第三章 信道与噪声

第三章信道与噪声通信系统模型通信系统基本模型：尽管各种通信系统具体设备和业务功能各不相同，但基本模型一样：通信系统基本模型狭义信道通常把发送设备和接收设备之间用以传输信号的传输媒介定义为狭义信道。例如架空明线、同轴电缆、双绞线、光缆、自由空间、电离层、对流层等。广义信道除了传输媒介外，还可以包括有关的转换器，如天线、调制器、解调器等。。在讲通信原理时，通常采用的是广义信道。广义信道也可分为两种：调制信道和编码信道编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编码信道调制信道调制信道和编码信道时变线性网络调制信道模型调制信道调制信道恒参信道

K(t)不随时间变化或变化缓慢的一类信道随参信道

K(t)是随时间随机变化的信道。二进制编码信道模型编码信道2.3通信传输介质2.3.1双绞线

2.3.2同轴电缆

2.3.3光纤

2.3.4无线通信

2.3.1双绞线（twistedpair)双绞线：由两根彼此绝缘的导线组成，这两根导线是按一定的规则以螺旋状绞合在一起的（一对双绞线由两根导线组成）可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。多对双绞线捆扎在一起再加上塑料外皮组成双绞线电缆（最常用传输媒介）。当线路中出现干扰信号时，其对两根线的影响是相同的，因而在接收端还原差分信号时就可以屏蔽掉该干扰信号（可以理解为差分的两路信号执行减运算）。电磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility）信号和干扰能够共存包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是电磁干扰和电磁抗干扰。。EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。电磁干扰（EMI）EMI是ElectroMagneticInterference的缩写，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。分类：屏蔽双绞线(STP，ShieldedTwistedPair)：抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，所以一直没有广泛使用。金属网包住双绞线，趋肤效应--抗电磁干扰趋肤效应:

当高频电流传导时，导体边缘的电阻比导体中心的要小，因而表面传输的高频电流密度最大。这种高频电流流经导体是有趋向于集中导体外表层的现象，称为趋肤效应。若将导体表面的传输的电流定为１，则所谓趋肤深度是指着这样的深度即在该处所感应的电流密度为导体表面最大值的１／e。从表面到１／e出这一薄层所感应的电流占整体的63.2%，他所吸收的功率占总体积的86.5%。分类：

非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwistedPair)：非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米,由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。用塑料外皮把多对双绞线简单捆在一起，易受干扰屏蔽双绞线(STP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽非屏蔽双绞线(UTP)STP和UTPEIA规定了6种质量等级的双绞线电缆，其中Ⅰ类线的档次最低，Ⅵ类线的档次最高。Ⅰ类：基本双绞线，传输语音Ⅱ类：语音和4Mb/s的数字数据传输Ⅲ类：目前在大多数电话系统中使用的标准电缆。其传输频率为16MHz，数据传输率可达10Mb/s，主要用于10base－T

双绞线种类

Ⅳ类：20MHZ->16Mbit/s主要用于10base－T,100base－T和令牌环局域网

Ⅴ类：100MHz－>100Mbit/s主要用于10base－T,100base－T网络

Ⅵ类：250MHz

常用的是3类线和5类线，5类线既可支持100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。双绞线种类双绞线（twistedpair)应用：

传输模拟信号，电话线（1对双绞线） 传输数字信号，局域网网线（一般4对双绞线组成双绞线电缆）特点：

最常用、便宜的传输媒介易受环境中电信号的干扰，通常用于较短距离的连接2.4.2同轴电缆(coaxialcable)结构：同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线（铜芯），外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。另外，同轴电缆的两端需要有终结器，中间连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。绝缘层绝缘层内导体(铜芯)外导体(编织状)外保护层(塑料)外保护层(塑料)外导体(编织状)比较便宜绝缘层保护外层绝缘层外导体铜芯分类与应用:等效阻抗为50欧和75欧同轴电缆：基带同轴电缆:

50欧同轴电缆,用于基带数字信号传输（局域网）,它又分为粗缆和细缆。宽带同轴电缆:

75欧同轴电缆,用于CATV信号传输,一条电缆可以同时传输不同频率的多路模拟信号，300—450MHz，需要放大器。粗缆(D=2.54cm)10兆比特每秒非中继传输距离500米需要使用收发器和收发电缆AUI接口细缆

(D=1.02cm)

便宜的同轴电缆10兆比特每秒非中继传输距离185米BNC接口粗缆优缺点：

价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强距离中等可靠性好

细缆优缺点：价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强距离短可靠性差2.4.2

同轴电缆同轴电缆结构图

几种有线电缆的特点线路类型频率范围/MHz信号衰减电磁干扰UTP电缆1~100高一般STP电缆1~150高小同轴电缆1~1000低小2.3.3光缆(opticalfiber)光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。1960年，美国人梅曼，发明世界上第一台激光器——红宝石激光器1966年，英籍华人高锟（C.K.KAO）博士提出，用Sio2石英玻璃制成光纤，低消耗1970年，美国康宁公司制出了损耗为20分贝的光纤。入射光11'22'折射光折射光反射光3光密介质光疏介质光纤通信的原理光纤通信的原理见图，入射角∠１∠２∠３逐渐增大，∠1’∠2’是折射角，光纤通信的原理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性，达到∠3时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。

典型的单芯光缆结构玻璃包层塑料外套玻璃内芯单芯光缆（纤芯：光导纤维）结构：

纤芯：光导纤维(玻璃/塑料)

包层：折射率比纤芯小 外套：保护分类： 根据制作材料不同：塑料，玻璃，石英 根据传输模式不同：多模，单模 根据光纤总折射率不同：突变型，渐变型 根据工作波长不同：短波长，长波长，超长波长

光缆(opticalfiber)分类： 根据传输模式不同：多模（MMF），单模（SMF）

单模光纤（single-mode）使用激光源，单束光线沿直接传播100公里不中继内芯半径降低到波长的数量级多模光纤多束光线在一条光纤中传播

光纤传送模式：SMF

波长:1300,1550nm单模SMF

单束光线沿直线传播

光纤传送模式：MMF波长:850,1300nm

多模MMF

多束光线以不同的反射角传播单模光纤与多模光纤的比较突变多模光纤内芯密度均匀使用普通发光二极管（2公里不中继）（光源发出的光线沿不同光路传播，到达终点的时刻不同，信号容易失真，传输速率不能太高）渐变多模光纤内芯密度不均匀,纤芯的折射率由中心向外按一定的规律逐渐减小，直至与包层交界处为最小。使用普通发光二极管（2公里不中继）（光路以曲线传播，每经过一段距离相交，不同光路同时到达终点）

典型的光缆常见规格：玻璃内芯——50μm缓变型MMF 62.5μm缓变/增强型MMF 8.3μm突变型SMF

玻璃包层——125μm玻璃包层塑料外套玻璃内芯单芯光缆典型的光缆玻璃内芯塑料外套玻璃包层外壳常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF

玻璃包层——125um多芯光缆

高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束光纤特点依靠光波承载信息速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便

色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反映了光脉冲沿光纤传播时的展宽。

光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，造成差错。2.3.4无线通信1短波传输

2地面微波传输

3卫星微波通信

4电磁波传输

5

蜂窝电话

2.3.4无线通信电磁波电磁波是发射天线感应电流而产生的电磁振荡辐射。这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应。无线通信在真空中，所有的电磁波以相同的速度传播，与频率无关，大约为3×108m/s。在铜线和光纤中，电磁波的传播速度为光速的2/3；而且变得与频率相关。无线通信无线通信无线电波、微波、红外线和可见光部分都可通过调节振幅、频率或相位来传输信息。－－调制紫外线、X射线和伽玛射线也可以用来传输信息且可以获得更好的效果，但它们难以生成和调制，且对生物有害。电磁波可运载的信息量与它的带宽有关。无线通信无线电波可用于AM和FM广播、业余无线电、蜂窝电话和短波广播，也用于电视广播。每一种通信都必须无线电管理委员会申请一个频率波段。无线通信微波通信和短波通信都是属于无线通信短波通信是一种以波长为10～100m的电磁波进行信号传输的一种通信方式，其工作频率的范围在3～30MHz微波通信是指用频率在300MHz到10GHz的微波信号进行通信。微波通信分为地面微波通信和卫星微波通信。1.短波传输

短波可以通过两种形式进行传播：沿地球的表面以地波的形式传播通过电离层的反射以天波的形式传播。无线通信—短波传输由于短波在以地波的形式进行传播时，陆地和海洋均会引起信号的衰损，所以短波一般采用天波的形式进行传播。在这种方式下，电波在经过电离层的一次反射或电离层与地面之间的多次反射后才能到达目的地。无线通信—短波传输优点：通信距离远，无需大的发射功率，设备成本适中。缺点：易受到外部干扰，如受季节、昼夜、太阳活动的影响2地面微波传输微波传输一般发生在两个地面站之间，沿直线传输。传播距离近的原因：首先，微波是直线传播的，它无法象某些低频波那样沿着地球的曲面传播，因此传播距离很近。其次，大气条件和固体物将妨碍微波的传播，造成一定衰减。无线通信--地面微波传输如果要实现长途传送，可以在中间设置几个中继站。中继站上的天线依次将信号传递给相邻的站点。这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输。无线通信--地面微波传输地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔3卫星微波通信

卫星中继信道微波中继信道是由地面建立的端站和中继站组成。而卫星中继信道是以卫星转发器作为中继站与接收、发送地球站之间构成。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，这种卫星称为静止卫星（同步卫星）。无线通信—卫星微波通信卫星微波通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。每颗卫星都有几个异频雷达收发机（Transponder），用来接收某一特定频率范围内的信号，并用另一个不同的频率进行转播。一个地面发射机将（上行）信号发送给一颗卫星，接着卫星上的异频雷达收发机将信号转播到地球上的另一个区域（下行）。如今，卫星通信已普遍用于电话和电视信号的传送。很多人使用自己的接收器接收电缆电视信号无线通信—卫星微波通信卫星收发信号的频率范围一般都很宽，每个异频雷达收发机处理一个特定范围内的信号。通常，上行和下行分别使用不同的频率，这它们才不会相互干扰。表2列出了四个商业卫星通信的常用波段以及与之相关的上行频率和下行频率。还有其他波段用于军事和政治用途。无线通信—卫星微波通信另外，由于卫星轨道离地面较远信号衰减大，电波往返所需要的时间较长。对于静止卫星，由地球站至通信卫星，再回到地球站的一次往返需要0.26s左右，传输话音信号时会感觉明显的延迟效应。目前卫星中继信道主要用来传输多路电话、电视和数据。几种传输介质的比较下页将列出计算机通信中几种传输介质的比较。我们在选择通信介质的时候，一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括：拓扑结构：星形结构不适合选用同轴电缆(总线结构)，可选择双绞线方等方式；容量：介质提供的传输速率应能够满足要求；可靠性(差错率)：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质；应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等

常用传输介质比较

分类传输速率地理范围差错率成本非屏蔽双绞线3类

5类

3类UTP最大16Mbps

5类UTP最大155Mbps100米左右

一般(10-5

~10-6

)

低

基带同轴电缆

粗缆

细缆

因种类、距离不同变化较大(但总要高于UTP)细缆小于800米,粗缆小于2500米中等(10-7~10-9)中光纤单模

多模

几千Mbps

几公里到几十公里最低(10-10)

较高卫星同步低轨

根据租用费用变化较大很大高

高

2.4恒参信道传输特性幅频特性相频特性理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延-频率特性理想信道的特性

理想的恒参信道特性：在整个频率范围，幅频特性为常数相频特性为ω的线性函数群延迟特性：不同频率信号延迟相同信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生失真(或称为畸变)。如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度-频率失真；如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是ω的线性函数，则会使信号产生相位-频率失真。典型音频电话信道的幅度衰减特性

幅度-频率失真

幅度-频率失真幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的。图中是典型音频电话信道的幅度衰减特性。衰减特性在300~3000Hz频率范围内比较平坦；300Hz以下和3000Hz以上衰耗增加很快。CCITTM.1020建议规定的衰减特性如图(b)所示。

信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。

相位-频率失真当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道的信号产生相位-频率失真，相位-频率失真也是属于线性失真。

在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰，特别当传输速率较高时，相频失真会引起严重的码间干扰，使误码率性能降低

群延迟失真群迟延频率特性都偏离了理想特性的要求，也会使信号产生群迟延失真。图3–15典型电话信道相频特性和群迟延频率特性

(a)相频特性；(b)群迟延频率特性2.5典型随参信道随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道

K(t)是随时间随机变化的信道。常见的随参信道：陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射随参信道的特点信号的衰耗随时间随机变化；信号传输的时延随时间随机变化；多径传播。2.8加性噪声1.噪声的分类与特性人为噪声来源于由人类活动造成的其他信号源，例如：开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等（电流、电压突变而形成的电磁辐射，可通过空间、电力线传播）自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，例如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其他各种宇宙噪声等内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如：在电阻一类的导体中自由电子的热运动、真空管中电子的起伏发射和半导体载流子的起伏变化等。热噪声热噪声：由带电粒子在导电媒介中进行的分子热运动造成的（绝对存在的）无法被消除的。热噪声是一种高斯白噪声。高斯噪声：n维分布都服从高斯分布。白噪声：功率谱密度在这个频率范围内分布均匀的噪声。热噪声噪声功率谱密度：N0=KT单位：W/HZ；K：波尔兹曼常数1.38×10-23J/K(焦耳/开；

T：绝对温度K（单位开273+℃）N0=P/W单位带宽上的噪声功率热噪声例子若系统带宽1000Hz，求在40℃的温度下热噪声源的噪声分贝功率脉冲噪声：是一种由突发的振幅很大持续时间很短，耦合到信号通路中的非连续尖峰脉冲引起的干扰，通常是由一些无法预知的因素造成的，如电火花，雷电；脉冲噪声对模拟数据传输不会造成明显影响但数字数据传输中脉冲噪声是产生差错的主要来源通过差错控制手段来确保数据传输的可靠性！脉冲噪声对数字信号传输造成的影响

散弹噪声

出现在电子管和半导体器件中宇宙噪声

指天体辐射波对接收机形成的噪声，它在整个空间的分布是不均匀的，最强的来自银河系的中部，其强度与季节、频率等因素有关信噪比：信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的影响，信噪比是用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量，它是衡量传输系统性能的重要指标之一。信噪比通常是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，可用下面的公式表示信噪比Ｓ/Ｎ是信噪比Ps是信号的平均功率Pn是噪声的平均功率为了使用方便通常采用分贝（dB）来表示信噪比，公式如下2.9信道容量信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。2.9.2离散信道的信道容量离散信道：当信道输入和输出都是离散符号时，称为离散信道互信息与各类熵之间的关系可以用下图表示：H(X,Y)

H(X/Y)H(Y/X)

H(X)H(Y)I(X,Y)如无干扰，2个圆应当重叠在一起题2-12图2-12、二进制无记忆编码信道模型