1.6 通信信道

信源发出的信号经过信道传输后被信宿接收，所以信道是信号传输的通路。信道的传输特性即信道的频率响应特性，描述了不同频率的信号通过信道传输后能量幅度和相位变化的情况。由此可以确定信道能够通过什么频率的信号而不会产生畸变。

信道带宽是描述通信系统的一个重要指标，也是理解通信系统的一个最基本的概念。信道带宽用于衡量一个信道的传输能力，带宽越大表明传输能力越强。信道带宽主要受传输媒介带宽的影响，不同的传输媒介其带宽不同，所以信道带宽又称为线路带宽或媒介带宽。例如，光纤媒介的带宽就远远大于电缆的带宽。

信道容量则是用来衡量信道所能达到的最大传输能力的一个重要指标。

1.6.1 传输特性与带宽

信道的传输特性又称为信道的频率响应特性，它描述了包含不同频率分量的信号经过信道传输后其幅度和相位的变化情况。一个理想信道具有无限的带宽，即当信号通过理想信道传输时，发送端和接收端的波形完全一样，只是在幅度上有所衰减，时间上有所滞后。如图1-9a、b所示，理想信道对任何频率的信号都具有同样的频率响应，其幅频特性具有从-∞～+∞的理想频宽，其相频特性具有从-∞～+∞的线性相移。

但是，受物理传输媒介和传输设备性质的限制，实际信道都是非理想的，其频率响应特性限定了通过其传输的上、下限频率，也就是有一个限定通频带。图1-9c、d示出了实际信道的频率响应特性，其中，小于f_h频率的信号基本上能够正常通过信道，即使有部分失真也可以容许，而大于f_h频率的信号被部分抑制掉。非理想信道的相频特性也呈现出非线性特点，表现在实际问题中就是不同频率分量信号在信道中传输速率不一样，导致不同频率分量产生不同时间的延迟。

信号带宽与信道带宽的匹配是通信系统正常工作的重要保证之一，两者匹配最主要考虑的是频带匹配。如果被传输信号的频率范围与信道频带相适应，对信号的传输不会有什么影响；如果信号的有效带宽大于信道带宽，就会导致信号的部分频率成分被过滤掉而产生信号失真。

例如前面讲到的周期矩形脉冲信号，其实际带宽是无限的，而信道带宽总是有限的。所以如果信号基频和第一个过零点左侧部分的谐波（即有效带宽部分）能通过信道，一般来说，接收到的数字信号是可以被识别出来的。但如果信道与信号带宽不匹配，导致基频甚至部分谐波被滤除，由于基频包含了信号的大部分能量（在频谱图上反映出的是幅值最大的波形），因此接收到的信号就会产生严重失真而难以识别。传输周期脉冲信号的信道要求至少其下限频率要低于信号的基频。

实际中可能出现下列几种情况：

1）如果信号与信道带宽相同且频率范围一致，信号能无损失地通过信道。

2）如果信号与信道带宽相同但频率范围不一致，该信号的部分频率分量肯定不能通过信道。此时，需要进行频率调制，使信号的频带通过频率变换适应信道的频带。

3）如果信号带宽小于信道带宽，但信号的所有频率分量包含在信道的通带范围内，信号可以无损失地通过信道。

4）如果信号带宽大于信道带宽，但包含信号大部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内，通过信道的信号会损失部分频率成分，但仍可能完成传输。

5）如果信号带宽大于信道带宽，且包含信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内，这些信号频率成分将被滤除，信号严重畸变失真。

信道与信号的匹配可以形象地比喻为马路与车的关系，把车看成是信号，马路看成是信道，则宽马路允许多辆车并行跑，窄马路跑多辆车就会导致拥挤甚至撞车事故发生。

信道带宽又称为线路带宽，常常以数据传输速率（bit/s）或者可传输的频率范围（MHz或GHz）来衡量。信号的有效带宽单位是Hz，而信道带宽的单位是bit/s，如何理解Hz和bit/s之间的关系呢？根据1.2节的分析，信号的有效带宽是其主要能量频谱的宽度，通常是一个近似值。以宽度为τ的周期脉冲信号为例，其有效带宽近似为1/τ（Hz）。当信号速率为1200bit/s时，τ=1/1200s，相当于有效带宽近似为1200Hz。可见信号的比特率与有效带宽成正比。若要提高比特率，就需要具有带宽更宽的传输媒介。实际中为了在有限的信道带宽中提高比特率，经常采用多进制调制技术，使得单位码元内尽量传输更多的信息。

通过上述分析得出一个重要结论：为了不失真地完成信号传输，信号的有效带宽必须和信道的带宽相匹配。

1.6.2 传输媒介

狭义来看，通信系统的传输媒介可以是诸如同轴电缆、双绞线和光缆等有线传输媒介，也可以是不同波段的无线电波。了解通信系统传输媒介的物理特性和传输特性有助于理解与通信信道相关的概念。

1. 同轴电缆

同轴电缆早期曾作为宽带传输媒介用于数字通信系统中，但由于其单位距离传输衰减过大（10～20dB/km），后来逐渐被具有更高传输能力的光纤所替代。而在计算机局域网络中以往常用阻抗为50Ω的RG-58型同轴电缆作基带传输，也逐渐被双绞线所取代，主要原因是其制作工艺比双绞线复杂且成本较高。目前阻抗为75Ω的同轴电缆基本上只用于有线电视网。

一般同轴电缆由一根实心的铜质线作为内导体、一个铜质丝网作为外导体，内外导体之间由塑料绝缘材料支撑并隔离，外导体以内导体为同心轴，所以称为同轴电缆。外导体之外再覆一层聚氯乙烯或其他绝缘材料，用于防潮、防腐、防氧化损坏，如图1-10a所示。同轴电缆的外导体具有屏蔽作用，所以抗干扰性能很强。

同轴电缆的有效频带范围在100kHz～500MHz之间。各种同轴电缆是根据它们的无线电波管制级别（RG）来归类的，每种级别有一组特定的物理特性，适用于一定的功能用途。不同类型的同轴电缆的应用参数见表1-1。

2. 双绞线

双绞线是最常用的一种传输媒介，常用于局域网或用户短距离接入。双绞线是把两根外包绝缘铜芯线（直径为0.5～1mm）扭绞成具有一定规则的螺旋形状，扭绞的目的是减少或抵消线对之间的电磁干扰。与同轴电缆相比，双绞线抗干扰性差一些，易受到外部电磁信号的干扰，所以可靠性也就差一些。但是双绞线的制造成本比同轴电缆要低很多，是一种廉价的传输媒介。把若干对双绞线集成一束，并用较结实的外绝缘皮包住，就组成了对称电缆。图1-10b示出了4对双绞线合成的对称电缆。

双绞线既可以传输模拟信号也可以传输数字信号，在距离不超过100m时，传输数字信号的速率可以达到10～100Mbit/s。用于局域网络的双绞线是由4对线组成的双绞线电缆，而用于电话语音传输的用户线则通常由多达上百对双绞线电缆组成，以便于集中入户敷设。

用于局域网的双绞线大致分为屏蔽（Shield Twisted-Pair，STP）和非屏蔽（Unshield Twisted-Pair，UTP）双绞线两类。屏蔽双绞线电缆增加了一层具有屏蔽作用的金属层，可以有效地防止电磁干扰，但成本较高。

电子工业学会（Electronics Industrial Association，EIA）为非屏蔽双绞线电缆制定了6类标准。表1-2列出了它们的适用范围。

3. 光缆

光通信是利用光导纤维作为媒介，用光波来载送信息的一种通信方式。光纤是由纯净的石英玻璃拉制成的纤细的玻璃纤维丝，可远距离传输光信号。光缆是由若干根光纤集成在一起制成的宽带通信传输媒介，是目前长途干线通信和部分城域网的主要通信线路。

图1-11示出了近红外波长范围的光波通信的三个可用传输窗口：0.85μm短波长区（0.8～0.9μm）、1.3μm长波长区（1.25～1.35μm）和1.55μm长波长区（1.53～1.58μm）。不同的波长范围光纤单位距离传输损耗不同，其中0.85μm波长区用于多模光纤通信，1.3μm波长区用于多模和单模光纤通信，1.55μm波长区用于单模光纤通信。多模光纤适用于短距离传输，单模光纤光波波长接近于远红外波段，传输损耗很小，因而中继距离可达上百千米，带宽至少可达1GHz以上。关于光纤通信的详细内容将在第4章中做详细介绍。

4. 无线电波

大气空间作为通信的传输媒介已经获得广泛的应用。目前常用无线电频率范围为3kHz～300GHz，各频段具有不同的传播特性、途径和规律，因而有不同用途。表1-3是无线电波不同频段的划分及其用途。

无线电波是由于在发射天线上流动的高频电流所辐射出的磁场和电场交替感应向周围扩散而产生的。为了高效率地把无线电波发射到空中去，通常天线的长度应为波长的1/4。例如，波长为100m的无线电波，其发射天线不能低于25m。无线电波在传送过程中由于能量的扩散和媒介的吸收，其强度会逐渐衰减。同时，由于地理环境和可能遇到障碍物等因素，会产生不同程度的反射、折射、绕射和散射现象，对电波的传输产生影响。

无线电波主要分为地波、天波、视距和散射4种传播途径。

地波传播是指沿地球表面的传播，受季节和气候的影响小，传播较稳定。但地波传播的衰减受土质导电性影响较大，导电性越好，衰减越小，波长越短，衰减越大。长波和中波无线通信均采用地波传播。

天波传播利用电离层反射实现，天波进入大气电离层后被反射回到地面又可能被反射回到电离层，如此反复几次可使得传输距离很远，甚至达到几千千米。天波的频率在3～30MHz，频率越低衰减越大，所以过低频率不能使用，但若频率再高则会穿过电离层不能被反射回来。

视距传播又称为空间波传播。这是一种直线传播方式，主要用于微波通信和超短波通信，传播距离为20～60km。如公用蜂窝无线网手机与基站之间，以及微波通信接力站之间都属于视距波传播。

散射传播是依靠位于电离层下方距地面13～14km的对流层对电磁波的无序散射而实现的传播，它是微波和超短波传播的途径之一。一般用于海岛、湖泊、沙漠等不便于建立微波中继站或有线通信难以敷设到的地点。

无线电波在大气中传播时除了有传输损耗之外还存在着多径效应和衰落现象。传输损耗是由于大气对无线电波吸收、散射或绕射而导致的，不同的传播方式和不同材料的障碍物所造成的损耗不一样。电波经过多条路径传播到达同一个接收天线，各条路径来的信号之间有时延差，叠加之后得到的合成信号强弱会伴随着传输路径或气象条件的变化而起伏不定，这种现象称为多径效应。而接收端信号振幅起伏不定的情况称为衰落现象。特别是在移动通信中，信号的强弱会随着移动位置的变化而变化，从而使电波不稳定、系统不可靠。为此，需要增加抗衰落等一系列措施。

1.6.3 信道容量

信道容量是指信息在信道中无差错传输的最大速率。在信道模型中，有两种广义上的信道：调制信道和编码信道。调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征，通常信道容量指的就是连续信道的容量；编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。图1-12表明了两种信道之间的关系。

在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，用于计算信道容量的是著名的香农公式，即

式中，B为信道带宽；S为信号平均功率；N为噪声平均功率；C为该信道的理论最大传输速率，单位为bit/s。

香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值。即只要传输速率小于或等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输。

由香农公式可得以下结论：

1）增大信号功率S或减小噪声功率N可以增加信道容量C，若S趋于无穷大或者N趋于零，则C也趋于无穷大。但一方面实际信道总是存在噪声，另一方面S也不可能无穷大。所以，B一定时，只能通过提高信噪比S/N来提高信道容量。

2）增大信道带宽B可以增加信道容量C，但不能使C无限增大。B趋于无穷大时，C的极限值为一个固定值1.44S/n₀，n₀是白噪声谱密度（单位带宽内噪声功率）。

3）在允许存在一定的差错率前提下，实际传输速率可以大于信道容量，但此时不能保证无差错传输。

4）信道容量C、信道带宽B和信噪比S/N可以通过相互提升或降低取得平衡。这种信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。在扩频通信中通过增大信道带宽来降低对信噪比的要求。在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的发射功率不可能做得很大，因此也可用增大带宽的方法来换取对信噪比要求的降低。

例如，设当前信道带宽是3kHz，最大信息速率为10000bit/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道，至少要求信噪比S/N≈9。如果最大信息速率仍为10000bit/s，同时把信道带宽拓宽为10kHz，信噪比S/N就可降低为1左右。

1.6.4 信道的复用

多路复用是利用同一传输媒介同时传送多路信号且相互之间不会产生干扰和混淆的一种最常用的通信技术。在发送端将若干个独立无关的分支信号合并为一个复合信号，然后送入同一个信道内传输，接收端再将复合信号分解开来，恢复原来的各分支信号。多路复用可以大大提高线路利用率，节省线路建设开支。多路复用能够得以实现的先决条件是信道的带宽能够容纳多路信号合并后的复合信号带宽。

图1-13是多路复用的基本原理图。图中，n路分支信号通过多路复用器合并起来，接收端则利用多路分路器把合并的信号分离开来。

常用的多路复用技术有频分多路（Frequency Division Multiplexing，FDM）、时分多路（Time Division Multiplexing，TDM）和码分多路（Code Division Multiplexing，CDM）三种。此外，在光纤通信中出现了波分多路复用（WDM），概念实际上与频分多路复用没有本质上的区别。

图1-14示出了频分多路复用（FDM）技术原理。FDM技术是将信道的整个频带划分成较窄的互相不重叠的子频带，每路信号占用其中的一个。因此，需要将频带相同的各信号频率分别搬移到其指定的频率位置，这个过程称为载波调制。为了避免不同子频带之间可能产生的交调干扰，需要在各个子频带之间留有适当的频率间隙，即保护带。图中三个同频宽的信号经过载频f₁、f₂、f₃的调制（频率搬移），分别被搬移到相邻的三个频带位置并组合成为一组频带较宽的信号，送入同一个信道传送。接收端经带通滤波器过滤后，解调（频率反搬移）还原出原信号。

FDM技术常见于载波模拟电话通信系统中。ITU对于模拟FDM信道群体系有一套详细的标准。规定一个基群包含12个带宽为4kHz的话路，5个基群组成一个超群，5个超群组成一个主群，共300个宽带话路。随着数字通信技术的出现，模拟传输的载波电话基本上已经被淘汰。但是，FDM技术仍然在当代各种通信系统中作为多路复用手段占有不可替代的重要的位置。例如，在第二代数字蜂窝移动通信系统中用户手机的寻址方式就是采用FDM结合TDM技术实现的。

FDM技术的优点在于频带利用率较高，实现起来也比较容易，其最大的缺点是对于信道的非线性失真导致的串扰、交叉调制干扰以及噪声累积难以克服。

TDM技术是把信道的传输时间分割成一系列称为时隙的时间片，整个信道带宽在一个时间片内仅由一路信号占用，多路复用信号依次轮流占用这个信道。只要信道带宽能够达到一路信号传输速率的要求，就可以采用TDM方式实现信号的完整传输。因此，TDM适合于数字信号的传输。

图1-15所示的TDM原理示意图中，有三路信号连接到时分多路复用器，复用器按照次序轮流给每个信号分配一段时隙（时间片）。当轮到某个信号使用信道时，该信号就与信道连通，其他信号暂时被切断。各路信号依次轮流一遍之后，再回到第一路信号重新开始。在接收端，时分多路分用器与输入端复用器保持同步，依照与发送端同样的顺序轮流接通各路输出。这样，在同一个线路上可以分时传送多路信号，达到了复用的目的。在一个时间片上，每路信号的发送单位可以是一个码元、一个字符或一帧。

如果分配给每路信号的时间片是固定的，即不管该信源信号是否有数据要传送，属于该信源的时间片不能被其他信源的信号占用，则这种复用方式称为同步时分复用，这种方式系统利用率较低。如果允许动态地分配时间片，即在某个信源没有信息要发送时，允许其他信源占用该时间片发送信息，则称为动态或异步时分多路复用。动态时分多路复用又称为统计时分复用（STDM）或智能时分复用（ITDM），与同步时分复用比较起来技术上较复杂。