第4章　信道［视频讲解］

4.1　本章要点详解

本章要点

■信道的分类

■信道的数字模型

■信道特性对数字传输的影响

■信道中的噪声

■信道容量

重难点导学

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一、信道的分类

1．狭义信道和广义信道

（1）狭义信道

各种物理传输媒质，可分为有线信道和无线信道。

（2）广义信道

除了传输媒质外，还包括有关变换装置（如发射设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等），其模型如图4-1所示。

图4-1  广义信道模型

2．无线信道和有线信道

（1）无线信道

利用电磁波在空间中的传播来实现的。根据通信的距离、频率和位置的不同，电波传播主要分为地波、天波和视线传播三种，这其中包含有散射传播。

①地波

a．传输频率小于2MHz；

b．有绕射能力；

c．距离数百或数千千米。

②天波

a．传输频率为2～30MHz

b．被电离层反射

c．一次反射距离小于4000千米

③视线传播

a．传输频率大于30MHz

b．传播距离和天线高度有关

c．增大视线传播距离的其他途径

第一，中继通信；

第二，卫星通信：静止卫星，移动卫星；

第三，平流层通信。

④散射传播

a．电离层散射

第一，机理：由电离层不均匀引起

第二，频率：30～60MHz

第三，距离：1000km以上

b．对流层散射

第一，机理：由对流层不均匀性（湍流）引起

第二，频率：100～4000MHz

第三，最大距离：小于600km

c．流星余迹散射

第一，特点：高度80～120km；长度15～40km；

第二，频率：30～100MHz

第三，距离：1000km以上

第四，存留时间：小于1秒至几分钟

（2）有线信道

传输电信号的有线信道主要分为明线、对称电缆和同轴电缆三种。此外，有线信道还包括传输光信号的光纤。其中：

①光纤结构：纤芯，包层；

②按光纤折射率可分为：阶跃型，梯度型；

③按光纤传输模式可分为：多模光纤，单模光纤；

④损耗与波长的关系如图4-2所示。

图4-2  光纤损耗与波长的关系

由图可知，光纤传输的损耗最小点：1.31与1.55。

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二、信道的数字模型

1．调制信道模型

用来研究调制与解调问题，其数字模型如图4-3所示。设为信道输入信号，则信道的输出可表示为

式中，是信道加性噪声，反映了信道的特性，可看作是一种乘性干扰。由此可知，信道对信号的影响取决于乘性干扰和加性噪声。

图4-3  调制信道的数字模型

根据信道传输特性的不同，调制信道可分为恒参信道和随参信道。

（1）恒参信道

信道特性参数随时间缓慢变化或不变化。它对传输信号的衰耗和延时基本上为常数。如明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等各种有线信道；中长波地波传播、卫星中继、光

波视距传播等部分无线信道。

（2）随参信道

信道参数随时间随机变化。随参信道还存在多径效应。因为每条路径信号有不同的随时间随机变化的延时和衰落，所以也称衰落信道。如短波电离层反射信道，各种散射信道、超短波超视距绕射等。

2．编码信道模型

用来研究编码和译码问题。其输入输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率表示，常见的二进制无记忆编码信道模型如图4-4所示。

图4-4  二进制无记忆编码信道模型

在这个模型中，为正确转移概率，为错误转移概率。转移概率完全由编码信道的特性决定。根据概率的性质可知

输出总的错误概率为

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三、信道特性对信号传输的影响

1．恒参信道特性对信号传输的影响

  （1）传输特性

恒参信道的传输特性可用振幅-频率特性和相位-频率特性来描述，即

要实现信号无失真传输的要求为：

①振幅特性为一水平直线，即信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的衰减；

②要求相位特性为一过原点的直线或群延时特性等于常数，即信号的不同频率成分经过信道传输后具有相同的延时。

（2）对信号传输的影响

实际信道的特性并不理想，必然对信号产生各种失真。

①幅频失真

a．定义

若信道的振幅-频率特性不理想，则信号发生的失真为幅频失真。

b．影响

对模拟信号的影响是波形失真导致信噪比下降；对数字信号的影响是产生码间串扰造成误码。

c．解决方法

线性网络补偿。

②相位失真

a．定义

若信号的相位-频率特性不理想，则信号发生的失真为相位失真。

b．影响

对话音信号的影响不大，对视频信号的影响大；对数字信号的影响是产生码间串扰导致误码率增大。

c．解决方法

线性网络补偿。

③非线性失真

a．定义

输入输出电压关系是非线性的。如图4-5所示。

图4-5  非线性特性

④其他失真

频率偏移，相位抖动。

2．随参信道特性对信号传输的影响

随参信道又称时变信道，信道参数随时间而变。随参信道有天波，地波，视距传播，散射传播等。

（1）随参信道的传输特性

一般而言，随参信道特性具有三个特点：

①对信号的衰耗随时间而变化；

②传输的时延随时间而变化；

③存在多径效应。

（2）多径效应及其对信号传输的影响

①定义

多径传播是指发射端信号经过多个路径抵达接收端的传播现象，总的接收信号衰减和时延都随时间变化的各路信号的合成。

②多径效应下的接收信号

设发射波为，则经多路传播后的总接收信号为

式中，为接收信号的包络；为接收信号的相位。

③多径传播对信号传输的影响

a.瑞利型衰落

从波形上看，多径传播的结果使确定的载波信号变成包络缓慢起伏的随机调幅波（衰落信号），如图4-5所示。

图4-5  衰落信号的波形

这种包络起伏称为快衰落，衰落周期和码元周期可以相比。相对应的，慢衰落是由传播条件引起的。

b．频率弥散

从频谱上看，多径传播使单一频谱变成了窄带频谱。

c．频率选择性衰落

信号频谱中某些分量产生衰落的一种现象，即对不同频率，多径传播的结果将有不同的衰减。

为了减小选择性衰落，应使信号频率（）必须小于相关带宽，即

其中，，即数字信号码元脉冲宽度。

d．多径效应会使数字信号的码间串扰增大。

④接收信号的分类

a．确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号；

b．随相信号：接收码元的相位随机变化；

c．起伏信号：接收信号的包络随机起伏，相位也随机变化。通过多径信道传输的信号都具有这种特性。

（3）随参信道的改善方法

①采用分集接收的方法

a．基本原理

在接收端同时获得几个不同的路径信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减少衰落的影响。

b．分集的两重含义

第一，分散传输，使接收端能获得多个统计独立、携带同一信息的衰落信号；

第二，集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落的影响。

c．分集方式

第一，空间分集；

第二，频率分集；

第三，角度分集；

第四，极化分集。

d．信号合并方法

第一，选择性合并，即检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一支路的信号作为合并器的输出。

第二，最大比值合并，一种最佳合并方式，它对多路信号进行同相加权合并，权重是由各支路信号所对应的信号功率与噪声功率的比值所决定的，最大比值合并的输出SNR等于各路SNR之和，所以，即使当各路信号都很差使得没有一路信号可以被单独解调出时，最大比值合并仍有可能合成出一个达到SNR要求的可被解调的信号。

第三，等增益合并，无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的。

②采用抗衰落的调制解调技术；

③加大发射功率；

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四、信道中的噪声

1．噪声及其分类

（1）定义

噪声即信道中存在的不需要的电信号，又称加性干扰。

（2）分类

①按照噪声的来源可以分为人为噪声（如开关火花、电台辐射）和自然噪声（如闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声）。

②按照噪声的性质可以分为脉冲噪声、窄带噪声和起伏噪声。

a．脉冲噪声：突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。

b．窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。

c．起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。

注：讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。

③热噪声

　 a．来源

来自一切电阻性元器件中电子的热运动。

b．频率范围

均匀分布在大约0～10¹²Hz。

c．性质

高斯白噪声。

2．窄带高斯噪声

（1）带限白噪声

经过接收机带通滤波器过滤的噪声。

（2）窄带高斯噪声

由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。

设窄带双边噪声功率谱密度为如图4-6所示。

图4-6  噪声功率谱特性

噪声等效带宽为

保证了图4-6中矩形虚线下面的面积和功率谱密度曲线下面的面积相等，即功率相等。利用噪声等效带宽的概念，在后面讨论通信系统的性能时，可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽内是恒定的。

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五、信道容量

信道容量指信道能够传输的最大平均信息速率，记为。

1．离散信道容量

（1）度量单位

一种是用每个符号能够传输的平均信息量最大值表示信道容量；另一种是用单位时间(秒)内能够传输的平均信息量最大值表示信道容量。

（2）噪声信道下的信道分析

①信道模型

n个发送符号，m个接收符号的一般信道模型如图4-7所示。

图4-7  离散信道模型

其中，P(x_i)表示发送符号x_i 的出现概率，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)表示由于噪声的干扰，发送x_i可能收到y_j的条件概率。

②每符号接收的信息量

其中。为每个发送符号x_i的平均信息量，称为信源的熵；

为接收y_i符号已知后，发送符号X_i的平均信息量。

（3）无噪声下的信道分析

　 无噪声信道模型如图4-8所示。

图4-8  无噪声信道模型

发送符号和接收符号有一一对应关系。此时，0;0;所以在无噪声条件下，从接收一个符号获得的平均信息量为H（x）。这说明H(x/y)即为因噪声而损失的平均信息量。

（4）离散信道容量的定义

每个符号传输的平均信息量和信源发送符号概率P（x_i）有关，我们将其对P（x_i）求出的最大值定义为信道容量，即

容量C_t的定义为

式中，r为单位时间内信道传输的符号数。

2．连续信道容量

香农公式：对于带宽有限、平均功率有限的高斯白噪声连续信道，其信道容量为

其中，B为信道带宽单位为Hz；S为信号功率单位为W；N为加性高斯白噪声的功率，单位为W。

若噪声的单边功率谱密度为n_o(W/Hz),则信道容量又可写成如下形式

　  （4-1）

如图4－9所示是按照式（4-1）连续信道容量画出的信道容量C₁和带宽B的关系曲线。

图4-9  信道容量和带宽关系