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第三章第三章 信道信道 信道是通信系统必不可少的组成部分，信道是通信系统必不可少的组成部分，而信道中的噪声又是不可避免的，因而对信而信道中的噪声又是不可避免的，因而对信道和噪声的研究乃是研究通信问题的基础。道和噪声的研究乃是研究通信问题的基础。信道是信号传输的媒质。信道是信号传输的媒质。根据研究问题的角度不同，对信道的分根据研究问题的角度不同，对信道的分类方法也不同。类方法也不同。（1）狭义信道）狭义信道狭义信道：仅指信号传输媒质。狭义信道：仅指信号传输媒质。狭义信道可分为：狭义信道可分为：有线信道有线信道无线信道无线信道（2）广义信道）广义信道广义信道：除了传输媒质外，还包含有关广义信道：除了传输媒质外，还包含有关 的转换设备。的转换设备。广义信道可分为广义信道可分为调制信道调制信道编码信道编码信道调制信道调制信道：是指调制器输出端到解调器输：是指调制器输出端到解调器输 入端的部分。入端的部分。编码信道编码信道：是指编码器输出端到译码器输：是指编码器输出端到译码器输 入端的部分。入端的部分。调调 制制 器器发发转转换换器器收收转转换换器器 媒媒 质质 解解 制制 器器编编码码器器输输出出译译码码器器输输入入调制信道调制信道编码信道编码信道3.1 无线信道无线信道 无线信道利用电磁波在空间中的传播来传无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号。输信号。电磁波的方式主要有：地波、天波和视线传播。电磁波的方式主要有：地波、天波和视线传播。地波：地波：沿地表面传播，有一定的绕射能力，频沿地表面传播，有一定的绕射能力，频率较低（率较低（2MHZ以下）时可用地波传播。以下）时可用地波传播。天波：天波：利用电离层反射传播，频率较高，当频利用电离层反射传播，频率较高，当频率在（率在（2MHZ30MHZ）时可用天波传播。）时可用天波传播。视线传播：视线传播：在空间中直线传播，当频率高在空间中直线传播，当频率高于于30MHZ时，采用视线传播。时，采用视线传播。3.2 有线信道有线信道有线信道可分为：有线信道可分为：明线、对称电缆、同轴电缆和光纤。明线、对称电缆、同轴电缆和光纤。光纤信道是以光导纤维为传输媒质、光光纤信道是以光导纤维为传输媒质、光波为载波来传输信息的信道。波为载波来传输信息的信道。1、何为光纤信道、何为光纤信道光纤信道光纤信道2、光纤信道的特点：、光纤信道的特点：传输损耗低、频带宽、线径细、重量轻、传输损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及可曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁波干扰等优点，但焊接麻烦。不受电磁波干扰等优点，但焊接麻烦。目前光纤信道采用强度调制目前光纤信道采用强度调制直接检波直接检波方式，它由光源、光纤线路和光电探测器等方式，它由光源、光纤线路和光电探测器等三个基本部分组成。三个基本部分组成。3、光纤信道的构成、光纤信道的构成光源光源光调制器光调制器基带处理基带处理光纤线路光纤线路光探测器光探测器基带处理基带处理调制电信号调制电信号调制电信号调制电信号已调光信号已调光信号基带电信号基带电信号基带电信号基带电信号目前常用的光源（光发送器）有：目前常用的光源（光发送器）有：LED、LD光探测器有：光探测器有：PIN、APD4、光纤的构成、光纤的构成光纤主要由纤芯（光导纤维）和包层组成。光纤主要由纤芯（光导纤维）和包层组成。纤芯纤芯包层包层对光波的折射率纤芯略高于包层对光波的折射率纤芯略高于包层结构特点：结构特点：5、光纤的分类、光纤的分类（1）按传输模式分类）按传输模式分类可分为单模光纤和多模光纤可分为单模光纤和多模光纤（2）按折射率分布曲线分类）按折射率分布曲线分类 阶跃型光纤阶跃型光纤 渐变型光纤渐变型光纤 三角型光纤三角型光纤可分为可分为6、三个低损耗窗口、三个低损耗窗口7、光纤的传输特性、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包含两个特性：光纤的传输特性主要包含两个特性：（1）损耗特性）损耗特性 损耗特性是指光信号在光纤中传输时随损耗特性是指光信号在光纤中传输时随着传输距离的增加，光信号的功率也随着减小。着传输距离的增加，光信号的功率也随着减小。（2）色散特性）色散特性 色散特性是指信号的群速度随频率或模色散特性是指信号的群速度随频率或模式的不同而引起的信号失真。式的不同而引起的信号失真。综上：由于色散特性和损耗特性的存在，限制综上：由于色散特性和损耗特性的存在，限制 了通信容量和传输距离，因此常常传输了通信容量和传输距离，因此常常传输 一段距离后增加一个中继站。一段距离后增加一个中继站。3.3 信道的数学模型1、调制信道模型、调制信道模型 调制信道一般可看成一个输出端叠加调制信道一般可看成一个输出端叠加有噪声的时变线性网络。有噪声的时变线性网络。时变线时变线性网络性网络综上分析：综上分析：（1）调制信道对信号的干扰有两种：乘性干）调制信道对信号的干扰有两种：乘性干扰扰 和加性干扰和加性干扰 。分析信道对信。分析信道对信号的具体影响，只要了解号的具体影响，只要了解 与与 的的特性即可。特性即可。（2）分析乘性干扰）分析乘性干扰 的影响时，可把的影响时，可把调制信道分为两大类：调制信道分为两大类：恒参信道：即恒参信道：即 随时间缓慢变化；随时间缓慢变化；随参信道：即随参信道：即 随机快变化。随机快变化。2、编码信道模型、编码信道模型 编码信道的特性可用信道转移概率（条编码信道的特性可用信道转移概率（条件概率）来描述。件概率）来描述。0011P(0/0)P(1/0)P(0/1)P(1/1)3.6 随参信道举例 随参信道包括短波电离层反射，超短波流随参信道包括短波电离层反射，超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射以及超短波视距绕射等传输短波电离层散射以及超短波视距绕射等传输媒质所分别构成的调制信道。媒质所分别构成的调制信道。一、短波电离层反射信道一、短波电离层反射信道 短波是指波长为短波是指波长为10010m（相应频率（相应频率为为330MHZ）的无线电波。有两种传播）的无线电波。有两种传播方式，即地波传播和天波传播。方式，即地波传播和天波传播。1、传播路径、传播路径BA电离层可分为电离层可分为D、E、F1、F2四层，其中四层，其中D、E两层为吸收层，两层为吸收层，F1为穿透层，为穿透层，F2为反射层为反射层。F2F2层的高度为层的高度为250300km，故一次反射的，故一次反射的最大距离约为最大距离约为4000km。2、工作频率、工作频率 为了实现短波通信，在选择工作频率时要为了实现短波通信，在选择工作频率时要考虑以下两个条件：考虑以下两个条件：（1）工作频率应小于最高可用频率；）工作频率应小于最高可用频率；（2）使电磁波在）使电磁波在D、E层的吸收较小。层的吸收较小。电离层对电磁波的吸收损耗与层中电子电离层对电磁波的吸收损耗与层中电子密度成比例，由于电离层的电子密度随昼夜、密度成比例，由于电离层的电子密度随昼夜、季节以致年份剧烈地变化，使得最高可用频季节以致年份剧烈地变化，使得最高可用频率和吸收损耗也相应变化，因此，短波通信率和吸收损耗也相应变化，因此，短波通信工作频率需要经常更换。工作频率需要经常更换。夜间工作频率低。夜间工作频率低。3、多径传播、多径传播 所谓多径传播是指发射点发出的电波可所谓多径传播是指发射点发出的电波可能经过多条路径到达接收点。能经过多条路径到达接收点。在短波电离层反射信道中，引起多径传在短波电离层反射信道中，引起多径传播的主要原因是：播的主要原因是：（1）电波经电离层一次和多次反射；（主要）电波经电离层一次和多次反射；（主要）（2）几个反射层高度不同；）几个反射层高度不同；（3）电离层不均匀性引起漫射现象；）电离层不均匀性引起漫射现象；（4）地球磁场引起的电磁波分裂成寻常波）地球磁场引起的电磁波分裂成寻常波和非寻常波。和非寻常波。影响影响：主要影响是：主要影响是快衰落及多径时延失真快衰落及多径时延失真。快衰落信号的振幅大体上服从快衰落信号的振幅大体上服从广义瑞利分布广义瑞利分布。解决办法：解决办法：采用分集接收技术。采用分集接收技术。4、特点、特点 短波电离层反射信道过去是、现在仍然是短波电离层反射信道过去是、现在仍然是远距离传输的重要信道之一。其特点是：远距离传输的重要信道之一。其特点是：优点：优点：（1）要求的功率较小，终端设备的成本较低；）要求的功率较小，终端设备的成本较低；（2）传播距离远；）传播距离远；（3）受地形限制较小；）受地形限制较小；（4）有适当的传输频带宽度；）有适当的传输频带宽度；（5）不宜受到人为破坏；）不宜受到人为破坏；缺点：缺点：（1）传输可靠性差，电离层中的异常变化）传输可靠性差，电离层中的异常变化会引起较长时间的通信中断，传输可靠性一会引起较长时间的通信中断，传输可靠性一般率只能达般率只能达0.9；（2）需要经常变换工作频率，使用复杂；）需要经常变换工作频率，使用复杂；（3）存在快衰落和多径时延失真；）存在快衰落和多径时延失真；（4）干扰电平高。）干扰电平高。二、对流层反射信道二、对流层反射信道 对流层散射信道是一种超视距的传播信道，对流层散射信道是一种超视距的传播信道，其一跳的传播距离约为其一跳的传播距离约为100500km，可工，可工作在超短波和微波波段。作在超短波和微波波段。对流层是指距地面对流层是指距地面1012km以下的大气层。以下的大气层。散射体散射体1站站2站站主要特征：主要特征：1、衰落特性、衰落特性 衰落特性是指散射信号电平不断随时间变衰落特性是指散射信号电平不断随时间变化的特性，这些变化分为慢衰落和快衰落。化的特性，这些变化分为慢衰落和快衰落。慢衰落取决于气象条件；快衰落由多径传播慢衰落取决于气象条件；快衰落由多径传播引起。引起。2、传播损耗、传播损耗 传播损耗是指无线电波经散射传播能传播损耗是指无线电波经散射传播能量的总损耗，它包括两部分量的总损耗，它包括两部分，即自由空间，即自由空间的能量扩散损耗和散射损耗。的能量扩散损耗和散射损耗。3、信道的允许频带、信道的允许频带 是指信号通过信道时信号波形不会产生是指信号通过信道时信号波形不会产生严重失真时，信道所允许的信号带宽。严重失真时，信道所允许的信号带宽。定义为定义为最大多径时延差最大多径时延差4、天线与媒质间的耦合损耗、天线与媒质间的耦合损耗 是指天线在自由空间的理论增益与在对是指天线在自由空间的理论增益与在对流层散射线路上测得的实际增益之差。流层散射线路上测得的实际增益之差。3.7 随参信道特性及其对信号 传输的影响 随参信道的传输特性主要依赖于其传输随参信道的传输特性主要依赖于其传输媒质，随参信道的传输媒质具有以下特点：媒质，随参信道的传输媒质具有以下特点：（1）对信号的衰减随时间而变；）对信号的衰减随时间而变；（2）传输的时延随时间而变；）传输的时延随时间而变；（3）多径传播。）多径传播。分析可知：多径传播对信号传输的影响为：分析可知：多径传播对信号传输的影响为：（1）产生瑞利型衰落）产生瑞利型衰落 是指幅度恒定频率单一的载波信号变是指幅度恒定频率单一的载波信号变成了包络和相位受调制的窄带信号。成了包络和相位受调制的窄带信号。（2）引起频率弥散）引起频率弥散是指单一频率变成窄带频谱。是指单一频率变成窄带频谱。（3）造成频率选择性衰落）造成频率选择性衰落 是指信号频谱中某些分量被衰落的一种是指信号频谱中某些分量被衰落的一种现象，发生在传输信号的频谱大于多径传播现象，发生在传输信号的频谱大于多径传播媒质的相关带宽。媒质的相关带宽。为减小选择性衰落，往往要限制数值信为减小选择性衰落，往往要限制数值信号的传输速率（限制数字信号的频谱宽度）号的传输速率（限制数字信号的频谱宽度）即信号的频带（即信号的频带（）必须小于相关带宽。）必须小于相关带宽。通常取通常取综上所述综上所述：多径传播引起的瑞利型衰落和频：多径传播引起的瑞利型衰落和频率选择性衰落是严重影响信号传输的两个因率选择性衰落是严重影响信号传输的两个因数。因此，对随参信道往往要抗衰落措施，数。因此，对随参信道往往要抗衰落措施，其中较为有效的一种就是分集接收技术。其中较为有效的一种就是分集接收技术。3.8 分集接收基本思想：基本思想：在接收端同时获得几个不同路径在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，只要被分集的几个信号之间是统计独信号，只要被分集的几个信号之间是统计独立的，则经适当的合并后就能使系统性能大立的，则经适当的合并后就能使系统性能大为改善。为改善。（1）空间分集）空间分集（2）频率分集）频率分集（3）角度分集）角度分集（4）极化分集）极化分集 根据获得几个相互独立的信号手段的根据获得几个相互独立的信号手段的不同有以下几种分集方式：不同有以下几种分集方式：各分散的信号进行合并的方法通常有：各分散的信号进行合并的方法通常有：（1）最佳选择式）最佳选择式（2）等增益相加式）等增益相加式（3）最大比值相加式）最大比值相加式2.9 信道的加性噪声 调制信道对信号的影响除乘性干扰外，调制信道对信号的影响除乘性干扰外，还有加性干扰（加性噪声）。还有加性干扰（加性噪声）。加性噪声是分散在通信系统中各处噪声加性噪声是分散在通信系统中各处噪声的集中表示。它独立于有用信号，却始终干的集中表示。它独立于有用信号，却始终干扰有用信号。加性噪声的主要代表是起伏噪扰有用信号。加性噪声的主要代表是起伏噪声（包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）。声（包括热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）。这类噪声是不可回避的客观存在，是影响通这类噪声是不可回避的客观存在，是影响通信质量的主要因数之一。信质量的主要因数之一。1、热噪声、热噪声 热噪声是在电阻一类导体中，自由电子热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。的布朗运动引起的噪声。2、散弹噪声、散弹噪声 散弹噪声是由真空电子管和半导体器件散弹噪声是由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的。中电子发射的不均匀性引起的。3、宇宙噪声、宇宙噪声 宇宙噪声是指天体辐射波对接收机形成宇宙噪声是指天体辐射波对接收机形成的噪声。的噪声。理论和实践证明：理论和实践证明：热噪声、散弹噪声和宇宙热噪声、散弹噪声和宇宙噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内噪声均为高斯噪声，且在很宽的频率范围内都具有平坦的功率谱密度。都具有平坦的功率谱密度。故：起伏噪声定义为高斯白噪声。故：起伏噪声定义为高斯白噪声。其双边功率谱密度为其双边功率谱密度为其一维概率密度函数为其一维概率密度函数为 当研究调制与解调时，起伏噪声往往先当研究调制与解调时，起伏噪声往往先通过一个带通滤波器才能到达解调器的输通过一个带通滤波器才能到达解调器的输入端，此处的噪声是一个入端，此处的噪声是一个窄带高斯噪声。窄带高斯噪声。3.10 信道容量的概念信道容量是指信道的极限传输能力。信道容量是指信道的极限传输能力。一、信道容量的定义一、信道容量的定义 信道无差错传输信息的最大信息速率信道无差错传输信息的最大信息速率称为信道容量，记为称为信道容量，记为 C。二、离散信道的信道容量二、离散信道的信道容量1、无噪信道、无噪信道 由于信道无噪声，故它的输入与输出一由于信道无噪声，故它的输入与输出一一对应。一对应。2、有噪信道、有噪信道 由于信道噪声的存在，故它的输入与输由于信道噪声的存在，故它的输入与输出之间不存在一一对应的关系。出之间不存在一一对应的关系。于是有于是有即：有噪声信道中信息传输速率等于每秒即：有噪声信道中信息传输速率等于每秒中内信息源发送的信息量与由于信道的不中内信息源发送的信息量与由于信道的不确定性而引起丢失的那部分信息量之差。确定性而引起丢失的那部分信息量之差。思考：思考：为了提高信息传输速率，可从为了提高信息传输速率，可从那些方面作工作？那些方面作工作？三、连续信道的信道容量三、连续信道的信道容量 根据香农信息论可得，受到高斯白噪声根据香农信息论可得，受到高斯白噪声干扰的连续信道的信道容量为干扰的连续信道的信道容量为由香农公式得到以下重要结论：由香农公式得到以下重要结论：作业作业2-13 2-14 2-15