第三章 信道和噪声

3.1.1 信道的定义及分类
• 信道就是指信号传输的通道，也可以说是 传输媒介。 • 比如：日常生活中的电缆、光纤、天线、 电磁波等都是信号的传输媒介，都可以成 为信道。
信道的定义及分类
• 除了这些传输媒介外，信号在传输过程 中还会经过编码器、调制器、发送机、接 收机、解调器和译码器等设备，这些设备 也是信号信号传输过程中要经过的道路。 因此，通常把传输媒介称为狭义信道，而 把信号必须经过的各种通信设备统称为广 义信道。
通信原理 第三章：信道与噪声
★ 3.1 信道定义与分类
★ 3.2 信道的数学模型 ★ 3.3 恒参信道及随参信道举例与
噪声
★ 3.4 信道容量的概念 ★ 3.5 扩频通信
3.1 信道
• 信号的传输通道是信道，信道是通信 系统中重要的组成部分，信道中的噪声也 是不可避免的，因此了解信道和噪声对了 解信号的传输原理是至关重要的。 • 下面通过一个小动画来简单了解一下 信号在信道中传输所经历的一切。
3－30 MHz 30－100 MHz 100－4000 MHz
超短波电离层散射信道、
超短波超视距绕射信道 等 。
30－60 MHz
通信原理 2008年
随参信道举例
• a) 陆地移动信道 • 陆地移动通信工作频段主要在VHF和 UHF频段，电波传播特点是以直射波为主 。 • 但是，由于城市建筑群和其它地形地 物的影响，电波在传播过程中会产生反射 波、散射波以及它们的合成波，电波传输 环境较为复杂。 • 因此移动信道是典型的随参信道 。
架空明线
有线电信道
对称电缆 同轴电缆
恒参信道
光纤信道
微波中继信道
无线电视距中继信道 卫星中继信道
3.3.2
随参信道举例及其传输特性
随参信道 是指 信道传输特性 随时间 随机 快速 变 化的信道 。 常见的 随参信道 有： 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、
• 对于大多数有线信道，由于它们的传输参 数恒定，不随时间而变化，所以幅度-频率 特性和相位-频率特性就是它们的主要特性。
• 对于信号而言，幅度、频率、相位是信号 的基本特性，因此我们希望信道经过信道 后，幅度不变，相位不变，频率也不变， 这样信号就不可能失真了。 • 但这是不可能的，信号在传输过程中肯定 会衰减，也肯定会有时延。
广义信道
信道的定义及分类
狭义信道按照传输媒质的特性可分为： 有线信道和 无线信道 两类。
广义信道按照它包括的功能，可以分为 调制信道 、编码信道 等。 分别介绍有线信道、无线信道、调制信 道 、编码信道 。
信道的定义及分类
• 调制信道是指从调制器输出端到解调器 输入端所包含的发转换装置、媒介和收转 换装置 三部分。 编码信道是指编码器输出端到译码器输 入端的部分。即包括调制器、调制信道和 解调器。
狭义信道
信道
有线信道，如 电缆、光纤 等 无线信道，如中短波、微波信道等
恒参信道
调制信道 随参信道 有记忆编码信道 无记忆编码信道
广义信道
编码信道
3.2.1 调制信道的模型
• 通过对调制信道进行大量的分析研究，发 现它具有如下共性 ： • (1) 有一对(或多对)输入端和一对(或多对) 输出端； • (2) 绝大多数信道是线性的，即满足线性 叠加原理； (3) 信号通过信道具有固定或时变的延迟 时间；
如何解决？
• 1、路径衰落 • 当信号衰减到一定程度时，可以加一个中 继放大器来加强信号。 • 有时这种衰落还有很大的好处。
• 2、阴影衰落 • 可以加一些信号放大器，这些信号放大器 有时也称为直放站。目前，解决电梯、地 下室、隧道、偏远山区的信号覆盖，多采 用这种方法。
• 3、瑞利衰落 • 可以多用几面天线来进行接收，这种方法 叫做分集接收。
• 根据公式可知，当没有信号时，没有乘性 干扰，有加性噪声。
3.1.2 编码信道模型
编码信道输入是离散的时间信号，输 出也是离散时间信号，对信号的影响则是 将输入数字序列变成另一种输出数字序列。
• 由于信道噪声或其它因素的影响，将导致 输出数字序列发生错误，因此输入输出数 字序列之间的关系可以用一组转移概率来 表征。 • 二进制数字传输系统的一种简单的编码信 道模型如图2所示：
先验概率
正确转移 概率 错误转移 概率
P(0)
0
P(1/0) P(0/1)
P(0/0)
0
P(1)
1
P(1/1)
1
图 2 二进制编码信道模型
图中 P(0) 和 P(1) 分别是 发送 “ 0” 符号 和 “1” 符号的 先验概率 ； P(0/0) 与 P(1/1) 是 正确转移概率 ； P(1/0) 与 P(0/1) 是 错误转移概率 。 输出 总的错误概率 为：
• 通常假设： • 这时上式变为：eo (t ) k (t )ei (t ) n(t )
f [ei (t )] k (t )ei (t )
ei (t )
（式1）
• 因k(t)随t变，故信道称为时变信道。
• 因 k ( t )与 e 扰。
i
(t)相乘，故称其为乘性干
• 因k(t)随时间t随机变化或快速变化，称 此信道为随参信道。 • 若k(t)随时间t变化很慢或很小，则称此 信道为恒参信道。
有线信道 狭义信道 无线信道
信道 调制信道 广义信道
（简称信道）
通信效果的好坏，很大 程度上将依赖于狭义信 道的特性。
编码信道
从研究信息传输的角度 出发，使一些基本问题 的研究比较方便。
信道的定义及分类
• 所谓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 够看得见的媒介。 • 有线信道是现代通信网中最常用的信道 之一，如对称电缆（又称电话电缆）广泛 应用于（市内）近程传输。但信号在传输 过程中肯定会有衰减，也肯定会有时延。
明线
• b) 对称电缆 • 对称电缆是在同一保护套内有许多对 相互绝缘的双导线 的传输媒质。 为了减小各线对之间的相互干扰，每 一对线都拧成扭绞状。电缆的传输损耗比 较大，但其传输特性比较稳定，并且价格 便宜、灵活、安装容易。
对称电缆（双绞线）
c) 同轴电缆
同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体 是圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间 填充着介质。 实际应用中，同轴电缆的外导体接地，对 外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆 抗电磁干扰性能较好。 在有线电视网络中大量采用同轴电缆。
• (4) 信号通过信道会受到固定的或时变 的损耗； • (5) 即使没有信号输入，在信道的输出端 仍可能有一定的输出（噪声）。 • 调制信道数学模型如下图1所示。
ei(t)
f [ei(t)]
e0(t)
eo (t) f [ei (t)] n(t)
n(t)
图 1 调制信道数学模型
－ 信道输入端信号电压； eo (t ) － 信道输出端的信号电压； n(t ) － 噪声电压。
通信原理 2008年
• d) 微波中继信道 • 微波频段的频率范围一般在几百MHz至
几十GHz范围，其传输特点是在 自由空间 沿视距传输。 • 由于受地形和天线高度的限制，两点 间的传输距离一般为30km~50km，当长距离 通信时，需要在中间建立多个中继站。 • 微波中继信道具有传输容量大、长途 传输质量稳定、节约有色金属、投资少、 维护方便等优点。因此，被广泛用来传输 多路电话及电视等。
• 通过第二章的学习我们知道，一个信号是 由不同频率分量的信号组成。这样如果衰 减和时延不一致的话，就会变形。 • 如果不同频率的信号衰减一致的话，频谱 形状基本没有变化，所以没有频率失真。 • 但如果一些衰减大，一些衰减小，那就会 产生变形。
3.1.2 如何弥补？
• 对于像有线信道这样的有固定幅频特 性或相频特性的信道，可以添加一个补偿 电路，使总的信道特性趋于平坦，这种通 过校正幅频特性或相频特性来补偿失真信 号的处理方法，也称为频域均衡。还有一 种均衡是通过产生波形去补偿失真波形的， 这种均衡则称为时域均衡。有关时域均衡 我们讲到数字信号的基带传输时再继续。
• 第一种衰减是自然的衰减。电磁波即使在 无遮无挡的自由空间传播，功率也会随传 输距离的增加而衰减，衰减量大约是传输 距离的3~4倍，这种衰减成为路径衰减。
• 第二种衰减是遇到起伏的地形、建筑物或 障碍物时，因为阻塞而发生的衰减，这种 衰减称为阴影衰减。
• 第三种衰减是由电磁波的多径传输引起的， 也叫瑞利衰减。由于电波通过各个路径的 距离不同，因而各个路径来的反射波到达 时间不同，相位也就不同。不同相位的多 个信号在接收端迭加，有时迭加而加强 （方向相同），有时迭加而减弱（方向相 反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化， 即产生了衰落。
3.3 恒参及随参信道举例
• 恒参信道的信道特性不随时间变化或 变化很缓慢 。 • 由架空明线、电缆、中长波地波播、 超短波及微波与光波的视距传播、人造卫 星中继、以及光导纤维等 传输媒质构成的 广义信道都属于恒参信道。
3.3.1 恒参信道举例
• a) 明线 • 平行而相互绝缘的架空裸线线路。优 点：传输损耗低；缺点：易受气候和天气 的影响，并且对外界噪声干扰敏感。目前， 已逐渐被电缆所取代。
信道的定义及Hale Waihona Puke Baidu类
• 调制信道是指从调制器输出端到解调器 输入端所包含的发转换装置、媒介和收转 换装置 三部分。 编码信道是指编码器输出端到译码器输 入端的部分。即包括调制器、调制信道和 解调器。
3.2 信道的数学模型
• 信道的数学模型用来表征实际物理信道 的特性，它对通信系统的的分析和设计是 十分方便的。
3.1.3 无线信道
• 无线信道的传输媒介比较多，它包括 短波电离层反射、对流层散射等。可以这 样认为，凡不属有线信道的媒介均为无线 信道的媒介。无线信道具有方便、灵活、 通信者可移动等优点，但无线信道的传输 特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠。 • 移动通信是最为典型的无线通信系统。
•
移动通信系统多建于大中城市的市区， 城市中的高楼林立、高低不平、疏密不同、 形状各异，这些都使移动通信中无线电波 的传播路径进一步复杂化，并导致其传输 特性变化十分剧烈。使得移动台接收到的 电波一般是直射波和随时变化的绕射波、 反射波、散射波的叠加，这样就造成所接 收信号的电场强度起伏不定，这种现象称 为衰落。
•
比如：有线电视信号随着有线电视台到 用户之间的距离越来越远而衰减得越来越 严重，那么有线电视台是如何保证长距离 传输有线电视信号时不衰减的？
•
有线电视传输距离是通过中转站（地方 有线电视台）进行有线电视信号的放大， 以解决由传输距离造成的衰减，同时对于 没有中转站，距离较远的地方，比如城市 到乡镇再到各区等，都是采用干线放大器 进行信号放大，（路边电线杆上的小盒子 就是专用于高频电视信号放大的）。
• b)短波电离层反射信道 • 短波电离层反射信道是利用地面发射 的无线电波在电离层与地面之间的一次反 射或 多次反射所形成的信道。 • 离地面60~600 km的大气层称为电离层。 电离层是由分子、原子、离子 及自由电子 组成。 • 形成电离层的主要原因是：太阳辐射 的紫外线和x射线。
P (0 / 0) P (1 / 0) 1 P (1 / 1) P (0 / 1) 1
•
由二进制无记忆编码信道模型，可以容 易的推广到多进制无记忆编码信道模型 。 • 如果编码信道是有记忆的，即信道噪 声或其它因素影响导致输出数字序列发生 错误是不独立的，则编码信道模型要复杂 得多。
地球
• e) 卫星中继信道 • 卫星中继信道 是 利用人造卫星作为 中继站 构成的通信信道。 • 若卫星运行轨道在赤道平面、离地面 高度为35780Km 时，绕地球运行一周的时 间恰为 24小时 与地球自转同步，这种卫 星称为 静止卫星 。 • 不在静止轨道运行的卫星称为 移动卫 星 。
• f ) 光纤信道 • 光导纤维 (简称光纤) 为传输媒质、 光波 为 载波 的光纤信道。 • 组成：光源、光纤线路 及 光电探测 器 等三个部分。
Pe P(0) P(1/ 0) P(1) P(0 / 1)
(式2)
• 在图2所示的编码信道模型中，由于信道噪 声或其它因素影响导致输出数字序列发生 错误是统计独立的，因此这种信道是无记 忆编码信道 。
即码元是否发生差错与其前后码元的取值 以及前后码元是否发生差错都无关。 根据概率的性质可知：