第4章　信道［視頻講解］

4.1　本章要點詳解

本章要點

■信道的分類

■信道的數字模型

■信道特性對數字傳輸的影響

■信道中的噪聲

■信道容量

重難點導學

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一、信道的分類

1．狹義信道和廣義信道

（1）狹義信道

各種物理傳輸媒質，可分為有線信道和無線信道。

（2）廣義信道

除了傳輸媒質外，還包括有關變換裝置（如發射設備、接收設備、饋線與天線、調制器、解調器等），其模型如圖4-1所示。

圖4-1  廣義信道模型

2．無線信道和有線信道

（1）無線信道

利用電磁波在空間中的傳播來實現的。根據通信的距離、頻率和位置的不同，電波傳播主要分為地波、天波和視線傳播三種，這其中包含有散射傳播。

①地波

a．傳輸頻率小于2MHz；

b．有繞射能力；

c．距離數百或數千千米。

②天波

a．傳輸頻率為2～30MHz

b．被電離層反射

c．一次反射距離小于4000千米

③視線傳播

a．傳輸頻率大于30MHz

b．傳播距離和天線高度有關

c．增大視線傳播距離的其他途徑

第一，中繼通信；

第二，衛星通信：靜止衛星，移動衛星；

第三，平流層通信。

④散射傳播

a．電離層散射

第一，機理：由電離層不均勻引起

第二，頻率：30～60MHz

第三，距離：1000km以上

b．對流層散射

第一，機理：由對流層不均勻性（湍流）引起

第二，頻率：100～4000MHz

第三，最大距離：小于600km

c．流星余跡散射

第一，特點：高度80～120km；長度15～40km；

第二，頻率：30～100MHz

第三，距離：1000km以上

第四，存留時間：小于1秒至幾分鐘

（2）有線信道

傳輸電信號的有線信道主要分為明線、對稱電纜和同軸電纜三種。此外，有線信道還包括傳輸光信號的光纖。其中：

①光纖結構：纖芯，包層；

②按光纖折射率可分為：階躍型，梯度型；

③按光纖傳輸模式可分為：多模光纖，單模光纖；

④損耗與波長的關系如圖4-2所示。

圖4-2  光纖損耗與波長的關系

由圖可知，光纖傳輸的損耗最小點：1.31與1.55。

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二、信道的數字模型

1．調制信道模型

用來研究調制與解調問題，其數字模型如圖4-3所示。設為信道輸入信號，則信道的輸出可表示為

式中，是信道加性噪聲，反映了信道的特性，可看作是一種乘性干擾。由此可知，信道對信號的影響取決于乘性干擾和加性噪聲。

圖4-3  調制信道的數字模型

根據信道傳輸特性的不同，調制信道可分為恒參信道和隨參信道。

（1）恒參信道

信道特性參數隨時間緩慢變化或不變化。它對傳輸信號的衰耗和延時基本上為常數。如明線、對稱電纜、同軸電纜及光纖等各種有線信道；中長波地波傳播、衛星中繼、光

波視距傳播等部分無線信道。

（2）隨參信道

信道參數隨時間隨機變化。隨參信道還存在多徑效應。因為每條路徑信號有不同的隨時間隨機變化的延時和衰落，所以也稱衰落信道。如短波電離層反射信道，各種散射信道、超短波超視距繞射等。

2．編碼信道模型

用來研究編碼和譯碼問題。其輸入輸出數字序列之間的關系可以用一組轉移概率表示，常見的二進制無記憶編碼信道模型如圖4-4所示。

圖4-4  二進制無記憶編碼信道模型

在這個模型中，為正確轉移概率，為錯誤轉移概率。轉移概率完全由編碼信道的特性決定。根據概率的性質可知

輸出總的錯誤概率為

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三、信道特性對信號傳輸的影響

1．恒參信道特性對信號傳輸的影響

  （1）傳輸特性

恒參信道的傳輸特性可用振幅-頻率特性和相位-頻率特性來描述，即

要實現信號無失真傳輸的要求為：

①振幅特性為一水平直線，即信號的不同頻率成分經過信道傳輸后具有相同的衰減；

②要求相位特性為一過原點的直線或群延時特性等于常數，即信號的不同頻率成分經過信道傳輸后具有相同的延時。

（2）對信號傳輸的影響

實際信道的特性并不理想，必然對信號產生各種失真。

①幅頻失真

a．定義

若信道的振幅-頻率特性不理想，則信號發生的失真為幅頻失真。

b．影響

對模擬信號的影響是波形失真導致信噪比下降；對數字信號的影響是產生碼間串擾造成誤碼。

c．解決方法

線性網絡補償。

②相位失真

a．定義

若信號的相位-頻率特性不理想，則信號發生的失真為相位失真。

b．影響

對話音信號的影響不大，對視頻信號的影響大；對數字信號的影響是產生碼間串擾導致誤碼率增大。

c．解決方法

線性網絡補償。

③非線性失真

a．定義

輸入輸出電壓關系是非線性的。如圖4-5所示。

圖4-5  非線性特性

④其他失真

頻率偏移，相位抖動。

2．隨參信道特性對信號傳輸的影響

隨參信道又稱時變信道，信道參數隨時間而變。隨參信道有天波，地波，視距傳播，散射傳播等。

（1）隨參信道的傳輸特性

一般而言，隨參信道特性具有三個特點：

①對信號的衰耗隨時間而變化；

②傳輸的時延隨時間而變化；

③存在多徑效應。

（2）多徑效應及其對信號傳輸的影響

①定義

多徑傳播是指發射端信號經過多個路徑抵達接收端的傳播現象，總的接收信號衰減和時延都隨時間變化的各路信號的合成。

②多徑效應下的接收信號

設發射波為，則經多路傳播后的總接收信號為

式中，為接收信號的包絡；為接收信號的相位。

③多徑傳播對信號傳輸的影響

a.瑞利型衰落

從波形上看，多徑傳播的結果使確定的載波信號變成包絡緩慢起伏的隨機調幅波（衰落信號），如圖4-5所示。

圖4-5  衰落信號的波形

這種包絡起伏稱為快衰落，衰落周期和碼元周期可以相比。相對應的，慢衰落是由傳播條件引起的。

b．頻率彌散

從頻譜上看，多徑傳播使單一頻譜變成了窄帶頻譜。

c．頻率選擇性衰落

信號頻譜中某些分量產生衰落的一種現象，即對不同頻率，多徑傳播的結果將有不同的衰減。

為了減小選擇性衰落，應使信號頻率（）必須小于相關帶寬，即

其中，，即數字信號碼元脈沖寬度。

d．多徑效應會使數字信號的碼間串擾增大。

④接收信號的分類

a．確知信號：接收端能夠準確知道其碼元波形的信號；

b．隨相信號：接收碼元的相位隨機變化；

c．起伏信號：接收信號的包絡隨機起伏，相位也隨機變化。通過多徑信道傳輸的信號都具有這種特性。

（3）隨參信道的改善方法

①采用分集接收的方法

a．基本原理

在接收端同時獲得幾個不同的路徑信號，將這些信號適當合并構成總的接收信號，則能夠大大減少衰落的影響。

b．分集的兩重含義

第一，分散傳輸，使接收端能獲得多個統計獨立、攜帶同一信息的衰落信號；

第二，集中處理，即接收機把收到的多個統計獨立的衰落信號進行合并（包括選擇與組合）以降低衰落的影響。

c．分集方式

第一，空間分集；

第二，頻率分集；

第三，角度分集；

第四，極化分集。

d．信號合并方法

第一，選擇性合并，即檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一支路的信號作為合并器的輸出。

第二，最大比值合并，一種最佳合并方式，它對多路信號進行同相加權合并，權重是由各支路信號所對應的信號功率與噪聲功率的比值所決定的，最大比值合并的輸出SNR等于各路SNR之和，所以，即使當各路信號都很差使得沒有一路信號可以被單獨解調出時，最大比值合并仍有可能合成出一個達到SNR要求的可被解調的信號。

第三，等增益合并，無需對信號加權，各支路的信號是等增益相加的。

②采用抗衰落的調制解調技術；

③加大發射功率；

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四、信道中的噪聲

1．噪聲及其分類

（1）定義

噪聲即信道中存在的不需要的電信號，又稱加性干擾。

（2）分類

①按照噪聲的來源可以分為人為噪聲（如開關火花、電臺輻射）和自然噪聲（如閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲）。

②按照噪聲的性質可以分為脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲。

a．脈沖噪聲：突發性地產生的，幅度很大，其持續時間比間隔時間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。

b．窄帶噪聲：來自相鄰電臺或其他電子設備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測知的。可以看作是一種非所需的連續的已調正弦波。

c．起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內產生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。

注：討論噪聲對于通信系統的影響時，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。

③熱噪聲

　 a．來源

來自一切電阻性元器件中電子的熱運動。

b．頻率范圍

均勻分布在大約0～10¹²Hz。

c．性質

高斯白噪聲。

2．窄帶高斯噪聲

（1）帶限白噪聲

經過接收機帶通濾波器過濾的噪聲。

（2）窄帶高斯噪聲

由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為一高斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。

設窄帶雙邊噪聲功率譜密度為如圖4-6所示。

圖4-6  噪聲功率譜特性

噪聲等效帶寬為

保證了圖4-6中矩形虛線下面的面積和功率譜密度曲線下面的面積相等，即功率相等。利用噪聲等效帶寬的概念，在后面討論通信系統的性能時，可以認為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬內是恒定的。

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五、信道容量

信道容量指信道能夠傳輸的最大平均信息速率，記為。

1．離散信道容量

（1）度量單位

一種是用每個符號能夠傳輸的平均信息量最大值表示信道容量；另一種是用單位時間(秒)內能夠傳輸的平均信息量最大值表示信道容量。

（2）噪聲信道下的信道分析

①信道模型

n個發送符號，m個接收符號的一般信道模型如圖4-7所示。

圖4-7  離散信道模型

其中，P(x_i)表示發送符號x_i 的出現概率，i＝1，2，…，n；P(y_j)表示收到y_j的概率，j＝1，2，…，m；P(y_j/x_i)表示由于噪聲的干擾，發送x_i可能收到y_j的條件概率。

②每符號接收的信息量

其中。為每個發送符號x_i的平均信息量，稱為信源的熵；

為接收y_i符號已知后，發送符號X_i的平均信息量。

（3）無噪聲下的信道分析

　 無噪聲信道模型如圖4-8所示。

圖4-8  無噪聲信道模型

發送符號和接收符號有一一對應關系。此時，0;0;所以在無噪聲條件下，從接收一個符號獲得的平均信息量為H（x）。這說明H(x/y)即為因噪聲而損失的平均信息量。

（4）離散信道容量的定義

每個符號傳輸的平均信息量和信源發送符號概率P（x_i）有關，我們將其對P（x_i）求出的最大值定義為信道容量，即

容量C_t的定義為

式中，r為單位時間內信道傳輸的符號數。

2．連續信道容量

香農公式：對于帶寬有限、平均功率有限的高斯白噪聲連續信道，其信道容量為

其中，B為信道帶寬單位為Hz；S為信號功率單位為W；N為加性高斯白噪聲的功率，單位為W。

若噪聲的單邊功率譜密度為n_o(W/Hz),則信道容量又可寫成如下形式

　  （4-1）

如圖4－9所示是按照式（4-1）連續信道容量畫出的信道容量C₁和帶寬B的關系曲線。

圖4-9  信道容量和帶寬關系