，但出现频繁，可用于建立瞬间通信，常用通信频段为30～70MHz，单跳通信可达2000km。实际的流星余迹通信除了利用散射传播外，还可利用反射进行传播。13(6)外大气层及行星际空间电波传播。这是以宇宙飞船，人造地球卫星或星体为对象，在地-空，空-空之间进行的电波传播。卫星通信利用的就是这种传播方式。其中，自由空间传输损耗达200dB左右；此外还受对流层、电离层、地球磁场、宇宙空间各种辐射和粒子的影响等等；大气吸收及降雨衰减对10GHz以上的频段影响严重。上述传播方式示意图如图所示。14天波传播地—电离层波导传播电离层地球外大气层及行星际空间电波传播视距传播对流层散射传播电离层散射传播地球电离层通信卫星(a)(b)15无线电中继图1.4.4无线电中继16静止卫星中继通信17平流层中继通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)18蜂窝网移动交换中心电话交换中心193.4有线信道1)双绞线(TwistedPair)双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。根据双绞线是否外加屏蔽层，它又可分为屏蔽双绞线(STP，ShieldTwistedPair)和非屏蔽双绞线(UTP，UnShieldTwistedPair)两类。双绞线既可用于模拟信号传输，也可用于数字信号传输，其通信距离一般为几到十几千米。导线越粗，通信距离越远，但导线价格也越高。由于双绞线的性能价格比相对其它传输介质要好，因此使用十分广泛。20随着局域网上数据传输速率的不断提高，美国电子工业协会的远程通信工业分会(EIA/TIA)在1995年颁布了新的“商用建筑物电信布线标准”EIA/TIA-586―A。此标准规定了5种UTP的标准：屏蔽箔屏蔽双绞线非屏蔽双绞线第一类双绞线就是住宅常用的缠绕式电话线，只适合于语音传输，不适合高速数据传输。第二类传输速率为4Mb/s，可用于传输语音和数据。第三类是局域网LAN采用的最低档双绞线，传输速率可达10Mb/s。第四类主要用于令牌环网，传输速率为16Mb/s。第五类可提供100Mb/s的传输速率，而超五类双绞线可保证155Mb/s的传输速率。第五类双绞线可用于光纤分布数据接口FDDI、快速以太网和ATM。212)同轴电缆(CoaxialCable)同轴电缆由内导线铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。同轴电缆的这种结构使其具有高带宽和较好的抗干扰特性，并且可在共享通信线路上支持更多的点。按特性阻抗数值的不同，同轴电缆又分为两种，一种是50Ω的基带同轴电缆，另一种是75Ω的宽带同轴电缆。铝制编织导体(屏蔽)内部绝缘体内部导体外部绝缘体(a)一段同轴电缆(b)一段与连接器相连的同轴电缆22(1)基带同轴电缆。一条基带同轴电缆只支持一个信道，传输带宽为1～20Mb/s。它能够以10Mb/s的速率把基带数字信号传输1～1.2km。所谓基带数字信号传输是指按数字信号位流形式进行的传输，无需任何调制。它是局域网中广泛使用的一种信号传输技术。(2)宽带同轴电缆。宽带同轴电缆支持的带宽为300～450MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达100km。所谓宽带数据信号传输是指可利用多路复用技术在宽带介质上进行多路数据信号的传输。它既能传输数字信号，也能传输诸如话音、视频等模拟信号，是综合服务宽带网的一种理想介质。233)光纤(OpticalFiber)光导纤维(简称光纤)是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它各种传输介质的带宽，是目前最有发展前途的有线传输介质。外套绝缘包层纤维芯24结构n1n2折射率折射率n1n22a25光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。环绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防止磨损或挤压等伤害。光波波长（nm）1.55m1.31m0.70,91.11.31.51.7损耗26根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤意指光在光纤中可能有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播,。这种光纤所含纤芯的直径较粗。单模光纤意指光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播。这种光纤的直径非常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前传播。吸收护套纤芯包层(a)多模(b)单模吸收护套纤芯包层(a)多模(b)单模27单模光纤与多模光纤的比较28在有线介质中还有一种叫架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝缘的裸线，它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。架空明线安装简单，传输损耗比电缆低，但通信质量差，受气候环境等影响较大并且对外界噪声干扰比较敏感，因此，在发达国家中早已被淘汰，在许多发展中国家中也已基本停止了架设，但目前在我国一些农村和边远地区或受条件限制的地方仍有不少架空明线在工作着。29有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.3～27300明线1+3+120.3～150120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10800300～600001.530实际的恒参信道：任何实际信道都不可能是这种理想形式，总会出现一定的幅度畸变和相位畸变，这种现象称为信道的色散。克服色散的手段，采用幅度和相位均衡器。对模拟信号来说,人的听觉对相位的反应不灵敏,所以相位失真对传输模拟信号没有太大的影响,而幅度失真的影响却比较大。但对于传输数字信号来说，正与此相反，幅度失真的影响不大，相位失真对数字传输的危害比较大，不但波形失真，还会带来码间干扰。3.5信道特性对信号传输的影响恒参信道:~非时变线性网络31f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性振幅~频率特性32相位~频率特性:理想特性:相位()=k;群迟延()=d()/d=k畸变的影响:波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真:频率失真和相位失真：属于线性失真可用“线性补偿网络”纠正，－“均衡”非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动…非线性失真－难以消除ω()0理想特性理想特性()033变参信道:变参信道的共性－衰落:衰减随机变化传输时延:随机变化多径效应:快衰落--使信号的振幅随机变化成瑞利分布。接收信号的特性:设发送信号为Acos0t，则经过n条路径传播后的接收信号R(t)可以表示为：式中ri(t)－第i条路径的接收信号振幅；i(t)－第i条路径的传输时延i(t)=-0i(t)Xc(t)Xs(t)n1in1ii0ii0i)]t(tcos[)t(r)]t(t[cos)t(r)t(Rn1in1i0ii0iitsin)t(sin)t(rtcos)t(cos)t(r)t(R34式中V(t)－合成波R(t)的包络;〖多径衰落〗(t)－合成波R(t)的相位。即有由于，相对于而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是缓慢变化的。所以，