通信原理第4章讲解
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通信原理(樊昌信)第4章信道
有线信道
基带同轴电缆：
50Ω，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离<几千米
宽带（射频）同轴电缆：
75Ω，用于传输模拟信号 多用于有线电视（CATV）系统 传输距离可达几十千米
有线信道
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：
多模光纤 单模光纤
无线信道
视线传播 line-of-sight
d
频率： > 30 MHz
h
发射
特性：直线传播、穿透电离层 天线 r
用途：卫星和外太空通信
传播途径
d
D
接收 天线
r
超短波及微波通信
视线传播方式
距离：与天线高度有关
h D2 D2 (m) 8r 50
D 为收发天线间距离(km)
例如 设收发天线的架设 高度均为40 m，则最 远通信距离为：
表 有线信道的线路种类、构造、特征和主要用途
线路种类 双绞线
同轴电缆 光纤
构造
特征
主要用途
便宜、构造简单，
传输频带宽，有漏 话现象，容易混入 杂音
电话用户线 低速LAN
价格稍高，传输
频带宽，漏话感应 少，分支、接头容 易
CATV分配电缆 高速LAN
低损耗，频带宽， 国际间主干线
重量轻，直径小，
国内城市间主
对流层：约 0 ~10 km 平流层：约 10~60 km 电离层：约 60~400 km
60 km
10 km 0 km
电磁波的传播方式：
地波 ground- wave
频率： < 2 MHz 特性：有绕射能力 距离：数百或数千米 用于：AM广播
通信原理》第六版课件第4章
调频合成器的原理
介绍了调频合成器的基本原理 和存在的问题，以及几种常用 的合成技术及其应用。
频率分析与频谱分析
连续信号频谱分析
介绍了连续信号分析中的傅里叶 变换和功率谱密度估计算法，以 及常用的频谱分析工具。
离散信号频谱分析
小波变换分析
阐述了离散信号分析中的离散傅 里叶变换和快速傅里叶变换算法， 以及它们的应用领域。
介绍了小波变换分析的基本原理 和优势，以及它在信号处理和图 像处理中的应用。
数据信号处理
1
采样与重构
Байду номын сангаас
抗混叠滤波器
2
讲述了抗混叠滤波器设计和优化的方法，
以及实际应用中的不足和改进措施。
3
介绍了采样定理和采样过程中的抗混叠 滤波器，以及重构过程与误差控制的方 法。
数字信号的量化
阐述了数字信号的量化原理和编码方法，
介绍了几种基本的相位调制方式和频移 键控技术，以及它们在通信中的应用。
宽带调制与调制方式
宽带调制的概念
阐述了宽带调制的基本原理和实现方法，以及它 在数字通信中的重要性。
频段抖动（FBS）调制方式
介绍了频段抖动调制技术的基本原理和应用，以 及它的特点和实现方法。
调换抖动（Cordic）调制方式
介绍了调换抖动调制技术的基本原理和应用，以 及它的优缺点及改进方法。
通信原理》第六版课件第 4章
本章介绍了调制与解调的基本概念，宽带调制和调制方式，频率合成和锁相 等通信原理的重要知识点。
调频与解调
1
调频基本概念
介绍了调频技术的基本概念和特点，包
调频与解调过程
2
括调变量和调制指数等的定义。
从频谱分析角度描述了调频与解调的基
通信原理(第四章)
27
第4章 信 道 章
四进制编码信道模型
0 0
1 送
端
发
1
收 端
接
2
2
3
3
28ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4章 信 道 章
4.4 信道特性对信号传输的影响 恒参信道的影响 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者 是变化极其缓慢的。因此，其传输特性可以 等效为一个线性时不变网络。 只要知道网络 的传输特性，就可以采用信号分析方法，分 析信号及其网络特性。 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。 现在我们首先讨论 理想情况下的恒参信道特性。
平流层 60 km 对流层 10 km 0 km 地 面
6
第4章 信 道 章
电离层对于传播的影响 反射 散射
7
第4章 信 道 章
电磁波的分类： 电磁波的分类： 地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离： 距离：数百或数千千米 天波 频率： 频率：2 ~ 30 MHz 特点： 特点：被电离层反射 一次反射距离： 一次反射距离：< 4000 km 寂静区： 寂静区：
13
第4章 信 道 章
4.2 有线信道
明线
14
第4章 信 道 章
对称电缆：由许多对双绞线组成， 对称电缆：由许多对双绞线组成，分非屏蔽 （UTP）和屏蔽（STP）两种。 ）和屏蔽（ ）两种。
塑料外皮
双绞线（ 5对）
图4-9 双绞线
15
第4章 信 道 章
同轴电缆
16
第4章 信 道 章
n2 n1 折射率
25
第4章 信 道 章
4.3.2 编码信道模型
调制信道对信号的影响是通过k(t)和 使已调信号发生波形 调制信道对信号的影响是通过 和n(t)使已调信号发生波形 失真。 失真。 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换， 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即将 一种数字序列变成另一种数字序列。 一种数字序列变成另一种数字序列。误码 输入、输出都是数字信号， 输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号 失真情况，但误码与调制信道有关， 失真情况，但误码与调制信道有关，无调制解调器时误码由 发滤波器设计不当及n(t)引起 引起。 收、发滤波器设计不当及 引起。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。
通信原理第4章(2014年北邮上课精简版)
η AM
边带功率 = AM总功率
调制指数a（调幅系数）
ＡＭ 信号表达式
S AM (t ) = [1 + m (t ) ] Ac cos ωc t
其中 1 + m(t ) 中的直流为 １，交流为 m(t ) 。为了包络解调 不失真恢复原始基带信号，要求 m ( t ) ≤ 1 。 ＡＭ 信号一般表示为 S AM (t ) = Ac 1+ amn (t ) cos ωc t ，
第4章 模拟调制系统
本章的主要内容
一、调制的目的、定义和分类 二、幅度调制（ＡＭ、ＤＳＢ、ＳＳＢ、ＶＳＢ）
n n n
时域和频域表示、带宽 调制与解调方法
抗噪声性能 三、角度调制（ＦＭ、ＰＭ）
n n n n
基本概念 单频调制时：调频和调相信号的时域表示 宽带调频信号的带宽
抗噪性能 四、频分复用
《通信原理》
解：
(2) 基带信号为随机信号时已调信号的频谱特性 在一般情况下，基带信号是随机信号，如语音信号。此时
，已调信号的频谱特性用功率谱密度来表示。 AM已调信号是一个循环平稳的随机过程，其功率谱密度为 其自相关函数时间平均值的傅里叶变换。 分析可知，在调制信号为确知信号和随机信号两种情况下， 分别求出的已调信号功率表达式是相似的。 参见教材７０页。
H(w)
-w c
形成单边带信号的滤波特性
H(w) 1 -w c 0 1 0 wc w wc w
H(w)
-w c
形成单边带信号的滤波特性
通过推导（参见教材 ７１－７２ 页），可得 ＳＳＢ 信号的时域表达式
S SSB (t) = Ac m(t ) cos ωct m Ac m (t )sin ωct
通信原理第四章
• 2、调幅（AM）信号 如果输入的基带信号带有直流分量，h(t) 是理想理想低通滤波器，得到的输出信 号是有载波分量的双边带信号，表示为：
m(t) m0 m(t)
如果满足m0＞∣m,(t) ∣max 调幅（AM）信号
其时域与频域的表示为：
Sm (t) m(t) cosc
m0 m(t)cosc
c f
3 108 20 103
1.5 104 (m)
式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度 （光速）（m/s）；f为音频（Hz）。
• 可见，要将音频信号直接用天线发射出 去，其天线几何尺寸即便按波长的百分 之一取也要150米高（不包括天线底座或 塔座）。因此，要想把音频信号通过可 接受的天线尺寸发射出去，就需要想办 法提高欲发射信号的频率（频率越高波 长越短）
Sm
()
1 2
M
(
c
)
M
(
c
)H
()
• 确定H（ω）
•从接收端入手
•VSB信号的解调和SSB信号一样不能用包络 检波，而要采用相干解调法
•通过解调的公式推导说明残留边带滤波器 的传输函数在载频附近必须具有互补对称 特性
• Sm(t)
LPF
m(t)
•
S (t ) =cosωct
－c 0
c
(f) 已 调 信 号 频 谱
调幅AM示意图
• 3、单边带（SSB）信号
从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上 下两个边带是完全对称的，即两个边带所包含 的信息完全一样。那么在传输时，实际上只传 输一个边带就可以了，而双边带传输显然浪费 了一个边带所占用的频段，降低了频带利用率。 对于通信而言，频率或频带是非常宝贵的资源。 因此，为了克服双边带调制这个缺点，人们又 提出了单边带调制的概念。
通信原理第4章
P(0 / 0) P(1 / 0)
0 接收端
1
1
P(1 / 1)
图4-13 二进制编码信道模型
P(0 / 0)和P(1 / 1) － 正确转移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率
散射传播 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
有效散射区域
地球
图4-7 对流层散射通信
h
10
第4章 信 道
第4章 信 道
n2 n1 折射率
光纤
结构
(a)
纤芯 包层
n2 n1 折射率
Hale Waihona Puke 按折射率分类 (b) 阶跃型
梯度型 按模式分类
n2 n1 折射率
125
多模光纤
7～10
(c)
单模光纤
单模阶跃折射率光纤
h 图4-11 光纤结构示意图
16
第4章 信 道
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m
h
17
第4章 信 道
4.3 信道的数学模型
信道模型的分类：
调制信道 编码信道
信 息 源
信 源 编
码
加 密
信 道 编
码
数 字 调
制
信道
数 字 解 调
信 道 译
通信原理第四版第4章信道
列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无 记忆编码信道。
• p(00)p(10)1 • p(11)p(01)1
2021/1/15
13
多进制无记忆编码信道模型
｛X｝
｛Y｝
x0
y0
x1
y1
… …
xM－ 1
2021/1/15
yN－ 1
14
3、无线信道
• 无线信道利用电磁波在空间中的传播来 传输信号。
• 有线信道利用人造的传导电或光信号的 媒体来传输信号。
k S i( ){ 1 e x p [ j (t)}
• 信道传输函数为
• H () S 0 ()S i() k [ 1 e j (t)]
2021/1/15
41
• 信道幅频特性为
H ()k [ 1 e j ( t ) ]k 1 c o s( t )j s i n( t )
k2 c o s2 (t) j2 sin (t)c o s (t)
29
➢ 幅度-频率失真
• 又称为频率失真，属于线性失真。采用均衡 器补偿。
– (a)所示是典型电话信道特性
(a) 插入损耗～频率特性
2021/1/15
30
➢相位-频率失真
• 相位-频率失真也是属于线性失真。
• 在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此 相频失真对模拟话音传输影响不明显。
• 可以采用均衡器对相频特性进行补偿， 改善信道传输
第四章 信 道
2021/1/15
1
主要内容
1
2、信道的数学模型
3 4、有线信道 5、信道特性对信号传输的影响 6、信道中的噪声 7、信道容量
2021/1/15
2
1、信道定义
• p(00)p(10)1 • p(11)p(01)1
2021/1/15
13
多进制无记忆编码信道模型
｛X｝
｛Y｝
x0
y0
x1
y1
… …
xM－ 1
2021/1/15
yN－ 1
14
3、无线信道
• 无线信道利用电磁波在空间中的传播来 传输信号。
• 有线信道利用人造的传导电或光信号的 媒体来传输信号。
k S i( ){ 1 e x p [ j (t)}
• 信道传输函数为
• H () S 0 ()S i() k [ 1 e j (t)]
2021/1/15
41
• 信道幅频特性为
H ()k [ 1 e j ( t ) ]k 1 c o s( t )j s i n( t )
k2 c o s2 (t) j2 sin (t)c o s (t)
29
➢ 幅度-频率失真
• 又称为频率失真，属于线性失真。采用均衡 器补偿。
– (a)所示是典型电话信道特性
(a) 插入损耗～频率特性
2021/1/15
30
➢相位-频率失真
• 相位-频率失真也是属于线性失真。
• 在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此 相频失真对模拟话音传输影响不明显。
• 可以采用均衡器对相频特性进行补偿， 改善信道传输
第四章 信 道
2021/1/15
1
主要内容
1
2、信道的数学模型
3 4、有线信道 5、信道特性对信号传输的影响 6、信道中的噪声 7、信道容量
2021/1/15
2
1、信道定义
通信原理 第四章 模拟信号的数字化
段落序号
8 7 6
12
11 10
1100
1011 1010 1001
段落码 c2 c3 c4
111 110 101
9
8
7 6 5
1000
0111 0110 0101
5
4 3 2
100
011 010 001
4
3 2 1
0100
0011 0010 0001
1
000
0
0000
18
4.4.3 PCM系统的量化噪声
2 b 2 mi a i 1 mi 1 M
式中，sk为信号的抽样值，即s(kT) sq为量化信号值，即sq(kT) f(sk)为信号抽样值sk的概率密度 E表示求统计平均值 M为量化电平数 mi a iv
q i a i v
v 2
求信号sk的平均功率 ：
S E ( s k ) s k f ( s k )dsk
S / Nq 22(B/fH )
上式表明，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B按指数规律增长。
19
4.5 差分脉冲编码调制
4.5.1差分脉冲编码调制(DPCM)的原理
线性预测基本原理
线性预测 利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值 预测误差 当前抽样值和预测值之差 由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很接近，即误 差的取值范围较小。 对较小的误差值编码，可以降低比特率。
正极性
负极性
折叠二进制码的特点： 有映像关系，最高位可以表示极性，使编码电路简化； 误码对小电压影响小，可减小语音信号平均量化噪声。
17
13折线法中采用的折叠码
8 7 6
12
11 10
1100
1011 1010 1001
段落码 c2 c3 c4
111 110 101
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1000
0111 0110 0101
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4
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0100
0011 0010 0001
1
000
0
0000
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4.4.3 PCM系统的量化噪声
2 b 2 mi a i 1 mi 1 M
式中，sk为信号的抽样值，即s(kT) sq为量化信号值，即sq(kT) f(sk)为信号抽样值sk的概率密度 E表示求统计平均值 M为量化电平数 mi a iv
q i a i v
v 2
求信号sk的平均功率 ：
S E ( s k ) s k f ( s k )dsk
S / Nq 22(B/fH )
上式表明，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B按指数规律增长。
19
4.5 差分脉冲编码调制
4.5.1差分脉冲编码调制(DPCM)的原理
线性预测基本原理
线性预测 利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值 预测误差 当前抽样值和预测值之差 由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很接近，即误 差的取值范围较小。 对较小的误差值编码，可以降低比特率。
正极性
负极性
折叠二进制码的特点： 有映像关系，最高位可以表示极性，使编码电路简化； 误码对小电压影响小，可减小语音信号平均量化噪声。
17
13折线法中采用的折叠码
通信原理第四章
3/169 12:07
第 4章模拟调制系统
4.1幅度调制（线性调制）的原理
定义： 幅度调制：用调制信号去控制高频载波的振
幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。 幅度调制器的通用模型如图 4 - 1 所示。
4/169 12:07
m(t)
×
h(t)
sm(t)
cos ω ct
图 4 - 1幅度调制器的一般模型
6
由 于 ： x (t )e jωct ⇔ X (ω − ω c )
1 [δ (t ) + j ] ⇔ u (ω )
2
πt
⇒
sUSB(t)
=
1[m(t)*(δ 4
(t)
+
j πt
)]e
jωct
+
1 [m(t) *(δ 4
(t)
−
j πt
)]e−
jωct
= 1[m(t) + jmˆ (t)]ejωct + 1[m(t) − jmˆ (t)]e−jωct
如图4 - 7所示。
38/169 12:07
1 m(t) 2
t
Hh(ω)
1 2
m(t)
£π -2
± sSSB(t)
sSSB
(t)
=
1 2
m(t)
cos ωct
∓
1 2
mˆ
(t) sin
ωct
1 2
mˆ (t)
sin
ωct
图 4 –7 相移法形成单边带信号
39/169 12:07
cosωct
25/169 12:07
DSB调制结论： 1. 由频谱结构可知，发射信号没有载波分
第 4章模拟调制系统
4.1幅度调制（线性调制）的原理
定义： 幅度调制：用调制信号去控制高频载波的振
幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。 幅度调制器的通用模型如图 4 - 1 所示。
4/169 12:07
m(t)
×
h(t)
sm(t)
cos ω ct
图 4 - 1幅度调制器的一般模型
6
由 于 ： x (t )e jωct ⇔ X (ω − ω c )
1 [δ (t ) + j ] ⇔ u (ω )
2
πt
⇒
sUSB(t)
=
1[m(t)*(δ 4
(t)
+
j πt
)]e
jωct
+
1 [m(t) *(δ 4
(t)
−
j πt
)]e−
jωct
= 1[m(t) + jmˆ (t)]ejωct + 1[m(t) − jmˆ (t)]e−jωct
如图4 - 7所示。
38/169 12:07
1 m(t) 2
t
Hh(ω)
1 2
m(t)
£π -2
± sSSB(t)
sSSB
(t)
=
1 2
m(t)
cos ωct
∓
1 2
mˆ
(t) sin
ωct
1 2
mˆ (t)
sin
ωct
图 4 –7 相移法形成单边带信号
39/169 12:07
cosωct
25/169 12:07
DSB调制结论： 1. 由频谱结构可知，发射信号没有载波分
通信原理第4章
第4章 信源编码
1. 概述 � 2. 脉冲编码调制 � 3. 增量调制 � 4. 差分脉码调制 � 5. 其他编码技术 � 6. 各种编码技术的应用
�
1
4.1 概述
�
与模拟通信相比，数字通信有许多优点，是当今通信的 发展方向。
� �
如何利用数字通信系统来传输模拟信号？ 模/数变换：脉冲编码调制（PCM） 处理过程： 抽样、量化、编码。
29
（2）非均匀量化的方法
�
非均匀量化的量化间隔与信号的大小有关。当信号 幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号 幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 实现非均匀量化的方法有两种： 直接非均匀编解码法 模拟压扩法（应用比较多）
� � �
30
�
(A) 直接非均匀量化 (小信号量化区间小 ,大信号量化区间大 )
�
8
PCM信号形成过程示意图
9
4.2.1 抽样
抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的 样值序列的过程。
图 抽样的输入与输出
关于抽样需要考虑两个问题： 第一，由抽样信号完全恢复出原始的模拟信号，对和抽 样频率有什么限制条件？ 第二，如何从抽样信号还原？
10
1.低通信号的抽样定理
11
�
模 拟 信 源 编 码 数字传 输系统 译 码 收 端
模拟信号数字化传输的系统框图
2
信源编码目的：压缩信源产生的冗余信息，减少传递不 必要信息的开销，从而提高整个传输链路的有效性。
�
模拟信号数字化后，再进行传输的方式分两类： 一、脉冲编码调制（PCM）通信； 二、增量调制 ∆M 通信
3
几种信源编码方法 波形编码：特点是利用抽样定理，恢复原始信号的 波形。如PCM等。 信源 编码 方法 参数编码：提取语音的一些特征信息进行编码，在 收端利用这些特征参数合成语声； 混合型编码：波形编码和参数型编码方式的混合。
1. 概述 � 2. 脉冲编码调制 � 3. 增量调制 � 4. 差分脉码调制 � 5. 其他编码技术 � 6. 各种编码技术的应用
�
1
4.1 概述
�
与模拟通信相比，数字通信有许多优点，是当今通信的 发展方向。
� �
如何利用数字通信系统来传输模拟信号？ 模/数变换：脉冲编码调制（PCM） 处理过程： 抽样、量化、编码。
29
（2）非均匀量化的方法
�
非均匀量化的量化间隔与信号的大小有关。当信号 幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号 幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 实现非均匀量化的方法有两种： 直接非均匀编解码法 模拟压扩法（应用比较多）
� � �
30
�
(A) 直接非均匀量化 (小信号量化区间小 ,大信号量化区间大 )
�
8
PCM信号形成过程示意图
9
4.2.1 抽样
抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的 样值序列的过程。
图 抽样的输入与输出
关于抽样需要考虑两个问题： 第一，由抽样信号完全恢复出原始的模拟信号，对和抽 样频率有什么限制条件？ 第二，如何从抽样信号还原？
10
1.低通信号的抽样定理
11
�
模 拟 信 源 编 码 数字传 输系统 译 码 收 端
模拟信号数字化传输的系统框图
2
信源编码目的：压缩信源产生的冗余信息，减少传递不 必要信息的开销，从而提高整个传输链路的有效性。
�
模拟信号数字化后，再进行传输的方式分两类： 一、脉冲编码调制（PCM）通信； 二、增量调制 ∆M 通信
3
几种信源编码方法 波形编码：特点是利用抽样定理，恢复原始信号的 波形。如PCM等。 信源 编码 方法 参数编码：提取语音的一些特征信息进行编码，在 收端利用这些特征参数合成语声； 混合型编码：波形编码和参数型编码方式的混合。
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因此在大气层中通信时，应避 免使用衰减严重的频率。
衰 减
(dB/km)
水蒸气 氧气（实线）
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
衰 减
(dB/km)
降雨率
频率(GHz)
(b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
8
第4章 信 道
电磁波的分类：根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播分为 地波、天波和视线传播
19
编码信道 从编码器输出到译码器输入端，所包含的调制器、
定义-由于传播媒体的不均匀性，使电磁波向许多 方向折射的现象。散射的能量主要集中于前方，故 常称为前向散射
7
第4章 信 道
大气层对于传播的影响
电磁波在大气层内（主要 是指氧气、水蒸气、降水）） 传播时，会受到吸收和散播。 使1GHz以上的电磁波的传播 衰减显著增加。在一些特定的 频率上，由于分子谐振现象 （吸收电磁波）而使衰减出现 峰值。
5
第4章 信 道
地球大气层的结构
对流层：地面上 0 ~ 10 km 平流层：约10 ～ 60 km 电离层：约60 ～ 400 km
电离层
60 km
10 km 0 km
平流层
对流层 地面
6
电离层对于传播的影响
反射：对于频率小于30MHz的电磁波. 散射：对于频率在30-60MHz的电磁波。
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m，这两个波长是目 前应用最广泛的波长。
18
第4章 信 道
4.3 信道的数学模型
信道模型的分类：
调制信道 从调制器输出端到解调器输入端,所包含的发转换装
置、 媒质和收转换装置等称为调制信道。 当研究 调制与解调问题时，所关心的是调制器输出的信号 形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并 不关心信号的中间变换过程。因此，定义调制信道 对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。
地波 频率 < 2 MHz
传播路径
有绕射能力
地面
距离：数百或数千千米 天波
频率：2 ~ 30 MHz
图4-1 地波传播
信号传播路径
特点：被电离层反射
地面
一次反射距离：< 4000 km
存在寂ji静区：电磁波不能到达的区域 图 4-2 天波传播
9
第4章
视线传播：
频率 > 30 MHz 传播距离: 和天线高度有关
频率 － 30 ~ 100 MHz 传播距离 － 1000 km以上
由于空中随时有大量的看不见的流星余迹存在，能够保证信 号断续的传送。因此流星余迹通信只能采用低速存储、高速突 发的断续传输方式传送数据。
13
第4章 信 道
4.2 有线信道
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
3
信道中的干扰： 有源干扰 － 加性噪声引起。 无源干扰 － 传输特性不良引起。
本章重点： 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传
输的影响。
4
4.1 无线信道 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，因此频率过低，波长过长，天 线尺寸过大，难于制造。故用于通信的电磁波频率都 比较高。
阶跃型 梯度型
n2 n1 折射率 （a）
按模式分类
模式指光线传播 (b)
的路径。右图a,b 为多模光纤，c为
n2 n1 折射率 （b）
单模光纤
125
7～10
(c)
（c） 单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
17
第4章 信 道
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
14
第4章 信 道
对称电缆：由许多对双导（3）线（称芯线）放在一根保护套内造成， 为减小各对双导线间的干扰，每一对导线都做成扭绞（33）形状， 称为双绞线。
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成，两根导体间用绝缘体
隔开.
金属编织网 实心介质
保护层
导体
图4-10 同轴线
15
光纤：传输光信号的有线信道是光导纤维，简称
光纤。 结构：由折射率不同的两种导光介质（石英玻璃）
纤维制成的。内层叫纤芯，外层叫包层。 由于纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，光波
会在两层的边界处反射，经过多次反射，实现远距 离传送。
16
第4章 信 道 n2 n1 折射率
按纤芯折射率特性不(a) 同分类
11
散射传播
除上述三种传播方式外，电磁波还可以经过散射方式传播。
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 －对流层中的大气存在强烈
的上下对流现象。使大气中存在不
有效散射区域
均匀的湍-tuan流，这种大气的不均匀性
使电磁波产生了散射。
通信原理
1
通信原理
第4章 信 道
2
第4章 信 道
信道：是指以传输媒质为基础的信号通道。 信道分类：
无线信道 －利用电磁波或光波在空中传播信号。无线 信道有：地波传播、短波电离层反射、微波视距中继、 人造卫星中继、移动无线电信道。
有线信道 －利用人造的传导电或光信号的媒体来传输 信号。有线信道 如，明线、对称电缆、同轴电缆及光 纤等。
设收发天线的高度相等，均 等于h，并且h是此两天线间保 持视线的最低高度，则有
d2 r2 (h r)2 d h2 2rh 2rh
设D 是收发天线间距离，则
D2 (2d)2 8rh
将地球半径r=6370km代入后
h D2 D2 m 8r 50
信道ห้องสมุดไป่ตู้
d
发射天线
h
d D
传播途径 接收天线
频率 － 100 ~ 4000 MHz
地球
最大距离 < 600 km
图4-7 对流层散射通信
12
第4章 信 道
流星余迹散射：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
图4-8 流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，余迹长度15 ~ 40 km 余迹存留时间：小于1秒至几分钟
r
r
地面
图 4-3 视线传播
图4-4 无线电中继 10
[例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
h D2 D2 502 50
m
8r 50 50
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：用位于平流层的高空平台 电台代替卫星作为基站的通信
衰 减
(dB/km)
水蒸气 氧气（实线）
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
衰 减
(dB/km)
降雨率
频率(GHz)
(b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
8
第4章 信 道
电磁波的分类：根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播分为 地波、天波和视线传播
19
编码信道 从编码器输出到译码器输入端，所包含的调制器、
定义-由于传播媒体的不均匀性，使电磁波向许多 方向折射的现象。散射的能量主要集中于前方，故 常称为前向散射
7
第4章 信 道
大气层对于传播的影响
电磁波在大气层内（主要 是指氧气、水蒸气、降水）） 传播时，会受到吸收和散播。 使1GHz以上的电磁波的传播 衰减显著增加。在一些特定的 频率上，由于分子谐振现象 （吸收电磁波）而使衰减出现 峰值。
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第4章 信 道
地球大气层的结构
对流层：地面上 0 ~ 10 km 平流层：约10 ～ 60 km 电离层：约60 ～ 400 km
电离层
60 km
10 km 0 km
平流层
对流层 地面
6
电离层对于传播的影响
反射：对于频率小于30MHz的电磁波. 散射：对于频率在30-60MHz的电磁波。
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m，这两个波长是目 前应用最广泛的波长。
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第4章 信 道
4.3 信道的数学模型
信道模型的分类：
调制信道 从调制器输出端到解调器输入端,所包含的发转换装
置、 媒质和收转换装置等称为调制信道。 当研究 调制与解调问题时，所关心的是调制器输出的信号 形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并 不关心信号的中间变换过程。因此，定义调制信道 对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。
地波 频率 < 2 MHz
传播路径
有绕射能力
地面
距离：数百或数千千米 天波
频率：2 ~ 30 MHz
图4-1 地波传播
信号传播路径
特点：被电离层反射
地面
一次反射距离：< 4000 km
存在寂ji静区：电磁波不能到达的区域 图 4-2 天波传播
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第4章
视线传播：
频率 > 30 MHz 传播距离: 和天线高度有关
频率 － 30 ~ 100 MHz 传播距离 － 1000 km以上
由于空中随时有大量的看不见的流星余迹存在，能够保证信 号断续的传送。因此流星余迹通信只能采用低速存储、高速突 发的断续传输方式传送数据。
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第4章 信 道
4.2 有线信道
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
3
信道中的干扰： 有源干扰 － 加性噪声引起。 无源干扰 － 传输特性不良引起。
本章重点： 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传
输的影响。
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4.1 无线信道 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，因此频率过低，波长过长，天 线尺寸过大，难于制造。故用于通信的电磁波频率都 比较高。
阶跃型 梯度型
n2 n1 折射率 （a）
按模式分类
模式指光线传播 (b)
的路径。右图a,b 为多模光纤，c为
n2 n1 折射率 （b）
单模光纤
125
7～10
(c)
（c） 单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
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第4章 信 道
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
14
第4章 信 道
对称电缆：由许多对双导（3）线（称芯线）放在一根保护套内造成， 为减小各对双导线间的干扰，每一对导线都做成扭绞（33）形状， 称为双绞线。
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成，两根导体间用绝缘体
隔开.
金属编织网 实心介质
保护层
导体
图4-10 同轴线
15
光纤：传输光信号的有线信道是光导纤维，简称
光纤。 结构：由折射率不同的两种导光介质（石英玻璃）
纤维制成的。内层叫纤芯，外层叫包层。 由于纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，光波
会在两层的边界处反射，经过多次反射，实现远距 离传送。
16
第4章 信 道 n2 n1 折射率
按纤芯折射率特性不(a) 同分类
11
散射传播
除上述三种传播方式外，电磁波还可以经过散射方式传播。
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 －对流层中的大气存在强烈
的上下对流现象。使大气中存在不
有效散射区域
均匀的湍-tuan流，这种大气的不均匀性
使电磁波产生了散射。
通信原理
1
通信原理
第4章 信 道
2
第4章 信 道
信道：是指以传输媒质为基础的信号通道。 信道分类：
无线信道 －利用电磁波或光波在空中传播信号。无线 信道有：地波传播、短波电离层反射、微波视距中继、 人造卫星中继、移动无线电信道。
有线信道 －利用人造的传导电或光信号的媒体来传输 信号。有线信道 如，明线、对称电缆、同轴电缆及光 纤等。
设收发天线的高度相等，均 等于h，并且h是此两天线间保 持视线的最低高度，则有
d2 r2 (h r)2 d h2 2rh 2rh
设D 是收发天线间距离，则
D2 (2d)2 8rh
将地球半径r=6370km代入后
h D2 D2 m 8r 50
信道ห้องสมุดไป่ตู้
d
发射天线
h
d D
传播途径 接收天线
频率 － 100 ~ 4000 MHz
地球
最大距离 < 600 km
图4-7 对流层散射通信
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第4章 信 道
流星余迹散射：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
图4-8 流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，余迹长度15 ~ 40 km 余迹存留时间：小于1秒至几分钟
r
r
地面
图 4-3 视线传播
图4-4 无线电中继 10
[例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
h D2 D2 502 50
m
8r 50 50
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：用位于平流层的高空平台 电台代替卫星作为基站的通信