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1、通信概论东北大学网1 无线信道2 有线信道3 信道数学模型4 信道特性对信号传输的影响5 信道中的噪声6 信道容量信 道本章内容简介通信概论东北大学网引言信道概念：信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。 狭义信道：指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线 电波等。 广义信道：不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号 变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制 解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。 信道分类：模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道 与宽带信道等。一个通信系统的传输信道往往不是单一的。电话线、双绞线、同 轴电缆、光纤传输信 道。无
2、线电波、红外线等 传输信道。根据信号波长（或频率）划分：长波、中波、短波、超短波、微 波等。 根据传播路径（或机理）划分：视距传播、电离层反射、对流层 散射等。典型的模拟信道是调制信道。典型的数字信道是编码信道。信 道通信概论东北大学网引言（调制信道与编码信道）调制信道与编码信道分别是模拟信道与数字信道的典 型例子。调 制 器解 调 器发 送 转 换 器接 收 转 换 器传输媒体调制信道 编码信道自编码器去译码器图1 调制信道与编码信道信 道通信概论东北大学网1 无线信道无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制信 道什么是电磁波？什么是电磁波？通信概论东北大学网一 地球大气层的结构： 对流层：地面
3、上 0 10 km 平流层：约10 60 km 电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km图2 大气层的结构信 道通信概论东北大学网传播路径地 面图3 地波传播地 面信号传播路径图 4 天波传播二 电磁波的分类：1 地波频率 30 MHz距离: 和天线高度有关式中，D 收发天线间距离(km)。 例 若D = 50 km，则增大视线传播距离的其他途径中继通信卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 5 视线传播图6 无线电中继m信 道通信概论东北大学网(1)无线电视距传播信道无线电视距传播无线电中继信道信 道通信概论东
4、北大学网(2) 卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星信 道通信概论东北大学网(3) 平流层通信信 道平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台代替卫星 作为基站的通信，平台高度距地面17km22km。可以用冲 氮飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若 高度在20km，则可以实现地面覆盖半径约500km的通信区。 若在平流层安置250个冲氮飞艇，可以实现覆盖全球90以上 人口的地区。平流层通信系统与卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时 间小、建设快、容量大。通信概论东北大学网电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/
5、m3）的衰 减频率(GHz) (b) 降雨的衰减衰减(dB/km )衰减(dB/k m)水蒸气氧 气降雨率图7 大气衰减信 道三 电磁波在传播时受到 的影响通信概论东北大学网电离层散射机理 由电离层不均匀性引起频率 30 60 MHz距离 1000 km以上对流层散射机理 由对流层不均匀性（湍流）引起频率 100 4000 MHz最大距离 600 km信 道四 散射传播通信概论东北大学网对流层散射信道地球发送接收共同照射区的不 均匀散射气团图 8 对流层散射信道传播路径信 道通信概论东北大学网信 道流星余迹散射流星余迹散射特点 高度80 120 km，长度15 40 km存留时间：小于1秒至几
6、分钟 频率 30 100 MHz 距离 1000 km以上 特点 低速存储、高速突发、断续传输图 9 流星余迹散射通信流星余迹通信概论东北大学网2 有线信道信 道 明线 （如用户电话线） 对称电缆 （如五类双绞线、中继电话线） 同轴电缆 （如有线电视进户线、中继电话线）电缆中的线对数量可以 不同，线径也可不同。表1 三种有线电信道的性能线路类型 通话路数 频率范围/kHz 增音段长度/km架空明线 1+3 0.327 300架空明线 1+3+12 0.3 150 120对称电缆 24 12 108 35对称电缆 60 12 252 15小同轴电缆 300 60 1300 8小同轴电缆 960
7、60 4100 4中同轴电缆 1800 3009000 6中同轴电缆 2700 30012000 4.5中同轴电缆 10800 30060000 1.5通信概论东北大学网信 道一 明线明线是指平 行架设在电线杆 上的架空线路。 它本身是导电裸 线或带电绝缘的 导线。它的传输 损耗低，但易受 天气和环境的影 响，对外界噪声 干扰较敏感。通信概论东北大学网二 对称电缆：由许多对双绞线组成图 10 双绞线导体绝缘层信 道通信概论东北大学网信 道通信概论东北大学网信 道导体金属编织网保护层实心介质图 11 同轴线三 同轴电缆通信概论东北大学网四 光纤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
8、纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27 1012 5折射率n1n2单模阶跃折射率光纤图 12 光纤结构示意图(a )( b )(c )信 道全反射演示.swf通信概论东北大学网 信 道通信概论东北大学网光纤信道光源光调制器耦合器基带处理基带电信号耦合器光检测器基带处理基带电信号光纤线路发 送 端接 收 端图 13 光纤通信系统 光纤与光缆 光波长 单模光纤与多模光纤 光纤的色散与衰耗信 道光纤通信的优点 无中继传输距离长； 系统频带宽、容量大； 具有极强的抗电磁干扰能力。通信概论东北大学网信 道色散图解通信概论东北大学网 信 道3 信道数学模型 (调制信道数学模型)编码信道调制信道图 14
9、信道模型的分类通信概论东北大学网3 信道数学模型 3.1调制信道数学模型时变 线性 系统ei(t)eo(t)图 15 调制信道模型(二对端网络)调制信道输出eo(t)与输入ei(t)关系： eo(t) = f ei(t) + n(t)加性噪声时变信道特性影响eo(t) = k(t)ei(t) + n(t)时变信道特性影响常描述为一种干扰：乘性干扰信 道通信概论东北大学网式中 信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压； 噪声电压。f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图 16 调制信道数学模型3.1调制信道数学模型信 道通信概论东北大学网因k(t)随t变，故信道称为时变信道。因k(t)与
10、相乘，故称其为乘性干扰。因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道 。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰 。信 道3.1调制信道数学模型通信概论东北大学网3.1 信道数学模型 (调制信道数学模型)调制信道(模拟信道)对信号(模拟信号)传输的影响：衡量调制信道(模拟信道)优劣的标准：模拟信道 输出信号输入信号噪声n(t)无失真、无畸变有失真、有畸变有失真、有畸变失真原因： 噪声的影响 信道(线性系统)特性不理想 信道特性时变失真度或畸变度 信噪比(输出信号功率与输出噪声功率之比）或信干比有些失真在接收端往往无法察 觉，难以去除。信 道通信概论东
11、北大学网3 信道数学模型（调制信道与编码信道） 3.2 编码信道数学模型产生失真、畸变判决电平发送时钟判决时钟传输信道输出信号输入信号噪声n(t)0 1 0 1 1 0抽样判决0 1 0 1 1 0没发生误码编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发 生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传 输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误 码。误码的概率（误码率）与接收波形的失真有关 ，因此与传输信道输出的信噪比有关。信 道通信概论东北大学网3 信道数学模型（调制信道与编码信道）3.2 编码信道数学模型码的转移概率P(i/j)二进制数字编码信道发送码元为j，而接收码 元为i的概率。0101
12、发送端接收端P(0/0)P(1/0)P(1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1 P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是 错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是 正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率 Pe=P(0)P(1/0)+ P(1)P(0/1)信 道通信概论东北大学网3 信道数学模型（调制信道与编码信道） 3.2 编码信道数学模型M进制数字编码信道系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P
13、(1/M-1)P(2/M-1)01 发 送 端接 收 端2M-1012M-1信 道通信概论东北大学网信 道4 信道特性对信号传输的影响 恒参信道是指信道的特性参数长期不变或变化非常缓慢。 前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波 及卫星中继信道都属于恒参信道。 恒参信道可以用时不变线性系统来描述。 恒参信道对信号传输的影响主要表现为：幅度-频率畸变和 相位-频率畸变。可以认为在一次通信过程中是不变的。 4.1恒参信道及其对信号传输的影响通信概论东北大学网4.2 随参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道特性参数（衰耗与时延）随时间快速变化 随参信道多存在多径传播随参信道是一种时变多径传播信道： 对信号的衰耗随时间而变化； 传输的时延随时间而变化； 多径传播。 信 道通信概论东北大学网随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条 路径的长度（时延）和衰
