【通信原理】第四章 -- 信道

第四章 信道

• 信道连接发送端和接收端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端
• 信道的分类
  • 按传输媒介
    1. 无线信道： 利用电磁波在空间中的传播来传输信号
    2. 有线信道： 利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号
  • 按信道特性
    1. 恒定参量信道： 不随时间变化
    2. 随机参量信道： 随时间随机变化

无线信道

• 在无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的
• 电磁波的传播主要分为： 地波、天波和视线传播三种
• 若将发射机输出功率与接收机输入功率之比定义为传输损耗，L_fr为自由空间传播损耗，P_T为发射机输出功率，P_R为接收机输入功率，d为距离，λ为波长
  $$L_{fr}=\frac{P_T}{P_B}=\frac{16{\pi }^2{d}^2}{{\lambda }^2{G}_T{G}_R}$$
• 除上述三种传播方式外，电磁波还可以经过散射方式传播
  • 散射现象具有强的方向性，散射的能量主要集中于前方，故常称其为前向散射
  • 由于散射信号的能量分散于很多方向，故接收点散射信号的强度比反射信号的强度要小得多
  • 散射传播分为： 电离层散射、对流层散射和流星余迹散射

有线信道

• 传输电信号的有线信道主要有三类： 明线、对称电缆和同轴电缆
  • 明线： 平行架设在电线杆上的架空线路
  • 对称电缆： 由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内造成的
  • 同轴电缆： 由内外两根同心圆柱形导体构成，在这两根导线间用绝缘体隔离开

信道的数学模型

调制信道模型

• 随参信道： 特性随机变化的信道
• 恒参信道： 信道的特性基本上不随时间变化，或变化极慢极小，称为恒定参量信道，简称恒参信道

信道特性对信号传输的影响

• 恒参信道的主要传输特性通常可以用其振幅-频率特性和相位-频率特性来描述
• 无失真传输要求：
  1. 振幅特性与频率无关，即其振幅-频率特性曲线是一条水平直线
  2. 相位特性是一条通过原点的直线，或者等效地要求其传输群时延与频率无关，等于常数
• 若信道的振幅-频率特性不理想，则信号发生的失真称为频率失真
• 信道的相位特性不理想将使信号产生相位失真
• 各种随参信道具有的共同特性：
  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. 信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度(时延)和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象
     • 多径传播对信号的影响称为多径效应

信道容量

连续信道容量

• 香农公式：
  • 连续信道容量 = B × log₂(1+S/N) bps
  • 信道带宽受限B并且有噪声情况下连续信道容量=1.44S/N
  • 带宽不受限有噪声情况下最大值

离散信道的信道容量

• 奈奎斯特定理（奈氏准则）：
  • 离散信道容量 = 频带利用率 × W × log₂Vbps
  • 信道带宽受限W，理想低通情况下，为了避免码间串扰，V是进制数
  • 直观上增加码元进制数V，在带宽和传码率一定的情况下，可以提高传信率(计算机网络中的带宽)，但进制越多会导致可靠性变差
  • 直观上缩小码元长度，波特率增加，每秒传的01信号就会越多，但带宽增加(波特率和带宽之间关联),对于给定带宽，波特率 = 带宽 × 频带利用率，所以带入最大频带利用率2就算出信道容量