第4章　信道［視頻講解］

4.1　本章要點(diǎn)詳解

本章要點(diǎn)

■信道的分類(lèi)

■信道的數(shù)字模型

■信道特性對(duì)數(shù)字傳輸?shù)挠绊?/p>

■信道中的噪聲

■信道容量

重難點(diǎn)導(dǎo)學(xué)

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一、信道的分類(lèi)

1．狹義信道和廣義信道

（1）狹義信道

各種物理傳輸媒質(zhì)，可分為有線信道和無(wú)線信道。

（2）廣義信道

除了傳輸媒質(zhì)外，還包括有關(guān)變換裝置（如發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等），其模型如圖4-1所示。

圖4-1  廣義信道模型

2．無(wú)線信道和有線信道

（1）無(wú)線信道

利用電磁波在空間中的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)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(shù)百或數(shù)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(guān)

c．增大視線傳播距離的其他途徑

第一，中繼通信；

第二，衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星，移動(dòng)衛(wèi)星；

第三，平流層通信。

④散射傳播

a．電離層散射

第一，機(jī)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(duì)流層散射

第一，機(jī)理：由對(duì)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(diǎn)：高度80～120km；長(zhǎng)度15～40km；

第二，頻率：30～100MHz

第三，距離：1000km以上

第四，存留時(shí)間：小于1秒至幾分鐘

（2）有線信道

傳輸電信號(hào)的有線信道主要分為明線、對(duì)稱(chēng)電纜和同軸電纜三種。此外，有線信道還包括傳輸光信號(hào)的光纖。其中：

①光纖結(jié)構(gòu)：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(zhǎng)的關(guān)系如圖4-2所示。

圖4-2  光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系

由圖可知，光纖傳輸?shù)膿p耗最小點(diǎn)：1.31與1.55。

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二、信道的數(shù)字模型

1．調(diào)制信道模型

用來(lái)研究調(diào)制與解調(diào)問(wèn)題，其數(shù)字模型如圖4-3所示。設(shè)為信道輸入信號(hào)，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(duì)信號(hào)的影響取決于乘性干擾和加性噪聲。

圖4-3  調(diào)制信道的數(shù)字模型

根據(jù)信道傳輸特性的不同，調(diào)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(shù)隨時(shí)間緩慢變化或不變化。它對(duì)傳輸信號(hào)的衰耗和延時(shí)基本上為常數(shù)。如明線、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜及光纖等各種有線信道；中長(zhǎng)波地波傳播、衛(wèi)星中繼、光

波視距傳播等部分無(wú)線信道。

（2）隨參信道

信道參數(shù)隨時(shí)間隨機(jī)變化。隨參信道還存在多徑效應(yīng)。因?yàn)槊織l路徑信號(hào)有不同的隨時(shí)間隨機(jī)變化的延時(shí)和衰落，所以也稱(chēng)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(lái)研究編碼和譯碼問(wèn)題。其輸入輸出數(shù)字序列之間的關(guān)系可以用一組轉(zhuǎn)移概率表示，常見(jiàn)的二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型如圖4-4所示。

圖4-4  二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型

在這個(gè)模型中，為正確轉(zhuǎn)移概率，為錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性決定。根據(jù)概率的性質(zhì)可知

輸出總的錯(cuò)誤概率為

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三、信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

1．恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

  （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(lái)描述，即

要實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)囊鬄椋?/p>

①振幅特性為一水平直線，即信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相同的衰減；

②要求相位特性為一過(guò)原點(diǎn)的直線或群延時(shí)特性等于常數(shù)，即信號(hào)的不同頻率成分經(jīng)過(guò)信道傳輸后具有相同的延時(shí)。

（2）對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

實(shí)際信道的特性并不理想，必然對(duì)信號(hào)產(chǎn)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(hào)發(fā)生的失真為幅頻失真。

b．影響

對(duì)模擬信號(hào)的影響是波形失真導(dǎo)致信噪比下降；對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響是產(chǎn)生碼間串?dāng)_造成誤碼。

c．解決方法

線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償。

②相位失真

a．定義

若信號(hào)的相位-頻率特性不理想，則信號(hào)發(fā)生的失真為相位失真。

b．影響

對(duì)話音信號(hào)的影響不大，對(duì)視頻信號(hào)的影響大；對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響是產(chǎn)生碼間串?dāng)_導(dǎo)致誤碼率增大。

c．解決方法

線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償。

③非線性失真

a．定義

輸入輸出電壓關(guān)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(dòng)。

2．隨參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道又稱(chēng)時(shí)變信道，信道參數(shù)隨時(shí)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(gè)特點(diǎn)：

①對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化；

②傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變化；

③存在多徑效應(yīng)。

（2）多徑效應(yīng)及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

①定義

多徑傳播是指發(fā)射端信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑抵達(dá)接收端的傳播現(xiàn)象，總的接收信號(hào)衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路信號(hào)的合成。

②多徑效應(yīng)下的接收信號(hào)

設(shè)發(fā)射波為，則經(jīng)多路傳播后的總接收信號(hào)為

式中，為接收信號(hào)的包絡(luò)；為接收信號(hào)的相位。

③多徑傳播對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

a.瑞利型衰落

從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使確定的載波信號(hào)變成包絡(luò)緩慢起伏的隨機(jī)調(diào)幅波（衰落信號(hào)），如圖4-5所示。

圖4-5  衰落信號(hào)的波形

這種包絡(luò)起伏稱(chēng)為快衰落，衰落周期和碼元周期可以相比。相對(duì)應(yīng)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(hào)頻譜中某些分量產(chǎn)生衰落的一種現(xiàn)象，即對(duì)不同頻率，多徑傳播的結(jié)果將有不同的衰減。

為了減小選擇性衰落，應(yīng)使信號(hào)頻率（）必須小于相關(guān)帶寬，即

其中，，即數(shù)字信號(hào)碼元脈沖寬度。

d．多徑效應(yīng)會(huì)使數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_增大。

④接收信號(hào)的分類(lèi)

a．確知信號(hào)：接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號(hào)；

b．隨相信號(hào)：接收碼元的相位隨機(jī)變化；

c．起伏信號(hào)：接收信號(hào)的包絡(luò)隨機(jī)起伏，相位也隨機(jī)變化。通過(guò)多徑信道傳輸?shù)男盘?hào)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(shí)獲得幾個(gè)不同的路徑信號(hào)，將這些信號(hào)適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號(hào)，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(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；

第二，集中處理，即接收機(jī)把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)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(hào)合并方法

第一，選擇性合并，即檢測(cè)所有分集支路的信號(hào)，以選擇其中信噪比最高的那一支路的信號(hào)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(duì)多路信號(hào)進(jìn)行同相加權(quán)合并，權(quán)重是由各支路信號(hào)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(dāng)各路信號(hào)都很差使得沒(méi)有一路信號(hào)可以被單獨(dú)解調(diào)出時(shí)，最大比值合并仍有可能合成出一個(gè)達(dá)到SNR要求的可被解調(diào)的信號(hào)。

第三，等增益合并，無(wú)需對(duì)信號(hào)加權(quán)，各支路的信號(hào)是等增益相加的。

②采用抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)；

③加大發(fā)射功率；

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四、信道中的噪聲

1．噪聲及其分類(lèi)

（1）定義

噪聲即信道中存在的不需要的電信號(hào)，又稱(chēng)加性干擾。

（2）分類(lèi)

①按照噪聲的來(lái)源可以分為人為噪聲（如開(kāi)關(guān)火花、電臺(tái)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(zhì)可以分為脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲。

a．脈沖噪聲：突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)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(lái)自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的。可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。

c．起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。

注：討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。

③熱噪聲

　 a．來(lái)源

來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。

b．頻率范圍

均勻分布在大約0～10¹²Hz。

c．性質(zhì)

高斯白噪聲。

2．窄帶高斯噪聲

（1）帶限白噪聲

經(jīng)過(guò)接收機(jī)帶通濾波器過(guò)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(guò)程通過(guò)線性電路后，仍為一高斯過(guò)程，故此窄帶噪聲又稱(chēng)窄帶高斯噪聲。

設(shè)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(tǒng)的性能時(shí)，可以認(rèn)為窄帶噪聲的功率譜密度在帶寬內(nèi)是恒定的。

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五、信道容量

信道容量指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾剩洖?img alt="" height="19" src="https://epubservercos.yuewen.com/BF6EE1/15436483605931006/epubprivate/OEBPS/Images/image259.png?sign=1754901662-KezsJKhQQd4g6zEuxngqN1SqCD4N2ATW-0-ae589c559e2cfa94bb09ff94afa1620b" width="16">。

1．離散信道容量

（1）度量單位

一種是用每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾当硎拘诺廊萘?img alt="" height="19" src="https://epubservercos.yuewen.com/BF6EE1/15436483605931006/epubprivate/OEBPS/Images/image259.png?sign=1754901662-KezsJKhQQd4g6zEuxngqN1SqCD4N2ATW-0-ae589c559e2cfa94bb09ff94afa1620b" width="16">；另一種是用單位時(shí)間(秒)內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾当硎拘诺廊萘?img alt="" height="24" src="https://epubservercos.yuewen.com/BF6EE1/15436483605931006/epubprivate/OEBPS/Images/image260.png?sign=1754901662-4OysuWW2dODZmr4S08yGzGXkEZvSfTtP-0-3b0e8836a300a75175e1c37b409b1989" width="19">。

（2）噪聲信道下的信道分析

①信道模型

n個(gè)發(fā)送符號(hào)，m個(gè)接收符號(hào)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(fā)送符號(hào)x_i 的出現(xiàn)概率，i＝1，2，…，n；P(y_j)表示收到y(tǒng)_j的概率，j＝1，2，…，m；P(y_j/x_i)表示由于噪聲的干擾，發(fā)送x_i可能收到y(tǒng)_j的條件概率。

②每符號(hào)接收的信息量

其中。為每個(gè)發(fā)送符號(hào)x_i的平均信息量，稱(chēng)為信源的熵；

為接收y_i符號(hào)已知后，發(fā)送符號(hào)X_i的平均信息量。

（3）無(wú)噪聲下的信道分析

　 無(wú)噪聲信道模型如圖4-8所示。

圖4-8  無(wú)噪聲信道模型

發(fā)送符號(hào)和接收符號(hào)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)，0;0;所以在無(wú)噪聲條件下，從接收一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息量為H（x）。這說(shuō)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(gè)符號(hào)傳輸?shù)钠骄畔⒘亢托旁窗l(fā)送符號(hào)概率P（x_i）有關(guān)，我們將其對(duì)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(shí)間內(nèi)信道傳輸?shù)姆?hào)數(shù)。

2．連續(xù)信道容量

香農(nóng)公式：對(duì)于帶寬有限、平均功率有限的高斯白噪聲連續(xù)信道，其信道容量為

其中，B為信道帶寬單位為Hz；S為信號(hào)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(xiě)成如下形式

　  （4-1）

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

圖4-9  信道容量和帶寬關(guān)系