第三章 信道与噪声

第三章信道与噪声第1页，课件共71页，创作于2023年2月3.1信道的定义信道是信号的传输媒质，其作用是传输信号。具体地说，信道是指由有线或无线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。信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道。第2页，课件共71页，创作于2023年2月狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道（导向，guided）和无线信道（非导向，unguided）两类。对导向媒质而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。对非导向媒质而言，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向。例如地波传播、天波传播、微波视距、微波中继、人造卫星中继等。狭义信道第3页，课件共71页，创作于2023年2月广义信道包括狭义信道还包括通信系统有关的变换装置发送设备接收设备馈线与天线调制器解调器等常把广义信道简称为信道。第4页，课件共71页，创作于2023年2月信道特性信道特性c(t)

是一个复杂的函数，它可能包括各种线性失真、非线性失真、衰落等。同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，故c(t)往往只能用随机过程来描述。第5页，课件共71页，创作于2023年2月3.2有线恒参信道对信号传输的影响不随时间而变，或者随时间变化很缓慢。有线信道为典型的恒参信道。代表性例子。。。第6页，课件共71页，创作于2023年2月3.2.1Open-wireAopen-wiretransmissionline(明线传输线)isatwo-wireparallelconductor(平行导体).Itconsistssimplyoftwoparallelwires,closelyspacedandseparatedbyair.第7页，课件共71页，创作于2023年2月OpenwireNonconductivespacers(绝缘衬垫)areplacedatperiodicintervals(间隔)forsupportandkeepthedistancebetweentheconductorsconstant.第8页，课件共71页，创作于2023年2月3.2.2TwinLeadTwinlead(双线线路)isanotherformoftwo-wireparallel-conductortransmissionline.Thespacersbetweenthetwoconductorsarereplacedwithacontinuoussoliddielectric(固体绝缘体).Thisensuresuniformspacingalongtheentirecable.TVtransmissioncable第9页，课件共71页，创作于2023年2月TwinLead第10页，课件共71页，创作于2023年2月3.2.3Twisted-PairCableAtwisted-pair(双绞线)cableisformedbytwistingtogethertwoinsulatedconductors.Neighboringpairsaretwistedwithdifferentpitch(节距,twistlength,扭绞长度)toreduceinterferencebetweenpairsduetomutualinduction(互感).每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消。第11页，课件共71页，创作于2023年2月Twisted-PairCable第12页，课件共71页，创作于2023年2月双绞线

双绞线可分为两类：屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）按美国线缆标准（AmericanWireGauge，AWG），双绞线的绝缘铜导线线芯大小有22、24和26等规格，常用的是24AWG，直径为0.51mm，规格数字越大，导线越细。

第13页，课件共71页，创作于2023年2月屏蔽双绞线

在双绞线电缆中增加屏蔽层就是为了提高电缆的物理性能和电气性能，减少电缆信号传输中的电磁干扰。电缆屏蔽层的设计有如下几种形式：屏蔽整个电缆

屏蔽电缆中的线对

屏蔽电缆中的单根导线

电缆屏蔽层由金属箔、金属丝或金属网几种材料构成第14页，课件共71页，创作于2023年2月屏蔽双绞线电缆有两类STP屏蔽整个电缆及各线对ScTP（FTP）只屏蔽整个电缆屏蔽双绞线第15页，课件共71页，创作于2023年2月常用的双绞线电缆封装有4对双绞线，其它还有25对、50对和100对等大对数的双绞线电缆，最常用3类线和5类线3类UTP及其端接设备的传输特性定义为16MHz（模拟），用于10Mbps的以太网（数字）5类UTP及其端接设备的传输特性定义为100MHz，用于10/100/1000Mbps以太网非屏蔽双绞线第16页，课件共71页，创作于2023年2月双绞线颜色标示

4对UTP电缆的颜色分别为：蓝色、橙色、绿色和棕色。每对线中，其中一根的颜色为线对颜色加上白色条纹或斑点（纯色）。另一根的颜色为白底色加线对颜色的条纹或斑点。具体的颜色编码如下表所示。第17页，课件共71页，创作于2023年2月线

对颜色色标缩

写线对1白—蓝蓝W—BLBL线对2白—橙橙W—OO线对3白—绿绿W—GG线对4白—棕棕W—BRBR双绞线颜色标示

第18页，课件共71页，创作于2023年2月非屏蔽双绞线第19页，课件共71页，创作于2023年2月双绞线特点电缆的传输损耗比较大但其传输特性比较稳定并且价格便宜安装容易第20页，课件共71页，创作于2023年2月3.2.4同轴电缆

同轴电缆（Coaxialcable）是由一根空心的外圆柱导体及其所包围的单根内导线所组成。柱体同导线用绝缘材料隔开，其频率特性比双绞线好，能进行较高速率的传输。由于它的屏蔽性能好，抗干扰能力强，通常多用于基带传输。目前同轴电缆常用在有线电视系统中，在计算机网络中运用已较少。

第21页，课件共71页，创作于2023年2月同轴电缆可分为两种基本类型基带同轴电缆（50Ω同轴电缆）：屏蔽线是用铜做成网状的。宽带同轴电缆（75Ω同轴电缆）：常用的宽带电缆(有线电视)，其屏蔽层通常是用铝冲压成的。同轴电缆第22页，课件共71页，创作于2023年2月3.2.5光纤

光导纤维是一种传输光束的细而柔韧的媒质。光导纤维线缆由一捆光导纤维组成，简称为光缆。计算机网络中的光纤主要是采用石英玻璃制成的，横截面积较小的双层同心圆柱体。裸光纤由纤芯和包层组成，折射率高的中心部分叫做光纤芯，折射率低的外围部分叫包层。为了保护光纤表面，防止断裂，提高抗拉强度并便于应用，一般在一束光纤的外围再附加一保护层，这层保护层即为光缆的外套。第23页，课件共71页，创作于2023年2月典型的光纤结构如所示：自内向外为纤芯、包层及涂覆层。

光纤结构示意图第24页，课件共71页，创作于2023年2月光线在光纤中的折射折射角入射角包层（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）包层纤芯第25页，课件共71页，创作于2023年2月光纤的工作原理高折射率(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第26页，课件共71页，创作于2023年2月光纤中光的传输原理第27页，课件共71页，创作于2023年2月光纤的分类从构成光纤的材料成分、光纤的制造方法、光纤的传输点模数、光纤横截面上的折射率分布和工作波长等方面来分类。光纤主要分为两大类即单模/多模类折射率分布类第28页，课件共71页，创作于2023年2月输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤第29页，课件共71页，创作于2023年2月光纤优点较宽的频带电磁绝缘性能好。衰减较小，在较大范围内基本上是一个常数值。需要增设光中继器的间隔距离较大，因此整个通道当中中继器的数目可以减少，降低成本。第30页，课件共71页，创作于2023年2月光纤

第31页，课件共71页，创作于2023年2月“FatherofFiberOptics”-Prof.CharlesKuenKao(高锟)第32页，课件共71页，创作于2023年2月无线恒参信道包括中、长波超短波微波视距信道微波中继信道卫星中继信道3.3无线恒参信道第33页，课件共71页，创作于2023年2月3.3.1微波视距微波视距（Line-of-Sight）：工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播。第34页，课件共71页，创作于2023年2月3.3.2微波中继信道微波视距传输两点间的传输距离一般为30~50km。长距离通信怎么办？在中间建立多个中继站。第35页，课件共71页，创作于2023年2月3.3.3卫星中继信道不方便建立中继站怎么办？如太平洋，深山老林。利用人造卫星作为中继站构成的通信信道。静止卫星：若卫星运行轨道在赤道平面，离地面高度为35780km时，绕地球运行一周的时间恰为24小时，与地球自转同步。移动卫星：不在静止轨道运行的卫星。第36页，课件共71页，创作于2023年2月卫星中继信道（续）工作频段有：L频段(1.5/1.6GHz)、C频段(4/6GHz)、Ku频段(12/14GHz)、Ka频段(20/30GHz)。主要特点是通信容量大、传输质量稳定、传输距离远、覆盖区域广等。信号衰减大信号延迟大（往返需要0.26s

左右）视频：微波通讯是怎么回事第37页，课件共71页，创作于2023年2月恒参信道对信号传输的影响主要是线性失真，线性失真是由于网络特性不理想所造成的，具体从幅频特性和相频特性两方面进行讨论。线性失真造成不同频率分量之间相对关系的改变，从而导致信号时间波形的畸变。该过程并无新的频率分量产生。3.4恒参信道传输特性第38页，课件共71页，创作于2023年2月3.4.1幅频失真幅频失真是由于信道幅频特性不理想造成的。不同的频率分量通过信道后，由于增益大小不同，造成原信号中不同频率振幅相对大小发生变化，从而导致信号波形的失真。第39页，课件共71页，创作于2023年2月3.4.1幅频失真解决方案：可以采取均衡网络进行补偿，使得频带内某些频带增益得到提升，从而保证在频带内的幅频增益保持在较小的波动范围内。幅频失真通常对语音的影响最大，因为人耳对幅度是敏感的。第40页，课件共71页，创作于2023年2月3.4.2相频失真相频失真是由于信道相频特性不理想造成的，相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。理想的相频特性曲线是通过原点的斜率为K的一条直线。第41页，课件共71页，创作于2023年2月3.4.2相频失真解决方案：可以采取相位均衡技术进行补偿。相频失真通常对视频的影响较大，因为人的视觉很容易察觉相位上的变化。第42页，课件共71页，创作于2023年2月3.5随参信道的传输特性随参信道的参数随时间而随机变化。典型的随参信道是短波电离层反射信道。太阳耀斑爆发短波通讯或受影响第43页，课件共71页，创作于2023年2月3.5.1短波电离层反射信道短波（也称为高频，HF）：频率范围为3~30MHz，波长为10~100m。电离层由分子、原子、离子及自由电子组成，由于太阳辐射的紫外线和X射线而形成的大气层，离地面60~600km。短波电离层反射信道利用地面发射的无线电波在电离层，或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。第44页，课件共71页，创作于2023年2月短波通信只要利用天波经电离层发射后，无需建立中继站即可实现远距离通信。由于电离层的不可摧毁特性，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一。第45页，课件共71页，创作于2023年2月电离层厚度有数百千米，可分为D、E、F1和F2四层在白天，由于太阳辐射强，所以D、E、F1和F2四层都存在。在夜晚，由于太阳辐射弱，D和F1层几乎完全消失，只有E和F2层存在由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。D、E层主要是吸收电波，使电波能量损耗。F2层是反射层，其高度为250~300km，所以一次反射的最大距离约为4000km。第46页，课件共71页，创作于2023年2月短波电离层反射信道在短波电离层反射信道中，多径传播现象对信号传输的影响最大，引起多径传播的主要原因如下：

电波经电离层的一次反射和多次反射；几个反射层高度不同；地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波电离层不均匀性引起的漫射现象；第47页，课件共71页，创作于2023年2月(a)一次反射和两次反射；

(b)反射区高度不同；(c)寻常波与非寻常波；(d)漫射现象

短波电离层反射信道第48页，课件共71页，创作于2023年2月短波通信缺点通信容量小频率拥挤信道间相互干扰严重噪声大数据传输率很低（不超过600bit/s）抗干扰能力等等第49页，课件共71页，创作于2023年2月短波通信网络传统的短波通信业务（话、报、点对点数据）已不能适应数字化的需求。部署多个短波基站，使得短波电台用户能够在全网范围内自动寻找最佳短波基站，并与选中的短波基站通过双向探测自动寻找最佳通信频率，进而实现通信联络。东方不亮西方亮，自动探测选频率。第50页，课件共71页，创作于2023年2月3.5.2随参信道特性特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；(2)信号传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。随参信道比恒参信道复杂得多，它对信号传输的影响也比恒参信道严重得多。第51页，课件共71页，创作于2023年2月

慢衰落又称为时间选择性衰落，指的是接收到的信号强度随时间变化。这种变化相对于信号自身的变化是缓慢的。第52页，课件共71页，创作于2023年2月设发射信号为，则经过多条路径传播后的接收信号可用下式表述。式中，——第i条路径的接收信号振幅；——第i条路径的传输时延；——第i条路径的随机相位。

多径衰落与频率弥散第53页，课件共71页，创作于2023年2月从频谱上看，多径传播引起了频率弥散（色散），即由单个频率变成了一个窄带频谱；通常将由于电离层浓度变化等因素所引起的信号衰落称为慢衰落；而把由于多径效应引起的信号衰落称为快衰落。第54页，课件共71页，创作于2023年2月频率选择性衰落与相关带宽当发送的信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播会产生频率选择性衰落。

下面假定多径传播的路径只有两条的情况进行分析。令发送信号为f(t)，其频谱函数为F(w)。则到达接收点的两路信号，具有相同的衰减，这样它们可分别表示为：

第55页，课件共71页，创作于2023年2月当这两条传输路径的信号合成后得：相应于它的傅氏变换对为

因此，信道的传递函数为

其幅频特性为

第56页，课件共71页，创作于2023年2月两条路径传播时选择性衰落特性

当一个传输信号的频谱宽于1/时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落。

第57页，课件共71页，创作于2023年2月对于信号不同的频率成分，信道将有不同的衰减。信号通过这种传输特性的信道时，信号的频谱将产生失真。当失真随时间随机变化时就形成频率选择性衰落。特别是当信号的频谱宽于1/

时，一些频率分量会被信道衰减到零，造成严重的频率选择性衰落。第58页，课件共71页，创作于2023年2月上述概念可推广到一般的多径传播中去。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。设信道的最大时延差为，则相邻两个零点之间的频率间隔为：这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽。第59页，课件共71页，创作于2023年2月如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的1/5~1/3。当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，就必须限制数字信号传输速率。第60页，课件共71页，创作于2023年2月随参信道特性的改善对于慢衰落，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制/解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。第61页，课件共71页，创作于2023年2月1.分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。

要求：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。第62页，课件共71页，创作于2023年2月2.分散得到合成信号的方式为了获取互相独立或基本独立的合成信号，大致有如下几种分集方式。

（1）空间分集；（2）频率分集；（3）角度分集；（4）极化分集。第63页，课件共71页，创作于2023年2月空间分集接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位置间的距离大到一定程度，则所收到信号的衰落是相互独立的。因此，空间分集的接收机至少需要两副间隔一定距离的天线。接收端各接收天线之间的间距应满足d≥3λ。分集重数在2~4重比较合