2.3 通信信道

2.3.1 信道的定义及其分类

信道是通信系统必不可少的组成部分，是信号传输的媒介，一般分为有线信道与无线信道两个大类。有线信道包括架空明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等，而无线信道则包含地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继以及各种散射信道等。

很多情况下，信道的范围被扩大到包含传输媒介以外的有关装置如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等，一般称这种扩大范围的信道为广义信道，而称前面所讲的信道为狭义信道。

在讨论一般通信原理时，常常采用广义信道进行分析。但由于狭义信道是广义信道的重要组成部分，而一个系统通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于传输媒介的特性，因此在研究信道的一般特性时，传输媒介仍然是讨论的重点。

为叙述方便，本篇中把广义信道简称为信道。

信道按照它所具有的功能，可以分为调制信道与编码信道，如图2-4所示。所谓调制信道，是指图2-4中从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介，不论其过程如何，都只是对已调信号进行某种变换，我们只需关心变换的最终结果，而不用考虑其中详细的物理变换过程。同理，在数字通信系统中，如果仅着眼于讨论编码和译码，则可给出编码信道的定义。所谓编码信道，就是图2-4中从编码器输出端到译码器输入端的部分。

2.3.2 信道数学模型

为了分析信道的一般特性及其对信号传输的影响，我们在信道定义的基础上，引入调制信道与编码信道的数学模型。

2.3.2.1 调制信道模型

在具有调制和解调过程的任何一种通信方式中，我们所关心的实际上是已调信号通过调制信道后的最终结果，即调制信道输出信号与输入信号之间的关系。这里，所谓已调信号指调制器的输出信号，也即送入调制信道的信号。由实际系统的通信过程，不难理解调制信道具有如下共性：

（1）输入端与输出端是一一对应的；

（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加定理；

（3）信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到（固定或时变的）损耗；

（4）即使没有信号输入，在信道输出端仍有一定的功率输出。

因此，可以用一个二对端（或多对端）的时变线性网络来表示调制信道，这个网络就是调制信道的模型，如图2-5所示。

对于信道所受到的干扰，设n（t）为独立于信道的加性噪声或干扰，k（t）为依赖于网络特性的乘性干扰，k（t）ei（t）反映了网络特性对ei（t）的影响。则图2-5的二对端时变网络可数学表达为：

eo（t）=k（t）ei（t）+n（t） （2-53）

上述分析的前提是信道对信号的影响归结为乘性干扰k（t）与加性干扰n（t）两类。如果知道k（t）和n（t）的特性，就能确知信道对信号的影响。事实上，不同信道对信号的影响在该模型上仅体现为k（t）和n（t）的不同而已。

通常，乘性干扰是一个较复杂的物理现象，可能既包括线性畸变也包括非线性畸变。此外，由于信道的迟延特性和损耗特性还随时间不同而变化，k（t）往往是一个随时间而变的复杂函数，只能用随机过程来描述。不过，大量的观察表明：有些信道的k（t）基本上是不随时间而变化的，即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的；但也有一些信道的k（t）是随机快速变化的。

因此，在分析乘性干扰k（t）时，可以把信道粗略地分为两大类：一类称为恒参信道，即它们的k（t）可以看成不随时间变化或基本上不变化；另一类是则称为随参信道，它的k（t）是随机变化的。

2.3.2.2 编码信道模型

与调制信道通过k（t）、n（t）使已调信号发生模拟性变化不同，编码信道对信号的影响体现为数字序列的变换，即把一种数字序列变成为另一种序列。因此，有时把调制信道看成是一种模拟信道，而编码信道则被视为数字信道。

当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码器输入端时，由于噪声影响以及信道带宽限制，差错将会不可避免。因此，一般用转移概率来描述编码信道，即通过转移概率表示信道输入数码序列传输到输出端的情况（即变化与否以及变化的情况）。图2-6所示编码信道就是常见的无记忆二进制信道，即各个码元在传输过程中发生的差错是彼此独立的。

图中，P（0/0）、P（0/1）、P（1/1）、P（1/0）就是信道的转移概率。其中P（0/0）、P（1/1）是正确转移的概率，即发送端发“0（1）”而接收端收到“0（1）”的概率；P（0/1）与P（1/0）则是错误的转移概率，即发送端发“1（0）”而接收端收到“0（1）”的概率。

转移概率完全取决于编码信道的特性，也就是说一个编码信道与一组固定的转移概率相对应。通常，我们将这一组转移概率用矩阵的形式表示，编码信道的转移概率矩阵为

显然，该编码信道的误码率为：pe=p（0）×p（1/0）+p（1）×p（0/1）。

如果编码信道是有记忆的，即信道中某码元传输过程中发生差错的可能性受到其他码元传输情况的影响，则其信道模型要比图2-6所示复杂得多，相应的信道转移概率表示也变得很复杂。有兴趣的读者可自行查阅相关资料，本书不再赘述。

由于编码信道包含调制信道，且它的特性与调制信道密切相关，故在了解了编码信道和调制信道的概念后，有必要对调制信道作进一步的分析。

2.3.3 恒参信道

2.3.3.1 常见的恒参信道及其特性

恒参信道是指由架空明线、电缆、中长波地波传播，超短波及微波视距传播，人造卫星中继，光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的信道。

1.有线信道

（1）明线

明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。与电缆相比，它的传输损耗低，但易受气候影响，并且对外界噪声干扰比较敏感。目前已逐渐被电缆所代替。

（2）双绞线

双绞线是由两根各自封装在彩色塑料套内的铜线扭绞而成，扭绞的目的是降低它们之间的干扰。多对双绞线之外再套上一层保护套就构成了双绞线电缆，通过改变相邻线对间的扭矩，可以使同一电缆内各线对之间的干扰达到最小。

双绞线分为屏蔽型（STP）和非屏蔽型（UTP）两类。STP在UTP外面再加上一个由金属丝纺织而成的屏蔽层，以提高其抗电磁干扰能力。因此，STP抗外界干扰的性能优于UTP，但价格要比UTP昂贵得多。相互扭绞的一对双绞线可作为一条信息通路，其输入阻抗有100Ω和150Ω两种，而带宽则取决于铜线的粗细和传输距离。双绞线可以传输模拟信号和数字信号，电话线就是一种双绞线。为保证传输效果，用双绞线传输模拟信号时，每隔5～6km就需要将信号放大一次；传输数字信号时，每隔2～3km就必须要用转发器转发一次。双绞线用于远程中继时的最大传输距离为15km；用于局域网时，它与集线器之间的最大传输距离为100m。双绞线的抗干扰性能取决于双绞线电缆中相邻线对的扭曲程度及其屏蔽程度。

国际电气工业协会（EIA）对非屏蔽双绞线UTP定义了五类质量级别，网络通信中常用的是三类和五类UTP。三类UTP的带宽为16MHz，最高数据传输速率是16Mb/s。五类UTP的带宽是100MHz，最高数据传输速率为100Mb/s。两者之间的差异主要在于电缆内每单位长度上的扭绞数。五类UTP的扭绞数多于三类，其典型值是每英寸3～4扭绞；而三类UTP的典型值是每英尺3～4扭绞。五类UTP更紧密的扭绞使得它具有比三类UTP更好的性能，当然，其价格也比三类UTP高。

综上所述，双绞线的抗干扰性取决于线束中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽，具有价格便宜、安装维护方便的特点，既可用于点—点的连接，也可用于点—多点连接；用做远程中继线时的最大距离可达15km；用于10Mbps局域网时，与集线器的距离最大为100m。

（3）同轴电缆

同轴电缆是由同一轴心的内外两个导体构成，外导体是一个圆柱形的空管，内导体则是金属线即芯线，它们之间以填充介质隔离，这一介质可以是塑料或空气，如图2-7所示。

通常把几根同轴线管套在一个大的保护套内，其中还装入一些二芯扭绞线对或四芯线组，用于传输控制信号。同轴线的外导体一般都是接地的，由于它的屏蔽作用，外界噪声很少进入内部。

根据同轴电缆的频率特性，可将其分为视频（基带）电缆和射频（宽带）电缆。基带电缆常用来直接传输数字信号；宽带同轴电缆则用于传输高频信号。实际系统中，常利用频分多路复用技术，在一条同轴电缆上传送多路信号。

同轴电缆的特性阻抗有50Ω和75Ω两种。50Ω同轴电缆只用于传输数字基带信号，其数据传输速率可达10Mb/s。无线电工程中则多采用75Ω的宽带电缆来传输射频信号。基带同轴电缆的最大传输距离一般不超过几千米，而宽带同轴电缆的最大传输距离可达几十千米。由于同轴电缆比双绞线屏蔽性好，抗电磁干扰能力强，维护使用也更方便，常用它来传输更高速率、更远距离的信号。

（4）光缆

光缆是有线传输介质中性能最好的一类。这是一种直径为50～100μm的、柔软的、传导光波的介质，一般由玻璃或塑料构成，其中使用超高纯度石英玻璃制作的光纤传输损耗最低。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光波通道，在这外面再加上一层保护套，就构成了一根单芯光缆。多条光纤放在同一层保护套内，就构成了光缆。图2-8为四芯光纤结构示意图。

光导纤维通过内部全反射来传输光信号，其传输过程如图2-9所示。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，使得光波在纤芯与包层界面之间产生全反射。以小角度进入光纤的光波将沿着纤芯以反射的方式向前传播，如图2-9中右边所示的情况。反之，如果光波以较大的角度进入，则信号将在包层发生折射，如图2-9中左边所示。此时，信号的能量将发生损失，输出信噪比降低。

光纤分为多模光纤与单模光纤两类。所谓多模光纤，是指允许一束多波长的光沿着纤芯反射地向前传播；而单模光纤则仅允许单一波长的光沿着纤芯直线向前传播，不在其中产生反射。两者相比，单模光纤直径较小、价格昂贵，但传输性能优于多模光纤。

光纤对数字信号的传输是利用光脉冲的有无来代表1、0的。典型的光纤传输系统如图2-10所示。

在发送端，可用发光二极管（LED，Light-Emitting Diode）或激光二极管（LD，Laser Diode）等电光转换器件把电信号转换成光信号，再耦合到光纤中进行传输。在接收端则进行逆变换，用光电二极管（PIN）等把光纤中传来的光脉冲转换为电信号输出。

光纤具有频带宽、损耗小、数据传输速率高、误码率低、安全保密性好等优点，是目前最有发展前途的有线传输媒介。

2.无线传输信道

无线传输媒介利用自由空间作为传输介质来进行数据通信，信号沿直线传播，适用于架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方。主要包括红外通信、激光通信和微波通信三类，其中微波通信又分为地面微波接力通信和卫星通信两种。

（1）无线（电）视距中继

无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿着视线传播，而通信距离只能依靠中继方式来进行延伸的无线电线路。相邻中继站之间的距离一般是40～50km，主要用于长途干线、移动通信网以及某些数据收集（如水文、气象数据的测报）系统中。无线电中继信道的构成如图2-11所示，它由终端站、中继站及各站点之间的电磁波传播路径构成。由于这种系统具有传输容量大、发射功率小、通信稳定可靠，以及比使用同轴电缆节省有色金属等优点，被广泛用来传输多路电话及电视信号。

总而言之，无线视距通信在传输过程中每隔一段距离就需要通过中继站将前一信号放大再向下传，可传输电话、电报、图像、数据等信息，具有频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等优点，但也有相邻中继站点间必须可以直视而不能有障碍物、受气候干扰较大、保密性差等不足。

（2）卫星中继信道

卫星中继信道可以看作是无线电中继信道的一种特殊形式。轨道在赤道平面上空的卫星，当它离地面高度为35860km时，绕地球运行一周的时间刚好为地球自转一周的时间，即24小时，故一般都称它为同步通信卫星，如图2-12所示。

使用它作为中继站，可以实现地球上18000km范围内多点之间的通信连接。如果将三颗同步卫星等间距地放置在轨道上空（相邻卫星间隔120°）作为中继站，就可以覆盖除两极盲区以外全球所有地区，如图2-12（c）所示。这种信道具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点，被广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视信号。

卫星中继信道由通信卫星、地面站、上行线路及下行线路构成。其中，上行与下行线路分别指由地面站至卫星、卫星至地面站的电磁波传播路径，而信道设备则集中于地面站与卫星中继站内。相对于地面站来说，同步卫星在空中的位置是静止不动的，所以又称它为“静止”卫星。除同步卫星外，在较低轨道上运行的卫星以及轨道不在赤道平面上空的卫星也可以用于中继通信。在几百千米高度的低轨道上运行的卫星，由于对地面站发射功率的大小要求较低，特别适用于移动通信和个人通信系统。

2.3.3.2 恒参信道对信号传输的影响及其修正

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。因此可以认为它等效于一个非时变的线性网络。从理论上来说，只要得到了这个网络的传输特性，则利用信号通信线性系统的分析方法，就可以得已调信号通过恒参信道的变化规律。

网络的传输特性通常可以用幅度—频率特性及相位—频率特性来表征。现以有线电音频信道或载波信道为例来分析恒参信道等效网络的上述两个特性，以及它们对信号传输的影响。

恒参信道可用图2-13表示，ei（t）为输入信号，h（t）为信道的冲激响应，n（t）为加性干扰，eo（t）为输出信号。

首先来分析恒参信道是理想的情况。恒参信道的冲激响应为h（t）=k0δ（t-td），k0为信道的增益，td为信号的时延。若输入信号为ei（t），理想恒参信道的输出为

eo（t）=k0ei（t-td） （2-54）

从式（2-54）可见，理想恒参信道对信号传输的影响是：

（1）对信号在幅度上有增益k0，一般k0小于1，对信号产生固定的衰减；

（2）对信号在时间上产生固定的迟延td。

理想的恒参信道只对信号在幅度上有固定的衰减及产生固定的时延，这种情况也称为信号无失真传输。理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延—频率特性如图2-14所示。

信道的相位—频率特性也可以用群迟延—频率特性来衡量，所谓群迟延特性就是相位—频率特性对频率的导数，即。从图2-14中可知，理想恒参信道在整个信号频带范围之内：幅频特性和群迟延—频率特性为常数；相频特性为ω的线性函数。

实际中，传输特性可能偏离理想信道特性，产生失真：如果信道的幅度—频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度—频率失真，也称之为幅度—频率畸变；如果信道的相位—频率特性在信号频带范围之内不是ω的线性函数，则会使信号产生相位—频率失真，也称为相位—频率畸变。下面分别来讨论幅度—频率畸变、相位—频率畸变的产生及对信号的影响。

1.幅度—频率畸变

幅度-频率畸变由有线电话信道中可能存在的各种滤波器、混合线圈、串联电容、分路电感等造成信道的幅度—频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。图2-15所示的典型音频电话信道就是如此，从图中可见，低频端截止频率约在300Hz以下，每倍频程衰耗升高15～25dB；在300～1100Hz范围衰耗比较平坦，在1100～2900Hz之间，衰耗通常是线性上升的，在2900Hz以上，衰耗增加很快，每倍频程增加80～90dB。

很明显，这种不均匀衰耗必然使传输信号的幅度随频率发生畸变，引起信号波形的失真；若传输的是数字信号，会引起相邻码元波形在时间上的相互重叠，即造成码间串扰。

在实际的传输信道中，为了降低幅度—频率畸变对信号的影响，要使幅频特性在信道有效传输带宽内平坦，为此，可以通过一个线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变平坦，这一措施通常称为均衡（均衡原理将在后续章节介绍）。

2.相位—频率畸变

电话信道的相位—频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及可能有的加感线圈，尤其是在信道频带的边缘畸变更为严重。相频畸变对模拟话音通信影响并不显著，这是因为人耳对相频畸变不太灵敏；但对数字信号传输却不然，特别当传输速率较高时，相频畸变会引起严重的码间干扰，造成误码。

对理想信道φ（ω）～ω呈现线性关系，τ（ω）（为常数）的曲线将是一条水平直线，如图2-16所示。实际典型的电话信道的群迟延-频率特性如图2-17，可以看出，当非单一频率的信号通过该信道时，信号频谱中的不同频率分量将有不同的群迟延，即它们到达的时间不一样，从而引起信号的畸变。

群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变。因此，也可采取均衡措施进行补偿。

2.3.4 随参信道

2.3.4.1 常见的随参信道及其特性

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、超短波电离层散射等传输媒质所构成的调制信道。为了分析它们的一般特性及其对信号传输的影响，先来简单地介绍一种典型的随参信道。

1.短波电离层反射信道

所谓短波是指波长为100～10m、频率为3～30MHz的无线电波，它既可沿地球表面传播，也可由电离层反射传播。前者简称为地波传播；后者则称为天波传播。地波传播一般属于近距离传播，限于几十千米范围以内；而天波传播由于借助电离层的一次反射或多次反射，可传播几千乃至上万千米的距离。下面简要介绍这种信道的传播路径、工作频率及其应用。

（1）传播路径

离地面高60～600km的大气层称为电离层，它是由分子、原子、离子和自由电子组成的。形成电离层的主要原因是太阳辐射的紫外线和X射线。

经实际观察表明，电离层可分为D、E、F1、F2四层。由于D层和F1层在夜晚几乎完全消失，故经常存在的是E层和F2层。电离层属于半导电的媒介，其相对介电常数为

式中：Ne为电子密度，它表示单位体积内的电子个数，其单位为个/m3；f是电磁波的频率，单位为赫兹（Hz）。电子密度Ne随高度的变化而变化，并在某一高度上出现相对最大值。由于在一定的高度范围内，Ne随高度的增加而增加，故相对而言介电常数εr及媒介的折射率（它等于）都随高度的增加而减小。当电波在这样的媒介中传播时因逐步折射而使轨道发生弯曲，从而，在某一高度将产生全反射。

短波电磁波从电离层反射的传播路径如图2-18所示。一般来说，F2层是反射层，D、E层是吸收层。因为D、E层电子密度小，短波电磁波不会反射，但会产生吸收损耗。由于F2层的高度为250～300km，故一次反射的最大距离约为4000km。如果通过两次反射，则通信距离可以达到8000km。

（2）工作频率

为了实现短波通信，选用的工作频率必须小于最高可用频率；且应当使电磁波在D、E层的吸收较小。

最高可用频率取决于电离层电子密度的最大值Nemax及电磁波投射到电离层的入射角φ0。当垂直入射（φ0=0°）时，能从电离层反射的最高频率称为临界频率，记为f0，它由式（2-56）决定，即

当电磁波以φ0角入射时，能从电离层反射的最高频率称为最高可用频率MUF。它与临界频率f0的关系为

MUF=f0secφ0 （2-57）

当工作频率高于最高可用频率时，电磁波将穿透电离层，不再返回地面。电离层对电磁波的吸收损耗与电离层中的电子密度成比例。由于电离层的电子密度随昼夜、季节以及年份而剧烈变化，使得最高可用频率和吸收损耗也相应变化。因此，工作频率也必须随之经常变换。在夜间，由于F2层的电子密度减小，工作频率必须降低。若仍采用白天的工作频率，则电波将会穿透F2层。与此同时，夜间D层消失且E层的吸收大大减小，也允许工作频率降低。

（3）应用

虽然短波电离层反射信道存在传输可靠性较差（只要电离层中出现异常变化如骚动或暴变等，都会引起长时间的通信中断，传播可靠性只有0.9）和必须经常更换工作频率两大缺点，但由于它具有传播距离远、受地形限制较小、要求发射功率低、传输带宽适当以及抗人为破坏能力强（这在军事通信中尤为重要）等许多优点，它现在仍然是远距离传输过程中主要使用的信道之一。

2.3.4.2 随参信道对信号传输的影响及其修正

随参信道的特性比恒参信道要复杂得多，对信号的影响也要严重得多，其根本原因在于它包含一个复杂的传输媒质。因此，本节仅讨论随参信道的传输媒质所具有的一般特性，以及它对信号的传输的影响。

随参信道的传输媒质主要具有三个特点：

（1）对信号的衰耗随时间而变化；

（2）传输的时延随时间而变化；

（3）多径传播。

在存在多径传播的随参信道中，就每条路径的信号而言，它的衰耗和时延都是随机变化的。因此，多径传播后的接收信号将是衰减和时延都随时间变化的各条路径的信号的合成。

设发射波为Acosω0t，则经过n条路径传播后的接收信号S（t）为

式中，vi（t）为第i条路径的接收信号的幅度；τi（t）为第i条路径的传输时延，它随时间不同而变化。故式（2-58）可改写成

设，则式（2-59）变成

S（t）=I（t）cosω0t-Q（t）sinω0t=V（t）cos[ω0t+φ（t）] （2-60）

式中，V（t）为合成波S（t）的包络；φ（t）为合成波S（t）的相位。

实际上，vi（t）、θi（t）随时间的变化与发射载频的周期相比，通常要缓慢得多，即vi（t）、θi（t）可认为是缓慢变化的随机过程，因而包络V（t）、相位φ（t）也是缓慢变化的，于是S（t）可视为一个窄带过程。

由式（2-60）可以了解到：从波形上看，多径传播的结果使确定的输入信号Acosω0t变成了包络和相位受到调制的窄带信号，如图2-19所示，这样的信号，通常称之为衰落信号；从频谱上看，多径传输引起了频率弥散，即由单一频率变成了一个窄带频谱。

多径传播不仅会造成上述的衰落及频率弥散，同时还可能发生频率选择性衰落。所谓频率选择性衰落，是信号频谱中某些分量的一种衰落现象，这是多径传播的又一个重要特征。

随参信道的衰落，将会严重降低通信系统的性能，为了抗快衰落，通常可采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩谱技术等。其中，明显有效且被广泛应用的措施之一，乃是分集接收技术。

现简单地介绍分集接收的原理。如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。这是分集接收的基本思想。分集两字就是分散得到的几个合成信号并集中这些信号的意思。主要的几种分集方式如下。

空间分集：在接收端架几副天线，各个天线的位置间要求有足够间距，以保证各天线上获得的信号基本互相独立。

频率分集：用多个不同载频传送同一个消息，如果各载频的频差相隔比较远，则各载频信号也基本互不相关。

角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。

极化分集：这是分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法。

各分散的信号进行合并的方法通常有如下几种。

最佳选择式：从几个分散信号中选择其中信噪比最好的一个作为接收信号。

等增益相加式：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号。

最大比值相加式：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。