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1、第三章 信道与信道复用,3.1 通信信道 3.2 信道复用 3.3 码分复用（CDM） 3.4 数字复接技术,3.1 通信信道 信道是信息传输的通道。信道连接发送端和接收端的通信设备，并将信号从发送端传送到接收端，完成点对点通信。 按传输媒介的不同，信道可以分为有线信道和无线信道两大类。 有线信道指利用人造的传输媒体来传输信号，如明线、对称电缆、同轴电缆以及光缆等。 无线信道指利用电磁波在空间传播来传输信号，包括地波传波、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继等。,3.1.1 有线信道 1、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绝缘层的导线。其传输损耗低，
2、但是易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰较敏感，并且很难沿一条路径架设大量的（成百对）线路，故目前已经逐渐被电缆所代替。,2、对称电缆 对称电缆是由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制成的。为了减小各对导线之间的干扰，每一对导线都做成扭绞形状的，称为双绞线。保护套则是由几层金属屏蔽层和绝缘层组成的，它还有增大电缆机械强度的作用。对称电缆的芯线比明线细，直径约在0.4-1.4 mm，故其损耗较明线大，但是性能较稳定。,3、同轴电缆 同轴电缆则由内外两根同心圆柱形导体构成，在这两根导体间用绝缘体隔开。外导体自然应是一根空心导管，内导体多为实心导线。在内外导体间可以填充满塑料作为电介质，或者用空
3、气作介质但同时有塑料支架用于连接和固定内外导体。由于外导体通常接地，所以它同时能够很好地起到屏蔽作用。在实用中多将几根同轴电缆和几根电线放入同一根保护套内，以增强传输能力.,4、光纤和光缆 传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。 光纤的材料主要是石英玻璃(适当掺杂),由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成. 光纤纤芯是一个透明的圆柱形介质，其作用是以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。 紧靠纤芯的外面一层称为包层，其作用是保证光全反射只发生在纤芯内，使光信号封闭在纤芯中传输。 为了实现光信号的传输，要求纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些. 为了提高光纤的抗拉力及弯曲强度，还需要在包层外加上涂
4、覆层.,光纤的结构,纤芯直径2a：510um(单模光纤) 5080um(多模光纤) 包层直径2b：均为125um 一次涂覆后直径：250um 二次涂覆后直径：900um,光缆由缆芯(包括多根光纤)，加强件和护层构成。 加强件由钢丝线、钢绞线和芳伦纤维材料构成。 护层对缆芯起机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。 按缆芯结构不同光缆可分为以下4种： 层绞式光缆；骨架式光缆；中心束管式光缆；带状式光缆。 按使用条件分： 室内光缆、 架空光缆、 埋地光缆、管道光缆、 特种光缆等。,光缆结构和类型,容许频带很宽，
5、传输容量很大。 理论上一根单模光纤可利用的带宽达20THz以上 损耗很小,中继距离很长。目前通信用光纤的最低损耗低达0.2 dB/km，中继距离达数百公里以上。传统的电缆(1.5km)、微波(50km)等无法与之相比。 重量轻、 体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小， 保密性能好 原材料丰富，潜在价格低廉（光纤成本0.1元/m),光纤优点：,光纤缺点： 质地脆,机械强度低 光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术 分路,耦合不灵活 光纤,光缆弯曲半径不能过小 光纤怕水,3.1.2 无线信道 1、电磁波 在无线信道中，信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。所谓电磁波，简单地说，就是电和磁的波动
6、过程，是向前传播的交变的电磁场；或者说，电磁波是在空间传播的交变电磁场。电磁波和我们周围存在的水波、声波一样，都是一种波动过程。所不同的是，人的眼睛可以看到水波，耳朵可以听到声波。但我们既看不见也听不到电磁波。 正弦波是最简单的波动过程，也是最重要的波动过程。正弦波具有振幅、频率以及相位三个要素。,光速,表3.1-2 通信频段 、 常用传输媒质及主要用途,通常把频率为300MHz300GHz的频段称为微波； 波长在0.75毫米以下的电磁波，统称为光波。 我们最熟悉的光波是可见光。,2、电波的传播方式 利用无线电波传递信息时，电波要经过发射、传播、接收等几个环节。那么，不同频率的无线电波是怎样传
7、播的呢？ 电波的4种主要传播方式，即 地波传播； 天波传播； 视距传播； 散射传播。,（1）地波传播 地波传播是指无线电波沿地球表面传播，又称绕射传播或地表面波传播。 地波传播主要受地面土壤的电参数和地形地物的影响，波长越短的电波越容易被地面吸收，因此只有超长波、长波及中波能以地波方式传播。 地波传播不受气候条件影响，传播时稳定可靠，但在传播过程中，电波能量不断地被大地吸收，因而传播距离不远。,（2）天波传播 天波传播也叫电离层反射传播，是指无线电波经天空中电离层的反射或折射后返回地面的传播方式。 所谓电离层是指大气层中离地面约40-800千米高度范围内包含有大量的自由电子和离子的气体层，它是
8、大气层在受到太阳射线和宇宙射线的照射后发生电离而形成的。 电离层能反射电波，对电波也有吸收作用。但电离层对长波和中波吸收较多而对短波吸收较少，因而短波通信更适合以天波方式传播。比短波频率更高的超短波及微波可以穿过电离层，因而它们也不能靠电离层反射来传播。,（3）空间波传播 空间波传播也称视距传播，是指收发两端处在视距范围内，能互相“看得见”时的电波直线传播方式。 超短波和微波主要以视距方式传播； 另外，工作在特高频和超高频频段的卫星通信，其电磁波传播也是利用视距传播方式，但是在地面和卫星之间的电磁波传播要穿过电离层。 视距传播时易受到高山和大的建筑物的阻隔，因此为了加大传输距离，就要把发射天线
9、架高，做成大铁塔。但由于受地球曲面的影响，一般的传输距离也不过50千米左右。 为了加大传输距离，通常采用接力通信方式，即每隔一定的距离设立接力站，像接力赛跑一样，把信息传到远方。,图3-11 空间波传播,图3-12 微波接力,（4）散射波传播 对于那些无法建立微波接力站的地区大海、岛屿之间的通信，可以利用散射波传递信息。 散射波传播包括对流层散射和电离层散射传播。 对流层是指比电离层低的不均匀气团。散射传播的工作频段主要是超短波和微波，通信距离最大可达600800千米。 散射信号一般很弱，因此进行散射通信时要求使用大功率发射机、高灵敏和方向性很强的天线。,图3-13 对流层散射通信和电离层散射
10、通信,各波段无线电波的传播特点如表3.1-3所示,由于电磁波的传播没有国界，所以为了在国际上保持良好的电磁环境，避免不同通信系统间的干扰，由国际电信联盟（ITU）负责定期召开世界无线电通信大会WRC (The World Radio communication Conference)，制订有关频率使用的国际协议。 各个国家在此国际协议的基础上也分别制订本国的无线电频率使用规则。,3、电波传播的窗口天线 天线的基本功能是辐射和接收无线电波。 发射时，通过天线把高频信号辐射到空中去，接收时，通过天线把高频信号收集起来。,信号经发射机调制成高频信号，经馈线送至发射天线，发射天线将高频信号能量转换成向
11、空间传播的电磁波，并按指定方向传播之后，在接收端用接收天线将信号接收下来。,图3-14 基本的无线电通信系统,接收天线与发射天线的作用是一个可逆过程； 同一天线既可用作发射也可用作接收用。 为了使高频信号在天线上形成谐振，将天线的长度取为电磁波波长的1/2或者1/4。 当频率较低时，电磁波的波长很长，天线尺寸过大，当频率过高时天线的尺寸又会很小。,图（a） 微波天线,（2）天线的分类,图（b）移动基站天线,3.1.3 通信信道特性 1、恒参信道对信号传输的影响 各种有线信道和部分无线信道，包括卫星链路和某些视距传输链路，可以看作恒参信道，因为它们的特性变化很小、很慢，可以视做其参量恒定。 可以
12、把恒参信道当做一个非时变线性网络来分析。该线性网络的传输特性 可以用幅度频率特性 和相位频率特性 来表征。即,要使任一信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应具备以下两个理想条件： （1）网络的幅度频率特性 是一个不随频率变化的常数。 （2）网络的相位频率特性 应与频率成直线关系。 网络的相位频率特性 常用群时延频率特性来表示。所谓群时延频率特性是指相位频率特性的导数，即,对于理想的无失真信道，如果相频特性是线性的，则群时延频率特性是条水平直线.,图3-16 理想的幅频特性、相频特性、群时延频率特性,信号经过恒参信道时，若信道的幅度特性在信号频带内不是常数，则信号的各频率分量通过信道后
13、将产生不同的幅度衰减，从而引起信号波形的失真，我们称这种失真为幅频失真；幅频失真对模拟通信影响较大，导致信噪比下降。 若信道的相频特性在信号频带内不是频率的线性函数，则信号的各频率分量通过信道后将产生不同的时延，从而引起波形的群时延失真，我们称这种失真为相频失真。相频失真对语音通信影响不大，但对数字通信影响较大，会引起严重的码间干扰，造成误码。,信道的幅频失真是一种线性失真，可以用一个线性网络进行补偿。 若此线性网络的频率特性与信道的幅频特性之和，在信号频谱占用的频带内，为一条水平直线，则此补偿网络就能够完全抵消信道产生的幅频失真。 信道的相频失真也是一种线性失真，所以也可以用一个线性网络进行
14、补偿。 恒参信道中还可能存在其它一些使信号产生失真的因素，例如非线性失真、频率偏移和相位抖动等。,非线性失真是指信道输入信号和输出信号的幅度关系不是直线关系。非线性特性将使信号产生新的谐波分量。这种失真主要是由信道中的元器件特性不理想造成的。 频率偏移是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移。这主要是由发送端和接收端中用于调制解调或频率变换的振荡器的频率误差引起的。 相位抖动也是由这些振荡器的频率不稳定产生的。相位抖动的结果是对信号产生附加调制。上述这些因素产生的信号失真一旦出现，就很难消除。,2、随参信道对信号传输的影响 许多无线信道都是随参信道，例如依靠天波和地波传播的无线电信道，某
15、些视距传输信道和各种散射信道。 随参信道的参数随时间随机快速变化，其特性比恒参信道要复杂，对传输信号的影响也较为严重。 影响信道特性的主要因素是传输媒介，如电离层的反射和散射，对流层的散射等。,随参信道的传输媒质有以下3个特点 ： （1）对信号的衰耗随时间而变化。 在随参信道中，传输媒介参数随气象条件和时间而随机变化。如电离层对电波的吸收特性随年份、季节、白天和黑夜在不断地变化，因而对传输信号的衰减也在不断地发生变化，这种变化通常称为衰落。由于这种信道参数的变化相对而言是十分缓慢的，所以称这种衰落为“慢衰落”。慢衰落对传输信号的影响可以通过调节设备的增益来补偿。,（2）传输的时延随时间而变化。
16、 （3）多径传播。由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点，这种现象称为多径传播。 由多径传播也会引起的信号衰落，这种衰落属于“快衰落”。,为了抗快衰落，可采用抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术、扩频技术，差错控制及交织技术等。其中较为有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。,3、信道中的噪声 我们将信道中不需要的电信号统称为噪声。 通信系统中没有传输信号时也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。由于这样的噪声是叠加在信号上的，所以有时将其称为加性噪声。 噪声对于信号的传输是有害的，它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码，并随之限制着信息的传输速率。,（1）噪声按照来源分类，可以分为人为噪声和自然噪声两大类。 人为噪声是指由人类的活动产生的噪声。例如电钻和电气开关瞬态造成的电火花、汽车点火系统产生的电火花、荧光灯产生的干扰、其它电台和家电用具产生的电磁波辐射等。 自然噪声是指自然界中存在的各种电磁辐射。如闪电、大气噪声及来自太阳和银河系等的宇宙噪声等。 此外还有一种很重要的自然噪声，即热噪声。热噪声来自一切电阻性元器件中电子的热运动。例如，导线、电阻和半导体器件等均会产生热噪声。所以热噪声无处不在，不可避免地存在于一切电子设备中。,
