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1、3.1 引言引言3.2 信道定义信道定义与分类与分类3.3 信道信道数学模型数学模型3.4 恒参信道恒参信道特性特性及其对信号传输的影响及其对信号传输的影响3.5 随参信道随参信道及其对信号传输的影响及其对信号传输的影响3.6 加性噪声加性噪声3.7 信道容量信道容量第第 3 章章 信道与噪声信道与噪声返回主目录返回主目录 在通信系统模型中，在通信系统模型中，信道是通信系统必不可少信道是通信系统必不可少的组成部分。的组成部分。一般来说一般来说,实际信道都不是理想的，实际信道都不是理想的，信道中往往信道中往往有噪声有噪声。首先，这些信道具有非理想的频率响应特。首先，这些信道具有非理想的频率响应特
2、性；另外，还有噪声和其他干扰在信号通过信道传性；另外，还有噪声和其他干扰在信号通过信道传输时搀杂了进去。输时搀杂了进去。信信道道的的频频率率特特性性及及噪噪声声和和干干扰扰将将影影响响信信息息传传输输的有效性和可靠性。的有效性和可靠性。3.1 引言引言在在此此，信信道道和和噪噪声声都都是是一一个个抽抽象象名名词词，是是对对信信道道和和噪噪声声的的一一般般特特性性的的分分析析与与描描述述，而而不不是是针针对对某某种种实实际际信信道道详详细细研研究究每每一一信信道道的的特特征征和和各各种种噪噪声声的的统统计计特特性性，而而是是研研究究具具有有普普遍遍意意义义的的信信道道，分分析析其其一一般般特特性
3、性和和对对信信号传输的影响。号传输的影响。1、定定义义：信信道道是是信信号号传传输输的的媒媒质质。或或信信道道是是以以传传输输媒媒质质为基础的信号通道。为基础的信号通道。2、分分类类：根根据据信信道道的的定定义义，如如果果信信道道仅仅是是指指信信号号的的传传输输媒媒质质，这这种种信信道道称称为为狭狭义义信信道道；如如果果信信道道不不仅仅是是传传输输媒媒质质，而而且且包包括括通通信信系系统统中中的的一一些些转转换换装装置置，这这种种信信道称为广义信道。道称为广义信道。狭狭义义信信道道：按按照照传传输输媒媒质质的的特特性性可可分分为为有有线线信信道道和和无无线信道两类。线信道两类。3.2 信道定义
4、与分类信道定义与分类狭义信道狭义信道有线信道有线信道 明线明线 对称电缆对称电缆 同轴电缆同轴电缆 光导纤维光导纤维 等等等等无线信道无线信道 地波传播地波传播 电离层反射电离层反射 无线无线视距中继视距中继 卫星通信卫星通信 超短波及微波对流层散射超短波及微波对流层散射 等等等等地波传播地波传播 短波是指波长为短波是指波长为10010m（频率频率330MHz）的无线的无线电波。它可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电电波。它可沿地表面传播，称为地波传播；也可由电离层反射传播，称为天波传播。地波传播一般是近距离层反射传播，称为天波传播。地波传播一般是近距离的，离的，可传几十千米。而可传几十千米
5、。而天波传播借助于电离层的一天波传播借助于电离层的一次或多次反射可传输几千千米或上万千米。次或多次反射可传输几千千米或上万千米。短波电离层反射短波电离层反射离地面离地面60600km的大气层称为电离层。实际观察表明，电的大气层称为电离层。实际观察表明，电离层可分为离层可分为D、E、F1、F2四层。四层。F2是反射层，其高度为是反射层，其高度为250300km，故一次反射的最大距离约为故一次反射的最大距离约为4000km，如果如果通过两次反射，通信距离可达通过两次反射，通信距离可达8000km。超短波及微波对流层散射信道超短波及微波对流层散射信道 离地面1012km以下的大气层称为对流层，对流层
6、散射信道是一种超视距的传播信道，其一跳的传播距离约为100500km。各种无线传输方式的频率分布各种无线传输方式的频率分布类类 别别频频 率率波波 长长无线电，中波无线电，中波3003000kHz1001000m无线电，短波无线电，短波330MHz10100m无线电，超短波无线电，超短波301000MHz0.310m微波微波1300GHz300.1cm亚亚毫米波毫米波3003000GHz10.1mm红外波红外波7504105GHz0.47.510-4mm可见光可见光4105 7.5 105 GHz7.510-44 10-4 mm狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信狭义信道是广义信道十分重
7、要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性即传输媒质的特性。因此，在研究信道的特性即传输媒质的特性。因此，在研究信道的一般特性时，的一般特性时，“传输媒质传输媒质”仍是讨论的重点。仍是讨论的重点。今后，为了叙述方便，常把广义信道简称为信今后，为了叙述方便，常把广义信道简称为信道。道。广广义义信信道道：除除了了包包括括传传输输媒媒质质外外，还还包包括括通通信信系系统统有有关关的的变变换换装装置置，这这些些装装置置可可以以是是发发送送设设备备、接接收收设设备备、馈馈线线与与天天线线、调调制制器器、解解调调器器等等等等。这这相相当当于于在
8、在狭狭义义信信道道的的基基础础上上，扩扩大大了了信信道道的的范范围围。它它的的引引入入主主要要是是从从研研究究信信息息传传输输的的角角度度出出发发，使使通通信信系系统统的的一一些些基基本本问题研究问题研究比较方便。比较方便。广广义义信信道道按按照照它它包包括括的的功功能能，可可以以分分为为调调制制信信道道、编编码码信道等信道等。如图如图 3-1 所示。所示。图图 3 1 调制信道和编码信道调制信道和编码信道调制信道：是从调制信道：是从研究调制与解调的角度定义的。其研究调制与解调的角度定义的。其 范围从范围从调制器的输出端至解调器调制器的输出端至解调器 的输入的输入 端。端。所谓调制信道是指图所
9、谓调制信道是指图 3-1中从调制器的输出端中从调制器的输出端到解调器的输入端所包含的发转换装置、到解调器的输入端所包含的发转换装置、媒质和收媒质和收转换装置三部分。转换装置三部分。当研究调制与解调问题时，我们当研究调制与解调问题时，我们所关心的是调制器输出的信号形式、解调器输入端信所关心的是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，而并不关心信号的中间变换过号与噪声的最终特性，而并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。方便和恰当的。编码信道：是从编码信道：是从研究编码和解码的角度定义的。在数
10、字通信研究编码和解码的角度定义的。在数字通信 系统中，采用编码信道，会使问题的分析更容系统中，采用编码信道，会使问题的分析更容 易。易。所所谓谓编编码码信信道道是是指指图图 3-1 中中编编码码器器输输出出端端到到译译码码器器输输入入端的部分。即编码信道包括调制器、调制信道和解调器。端的部分。即编码信道包括调制器、调制信道和解调器。调调制制信信道道和和编编码码信信道道是是通通信信系系统统中中常常用用的的两两种种广广义义信信道道，广广义义信信道道的的划划分分不不是是唯唯一一的的，如如果果研研究究的的对对象象和和关关心心的的问问题题不不同，还可以定义其他形式的广义信道。同，还可以定义其他形式的广义
11、信道。信信道道的的数数学学模模型型用用来来表表征征实实际际物物理理信信道道的的特特性性，它它对对通通信信系系统统的的分分析析和和设设计计是是十十分分方方便便的的。下下面面我我们们简简要要描描述述调调制制信信道道和编码信道这两种广义信道的数学模型。和编码信道这两种广义信道的数学模型。1.调制信道模型调制信道模型 调调制制信信道道是是为为研研究究调调制制与与解解调调问问题题所所建建立立的的一一种种广广义义信信道道，它它所所关关心心的的是是调调制制信信道道输输入入信信号号形形式式和和已已调调信信号号通通过过调调制制信信道道后后的的最最终终结结果果，对对于于调调制制信信道道内内部部的的变变换换过过程程
12、并并不不关关心心。因因此此，调调制制信信道道可可以以用用具具有有一一定定输输入入、输输出出关关系系的的方方框框来来表表示示。通通过过对对调调制制信信道道进进行行大大量量的的分分析析研研究究，发发现现它它具具有有如下共性：如下共性：3.3 信道的数学模型信道的数学模型 （1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；（3）信信号号通通过过信信道道具具有有一一定定的的延延迟迟和和损损耗耗(固固定定的的或或时时变变的的)；（4）即即使使没没有有信信号号输输入入，
13、在在信信道道的的输输出出端端仍仍可可能能有有一一定定的的输出（噪声）。输出（噪声）。根根据据以以上上几几条条性性质质，调调制制信信道道可可以以用用一一个个二二端端口口(或或多多端端口口)线线性性时时变变网网络络来来表表示示，这这个个网网络络便便称称为为调调制制信信道道模模型型，如如图图 3-2 所示。所示。图图 3 2 调制信道模型调制信道模型(a)二对端二对端 (b)多对端多对端 对于二对端的信道模型来说，它的输入和输出之间的关系对于二对端的信道模型来说，它的输入和输出之间的关系式可表示成式可表示成 式中，式中，ei(t)输入的已调信号；输入的已调信号；eo(t)信道输出波形；信道输出波形；
14、n(t)信道加性噪声信道加性噪声(或称信道加性干扰或称信道加性干扰)；fei(t)表表示示网网络络(信信道道)对对输输入入信信号号ei(t)进进行行的的(时时变变)线性变换。线性变换。显显然然“f”不不满满足足无无失失真真传传输输条条件件，网网络络会会使使ei(t)发发生生畸畸变变。由由于于fei(t)形形式式是是个个高高度度概概括括的的结结果果，作作为为数数学学上上的的一种简洁，令：一种简洁，令：fei(t)=k(t)ei(t)。其其中中 k(t)依依赖赖于于网网络络特特性性，对对ei(t)来来说说是是一一种种乘乘性性干干扰扰。n(t)为为加加性性干干扰扰。由由于于信信道道的的延延迟迟和和损
15、损耗耗特特性性是是随随时时间间随随机机变变化化的的，所以所以k(t)是随机过程。因此：是随机过程。因此：ei(t)eo(t)n(t)k(t)讨论：讨论：1 调制信道对信号的干扰有两种：乘性干扰调制信道对信号的干扰有两种：乘性干扰k(t)和和加性加性干扰干扰n(t)。分析信道对信号的影响，只要了解分析信道对信号的影响，只要了解k(t)和和n(t)的的特性即可。特性即可。2 分析乘性干扰分析乘性干扰k(t)的的影响时，可把调制信道分为两类：影响时，可把调制信道分为两类：恒参信道：乘性干扰恒参信道：乘性干扰k(t)随时间缓慢变化的信道。乘性随时间缓慢变化的信道。乘性 干扰干扰基本不随时间变化，即信道
16、对信号的影基本不随时间变化，即信道对信号的影 响是固定的或变化极为缓慢的，这类信道称响是固定的或变化极为缓慢的，这类信道称 为恒定参量信道，简称恒参信道。为恒定参量信道，简称恒参信道。包括：明线、电缆、光纤、超短波及微波视距传包括：明线、电缆、光纤、超短波及微波视距传 播、卫星中继等。（播、卫星中继等。（P37 3.4节）节）恒参恒参信道模型信道模型:H()=H()e j ()eo(t)=ei(t)h(t)+n(t)H（）ei(t)eo(t)n(t)H()为线性时不变系统为线性时不变系统 随参信道随参信道：乘性干扰乘性干扰k(t)随机快变化的信道。随机快变化的信道。这类信道这类信道 称为随机参
17、量信道，简称随参信道。称为随机参量信道，简称随参信道。包括：短波电离层反射信道、各种散射信道、超包括：短波电离层反射信道、各种散射信道、超 短波移动通信信道等。（短波移动通信信道等。（P44 3.6节）节）随参信道模型随参信道模型H（,t）ei(t)eo(t)n(t)H(,t)=H(,t)e j (,t)eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)2.编码信道模型编码信道模型 编码信道的输入为数字序列，如二进制数字编码信道的输入为数字序列，如二进制数字0，当，当正确接收时，经编码信道后，输出也为正确接收时，经编码信道后，输出也为0。由于信道中有。由于信道中有干扰，使信道输出也可能不是干扰，使信道输
18、出也可能不是0，而是，而是1。故：编码信道。故：编码信道的特性用转移概率（条件概率）来描述。的特性用转移概率（条件概率）来描述。调制信道也称为模拟信道：信道对信号的影响是通过调制信道也称为模拟信道：信道对信号的影响是通过k(t)和和n(t)使已调信号发生模拟变化。使已调信号发生模拟变化。编码信道也称数字信道：信道对信号的影响是把一种数编码信道也称数字信道：信道对信号的影响是把一种数字序列变为另一种数字序列。字序列变为另一种数字序列。图图3-2 二进制无记忆编码信道模型二进制无记忆编码信道模型 在在这这个个模模型型里里，P(0)和和P(1)分分别别是是发发送送“0”符符号号和和“1”符符号号的的
19、先先验验概概率率，把把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)称称为为信信道道转转移移概概率率，具具体体地地把把P(0/0)和和P(1/1)称称为为正正确确转转移移概概率率，而而把把P(1/0)和和P(0/1)称称为为错错误误转转移移概概率率。信信道道噪噪声声越越大大将将导导致致输输出出数数字字序序列列发发生生错错误误越越多多，错错误误转转移移概概率率P(1/0)与与P(0/1)也也就就越越大大；反反之之，错错误误转转移移概概率率P(1/0)与与P(0/1)就就越越小小。输输出出的的总总的的错错误误概概率为率为 Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)(3.1-10)假假
20、定定编编码码信信道道是是无无记记忆忆的的，即即一一码码元元的的差差错错与与其其前前后后码码元元是是否否发发生生差差错错无无关关，每每个个输输出出码码元元的的差差错错发发生生是是相相互统计独立的。根据概率性质可知互统计独立的。根据概率性质可知：由二进制无记忆编码信道模型，可以容易地推广到多进制由二进制无记忆编码信道模型，可以容易地推广到多进制无记忆编码信道模型。图无记忆编码信道模型。图3-4 为四进制无记忆编码信道模型。为四进制无记忆编码信道模型。00123123图图3-4 四进制无记忆编码信道模型。四进制无记忆编码信道模型。如如果果编编码码信信道道是是有有记记忆忆的的，即即信信道道噪噪声声或或
21、其其他他因因素素影影响响导导致致输输出出数数字字序序列列发发生生错错误误是是不不独独立立的的，则则编编码码信信道道模模型型要要比比图图 3-6 或或图图 3-7 所所示示的的模模型型复复杂杂得得多多，信信道道转转移概率表示式也将变得很复杂。不再讨论。移概率表示式也将变得很复杂。不再讨论。编编码码信信道道具具体体转转移移概概率率是是多多少少，要要由由具具体体信信道道特特性性决决定定，一一个个特特定定的的编编码码信信道道有有确确定定的的转转移移概概率率，通通过过对对实实际际信道的大量统计分析得到。信道的大量统计分析得到。信道分类表信道分类表调制信道调制信道编码信道编码信道 有线信道有线信道无线信道
22、无线信道 恒参信道恒参信道随参信道随参信道 有记忆信道有记忆信道无记忆信道无记忆信道 狭义信道狭义信道广义信道广义信道信道信道3.4 恒参信道恒参信道及其对信号传输的影响及其对信号传输的影响 恒恒参参信信道道：乘乘性性干干扰扰k(t)基基本本不不随随时时间间变变化化或或随随时时间间缓缓慢慢变变化化的的信信道道。信信道道特特性性主主要要由由传传输输媒媒质质所所决决定定，如如果果传传输输媒媒质质是是基基本本不不随随时时间间变变化化的的，所所构构成成的的广广义义信信道道通通常常属属于于恒恒参参信信道道；如如果果传传输输媒媒质质随随时时间间随随机机快快变变化化，则则构构成成的的广广义义信信道道通通常常
23、属属于于随参信道。随参信道。常常见见恒恒参参信信道道：架架空空明明线线、电电缆缆、中中长长波波地地波波传传播播、超超短短波波及及微微波波视视距距传传播播、人人造造卫卫星星中中继继、光光导导纤纤维维以以及及光光波波视视距距传传播播等等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。P373.4.1常见恒参信道常见恒参信道明线明线 明线是指明线是指平行而相互绝缘的架空裸线线路。平行而相互绝缘的架空裸线线路。与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易与电缆相比，它的优点是传输损耗低。但它易爱气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较爱气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感。
24、敏感。对称电缆对称电缆 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介质。导线材料是铝或铜，直径为导线的传输介质。导线材料是铝或铜，直径为0.41.4mm。为了减少各线对之间的相互干扰，每一对为了减少各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。线都拧成扭绞状。如图如图 3-8 所示。所示。由于这些结构上的由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特特点，故电缆的传输损耗比明线大得多，但其传输特性比较稳定，性比较稳定，价格便宜、安装容易。对称电缆通常有价格便宜、安装容易。对称电缆通常有两种类型：非屏蔽（两种类型：非屏蔽（UT
25、P）和屏蔽（和屏蔽（STP）。）。主要用主要用于市话中继线路和用户线路，在许多局域网如以太网、于市话中继线路和用户线路，在许多局域网如以太网、令牌网中也采用高等级的令牌网中也采用高等级的UTP电缆进行连接。电缆进行连接。STP电电缆的特性同缆的特性同UTP的特性相同，由于加入了屏蔽措施，的特性相同，由于加入了屏蔽措施，对噪对噪声有更好的屏蔽作用，但是其价格要昂贵一些。声有更好的屏蔽作用，但是其价格要昂贵一些。图 3 8 对称电缆结构图同轴电缆同轴电缆同轴电缆与对称电缆结构不同，单根同轴电缆的结构图如同轴电缆与对称电缆结构不同，单根同轴电缆的结构图如图图 3-9(a)所示。同轴电缆由同轴的两个导
26、体构成，外导所示。同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填体是一个圆柱形的导体，内导体是金属线，它们之间填充着介质。充着介质。实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干磁干扰性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同扰性能较好。在有线电视网络中大量采用这种结构的同轴电缆。轴电缆。为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可以装一个大的保护套内，构
27、成多芯同轴电缆，另外还可以装入一些二芯绞线对或四芯线组，作为传输控制信号用。入一些二芯绞线对或四芯线组，作为传输控制信号用。图 3-9同轴电缆结构图光导纤维（光纤）光导纤维（光纤）光纤是一种纤细（光纤是一种纤细（2125m）柔韧能够传导柔韧能够传导光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光光线的介质。有多种玻璃和塑料可用于制造光纤，使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最纤，使用超高纯二氧化硅熔丝的光纤可得到最低损耗。光纤的外形是圆柱体，由三个同轴部低损耗。光纤的外形是圆柱体，由三个同轴部分组成：芯、覆层以及防护罩。分组成：芯、覆层以及防护罩。光纤具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、光纤具有损耗低、
28、频带宽、线径细、重量轻、可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及可弯曲半径小、不怕腐蚀、节省有色金属以及不受电磁干扰等优点，将逐步取代电缆。不受电磁干扰等优点，将逐步取代电缆。无线电视距中继无线电视距中继 无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波时，无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波时，电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式电磁波基本上沿视线传播，通信距离依靠中继方式延伸的无线电线路。相邻中继站间距离一般在延伸的无线电线路。相邻中继站间距离一般在4050km。微波中继信道具有传输容量大、长途传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、输质量稳定、节约有色金属、投资
29、少、维护方便投资少、维护方便等等优点。因此，被广泛用来传输多路电话及电视等。优点。因此，被广泛用来传输多路电话及电视等。卫星中继信道卫星中继信道人造卫星中继信道可视为无线视距中继信道的一种特殊形式。人造卫星中继信道可视为无线视距中继信道的一种特殊形式。卫卫星星中中继继信信道道是是利利用用人人造造卫卫星星作作为为中中继继站站构构成成的的通通信信信信道道，卫卫星星中中继继信信道道与与微微波波中中继继信信道道都都是是利利用用微微波波信信号号在在自自由由空空间间直直线线传传播播的的特特点点。微微波波中中继继信信道道是是由由地地面面建建立立的的端端站站和和中中继继站站组组成成。而而卫卫星星中中继继信信道
30、道是是以以卫卫星星转转发发器器作作为为中中继继站站与与接接收收、发发送送地地球球站站之之间间构构成成。若若卫卫星星运运行行轨轨道道在在赤赤道道平平面面，离离地地面面高高度度为为35780km时时，绕绕地地球球运运行行一一周周的的时时间间恰恰为为24小小时时，与与地地球球自自转转同同步步，这这种种卫卫星星称称为为静静止止卫卫星星。不不在静止轨道运行的卫星称为移动卫星。在静止轨道运行的卫星称为移动卫星。若若以以静静止止卫卫星星作作为为中中继继站站，采采用用三三个个相相差差120的的静静止止通通信信卫卫星星就就可可以以覆覆盖盖地地球球的的绝绝大大部部分分地地域域(两两极极盲盲区区除除外外)，如如图图
31、 3-12 所所示示。若若采采用用中中、低低轨轨道道移移动动卫卫星星，则则需需要要多多颗颗卫卫星星覆覆盖盖地地球球。所所需需卫卫星星的的个个数数与与卫卫星星轨轨道道高高度度有有关关，轨轨道道越越低低所需卫星数越多。所需卫星数越多。目目 前前 卫卫 星星 中中 继继 信信 道道 主主 要要 工工 作作 频频 段段 有有：L频频 段段(1.5/1.6GHz)、C频频段段(4/6GHz)、Ku频频段段(12/14GHz)、Ka频频段段(20/30GHz)。卫卫星星中中继继信信道道的的主主要要特特点点是是通通信信容容量量大大、传传输输质质量量稳稳定定、传传输输距距离离远远、覆覆盖盖区区域域广广等等。另
32、另外外，由由于于卫卫星星轨轨道道离离地地面面较较远远信信号号衰衰减减大大，电电波波往往返返所所需需要要的的时时间间较较长长。对对于于静静止止卫卫星星，由由地地球球站站至至通通信信卫卫星星，再再回回到到地地球球站站的的一一次次往往返返需需要要0.26s左左右右，传传输输话话音音信信号号时时会会感感觉觉明明显显的的延延迟迟效应。效应。卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至线路构成。其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星地球站的电波传播路径，而信
33、道设备集中于地球站与卫星中继站中。相对于地球站来说，同步卫星在空中的位置是中继站中。相对于地球站来说，同步卫星在空中的位置是静止的。静止的。这种信道具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可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。目前广泛用来传输多路电靠、传输容量大等突出的优点。目前广泛用来传输多路电话、电报、数据和电视。话、电报、数据和电视。图 3 12 卫星中继信道示意图 恒恒参参信信道道：乘乘性性干干扰扰k(t)基基本本不不随随时时间间变变化化或或随随时时间间缓缓慢慢变变化化的信道。的信道。因因此此，其其传传输输特特性性可可以以等等效效为为一一个个线线性性时
34、时不不变变网网络络。系系统统函函数为数为H()。3.4.2 恒参信道特性恒参信道特性 H（）ei(t)eo(t)n(t)恒参信道恒参信道H()=H()e j ()eo(t)=ei(t)h(t)+n(t)线性网络的传输特性可以用幅度频率特性|H()|和相位频率特性()来表征。现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性。现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性。然后讨论非然后讨论非理想恒参信道特性。理想恒参信道特性。1.理想恒参信道特性理想恒参信道特性 理想信道理想信道 n(t)=0，理想恒参信道就是理想的无失真传输信道，理想恒参信道就是理想的无失真传输信道，其等效的线其等效的线性网络传输特性为性网
35、络传输特性为 H()=K0e-jtd (3.2-1)其其中中K0为为传传输输系系数数，td为为时时间间延延迟迟，它它们们都都是是与与频频率率无无关的常数。根据信道的等效传输函数，可以得到幅频特性为关的常数。根据信道的等效传输函数，可以得到幅频特性为|H()|=K0 (3.2-2)其幅频特性为常数其幅频特性为常数(在信号频带范围之内为常数在信号频带范围之内为常数)相频特性为相频特性为 ()=td (3.2-3)是是的线性函数，为过原点的直线。的线性函数，为过原点的直线。信信道道的的相相频频特特性性通通常常还还采采用用群群迟迟延延-频频率率特特性性来来衡衡量量，定定义义：群群迟迟延延-频频率率特特
36、性性为为：相相位位-频频率率特特性性的的导导数，即：数，即：图图 3-13 理想信道的幅频特性、理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延相频特性和群迟延-频率特性频率特性 理想恒参信道的冲激响应为理想恒参信道的冲激响应为 h(t)=K0(t-td)(3.2-5)若输入信号为若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出为则理想恒参信道的输出为 r(t)=K0s(t-td)（3.2-6)由此可见，由此可见，理想恒参信道对信号传输的影响是：理想恒参信道对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生固定的衰减；对信号在幅度上产生固定的衰减；(2)对信号在时间上产生固定的迟延。对信号在时间上产生固定的迟延。这种
37、情况也称信号是无失真传输。这种情况也称信号是无失真传输。由由理理想想的的恒恒参参信信道道特特性性可可知知，在在整整个个频频率率范范围围，其其幅频特性为常数，其相频特性为幅频特性为常数，其相频特性为的线性函数。的线性函数。2、非理想恒参信道特性、非理想恒参信道特性 在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生失真就会产生失真(或称为畸变或称为畸变)。如果信道的幅度。如果信道的幅度-频率特性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；如果信道的相位频率失真；如果信道的相位-频率
38、特性在信号频带范围之频率特性在信号频带范围之内不是内不是的线性函数，的线性函数，则会使信号产生相位则会使信号产生相位 频率失真。频率失真。幅度幅度-频率失真频率失真 幅幅度度-频频率率失失真真是是由由实实际际信信道道的的幅幅度度频频率率特特性性的的不不理理想想所所引引起起的的失失真真。信信号号中中不不同同频频率率的的分分量量分分别别受受到到信信道道不不同同的的衰衰减减。属属于于线线性性失失真真。图图 3-14(a)所所示示是是典典型型音音频频电电话话信信道道的的幅幅度度衰衰减减特特性性。由由图图可可见见，衰衰减减特特性性在在 3003000 Hz频频率率范范围围内内比比较较平平坦坦；300 H
39、z以以下下和和 3000Hz以以上上衰衰耗耗增增加加很很快，这种衰减特性正好适应人类话音信号传输。快，这种衰减特性正好适应人类话音信号传输。幅频失真对信号传输的影响：幅频失真对信号传输的影响：对模拟信号：会使通过它的信号波形产生失真。对模拟信号：会使通过它的信号波形产生失真。对数字信号：会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成对数字信号：会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成 码间干扰。码间干扰。图图 3 14 典型音频电话信道的幅度衰减特性典型音频电话信道的幅度衰减特性频率频率/Hz衰耗衰耗/dB 相位相位-频率失真频率失真 当当信信道道的的相相频频特特性性偏偏离离线线
40、性性关关系系时时所所引引起起的的失失真真。信信号号中中不不同同频频率率的的分分量量分分别别受受到到信信道道不不同同的的时时延延。相相频频失失真真也也是是属属于于线线性性失失真真。图图 3-15 给给出出了了一一个个典典型型的的电电话话信信道道的的相相频频特特性性和和群群迟迟延延频频率率特特性性。可可以以看看出出，相相频频特特性性和和群群迟迟延延频频率率特特性性都都偏偏离离了了理理想想特特性性的的要要求求，因因此此会会使使信信号号产产生生严严重的相频失真或群迟延失真。重的相频失真或群迟延失真。在在话话音音传传输输中中，由由于于人人耳耳对对相相频频失失真真不不太太敏敏感感，因因此此相相频频失失真真
41、对对模模拟拟话话音音传传输输影影响响不不明明显显。对对数数字字信信号号，相相频频失失真真会会引引起起码码间间干干扰扰，特特别别当当传传输输速速率较高时，相频失真会引起严重的码间干扰。率较高时，相频失真会引起严重的码间干扰。相频失真对信号传输的影响：相频失真对信号传输的影响：对模拟信号：对模拟信号：影响不明显影响不明显对数字信号：会引起码间干扰。使误码率性能降低对数字信号：会引起码间干扰。使误码率性能降低图图 3 15 典型电话信道相频特性和群迟延频率特性典型电话信道相频特性和群迟延频率特性 (a)相频特性；相频特性；(b)群迟延频率特性群迟延频率特性对基波相移对基波相移、对三次谐波相移对三次谐
42、波相移2的信道产生的失真的信道产生的失真vi(t)=sint+1/2sin3t vo(t)=sin(t-T/2)+1/2sin3(t-T/3)(a)输入信号波输入信号波形形(b)输出信号波输出信号波形形减小上述两种失真的方法：减小上述两种失真的方法：由由于于幅幅频频失失真真和和相相频频失失真真都都是是线线性性失失真真，因因此此可可以以采采取取均均衡衡措措施施。采采用用均均衡衡器器进进行行补补偿偿，改改善善信信道道传传输输特特性性。实际恒参信道还存在非线性失真，其一旦产生便很难消实际恒参信道还存在非线性失真，其一旦产生便很难消除。除。3.5 随参信道随参信道及其对信号传输的影响及其对信号传输的影
43、响 随随参参信信道道是是指指乘乘性性干干扰扰k(t)随随时时间间随随机机快快速速变变化化的的信信道道。常常见见的的随随参参信信道道有有：陆陆地地移移动动信信道道、短短波波电电离离层层反反射射信信道道、超超短短波波流流星星余余迹迹散散射射信信道道、超超短短波波及及微微波波对对流流层层散散射射信信道道、超超短短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。P44 我我们们介介绍绍典典型型的的随随参参信信道道：陆陆地地移移动动信信道道、短短波波电电离离层层反反射信道和对流层散射信道。射信道和对流层散射信道。3.5.1 随参信道举例随参信道举例陆地移动信道陆地移动信道
44、 陆陆地地移移动动通通信信工工作作频频段段主主要要在在VHF和和UHF频频段段，电电波波传传播播特特点点是是以以直直射射波波为为主主。但但是是，由由于于城城市市建建筑筑群群和和其其他他地地形形地地物物的的影影响响，电电波波在在传传播播过过程程中中会会产产生生反反射射波波、散散射射波波以以及及它它们们的的合合成成波波，电电波波传传输输环环境境较较为为复复杂杂，因因此此移移动动信道是典型的随参信道。信道是典型的随参信道。短波电离层反射信道短波电离层反射信道 短短波波电电离离层层反反射射信信道道是是利利用用电电离离层层反反射射地地面面发发射射的的无无线线电电波波，在在电电离离层层与与地地面面之之间间
45、的的一一次次反反射射或或多多次次反反射射所所形形成成的的信信道道。由由于于太太阳阳辐辐射射的的紫紫外外线线和和X射射线线，使使离离地地面面60600 km的的大大气气层层成成为为电电离离层层。电电离离层层是是由由分分子子、原原子子、离离子子及及自自由由电电子子组组成成。当当频频率率范范围围为为330 MHz(波波长长为为10100m)的的短短波波(或或称称为为高高频频)无无线线电电波波射射入入电电离离层层时时，由由于于折折射射现现象象会会使使电波电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。电电离离层层厚厚度度有有数数百百千千米米，可可分分
46、为为D、E、F1和和F2四四层层，如如图图3-20所所示示。由由于于太太阳阳辐辐射射的的变变化化，电电离离层层的的密密度度和和厚厚度度也也随随时时间间随随机机变变化化，因因此此短短波波电电离离层层反反射射信信道道也也是是随随参参信信道道。在在白白天天，由由于于太太阳阳辐辐射射强强，所所以以D、E、F1和和F2四四层层都都存存在在。在在夜夜晚晚，由由于于太太阳阳辐辐射射减减弱弱，D层层和和F1层层几几乎乎完完全全消消失失，因因此此只只有有E层层和和F2层层存存在在。由由于于D、E层层电电子子密密度度小小，不不能能形形成成反反射射条条件件，所所以以短短波波电电波波不不会会被被反反射射。D、E层层对
47、对电电波波传传输输的的影影响响主主要要是是吸吸收收电电波波，使使电电波波能能量量损损耗耗。F2层层是是反反射射层层，其其高度为高度为250300 km，所以一次反射的最大距离约为所以一次反射的最大距离约为4000 km。图图 3 20 电离层结构示意图电离层结构示意图 F2F2 由由于于电电离离层层密密度度和和厚厚度度随随时时间间随随机机变变化化，因因此此短短波波电电波波满满足足反反射射条条件件的的频频率率范范围围也也随随时时间间变变化化。通通常常用用最最高高可可用用频频率率给给出出工工作作频频率率上上限限。最最高高可可用用频频率率是是指指当当电电波波以以0角角入入射射时，能从电离层反射的最高
48、频率，可表示为时，能从电离层反射的最高频率，可表示为 fMUF=f0 sec0 (3.3-11)式式中中，f0为为0=0时时(垂垂直直入入射射时时)能能从从电电离离层层反反射射的的最最高高频率频率(称为临界频率称为临界频率)。在在白白天天，电电离离层层较较厚厚，F2层层的的电电子子密密度度较较大大，最最高高可可用用频频率率较较高高。在在夜夜晚晚，电电离离层层较较薄薄，F2层层的的电电子子密密度度较较小小，最最高可用频率要比白天低。高可用频率要比白天低。短短波波电电离离层层反反射射信信道道最最主主要要特特征征是是多多径径传传播播，多多径径传传播播主要原因：主要原因：(1)电波经电离层的一次反射和
49、多次反射；电波经电离层的一次反射和多次反射；(2)电离层反射区高度所形成的细多径；电离层反射区高度所形成的细多径；(3)地球磁场引起的寻常波和非寻常波；地球磁场引起的寻常波和非寻常波；(4)电离层不均匀性引起的漫射现象。电离层不均匀性引起的漫射现象。以上四种形式如图以上四种形式如图 3-21 所示。所示。图图 3-21多径形式示意图多径形式示意图(a)一次反射和两次反射；一次反射和两次反射；(b)反射区高度不同；反射区高度不同；(c)寻常波与非寻常寻常波与非寻常波；波；(d)漫射现象漫射现象对流层散射信道对流层散射信道 离地面离地面1012km以以下的大气层称为对流下的大气层称为对流层，对流层
50、散射信道层，对流层散射信道是一种超视距的传播是一种超视距的传播信道，其一跳的传播信道，其一跳的传播距离约为距离约为100500km。其其主要特征也主要特征也是是多径多径传播传播收发天线共同照射区内许多收发天线共同照射区内许多不均匀气团，每一个气团都不均匀气团，每一个气团都是一个二次辐射源。是一个二次辐射源。由由上上面面分分析析典典型型随随参参信信道道特特性性知知道道，随随参参信信道道的的传传输输媒媒质具有以下三个特点：质具有以下三个特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；对信号的衰耗随时间随机变化；引起幅度失真引起幅度失真 (2)信信号号传传输输的的时时延延随随时时间间随随机机变变化化;引引起