第2章 信道与噪声

2023/2/61复习与小结1.对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用（）和（）来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用（）和（）来衡量。2.平均信息量：3.传码率与传信率的关系：2023/2/624.码元速率不变，二进制信息速率与多进制信息速率之间的关系：系统信息速率不变，多进制码元速率与二进制码元速率之间的关系：5.误码率：6.误信率：2023/2/63第2章信道与噪声2.1信道的基本概念2.2恒参信道及其对所传信号的影响2.3随参信道及其对所传信号的影响2.4信道的加性噪声2.5通信中的常见噪声2.6信道容量的概念2023/2/642.1信道的基本概念2.1.1信道的定义

信道，通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。

2023/2/652.1.2信道的分类

信道可大体分成：狭义信道和广义信道。

1.狭义信道

狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介，它包括有线信道和无线信道。

2.广义信道

广义信道通常也可分成两种，调制信道和编码信道。

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1信道的定义与分类（续）

调制信道与编码信道调制器中含发滤波器，解调器中含收滤波器收、发转换器：放大，频率变换等功能图调制信道与编码信道2023/2/672.1.3信道的数学模型

1.调制信道模型

调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。通常它具有如下性质：

（1）有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端；

（2）绝大部分信道都是线性的，即满足叠加原理；2023/2/68

（3）信号通过信道会出现迟延时间；

（4）信道对信号有损耗它包括固定损耗或时变损耗；

（5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出（噪声）。2023/2/69

对于二对端的信道模型来说，其输出与输入之间的关系式可表示成：将上式进一步简化可以写成：

这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。2023/2/610

根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：恒参信道和随参信道。

2.编码信道模型

从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。2023/2/611

模型中，把、、、称为信道转移概率。以为例，其含义是“经信道传输，把0转移为1的概率”。

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3信道举例

明线

最早发展和使用的传输介质。它是由电线杆支持，架设在地面的平行而相互绝缘裸线线路，其导线采用钢、铝或铜线，线径为3-4mm。

明线易受气候影响和外界电磁扰的影响，通信质量不稳定，且衰耗大，容量小。

它的优点是敷设技术简单、价格便宜。13明线14

3信道举例（续）

双绞线

双绞线由绞合在一起的一对导线组成，具有较强的抗干扰能力。双绞线的主要缺点是不适于远距离传输。许多对位于同一保护套内相互绝缘的双绞线可以构成对称电缆。

对称电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定。15对称电缆：双绞线16对称电缆：双绞线17

3信道举例（续）

同轴电缆

同轴电缆共有四层。它的内部共有两层导体排列在同一轴上，所以称为“同轴”。

外导体是一个圆柱形的空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成），内导体是金属线（芯线）。它们之间填充着介质。

几根同轴线管往往套在一个大的保护套内，另外还装入一些二芯扭绞线对或四芯线组，作为传输控制信号之用。18同轴电缆同轴电缆截面示意图双同轴电缆及6芯接头

19同轴电缆基站用射频同轴电缆(50Ω同轴电缆)

射频同轴电缆20

3信道举例（续）

光纤的结构

60年代，发明激光器,1966年高锟博士提出以光导纤维为传输介质。1000dB/Km衰减很大。涂敷层包层(含磷等掺杂剂的SiO2)纤芯（含氟或硼的SiO2)21

3信道举例（续）

光纤的优点

通信容量大：750亿损耗低，传输距离长不受电磁干扰，通信质量好尺寸小、重量轻，便于施工原料为SiO2，很丰富密集波分复用DWDM商用水平为320Gb/s,DWDM实验室水平：Tb/s22

3信道举例（续）

卫星中继信道（卫星通信）

卫星通信的定义：利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的技术。卫星中继可视为无线电中继信道的一种特殊形式。卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径。231.4信道

转发站（基站）：－－人造卫星（卫星通信系统），目前广泛应用。24

3信道举例（续）图卫星中继信道图静止卫星通信示意图2023/2/6252.2恒参信道及其对所传信号的影响

由于恒参信道对信号传输的影响是固定不变的或者是变化极为缓慢的，因而可以等效为一个非时变的线性网络。2.2.1信号不失真传输条件

网络的传输特性可以表示为：2023/2/626

要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件：

（1）网络的幅频特性是一个不随频率变化的常数;

（2）网络的相频特性应与频率成负斜率直线关系。27★非时变线性网络。其振幅-频率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性2.2.2幅度－频率畸变28其相位-频率特性：ω()0理想特性理想特性()0ω()0理想特性2023/2/6292.2.4减小畸变的措施

减小幅度-频率畸变的措施：改善电话信道中的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络，使衰耗特性曲线变得平坦。这后一措施通常称之为“均衡”。减小相位-频率畸变的措施：采取相位均衡技术补偿群迟延畸变。

2023/2/630复习：1.信道可大体分成：（）信道和（）信道。2.狭义信道包括（）信道和（）信道3.广义信道包括（）信道和（）信道4.根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：（）信道和（）信道。5.恒参信号通过线性网络不失真的条件是？2023/2/6312.3随参信道及其对所传信号的影响

随参信道传输媒质的特点典型的传输媒质：电离层反射、对流层散射等。特点：（1）信号的衰耗随时间随机变化；（2）信号传输的时延随时间随机变化；（3）多径传播。2023/2/632多径传播指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点，所以接收信号将是衰减和时延随时间变化的各路径信号的合成。

传输特点：多径传输且每条路径的衰减及时延都是随机变化的

2023/2/6332.3.1随参信道对信号传输的影响

无线信号衰落的种类：1.自然衰落（路径衰落、大尺度衰落）；2.阴影衰落（中尺度衰落）；3.瑞利衰落（小尺度衰落）；4.频率选择性衰落；2023/2/634

图2-10两条路径传播时选择性衰落特性

2023/2/635当时，出现传输极点；当时，出现传输零点；当一个传输信号的频谱宽于1/时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落。否则，当传输信号的频谱小于相关带宽时，认为发生了平坦性衰落。2023/2/636上述概念可推广到一般的多径传播中去。多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。设信道的最大时延差为，则相邻两个零点之间的频率间隔为：这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽。2023/2/6372.3.2随参信道特性的改善

对于慢衰落，主要采取加大发射功率和在接收机内采用自动增益控制等技术和方法即可。对于快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制/解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中明显有效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。2023/2/638

1.分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同时获得几个不同的合成信号，并将这些信号适当合并构成总的接收信号，将有可能大大减小衰落的影响。

要求：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。分集的含义：分散得到几个合成信号、集中处理这些信号。

2023/2/639

2.分散得到合成信号的方式

为了获取互相独立或基本独立的合成信号，大致有如下几种分集方式。

（1）空间分集；

（2）频率分集；

（3）角度分集；

（4）极化分集。2023/2/640

3.集中合成信号的方式

对各分散的合成信号进行合并的方法有多种，最常用的有：（1）最佳选择式：选信噪比最好的一个作为接收信号（2）等增益相加式：收各信号以相同增益放大相加（3）最大比值相加式：收各信号与信噪比成正比地放大、相加。

以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳选择方式最差。

2023/2/6412.4信道的加性噪声

根据信道中加性噪声的来源不同，可以粗略地分为以下四类：（1）无线电噪声：来源于无线电发射机特点：频率范围广，干扰频率固定，可预先防止。（2）工业噪声：来源于各种电气设备特点：干扰频谱集中在低频，选择高于该频段的信道可防止。

2023/2/6422.4信道的加性噪声（3）天电噪声：来源于宇宙空间特点：频谱范围广，频率不固定，夏天比冬天严重，赤道比两极严重，很难防止。（4）内部噪声：来源于信道本身的各种电子器件特点：过程随机，也称为起伏噪声。2023/2/643从噪声性质来区分可有：（1）单频噪声：主要指无线电干扰特点：连续波干扰，其频率可测，可防止。（2）脉冲干扰：工业中的电火花，断续电流及电干扰中的闪电特点：波形不连续，呈脉冲性，时间短，强度大，频谱宽，选择适当的工作频段可防止。2023/2/644（3）起伏噪声：信道内部的热噪声，散弹噪声以及宇宙噪声特点：随机的，不可避免。其中影响最大的是起伏噪声，它是通信系中最基本的噪声源。2023/2/6452.4.2信道中的噪声1.白噪声定义：白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。2.高斯型白噪声定义：噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。2023/2/6462.5信道容量的概念

1.信道容量的定义

在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记之为C。

信道可以分为：离散信道（编码信道）和连