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1、第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道的数学模型 4.4 信道特性及其对信号传输的影响 4.5 信道的噪声 4.6 信道容量 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 信息源发送设备信道接收设备受信者 噪声源 发送端接收端 通信系统的一般模型 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 一般来说,实际信道都不是理想的。首先，这些信道具有 非理想的频率响应特性(无源干扰)，另外还有噪声和信号 通过信道传输时掺杂进去的其他干扰(有源干扰) 。 信道是以传输媒质为基础的信号传输通
2、道。 明线 电缆 光缆 狭义信道 地波传播 短波电离层反射 超短波、微波视距中继 人造卫星中继等 有线信道 无线信道 广义信道：包括传输媒质和变换装置（发送接收调制解调 ） 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第一节 无线信道 一、基本问题 无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制，一般为电磁波波长的1/101/4 ，故无线信道电磁波的频率较高。 地球大气层的结构 对流层：地面上 0 10 km 平流层：约10 60 km 电离层：约60 400 km 地 面 对流层 平流层 电离层 10 km 60 km 0 km 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一
3、）CAICAI 第一节 无线信道 一、基本问题 n电离层对于传播的影响 u吸收(衰减) u反射 u散射 n大气层对于传播的影响 u吸收 u散射 频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减 频率(GHz) (b) 降雨的衰减 衰减 (dB/km ) 衰减 (dB/k m) 水蒸气 氧 气 降雨率 图4-6 大气衰减 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第一节 无线信道 二、电磁波的分类与传输原理： u地波 p频率 2 MHz p有绕射能力 p距离：数百或数千千米 u天波 p频率：2 30 MHz p特点：被电离层反射 p一次反射距离： 30
4、MHz p距离: 和天线高度有关 (4.1-3) 式中，D 收发天线间距离(km)。 例 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3) p增大视线传播距离的其他途径 中继通信： 卫星通信：静止卫星、移动卫星 平流层通信： dd h 接收天线发射天线 传播途径 D 地面r r 图 4-3 视线传播 图4-4 无线电中继 m 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第一节 无线信道 二、电磁波的分类与传输原理： u散射传播 p电离层散射 机理:由电离层不均匀性引起 频率:30 60 MHz 距离:1000 km以上 p对流层散射 机理:由对流层不均匀性（湍流）引起 频率
5、:100 4000MHz 最大距离 600 km 图4-7 对流层散射通信 地球 有效散射区域 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第一节 无线信道 二、电磁波的分类与传输原理： u散射传播 p流星余迹散射 流星余迹特点:高度80120km，长度1540km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率:30100 MHz 距离:1000 km以上 特点:低速存储、高速突发、断续传输 图4-8 流星余迹散射通信 流星余迹 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第二节 有线信道 一、明线： u明线是指平行而相互绝缘的 架空裸线线路。 u与电缆相比，它
6、的优点是传 输损耗低。 u但它易受气候和天气的影响 ，并且对外界噪声干扰较敏 感，已逐渐被电缆代替。 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第二节 有线信道 二、对称电缆： u对称电缆是在同一保护套内由许多对相互绝缘的绞扭双导 线做成的传输介质。 u导线材料是铝或铜，直径为0.4到1.4mm。为了减少各线对 之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞状。 u由于这些结构上的特点，故电缆的传输损耗比明线大得多 ，但其传输特性比较稳定。 图4-9 双绞线 导体绝缘层 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第二节 有线信道 三、同轴电缆： u同轴电缆由
7、同轴的两个导体构成，外导体是一个圆柱形的 空管（在可弯曲的同轴电缆中，它可以由金属丝编织而成 ），内导体是金属线（芯线）。它们之间填充着绝缘介质 ，可能是塑料，也可能是空气。在采用空气绝缘的情况下 ，内导体依靠有一定间距的绝缘子来定位。 导体 金属编织网 保护层 实心介质 图4-10 同轴线 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第二节 有线信道 四、光纤： u结构 p纤芯 p包层 u按折射率分类 p阶跃型 p梯度型 u按模式分类 p多模光纤 p单模光纤 折射率 n1n2 折射率 n1 n2 710 125 折射率 n1n2 单模阶跃折射率光纤 图4-11 光纤结构
8、示意图 (a ) (b ) (c ) 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 第二节 有线信道 四、光纤： u损耗与波长关系 p损耗最小点：1.31与1.55 m 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 光波波长（m） 1.55 m 1.31 m 图4-12光纤损耗与波长的关系 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 广义 信道 调制信道：包含发转换装置、 媒质和收转换装置 。 编码信道：编码信道包括调制器、调制信道和解调器 。 调制信道 编码信道 第三节 信道的数学模型 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICA
9、I 一、调制信道模型 调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道， 它所关心的是调制信道输入信号形式和已调信号通过调制信道 后的最终结果，对于调制信道内部的变换过程并不关心。 （1） 有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； （3） 信号通过信道具有一定的延迟时间，而且还会受到（ 固定的或时变的）损耗； （2） 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理； （4） 即使没有信号输入，在信道的输出端仍一定的输出 功率（噪声）。 第三节 信道的数学模型 特征： 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 可用二对端（或多对端）的时变线性网络去代替调制信道 。
10、时变 线性 网络 二对端网络 时变 线性 网络 多对端网络 （m对输入）n对输出 一、调制信道模型 第三节 信道的数学模型 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 信道对信号的影响有两点 乘性干扰k(t) 加性干扰n(t) 输入的已调信号， 信道输出波形， 信道噪声 (加性干扰) 表示信道对信号的影响（变换）的某种函数关系。 二端口调制信道模型输出与输入的关系：eo(t)=fei(t)+n(t) 一、调制信道模型 第三节 信道的数学模型 对 的一种乘性干扰。 可以写成： 通常该函数关系可写成 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 加性噪声n
11、(t)通常是一种高斯噪声，该信道模型通常也称为 加性高斯噪声信道。 一、调制信道模型 第三节 信道的数学模型 k(t) n(t) ei(t) 信道 调制信道模型 eo(t)=fei(t)+n(t) 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 如果了解 的特性，信道对信号的影响就 能搞清楚。 一、调制信道模型 第三节 信道的数学模型 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 二、编码信道模型 第三节 信道的数学模型 编码信道包括调制信道、调制器和解调器，它与调制信 道模型有明显的不同，是一种数字信道或离散信道。编码信 道输入是离散的时间信号，输出也是
12、离散的时间信号，对信 号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由 于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错 误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概 率来表征。 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI P(0)和P(1)分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率 ，P(0/0)与P(1/1)是正确转移概率， P(1/0)与P(0/1)是错误转移概率。 信道噪声越大将导致输出数字序列发生错误越多，错误转 移概率P(1/0)与P(0/1)也就越大；反之，错误转移概率 P(1/0)与P(0/1)就越小。 根据概率性质可知：P（0/0）=1-
13、 P（1/0） P（1/1）=1- P（0/1） 二、编码信道模型 第三节 信道的数学模型 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 二进制编码信道模型 多进制无记忆编码信道模型。 如果编码信道是有记忆的，则编码信道模型要比上两图复杂的多 二、编码信道模型 第三节 信道的数学模型 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其 缓慢的。因此，其传输特性可以等效为一个线性时不变 网络。只要知道网络的传输特性，就可以采用信号与系 统的分析方法，分析信号通过信道后的变化规律。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特
14、性和相位频率 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。 第四节 信道特性及对信号传输的影响 一、恒参信道对信号传输的影响 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 理想情况下恒参信道特性： w H（） x (t ) y(t)=Kx (t-t0) H() = k () = t0 第四节 信道特性及对信号传输的影响 一、恒参信道对信号传输的影响 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 1.幅度频率畸变:由于实际信道的幅度频率特性不理想，信 号通过信道后会产生幅度-频率失真，又称为频率失真（属于 线性失真）。 衰减特性在 300300
15、0 Hz频率范围内比较平 坦；300 Hz以下和 3000Hz以上衰耗增加 很快，这种衰减特性 正好适应人类话音信 号传输。 典型音频电话信道的幅度衰减特性 第四节 信道特性及对信号传输的影响 一、恒参信道对信号传输的影响 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生 失真，若在这种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信 号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。 减小幅度-频率失真的方法：改善电话信道的滤波性能， 或者通过一个线性补偿网络（均衡技术），使衰耗特性曲线 变得平坦。比如：在电话信道中传输数字信号时，通常采取 均衡措施。 第四节 信道特性及对信号传输的影响 1.幅度频率畸变: 一、恒参信道对信号传输的影响 第四章第四章 信道信道 通信原理（一）通信原理（一）CAICAI 2.相位-频率畸变: 当信道的相位-频率特性偏离线性关系时，将会使通过信道 的信号产生相位-频率失真，它也属于线性失真。 通常还用群延迟-频率特性来衡量： t()=d() /d t() K 0 理想的群延迟-频率特性 w 理想的相位-频率特性 第四节 信道特性
