第3章-信道
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（使信道特性在信号频带范围内平坦）
3.3.3
相频失真
相频特性偏离线性关系将使信号产生相频失真; 群时延特性不是常数将使信号发生群时延失真。
对语音影响不大，对数字信号影响大
解决办法：相位均衡 其他失真： 非线性畸变、频率偏移、相位抖动…
第2-25页
25
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
【例3.1】两个恒参信道的等效模型分别如下图 （a)和(b)所示，试求它们的幅频特性和群时延特 性，并分析信号通过信道传输时会产生哪些失真。
(b)多对端调制信道模型
第2-14页
14
3.2 广义信道
对于二端模型，
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 ) ：信道中的噪声电压。
则： eo (t ) f [ei (t )] n(t ) f [ei (t )] 表示信道对输入信号 e ( t ) 的某种函数关系 i 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 )
乘性干扰特点：没有输入信号就没有乘性干扰。
加性干扰特点：没有输入信号仍会有加性干扰。
第2-16页
16
3.2 广义信道
3.2.2 编码信道
编码信道的模型可以用数字信号的转移概率来描述。 下图为二进制无记忆编码信道模型：
0
P (0 / 0)
0
发 信 端 1
P (1
/0
)
P(
1) / 0
收 信 端 1
P (1 / 1)
n
改写成：
n i 1
i 1
i 1
R(t ) i (t )cos i ( t )cos 0 t i ( t )sin i ( t )sin 0 t
i 1
n
R( t ) X c ( t )cos 0 t
缓慢随机变化振幅
X s ( t )sin 0 t
缓慢随机变化振幅
第2-27页
27
3.4 随参信道及其对信号传输的影响
3.4.1
设
多径衰落和频率弥散
发射信号为 A cos 0t 接收信号为
R( t ) i ( t )cos 0 [t i ( t )] i ( t )cos[0 t i ( t )]
i 1 i 1 n n
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 ~ 4000 MHz 最大距离 － < 600 km
第2-10页
3.1 狭义信道
– 流星余迹散射
流星余迹
流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，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
式中 i ( t ) ：由第i条路径到达的接收信号振幅；
i (t ) ：由第i条路径到达的信号时延；
i (t ) 0 i (t )
i (t ), i (t ), i (t ) 都是随机变化的。
第2-28页
28
3.4 随参信道及其对信号传输的影响
应用三角公式可以将式
n
R(t ) i (t )cos 0 [t i (t )] i ( t )cos[0 t i (t )]
第2-22页
22
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
当恒参信道的幅频特性为常数、相频特性是一条过原点
的直线或群时延特性为常数时可以实现无失真传输。
恒参信道对所传信号的影响：
幅频失真－信道的幅频特性在信号频带范围内不是常数。 相频失真－信道的相频特性在信号频带范围内不是 的 线性函数。
群时延失真－群时延特性在信号频带范围内不是常数。
信道对信号的两方面影响： 乘性干扰 k ( t ) 的影响； 加性干扰 n( t ) 的影响。
第2-15页
15
3.2 广义信道
因k(t)随时间t变化，故信道称为时变信道。 若k(t)不随时间变化或变化极为缓慢，称信道为 恒参信道。
若k(t)随时间随机快变化，则称信道为随参信道。
60 km 对流层 10 km 0 km 第2-7页 地 面 电离层
平流层
3.1 狭义信道
• 地波传播 – 频率： < 2 MHz – 特点:沿地球表面传播 – 有绕射能力 – 距离：数百或数千千米
传播路径 地 面
地波传播
• 天波传播 – 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
信道
{
狭义信道
广义信道
{ {
有线信道 无线信道
调制信道 编码信道
恒参信道 随参信道 无记忆信道 有记忆信道
第2-19页
19
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道… 恒参信道 线性时不变网络 信号通过线性 系统的分析方法。 恒参信道模型：
x(t )
第2-13页
13
3.2 广义信道
调制信道模型：
一个二对端（或多对端）的时变线性网络，如下图所示。
ei1 (t )
ei (t )
时变线性网络
eo (t )
ei 2 (t )
eim (t )
（m对输入）
时 变 线 性 网 络
eo1 (t )
eo 2 (t )
eon (t )
（n对输出）
(a)二对端调制信道模型
第2-29页
－ 接收信号的相位
29
3.4 随参信道及其对信号传输的影响
所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化 的窄带信号，其波形和频谱如下图所示。
m(t )
R(t )
包络恒定
包络恒定随机缓变
0 0
t
频率近似为 (b) 接收信号的波形
t
单一频率 (a) 发射信号的波形
f0
f0
M(f )
PR ( f )
损耗(dB) 20 15 10 5 0 1 2 3 4 频率(kHz) 4 3 2 1 0 1 2 3 4 频率(kHz) 群时延(ms)
(a) 损耗-频率特性
(b) 群时延-频率特性
第2-24页
24
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
幅频失真：波形畸变， 码间串扰（数字信号）
解决办法：线性网络补偿
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。
第2-3页
3
3.1 狭义信道
定义：
连接发送端设备和接收端设备的传输媒质。
分类：
有线信道：对称电缆、同轴电缆、光纤及波导。
无线信道：利用电磁波在空间中的传播来传输信号，常
见的有地波传播、天波传播、视距传播、散射传播等。
R1 R2
(a) (b)
R
C
第2-26页
26
3.4 随参信道及其对信号传输的影响
随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。
随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播… 随参信道的特性：
衰减随时间变化
时延随时间变化 多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每 条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存 在多径传播现象。
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)
第2-17页
17
3.2 广义信道
四进制无记忆编码信道模型
0
P (0 / 0)
P (3
/0
)
P(2
V ( t )cos[0 t ( t )]
上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这 两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。 式中
V (t ) X c2 ( t ) X s2 ( t ) － 接收信号的包络
X s (t ) X c (t )
(t ) arctan
f0
0
(c) 发射信号的频谱
f0
f
f0
0
(d) 接收信号的频谱
f0
f
第2-30页
30
3.4 随参信道及其对信号传输的影响
结论：
从波形上看，多径传播使单一频率的余弦信号变成了包络和相 位随机缓变的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使
信号产生了瑞利型衰落。
从频谱上看，多径传播使单一频率变成了窄带频谱，即多径传播 引起了频率弥散现象。
P (1 /
/ 0)
0
0)
1
P (0 /
1)
发 信 端
2
P (3
/ 1)
P / (0
P(2 /
2)
P (1 / 1)
1) 2)
P பைடு நூலகம்1
P(2 /
1
P (1 /
P (2 / 2)
收 信 端
2
P (3 /
2)
/ 3)
3)
P(
3
3) / 0
P (3 / 3)
3
第2-18页
18
3.2 广义信道
信道的分类
(a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
(c)
单模阶跃折射率光纤
7～10
光纤结构示意图 第2-6页
6
3.1 狭义信道 2、无线信道
– 无线信道电磁波的频率 － 受天线尺寸限制 – 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
线性时不变网络
H ( )
H ( ) 一般是复数，可以表示为
y (t )
H ( ) H ( ) e j ( )
系统的幅频特性： H ( ) ~
20
第2-20页
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
相频特性： ( ) ~ 群时延特性：
( )
d ( ) d
第2-11页
3.2 广义信道
广义信道的的分类及模型：
调制信道 编码信道
编码器输出
调 制 器
发 转 换 器
传 输 媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译码器输入
调制信道
编码信道
第2-12页
12
3.2 广义信道 3.2.1 调制信道
对调制信道大量考察之后，发现它有如下的共性： 有一对（或多对）输入端，则必然有一对（或多 对）输出端； 绝大部分的信道是线性的，即满足叠加原理； 信号通过信道需要一定的传输延时； 信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）； 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定功 率的噪声输出。
通信原理
第2-1页
第三章
1 2 3
信道与噪声
3.1 狭义信道 3.2 广义信道
3.3 恒参信道对所传信号的影响
4
5 6
3.4
随参信道对所传信号的影响
3.5 信道噪声 3.6 信道容量
第2-2页
第三章
信道分类：
信道与噪声
狭义信道：仅指传输媒质。 广义信道：除了包括传输媒质外，还可以包 含有关的发送和接收设备。
3.3.1
无失真传输条件
y(t ) Kx(t td )
无失真传输定义：信号经过理想信道传输后，波形 没有发生失真（畸变），仅有固定的时延。即 对上式两端同时求傅里叶变换，可得
H (） = Y ( ) Ke j td X ( )
21
第2-21页
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
h(t ) K (t td )
23
无失真传输的时域条件：
第2-23页
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
3.3.2 幅频失真
由实际信道幅度-频率特性不理想引起的，表现为在 信号的频率范围内，信道对信号的不同频率衰耗不同。 电话信道的幅度-频率特性总是不理想的，下图(a)
示出了典型电话信道的幅频衰减特性。
信号传播路径
地面
天波传播
第2-8页
3.1 狭义信道
• 视距传播（直线波传播）：
– 频率 ：> 30 MHz – 距离: 和天线高度有关
发射天线
h
传播途径
d D r
d
接收天线
r
h
D D 8r 50
2
2
地面
m
式中，D – 收发天线间距离(km)。
视距传播
视距中继传播
第2-9页
3.1 狭义信道
• 散射传播 散射传播分为电离层散射、对流层散射和流星余迹散射 – 电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起
第2-4页
4
3.1 狭义信道 1、有线信道
– 对称电缆：由许多对双绞线组成
导体 绝缘层
双绞线
– 同轴电缆
网状屏蔽层 绝缘层
中 心 铜 线
塑胶封套
同轴电缆
第2-5页
5
3.1 狭义信道
n2 n1 折射率
– 光纤
• 结构 – 纤芯 – 包层 • 按折射率分类 – 阶跃型 – 渐变型 • 按模式分类 – 多模光纤 – 单模光纤
无失真传输系统应满足的频域条件： 幅频特性： 相频特性：
H ( ) K （常数）
( ) td
d ( ) t（常数） 群时延特性： ( ) d d
H ( )
( )
( )
K
td
(a) 幅频特性
td
0
0 (b) 相频特性
0 (c) 群时延特性
3.3.3
相频失真
相频特性偏离线性关系将使信号产生相频失真; 群时延特性不是常数将使信号发生群时延失真。
对语音影响不大，对数字信号影响大
解决办法：相位均衡 其他失真： 非线性畸变、频率偏移、相位抖动…
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3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
【例3.1】两个恒参信道的等效模型分别如下图 （a)和(b)所示，试求它们的幅频特性和群时延特 性，并分析信号通过信道传输时会产生哪些失真。
(b)多对端调制信道模型
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3.2 广义信道
对于二端模型，
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 ) ：信道中的噪声电压。
则： eo (t ) f [ei (t )] n(t ) f [ei (t )] 表示信道对输入信号 e ( t ) 的某种函数关系 i 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 )
乘性干扰特点：没有输入信号就没有乘性干扰。
加性干扰特点：没有输入信号仍会有加性干扰。
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3.2 广义信道
3.2.2 编码信道
编码信道的模型可以用数字信号的转移概率来描述。 下图为二进制无记忆编码信道模型：
0
P (0 / 0)
0
发 信 端 1
P (1
/0
)
P(
1) / 0
收 信 端 1
P (1 / 1)
n
改写成：
n i 1
i 1
i 1
R(t ) i (t )cos i ( t )cos 0 t i ( t )sin i ( t )sin 0 t
i 1
n
R( t ) X c ( t )cos 0 t
缓慢随机变化振幅
X s ( t )sin 0 t
缓慢随机变化振幅
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3.4 随参信道及其对信号传输的影响
3.4.1
设
多径衰落和频率弥散
发射信号为 A cos 0t 接收信号为
R( t ) i ( t )cos 0 [t i ( t )] i ( t )cos[0 t i ( t )]
i 1 i 1 n n
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 ~ 4000 MHz 最大距离 － < 600 km
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3.1 狭义信道
– 流星余迹散射
流星余迹
流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，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
式中 i ( t ) ：由第i条路径到达的接收信号振幅；
i (t ) ：由第i条路径到达的信号时延；
i (t ) 0 i (t )
i (t ), i (t ), i (t ) 都是随机变化的。
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3.4 随参信道及其对信号传输的影响
应用三角公式可以将式
n
R(t ) i (t )cos 0 [t i (t )] i ( t )cos[0 t i (t )]
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3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
当恒参信道的幅频特性为常数、相频特性是一条过原点
的直线或群时延特性为常数时可以实现无失真传输。
恒参信道对所传信号的影响：
幅频失真－信道的幅频特性在信号频带范围内不是常数。 相频失真－信道的相频特性在信号频带范围内不是 的 线性函数。
群时延失真－群时延特性在信号频带范围内不是常数。
信道对信号的两方面影响： 乘性干扰 k ( t ) 的影响； 加性干扰 n( t ) 的影响。
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3.2 广义信道
因k(t)随时间t变化，故信道称为时变信道。 若k(t)不随时间变化或变化极为缓慢，称信道为 恒参信道。
若k(t)随时间随机快变化，则称信道为随参信道。
60 km 对流层 10 km 0 km 第2-7页 地 面 电离层
平流层
3.1 狭义信道
• 地波传播 – 频率： < 2 MHz – 特点:沿地球表面传播 – 有绕射能力 – 距离：数百或数千千米
传播路径 地 面
地波传播
• 天波传播 – 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
信道
{
狭义信道
广义信道
{ {
有线信道 无线信道
调制信道 编码信道
恒参信道 随参信道 无记忆信道 有记忆信道
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3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道… 恒参信道 线性时不变网络 信号通过线性 系统的分析方法。 恒参信道模型：
x(t )
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3.2 广义信道
调制信道模型：
一个二对端（或多对端）的时变线性网络，如下图所示。
ei1 (t )
ei (t )
时变线性网络
eo (t )
ei 2 (t )
eim (t )
（m对输入）
时 变 线 性 网 络
eo1 (t )
eo 2 (t )
eon (t )
（n对输出）
(a)二对端调制信道模型
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－ 接收信号的相位
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3.4 随参信道及其对信号传输的影响
所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化 的窄带信号，其波形和频谱如下图所示。
m(t )
R(t )
包络恒定
包络恒定随机缓变
0 0
t
频率近似为 (b) 接收信号的波形
t
单一频率 (a) 发射信号的波形
f0
f0
M(f )
PR ( f )
损耗(dB) 20 15 10 5 0 1 2 3 4 频率(kHz) 4 3 2 1 0 1 2 3 4 频率(kHz) 群时延(ms)
(a) 损耗-频率特性
(b) 群时延-频率特性
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3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
幅频失真：波形畸变， 码间串扰（数字信号）
解决办法：线性网络补偿
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。
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3
3.1 狭义信道
定义：
连接发送端设备和接收端设备的传输媒质。
分类：
有线信道：对称电缆、同轴电缆、光纤及波导。
无线信道：利用电磁波在空间中的传播来传输信号，常
见的有地波传播、天波传播、视距传播、散射传播等。
R1 R2
(a) (b)
R
C
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3.4 随参信道及其对信号传输的影响
随参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。
随参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播… 随参信道的特性：
衰减随时间变化
时延随时间变化 多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每 条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存 在多径传播现象。
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)
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3.2 广义信道
四进制无记忆编码信道模型
0
P (0 / 0)
P (3
/0
)
P(2
V ( t )cos[0 t ( t )]
上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这 两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。 式中
V (t ) X c2 ( t ) X s2 ( t ) － 接收信号的包络
X s (t ) X c (t )
(t ) arctan
f0
0
(c) 发射信号的频谱
f0
f
f0
0
(d) 接收信号的频谱
f0
f
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30
3.4 随参信道及其对信号传输的影响
结论：
从波形上看，多径传播使单一频率的余弦信号变成了包络和相 位随机缓变的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使
信号产生了瑞利型衰落。
从频谱上看，多径传播使单一频率变成了窄带频谱，即多径传播 引起了频率弥散现象。
P (1 /
/ 0)
0
0)
1
P (0 /
1)
发 信 端
2
P (3
/ 1)
P / (0
P(2 /
2)
P (1 / 1)
1) 2)
P பைடு நூலகம்1
P(2 /
1
P (1 /
P (2 / 2)
收 信 端
2
P (3 /
2)
/ 3)
3)
P(
3
3) / 0
P (3 / 3)
3
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3.2 广义信道
信道的分类
(a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
(c)
单模阶跃折射率光纤
7～10
光纤结构示意图 第2-6页
6
3.1 狭义信道 2、无线信道
– 无线信道电磁波的频率 － 受天线尺寸限制 – 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
线性时不变网络
H ( )
H ( ) 一般是复数，可以表示为
y (t )
H ( ) H ( ) e j ( )
系统的幅频特性： H ( ) ~
20
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3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
相频特性： ( ) ~ 群时延特性：
( )
d ( ) d
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3.2 广义信道
广义信道的的分类及模型：
调制信道 编码信道
编码器输出
调 制 器
发 转 换 器
传 输 媒 质
收 转 换 器
解 调 器
译码器输入
调制信道
编码信道
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3.2 广义信道 3.2.1 调制信道
对调制信道大量考察之后，发现它有如下的共性： 有一对（或多对）输入端，则必然有一对（或多 对）输出端； 绝大部分的信道是线性的，即满足叠加原理； 信号通过信道需要一定的传输延时； 信道对信号有损耗（固定损耗或时变损耗）； 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定功 率的噪声输出。
通信原理
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第三章
1 2 3
信道与噪声
3.1 狭义信道 3.2 广义信道
3.3 恒参信道对所传信号的影响
4
5 6
3.4
随参信道对所传信号的影响
3.5 信道噪声 3.6 信道容量
第2-2页
第三章
信道分类：
信道与噪声
狭义信道：仅指传输媒质。 广义信道：除了包括传输媒质外，还可以包 含有关的发送和接收设备。
3.3.1
无失真传输条件
y(t ) Kx(t td )
无失真传输定义：信号经过理想信道传输后，波形 没有发生失真（畸变），仅有固定的时延。即 对上式两端同时求傅里叶变换，可得
H (） = Y ( ) Ke j td X ( )
21
第2-21页
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
h(t ) K (t td )
23
无失真传输的时域条件：
第2-23页
3.3 恒参信道及其对信号传输的影响
3.3.2 幅频失真
由实际信道幅度-频率特性不理想引起的，表现为在 信号的频率范围内，信道对信号的不同频率衰耗不同。 电话信道的幅度-频率特性总是不理想的，下图(a)
示出了典型电话信道的幅频衰减特性。
信号传播路径
地面
天波传播
第2-8页
3.1 狭义信道
• 视距传播（直线波传播）：
– 频率 ：> 30 MHz – 距离: 和天线高度有关
发射天线
h
传播途径
d D r
d
接收天线
r
h
D D 8r 50
2
2
地面
m
式中，D – 收发天线间距离(km)。
视距传播
视距中继传播
第2-9页
3.1 狭义信道
• 散射传播 散射传播分为电离层散射、对流层散射和流星余迹散射 – 电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起
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4
3.1 狭义信道 1、有线信道
– 对称电缆：由许多对双绞线组成
导体 绝缘层
双绞线
– 同轴电缆
网状屏蔽层 绝缘层
中 心 铜 线
塑胶封套
同轴电缆
第2-5页
5
3.1 狭义信道
n2 n1 折射率
– 光纤
• 结构 – 纤芯 – 包层 • 按折射率分类 – 阶跃型 – 渐变型 • 按模式分类 – 多模光纤 – 单模光纤
无失真传输系统应满足的频域条件： 幅频特性： 相频特性：
H ( ) K （常数）
( ) td
d ( ) t（常数） 群时延特性： ( ) d d
H ( )
( )
( )
K
td
(a) 幅频特性
td
0
0 (b) 相频特性
0 (c) 群时延特性