各种类型信道
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第二节
三、同轴电缆：
《通信原理（一）》CAI
有线信道
同轴电缆由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。
第三节
输 入
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
输 出
编 码 器
调 制 器
编码信道
调制信道 编码信道
调制信道 质
发 转 换 器
媒
收 转 换 器
解 调 器
译 码 器
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。
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
有线信道
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。 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。 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。
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
第四章 信道
信道的数学模型
加性噪声n(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。
ei(t)
k(t )
＋
eo(t)=f[ei(t)]+n(t)
信道
调制信道模型
n (t)
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
如果了解 k t 、nt 的特性，信道对信号的影响就 能搞清楚。
图4-8 流星余迹散射通信
第四章 信道
第二节
一、明线：
明线是指平行而相互绝缘的 架空裸线线路。 与电缆相比，它的优点是传 输损耗低。 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。
《通信原理（一）》CAI
有线信道
第四章 信道
第二节
二、对称电缆：
《通信原理（一）》CAI
(dB/km)
频率(GHz) (b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
第四章 信道
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
传播路径 地 面
二、电磁波的分类与传输原理：
地波
频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 频率：2 ~ 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：< 4000 km 寂静区：电磁波不能到达的区域
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
二端口调制信道模型输出与输入的关系：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)
ei t ~ 输入的已调信号， e0 t ~信道输出波形，
f ei t ～表示信道对信号的影响（变换）的某种函数关系。
nt ~信道噪声 (加性干扰)
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
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
( ) t0
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。
线性失真）。
衰减特性在 300~3000
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
典型音频电话信道的幅度衰减特性
号传输。
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
1.幅度—频率畸变:
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
图4-1 地波传播
天波
信号传播路径
地面
图 4-2 天波传播
第四章 信道
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
传播途径
二、电磁波的分类与传输原理：
视线传播：
d
发射天线
h
d D
接收天线
频率 > 30 MHz 距离: 和天线高度有关
D2 D2 h 8r 50
r
r
地面
m
(4.1-3)
第四章 信道
4.1 无线信道
4.2 有线信道 4.3 信道的数学模型
《通信原理（一）》CAI
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 信道
《通信原理（一）》CAI
信息源 发送端
发送设备
信道
接收设备 接收端
受信者
噪声源
通信系统的一般模型
第四章 信道
《通信原理（一）》CAI
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
道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，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 信道
第三节
二、编码信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
P(0)和P(1)分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率，
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
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
可用二对端（或多对端）的时变线性网络去代替调制信道。 二对端网络 多对端网络
ei t
时变 线性 网络
eo t
ei1 t
时变 线性 网络
e01 t
eim t
（m对输入）
e0 n t
n对输出
第四章 信道
k t ~ 对 ei t 的一种乘性干扰。 可以写成： e0 t k t ei t nt
信道对信号的影响有两点
通常该函数关系可写成 k t ei t
乘性干扰k(t) 加性干扰n(t)
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
第四章 信道
第三节
二、编码信道模型
P(0) 0 P(1/0) P(0/1) P(1) 1 P(1/1) 1
xM － 1
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
0
｛ X｝ x0 x1 ｛ Y｝ y0 y1
P(0/0)
…
…
y N－ 1
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
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
理想情况下恒参信道特性：
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
xt
H （ ）
ytKxtt0
信号经过信道不失真的要求是： y (t ) kx(t t0 ) 输入信号是单位冲击函数时： h(t ) k (t t0 ) 此时信道特性： H ( ) k (t t0 )e j t dt
t
w
K 0 ω
| H ( ) | k
H ( ) | H ( ) | e j ( ) ke j t0
H(ω ) = k
w
( ) t0
φ (ω )
= －ω t
0
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
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
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
二、电磁波的分类与传输原理：
散射传播 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 对流层散射 机理:由对流层不均匀性（湍流）引起 频率:100 ~ 4000MHz 最大距离 < 600 km
地球
有效散射区域
金属编织网 实心介质 导体 保护层
图4-10 同轴线
第四章 信道
第二节
四、光纤：
结构 纤芯 包层 按折射率分类 阶跃型 梯度型 按模式分类 多模光纤 单模光纤
《通信原理（一）》CAI
有线信道
n2 n1 折射率 (a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
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
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- P（1/0） P（1/1）=1- P（0/1）
7～10
(c)
单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
第四章 信道
第二节
四、光纤： 损耗与波长关系
《通信原理（一）》CAI
有线信道
损耗最小点：1.31与1.55
m
1.31 m
1.55 m
0.7
0.9
1.1 1.3 光波波长（m）
1.5
1.7
图4-12光纤损耗与波长的关系
第四章 信道
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Biblioteka Baidu) 。
k t 对信号影响 固定, 缓慢 k t 乘性干扰 k t 对信号的影响 随机快变化 恒参信道 有线信道 随参信道 移动信道
第四章 信道
第三节
二、编码信道模型
《通信原理（一）》CAI
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
图4-7 对流层散射通信
第四章 信道
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
二、电磁波的分类与传输原理：
散射传播 流星余迹散射 流星余迹特点:高度80～120km，长度15～40km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率:30～100 MHz 距离:1000 km以上 流星余迹 特点:低速存储、高速突发、断续传输
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
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。 特征： （1） 有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； （2） 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理； （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； （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）。
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
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。
三、同轴电缆：
《通信原理（一）》CAI
有线信道
同轴电缆由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。
第三节
输 入
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
输 出
编 码 器
调 制 器
编码信道
调制信道 编码信道
调制信道 质
发 转 换 器
媒
收 转 换 器
解 调 器
译 码 器
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。
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
有线信道
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。 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。 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。
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
第四章 信道
信道的数学模型
加性噪声n(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。
ei(t)
k(t )
＋
eo(t)=f[ei(t)]+n(t)
信道
调制信道模型
n (t)
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
如果了解 k t 、nt 的特性，信道对信号的影响就 能搞清楚。
图4-8 流星余迹散射通信
第四章 信道
第二节
一、明线：
明线是指平行而相互绝缘的 架空裸线线路。 与电缆相比，它的优点是传 输损耗低。 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。
《通信原理（一）》CAI
有线信道
第四章 信道
第二节
二、对称电缆：
《通信原理（一）》CAI
(dB/km)
频率(GHz) (b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
第四章 信道
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
传播路径 地 面
二、电磁波的分类与传输原理：
地波
频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 频率：2 ~ 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：< 4000 km 寂静区：电磁波不能到达的区域
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
二端口调制信道模型输出与输入的关系：eo(t)=f[ei(t)]+n(t)
ei t ~ 输入的已调信号， e0 t ~信道输出波形，
f ei t ～表示信道对信号的影响（变换）的某种函数关系。
nt ~信道噪声 (加性干扰)
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
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
( ) t0
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。
线性失真）。
衰减特性在 300~3000
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
典型音频电话信道的幅度衰减特性
号传输。
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
1.幅度—频率畸变:
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
图4-1 地波传播
天波
信号传播路径
地面
图 4-2 天波传播
第四章 信道
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
传播途径
二、电磁波的分类与传输原理：
视线传播：
d
发射天线
h
d D
接收天线
频率 > 30 MHz 距离: 和天线高度有关
D2 D2 h 8r 50
r
r
地面
m
(4.1-3)
第四章 信道
4.1 无线信道
4.2 有线信道 4.3 信道的数学模型
《通信原理（一）》CAI
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 信道
《通信原理（一）》CAI
信息源 发送端
发送设备
信道
接收设备 接收端
受信者
噪声源
通信系统的一般模型
第四章 信道
《通信原理（一）》CAI
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
道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时间信号，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 信道
第三节
二、编码信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
P(0)和P(1)分别是发送“0”符号和“1”符号的先验概率，
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
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
可用二对端（或多对端）的时变线性网络去代替调制信道。 二对端网络 多对端网络
ei t
时变 线性 网络
eo t
ei1 t
时变 线性 网络
e01 t
eim t
（m对输入）
e0 n t
n对输出
第四章 信道
k t ~ 对 ei t 的一种乘性干扰。 可以写成： e0 t k t ei t nt
信道对信号的影响有两点
通常该函数关系可写成 k t ei t
乘性干扰k(t) 加性干扰n(t)
第四章 信道
第三节
一、调制信道模型
《通信原理（一）》CAI
第四章 信道
第三节
二、编码信道模型
P(0) 0 P(1/0) P(0/1) P(1) 1 P(1/1) 1
xM － 1
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
0
｛ X｝ x0 x1 ｛ Y｝ y0 y1
P(0/0)
…
…
y N－ 1
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
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
理想情况下恒参信道特性：
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
xt
H （ ）
ytKxtt0
信号经过信道不失真的要求是： y (t ) kx(t t0 ) 输入信号是单位冲击函数时： h(t ) k (t t0 ) 此时信道特性： H ( ) k (t t0 )e j t dt
t
w
K 0 ω
| H ( ) | k
H ( ) | H ( ) | e j ( ) ke j t0
H(ω ) = k
w
( ) t0
φ (ω )
= －ω t
0
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
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
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
二、电磁波的分类与传输原理：
散射传播 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 对流层散射 机理:由对流层不均匀性（湍流）引起 频率:100 ~ 4000MHz 最大距离 < 600 km
地球
有效散射区域
金属编织网 实心介质 导体 保护层
图4-10 同轴线
第四章 信道
第二节
四、光纤：
结构 纤芯 包层 按折射率分类 阶跃型 梯度型 按模式分类 多模光纤 单模光纤
《通信原理（一）》CAI
有线信道
n2 n1 折射率 (a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
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
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- P（1/0） P（1/1）=1- P（0/1）
7～10
(c)
单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
第四章 信道
第二节
四、光纤： 损耗与波长关系
《通信原理（一）》CAI
有线信道
损耗最小点：1.31与1.55
m
1.31 m
1.55 m
0.7
0.9
1.1 1.3 光波波长（m）
1.5
1.7
图4-12光纤损耗与波长的关系
第四章 信道
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Biblioteka Baidu) 。
k t 对信号影响 固定, 缓慢 k t 乘性干扰 k t 对信号的影响 随机快变化 恒参信道 有线信道 随参信道 移动信道
第四章 信道
第三节
二、编码信道模型
《通信原理（一）》CAI
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
图4-7 对流层散射通信
第四章 信道
第一节
《通信原理（一）》CAI
无线信道
二、电磁波的分类与传输原理：
散射传播 流星余迹散射 流星余迹特点:高度80～120km，长度15～40km 存留时间：小于1秒至几分钟 频率:30～100 MHz 距离:1000 km以上 流星余迹 特点:低速存储、高速突发、断续传输
《通信原理（一）》CAI
信道的数学模型
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。 特征： （1） 有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端； （2） 绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理； （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； （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）。
第四章 信道
第四节
一、恒参信道对信号传输的影响
《通信原理（一）》CAI
信道特性及对信号传输的影响
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。