第四章《通信原理》信道

第四章信道在讲通信系统模型中我们知道，信道是信息传输的媒介。它可分为两大类：有线信道和无线信道。传统的固定电话网用有线信道作为传输媒介。而无线电广播则是用无线信道传播电台节目。信号在信道中传输，一方面受信道特性的影响；另一方面还要受到信道中噪声的影响。本章简单介绍信道特性和信道中的噪声，以及信道特性对信号传输的影响。4.1无线信道（了解）4.2有线信道（了解）4.3信道的数学模型4.4信道特性对信号传输的影响4.5信道中的噪声4.6信道容量（不讲）4.7小结4.1无线信道在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制。通常用于通信的电磁波频率都比较高。根据通信距离、频率和位置不同，电磁波的传播主要分为地波、天波（或电离层反射波）和视线传播三种。传播路径地面图4-1地波传播地波：频率<2MHz；有绕射能力；传播距离达数百千米或数千千米。天波：频率2～30MHz；能被电离层反射；一次反射距离<4000km,多次反射距离达1万km以上;

存在寂静区。地面信号传播路径图4-2天波传播视线传播：频率>30MHz距离:和天线高度有关m式中，D–收发天线间距离(km)。ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图4-3视线传播例如要求D=50km,则收发天线的架设高度应为50m.图4-4无线电中继增大视线传播距离的其他途径:中继通信;卫星通信;平流层通信等。除此之外，还有电离层散射、对流层散射、流星余迹散射等传播方式。4.2有线信道传输电信号的有线信道主要有三类，即明线、对称电缆和同轴电缆。明线：是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。传输损耗低，但易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰敏感，并且很难沿一条路径架设大量的成百对线路。对称电缆：由许多对双绞线放在一根保护套内组成。在有线电话网中广泛用于用户接入电路。图4-9双绞线导体绝缘层同轴电缆：导体金属编织网保护层实心介质图4-10同轴线有线电视广播网中用同轴电缆将信号送入用户。目前远距离信号传输的干线都采用光纤代替同轴电缆。4.3信道的数学模型二、调制信道模型一、调制信道和编码信道三、编码信道模型前面我们说信道是指信号传输的媒介，如电缆、光纤等。虽然定义非常直观易懂，但在通信系统分析中，为了简化系统模型和突出重点，常根据所研究问题，把信道的范围适当扩大。一、调制信道和编码信道编码信道调制信道1、调制信道指从调制器输出到解调器输入端的所有变换装置及传输媒介。因为从调制解调角度而言，调制信道仅对已调信号进行传输，因此可视为一个整体。2、编码信道指从编码器输出到译码器输入端的所有变换装置及传输媒介。因为从编译码的角度而言，它们之间的一切环节只起了传输数字信号的作用，因此可视为一个整体。二、调制信道模型

对于调制信道，我们不管信号在其中作了什么变换，用了什么媒介，我们只关心调制信道输入与输出之间的关系。对二对端的信号模型，其输入输出关系可表示为：

:信道输入端信号电压。

:信道输出端的信号电压。:噪声电压。通常假设：这时上式变为：---信道数学模型**因k(t)随t变，故信道称为时变信道。**因k(t)与相乘，故称其为乘性干扰。**因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。**若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。加性干扰乘性干扰K(t)e0(t)ei(t)n(t)

调制信道数学模型因此，调制信道的模型分为两类：随参信道和恒参信道。三、编码信道模型

编码信道对输入数字序列的影响表现在使输出数字信号与输入不一致。因此，编码信道所关心的是数字信号经信道传输后是否出现差错及出现差错的可能性有多少，常用数字转移概率来描述。二进制无记忆编码信道模型四进制无记忆编码信道模型二进制无记忆编码信道模型四进制无记忆编码信道模型

一个特定信道，有确定的转移概率，要大量的统计分析才能得到。与正确转移概率与错误转移概率无记忆：当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系。4.4信道特性对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响是确定的、或者是变化极其缓慢。可等效于一个线性时不变网络。所以只要知道这个网络的传输特性。就可利用信号通过线性系统的分析方法，就可得知信号通过恒参信道时受到的影响。恒参信道的传输特性：幅频特性、相频特性。调制信道可以分为恒参信道和随参信道两类。

实际的信道往往不能满足这些要求。例如电话信号的频带在300Hz-3400Hz范围内；而电话信道的幅频特性和相频特性示于下图。理想无失真信道，它的幅频特性相频特性(a)插入损耗～频率特性频率(kHz)（ms）群延迟(b)群延迟～频率特性频率失真：振幅～频率特性不良引起的.频率失真

波形畸变

码间串扰解决办法：线性网络补偿相位失真：相位～频率特性不良引起的.对语音影响不大，对数字信号影响大.解决办法：线性网络补偿.变参信道的影响自己看。4.5信道中的噪声一、加性噪声的分类二、窄带高斯噪声及其等效带宽我们将信道中存在的不需要的电信号统称噪声。通信中的噪声是叠加在信号上的，没有传输信号也有噪声，噪声永远存在于通信系统中。噪声可看成是信道中的一种干扰，也称加性干扰（噪声）。

一、加性噪声的分类根据噪声的来源可分为：人为噪声和自然噪声。人为噪声:来源于人类的各种活动。如电钻和电气开关瞬态造成的电火花；汽车点火系统产生的电火花，家电产生的电磁波辐射等。自然噪声:是自然界中存在的各种电磁波辐射。如闪电、大气噪声和宇宙噪声等。此外还有一类很重要的自然噪声，即热噪声。它来自一切电阻性元件中电子的热运动。例如，导线、电阻和半导体器件等均产生热噪声。所以热噪声无处不在，不可避免地存在于一切电子设备中。热噪声的频率范围很广，它均匀分布在大约从零频开始，直至1012Hz.由于在一般通信系统的工作频率范围内，热噪声的频谱是均匀分布的，所以热噪声又称白噪声。由于热噪声是由大量自由电子的运动产生的，其统计特性服从高斯分布，故常将热噪声称为高斯白噪声。

脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，持续时间比间隔时间短得多。如电火花。特点：突发脉冲幅度大，但持续时间短，相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段。有较宽的频谱，但频率越高，其频谱强度就越小。对语音信号影响不大，但在数字通信中，一旦出现突发脉冲，将导致一连串的误码。因此通常采用纠错编码技术来克服脉冲噪声的影响按噪声的性质，可分为：脉冲噪声、窄带噪声和起伏噪声三类。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。特点:频谱集中在某个频率附近的较窄的频带内。但在频率轴的位置可以实测得到，并不是所有的通信系统都存在这种噪声。而且采取适当措施，是可以防止的。起伏噪声：是遍布在时域和频域内的随机噪声，包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。特点：干扰波形随时间进行无规则的随机变化。从频域看他在相当宽的频带内具有平坦的功率谱密度。它是自然界中固有的一种连续噪声，是普遍存在和不可避免的。是影响通信质量的主要因素之一。起伏噪声中最常见的一种噪声是高斯噪声。如元器件本身产生的热噪声、散弹噪声，它们是服从高斯分布的，即热噪声、散弹噪声都是高斯过程。所以，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。二、窄带高斯噪声及其等效带宽带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声。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。窄带高斯噪声功率：式中为双边噪声功率谱密度。噪声等效带宽:噪声功率谱特性

Pn(f)Pn(f0)接收滤波器特性噪声等效带宽噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形滤波特性，则通过此特性滤波器的噪声功率，等于通过实际滤波器的噪声功率。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Bn内是恒定的。本章介绍了信道的基础知识，包括信道特性及其对信号传输的影响。也介绍了信道中的噪声情况。4.7小结无线信道按照传播方式区分，有天波、地波和视线传播三种；另外还有散射传播，包括对流层散射、电离层散射和流星余迹散射。为了增大通信距离，可以采用转发站转发信号。有线信道有明线、对称电缆、同轴电缆之分。信道的数学模型分为调制信道模型和编码信道模型两类。调制信道模型用加性干扰和乘性干扰表示信道对于信号传输的影响。加性干扰是叠加在信号上的各种噪声。乘性干扰使信号产生各种失真。乘性干扰随机变化的信道，称为随参信道；乘性干扰基本保持恒定的信道称为恒参信道。编码信道模型主要用定量表示错误的转移概率描述其特性。恒