第3章 CHAPTER 3 信道与噪声 作为通信系统中不可缺少的一个重要组成部分，本章节对信道的定义、分类、信道模型、信道的传输特性、信道容量及信道中的噪声做深入的讨论。 视频 3.1信道的定义 信道，顾名思义就是信息的传输通道，是信号传输的媒介，连接通信系统的发射端和接收端，完成点对点通信。例如明线、同轴电缆、光缆、地波传播等均为信道的具体形式。这种信道只涉及传输媒介，称为狭义信道。 在通信系统的研究中，为了简化系统模型并突出重点，常常根据研究的问题把信道的范围适当扩大。除了传输媒质外，还可以包括有关的部件和电路，如天线、馈线、功率放大器、混频器、调制器等，我们把这种范围扩大了的信道称为广义信道。在讨论通信系统的一般原理时，通常都采用广义信道。当然，狭义信道是广义信道的核心，广义信道的性能在很大程度上取决于狭义信道，所以在研究信道的一般特性时，传输媒质仍然是讨论的重点。为了叙述简单，我们把广义信道简称为信道。 通信系统的作用就是在接收端不失真地恢复发送端的信号，达到传送信息的目的。因此就总体而言，应将信道看作一个线性系统，满足线性叠加原理。其中某些部件，比如放大器，我们把它看作是理想线性的。信道中的某些局部也存在非线性变化，如调制、编码等，但从整体上看应视作一个线性系统。 (1) 信号在信道中传输，存在着衰耗及时延。衰耗是指其幅度上的变化。产生时延的原因一是传播时延，二是系统对信号处理引起的时延。输出总是落后于输入信号，这是物理系统可实现的必要条件。 (2) 信道总是存在着噪声。除了需要传送的有用信号以外的任何信号，我们都把它看作噪声。这些噪声有的是内部自身产生的，有的则是从外部进来的干扰。显然噪声对通信的过程带来不利的影响，但却是客观存在的。通信技术的发展正是在同噪声的斗争中发展起来的。 (3) 信号在实际信道中传输将会产生失真，其中包括线性失真和非线性失真。 (4) 任何信道都具有一定的频率带宽，也就是通常所说的带限系统。据香农信道容量公式，信道的带宽是构成信道容积的基本条件之一，也是一个系统通信能力的重要参数指标。 (5) 实际的信道也是功率受限系统，不能传送功率无限大的信号。信道的功率受限、频带有限是因为信道中的电路、器件都具有一定的带宽(频率特性)及一定的动态范围。 3.2信道的分类 按照信号传输媒介的不同，可以把信道分为无线信道和有线信道两种，无线信道是利用电磁波在空间中的传播来传输信号，有线信道则是利用各种人造的传输电或光的媒介来传输信号。下面对一些常见的无线信道和有线信道加以介绍。 3.2.1无线信道 1. 电磁波 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。所谓电磁波，简单地说，就是电和磁的波动过程，是向前传播的交变电磁场； 或者说，电磁波是在空间传播的交变电磁场。电磁波和自然界存在的水波、声波一样，都是一种波动过程。所不同的是，人可以看到水波，可以听到声波，但电磁波看不到也听不到。 正弦波是最简单，也是最重要的波动过程，它是研究各种电磁波的基础形式。正弦波具有振幅、频率和相位三个要素。正弦波的另一个基本参数是波长，用λ表示，单位是米(m)。波长和频率f之间的关系是 λ=cf=3×108f（31） 式中： c为光速，c=3×108m/s。 电磁波的发射和接收是用天线进行的，为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的长度不小于电磁波波长的1/10。因此，若电磁波的频率过低，波长过长，则天线难以实现。例如，若电磁波的频率等于1000Hz，则其波长等于300km。这时，要求天线的长度大于30km，现实中难以实现。所以，通常用于通信的电磁波频率都比较高。 无线电波是人们认识最早、应用最广的电磁波。无线电波的波长为0.75mm~100km，对应的频率为4×1011~3×103Hz。实际中，按频率的高低或波长的长短将无线电波划分为若干频段，它们之间的对应关系及应用范围见表31。 表31无线电波的通信频段、常用传输媒介及主要用途 频 率 范 围 波长 频段的分类 名称和缩写 传 输 媒 介 用途 3Hz~30kHz 104~108m 甚低频 （VLF） 有线线对 长波无线电 音频、电话、数据终端长距离导航、时标 30~300kHz 103~104m 低频 （LF） 有线线对 长波无线电 导航、信标、电力线系统 300kHz~3MHz 102~103m 中频 （MF） 同轴电缆 短波无线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无线电 续表 频 率 范 围 波长 频段的分类 名称和缩写 传 输 媒 介 用途 3~30MHz 10~102m 高频 （HF） 同轴电缆 短波无线电 移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电 30~300MHz 1~10m 甚高频 （VHF） 同轴电缆 米波无线电 电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航 300MHz~3GHz 10~100cm 特高频 （UHF） 波导 分米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 3~30GHz 1~10cm 超高频 （SHF） 波导 厘米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 30~300GHz 1~10mm 极高频 （EHF） 波导 毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 105~106GHz 3×10－7~3×10－6m 紫外线、可见光、红外线 光纤、激光空间传播 光通信 通常把频率为300MHz~300GHz的频段称为微波，波长在0.75mm以下的电磁波，统称为光波。人们最熟悉的光波是可见光。除此以外，人们又先后发现了红外线、紫外线、X射线及γ射线等不可见光。 2. 电波的传播方式 利用无线电波传递信息时，电波要经过发射、传播、接收等几个环节。那么，不同频率的无线电波是怎样传播的呢？下面介绍电波的4种主要传播方式，即地波传播、天波传播、空间波传播和散射波传播。 1) 地波传播 地波传播是指无线电波沿地球表面传播，又称绕射传播或地表面波传播，如图31所示。地波传播主要受地面土壤的电参数和地形地物的影响，波长越短，电波越容易被地面吸收，因此只有超长波、长波及中波能以地波方式传播。地波传播不受气候条件影响，传播时稳定可靠，在低频和甚低频段，地波能够传播超过数百千米或数千千米。 图31地波传播 2) 天波传播 天波传播也称电离层反射传播，是指无线电波经天空中电离层的反射后返回地面的传播方式，如图32所示。所谓电离层是指大气层中离地面40~800km高度范围内包含有大量自由电子和离子的气体层，它是大气层在受到太阳射线和宇宙射线的照射后发生电离而形成的。电离层能反射电波，对电波也有吸收作用。但电离层对长波和中波吸收较多而对短波吸收较少，因而短波通信更适合以天波方式传播。比短波频率更高的超短波及微波可以穿过电离层，因而它们不能靠电离层反射来传播。 图32天波传播 3) 空间波传播 空间波传播也称视距传播，是指发射点和接收点在视距范围内能够相互“看得见”，此时的电波以直线传播，如图33所示。超短波和微波主要以视距方式传播，另外，工作在特高频和超高频频段的卫星通信，其地面的电磁波传播也是利用视距传播方式，但是在地面和卫星之间的电磁波传播要穿过电离层。 图33空间波传播 视距传播时易受到高山和大的建筑物的阻隔，因此为了加大传输距离，就要把发射天线架高，做成大铁塔。但由于受地球曲面的影响，一般的传输距离也不过50km左右。为了加大传输距离，通常采用接力通信的方式，即每隔一定的距离设立一个接力站，像接力赛跑一样，把信息传到远方，如图34所示。 图34微波接力通信 4) 散射波传播 对于那些无法建立微波接力站的地区，如大海、岛屿之间的通信，可以利用散射波传递信息。散射波传播包括对流层散射和电离层散射传播。对流层是指比电离层低的不均匀气团。散射传播的工作频段主要是超短波和微波，通信距离最大可达600~800km，如图35所示。散射信号一般很弱，因此进行散射通信时要求使用大功率发射机及灵敏度和方向性很强的天线。 图35对流层散射传播和电离层散射传播 各波段无线电波的传播特点见表32。 表32无线电波的传播特点 波段 电离层对电波的吸收 传 播 特 点 超长波 长波 弱 主要靠表面波传播，有绕射能力，可以沿地面传播很远。也可以利用电离层的下缘传播 中波 白天很强，几乎被吸收完，夜间很弱 沿地面传播。可达数百千米。夜间还可靠天波传播很远。所以传播距离白天比较近，夜间比较远 短波 白天，对较长波长强，对较短波长弱。夜间很弱 主要靠天波传播，经电离层多次反射，能传播很远距离，但接收信号有衰落现象。沿地面传播损耗很大，只能在近距离传播 超短波 微波 电离层不起反射作用，电波能穿透电离层 主要靠空间波传播(视距传播)，传播距离不远。电离层散射和流星余迹传播，能穿几千千米 直线传播距离很近，有频带宽、信息容量大的特点，用接力方式传播能传很远距离。对流层散射传播能传几百千米。卫星传播能传到全球各地 由于电磁波的传播没有国界，所以为了在国际上保持良好的电磁环境，避免不同通信系统间的干扰，由国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)负责定期召开世界无线电通信大会(The World Radio Communication Conference，WRC)，制定有关频率使用的国际协议。各个国家在此国际协议的基础上也分别制定本国的无线电频率使用规则。 3.2.2有线信道 在有线信道传输方式中，电磁波沿着有线介质传播并构成信息直接流通的通路。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆和光缆等。 1. 明线 明线是指平行架设在电线杆上的架空线路，它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。其传输损耗低，但是易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰较敏感，并且难以沿一条路径架设大量的(成百对)线路，故目前已经逐渐被电缆所代替。 2. 对称电缆 对称电缆是由若干对被称为芯线的双导线放在一根保护套内制成的。为了减小各对导线之间的干扰，每一对导线都做成扭绞形状，称为双绞线。保护套则是由几层金属屏蔽层和绝缘层组成的，它有增大电缆机械强度的作用。对称电缆的芯线比明线细，直径为0.4~1.4mm，故其损耗比明线大，但是性能较稳定。 3. 同轴电缆 同轴电缆则是由内外两根同心圆柱形导体构成的，在这两根导体间用绝缘体隔离开。外导体应是一根空心导管，内导体多为实心导线。在内、外导体间可以填充塑料作为电介质，或者用空气作为介质，同时有塑料支架用于连接和固定内、外导体。由于外导体通常接地，所以它同时能够很好地起到屏蔽作用。在实际应用中多将几根同轴电缆和几根电线放入同一根保护套内，以增强传输能力，电线用来传输控制信号或供给电源。图36为同轴电缆示意图。 图36同轴电缆示意图 4. 光纤和光缆 1) 光纤 传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。光纤是由华裔科学家高锟(Charles Kuen Kao)发明的。他于1966年发表的一篇题为《适合于光频率的绝缘介质纤维表面波导》的论文奠定了光纤发展和应用的基础，因此被认为是“光纤之父”。 光纤是工作在光频下的一种介质波导，它引导光信号沿着与轴线平行的方向传输。光纤是一种新型信息传输介质，其材料主要是石英玻璃，民间又称光纤为石英玻璃丝。它的直径只有125μm，如同人的头发丝粗细，但是与原有的传输线相比，其传送的信息量是原先的成千上万倍，可达到每秒千兆比特，且能量损耗极低。 光纤由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成。光纤纤芯是一个透明的圆柱形介质，其作用是以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。紧靠纤芯的外面一层称为包层，从结构上看，它是一个空心、与纤芯共轴的圆柱形介质，其作用是保证光全反射只发生在纤芯内，使光信号封闭在纤芯中传输。为了实现光信号的传输，要求纤芯折射率比包层折射率稍大些，这是光纤结构的关键。 仅有纤芯和包层的光纤是裸光纤。裸光纤十分脆弱，并不实用，为了提高光纤的抗拉力及弯曲强度，还需要在包层外加上一层涂覆层，其作用是为了进一步确保光纤不受外界的机械作用诱发微变的剪切应力的影响。实用的光纤一般在涂覆层的外面还需进行套塑(也称二次涂覆)。 依据光纤的材料、波长、传输模式、纤芯折射率分布、制造方法的不同，可将其分为多种类型。 根据光纤横截面上折射率分布的不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤纤芯的折射率均为常数，折射率在纤芯与包层的界面上发生突变。渐变型光纤纤芯的折射率随着半径的增加，按接近拋物线形的规律变小，至界面处纤芯折射率等于包层的折射率。 根据光纤中传输模式数量的不同，可分为单模光纤和多模光纤。模式是指电磁场的分布形式。单模光纤的纤芯直径小，为4~10μm，只能传输一种模式。单模光纤传输频带宽、容量大，是当前应用和研究的重点。多模光纤纤芯的直径为50~75μm，可以用于短距离、小容量的局域网。 2) 光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中的拉伸、侧压和各种外力作用，需要具有一定的机械强度才能使其性能稳定。因此，光纤被制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。 ① 光缆的基本结构。 根据不同的用途和不同的环境条件，光缆可分为很多种，但不论光缆的具体结构形式如何，其大体都是由缆芯、加强元件(也称加强构件)和护层组成。 缆芯： 由于光缆主要靠光纤来完成传输信息的任务，因此缆芯可以分为单芯型和多芯型两种形式。单芯型的缆芯由单根光纤经二次涂覆处理后构成； 多芯型缆芯由多根光纤经二次涂覆处理后组成。 加强元件： 由于光纤材料质地脆，容易断裂，为了使光缆便于承受安装时所加的外力等其他不良因素，在光缆的中心或四周要加一根或多根加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属的合成纤维——增强塑料等构成。 护层： 光缆的护层主要是对已形成光缆的光纤芯线起保护作用，避免其受外部机械力和环境的损害，因此要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层可分为内护层和外护层，内护层—般使用聚乙烯或聚氯乙烯等，外护层根据设定条件而定，可采用铝带和聚乙烯组成的外护套加钢丝等构成。 ② 光缆的种类。 在公用通信网中常用的光缆结构见表33。下面仅介绍其中有代表性的几种光缆结构形式。 表33公用通信网中的光缆结构 种类 结构 光纤芯线数 必 要 条 件 长途光缆 层绞式 单位式 骨架式 ＜10 10~200 ＜10 低损耗、宽频带、可用单盘盘长的光缆来铺设 骨架式有利于防护侧压力 海底光缆 层绞式 单位式 4~100 低损耗、耐水压、耐张力 续表 种类 结构 光纤芯线数 必 要 条 件 用户光缆 单位式 带状式 ＜200 ＞200 高密度、多芯和低到中损耗 局内光缆 软线式 带状式 单位式 2~20 重量轻、线径细、可绕性好 层绞式光缆： 它是将若干根光纤芯线以加强构件为中心，排列成一层，隔适当距离进行一次绞合的结构，如图37(a)所示。这种光缆的制造方法和电缆较为相似。光纤芯线数一般不超过10根，绞合节距为10~20cm。 单位(元)式光缆： 它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位，再由数个单位以加强构件为中心绞合成缆，如图37(b)所示。这种光缆的芯线数量一般为几十根。 骨架式光缆： 这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架中心是加强构件，骨架上的沟槽可以是V形、U形或凹形，如图37(c)所示。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间，因此，当光纤受到张力时，可在槽内作一定的位移，从而减小了光纤的应力应变和微变。这种光缆具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。 带状式光缆： 它是将4~12根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将多个带状单元按一定方式排列成缆，如图37(d)所示。这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。 图37光缆的基本结构 3.2.3水下通信技术 海洋占地球表面积的71%以上，蕴藏着丰富的资源。随着陆地资源的过度开采，海洋成为人类生存与发展的最后的地球空间，在国家安全、利益和发展中的地位作用日益明显。水下无线通信是水下通信技术的重要组成，是进行水下监测、水下开发和开展水下军事斗争的关键支撑。为了争夺水下资源和增强水下作战能力，水下无线通信已成为世界大国竞相发展的重要的通信技术之一。 1. 水下无线通信技术发展现状 水下通信一般是指水上实体与水下目标(潜艇、无人潜航器、水下观测系统等)的通信或水下目标之间的通信，通常指在海水或淡水中的通信，是相对于陆地或空间通信而言的。水下通信分为水下有线通信和水下无线通信。水下无线通信又可分为水下无线电磁波通信和水下非电磁波通信两种。 1) 水下无线电磁波通信 水下无线电磁波通信是指用水作为传输介质，把不同频率的电磁波作为载波传输数据、语言、文字、图像、指令等信息的通信技术。电磁波是横波，在有电阻的导体中的穿透深度与其频率直接相关，频率越高，衰减越大，穿透深度越小； 频率越低，衰减相对越小，穿透深度越大。海水是良性的导体，趋肤效应较强，电磁波在海水中传输时会受到严重的影响，原本在陆地上传输良好的短波、中波、微波等无线电磁波在水下由于衰减严重，几乎无法传播。目前，各国发展的水下无线电磁波通信主要使用甚低频(Very Low Frequency，VLF)、超低频(Super Low Frequency，SLF)和极低频(Extremely Low Frequency，ELF)三个低频波段。低频波段的电磁波从发射端到接收的海区之间的传播路径处于大气层中，衰减较小，可靠性高，受昼夜、季节、气候条件影响也较小。从大气层进入海面再到海面以下一定深度接收点的过程中，电磁波的场强将急剧下降，衰减较大，但受水下条件影响甚微，在水下进行通信相当稳定。因此，水下无线电磁波通信主要用于远距离的小深度的水下通信场景。 ① 甚低频通信。 甚低频通信频率范围为3~30kHz，波长为10~100km，甚低频电磁波能穿透10~20m深的海水。但信号强度很弱，水下目标(潜艇等)难以持续接收。用于潜艇与岸上通信时，潜艇必须减速航行并上浮到收信深度，容易被第三方发现。甚低频通信的发射设备造价昂贵，需要超大功率的发射机和大尺寸的天线。潜艇只能单方接收岸上的通信，如果要向岸上发报，必须上浮或释放通信浮标。当浮标贴近水面时，也易被敌人从空中观测到。尽管如此，甚低频仍是目前比较好的对潜通信手段。如： 美国海军建成了全球性的陆基甚低频对潜通信网，网台分布在本土及日本、巴拿马、澳大利亚和英国等国。此外，甚低频的发射天线庞大，易遭受攻击。目前，正在发展具有较高生存能力的机载甚低频通信系统。如美国就以大型运输机EC—130Q为载台，研制了“塔卡木”甚低频水下通信系统，当陆基固定发射台被摧毁时，能用飞机向潜艇提供通信保障。 ② 超低频通信。 超低频频率范围是30~300Hz，波长为1000~10000km。超低频电磁波可穿透约100m深的海水，信号在海水中传播衰减比甚低频低一个数量级。超低频水下通信是一种低数据率、单向、高可靠性的通信系统。如果使用先进的接收天线和检测设备，能让水下目标(潜艇)在水下400m深处收到岸上发出的信号，通信距离可达几千海里，但潜艇接收用的拖曳天线也要比接收甚低频信号的长。1986年，美国建成超低频电台，系统总跨度达258km，天线总长达135km。超低频通信的频带很窄，传输速率很低，并且只能由岸基向水下目标(潜艇)发送信号。超低频通信一般只能用事先约定的几个字母的组合进行简单的通信，并且发送一封包含3个字母组合的电报需要十几分钟。但超低频通信系统的抗干扰能力强，核爆炸产生的电磁脉冲对其影响比较小，适于对核潜艇的通信。 ③ 极低频通信。 极低频的频率范围为3~30Hz，波长为10000~100000km。极低频信号在海水中的衰减远比甚低频或超低频低得多，穿透海水的能力比超低频深很多，能够满足潜艇潜航时的安全深度。此外，极低频对传播条件要求不敏感，受电离层的扰动干扰小，传播稳定可靠，相较于甚低频或超低频，在水中更容易传送。但是极低频每分钟可以传送的数据相对较少，目前只用于向潜艇下达进入/离开海底的简短命令。极低频通信是目前技术上唯一可实现潜艇水下安全收信的通信手段，不受核爆炸和电磁脉冲的影响，信号传播稳定，是对潜指挥通信的重要手段。 水下无线电磁波通信是当前和未来一个时期主要的水下通信技术，未来有三大发展趋势。一是向极低频通信发展，对超导天线和超导耦合装置的研究将成为热点。二是发展机动发射平台，例如，机载、车载及舰载甚低频通信系统。三是提高发射天线辐射效率和等效带宽，提高传输速率。 2) 水声通信 水声通信是指利用声波在水下的传播进行信息的传送，是目前实现水下目标之间进行水下无线中、远距离通信的唯一手段。声波在海面附近的传播速度为1520m/s，比电磁波在真空中的传播速率低5个数量级。与电磁波相比较，声波是一种机械振动产生的波，是纵波，在海水中衰减较小，只是电磁波的千分之一，在海水中通信距离可达数十千米。研究表明，在非常低的频率(200Hz以下)，声波在水下能传播数百千米，即使20kHz的频率，在海水中的衰减也只是2~3dB/km。另外，科学家还发现，在海平面下600~2000m之间存在一个声道窗口，声波可以传输至数千米之外，并且传播方式和光波在光波导内的传播方式相似。目前世界各国潜艇的下潜深度一般是250~400m，未来潜深将会达到1000m，因此，水声通信是目前最成熟也是很有发展前景的水下无线通信手段。 水声通信的工作原理是将语音、文字、图像等信息转换成电信号，再由编码器进行数字化处理，然后通过水声换能器将数字化电信号转换为声信号。声信号通过海水介质传输，将携带的信息传递到接收端的水声换能器，换能器再将声信号转换为电信号，解码器再将数字信息解译后，还原出声音、文字及图片信息。图38给出了水声通信系统的基本框架。水声换能器是将电信号与声信号进行互相转换的仪器，是水声通信的关键技术之一。 图38水声通信系统的基本框架 2. 水下无线通信技术发展趋势 水下无线电磁波通信对海水的穿透深度有限，数据传输速率非常低，耗资巨大，并且易遭受敌方攻击或信息干扰。水声通信是唯一实现水下目标之间通信的技术，但由于海水吸收、多径效应、多普勒效应、随机起伏等原因，使水声通信的距离只能是中、近程的，传输速率也较低。虽然近年来水声通信技术得到了较快的发展，但仍无法满足远距离、大容量、实时性的传输需要。随着水下通信技术需求的不断扩大，在继续完善水下无线电磁波通信和水声通信技术的同时，研究开发新的水下通信技术成为一种趋势。 1) 水下无线光通信 水下无线光通信是指利用蓝绿波长的光进行的水下无线光通信，和水声通信及水下无线电磁波通信相比，具有如下优势。一是光波工作频率高(1012~1014Hz)，信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路。二是数据传输能力强，可提供超过1Gb/s量级的数据传输速率，能传输语音、图像和数据等信号。三是水下无线光通信不受海水的盐度、温度、电磁和核辐射等影响，抗干扰、抗截获和抗毁能力强。四是光波的波束宽度窄，方向性好，能够避免敌方的侦测，例如，如果敌方想拦截，就必须用另一部接收设备在视距内对准光发射源，必然会造成通信中断，引起发射端警觉。五是光波的波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少光通信的设备重量。六是对海水的穿透能力强，能实现与水下300m以上深度的潜艇进行通信。潜艇可以在较深的海水中接收岸上发的报文，提高了潜艇的机动性和隐蔽性，保障潜艇的实时、保密通信，提升了潜艇的通信性能。 2) 水下中微子通信 中微子通信是指利用中微子基石粒子携带信息进行通信的传输技术。中微子是原子核内的质子或中子发生衰变时产生的，大量存在于光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石中。中微子的质量极小，几乎为零，比电子的质量还要小大约10个数量级。同时，中微子不带电荷，是一种体积极小、性能稳定的中性基本粒子。中微子粒子束具有两个特点，一是仅参与原子核衰变时的弱相互作用力，并不参与电磁力、重力以及中子和质子结合的强相互作用力，与其他粒子之间不存在牵制的作用力。在固体中运动不受阻挡，损耗非常小，具有极强的穿透力，能够以近似光速的速度沿直线传播。在传播过程中不会发生折射、反射和散射等现象，几乎不产生衰减，极易穿透钢铁、海水乃至整个地球，而不会停止、减速以及改变方向，具有极强的方向性。二是中微子粒子束穿越海水时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色光，并且衰减很小。 中微子具有极强的穿透能力，非常适合水下通信，能够实现岸上与水下任意深处的通信联络。并且，中微子不易被侦察、干扰、截获和摧毁，不会污染环境，不受电磁干扰和核爆炸辐射的影响，具有通信容量大、保密性好、抗干扰能力强等优点。1933年，奥地利物理学家泡利提出了“中微子”假说。1956年，欧美科学家证明了中微子的存在。1968年，美国在地下金矿中建造了一个大型中微子探测器，探测到来自太阳的中微子。1984年美国一艘核潜艇做水下环球潜行时，正是采用中微子通信保证了联系。1998年6月5日，日本科学家首次发现了中微子振荡的确切证据。2012年3月，美国科学家首次利用中微子穿过大地成功传送了信息。2013年11月21日，多国研究人员利用埋在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。据科学测定，高能中微子束在穿透地球后，衰减也不足千分之一，利用中微子进行水下通信，可满足潜艇在深海任意深度进行实时不间断地接收报文的要求。近年来，人们对中微子探测器和中微子振荡进行了大量的实验研究，为水下中微子通信提供了理论基础。 3) 引力波通信 引力波是指时空曲率中以波的形式从辐射源向外传播的扰动，会以引力辐射的形式传递能量。引力波的频率在10~32Hz，极其微弱。1916年，阿尔伯特·爱因斯坦就预言了引力波的存在，并推导出一般相对论引力场的方程式，表示引力场的波动是以光的速度来传播的。1993年，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了赫尔斯—泰勒脉冲双星由于引力辐射在互相公转时逐渐靠近，由此证明了引力波的存在，他们因此获得诺贝尔物理学奖。1983年，日本科学家将两根长152cm、直径29.1cm的铝棒分别放置相距1.72m的位置，通过电磁振动的方式使其中一根铝棒振动，产生引力波，另一根铝棒作为引力波的接收天线，来接收引力波。实验证明，用现代信息技术可以检测到接收的铝棒发生了1000亿分之一的畸变，同时铝棒上的压电传感器产生了1μV的电压。实验中发射天线发出的是莫尔斯信号，接收天线也收到了同样的信号，证明了引力波通信的可行性。2014年3月17日，哈佛史密松天体物理中心的天文学家利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到引力波的效应。 引力波通信是指利用引力波来传播信号，完全不同于电磁波通信。电磁波是由于电荷的振动产生的，而引力波则是由物质的振动而产生的，是一种以光速传播的横波，具有很强的穿透力，没有任何物质能阻挡住引力波的传播。实验证明，引力波在通过介质时，能量在介质中产生损耗时的距离很大，在水中是1029km，在铁中是1030km，即使整个宇宙中充满了铁，利用引力波也可进行贯通宇宙的通信，由此可见，引力波将是一种极好的极远距离通信的载波。另外，引力波的能量与振动频率的6次方成正比，加快物质的振动频率可提高发射能量，进而扩大引力波的通信距离。引力波将是未来水下通信的最好选择之一。 4) 水下量子通信 量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，具有时效性高、抗干扰性能强、保密性和隐蔽性能优良等优点。量子通信技术在实际应用中已经取得了一些成果，在陆地通信中已经实现144km的传输。随着量子中继设备的不断发展，量子通信的传输距离将有更大的突破。2014年4月，我国开始建设世界上最远距离的光纤量子通信干线——连接北京和上海，光纤距离达到2000km。量子通信的天然安全性满足了水下军事通信的基本要求，量子隐形传态通信与传输介质无关，这是水下通信的安全保证。相比于传统水下经典通信，量子通信具有抗毁性强、安全性好、传输效率高的优势。2014年4月，中国海洋大学团队在arXiv网站上发表报告，认为水下量子通信在短距离内是可能的，并计算了光子在保存其携带的量子信息的同时，进行水下量子通信能最远传输125m。因此，将量子通信技术用于水下目标的通信，对于提高信息传输的准确性，保证信息安全具有很高的价值。 视频 5) 水下无线中长波通信 中长波通信是指利用中长波波段的电磁波为传输媒介，把信息从一个地方传送到另一个地方的一种无线电通信，中长波的频率范围为30~3000kHz。水下无线中长波通信，是指利用中长波波段的电磁波作为载波进行的水下无线通信。相比其他水下无线通信技术，中长波具有如下优点。一是通信频率高。远高于水声通信(50kHz以下)，也高于甚低频通信(30kHz以下)，能实现大约100kb/s的数据传输速率。二是抗干扰能力强。应用扩频技术可以将淹没于噪声中的信息解扩出来，完成通信过程。同时不受水质优劣和海浪等动态因素的影响，不被海水吸收衰减，优于水下光通信。三是传输速度快，传输时延小。发射机在水下可釆用密封方式，数据通过传输线传到发射机上，再通过天线发射到水中。电磁波频率越高，水下传播速率越快。四是功耗低，供电方便。高数据传输率降低了单位数据量的传输时间，减小了功率的损耗，提高了工作效率。在通信所需的传感器的耗电量方面，5~10mW即可进行一次水中通信。五是安全系数高，对水中的环境无影响。六是中长波主要以表面波的形式沿地球表面传播，波长很长，受地形地物影响小，衰减慢，传输距离远，通信稳定，数据传输速率较高。近年来，随着数字化通信技术的日趋成熟以及中长波新功能器件的不断研发，中长波通信技术应用于水下无线通信将是一个新的研究热点。 3.3信道的数学模型 广义信道按照它包含的功能，可以划分为调制信道与编码信道，如图39所示。 图39调制信道与编码信道 调制信道是指从调制器的输出到解调器的输入之间的部分。从调制和解调的角度来看，调制器的作用是产生已调信号，解调器的作用是由已调信号恢复原来的调制信号。至于调制器输出端到解调器输入端之间的一切，不管它内部包括了什么部件和媒质，只是起到对已调信号进行传输的作用，即只需关心调制信道中输出信号与输入信号之间的关系，而不考虑详细的物理过程。因而在研究调制和解调时，采用这种定义非常方便。 同理，在数字通信系统中，如果我们仅讨论编码和译码的问题，采用编码信道的概念是十分有益的。所谓编码信道是指编码器输出端到译码器输入端的部分。从编译码的角度看来，编码器的输出是某一数字序列，而译码器的输入同样也是某一数字序列，它们可能是不同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端，可以用一个对数字序列进行变换的方框来加以概括。 在信道定义的基础上，可以用信道模型来讨论信道的一般特性，并给出调制信道与编码信道的数学模型，以便分析信道的一般特性及其对信号传输的影响。 3.3.1调制信道模型 通过对调制信道的大量考查，发现调制信道具有以下共性： (1) 有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端； (2) 大多数调制信道都是线性的，满足叠加定理； (3) 信号通过信道会有一定的时延，并且还会受到损耗(固定或时变的)； (4) 信道中的噪声始终存在。 设信道输入的已调信号为ei(t)，信道输出的信号为eo(t)，它们之间的关系为： eo(t)=fei(t)+n(t)（32） 式中： n(t)——加性噪声(或加性干扰)，它与ei(t)是相互独立的； fei(t)——已调信号经过信道所发生的(时变)线性变换，由网络特性所确定。 为了便于数学分析，通常把fei(t)写成k(t)ei(t)的形式，其中k(t)依赖于信道的特性，是一个较为复杂的时间函数。k(t)的存在对ei(t)来说是一种干扰，由于二者是相乘关系，通常称k(t)为乘性干扰。于是上式可表示为 eo(t)=fei(t)+n(t)（33） 其信道的数学模型如图310所示。由以上分析可见，信道对信号的影响可归结到两点： 一是乘性干扰k(t)，二是加性干扰n(t)。信道的不同特性在信道模型上表现为k(t)及n(t)的特性不同。 图310信道的数学模型 乘性干扰k(t)一般是一个复杂的函数，它可能包括各种线性畸变、非线性畸变等，这是由于网络的迟延特性和损耗特性都随时间随机变化，也只能用随机过程来描述。但是，经大量观察表明，有些信道的k(t)基本不随时间而变化。也就是说，信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的； 而另一些信道则不然，它们的k(t)是随机变化的。这样，在分析研究乘性干扰k(t)时，可把信道分为两大类： 一类称为恒参信道，它们可看成k(t)随时间不变化或基本不变化； 另一类则称为变参信道，它们的k(t)是随机变化的。 3.3.2编码信道模型 编码信道模型与调制信道模型有明显的不同。调制信道对信号的影响是通过乘性干扰及加性干扰使已调信号发生波形失真，而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。因而，有时把调制信道看成是一种模拟信道，而把编码信道则看成是一种数字信道。 由于编码信道包含调制信道，故它要受调制信道的影响。对于数字信道来说，信道对所传输的数字信号的影响最终表现在解调器输出的数字序列的变化上，即经过数字信道的数字信号是否与编码器输出的数字序列一致，如不一致，则译码器输出数字序列将以某种概率发生差错，引起误码。若调制信道特性差、加性干扰严重， 图311二进制编码信道模型 则出现错误的概率也越大。因此，编码信道模型可以用数字信号的转移概率来描述。最常见的二进制数字传输系统的一种简单的编码信道模型如图311所示。这里假设解调器每个输出码元的差错发生是相互独立的，或者说，这种信道是无记忆的，即一个码元的差错与其前后码元是否发生差错无关。模型中P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)及P(1/1)称为信道转移概率，其中，P(0/0)与P(1/1)为正确转移的概率，而P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。由概率论可知 P(0/0)=1-P(1/0) P(1/1)=1-P(0/1)（34） 转移概率完全由编码信道的特性所决定。一个特定的编码信道，有确定的转移概率。但转移概率一般要对实际编码信道做大量的统计分析才能得到。 需要指出，如果信道中码元发生差错的事件是非独立事件，这种编码信道就是有记忆的，这时编码信道模型要比如图311所示的模型复杂得多，信道转移概率表示式也变得很复杂，在此不作进一步讨论。 3.4通信信道特性 本小节将分别讨论恒参信道以及随参信道的相关特性。 3.4.1恒参信道 由于恒参信道对信号传输的影响是固定不变的或者是变化极为缓慢的，因而可以等效为一个非时变的线性网络。从理论上讲，只要得到这个网络的传输特性，则利用信号通过线性系统的分析方法，就可求得已调信号通过恒参信道后的变化规律。 对于信号传输而言，我们追求的是信号通过信道时不产生失真或者失真小到不易察觉的程度。由“信号与系统”课程可知，网络的传输特性H(ω)通常可用幅度频率特性|H(ω)|和相位频率特性φ(ω)来表征： H(ω)=|H(ω)|ejφ(ω)（35） 要使任意一个信号通过线性网络不产生波形失真，网络的传输特性应该具备以下两个理想条件。 ① 网络的幅度频率特性|H(ω)|是一个不随频率变化的常数，如图312(a)所示。 ② 网络的相位频率特性φ(ω)应与频率呈直线关系，如图312(b)所示。其中t0为传输时延常数。 网络的相位频率特性还经常采用群迟延频率特性τ(ω)来衡量。所谓群迟延频率特性就是相位频率特性对频率的导数，即 τ(ω)=dφ(ω)dω（36） 可以看出，上述相位频率理想条件，等同于要求群迟延频率特性τ(ω)是一条水平直线，如图312(c)所示。 图312网络传输特性应具备的理想条件 一般情况下，恒参信道并不是理想网络，其参数随时间不变化或变化特别缓慢。它对信号的主要影响可用幅度频率畸变和相位频率畸变(群迟延畸变)来衡量。下面以典型的恒参信道——有线电话的音频信道为例，分析恒参信道等效网络的幅度频率特性和相位频率特性，以及它们对信号传输的影响。 1. 幅度频率畸变 所谓幅度频率畸变，是指信道的幅度频率特性偏离如图312(a)所示关系所引起的畸变。这种畸变又称为频率失真。在通常的有线电话信道中可能存在各种滤波器，尤其是带通滤波器，还可能存在混合线圈、串联电容器和分路电感等，因此电话信道的幅度频率特性总是不理想的。图313给出了典型音频电话信道的总衰耗频率特性。 图313典型音频电话信道的总衰耗频率特性 由图可见，衰减十分明显，有线电话信道的此种不均匀衰耗必然使传输信号的幅度频率特性发生畸变，引起信号波形的失真。此时若要传输数字信号，还会引起相邻数字信号波形之间在时间上相互重叠，即造成码间串扰(码元之间相互串扰)。 2. 相位频率畸变(群迟延畸变) 所谓相位频率畸变，是指信道的相位频率特性或群迟延频率特性偏离如图314所示关系而引起的畸变。 电话信道的相位频率畸变主要来源于信道中的各种滤波器及加感线圈，尤其在信道频带的边缘，相频畸变就更严重。图314所示的是一个典型的电话信道的群迟延频率特性。不难看出，当非单一频率的信号通过该电话信道时，信号频谱中的不同频率分量将有不同的迟延，即它们到达的时间先后不一，从而引起信号的畸变。 相频畸变对模拟语音通道影响并不显著，这是因为人耳对相频畸变不太灵敏。但对数字信号传输却不然，特别是当传输速率比较高时，相频畸变将会引起严重的码间串扰，给通信带来很大损害。所以，在模拟通信系统内往往只注意幅度失真和非线性失真，而将相移失真放在忽略的地位。但是，在数字通信系统内一定要重视相移失真对信号传输可能带来的影响。 图314典型电话信道群迟延频率特性 3. 减小畸变的措施 幅度频率畸变，在设计总的电话信道传输特性时，一般都要求把幅度设定在一个允许的范围内。这就要求改善电话信道的滤波性能，或者再通过一个线性补偿网络使衰耗特性趋于平坦，接近于图312(a)。这一措施通常被称为“均衡”。在载波电话信道上传输数字信号时，通常要采用均衡措施。均衡的方式有时域均衡和频域均衡两种。 相位频率畸变(群迟延畸变)和幅频畸变一样，也是一种线性畸变，因此，可采取相位均衡技术对其进行补偿。即为了减小相移失真，在调制信道内采取相位均衡措施，使得信道的相频特性尽量接近图312(b)所示的线性。或者严格限制已调信号的频谱，使它保持在信道的线性相移范围内传输。 恒参信道幅度频率特性及相位频率特性的不理想是损害信号传输的重要因素。此外，还存在其他一些因素使信道的输入与输出产生差异(也可称为畸变)，例如非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。非线性畸变主要由信道中的元器件(如磁芯、电子器件等)的非线性特性引起，造成谐波失真或产生寄生频率等； 频率偏移通常是由于载波电话系统中接收端解调载波与发送端调制载波之间的频率有偏差(例如，解调载波可能没有锁定在调制载波上)，造成信道传输信号的每一分量都可能产生频率变化； 相位抖动也是由调制和解调载波发生器的不稳定性造成的，这种抖动的结果相当于在发送信号上附加一个小指数的调频。以上的非线性畸变一旦产生，一般难以排除，这就需要在进行系统设计时从技术上加以重视。 3.4.2随参信道 1. 典型的随参信道 随参信道的参数随时间而随机变化，对它的分析要比恒参信道复杂得多。当然随参信道中的线性、非线性失真现象依然会存在。这里，我们将主要对随参信道中特有的衰落现象及多径效应加以讨论。 典型的随参信道是短波电离层反射信道。电离层距地面高度约为80~1000km，它是由带电粒子组成的大气层。由于电离层带有电荷，有一定的电场强度，会对一定波段的无线电有着较强的折射、反射和散射作用，特别是3~30MHz的短波波段。同时电离层也存在着对无线电波的吸收，从而造成接收信号强度变化。频率较高的频段，如微波，会穿透电离层，而中长波的无线电波则会受到较强的吸收，反射作用很弱。这样就形成了特定的中短波电离层反射信道。 电离层中短波信号的反射作用主要集中在其中的第2层，距离地面210~300km。一次反射(称为一跳)的最大距离可达4000km，两跳可使无线通信距离达到8000km。由于电离层受太阳的影响最大，因此，不同时段、不同季节，电离层的浓度大小都会不同，因而对无线电波的反射强度不同，衰耗大小也不同，从而造成地面接收到的信号强度随时间变化。这种现象称为衰落，或时间选择性衰落。由于这种变化相对于信号自身的变化是缓慢的，所以这是一种慢衰落。衰落的深度可达几十分贝，甚至会造成通信中断。对付慢衰落的办法，传统的短波接收机都会有自动增益控制电路； 现代无线电技术中广泛采用自适应通信技术，对信道进行实时估算，自适应选择频率，自适应选择调制解调方式及采用自适应均衡技术来抵消衰落造成的影响。 电离层反射信道还存在着多径效应。这是因为电离层反射是在一个区域而不是一个标准的镜面进行反射。信号会通过不同的反射路径到达接收点，甚至是多次反射到达同一个接收点。显然，从同一地点A发出的信号经不同路径到达B点接收机，信号的强度会有所不同，到达时间(即信道的延迟时间)也会不同，这时就产生了多径效应。多径效应带来的影响主要表现在两个方面： 一是频率弥散效应，又称瑞利衰落； 二是频率选择性衰落。它们都是快衰落，因为由多径效应产生的这两种衰落都是伴随着信号的传输同时发生。 2. 频率弥散效应 首先讨论频率弥散效应产生的机理。设发送的信号为单频等幅信号f(t)=Acosω0t，由于多径传输，收到的信号为 R(t)=∑ni=1ai(t)cosω0t+φi(t)（37） 式中： ai(t)，φi(t)——各路径到达信号的幅度及相位，均是随机过程，相对于f(t)来说，它们都是缓变的信号。 因此，式37可看作是一个窄带已调信号的表达式。这种一个单频信号经过随参信道传输以后变成了多频率信号的现象，称为频率弥散(或频率扩散)。那么，多条路径组合以后的a(t)及φ(t)将会服从什么分布呢？下面对R(t)进行分析： R(t)=∑ni=1ai(t)cosφi(t)cosω0t－∑ni=1ai(t)sinφi(t)sinω0t =X(t)cosω0t－Y(t)sinω0t =A(t)cosω0t+φ(t)（38） 式中： X(t)为同相分量； Y(t)为正交分量。 A(t)=X2(t)+Y2(t) φ(t)=arctanY(t)X(t)（39） 式中： A(t)为合成信号的振幅； φ(t)为合成信号的相位。 如果已知同相分量X(t)与正交分量Y(t)的统计特性，那么A(t)与φ(t)的统计特征也就可以求出。 由概率论和随机过程理论的中心极限定理可知，当i很大时，任意t时刻的X(t)与Y(t)均是具有高斯分布的随机变量，并且与t无关，这是一个平稳的高斯随机过程。则A(t)应是服从瑞利分布的随机过程，而φ(t)服从均匀分布，因此由频率弥散引起的衰落又称为瑞利衰落。实际的多径接收过程中，常常是其中的一条路径的信号比较强，这时R(t)可表示为 R(t)=a0(t)cosω0t+φ0(t)+∑ni=1ai(t)cosω0t+φi(t)（310） 那么，此时的R(t)就服从广义瑞利分布。 3. 频率选择性衰落 由于多径传输，还会带来下面一种情况。假设有两条传输路径，如图315所示，两路信号的衰耗一样，而时延不同。 f0(t)=Kf(t－t0)+Kf(t－t0－τ)（311） 它的频域表达为 F0(ω)=KF(ω)［e－jωt0+e－jω(t0+τ)］（312） 由此式可求出该系统的传递函数 H(ω)=F0(ω)F(ω) =K(1+e－jωτ)e－jωt0 =K(1+cosωτ－jsinωτ)e－jωt0（313） |H(ω)|=K2cos2ωτ2－j2sinωτ2·cosωτ2 =2Kcosωτ2（314） 图315两条路径传输模型 该信道的幅频特性如式(314)和图316所示。信道出现幅频失真，其零点在ω=(2n+1)πτ的位置上，这种现象被称为频率选择性衰落。把两个零点之间的频带宽度称为相关带宽。而实际上可能有许多条时延不同的路径。这时两个零点之间的最小距离取决于它们中的最大时延τm。这时的相关带宽Δf应定义为 Δf=1τm（315） 图316衰落信道的幅频特性 考虑到通带内的幅频衰耗特性不应相差太大，因而实际可用带宽只能取Δf的13~15。总之，由于多径时延的不同，造成实际信道的可用带宽大大减少，同时也带来了幅频失真的问题。 4. 分集接收 为了克服无线信道的多径衰落效应，可以采用分集技术。其基本思想是： 接收端通过不同路径或不同频率、不同角度、不同极化方式、不同编码、不同调制等方式去接收携带同一种发送信息的不同路径的信号样本，然后将各分支的样本信号按照某种规则合并后再提取信息。这些样本应在多个独立衰落的信道中传输，此时信号样本之间在统计特性上具有较小的相关性，可近似认为是相互独立的，可以起到相互补偿的作用，这样就提高了接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，从而提高通信的可靠性。常用的分集技术如下。 1) 空间分集 也称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集方式。它是用相隔一定距离的多幅接收天线，接收不同路径的信号。接收端天线的间隔距离应大于1/2射频波长，距离越大时，多径传播的差异就越大，其衰落特性也就相互独立。此时各天线接收的信号不相关，而由于大尺度衰落同时发生的概率较低，分集能把衰落效应降到最小。例如，部分无线AP（Access Point，接入点）具有两个天线，这两个天线起到空间分集的作用。在这一领域，MIMO（MultipleInput MultipleOutput，多入多出）技术是人们关注的热点。 2) 频率分集 用两个或两个以上的不同载波对信号进行传输，接收所有载频的信号然后相加。根据衰落信道的频率间隔相关函数，这些载波要有足够的间隔才能向接收机提供互不相关的衰落信号样本，这可通过选择频率间隔等于或者大于信道的相干带宽来完成。在相干带宽内，两个频率分量有很强的幅度相关性，其相关系数大于0.5，当频率间隔大于相干带宽时，信号发生同样衰落的概率较低。跳频形式的扩频调制就是频率分集的一个例子，再如无线局域网中常使用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）技术，以达到频率分集的效果，与经典的OFDM系统不同之处在于其在所有子载波上传送相同的信息符号。在900MHz的移动通信信道中，只要频差达到200kHz，两重频率分集可获得近3dB的增益。 3) 极化分集 在移动通信中，虽然空间分集能收到很好的效果，但由于需要多幅天线而增加了成本和系统复杂度，故移动通信基站主要使用正交极化分集方式。移动台发射的信号，虽然都是特定极化的，但在经过多径传输后，极化会发生偏转，当多径信号到达基站时，既有水平极化信号，也有垂直极化信号。由于信号在传输信道中进行了多次反射，而不同极化方向的反射系数不同，所以当经过足够多的随机反射后，水平极化信号和垂直极化信号是相互独立的。当基站采用具有+45°和-45°极化方向相互正交的天线接收信号后，可以很大程度地减小多径衰落，其分集增益有5dB。 4) 时间分集 在超过信道相干的时间间隔内重复发送信号，使接收机收到的信号具有彼此独立的衰落环境，从而产生分集效应。由于相干时间与运动速度成反比，当接收机处于静止状态时，时间分集无助于减小衰落。时间分集主要使用于扩频CDMA（Code Division Multiple Access,码分多址）的独立衰落环境，从而产生分集效果。 5) 轨道角动量分集 目前人们接触的大部分信息都是通过无线信道进行交换和传输。智能终端的普及及移动互联网应用的蓬勃发展，使越来越多的移动设备投入使用，对信道容量和频谱利用率提出了更高的要求。传统的调制技术，使用频率、时间、码型和空间等资源作为自由度，根据香农公式，信道容量的增加是信噪比增加的对数，理论上增加发射功率使其接近无穷大或不断减小噪声功率让其接近无噪声状态都可以提高频谱效率，但是这种方法在实际的通信系统中不可实现，并且频谱资源是有限的。所以为了进一步提升系统容量以及频谱效率，满足未来移动数据业务需求，就需要探索新的技术。而轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)将载波携带的OAM模式作为新的调制参数，OAM电磁涡旋波在不增加带宽的情况下，可以极大地提高系统容量，这也使得多模态OAM电磁涡旋波的复用技术成为目前无线通信领域研究的热点。 电磁涡旋波理论上具有无限多种模态，可以在同一频率下同时传输多路信号，满足未来无线通信系统对信道容量的需求，也可以解决频谱资源短缺的问题。因此，在无线通信系统中使用电磁涡旋波进行复用传输，已成为现在的研究的热点之一，同时分析新旧复用技术的关系，探索和研究OAM电磁涡旋波的复用技术与传统复用技术的结合所产生的性质和特点也是有待解决的问题。同时，研究基于OAM复用的通信技术，其前提是能够便捷地获得高质量的OAM载波。在光频段，OAM光波生成的方法较为丰富，在微波段，能够有效产生OAM波束的方法还是主要集中在阵列天线上，而且在未来的实际使用中，高宽带、尺寸小、辐射效率高才是OAM阵列天线在使用时考虑的主要因素，鉴于OAM复用技术在无线射频领域的巨大应用前景，探索新的OAM分集技术具有重要意义。 6) 分集合并技术 利用上述分集技术，可以得到一组相互独立的衰落信号，接着依据某种可以改进接收性能的准则，将统计独立的衰落信道输出合并起来。下面介绍四种主要的分集合并技术： 选择合并、反馈合并、最大比率合并和等增益合并，这几种方式主要用于线性接收机。 (1) 选择合并。图317描述了一个空间分集选择合并系统，该系统包括M个线性接收机和一个逻辑电路，逻辑电路选择具有最大信噪比的接收机作为接收信号装置。 图317空间分集选择合并系统 设在接收端处有M个独立的、频率非选择的、慢衰落的瑞利信道，称为分集支路。令s(t)为发送到第k个信道的已调信号的复包络，则经过第k个分集支路传输后，接收信号的复包络为 xk(t)=ake－jθks(t)+zk(t)（316） 式中： ake－jθk——第k个信道的衰减因子和相移； zk(t)——第k个信道上的零均值加性高斯白噪声。 因此，第k个接收机的平均信噪比为 SNRk=Γ=E［|aks(t)|2］E［|zks(t)|2］=E［|s(t)|2］E［|zk(t)|2］E［a2k］=EbN0E［a2k］（317） 式中： Eb——比特信号能量； N0——单边噪声谱密度。 将E［a2k］用瞬时值a2k代替，则可得第k个接收机的瞬时信噪比为 γk=EbN0a2k（318） 其概率分布密度函数为 p(γk)=1Γe－γkΓ（319） 由于各分集支路的独立性，则M个接收机的瞬时信噪比同时小于给定门限γ的概率为 Pr(γk≤γ,k=1,2,…,M)=PM(γ)=∏Mk=1Pγ(γk≤γ)=∏Mk=1∫γ01Γe－γkΓdγk =∏Mk=11－1Γe－γΓ=1－1Γe－γΓM（320） 那么，至少有一条支路的瞬时信噪比大于门限的概率为 Pr(γk>γ)=1－PM(γ)=1－1－1Γe－γΓM（321） 上式是在使用选择合并时，最终的接收信号的瞬时信噪比大于给定门限的概率。由上式可见，M值越大，分集效果就越好，M=1时，为没有使用分集的简单接收机情况。 接收信号的概率密度函数为 pm(γ)=dPM(γ)dγ=MΓ1－e－γΓM－1e－γΓ（322） 则此时平均信噪比为 γ-=∫+∞0γpm(γ)dγ=Γ∫+∞0Mx(1－e－x)M－1e－xdx（223） 式中： x=γ/Γ。 使用选择分集前后的平均信噪比的比值为 γ-Γ=∑Mk=11k（324） 由上式可见，选择分集改善了平均信噪比。 (2) 反馈合并。 反馈合并与选择合并非常相似，但它不是采用M个支路中信噪比最高的支路，而是以一个固定顺序扫描M个支路，直到发现某一支路的信号包络超过了预置的门限，然后这路信号将被选中并送至接收机，直到包络电平降低到门限之下，此时扫描过程将重新开始。这种合并方式较简单，便于实现，但其抗衰落性能低于选择分集。 (3) 最大比率合并。 这种合并方式首先对M路信号进行加权，以控制各支路的增益，其权重由各接收支路输出的信号电平与噪声功率的比值决定，然后进行同相叠加。最大比率合并的抗衰落性能是最佳的，其输出的信噪比等于各支路信噪比之和，这样即使各支路信号的性能都很差，但仍可能合并出信噪比符合要求的输出信号。 (4) 等增益合并。 最大比率合并的权重是时变的，若令各支路的加权系数均取1，便成为等增益合并。其合并性能仅次于最大比值合并，且易于实现。 5. 多普勒频移 在无线信道中，除了上述影响比较严重的多径效应之外，收发之间如果存在着相对运动时，还会产生多普勒频移效应。与高速运动的目标进行通信时，多普勒频移是一个不可忽视的问题。多普勒效应所引起的附加频移Δf可由下式决定： Δf=νλcos α（325） 式中，ν为收发台的相对运动速度。 大多数情况下，发送台是固定的，如移动网中的基站，而接收台，即手机或车载台是移动的。λ是载波信号的波长。α是入射电波与运动方向的夹角。例如，载波频率为900MHz，移动台速度是100km/h，则最大的多普勒频移(即α=0时)为 Δf=νλcos α=9×1083×108×1053600≈83.3(Hz)（326） 在无线通信环境下，通常对载波同步的精度要求都很高，这时多普勒效应的影响就会突显出来。 3.5信道中的噪声 如前所述，调制信道对信号的影响除乘性干扰外，还有加性干扰。在通信系统中，噪声的存在使通信质量变坏，可靠性降低。下面主要讨论信道中的加性噪声及其特点。 加性噪声的存在独立于有用信号，但它却始终干扰有用信号，因而不可避免地对通信造成危害，信道中加性噪声来源是多方面的，一般可以分为以下4个方面。 (1) 无线电噪声。它来源于各种用途的外台无线电发射机。这类噪声的频率范围很宽，从甚低频到特高频都可能有无线电干扰的存在，并且干扰的强度有时很大。不过这类干扰的频率是固定的，因此可以预先避开。特别是在加强了无线电频率的管理工作之后，无论在频率的稳定性、准确性及谐波辐射等方面都有严格的规定，使得信道内信号受到无线电噪声的影响可减到最低。 (2) 工业噪声。它来源于各种电气设备，如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等。这类干扰来源分布很广泛，无论是城市还是农村，内地还是边疆，各地都有工业干扰存在。尤其是在现代化的社会里，各种电气设备越来越多，因此这类干扰的强度也就越来越大。但它也有个特点，就是干扰频谱集中于较低的频率范围，例如几十兆赫以内。因此选择高于这个频段工作的信道就可防止其干扰。另外也可以在干扰源方面设法消除或减小干扰的产生，例如加强屏蔽和滤波措施，防止接触不良和消除波形失真。 (3) 自然噪声。它来源于闪电、大气中的磁暴、太阳黑子以及宇宙射线(天体辐射波)等。可以说整个宇宙都是产生这类噪声的根源。自然噪声干扰的大小和这类自然现象的发生规律有关。例如，夏季比冬季严重，赤道比两极严重，在太阳黑子发生变动的年份自然噪声干扰更加剧烈。这类干扰所占用的频谱范围很宽，并且不像无线电干扰那样频率固定，因此对它所产生的干扰影响很难防止。 (4) 内部噪声，它来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。例如： 在电阻一类的导体中自由电子的热运动(常称为热噪声)、真空管中电子的起伏发射和半导体中载流子的起伏变化(常称为霰弹噪声)及电源噪声等。这类噪声的特点是它是由无数个自由电子做不规则运动所形成的，因此它的波形也是不规则变化的，在示波器上观察就像一堆杂乱无章的茅草一样，通常称为起伏噪声。由于在数学上可以用随机过程来描述，因此又可称为随机噪声。 某些类型的噪声是确知的，在原理上可以找到消除这类噪声的方法，而另一类随机噪声是难以预测的，这里只讨论随机噪声。 根据噪声的表现形式不同，常见的随机噪声可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声三类。 (1) 单频噪声是一种以某一固定频率出现的连续波干扰，如50Hz的交流电噪声，但其幅度、频率或相位是不能预知的。这种噪声的主要特点是占有极窄的频带，但可以测出其频率值，不是所有的通信系统中都存在这种噪声，也比较容易防止。 (2) 脉冲噪声在时间上是随机出现的，无规则的突发噪声，例如，工业上点火辐射、闪电、电气开关通断等产生的噪声。这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度的持续时间短，相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段，因而对模拟语音信号的影响不大。从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽的频谱(从甚低频到高频)，但频率越高，其频谱强度就越小。因此适当选择工作频段，可以有效防止脉冲噪声。 (3) 起伏噪声是以热噪声、霰弹噪声及宇宙噪声为代表的噪声，是一种随机噪声。这些噪声的特点是，无论在时域内还是在频域内它们总是独立于有用信号而普遍存在并且不可避免，因而它是影响通信质量的主要因素之一。 理论分析和实际测试表明，起伏噪声具有如下统计特性。 （1） 瞬时值服从高斯分布，且均值为0。 （2） 功率谱密度在很宽的频率范围内是平坦的。 由于起伏噪声是加性噪声，又具有上述的统计特性，所以通常称为加性高斯白噪声(AWGN)，简称高斯白噪声。但是其频谱范围仍是有限的，因而其功率也是有限的，它不是严格意义上的白噪声。 起伏噪声的一维概率密度函数为： fn(x)=12πσnexp－x22σ2n（327） 式中： σ2n——起伏噪声的功率。 起伏噪声的双边功率谱密度为： Pn(ω)=n02（328） 为了减少信道加性噪声的影响，在接收机输入端常用一个滤波器滤除带外噪声。在带通通信系统中，这个滤波器常具有窄带性，故滤波器的输出噪声不再是白噪声，而是一个窄带噪声。且由于滤波器是一种线性电路，高斯过程经过线性系统后，仍为高斯过程，所以该窄带噪声又称为窄带高斯噪声。典型的窄带噪声功率谱密度曲线如图318中实线所示。 图318带通型噪声的等效噪声带宽 为了后续通信系统抗噪声性能分析的需要，下面引入“等效噪声带宽”的概念来描述该窄带噪声。 设经过接收滤波器后的窄带噪声的双边功率谱密度为Pn(f)，则此噪声的功率为 Pn=∫+∞－∞Pn(f)df（329） 图318中，虚线画出了一个理想的带通滤波器，其高度等于原噪声功率谱密度曲线的最大值Pn(fc)，而宽度由下式决定 Bn=∫+∞－∞Pn(f)df2Pn(fc)=∫+∞0Pn(f)dfPn(fc)（330） 式中： fc——带通滤波器的中心频率。 显然，式(330)所规定的Bn保证了图中矩形虚线下的面积和功率谱密度曲线下的面积相等，即理想带通滤波器输出噪声的功率与实际带通滤波器输出噪声的功率相等，故称Bn为等效噪声带宽。 3.6信道容量 信息必须经过信道进行传输，单位时间内信道上能传输的最大信息量(即最高信息速率)称为信道容量。信道可分为两类，即离散信道和连续信道，以下分别讨论这两种信道的信道容量。 3.6.1离散信道容量 在实际信道传输中，信道总会有干扰存在，信息经过信道传输后，接收端收到的信息量必然会减少，有一部分在信道中损失。这时信道输出与输入之间不是一一对应关系，而是随机对应关系。但它们之间有一定的统计关系，这种统计关系可用信道的条件(或转移)概率来描述，即信道的条件概率P(y/x)或P(x/y)可合理地描述信道干扰的大小。因此在信道中，发送符号为xi而收到符号为yj时所获得的信息量等于未发送符号前对xi的不确定程度减去收到符号yj后对的xi不确定程度，即 ［信息量］=－log2P(xi)+log2P(xi/yj)（331） 式中： P(xi)——未发送符号前xi出现的概率； P(xi/yj)——收到yj而发送xi的条件概率。 对所有发送为xi而接收为yj取平均，有 平均信息量/符号=I(x,y) =-∑ni=1P(xi)log2P(xi)－－∑mj=1P(yj)∑ni=1P(xi/yj)log2P(xi/yj) =H(x)－H(x/y)（332） 式中： I(x,y)——信道输出平均信息量； H(x)——信道输入平均信息量(发送的每个符号的平均信息量)； H(x/y)——在有扰信道中发送符号丢失的平均信息量或输出符号已知时输入符号的平均信息量。 通常H(x/y)的取值范围在0~H(x)之间，即0≤H(x/y)≤H(x)。 当H(x/y)=0时，I(x,y)=H(x)，这时信道没有损失信息量。 当H(x/y)=H(x)时，I(x,y)=0,这时输入信道的信息量全部损失。 设信道每秒发送r个符号，则有扰信道的信息传输速率为 R=I(x,y)r=H(x)－H(x/y)r=Ht(x)－Ht(x/y)（333） 式中： Ht(x)=H(x)r指单位时间内信源发送的平均信息量，或称为信源的信息速率； Ht(x/y)=H(x/y)r指单位时间内发送x而收到y的条件平均信息量。 有扰离散信道的最高信息传输速率称为信道容量，定义为 C=Rmax=max［Ht(x)－Ht(x/y)］（334） 3.6.2连续信道容量 根据香农信息论，对于连续信道，如果信道带宽为B(Hz)，并且受到加性高斯白噪声的干扰，则信道容量的理论公式为 C=Blog2(1+S/N)（335） 式中： N——白噪声的平均功率； S——信号的平均功率； S/N——信噪比。 信道容量C是指信道可能传输的最大信息速率(即信道能达到的最大传输能力)。虽然上式是在一定条件下获得的(要求输入信号也为高斯信号才能实现上述可能性)，但对其他情况也可将它作为近似式应用。 例31某高斯信道带宽为3kHz，输出信噪比为127倍，求信道容量。 解C=Blog21+SN=3×103·log2(1+127)=21kb/s 根据上述公式可以得出以下重要结论。 (1) 一个给定信道的信道容量受B、S、n0“三要素”的约束。信道容量随“三要素”的确定而确定。 (2) 提高信噪比(信号功率与噪声功率之比)可提高信道容量。 (3) 任何一个信道，都有信道容量C。如果信道的信息速率R小于或等于信道容量C，那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的差错概率通过信道传输； 如果R大于C，则无差错传输在理论上是不可能的。 (4) 一个给定信道的信道容量既可以通过增加信道带宽，减少信号发射功率也可通过减少信道带宽，增加信号发射功率来保证。也就是说，信道容量可通过带宽与信噪比的互换而保持不变。给定的信道容量C可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。若减小带宽，则必须发送较大的功率，即增大信噪比S/N。或者，若有较大的传输带宽，则同样的C能够用较小的信号功率(即较小的S/N)来传送。这表明宽带系统表现出较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小而不能保证通信质量时，常采用宽带系统，用增加带宽来提高信道容量，以改善通信质量。这就是通常所谓用带宽换功率的措施。但是，带宽和信噪比的互换过程并不是自动的，必须变换信号使之具有所要求的带宽。实际上这是由各种类型的调制和编码完成的。调制和编码过程就是实现此带宽与信噪比之间互换的手段。 (5) 当信道噪声为高斯白噪声时，式(335)中的噪声功率不是常数而与带宽B有关。若设单位频带内的噪声功率为n0(W/Hz)，则噪声功率N=n0B，代入式(335)后可得 C=Blog21+Sn0B（336） 带宽B趋于∞时，有 limB→∞C=limB→∞log21+Sn0B≈1.44Sn0（337） 由此可知，当S和n0一定时，信道容量虽然随带宽B增大而增大，然而当B→∞时，C不会趋于无限大，而是趋于常数1.44Sn0。 由于信息速率C=1/T，T为传输时间，代入式(335)则可得 I=Tlog21+SN（338） 可见，当S/N一定时，给定的信息量可以用不同的带宽和时间的组合来传输。同带宽与信噪比互换类似，带宽与时间也可以互换。通常把实现了极限信息速率且能达到任意小差错率的通信系统称为理想通信系统。香农只证明了理想系统的存在性，没有说明实现方法，因此这种理想系统可作实际系统的理论界线。以上分析是在信道噪声为高斯白噪声的前提下求得的，对于非白噪声来说，香农公式需要加以修正。 例32彩电图像由5×105个像素组成，每个像素有64种彩色度，16个亮度等级，如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，且统计独立。计算每秒钟传送100个画面所需要的信道容量。如果信道信噪比为30dB，要传送彩色图像信道的带宽为多少？ 解每个像素所包含的信息量： －log2116×164=10(b/像素) 每幅图像所包含的信息量： 5×105×10=5×106(b/图像) 信息速率： 5×106×100=5×108(b/s) 信噪比： S/N=1000（30dB） 由香农公式得： 5×108=Blog2(1+103)B=50MHz 3.7本章小结 本章介绍了有关信道的基础知识，包括信道特性及其对信号传输的影响。首先介绍了信道的定义及实际的无线信道和有线信道的知识，再从中抽象出信道的数学模型，然后根据信道模型，给出信道的一般特性，并讨论信道特性对信号传输的影响，最后介绍了几种信道中的噪声及信道容量的计算方法。 信道从大的方面可分为无线信道和有线信道，无线信道按照传播方式不同可分为地波、天波和视距传播，除此之外还有散射波传播，包括对流层散射和电离层散射。为了增大通信距离，可以采用中继站转发信号，称为微波接力通信。 有线信道分为有线电信道和有线光信道。有线电信道包括明线、对称电缆、同轴电缆； 有线光信道又包括光纤和光缆。根据光纤横截面上折射率分布的不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤； 根据光纤中传输模式数量的不同，可分为单模光纤和多模光纤。光缆中又包括层绞式光缆、单位式光缆、骨架式光缆、带状式光缆。 还有一种特殊的信道就是水下信道，水下通信一般是指水上实体与水下目标(潜艇、无人潜航器、水下观测系统等)的通信或水下目标之间的通信，通常指在海水或淡水中的通信，是相对于陆地或空间通信而言的。水下通信分为水下有线通信和水下无线通信。水下无线通信又可分为水下无线电磁波通信和水下非电磁波通信两种。 水下无线电磁波通信包括甚低频(VLF)通信、超低频(SLF)通信、极低频(ELF)通信，水下无线电磁波通信是当前和未来一个时期主要的水下通信技术； 水声通信是指利用声波在水下的传播进行信息的传送，是目前实现水下目标之间进行水下无线中、远距离通信的唯一手段。然后介绍了水下无线通信技术未来的发展趋势，主要向水下无线光通信、水下中微子通信、引力波通信、水下量子通信、水下无线中长波通信五个方向发展。 信道的数学模型分为调制信道模型和编码信道模型两类。调制信道模型用加性干扰和乘性干扰表示信道对信号传输的影响。编码信道模型与调制信道模型有明显的不同。调制信道对信号的影响是通过乘性干扰及加性干扰使已调信号发生波形失真，而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。由于编码信道包含调制信道，故加性和乘性干扰都对编码信道有影响，它会使编码信道中的数字码元产生错误，所以编码信道模型用转移概率来描述其特性。 一般情况下，恒参信道并不是理想网络，其参数随时间不变化或变化特别缓慢。它对信号的主要影响可用幅度频率畸变和相位频率畸变(群迟延畸变)来衡量。可以利用均衡技术来减小畸变对信号传输的影响。随参信道的参数随时间而随机变化，对它的分析要比恒参信道复杂得多，典型的随参信道是短波电离层反射信道。随参信道中常见的问题有衰落现象和多径效应。为了克服无线信道的多径衰落效应，可以采用分集技术。常用的分集技术有： 空间分集、频率分集、极化分集、时间分集、轨道角动量分集。其中轨道角动量分集作为近几年才发展起来的新兴领域，有着很广泛的研究和应用前景。 在通信系统中，噪声的存在使通信质量变坏，可靠性降低。它能使模拟信号失真，使数字信号发生错码。信道中加性噪声来源是多方面的，一般可以分为无线电噪声、工业噪声、自然噪声、内部噪声四类； 根据噪声的表现形式不同，常见的随机噪声可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声三类。 信道容量是指信道能够传输的最大平均信息量。按照离散信道和连续信道的不同，信道容量分别有不同的计算方法。连续信道容量与带宽和信噪比有关，增大带宽可以降低信噪比而保持信道容量不变，但无限增大带宽并不能无限增大信道容量，当信噪比给定时，无限增大带宽得到的容量趋近于1.44Sh0。 习题 31无线与有线信道分别有哪些种类? 32地波与天波传播距离能达到多远?它们分别适用在什么频段? 33视距传播距离和天线高度有什么关系? 34散射传播有哪些种?各适用在什么频段? 35何谓多径效应? 36什么是快衰落?什么是慢衰落? 37何谓恒参信道?何谓随参信道?它们分别对信号传输有哪些主要影响? 38何谓加性干扰?何谓乘性干扰? 39适合在光纤中传输的光波波长有哪几个? 310信道中的噪声有哪几种? 311热噪声是如何产生的? 312信道模型有哪几种? 313简述信道容量的定义。试写出连续信道容量的表示式。由此式看出信道容量的大小决定于哪些参量? 314设一条无线链路釆用视距传播方式通信，其收发天线的架设高度都等于40m，若不考虑大气折射率的影响，试求其最远通信距离。 315设一条天波无线电信道，用高度等于400km的F2层电离层反射电磁波，地球的等效半径等于(6370×4/3)km，收发天线均架设在地平面，试计算其通信距离大约可以达到多少千米? 316若有一平流层平台距离地面20km，试按上题给定的条件计算其覆盖地面的半径等于多少千米？ 317设一个接收机输入电路的等效电阻等于600Ω，输入电路的带宽等于6MHz，环境温度为27℃，试求该电路产生的热噪声电压有效值。 318某个信息源由A、B、C和D四个符号组成。设每个符号独立出现，其出现概率分别为1/4、1/4、3/16、5/16，经过信道传输后，每个符号正确接收的概率为10211024，错为其他符号的条件概率P(xi/yi)均为1/1024，试画出此信道模型，并求出该信道的容量C。 319若习题318中的四个符号分别用二进制码组00、01、10、11表示，每个二进制码元用宽度为5ms的脉冲传输，试求出该信道的容量C等于多少b/s？ 320设一幅黑白数字相片有400万个像素，每个像素有16个亮度等级。若用3kHz带宽的信道传输它，且信号噪声功率比等于10dB，试问需要传输多少时间?