信道与噪声

1.狭义信道与广义信道：

狭义信道：仅指信号的传输媒质的信道；

广义信道：如果信道不仅包括传输媒质，还包括通信系统中的一些转换设置，这种信道称为广义信道。

狭义信道是广义信道的重要组成部分，通信效果的好坏，很大程度上依赖于狭义信道的特性。因此，在研究信道的一般特性时，传输媒质仍是讨论的重点。今后，为了讨论方便，通常把广义信道简称为信道。

2.广义信道按照它包括的功能分为调制信道、编码信道。在研究调制与解调问题时，只关心调制器输出的信号形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而不关心信号的中间变换过程。因此。定义调制信道对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。

调制信道常称为连续信道，编码信道常称为离散信道。

3.常用传输媒质：根据传输媒质的不同，信道分为有线信道和无线信道。

1）有线信道：包括：架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等。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。

a.架空明线：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。虽然它的传输损耗低，但是易受天气和环境影响，对外界噪声干扰较敏感，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所替代；；

b.对称电缆：由若干对叫做芯线的双绞线放在一根保护套内制造而成，为了减少各对导线之间的干扰，每对导线都做成扭绞形状，称为双绞线。对称电缆的芯线比明线细，故其损耗比明线大，但是性能较稳定。对称电缆在有线电话网中广泛用于用户接入电路；

c.同轴电缆：由内外两根同心圆柱导体构成，这两根导体之间用绝缘体隔离开，内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编织网，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，或者用空气做介质，但间隔一段距离有绝缘支架用于连接和固定内外导体。由于外导体通常接地，所以它同时能够很好地起到电屏障作用。目前，主要在有线电视广播网中还较广泛地应用同轴电缆将信号送入用户。由于光纤的广泛使用，远距离传输信号的干路线路多采用光纤代替同轴电缆；

d.光纤：传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。分为单模光纤和多模光纤。模式指光波传输的路径。单模光纤的无失真传输频带较宽，比多模光纤的传输容量大得多。单模光纤是光纤发展的趋势。在实际中，光纤的外面还有一层塑料保护层，并将多根光纤组合起来成为一根光缆。光缆具有保护外皮，内部还加有增加机械强度的钢线和辅助功能的电线。

2）无线信道：包括：地波传播、短波电离层反射、超短波或微波、人造卫星中继、对流层散射、流星余迹散射、移动无线电信道等。

4.信道的数学模型

1）调制信道模型

 其输入与输出的关系有：

 加性干扰：由于信道中的噪声n(t)是叠加在信号上的，而且无论有无信号，都始终存在，因此称它为加性噪声或加性干扰。当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰输出。

乘性干扰：k(t)是一个很复杂的函数，反映信道特性，一般来说，它是时间t的函数，即信道噪声是随时间变化的。随时间变化的信道称为时变信道。k(t)又可看做是对信号的一种干扰，称为乘性干扰。k(t)会使信号产生各种失真，包括线性失真、非线性失真、时间延迟以及衰减等。这些失真搜可能随时间做随机变化，所以k(t)只能用随机过程表述。

随参信道：这种特性随机变化的信道称为随机参量信道，简称随参信道 ，也称变参信道。

恒参信道：也有些信道的特性基本不随时间变化，或变化非常缓慢，称为恒定参数信道，简称恒参信道。

2）编码信道模型

 编码信道是一种数字信道或离散信道，输入和输出信号是数字序列，例如在二进制信道中是“0“和”1”的序列，故编码信道对信号的影响是使输出的数字序列发生变化，即序列中的数字发生错误。所以，可以用错误概率来描述编码信道的特性，这种错误概率通常称为转移概率。注意的是，编码信道中产生错码的原因以及转移概率的大小主要是由于调制信道不理想造成的。

5.恒参信道特性及其对信号传输的影响

恒参信道包括各种有线信道、微波视距信道、卫星信道等视距传输链路。恒参信道对信号传输的影响是确定的或者变化极其缓慢的，因此，其传输特性可以等效成一个线性时不变网络，另外可以用幅频特性（幅度-频率特性）和相频特性（相位-频率特性）来表示。

1）信号无失真传输的条件

理想恒参信道就是理想的无失真传输通道，此时信道的等效线性网络传输特性赢啊满足两个条件：

a.幅频特性为常数，即：

b.相移特性是一条过原点的直线，即：

由此可见，理想恒参信道对信号传输的影响是：

a.对信号在幅度上产生固定的衰减；

b.对信号在时间上产生固定的时延。

这种情况下也称信号是无失真传输。在实际中，若信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生失真（或称为畸变）。

2）恒参信道的幅频特性与相频特性

信道的相频特性还经常使用群延迟-频率特性来衡量，即相频特性对频率的导数：

此外，信号的额不同频率成分将会有相同的群延迟，因而信号经过传输后不会发生畸变。

（1）幅频失真造成的影响：

a.对模拟信号：会使波形失真，比如语音信号在不同频率产生强弱变化；

b. 对数字信号：会引起相邻码元波形在时间上相互重叠，从而造成码间串扰、误码。

在话音传输中，由于人耳对相频失真不敏感，因此相频失真对模拟话音传输影响不明显。但如果传输数字信号，尤其当传输速率较高时，相频失真会引起严重的码间串扰，使误码率增加，信道性能降低。

克服措施：由于幅频失真和相频失真都是线性失真，可以采用均衡器进行补偿，改善信道传输条件。

（2）相频失真造成的影响：

a.对模拟信号：使基谐时间关系失真，对视频影响较大；

b. 对数字信号：产生码间串扰。

克服措施：

a.对模拟系统：采用线性补偿器进行频域均衡，使衰耗特性曲线平坦，联合频率特性无畸变；

b. 对数字系统：合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间干扰；在信道特性缓慢变化时，用时域均衡器，使码间串扰降到最小，且可自适应信道特性变化。

6.随参信道特性及其对信号传输的影响

6.1随参信道的多径传播和衰落

常见的随参信道有陆地移动通信信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波以及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波、超视距绕射等信道。

一般来说，各种随参信道具有的共同特性是：

1）信号的传输衰减随时间而变；

2）信号的传输时延随时间而变；

3）存在多径传播效应：信号经过几条路径到达接收端，每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，寄存在多径传播现象，对信号的影响称为多径效应。

3.1）多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；

3.2）从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频谱弥散。

6.2频率选择性衰落与相关带宽

当发送信号使具有一定频带宽度的信号时，多径传播除了会使信号产生瑞利型衰落之外，还会产生频率选择型衰落。

6.3分集接收

衰落严重影响通信质量，引起信噪比下降，造成大片误码，甚至会引起通信瞬间中断。为了减少衰落对信号传输的影响，抗衰落方法有多种：扩频通信技术、交织技术、抗突发差错编码译码技术、自适应信道均衡器等，其中效果最明显的方法之一就是分集接收技术。

a.分散接收：使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；

b.集中处理：接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。

为了在接收端得到多个相互独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式。

7.信道中的噪声

1）按照噪声的来源分类：

a.人为噪声：人类活动所产生的对通信造成干扰的噪声；

b.自然噪声：自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声；

c.内部噪声：通信设备本身产生的噪声。如电阻一类的导体中自由电子的热运动产生的热噪声等。

2）按照噪声的性质分类：

a.单频噪声：主要是无线电干扰，频谱特性可能是单一频率，也可能是窄带谱。单频噪声的特点是一种连续波干扰，可以通过合理设计系统来避免；

b.脉冲噪声：时间上无规则的突发脉冲波形。由于脉冲很窄，所以频谱很宽。但是随着频率的提高，频谱强度逐渐减弱。可以通过选择合适的工作频率、远离脉冲源等措施减小和避免脉冲噪声的干扰；

c.起伏噪声：一种连续波随机噪声，包括热噪声、散弹噪声、宇宙噪声。对其特性的表征可以采用随机过程的分析方法。特点是具有很宽的频带，并且始终存在，是影响通信系统性能的主要因素。

起伏噪声都可认为是一种高斯噪声，且功率谱密度在很宽的频带范围都是常数。因此，起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声，双边功率谱密度为常数n0/2。

起伏噪声通过通信系统时，会受到通信系统中各种变换的影响，使其频谱特性发生变化。一个通信系统的线性部分可以用线性网络来描述，通常具有带通特性。当宽带起伏噪声通过带通特性网络时，输出噪声就变为带通型噪声。如果线性网络具有窄带特性，则输出噪声为窄带噪声。

8.信道容量

连续信道：

该式通常称为香农公式。C是数据速率的极限值，单位bit/s；W为信道带宽，单位Hz；S是信号功率（瓦），N是噪声功率（瓦）。

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