第四章 信道
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第四章信道共享技术
第四章信道共享技术4-01试比较几种共享信道的方法的特点答：共享广播信道采用基于信道的共享和基于排队的共享两种方法。
信道共享可采用频分复用或时分复用，无论采用哪 种技术都可以有固定分配和按需分配两种不同的方式。
基于排队共享可以采用两种方式分配带宽：一种是随机接入，即允许各站自由发送数据。
当发生冲突时， 则通过一定的算法来解决冲突。
另一种方法是设法形成一个分布式的逻辑队列或用令牌来协调各站发送数 据。
这四种共享广播信道的方法：固定分配法实时性好，但信道利用率低；按需分配方法信道利用率高，但工 作站必须增加一定的处理能力，而且信道忙时，一部分用户对信道的申请可能被阻塞，再申请产生时延； 随机接入的方法简单，工作站接入与安装方便，在低负载时，网络基本上没有时延，但发送时延不确定， 重负载时，网络的效率下降很多；分布式逻辑队列或令牌法，发送时延确定，可设优先级，能传送数字化 的分组话音信号，重负载的性能好，但协议复杂。
4-02试比较轮询与 ALOHA 勺优缺点答：一般来说, 当站数较少时，纯 ALOHA 勺时延较小，而当站数较多时，轮询的时延较小。
从概念上讲，纯 ALOHA 由于所受约束较少，因而可以在通信量强度较小时获得较小的时延。
轮询系统对每个站的发送时机有严格的限制，因而当通信量强度增大时各站不会互相干扰 4-03可以用其他方法导出(4 — 11)式4-04若干个终端用纯ALOHA 随机接入协议与远程主机通信，通信速率为 2400bps 。
设每个终端平均每2分 钟发送一个帧，帧长为200比特，问终端数目最多允许为多少？若采用时隙 ALOHA 协议，其结果有如何？若改变以下数据，分别重新计算上述问题： (a) 帧长变为500比特； (b) 终端每3分钟发送一个帧； (c) 线路速率改为4800bps 。
答：ALOHA 的容量为 0.18 X 2400 = 432bps ，终端速率=200 比特 /120秒=5/3bps ， 最大终端数=432 - 5/3 = 259个。
通信原理(第四章)
27
第4章 信 道 章
四进制编码信道模型
0 0
1 送
端
发
1
收 端
接
2
2
3
3
28ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4章 信 道 章
4.4 信道特性对信号传输的影响 恒参信道的影响 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，就可以采用信号分析方法，分 析信号及其网络特性。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特 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。
平流层 60 km 对流层 10 km 0 km 地 面
6
第4章 信 道 章
电离层对于传播的影响 反射 散射
7
第4章 信 道 章
电磁波的分类： 电磁波的分类： 地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离： 距离：数百或数千千米 天波 频率： 频率：2 ~ 30 MHz 特点： 特点：被电离层反射 一次反射距离： 一次反射距离：< 4000 km 寂静区： 寂静区：
13
第4章 信 道 章
4.2 有线信道
明线
14
第4章 信 道 章
对称电缆：由许多对双绞线组成， 对称电缆：由许多对双绞线组成，分非屏蔽 （UTP）和屏蔽（STP）两种。 ）和屏蔽（ ）两种。
塑料外皮
双绞线（ 5对）
图4-9 双绞线
15
第4章 信 道 章
同轴电缆
16
第4章 信 道 章
n2 n1 折射率
25
第4章 信 道 章
4.3.2 编码信道模型
调制信道对信号的影响是通过k(t)和 使已调信号发生波形 调制信道对信号的影响是通过 和n(t)使已调信号发生波形 失真。 失真。 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换， 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即将 一种数字序列变成另一种数字序列。 一种数字序列变成另一种数字序列。误码 输入、输出都是数字信号， 输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号 失真情况，但误码与调制信道有关， 失真情况，但误码与调制信道有关，无调制解调器时误码由 发滤波器设计不当及n(t)引起 引起。 收、发滤波器设计不当及 引起。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。
通信原理第4章信道
1
第4章 信道
4.0 信道的定义及分类 4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道数学模型 4.4 信道特性及其对信号传输的影响 4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量
2
本章教学目的：了解各种实际信道、信
道的数学模型和信道容量的概念。
本章的讨论思路：通过介绍实际信道的例
子，在此基础上归纳信道的特性,阐述信道的 数学模型，最后简介了信道容量的概念。
信道模型的分类： 调制信道 编码信道
信 息 源 信 源 编 码 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者
信道 噪声源
调制信道 编码信道
31
4.3.1 调制信道模型
有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；
41
相位－频率畸变
指相位－频率特性偏离线性关系所引起的畸变。
1、理想相频特性是一直线
群延迟－频率特性
|H( )|
d ( ) ( ) d
( ) td
O (b) td
K0
O (a)
O (c)
42
2、实际电话信道的群延迟特性 一种典型的音频电话信道的群延迟特性。
25
光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成(如 图所示)。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多 条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都 有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的 折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。环 绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它 材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防 止磨损或挤压等伤害。
第4章 信道
4.0 信道的定义及分类 4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道数学模型 4.4 信道特性及其对信号传输的影响 4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量
2
本章教学目的：了解各种实际信道、信
道的数学模型和信道容量的概念。
本章的讨论思路：通过介绍实际信道的例
子，在此基础上归纳信道的特性,阐述信道的 数学模型，最后简介了信道容量的概念。
信道模型的分类： 调制信道 编码信道
信 息 源 信 源 编 码 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者
信道 噪声源
调制信道 编码信道
31
4.3.1 调制信道模型
有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；
41
相位－频率畸变
指相位－频率特性偏离线性关系所引起的畸变。
1、理想相频特性是一直线
群延迟－频率特性
|H( )|
d ( ) ( ) d
( ) td
O (b) td
K0
O (a)
O (c)
42
2、实际电话信道的群延迟特性 一种典型的音频电话信道的群延迟特性。
25
光纤呈圆柱形，由芯、封套和外套三部分组成(如 图所示)。芯是光纤最中心的部分，它由一条或多 条非常细的玻璃或塑料纤维线构成，每根纤维线都 有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的 折射率比芯线低，因此可使光波保持在芯线内。环 绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它 材料层构成，以防止外部的潮湿气体侵入，并可防 止磨损或挤压等伤害。
通信原理第四章 (樊昌信第七版)PPT课件
则接收信号为
2 1
fo(t) = K f(t - 1 ) + K f(t - 2 ) 相对时延差
F o () = K F () e j 1 + K F () e j ( 1 )
信道传输函数
H()F F o(( ))K Keejj 11((1 1 eejj ))
常数衰减因子 确定的传输时延因子 与信号频率有关的复因子
课件
精选课件
1
第4章 信道
通信原理（第7版）
樊昌信 曹丽娜 编著
精选课件
2
本章内容:
第4章 信道
信道分类
信道模型
恒参/随参信道特性对信号传输的影响
信道噪声
信道容量
定义·分类
模型·特性
影响·措施
信道噪声 信道容量
精选课件
3
概述
信道的定义与分类
n 狭义信道：
—传输媒质 有线信道 ——明线、电缆、光纤 无线信道 ——自由空间或大气层
1. 传输特性
H ()H ()ej ()
H() ~ 幅频特性
()~ 相频特性
2. 无失真传输
H()Kejtd
H() K
()td
精选课件
27
n 无失真传输（理想恒参信道）特性曲线：
恒参信道
|H()|
K
() td
td
0
H() K
幅频特性
0
0
()td
()d() d
td
相频特性
群迟延特性
精选课件
28
n 理想恒参信道的冲激响应:
恒参信道
H()Kejtd
h(t)K(ttd)
若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:
通信原理第四章ppt课件
通信原理第四章
西安电子科技大学 通信工程学院
课件制作：曹丽娜
信道的定义
通信系统中的信道是指发送设备到接收设备之间信号传 输的通道，是通信系统的重要组成部分
本章内容:
第4章 信道
信道分类 信道模型 恒参/随参信道特性对信号传输的影响 信道噪声 信道容量
按照传输媒介的不同
概述
信道的定义与分类
无线信道 ——自由空间或大气层 有线信道 ——明线、电缆、光纤
有线信道
信道频带在几百MHz至1GHz左右 主要应用： 长途通信干线，有线电视等
基带同轴电缆：
50Ω，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离<几千米
宽带（射频）同轴电缆：
75Ω，用于传输模拟信号 多用于有线电视（CATV）系统 传输距离可达几十千米
有线信道
光纤
有线信道
按照系统模型中研究对象的不同：
编
调制信道
码 器
——研究调制/解调问题
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译 码 器
编码信道
——研究编码/译码问题 恒参信道
按照信道中冲击响 应是否随时间变化
——特性参数变化缓慢，视为恒定值 随参信道
——特性参数随时间变化
§4.1
无线信道
光作为一种特殊的电磁波， 在人造介质（光纤）中传播， 实现大容量，高可靠性的通信 主要应用：
电信网和移动网的骨干网
单模阶跃折射率光纤
光纤结构示意图
优点
缺点 应用
有线信道
§4.3
信道数学模型
按照系统模型中研究对象的不同：
调制信道 ——研究调制/解调问题 编码信道 ——研究编码/译码问题
西安电子科技大学 通信工程学院
课件制作：曹丽娜
信道的定义
通信系统中的信道是指发送设备到接收设备之间信号传 输的通道，是通信系统的重要组成部分
本章内容:
第4章 信道
信道分类 信道模型 恒参/随参信道特性对信号传输的影响 信道噪声 信道容量
按照传输媒介的不同
概述
信道的定义与分类
无线信道 ——自由空间或大气层 有线信道 ——明线、电缆、光纤
有线信道
信道频带在几百MHz至1GHz左右 主要应用： 长途通信干线，有线电视等
基带同轴电缆：
50Ω，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离<几千米
宽带（射频）同轴电缆：
75Ω，用于传输模拟信号 多用于有线电视（CATV）系统 传输距离可达几十千米
有线信道
光纤
有线信道
按照系统模型中研究对象的不同：
编
调制信道
码 器
——研究调制/解调问题
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译 码 器
编码信道
——研究编码/译码问题 恒参信道
按照信道中冲击响 应是否随时间变化
——特性参数变化缓慢，视为恒定值 随参信道
——特性参数随时间变化
§4.1
无线信道
光作为一种特殊的电磁波， 在人造介质（光纤）中传播， 实现大容量，高可靠性的通信 主要应用：
电信网和移动网的骨干网
单模阶跃折射率光纤
光纤结构示意图
优点
缺点 应用
有线信道
§4.3
信道数学模型
按照系统模型中研究对象的不同：
调制信道 ——研究调制/解调问题 编码信道 ——研究编码/译码问题
第四章 信道(2)
§4.3.1 调制信道模型
e0 (t ) k (t )ei (t ) n(t )
k(t)——乘性干扰 它是时间t的函数，表示信道的特性是随时间变化的。 随时间变化的信道成为时变信道 k(t)——乘性干扰——引起的失真随时间做随机变化 特性随机变化的信道称为随参信道 特性不随时间变化或者变化很小的信道称为恒参信道
§4.3.1 调制信道模型
输出量表示为：
e0 (t ) k (t )ei (t ) n(t ) ——二端口网络
e0(t)——输出端电压 ei(t)——输入信号电压 k(t)——乘性干扰 n(t)——加性干扰
n(t)——加性干扰 当没有信号输入时，信道输出端也有加性干扰 k(t)——乘性干扰 当没有信号输入时，信道输出端没有乘性干扰
( w)
dw
td (常数)
理想的相—频及群迟延—频率特性曲线：
( )
( )
k
k
恒参信道对信号传输的影响
实际信道对信号产生的两种失真： （1）幅频失真 表示信号中不同频率的分量分 H ( w ) K （频率失真）： 别受到信道不同的衰减。
模拟信号：波形失真——信噪比下降
回顾窄带随机过程
(t ) a (t ) cos[ct (t )]
(t ) c (t ) cos ct s (t ) sin ct
可见，随机过程的统计特性可由
a (t )、 (t )或者c (t )、s(t )的特性确定 反之也成立
重要结论之二： 一个均值为零，方差为σ2ξ的窄带高斯过程ξ (t)， 其包络a ξ(t)的一维分布是瑞利分布；
设一恒参信道的幅频特性和相频特性分别为：
H ( w) K
第4章_信道
32
4.3 信道的数学模型
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
4.3.2 编码信道模型
由于信道噪声或其它因素的影响，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。 转移概率：在二进制系统中，就是“0”转移为“1”的 概率和“1”转移为“0”的概率。
8
4.1 无线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
地波
频率在2MHz以下的电磁波，趋于沿弯曲的地球表面传 播，有一定的绕射能力。 地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高损 失越大，因此传播距离不大，一般在数百千米到数千千米。
传播路径 传播路径
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
21
4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
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。 同轴电缆
由内外两根同心圆柱导体构成，两根导体之间用绝缘体 隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或 金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层。其优点是抗 干扰特性好。
增大视线传播距离的途径 卫星中继（卫星通信）
利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球，从而实现全球通信。
利用卫星作为中继站能够增大一次 转发的距离，但是却增大了发射功 率和信号传输的延迟。 此外，发射卫星也是一项巨大的工 程。 故开始研究使用平流层通信。 图4-5 卫星中继
15
4.1 无线信道
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
图4-4
无线电中继
特点：容量大、发射功率小、稳定可靠等。
第四章 波形信源和波形信道
2
－2 F 2 F 其他
其自相关函数
Rn
(
)
1
2
Pn
()e
j
d
N0
F
sin(2 F 2 F
)
由功率谱密度可知在时间间隔 1的两个样本点之间的相
2F
关函数等于零，
所以各样本值之间不相关。有因为随即变量是高斯概率
密度分布的，所以随机变量之间统计独立。
第四节 连续信道和波形信道的分类
4.有色噪声信道 除白噪声以外的噪声称为有色噪声。信道的噪声是
率是按正、负两半轴上的频谱定义的。只采用正半轴频谱来
定义，则功率谱为
N
，常称为单边谱密度。而
0
N0 /称2 为双
边谱密度，单位为瓦/赫(W/Hz)。显然。白噪声的相关函数
是 函数：
Pn ()
N0 2
Rn ( )
N0 2
( )
第四节 连续信道和波形信道的分类
3.高斯白噪声信道
具有高斯分布的白噪声称为高斯白噪声。一般情况把既服 从高斯分布而功率谱密度又是均匀的噪声称为高斯白噪声。 关于低频限带高斯白噪声有一个很重要的性质，即低频限带 高斯白噪声经过取样函数取值后可分解成N（＝2FT）个统计 独立的高斯随机变量（方差为 N0 / ，2 均值也为零）。
且当随机序列中各变量统计独立时等式成立。
第二节 波形信源和波形信源的信息测度
两种特殊连续信源的差熵
1.均匀分布连续信源的熵值
一维连续随机变量X在[a,b]区间内均匀分布时，这基本连
续信源的熵为 h( X ) log(b a)
N维连续平稳信源，若其输出N维矢量 X ( X1X 2 X N )
其分量分别在 [a1, b2 ], ,[aN , bN ] 的区域内均匀分布，
(信息论、编码及应用)第4章连续信源与连续信道
应用
连续信源的编码定理是信息论中最重 要的定理之一，它为信源编码提供了 理论依据和指导，广泛应用于数据压 缩、图像处理等领域。
02
连续信道
定义与特性
定义
连续信道是一种能够传输连续信号的通信通道，例如音频、 视频信号等。
特性
连续信道具有带宽限制、噪声干扰、信号衰减等特性，这些 特性会影响信号传输的质量和可靠性。
利用统计学习方法，如自适应滤 波、神经网络等，对信源和信道 进行学习和优化，实现动态匹配。
编码技术
采用适当的编码技术，如差分编 码、增量编码等，对信源进行编 码，使其更适应信道的传输特性。
匹配的优化策略
01
02
03
能效优先
在保证信息传输质量的前 提下，优先考虑能效，通 过优化信源和信道的参数， 降低能耗。
例如，在移动通信网络中，语音信号通常采用码分多址（CDMA）或长期演进（LTE） 等技术进行传输。这些技术能够提供较高的数据传输速率和较低的误码率，从而保 证语音信号的清晰度和可懂度。
图像信号传
图像信号传输是连续信源与连续信道的另一个重要应用领域。在电视广播、视频会议和在线教育等应用中，图像信号需要通 过连续信道进行传输。由于图像信号的数据量较大，因此需要采用高效的压缩编码技术来减小传输数据量，同时还需要保证 图像质量。
输速率，同时保证信息的可靠传输。
03
匹配理论的发展历程
随着信息论的不断发展，匹配理论也在不断完善，从早期的经典匹配理
论到现代的统计匹配理论，为连续信源与连续信道的匹配提供了更精确
的指导。
匹配的实现方法
参数调整
根据信源和信道的特性，调整相 关参数，如信源的压缩比、信道 的调制方式等，以实现匹配。
连续信源的编码定理是信息论中最重 要的定理之一，它为信源编码提供了 理论依据和指导，广泛应用于数据压 缩、图像处理等领域。
02
连续信道
定义与特性
定义
连续信道是一种能够传输连续信号的通信通道，例如音频、 视频信号等。
特性
连续信道具有带宽限制、噪声干扰、信号衰减等特性，这些 特性会影响信号传输的质量和可靠性。
利用统计学习方法，如自适应滤 波、神经网络等，对信源和信道 进行学习和优化，实现动态匹配。
编码技术
采用适当的编码技术，如差分编 码、增量编码等，对信源进行编 码，使其更适应信道的传输特性。
匹配的优化策略
01
02
03
能效优先
在保证信息传输质量的前 提下，优先考虑能效，通 过优化信源和信道的参数， 降低能耗。
例如，在移动通信网络中，语音信号通常采用码分多址（CDMA）或长期演进（LTE） 等技术进行传输。这些技术能够提供较高的数据传输速率和较低的误码率，从而保 证语音信号的清晰度和可懂度。
图像信号传
图像信号传输是连续信源与连续信道的另一个重要应用领域。在电视广播、视频会议和在线教育等应用中，图像信号需要通 过连续信道进行传输。由于图像信号的数据量较大，因此需要采用高效的压缩编码技术来减小传输数据量，同时还需要保证 图像质量。
输速率，同时保证信息的可靠传输。
03
匹配理论的发展历程
随着信息论的不断发展，匹配理论也在不断完善，从早期的经典匹配理
论到现代的统计匹配理论，为连续信源与连续信道的匹配提供了更精确
的指导。
匹配的实现方法
参数调整
根据信源和信道的特性，调整相 关参数，如信源的压缩比、信道 的调制方式等，以实现匹配。
第四章-信道(1-1)介绍
明线 对称平衡电缆（市内） 固体介质 电缆 小同轴（长途） 中同轴（长途） 长波 中波 短波 超短波 移动 1 传输媒介类型 空气介质 视距接力 微波 对流层 散射 电离层 卫星 光波 波导 混合介质 光缆
3>根据用户数量
单用户信道 多用户信道
电话线 广播信道
4>根据输入和输出关系 无反馈信道 输出信号对输入信号没有影响
反馈信道 输出信号反馈到输入端 如网络传输信道
5>根据信道参数和时间关系分
固定参数信道 信道参数（统计特性）不随时间而变化，如光纤
时变参数信道 信道参数（统计特性）随时间而变化，如无线信道
信道划分是人为的，比如：
信源 编码 A 媒介 B 译码 信宿
干扰 c1 c2 c3 c4
其中：c1为连续信道，调制信道； c2为离散信道，编码信道； c3为半离散、半连续信道； c4为半连续、半离散信道。
4.1.2 信道参数 P(Y|X) X X=(X1,X2,….XM) 对信道描述的三要素： 1 信道输入统计概率 2 信道输出统计概率 3 信道本身的统计特性 p(X) p(Y) 转移概率：p(Y|X) 信道 Y Y=(Y1,Y2,….YN)
SISO
SIMO 6>根据输入输出通道数目
对单用户信道而言 MISO
MIMO
7>根据信道统计特性分
无记忆信道 某一时刻，信道的输出消息仅与当时的输入消息 有关，用信道传输概率p(Y/X)来描述。 有记忆信道 信道的输出消息不仅与当时的输入消息有关，还与 以前时刻信道的输入消息和（或）输出消息有关。 码间串扰信道和衰落信道都属于有限记忆信道。
第四章《通信原理》信道
理想无失真信道， 理想无失真信道，它的
H ( jω ) = ke
jω t d
H ( jω ) = k 幅频特性 (ω ) = ωt d 相频特性
实际的信道往往不能满足这些要求。例如电话信号 实际的信道往往不能满足这些要求。 的频带在300Hz 3400Hz范围内 300Hz范围内； 的频带在300Hz-3400Hz范围内；而电话信道的幅频特性 和相频特性示于下图。
调制信道 编码信道
1、调制信道 指从调制器输出到解调器输入端的所有变换装置 及传输媒介。因为从调制解调角度而言， 及传输媒介。因为从调制解调角度而言，调制信道仅 对已调信号进行传输，因此可视为一个整体。 对已调信号进行传输，因此可视为一个整体。
2、编码信道 、 指从编码器输出到译码器输入端的所有变换装置 及传输媒介。因为从编译码的角度而言， 及传输媒介。因为从编译码的角度而言，它们之间的 一切环节只起了传输数字信号的作用， 一切环节只起了传输数字信号的作用，因此可视为一 个整体。 个整体。
第四章 信道
在讲通信系统模型中我们知道， 在讲通信系统模型中我们知道，信道是信息传 输的媒介。它可分为两大类：有线信道和无线信道。 输的媒介。它可分为两大类：有线信道和无线信道。 传统的固定电话网用有线信道作为传输媒介。 传统的固定电话网用有线信道作为传输媒介。而无 线电广播则是用无线信道传播电台节目。 线电广播则是用无线信道传播电台节目。 信号在信道中传输，一方面受信道特性的影响； 信号在信道中传输，一方面受信道特性的影响； 另一方面还要受到信道中噪声的影响。 另一方面还要受到信道中噪声的影响。本章简单介 绍信道特性和信道中的噪声， 绍信道特性和信道中的噪声，以及信道特性对信号 传输的影响。 传输的影响。
一、加性噪声的分类
各种类型信道
第四章 信道
第一节
一、基本问题
《通信原理（一）》CAI
无线信道
– 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1/10~1/4， 故无线信道电磁波的频率较高。 – 地球大气层的结构 电离层 • 对流层：地面上 0 ~ 10 km 平流层 • 平流层：约10 ～ 60 km 60 • 电离层：约60 ～ 400 km km 对流层
信道是以传输媒质为基础的信号传输通道。 有线信道 狭义信道
明线 电缆 光缆
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
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） 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) 。
10 km 0 km
地 面
第四章 信道
第一节 无线信道
衰 减
《通信原理（一）》CAI
一、基本问题 电离层对于传播的影响
吸收(衰减) 反射 散射
水蒸气 氧 气
(dB/km)
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
大气层对于传播的影响
吸收 散射
衰 减
降雨率
图 4-3 视线传播
式中，D – 收发天线间距离(km)。 [例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
D 2 D 2 502 h 50 8r 50 50
m
图4-4 无线电中继
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：
第四章 信道
通信原理_第四章 信道
内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
通信原理
第四章
信
道
东北大学网
短波电离层反射信道 (1) 传播路径
地面高度为60km — 400km
反射层 入射角φo 4000km D F2 F1 E 吸收层
地球
■ □ □ □
电离层： 各个层次的高度、厚度、电子密度等都会随时间变化。 一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。 不同层次（F1、F2）的不同高度上都会产生反射。
通信原理
4.1 无线信道
第四章
信
道
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通信原理
第四章
信
道
东北大学网
一 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
60 km 对流层 10 km 0 km 地 面 电离层
典型的模拟信道是调制信道。 典型的数字信道是编码信道。
内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
通信原理
第四章
信
道
东北大学网
引言（调制信道与编码信道） 调制信道与编码信道分别是模拟信道与数字信道的 典型例子。
自编码器
调 制 器
发 送 转 换 器
传输媒体 调制信道 编码信道
第四章
信
道
东北大学网
通信卫星
卫星中继信道
内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
通信原理
第4章离散信道
特性p(x)共同决定的，
I ( X ;Y )
XY
p(xy) log
p(y | x) p( y)
XY
p( y
|
x) p(x)log
p(y | x)
p(y | x) p(x)
I(X;Y)
X
信道1的容量
但是容量C已对所有
信道2的容量
可能的p(x)取最大值，因此
容量C仅与信道特性p(y|x)有关，
也就是说，容量C是信道的固有 特性，与信源无关。
H(X|Y)≤H(X)：收到输出符号Y以后，总能 消除一些对X的不确定性，获得一些信息。
【定义4-1】 称信道的输入空间X对输出空 间Y的条件熵
H (X | Y ) p(xi y j ) log p(xi | y j )
为信道疑义度。XY
信道疑义度的含义是观察到信道的输出之 后仍然保留的关于信道输入的平均不确定 性。
I ( X ;Y ) I (Y; X ) p(xy) log p( y | x) H ( p p) H ( p)
XY
p( y)
固定信道
p固定 从0到1 变化
固定信源
固定 p从0到1 变化
4.4 信道的组合
组合方式
并行：积信道 例如：Internet
串行：级联信道 例如：GSM
积信道
P P1P2
2 p(1 p)
(1
p)2
p2
则 I(X;Y)=1-H(p) I(X;Z)=1-H(2p(1-p))
从图中能够看出 I(X;Z)≤I(X;Y)
例4-8
X 1/3
Y
Z
1
信道I和信道II的信道矩阵分别为 1/3 2/3
1 1 1
I ( X ;Y )
XY
p(xy) log
p(y | x) p( y)
XY
p( y
|
x) p(x)log
p(y | x)
p(y | x) p(x)
I(X;Y)
X
信道1的容量
但是容量C已对所有
信道2的容量
可能的p(x)取最大值，因此
容量C仅与信道特性p(y|x)有关，
也就是说，容量C是信道的固有 特性，与信源无关。
H(X|Y)≤H(X)：收到输出符号Y以后，总能 消除一些对X的不确定性，获得一些信息。
【定义4-1】 称信道的输入空间X对输出空 间Y的条件熵
H (X | Y ) p(xi y j ) log p(xi | y j )
为信道疑义度。XY
信道疑义度的含义是观察到信道的输出之 后仍然保留的关于信道输入的平均不确定 性。
I ( X ;Y ) I (Y; X ) p(xy) log p( y | x) H ( p p) H ( p)
XY
p( y)
固定信道
p固定 从0到1 变化
固定信源
固定 p从0到1 变化
4.4 信道的组合
组合方式
并行：积信道 例如：Internet
串行：级联信道 例如：GSM
积信道
P P1P2
2 p(1 p)
(1
p)2
p2
则 I(X;Y)=1-H(p) I(X;Z)=1-H(2p(1-p))
从图中能够看出 I(X;Z)≤I(X;Y)
例4-8
X 1/3
Y
Z
1
信道I和信道II的信道矩阵分别为 1/3 2/3
1 1 1
通信原理第4章信道
按噪声来源分类
人为噪声 － 例：开关火花、电台辐射 自然噪声 － 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热
噪声
30
信道中的噪声
热噪声
来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约 0 ～ 1012 Hz。 热噪声电压有效值：
V 4kTRB(V)
式中 k = 1.38 10-23（J/K） － 波兹曼常数； T － 热力学温度（ºK）； R － 阻值（）； B － 带宽（Hz）。
8
有线信道
4.2 有线信道
明线
9
有线信道
对称电缆：由许多对双绞线组成
导体 绝缘层
同轴电缆
图4-9 双绞线
实心介质 导体
金属编织网
保护层
图4-10 同轴线
10
有线信道
n2 n1 折射率
光纤
结构
(a)
纤芯 包层
n2 n1 折射率
按折射率分类 (b) 阶跃型
梯度型 按模式分类
噪声等效带宽：
Bn
Pn(f)d
f
2Pn(f0)
0 Pn(f)df Pn(f0)
式中 Pn(f0) － 原噪声功率谱密度曲线的最大值
噪声等效带宽的物理概念：
以此带宽作一矩形
滤波特性，则通过此
接收滤波器特性
特性滤波器的噪声功率，
等于通过实际滤波器的
Pn(f)
噪声功率。
Pn (f0)
噪声等效 带宽
利用噪声等效带宽的概念，
32
信道中的噪声
窄带高斯噪声
带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪 声
窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高 斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此 窄带噪声又称窄带高斯噪声。
人为噪声 － 例：开关火花、电台辐射 自然噪声 － 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热
噪声
30
信道中的噪声
热噪声
来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。 频率范围：均匀分布在大约 0 ～ 1012 Hz。 热噪声电压有效值：
V 4kTRB(V)
式中 k = 1.38 10-23（J/K） － 波兹曼常数； T － 热力学温度（ºK）； R － 阻值（）； B － 带宽（Hz）。
8
有线信道
4.2 有线信道
明线
9
有线信道
对称电缆：由许多对双绞线组成
导体 绝缘层
同轴电缆
图4-9 双绞线
实心介质 导体
金属编织网
保护层
图4-10 同轴线
10
有线信道
n2 n1 折射率
光纤
结构
(a)
纤芯 包层
n2 n1 折射率
按折射率分类 (b) 阶跃型
梯度型 按模式分类
噪声等效带宽：
Bn
Pn(f)d
f
2Pn(f0)
0 Pn(f)df Pn(f0)
式中 Pn(f0) － 原噪声功率谱密度曲线的最大值
噪声等效带宽的物理概念：
以此带宽作一矩形
滤波特性，则通过此
接收滤波器特性
特性滤波器的噪声功率，
等于通过实际滤波器的
Pn(f)
噪声功率。
Pn (f0)
噪声等效 带宽
利用噪声等效带宽的概念，
32
信道中的噪声
窄带高斯噪声
带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪 声
窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高 斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此 窄带噪声又称窄带高斯噪声。
第四章—信道与噪声
e i （t） f[ .] e o (t)=f[e i (t)]+n(t)
n(t)
e e 其中， i (t )是输入的已调信号； 0 (t )是信道总的输出； n(t ) 是加 性噪声（或称加性干扰）； f ei (t )是线性失真，时变损耗等 6
图 二对端调制信道模型
2 信道的数学模型（续）
11
3 信道举例（续）
双绞线
12
3 信道举例（续）
同轴电缆
同轴电缆共有四层。它的内部共有两层导体排列在同一 轴上，所以称为“同轴”。 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）。 它们之间填充着介质。 几根同轴线管往往套在一个大的保护套内，另外还装入 一些二芯扭绞线对或四芯线组，作为传输控制信号之用。
举例：卫星通信用于移动通信业务
最具代表性的就是“铱”系统（Iridium System）。这是 由Motorola公司开发的全球移动卫星通信系统，“铱”系 统利用低轨道卫星群来实现全球（卫）星际移动通信。整 个系统主要由卫星、地面测控设备与关口站，以及用户终 端三部分组成。 “铱”系统的主体由66颗在低轨道上运行的卫星群构 成，卫星分别配置在11个极地轨道平面上，每个轨道平面 有11颗工作卫星和1颗备用星（轨道高度780km），可使地 球表面的每一点都处于至少一颗卫星的覆盖下，小型化的 卫星宽1m、高2m，重约700kg，它们之间通过电子通信相 连，持续提供世界范围的服务。星上每副天线覆盖37个直 径为468km的小区，工作频段为1．6GHZ（L波段），星际 间链路和汇接站则工作在23GHZ的Ka波段频率上。卫星寿 命5-8年。 24
n(t)
e e 其中， i (t )是输入的已调信号； 0 (t )是信道总的输出； n(t ) 是加 性噪声（或称加性干扰）； f ei (t )是线性失真，时变损耗等 6
图 二对端调制信道模型
2 信道的数学模型（续）
11
3 信道举例（续）
双绞线
12
3 信道举例（续）
同轴电缆
同轴电缆共有四层。它的内部共有两层导体排列在同一 轴上，所以称为“同轴”。 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）。 它们之间填充着介质。 几根同轴线管往往套在一个大的保护套内，另外还装入 一些二芯扭绞线对或四芯线组，作为传输控制信号之用。
举例：卫星通信用于移动通信业务
最具代表性的就是“铱”系统（Iridium System）。这是 由Motorola公司开发的全球移动卫星通信系统，“铱”系 统利用低轨道卫星群来实现全球（卫）星际移动通信。整 个系统主要由卫星、地面测控设备与关口站，以及用户终 端三部分组成。 “铱”系统的主体由66颗在低轨道上运行的卫星群构 成，卫星分别配置在11个极地轨道平面上，每个轨道平面 有11颗工作卫星和1颗备用星（轨道高度780km），可使地 球表面的每一点都处于至少一颗卫星的覆盖下，小型化的 卫星宽1m、高2m，重约700kg，它们之间通过电子通信相 连，持续提供世界范围的服务。星上每副天线覆盖37个直 径为468km的小区，工作频段为1．6GHZ（L波段），星际 间链路和汇接站则工作在23GHZ的Ka波段频率上。卫星寿 命5-8年。 24
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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
电离层
60 km平流层来自对流层10 km
地面
0 km
2020/5/13
3
4.1 无线信道
电磁波的分类
传播路径
地波
地面
频率 < 2 MHz 有绕射能力
图4-1 地波传播
距离：数百或数千千米
式中，D-收发天线间的距离(km)
[例]若要求D = 50 km，则由上式
D2 D2 502 h 50 m
8r 50 50
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
2020/5/13
传播途径
d
d
接收天线
D
r
r
地面
图 4-3 视线传播
图4-4 无线电中继 5
2020/5/13
14
4.3.2 编码信道模型
编码信道输入是离散的时间信号，输出也是离散 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。用错误概率(转移概率)
来描述编码信道的特性。
二进制编码信道简单模型 － 无记忆信道模型
0
发送端 P(0 / 1)
1
P(0 / 0) P(1 / 0)
信 源 编
码
加 密
信 道 编
码
数
字 调
信道
制
数 字 解 调
信 道 译
码
解
信 源
译 密码
受 信 者
噪声源
调制信道 编码信道
2020/5/13
12
4.3.1 调制信道模型
ei(t)
eo (t) f [ei (t)] n(t)
f [ei(t)]
e0(t)
n(t)
图4-13 调制信道数学模型
式中 ei (t) － 信道输入端信号电压； eo (t)－ 信道输出端的信号电压； n(t) － 噪声电压。
信号传播路径
天波
频率：2 ~ 30 MHz
地面
特点：被电离层反射 一次反射距离：< 4000 km
图 4-2 天波传播
寂静区：电磁波不能达到的区域
2020/5/13
4
4.1 无线信道
视线 频率>30MHz
发射天线
h
电磁波将穿透电离层，
不能被反射回来。
距离：和天线高度有关
h D2 D2 m 8r 50
目前在民用无线电通信中，应用最广的是蜂窝网和卫星 通信
蜂窝网工作在特高频频段，在手机和基站间使用地波 传播；
卫星通信工作在特高频和超高频频段，电磁波传播是 利用视线传播方式。
2020/5/13
8
4.2 有线信道
明线
用于传送电报、电 话、传真等
在通信业务量比较 小的地区，采用明 线线路比较经济。
4.1 无线信道
散射传播
有效散射区域
电离层散射
机理 － 由电离层
地球
不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz
图4-7 对流层散射通信
距离 － 1000 km以上
对流层散射
机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起
频率 － 100MHz ~ 4000 MHz
最大距离 < 600 km
2020/5/13
6
4.1 无线信道
流星余迹散射
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，余迹长度15 ~ 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率 － 30 ~ 100 MHz 距离 － 1000 km以上 特点 － 低速存储、高速突发、断续传输
流星余迹
图4-8 流星余迹散射通信
2020/5/13
7
4.1 无线信道
d
d
td
理想信道的幅频特性、相频特性和群迟延特性曲线如下：
2020/5/13
18
4.4 信道特性对信号传输的影响
n2n1 折射率
结构 纤芯 包层
(a)
n2 n1 折射率
按折射率分
阶跃型
(b)
梯度型
按模式分类
n2n1 折射率
多模光纤
125
7～10
单模光纤 (c)
2020/5/13
单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
11
4.3 信道的数学模型
信道模型分类
调制信道 编码信道
信 息 源
0
0
1
1
发
接
送
收
端
端
2
2
3
3
图4-15 四进制编码信道模型
2020/5/13
16
4.4 信道特性对信号传输的影响
恒参信道
恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道… 恒参信道 非时变线性网络 信号通过线性系统的
分析方法。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特性和相位频率特
性来表征。
理想恒参信道特性
2020/5/13
9
4.2 有线信道
对称电缆：由许多双绞线组成
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
同轴电缆
金属编织网 实心介质
导体
保护层
2020/5/13
图4-10 同轴线
对称电缆在有线电 话网中广泛用于用 户接入电路。
在有线电视广播网 中还较广泛地应用 同轴电缆将信号送 入用户。
10
4.2 有线信道
光纤
P(1 / 1)
0 接收端
1
图4-14 二进制编码信道模型
P(0 /0)和P(1 / 1) － 正确转移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率
P(0 / 0) = 1 – P(1 / 0) P(1 / 1) = 1 – P(0 / 1)
2020/5/13
15
4.3.2 编码信道模型
2020/5/13
1
信道分类： 无线信道 － 电磁波（含光波） 有线信道 － 电线、光纤 信道中的干扰： 有源干扰 － 噪声 无源干扰 － 传输特性不良 本章重点：
介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信 号传输的影响。
2020/5/13
2
4.1 无线信道
无线信道电磁波的频率 － 受天线尺寸限制(天线 的尺寸不小于电磁波波长的1/10)
理想恒参信道就是理想的无失真传输信道，其等效的线 性网络传输特性为
H K0e jtd
其中K0为传输系数，td为时间延迟。
2020/5/13
17
4.4 信道特性对信号传输的影响
H K0e jtd
H K0 td
信道的相频特性通常还采用群迟延-频率特性来衡量，群迟 延-频率特性可以表示为：
通常假设：f [ei (t)] k(t)ei (t) 这时上式变为：
eo (t) k(t)ei (t) n(t) － 信道数学模型
2020/5/13
13
4.3.1 调制信道模型
eo (t) k(t)ei (t) n(t)
因k(t)随t变，故信道称为时变信道。 因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。 因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。 若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。 乘性干扰特点：当没有信号时，没有乘性干扰。