信道是指以传输媒质为基础的信号通道11页

第４章信道

信道是指以传输媒质为基础的信号通道，是将信号从发送端传送到接收端的通道。

如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道。如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等。这种信道称为广义信道。

无线信道利用电磁波在空间的传播来传播信号；有线信道利用导线、波导、光纤等媒质来传播信号。常把广义信道简称为信道。

4.1 无线信道

信道是对无线通信中发送端和接收端之间通路的一种形象比喻。

对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。

信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。

电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。

地波：频率在2MHz以下，电磁波沿大地与空气的分界面传播。传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。在传播途中的衰减大致与距离成正比。地波的传播比较稳定，不受昼夜变化的影响，所以长波、中波和中短波可用来进行无线电广播。

根据波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过，短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领很差。

由于地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高，损失越大，因此中波和中短波的传播距离不大，一般在几百千米范围内，收音机在这两个波段一般只能收听到本地或邻近省市的电台。长波沿地面传播的距离要远得多，但发射长波的设备庞大，造价高，所以长波很少用于无线电广播，多用于超远程无线电通信和导航等。

天波：天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的，频率范围在

2~30MHz。天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地

面，又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。

电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。波长短于10m(30MHz)的微波

能穿过电离层，波长超过3000km 的长波，几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最适宜以天波的形式传播。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。

视线传播：频率高于30MHz 的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来，它只能作视线传播，即直线传播。典型的是微波通信，利用微波接力站。天线越高，传播距离越远。

利用三颗同步地球卫星(高度35800km)，可实现全球通信。

中、低轨道卫星主要用于移动通信，一般距地面1000km ，由于卫星的轨道高度

低，卫星形成的覆盖小区在地球表面快速移动，绕地球一周约需两小时。传输延时短，路径损耗小，若干数量的卫星组成空间移动通信网，在任一时间和地球上的任一地点，都有至少一颗卫星可以覆盖。卫星之间实行空间交换，以保证陆地、海洋乃至空中的移动通信不间断地进行。

4.２ 有线信道

有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体来传

输信号。

构成有线信道的传输媒质包括架空明线、对称（平衡）

电缆、同轴电缆、光缆、波导管等。以适应各种不同的通信方式及不同容量的需要。

架空明线主要优点是架设比较容易，建设较快，传输衰耗比较小。主要缺点是随频率升高辐射损耗迅速增加，线对间串话也急剧增加。此外受环境影响大，保密性差，维护工作量较大。

天波的传播 地波的传播

同步卫星 低轨道卫星系统

架空线路

对称电缆由若干对双绞线组成。对称电缆的通信容量比架空明线大，每条电路投资比明线低，电气性能比较稳定，安全保密性好。

同轴电缆是将电磁波封闭在同轴管内，内导体多为实心导线，外导体为一根空心导电管或金属编织网。即使工作频率较高，同轴电缆之间电磁波的相互干扰也较小，因此适用于高频段、大容量载波电话（电报）通信。

光在

高折射率的媒质

中具有聚焦特性，

把折射率高的媒

质做成芯线，折射

率低的媒质做成芯线的包层，就构成光纤，光纤集中在一起构成光缆。光纤可以传输光信号。光缆通信容量极大、传输损耗极小、没有串话现象、不受电磁感应干扰。

光线的传播模式是指光线传播的路径。

多模光纤是指光波在光纤中的光线有多条传播路径。用发光二极管作光源，光源不是单色的，包含多个频率成分。各路径传输时延不同，存在色散现象，造成波形失真，带宽低。

单模光纤是指光波在光纤中只有一种传播模式。激光器作光源，单色波传播，只有一种传播模式，频带宽。

单模光纤传输采用激光器，成本高，用作远距离传输；多模光纤采用发光二极管，成本低，用作近距离传输。

4.3 信道的数学模型

调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变换。

对称电缆 同轴电光缆

编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。

1.调制信道模型

调制信道的共性：

1)

有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端； 2)

绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理； 3)

信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到(固定的或时变的)损耗； 4) 即使没有信号输入，在信道的输出端仍有一定的功率输出(噪声)。

对于二对端的信道模型(一对输入端和一对输出端)，其输出与输入的关系应该有

其中， 为输入的已调信号； 为信道总输出波形； 为加性噪声/干扰，

且与 相互独立。 表示已调信号通过网络所发生的(时变)线性变换。

若设 ，则有 信道的作用相当于对输入信号乘了一个系数k(t)。上式为调制信号的一般数学

模型。加性干扰 n (t )，乘性干扰k (t )。

通常乘性干扰是一个复杂的函数，包括各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，往往用随机过程来表述。

在分析乘性干扰时，可以把信道粗略分为两大类：

恒参信道： k (t )不随时间变化或基本不变化；

随参信道： k (t )随机快变化。

当没有信号输入时，加性干扰也存在，但没有乘性干扰输出。

2.编码信道模型

编码信道的输入和输出信号是数字序列，对二进制即0和1的序列。

编码信道对信号的影响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。一般把编码信道看成是一种数字信道。

编码信道模型可以用数字的转移概率来描述，模型中，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称为信道转移概率。以P(1/0)为例，其含义是“经信道传输，把0转移为1的概率”，这是一种错误转移概率。

编码信道是无记忆的信道，即前后码元发生的错误是互相独立的。

二进制编码信道模型概率关系：

四进制编码信道模型：

二对端网络 多对端网络 ()i e t ()o e t ()n t ()i e t ()i f e t ⎡⎤⎣⎦()()()

i i f e t k t e t =⎡⎤⎣⎦()()()()o i e t k t e t n t =+