第三章 信道與噪聲

第三章信道與噪聲通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)基本模型：盡管各種通信系統(tǒng)具體設備和業(yè)務功能各不相同，但基本模型一樣：通信系統(tǒng)基本模型狹義信道通常把發(fā)送設備和接收設備之間用以傳輸信號的傳輸媒介定義為狹義信道。例如架空明線、同軸電纜、雙絞線、光纜、自由空間、電離層、對流層等。廣義信道除了傳輸媒介外，還可以包括有關的轉換器，如天線、調制器、解調器等。。在講通信原理時，通常采用的是廣義信道。廣義信道也可分為兩種：調制信道和編碼信道編碼器輸入調制器發(fā)轉換器媒質收轉換器解調器譯碼器輸出編碼信道調制信道調制信道和編碼信道時變線性網絡調制信道模型調制信道調制信道恒參信道

K(t)不隨時間變化或變化緩慢的一類信道隨參信道

K(t)是隨時間隨機變化的信道。二進制編碼信道模型編碼信道2.3通信傳輸介質2.3.1雙絞線

2.3.2同軸電纜

2.3.3光纖

2.3.4無線通信

2.3.1雙絞線（twistedpair)雙絞線：由兩根彼此絕緣的導線組成，這兩根導線是按一定的規(guī)則以螺旋狀絞合在一起的（一對雙絞線由兩根導線組成）可降低信號干擾的程度,每一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消。多對雙絞線捆扎在一起再加上塑料外皮組成雙絞線電纜（最常用傳輸媒介）。當線路中出現(xiàn)干擾信號時，其對兩根線的影響是相同的，因而在接收端還原差分信號時就可以屏蔽掉該干擾信號（可以理解為差分的兩路信號執(zhí)行減運算）。電磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility）信號和干擾能夠共存包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),也就是電磁干擾和電磁抗干擾。。EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。電磁干擾（EMI）EMI是ElectroMagneticInterference的縮寫，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網絡。分類：屏蔽雙絞線(STP，ShieldedTwistedPair)：抗干擾性好，性能高，用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾公里。但成本也較高，所以一直沒有廣泛使用。金屬網包住雙絞線，趨膚效應--抗電磁干擾趨膚效應:

當高頻電流傳導時，導體邊緣的電阻比導體中心的要小，因而表面?zhèn)鬏數(shù)母哳l電流密度最大。這種高頻電流流經導體是有趨向于集中導體外表層的現(xiàn)象，稱為趨膚效應。若將導體表面的傳輸?shù)碾娏鞫椋?，則所謂趨膚深度是指著這樣的深度即在該處所感應的電流密度為導體表面最大值的１／e。從表面到１／e出這一薄層所感應的電流占整體的63.2%，他所吸收的功率占總體積的86.5%。分類：

非屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTwistedPair)：非屏蔽雙絞線的傳輸距離一般為100米,由于它較好的性能價格比，目前被廣泛使用。用塑料外皮把多對雙絞線簡單捆在一起，易受干擾屏蔽雙絞線(STP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音3類、5類、6類（16M、155M、1200M）雙絞線外沒有任何附加屏蔽非屏蔽雙絞線(UTP)STP和UTPEIA規(guī)定了6種質量等級的雙絞線電纜，其中Ⅰ類線的檔次最低，Ⅵ類線的檔次最高。Ⅰ類：基本雙絞線，傳輸語音Ⅱ類：語音和4Mb/s的數(shù)字數(shù)據傳輸Ⅲ類：目前在大多數(shù)電話系統(tǒng)中使用的標準電纜。其傳輸頻率為16MHz，數(shù)據傳輸率可達10Mb/s，主要用于10base－T

雙絞線種類

Ⅳ類：20MHZ->16Mbit/s主要用于10base－T,100base－T和令牌環(huán)局域網

Ⅴ類：100MHz－>100Mbit/s主要用于10base－T,100base－T網絡

Ⅵ類：250MHz

常用的是3類線和5類線，5類線既可支持100Mbps的快速以太網連接，又可支持到150Mbps的ATM數(shù)據傳輸，是連接桌面設備的首選傳輸介質。雙絞線種類雙絞線（twistedpair)應用：

傳輸模擬信號，電話線（1對雙絞線） 傳輸數(shù)字信號，局域網網線（一般4對雙絞線組成雙絞線電纜）特點：

最常用、便宜的傳輸媒介易受環(huán)境中電信號的干擾，通常用于較短距離的連接2.4.2同軸電纜(coaxialcable)結構：同軸電纜由同軸的內外兩個導體組成，內導體是一根金屬線（銅芯），外導體是一根圓柱形的套管，一般是細金屬線編制成的網狀結構，內外導體之間有絕緣層。另外，同軸電纜的兩端需要有終結器，中間連接需要收發(fā)器、T形頭、筒形連接器等器件。絕緣層絕緣層內導體(銅芯)外導體(編織狀)外保護層(塑料)外保護層(塑料)外導體(編織狀)比較便宜絕緣層保護外層絕緣層外導體銅芯分類與應用:等效阻抗為50歐和75歐同軸電纜：基帶同軸電纜:

50歐同軸電纜,用于基帶數(shù)字信號傳輸（局域網）,它又分為粗纜和細纜。寬帶同軸電纜:

75歐同軸電纜,用于CATV信號傳輸,一條電纜可以同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，300—450MHz，需要放大器。粗纜(D=2.54cm)10兆比特每秒非中繼傳輸距離500米需要使用收發(fā)器和收發(fā)電纜AUI接口細纜

(D=1.02cm)

便宜的同軸電纜10兆比特每秒非中繼傳輸距離185米BNC接口粗纜優(yōu)缺點：

價格稍高安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator）抗干擾能力強距離中等可靠性好

細纜優(yōu)缺點：價格低安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator）抗干擾能力強距離短可靠性差2.4.2

同軸電纜同軸電纜結構圖

幾種有線電纜的特點線路類型頻率范圍/MHz信號衰減電磁干擾UTP電纜1~100高一般STP電纜1~150高小同軸電纜1~1000低小2.3.3光纜(opticalfiber)光纖即光導纖維。利用光導纖維作為光的傳輸介質，以光波為信號載體的光纖通信。1960年，美國人梅曼，發(fā)明世界上第一臺激光器——紅寶石激光器1966年，英籍華人高錕（C.K.KAO）博士提出，用Sio2石英玻璃制成光纖，低消耗1970年，美國康寧公司制出了損耗為20分貝的光纖。入射光11'22'折射光折射光反射光3光密介質光疏介質光纖通信的原理光纖通信的原理見圖，入射角∠１∠２∠３逐漸增大，∠1’∠2’是折射角，光纖通信的原理，是基于光線由光密介質進入光疏介質時，在入射角足夠大的情況下會發(fā)生全反射的特性，達到∠3時，發(fā)生全反射，即光波能量幾乎全部反射，這樣才可以達到長距離高速傳輸?shù)哪康摹?/p>

典型的單芯光纜結構玻璃包層塑料外套玻璃內芯單芯光纜（纖芯：光導纖維）結構：

纖芯：光導纖維(玻璃/塑料)

包層：折射率比纖芯小 外套：保護分類： 根據制作材料不同：塑料，玻璃，石英 根據傳輸模式不同：多模，單模 根據光纖總折射率不同：突變型，漸變型 根據工作波長不同：短波長，長波長，超長波長

光纜(opticalfiber)分類： 根據傳輸模式不同：多模（MMF），單模（SMF）

單模光纖（single-mode）使用激光源，單束光線沿直接傳播100公里不中繼內芯半徑降低到波長的數(shù)量級多模光纖多束光線在一條光纖中傳播

光纖傳送模式：SMF

波長:1300,1550nm單模SMF

單束光線沿直線傳播

光纖傳送模式：MMF波長:850,1300nm

多模MMF

多束光線以不同的反射角傳播單模光纖與多模光纖的比較突變多模光纖內芯密度均勻使用普通發(fā)光二極管（2公里不中繼）（光源發(fā)出的光線沿不同光路傳播，到達終點的時刻不同，信號容易失真，傳輸速率不能太高）漸變多模光纖內芯密度不均勻,纖芯的折射率由中心向外按一定的規(guī)律逐漸減小，直至與包層交界處為最小。使用普通發(fā)光二極管（2公里不中繼）（光路以曲線傳播，每經過一段距離相交，不同光路同時到達終點）

典型的光纜常見規(guī)格：玻璃內芯——50μm緩變型MMF 62.5μm緩變/增強型MMF 8.3μm突變型SMF

玻璃包層——125μm玻璃包層塑料外套玻璃內芯單芯光纜典型的光纜玻璃內芯塑料外套玻璃包層外殼常見規(guī)格：玻璃內芯——50um緩變型MMF 62.5um緩變/增強型MMF 8.3um突變型SMF

玻璃包層——125um多芯光纜

高密度多芯光纜剖面結構芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束光纖特點依靠光波承載信息速率高，通信容量大 僅受光電轉換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好，保密性好輕便

色散是光纖的傳輸特性之一。由于不同波長光脈沖在光纖中具有不同的傳播速度，因此，色散反映了光脈沖沿光纖傳播時的展寬。

光纖的色散現(xiàn)象對光纖通信極為不利。光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌盗忻}沖碼，脈沖展寬導致了脈沖與脈沖相重疊現(xiàn)象，即產生了碼間干擾，造成差錯。2.3.4無線通信1短波傳輸

2地面微波傳輸

3衛(wèi)星微波通信

4電磁波傳輸

5

蜂窩電話

2.3.4無線通信電磁波電磁波是發(fā)射天線感應電流而產生的電磁振蕩輻射。這些電磁波在自由空間或空中傳播，最后被接收天線所感應。無線通信在真空中，所有的電磁波以相同的速度傳播，與頻率無關，大約為3×108m/s。在銅線和光纖中，電磁波的傳播速度為光速的2/3；而且變得與頻率相關。無線通信無線通信無線電波、微波、紅外線和可見光部分都可通過調節(jié)振幅、頻率或相位來傳輸信息。－－調制紫外線、X射線和伽瑪射線也可以用來傳輸信息且可以獲得更好的效果，但它們難以生成和調制，且對生物有害。電磁波可運載的信息量與它的帶寬有關。無線通信無線電波可用于AM和FM廣播、業(yè)余無線電、蜂窩電話和短波廣播，也用于電視廣播。每一種通信都必須無線電管理委員會申請一個頻率波段。無線通信微波通信和短波通信都是屬于無線通信短波通信是一種以波長為10～100m的電磁波進行信號傳輸?shù)囊环N通信方式，其工作頻率的范圍在3～30MHz微波通信是指用頻率在300MHz到10GHz的微波信號進行通信。微波通信分為地面微波通信和衛(wèi)星微波通信。1.短波傳輸

短波可以通過兩種形式進行傳播：沿地球的表面以地波的形式傳播通過電離層的反射以天波的形式傳播。無線通信—短波傳輸由于短波在以地波的形式進行傳播時，陸地和海洋均會引起信號的衰損，所以短波一般采用天波的形式進行傳播。在這種方式下，電波在經過電離層的一次反射或電離層與地面之間的多次反射后才能到達目的地。無線通信—短波傳輸優(yōu)點：通信距離遠，無需大的發(fā)射功率，設備成本適中。缺點：易受到外部干擾，如受季節(jié)、晝夜、太陽活動的影響2地面微波傳輸微波傳輸一般發(fā)生在兩個地面站之間，沿直線傳輸。傳播距離近的原因：首先，微波是直線傳播的，它無法象某些低頻波那樣沿著地球的曲面?zhèn)鞑?，因此傳播距離很近。其次，大氣條件和固體物將妨礙微波的傳播，造成一定衰減。無線通信--地面微波傳輸如果要實現(xiàn)長途傳送，可以在中間設置幾個中繼站。中繼站上的天線依次將信號傳遞給相鄰的站點。這種傳遞不斷持續(xù)下去就可以實現(xiàn)視線被地表切斷的兩個站點間的傳輸。無線通信--地面微波傳輸?shù)孛嫖⒉ń恿蓚€地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路微波傳送塔3衛(wèi)星微波通信

衛(wèi)星中繼信道微波中繼信道是由地面建立的端站和中繼站組成。而衛(wèi)星中繼信道是以衛(wèi)星轉發(fā)器作為中繼站與接收、發(fā)送地球站之間構成。若衛(wèi)星運行軌道在赤道平面，離地面高度為35780km時，繞地球運行一周的時間恰為24小時，與地球自轉同步，這種衛(wèi)星稱為靜止衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）。無線通信—衛(wèi)星微波通信衛(wèi)星微波通信是指利用人造衛(wèi)星進行中轉的通信方式。每顆衛(wèi)星都有幾個異頻雷達收發(fā)機（Transponder），用來接收某一特定頻率范圍內的信號，并用另一個不同的頻率進行轉播。一個地面發(fā)射機將（上行）信號發(fā)送給一顆衛(wèi)星，接著衛(wèi)星上的異頻雷達收發(fā)機將信號轉播到地球上的另一個區(qū)域（下行）。如今，衛(wèi)星通信已普遍用于電話和電視信號的傳送。很多人使用自己的接收器接收電纜電視信號無線通信—衛(wèi)星微波通信衛(wèi)星收發(fā)信號的頻率范圍一般都很寬，每個異頻雷達收發(fā)機處理一個特定范圍內的信號。通常，上行和下行分別使用不同的頻率，這它們才不會相互干擾。表2列出了四個商業(yè)衛(wèi)星通信的常用波段以及與之相關的上行頻率和下行頻率。還有其他波段用于軍事和政治用途。無線通信—衛(wèi)星微波通信另外，由于衛(wèi)星軌道離地面較遠信號衰減大，電波往返所需要的時間較長。對于靜止衛(wèi)星，由地球站至通信衛(wèi)星，再回到地球站的一次往返需要0.26s左右，傳輸話音信號時會感覺明顯的延遲效應。目前衛(wèi)星中繼信道主要用來傳輸多路電話、電視和數(shù)據。幾種傳輸介質的比較下頁將列出計算機通信中幾種傳輸介質的比較。我們在選擇通信介質的時候，一定要從性能、價格和使用場合等各個角度綜合考慮，一般來說，影響傳輸介質選擇的因素包括：拓撲結構：星形結構不適合選用同軸電纜(總線結構)，可選擇雙絞線方等方式；容量：介質提供的傳輸速率應能夠滿足要求；可靠性(差錯率)：在可能的情況下，盡量選擇可靠性高的介質；應用環(huán)境：包括傳輸距離、環(huán)境惡劣程度、信號強度等等

常用傳輸介質比較

分類傳輸速率地理范圍差錯率成本非屏蔽雙絞線3類

5類

3類UTP最大16Mbps

5類UTP最大155Mbps100米左右

一般(10-5

~10-6

)

低

基帶同軸電纜

粗纜

細纜

因種類、距離不同變化較大(但總要高于UTP)細纜小于800米,粗纜小于2500米中等(10-7~10-9)中光纖單模

多模

幾千Mbps

幾公里到幾十公里最低(10-10)

較高衛(wèi)星同步低軌

根據租用費用變化較大很大高

高

2.4恒參信道傳輸特性幅頻特性相頻特性理想信道的幅頻特性、相頻特性和群遲延-頻率特性理想信道的特性

理想的恒參信道特性：在整個頻率范圍，幅頻特性為常數(shù)相頻特性為ω的線性函數(shù)群延遲特性：不同頻率信號延遲相同信道傳輸特性偏離了理想信道特性，就會產生失真(或稱為畸變)。如果信道的幅度-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是常數(shù)，則會使信號產生幅度-頻率失真；如果信道的相位-頻率特性在信號頻帶范圍之內不是ω的線性函數(shù)，則會使信號產生相位-頻率失真。典型音頻電話信道的幅度衰減特性

幅度-頻率失真

幅度-頻率失真幅度-頻率失真是由實際信道的幅度頻率特性的不理想所引起的。圖中是典型音頻電話信道的幅度衰減特性。衰減特性在300~3000Hz頻率范圍內比較平坦；300Hz以下和3000Hz以上衰耗增加很快。CCITTM.1020建議規(guī)定的衰減特性如圖(b)所示。

信道的幅度-頻率特性不理想會使通過它的信號波形產生失真，若在這種信道中傳輸數(shù)字信號，則會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，造成碼間干擾。

相位-頻率失真當信道的相位-頻率特性偏離線性關系時，將會使通過信道的信號產生相位-頻率失真，相位-頻率失真也是屬于線性失真。

在話音傳輸中，由于人耳對相頻失真不太敏感，因此相頻失真對模擬話音傳輸影響不明顯。如果傳輸數(shù)字信號，相頻失真同樣會引起碼間干擾，特別當傳輸速率較高時，相頻失真會引起嚴重的碼間干擾，使誤碼率性能降低

群延遲失真群遲延頻率特性都偏離了理想特性的要求，也會使信號產生群遲延失真。圖3–15典型電話信道相頻特性和群遲延頻率特性

(a)相頻特性；(b)群遲延頻率特性2.5典型隨參信道隨參信道是指信道傳輸特性隨時間隨機快速變化的信道

K(t)是隨時間隨機變化的信道。常見的隨參信道：陸地移動信道、短波電離層反射信道、超短波流星余跡散射信道、超短波及微波對流層散射信道、超短波電離層散射以及超短波超視距繞射隨參信道的特點信號的衰耗隨時間隨機變化；信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機變化；多徑傳播。2.8加性噪聲1.噪聲的分類與特性人為噪聲來源于由人類活動造成的其他信號源，例如：開關接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射及熒光燈干擾等（電流、電壓突變而形成的電磁輻射，可通過空間、電力線傳播）自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源，例如：閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等內部噪聲是系統(tǒng)設備本身產生的各種噪聲，例如：在電阻一類的導體中自由電子的熱運動、真空管中電子的起伏發(fā)射和半導體載流子的起伏變化等。熱噪聲熱噪聲：由帶電粒子在導電媒介中進行的分子熱運動造成的（絕對存在的）無法被消除的。熱噪聲是一種高斯白噪聲。高斯噪聲：n維分布都服從高斯分布。白噪聲：功率譜密度在這個頻率范圍內分布均勻的噪聲。熱噪聲噪聲功率譜密度：N0=KT單位：W/HZ；K：波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K(焦耳/開；

T：絕對溫度K（單位開273+℃）N0=P/W單位帶寬上的噪聲功率熱噪聲例子若系統(tǒng)帶寬1000Hz，求在40℃的溫度下熱噪聲源的噪聲分貝功率脈沖噪聲：是一種由突發(fā)的振幅很大持續(xù)時間很短，耦合到信號通路中的非連續(xù)尖峰脈沖引起的干擾，通常是由一些無法預知的因素造成的，如電火花，雷電；脈沖噪聲對模擬數(shù)據傳輸不會造成明顯影響但數(shù)字數(shù)據傳輸中脈沖噪聲是產生差錯的主要來源通過差錯控制手段來確保數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?！脈沖噪聲對數(shù)字信號傳輸造成的影響

散彈噪聲

出現(xiàn)在電子管和半導體器件中宇宙噪聲

指天體輻射波對接收機形成的噪聲，它在整個空間的分布是不均勻的，最強的來自銀河系的中部，其強度與季節(jié)、頻率等因素有關信噪比：信號在傳輸過程中不可避免地要受到噪聲的影響，信噪比是用來描述在此過程中信號受噪聲影響程度的量，它是衡量傳輸系統(tǒng)性能的重要指標之一。信噪比通常是指某一點上的信號功率與噪聲功率之比，可用下面的公式表示信噪比Ｓ/Ｎ是信噪比Ps是信號的平均功率Pn是噪聲的平均功率為了使用方便通常采用分貝（dB）來表示信噪比，公式如下2.9信道容量信道容量是指信道中信息無差錯傳輸?shù)淖畲笏俾省?.9.2離散信道的信道容量離散信道：當信道輸入和輸出都是離散符號時，稱為離散信道互信息與各類熵之間的關系可以用下圖表示：H(X,Y)

H(X/Y)H(Y/X)

H(X)H(Y)I(X,Y)如無干擾，2個圓應當重疊在一起題2-12圖2-12、二進制無記憶編碼信道模型