2.11 信道 信道是传输信号的通道，是任何一个通信系统必不可少的组成部分。任何一个 通信系统均可视为由发送设备、信道与接收设备三大部分组成。信道是连接发送端 和接收端的通信设备，将发送端的信号传送到接收端。 按照传输媒质的不同，信道可分为两大类：有线信道和无线信道。有线信道是 指传输媒介为明线、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能够看得见的传输媒 介，如固定电话；而无线信道是利用空间电磁波来传输信号，如无线电广播。光纤 是传输光信号的传输媒质，具有传输容量大，损耗小的优点，广泛应用于现代通信 网系统中。 在通信系统中，能够作为实际通信的信道很多，由于信道中存在的噪声是不可 避免的，而噪声对于信号的传输有重要的不良影响，因而，对信道与噪声的认识往 往是研究通信问题的基础。首先讨论信道的传输特性和信道模型，然后讨论信道中 噪声特性以及噪声对于信号传输的影响。 1 本节主要内容 ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ 1有线信道与无线信道 2调制信道与编码信道 3恒参信道信道特性及其数学模型 4随参信道信道特性及其数学模型 5编码信道特性及其数学模型 6信道容量 2 有线信道 传输电信号的有线信道主要有四类，即明线、双绞线电缆、同轴电缆和光缆。双绞 线和同轴电缆采用金属导体来传输电信号，光缆是由玻璃或塑料制成的缆线，传输 光信号。 明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它是由导电裸线或带绝缘层的导线。 架空明线传输信号损耗小，但易受大气和环境的影响，对外界的噪声干扰较敏感，并 且很难沿一条路径架设大量的成百对线路，故目前已经逐渐被电缆代替。 双绞线电缆是将一对或多对双绞线放置在一个绝缘套管内，在套管内的每一对具 有绝缘保护层的金属导线都做成扭绞形状的双绞线。双绞线电缆分为屏蔽型（STP） 和非屏蔽型（UTP）两类。每对线都呈扭绞状，这样可以减小各线对之间的相互干扰。 因双绞线电缆的芯线比明线细，直径在 0.4mm～1.4mmm,故其损耗较明线大，但性能 较稳定。双绞线电缆可以用来传输模拟语音信号，特别适应于较短距离的信号传输。 在低频传输时，其抗干扰能力与同轴电缆相当，在 10～100KHZ 时，其抗干扰能力低 于同轴电缆。但价格较为便宜，目前电缆已逐渐取代了明线。 3 有线信道 同轴电缆由同轴的两个圆柱形导体构成，外导体是一个圆柱形金属编织网，内导 体是金属导体。内外导体之间用绝缘体隔离开。在外导体外面有一层绝缘保护层，在 内外导体间可以填充实心介质材料，或者用空气作介质。实际应用中同轴电缆的外导 体是接地的，具有良好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较 好。同轴电缆根 据其频率特性，可分为两类：视频（基带）电缆和射频（宽带）电缆。视频电缆的特 性阻抗有 50Ω 和 75Ω 两种， 75Ω 电缆用于模拟信号传输，50Ω 电缆用于数字数据信 号的传输，最大传输距离一般不超过几千米。射频同轴电缆的特性阻抗为 75Ω ，最大 传输距离可达几十千米，可用于传输高频信号。采用频分复用技术可传送多路信号。 同轴电缆在较短的距离内有较高的数据传输速率，一般 1km电缆数据传输速率可达 1～2Gbit/s 。目前同轴电缆大量被光纤取代，但仍广泛应用于有线电视广播网和某些 局域网。 4 有线信道 光纤的全称是光导纤维，由高纯度石英( SiO2 )制成的直径在8m ~ 50m 的玻璃纤维。光纤是以光导纤维为传输媒质传输光信号的。光纤的中心是光传播 的玻璃芯，称为纤芯。在纤芯外面包围着一层折射率比光芯折射率低的玻璃封套 称为包层，由于纤芯的折射率比包层的折射率大，光波会在两层的边界处产生反 射。经过多次反射，光波可以达到远距离传输。 5 无线信道 在无线信道中的信号传输是利用电磁波在空间传播来实现的。即发送端的天 线将信号以电磁波形式发送出去，通过空间传播到接收机的天线实现通信的。按通 信设备的工作频率不同可分为长波通通信、中波通信、短波通信、微波通信、光波 通信等。工作波长与频率的关系为 c 3 10 (m / s ) = = f f ( HZ ) 8 无线电波的传播方式大体可分为四种：地面波、空间直线波传播（视距传播）、电 离层反射波（或天波）和对流层散射传播。 6 无线信道 地波传播：无线电波沿地球表面传播称为地波传播，由于地面不是理想的导体， 当电磁波沿地表面传播时必将有能量损耗，这种损耗随电波的频率升高而增加。地 波的主要传播特点是：传输损耗小，传输距离较远，可达数百千米或数千千米；受 电离层扰动小，传播较稳定；有较强的穿透海水和土壤的能力；工作频带窄。主要 用于中、长波远距离无线电导航、潜艇通信、标准时间和频率的传播。 天波传播：依靠电离层反射的传播方式称为天波传播，在地球的表面存在着一 定厚度的大气层，由于受到太阳的照射，大气层上部的气体将发生电离而产生自由 电子和离子，使离地面 60km～400km 的这一部分大气层成为电离层。当频率范围为 3～30MHZ 的短波无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回 地面，从而形成短波电离层反射信道。短波的主要传播特点是：传输损耗小、传输 距离远。通常用于短波远距离无线电广播、电话通信以及中距离小型移动电台等 7 无线信道 由于电离层是一种随机的、色散及各向异性的有耗媒质，电波在其中传播时会 产生各种效应，如多径传播、衰落、极化面旋转等。多径传播是短波电离层反射通信 的主要特征。引起多径传播的主要原因如下： （1） 电波从电离层的一次反射和多次反射； （2） 电离层反射区高度不同所形成的多径； （3） 地球磁场引起的寻常波和非寻常波； （4） 电离层不均匀性引起的漫反射现象。 上述四种情况都会引起快衰落和多径时延失真。 8 无线信道 视距传播（空间直线波传播）:频率超过 30MHZ 以上的超短波及微波具有空间直线 传播的特性。视距传播要求发射天线和接收天线在视距范围之内，电波直接从发射 端传到接收端（不排除地面反射波的存在）的一种传播方式，也称为直射波或空间 波传播。按收、发天线所处的位置不同，视距传播大体上可分为三类： 第一类是指地面上的视距传播，例如中继通信、电视、广播及地面移动通信等； 第二类是指地面与空中目标如飞机、通信卫星等之间的视距传播； 第三类是指空间飞行体之间的视距传播，如飞机间、宇宙飞行器间的电波传播等。 当电波在空间传播时，可能受到地表面自然地形地貌或建筑障碍物的影响，引起电波的反射、 散射或绕射现象。为了能增大其在地面上的传播距离，通常采用的办法是通过架高天线来增大 视线传播距离。可以计算出天线高度和传播距离的关系：设地球半径 r 等于 6370km，收发天 线的高度相等，均等于 h，收发天线间距离为 D（km）,则其关系式为：D 2 = 8Rh 9 无线信道 无线视距中继通信工作在超短波和微波波段，利用定向天线实现视距直 线传播。由于受地形和天线高度限制，视距传播间的距离一般为 30～50km， 因此需要中继方式实现更远距离通信，即需要在通信区域中间建立多个中继站， 中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，也称为“接力”。微 波中继通信具有传输容量大，传输信号稳定，质量好，投资少，维护方便等优 点。因此，被广泛用来传输多路电话及电视信号等。 10 无线信道 卫星信道利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号实 现地球站之间通信，也称卫星通信。人造卫星中继转发可以大 大提高通信距离，卫星通信由作为中继站的卫星转发器与接收、 发送地球站构成。卫星运行轨道在赤道平面、离地面高度 35860km 时，绕地球运行一天的时间恰为 24 小时，与地球 自转同步，这种卫星称静止（或同步）卫星。利用它作为中继 站可实现全球 18000km 范围内多点通信。采用三颗相差 120°的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域（两极 盲区除外）通信。同步卫星的电磁波服从直线传播，属于在真 空状态下的自由空间传播，传播特性稳定可靠，可以视为恒参 信道传播。 若采用中、低轨道移动卫星，所需卫星的个数与卫星轨道高度有关，轨道越低所需卫星数 越多，则需要多颗卫星覆盖地球。 11 无线信道 对流层散射传播：发射天线射束和接收天线射束相交在对流层上层，两波束 相交的空间为有效散射区域。对流层散射通信频率范围在100MHz～4GHz，可达到 的有效散射距离增大约600km。对流层散射是由大气不均匀性产生的，这种不均匀 性可以产生电磁波散射现象，散射现象具有强的方向性，散射能量主要集中在前方， 故称“前向散射”。由于散射的随机性，这种信道属于变参信道。 对流层散射传播为微波、超短波多路通信提供了另一种途径，这种通信具抗 核爆能力强、通信容量大、保密性好、通信距离远、机动性好、抗干扰性强和适应 复杂地形等优点，越来越多地应用于军事和民用通信，如森林防火、抢险救灾应急 通信系统、工业指挥调度系统等。此外对流层散射传播理论还应用于干扰协调距离 计算、对流层介质遥感、超视距雷达等方面。 12 调制信道与编码信道 信道是指以传输媒质为基础的信号通道。如果信道仅是指信号的传输媒质，这种 信道称为狭义信道。但从研究消息传输的观点说，信道范围还可以扩大到包括有关的转 换器 ( 如：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等 ) ，称这种扩大范围 的信道为广义信道。在讨论通信的一般原理时，通常采用的是广义信道。通信效果的好 坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。因而，在研究信道的一般特性时“传输媒 质”是讨论的重点。当然，根据实际的需要，有时除重点关心传输媒质外，还应该考虑 到其它组成部分的有关特性。 13 调制信道 对于调制信道模型，已调信号离开调制器后便进入调制信道。有如下主要 共性： 第一，有一对(或多对)输入端，也一定有一对(或多对)输出端； 第二，绝大多数的信道是线性的，即满足叠加原理； 第三，信号通过信道会产生一定的迟延时间，而且它还会使信号受到固定的或 时变的损耗； 第四，即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出，即噪声功率。 能够用一个二对端(或多对端)的时变线性网络去替代调制信道。这个网络就称作调制信 道模型。就二对端的信道模型来说，它的输入与输出关系应该有： 14 调制信道 15 调制信道 16 调制信道 ◼ ◼ 恒参信道：信道特性主要由传输媒质决定，如果传输 媒质特性基本不随时间变化，所构成的信道称为恒参 信道。如有线信道、中长波地波传播、超短波及微波 视距传播、人造卫星中继信道等。 随参信道：如果传输媒质特性随时间随机快变化，则 构成的信道通常称为随参信道。如陆地移动信道、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等。 17 调制信道特性及其数学模型 ◼ ◼ 1恒参信道特性及其数学模型 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其 缓慢的。因此，可以等效为一个非时变的线性网络。 信道 s(t ) 线性滤波器 + r (t ) = s(t ) h(t ) + n(t ) h(t ) n(t ) 18 恒参信道特性及其数学模型 ◼ ◼ 1．理想恒参信道特性 设输入信号为Si(t)，则无失真传输时，要求信道的 输出信号 s (t ) = K s (t − t ) 0 ◼ 0 i d 式中：K0为传输系数，它可以表示放大或衰减 一个固定值；td为时间延迟，表示输出信号滞 后输入信号一个固定的时间。频域 S 0 ( ) = K 0 e − jtd S i ( ) 19 恒参信道特性及其数学模型 ◼ 信道的传输函数为 H ( ) = K 0e − jtd ◼ 信道的幅频特性 H ( ) = K 0 ◼ 相频特性 ( ) = t d ◼ 信道冲激响应 h(t ) = K 0 (t − td ) 20 恒参信道特性及其数学模型 ◼ 理想恒参信道的群迟延——频率特性 d ( ) ( ) = = td d | H ( ) | K0 0 ( ) (a) ( ) d d 0 0 (b) 理想信道的幅频、相频及群时延—频率特性曲线 (c) 21 恒参信道特性及其数学模型 2．幅频失真:也称为频率失真，使信号的不同频率 分量受到不同衰减，从而导致信号波形失真。 30 A(f)/dB A(f)/dB 6 20 3 10 0 300 500 800 2000 2800 3000 f /Hz 0 1200 2400 3600 f/Hz (b) (a) 典型音频电话信道的衰耗－频率特性曲线 22 恒参信道特性及其数学模型 3．相频失真:也称群时延失真，使信号的不同频率 分量产生不同的时延，从而导致信号波形失真。 基波 合成波 合成波 谐波 基波 谐波 t （a） t （b） 群延迟产生畸变的例子 23 随参信道特性及其数学模型 随参信道三个特点： （1）对信号的衰耗随时间而变化； （2）传输的时延随时间而变； （3）多径传播 n S (t ) = cos c t → r ( t ) = ai ( t ) cos c [t − i (t )] i =1 24 随参信道特性及其数学模型 1．多径衰落与频率弥散 多径传播接收信号是衰减和时延都随时间变化的各路径信号的合 成： n n r ( t ) = ai ( t ) cos c [t − i (t )] = ai ( t ) cos[c t + i (t )] i =1 i =1 n n i =1 i =1 = ai ( t ) cos i ( t ) cos c t − ai ( t ) sin i ( t ) sin c t = X c (t ) cos c t − X s (t ) sin c t = V (t )[cos c t + (t )] V (t ) 为合成波的包络， (t ) 为合成波的相位。 25 随参信道多径衰落与频率弥散 X c (t ) 、 X s (t )及 由于 ai (t )及 i (t )与载频相比是缓慢变化的，因而， 包络V (t ) 、相位 (t )也是缓慢变化的。故 r (t )为一个窄带过 程，其中心频率为 f c 。从而时域波形及其功率谱的示意图： r (t ) V (t ) 0 [2 f c + d (t ) ] dt Pr ( f ) t 0 f c f 衰落信号的包络与功率谱示意图 26 随参信道多径衰落与频率弥散 多径信号包络与相位的统计特性: 根据概率论的中心极限定理，大量独立随机变量之和趋于高斯分布， 可知任一时刻 t1，X c ( t1 ) 、X s ( t1 ) 是高斯随机变量，从而 X c (t )及 X s (t )是 高斯随机过程。一般二者均值为0，方差相等，故 r (t ) 可认为是窄带 平稳高斯过程，故包络 V (t ) 的一维分布服从瑞利分布，相位 (t ) 的 一维分布服从 0 ~ 2 之间的均匀分布。 当多径传播存在一路特别强的信号，如陆地移动信道收发信机之间存 在一条直射波通路或短波电离层反射中出现一条固定镜面反射信号 时，与前面讨论的正弦波加窄带高斯噪声相似，包络V (t )将趋于 广义瑞利（莱斯）分布，而相位 (t )也将偏离均匀分布。 27 多径衰落与频率弥散 多径传播对信号的影响表现为： （1）瑞利衰落： 波形上，多径传播使单一频率信号A cos c t 变成包络和相 位受到调制的窄带信号，这样的信号称为衰落信号。通 常，包络V (t )服从瑞利分布，所以称为瑞利型衰落。 （2）频率弥散： 频谱上，多径传播使单一频率变成了一个窄带频谱，引 起频率弥散。 （3）频率选择性衰落： 即信号频谱中的某些频率分量被衰落而导致信号失真。 28 随参信道特性及其数学模型 2．频率选择性衰落 s(t) 时延t0 K r(t) + 时延t0 +τ K 两径传播模型 发射信号 s (t ) 经过两条仅时延不同的路径： r (t ) = Ks (t − t0 ) + Ks (t − t0 − ) R( ) = KS ( )e − jt0 + KS ( )e − j (t0 + ) R( ) H ( ) = = Ke− jt0 (1 + e − j ) S ( ) 29 频率选择性衰落 令信号强度K=1，则两径信道幅频特性为： H ( ) = 1 + e − j = 1 + cos − j sin = 2 cos( / 2) 当 = 2n 时，出现传播极点；当 = (2n + 1) 时，出现 传输零点。即对不同的频率成份有不同的衰减。 2 O | 1 + e − j (t ) | | 1 + e − j | / 2 2 / 3 / O / (t ) （b） （a） 网络的幅频特性 30 频率选择性衰落 多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差 m 来 表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置。并定 义多径传播信道的相关带宽为 Bc = 1 m (Hz) 为了不引起明显的频率选择性衰落，传输信号的带 宽B必须小于多径传播信道的相关带宽Bc 。在工程设 计中，通常选择信号带宽为相关带宽的1/ 5 ~ 1/ 3。 31 随参信道特性及其数学模型 ◼ 克服方法：分集技术、均衡技术、交织编码技术等 ◼ 3．时变线性滤波信道模型 信道 s(t ) 线性时变 滤波器 h( ; t ) + r (t ) = s(t ) h( ; t ) + n(t ) n(t ) 32 编码信道 编码信道包括调制器、解调器及调制信道的信道。它与调制信道模型有明显的不同。 在调制信道中，对信号的影响是通过 k(t)及 n(t)使调制信号发生模拟变化；而在编码信 道中，对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。 故调制信道有时被看成是一种模拟信道，而编码信道则看成是一种数字信道。 由于编码信道包含调制信道，因而调制信道的变化同样会对编码信道产生影响。从编码 和译码的角度看，以上这个影响已被反映在解调器的最终结果中，使解调器输出的数字 序列以某种概率发生差错。显然，如果调制信道差，即传输特性不理想和加性噪声严重， 则发生差错的概率将会变大。因此，编码信道的模型可以用数字的转移概率来描述。 33 编码信道 34 信道容量的概念 ◼ ◼ 信道容量：是指信道中信息无差错传输的最 大速率。 1．香农公式 设信道带宽为B（Hz），信道输出信号功率为S(W)， 输出加性高斯噪声功率为N（W），则可以证明该信道 的信道容量为 C = B log 2 (1 + S S ) = B log 2 (1 + ) N n0 B 35 信道容量的概念（续2） ◼ ◼ 由香农公式可得以下结论： （1）增大信号功率S可以增加信道容量，若 信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无 穷大，即 S lim C = lim B log 2 1 + → S → S → N 36 信道容量的概念（续3） ◼ （2）减小噪声功率N可以增加信道容量，若噪 声功率趋于零，则信道容量趋于无穷大，即 S lim C = lim B log 2 1 + → N →0 N →0 N 37 信道容量的概念（续4） ◼ ◼ （3）增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使 信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信 道容量的极限值为 S S lim C = log 2 e 1.44 B → n0 n0 上式表明，保持S/n0一定，即使信道带宽B→，信 道容量C也是有限的，这是因为信道带宽B→时，噪 声功率N也趋于无穷大。 38