信道的基本概念

1、信道的基本概念            信道，通俗地說，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路。信道的作用是傳輸信號，它提供一段頻帶讓信號通過，同時又給信號加以限制和損害。    通常，我們將僅指信號傳輸媒介的信道稱為狹義信道。目前采用的傳輸媒介有架空明線、電纜、光導(dǎo)纖維（光纜）、中長波地表波傳播、超短波及微波視距傳播（含衛(wèi)星中繼）、短波電離層反射、超短波流星余跡散射、對流層散射、電離層散射、超

2、短波超視距繞射、波導(dǎo)傳播、光波視距傳播等。    可以看出，狹義信道是指接在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介（以上所列）。狹義信道的定義直觀，易理解。    在通信原理的分析中，從研究消息傳輸?shù)挠^點(diǎn)看，我們所關(guān)心的只是通信系統(tǒng)中的基本問題，因而，信道的范圍還可以擴(kuò)大。它除包括傳輸媒介外，還可能包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換器，如饋線、天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。通常將這種擴(kuò)大了范圍的信道稱為廣義信道。    在討論通信的一般原理時，通常采用的是廣義信道。   &#

3、160;為了進(jìn)一步理解信道的概念，下面對信道進(jìn)行分類。    由信道的定義可看出，信道可大體分成兩類：狹義信道和廣義信道。    1. 狹義信道    狹義信道通常按具體媒介的不同類型可分為有線信道和無線信道。    （1）有線信道    所謂有線信道是指傳輸媒介為明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜及波導(dǎo)等一類能夠看得見的媒介。有線信道是現(xiàn)代通信網(wǎng)中最常用的信道之一。如對稱電纜（又稱電話電纜）廣泛應(yīng)用

4、于（市內(nèi)）近程傳輸。    （2）無線信道    無線信道的傳輸媒質(zhì)比較多，它包括短波電離層反射、對流層散射等。可以這樣認(rèn)為，凡不屬有線信道的媒質(zhì)均為無線信道的媒質(zhì)。無線信道的傳輸特性沒有有線信道的傳輸特性穩(wěn)定和可靠，但無線信道具有方便、靈活、通信者可移動等優(yōu)點(diǎn)。    2. 廣義信道    廣義信道通常也可分成兩種：調(diào)制信道和編碼信道。    （1）調(diào)制信道   &

5、#160;調(diào)制信道是從研究調(diào)制與解調(diào)的基本問題出發(fā)而構(gòu)成的，它的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端，如圖2-1所示。因?yàn)椋瑥恼{(diào)制和解調(diào)的角度來看，我們只關(guān)心解調(diào)器輸出的信號形式和解調(diào)器輸入信號與噪聲的最終特性，并不關(guān)心信號的中間變化過程。因此，定義調(diào)制信道對于研究調(diào)制與解調(diào)問題是方便和恰當(dāng)?shù)摹?#160;    （2）編碼信道    在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果僅著眼于編碼和譯碼問題，則可得到另一種廣義信道編碼信道。這是因?yàn)椋瑥木幋a和譯碼的角度看，編碼器的輸出仍是某一數(shù)字序列，而譯碼器輸入同樣也是一數(shù)字序列，它們在一般情

6、況下是相同的數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。編碼信道示意圖也示于圖2-1。    根據(jù)研究對象和關(guān)心問題的不同，還可以定義其它形式的廣義信道。    為了分析信道的一般特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?，我們在信道定義的基礎(chǔ)上，引入調(diào)制信道和編碼信道的數(shù)學(xué)模型。    1. 調(diào)制信道模型    在頻帶傳輸系統(tǒng)中，調(diào)制器輸出的已調(diào)信號即被送入調(diào)制信道。對于

7、研究調(diào)制與解調(diào)性能而言，可以不管調(diào)制信道究竟包括了什么樣的變換器，也不管選用了什么樣的傳輸媒質(zhì)，以及發(fā)生了怎樣的傳輸過程，我們只需關(guān)心已調(diào)信號通過調(diào)制信道后的最終結(jié)果，即只需關(guān)心調(diào)制信道輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系。    通過對調(diào)制信道進(jìn)行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它們有如下共性：    （1）有一對（或多對）輸入端和一對（或多對）輸出端；    （2）絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理；    （3）信號通過信道具有一定的遲延時間；&

8、#160;   （4）信道對信號有損耗（固定損耗或時變損耗）；    （5）即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。    根據(jù)上述共性，我們可用一個二對端（或多對端）的時變線性網(wǎng)絡(luò)來表示調(diào)制信道。這個網(wǎng)絡(luò)就稱作調(diào)制信道模型，如圖2-2所示。    對于二對端的信道模型來說，其輸出與輸入之間的關(guān)系式可表示成          

9、;            （2-1）式中-輸入的已調(diào)信號；    -調(diào)制信道總輸出波形；    -信道噪聲（或稱信道干擾），與無依賴關(guān)系，或者說獨(dú)立于。常稱為加性干擾（噪聲）；    -表示已調(diào)信號通過網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的時變線性變換。    為了進(jìn)一步理解信道對信號的影響，無妨假定可簡寫成。其中，依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，乘反映網(wǎng)絡(luò)

10、特性對的“時變線性”作用。的存在，對來說是一種干擾，常稱為乘性干擾。        于是，式（2-1）可寫成                          （2-2）    由以上分析可見，信道對信號的影響可歸納為兩

11、點(diǎn)：一是乘性干擾；二是加性干擾。如果了解了和的特性，則信道對信號的具體影響就能確定。不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的及。    我們期望的信道（理想信道）應(yīng)是常數(shù)，=0，即                             （2-3）  

12、  實(shí)際中，乘性干擾一般是一個復(fù)雜函數(shù)，它可能包括各種線性畸變、非線性畸變。同時由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間作隨機(jī)變化，故往往只能用隨機(jī)過程加以表述。不過，經(jīng)大量觀察表明，有些信道的基本不隨時間變化，也就是說，信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的；而有的信道卻不然，它們的是隨機(jī)快變化的。因此，在分析研究乘性干擾時，可以把調(diào)制信道粗略地分為兩大類：一類稱為恒參信道（恒定參數(shù)信道），即它們的可看成不隨時間變化或變化極為緩慢；另一類則稱為隨參信道（隨機(jī)參數(shù)信道，或稱變參信道），它是非恒參信道的統(tǒng)稱，其是隨時間隨機(jī)快變的。    通

13、常，把我們前面所列的架空明線、電纜、波導(dǎo)、中長波地波傳播、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為恒參信道，其它媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為隨參信道。2. 編碼信道模型編碼信道是包括調(diào)制信道及調(diào)制器、解調(diào)器在內(nèi)的信道。它與調(diào)制信道模型有明顯的不同：即調(diào)制信道對信號的影響是通過(t)和n(t)使調(diào)制信號發(fā)生“模擬”變化，而編碼信道對信號的影響則是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列。故有時把調(diào)制信道看成是一種模擬信道，而把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。    由于編碼信道包含調(diào)制信道，因而它同樣要受到調(diào)制信道的

14、影響。但是，從編/譯碼的角度看，這個影響已反映在解調(diào)器的輸出數(shù)字序列中，即輸出數(shù)字序列以某種概率發(fā)生差錯。顯然，調(diào)制信道越差，即特性越不理想和加性噪聲越嚴(yán)重，則發(fā)生錯誤的概率就會越大。因此，編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率來描述。例如，最常見的二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的一種簡單的編碼信道模型如圖2-3所示。之所以說這個模型是“簡單的”，是因?yàn)樵谶@里假設(shè)解調(diào)器每個輸出碼元的差錯發(fā)生是相互獨(dú)立的。用編碼的術(shù)語來說，這種信道是無記憶的（當(dāng)前碼元的差錯與其前后碼元的差錯沒有依賴關(guān)系）。    在這個模型里，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱

15、為信道轉(zhuǎn)移概率。以P(1/0)為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉(zhuǎn)移為1”。具體地，我們把P(0/0)和P(1/1)稱為正確轉(zhuǎn)移概率，而把P(1/0)和P(0/1)稱為錯誤轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)概率性質(zhì)可知P(0/0)+P(1/0)=1                               &

16、#160;（2-4）P(0/1)+P(1/1)=1                                （2-5）    轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性決定，一個特定的編碼信道就會有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。應(yīng)該指出，編碼信道的轉(zhuǎn)移概率一般需要對實(shí)際編碼信道作大量的統(tǒng)計分析才能得到。    由無記憶二進(jìn)制編碼信道模型容易推出無記憶多進(jìn)制的模型。四進(jìn)制時無記憶編碼信道模型如圖2-4所示。&