第4章　信　道

4.1　復(fù)習(xí)筆記

一、無(wú)線(xiàn)信道

無(wú)線(xiàn)信道中信號(hào)的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1．電磁波的傳播分類(lèi)

分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同分類(lèi)。

（1）地波傳播

①定義

地波傳播是頻率較低（約2MHz以下）的電磁波趨于沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑ィ幸欢ǖ睦@射能力的傳播方式。

②傳播圖

圖4-1  地波傳播

③傳播距離

在低頻和甚低頻段，地波能夠傳播超過(guò)數(shù)百千米或數(shù)千千米。

（2）天波傳播

①定義

天波傳播是頻率較高（2MHz～30MHz）的電磁波利用電離層反射的傳播方式。

②傳播圖

圖4-2  天波傳播

③傳播距離

電磁波經(jīng)電離層的多次反射，傳播距離可達(dá)10000km以上。

（3）視線(xiàn)傳播

①定義

視線(xiàn)傳播是頻率高于30MHz的電磁波類(lèi)似光波傳播，不具有繞射能力的傳播方式。

②傳播圖

圖4-3  視線(xiàn)傳播

③收發(fā)天線(xiàn)距離計(jì)算

設(shè)收發(fā)天線(xiàn)的高度均為h，則

式中，D為收發(fā)天線(xiàn)間距離（km）。

④局限

視線(xiàn)傳播的傳播距離有限。

⑤解決方案

a．無(wú)線(xiàn)電中繼通信：經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

b．衛(wèi)星通信：提高天線(xiàn)高度，視線(xiàn)傳輸距離變大。

（4）散射傳播

①定義

散射傳播是利用大氣層中傳播媒介的不均勻性對(duì)無(wú)線(xiàn)電波的散射作用進(jìn)行的超短波，微波超視距傳播的一種傳播方式。

②分類(lèi)

a．電離層散射

由于電離層的不均勻性，使30MHz～60MHz頻段入射的電磁波產(chǎn)生散射現(xiàn)象。

b．對(duì)流層散射

由于對(duì)流層中的大氣不均勻性，使100MHz～4000MHz頻段入射的電磁波產(chǎn)生散射現(xiàn)象。

c．流星余跡散射

定義：由于流星經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)產(chǎn)生的很強(qiáng)的電離余跡，使30MHz～100MHz頻段入射的電磁波產(chǎn)生散射現(xiàn)象。

應(yīng)用：只用于低速存儲(chǔ)、高速突發(fā)的斷續(xù)方式傳輸數(shù)據(jù)。

③特點(diǎn)

a．利用傳播媒體的不均勻性；

b．散射信號(hào)的能量分散于許多方向；

c．接收點(diǎn)散射信號(hào)的強(qiáng)度小。

2．電磁波的接收功率

式中，P_T為發(fā)射功率；G_T為發(fā)射天線(xiàn)增益；G_R為接收天線(xiàn)增益；d為傳播距離；λ為電磁波的波長(zhǎng)（m）。

3．電磁波的傳播損耗

（1）定義

傳播損耗是發(fā)射機(jī)輸出功率與接收機(jī)輸入功率之比。

（2）計(jì)算

式中，L_fr為自由空間傳播損耗；P_T為發(fā)射機(jī)輸出功率（W）；P_R為接收機(jī)輸入功率（W）；d為距離（m）；λ為波長(zhǎng)（m）。

二、有線(xiàn)信道

1．有線(xiàn)信道的傳輸方式

有線(xiàn)信道利用人造的傳導(dǎo)電或光信號(hào)的媒體來(lái)傳輸信號(hào)。

2．有線(xiàn)信道的分類(lèi)

（1）明線(xiàn)

①定義

明線(xiàn)是指平行架設(shè)在電線(xiàn)桿上的架空線(xiàn)路，本身是導(dǎo)電裸線(xiàn)或帶絕緣層的導(dǎo)線(xiàn)。

②特點(diǎn)

a．傳輸損耗低；

b．易受天氣和環(huán)境的影響；

c．對(duì)外界噪聲干擾較敏感；

d．架設(shè)大量復(fù)雜線(xiàn)路難以實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)稱(chēng)電纜

①定義

對(duì)稱(chēng)電纜是由若干對(duì)叫做芯線(xiàn)的雙導(dǎo)線(xiàn)放在一根保護(hù)套內(nèi)制造成的電纜。

②設(shè)計(jì)

a．設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

將每一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)都做成扭絞形狀，如圖4-4所示：

圖4-4  雙絞線(xiàn)

b．設(shè)計(jì)目的

減小各對(duì)導(dǎo)線(xiàn)之間的干擾。

③特點(diǎn)

a．芯線(xiàn)比明線(xiàn)細(xì)；

b．損耗較明線(xiàn)大；

c．性能較穩(wěn)定；

d．能廣泛用于用戶(hù)接入電路。

（3）同軸電纜

①定義

同軸電纜是由內(nèi)外兩根同心圓柱形導(dǎo)體構(gòu)成，在這兩根導(dǎo)體間用絕緣體隔離開(kāi)的電纜。

②結(jié)構(gòu)

圖4-5  實(shí)心介質(zhì)同軸線(xiàn)

內(nèi)導(dǎo)體為實(shí)心導(dǎo)線(xiàn)，外導(dǎo)體是一根空心導(dǎo)電管或金屬編織網(wǎng)，外導(dǎo)體外面為一層絕緣保護(hù)層，內(nèi)外導(dǎo)體間填充實(shí)心介質(zhì)材料，或用空氣作介質(zhì)。

③特點(diǎn)

a．很好的電屏蔽作用；

b．廣泛應(yīng)用于有線(xiàn)電視廣播。

（4）光纖

①定義

光纖是可以傳輸光信號(hào)的光導(dǎo)纖維。

②結(jié)構(gòu)

光纖是由折射率不同的兩種導(dǎo)光介質(zhì)纖維制成的。其內(nèi)層稱(chēng)為纖芯，在纖芯外的另一種折射率的介質(zhì)，稱(chēng)為包層。其結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。

圖4-6  光纖結(jié)構(gòu)示意圖

③分類(lèi)

a．階躍型光纖

階躍型光纖是折射率在兩種介質(zhì)內(nèi)均勻不變，僅在邊界處發(fā)生突變的光纖。

b．梯度型光纖

梯度型光纖是纖芯折射率沿半徑增大方向逐漸減小，光波的傳輸路徑因折射而逐漸彎曲的光纖。

④信號(hào)傳輸原理

由于纖芯的折射率n₁比包層的折射率n₂大，光波在兩層的邊界處產(chǎn)生全反射，經(jīng)多次反射可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

⑤信號(hào)傳輸模式分類(lèi)

a．單模光纖

單模光纖是指?jìng)鞑ヒ环N模式的光纖。

b．多模光纖

多模光纖是指可以傳輸多種模式的光纖。傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生色散：

材料色散：由材料的折射率隨頻率變化產(chǎn)生。

模式色散：由不同模式的光波的群速不同引起。

波導(dǎo)色散：由不同頻率分量的光波的群速不同引起。

⑥光纖損耗

a．光纖損耗的最小值

圖4-7  光纖損耗與光波波長(zhǎng)的關(guān)系

由圖可見(jiàn)，在1.31μm和1.55μm波長(zhǎng)上出現(xiàn)兩個(gè)損耗最小點(diǎn)。

b．最小光纖損耗的意義

將光波的波長(zhǎng)選擇在光纖傳輸損耗最小的波長(zhǎng)上，使光波在光纖傳輸時(shí)受到最小的衰減，以便傳輸盡量遠(yuǎn)的距離。

三、信道的數(shù)學(xué)模型

1．調(diào)制信道模型

（1）數(shù)學(xué)表示式

式中，e_i(t)為信道輸入端信號(hào)電壓；e_o(t)為信道輸出端的信號(hào)電壓；n(t)為噪聲電壓。

（2）數(shù)學(xué)模型圖

圖4-8  調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型

（3）分類(lèi)

①隨參信道

定義：隨參信道是信號(hào)失真可能隨時(shí)間作隨機(jī)變化，特性隨機(jī)變化的信道。

用例：無(wú)線(xiàn)電中繼和衛(wèi)星通信等視線(xiàn)傳播信道。

②恒參信道

定義：恒參信道是特性基本上不隨時(shí)間變化，或變化極慢極小的信道。

用例：其他無(wú)線(xiàn)通信。

（4）失真

①失真的原因

乘性干擾k(t)和加性干擾n(t)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響導(dǎo)致信號(hào)的失真。

②失真的類(lèi)型

線(xiàn)性失真、非線(xiàn)性失真、時(shí)間延遲以及衰減等。

2．編碼信道模型

（1）編碼信道的模型

對(duì)于二進(jìn)制編碼，信道模型為

圖4-9  二進(jìn)制編碼信道模型

（2）編碼信道的特性

用轉(zhuǎn)移概率來(lái)描述編碼信道的特性。

①正確轉(zhuǎn)移概率

正確轉(zhuǎn)移概率是P(0／0)和P(1／1)。

②錯(cuò)誤傳輸概率

P(1／0)是發(fā)送“0”而接收“1”的概率；

P(0／1)是發(fā)送“1”而接收“0”的概率。

③轉(zhuǎn)移概率的計(jì)算

（3）編碼信道的特點(diǎn)

①輸入和輸出信號(hào)是數(shù)字序列；

②誤差來(lái)源于傳輸序列中的數(shù)字發(fā)生錯(cuò)誤；

③轉(zhuǎn)移概率取決于調(diào)制信道是否理想。

四、信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

1．無(wú)失真?zhèn)鬏斠?/p>

（1）振幅-頻率特性要求

振幅特性與頻率無(wú)關(guān)，即其振幅-頻率特性曲線(xiàn)是一條水平直線(xiàn)。

（2）相位-頻率特性要求

相位特性是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，或其傳輸群時(shí)延（即系統(tǒng)在某頻率處的相位對(duì)頻率的變化率）與頻率無(wú)關(guān)，等于常數(shù)。

2．失真

（1）線(xiàn)性失真

①頻率失真

a．定義：頻率失真是指信道的振幅-頻率特性曲線(xiàn)不滿(mǎn)足呈一條理想水平直線(xiàn)而引起的失真。

b．影響：使模擬信號(hào)的波形產(chǎn)生畸變。在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，造成碼間串?dāng)_。

c．補(bǔ)償措施：用一個(gè)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，使其頻率特性與信道的頻率特性之和在信號(hào)頻譜占用的頻帶內(nèi)為一條水平直線(xiàn)。

②相位失真

a．定義：相位失真是由信道的相位特性不滿(mǎn)足群時(shí)延為常數(shù)的理想特性而引起的失真。

b．影響：相位失真對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸影響很大，引起碼間串?dāng)_，使誤碼率增大。

c．補(bǔ)償措施：用一個(gè)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）非線(xiàn)性失真

①定義

非線(xiàn)性失真是指信道輸入和輸出信號(hào)的振幅關(guān)系不是直線(xiàn)關(guān)系的失真。

②分類(lèi)

a．諧波失真

定義：非線(xiàn)性特性使信號(hào)產(chǎn)生新的諧波分量。

產(chǎn)生原因：由信道中的元器件特性不理想造成。

b．頻率偏移失真

定義：信道輸入信號(hào)的頻譜經(jīng)過(guò)信道傳輸后產(chǎn)生了平移。

產(chǎn)生原因：由發(fā)送端和接收端中用于調(diào)制解調(diào)或頻率變換的振蕩器的頻率誤差引起。

c．相位抖動(dòng)失真

定義：信道輸入信號(hào)的相位譜經(jīng)過(guò)信道傳輸不穩(wěn)定。

產(chǎn)生原因：由振蕩器的頻率不穩(wěn)定產(chǎn)生。

③特性圖

圖4-10  非線(xiàn)性特性

（3）衰落

①衰落的定義

衰落是指信號(hào)的包絡(luò)因傳播而產(chǎn)生起伏變化的現(xiàn)象。

②衰落的分類(lèi)

快衰落：由多徑效應(yīng)引起的衰落。

慢衰落：由于移動(dòng)臺(tái)的不斷運(yùn)動(dòng)，電波傳播路徑地形地貌的不斷變化，路徑上季節(jié)、日夜、天氣等的變化使得衰落的起伏周期較長(zhǎng)的一種衰落。

頻率選擇性衰落：衰落和頻率有關(guān)，不同頻段上衰落特性不一樣，當(dāng)頻率超過(guò)相干帶寬時(shí)發(fā)生頻率選擇性衰落。

（4）多徑效應(yīng)

①產(chǎn)生原因

信號(hào)經(jīng)過(guò)幾條路徑到達(dá)接收端，而且每條路徑的長(zhǎng)度（時(shí)延）和衰減都隨時(shí)間而變。

②產(chǎn)生影響

使數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_增大。

③解決措施

降低碼元傳輸速率以減小碼間串?dāng)_的影響。

3．經(jīng)過(guò)信道傳輸后的數(shù)字信號(hào)

（1）確知信號(hào)

確知信號(hào)是指接收端能夠準(zhǔn)確知道其碼元波形的信號(hào)。

（2）隨機(jī)相位信號(hào)

隨機(jī)相位信號(hào)是指相位由于傳輸時(shí)延的不確定而帶有隨機(jī)性，使接收碼元的相位隨機(jī)變化的信號(hào)。

（3）起伏信號(hào)

起伏信號(hào)是指包絡(luò)隨機(jī)起伏、相位也隨機(jī)變化的接收信號(hào)。

五、信道中的噪聲

1．噪聲的定義

噪聲是指信道中存在的不需要的電信號(hào)。

2．噪聲的影響

噪聲是一種加性干擾，會(huì)使模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)發(fā)生錯(cuò)碼，并限制信息的傳輸速率。

3．噪聲的分類(lèi)

（1）按照來(lái)源分類(lèi)

①人為噪聲

人為噪聲是由人類(lèi)的活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

②自然噪聲

a．定義

自然噪聲是自然界中存在的各種電磁波輻射。

b．特例-熱噪聲

定義：是指來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)的噪聲。

特點(diǎn)：頻譜均勻分布，統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布，又稱(chēng)高斯白噪聲。

（2）按照性質(zhì)分類(lèi)

①脈沖噪聲：突發(fā)性地產(chǎn)生，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多，頻譜較寬，頻率越高其頻譜的強(qiáng)度越小。

②窄帶噪聲：看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波，或振幅恒定的單一頻率的正弦波。

③起伏噪聲：遍布在時(shí)域和頻域內(nèi)的隨機(jī)噪聲。

六、信道容量

1．信道容量的定義

信道容量是指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?/p>

2．離散信道容量

（1）離散信道容量C

式中, 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；為接收符號(hào)y_i已知后，發(fā)送符號(hào)x_i的平均信息量。

（2）離散信道容量

式中，r為單位時(shí)間內(nèi)信道傳輸?shù)姆?hào)數(shù)，單位：（符號(hào)/s）；單位：（b/s）。

3．連續(xù)信道容量

（1）信道容量表達(dá)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

式中，S為信號(hào)平均功率（w）；N為噪聲功率（w）；B為帶寬（Hz）。

當(dāng)噪聲單邊功率譜密度為n₀時(shí)，信道容量為

（2）信道容量增大的方法

①增大信號(hào)功率S；

②減小噪聲功率譜密度n₀。