1、第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日大纲要求大纲要求3.1 信道及其数学模型信道及其数学模型 了解线性、非线性、时不变和时变信了解线性、非线性、时不变和时变信道的定义及其特点。道的定义及其特点。3.2 恒参信道恒参信道3.3恒参信道特性及对信号传播的影响恒参信道特性及对信号传播的影响 掌握各种恒参信道基掌握各种恒参信道基本特性以及对信号传输的影响。本特性以及对信号传输的影响。3.4 随参信道随参信道3.5 随参信道特性及对信号传播的影响随参信道特性及对信号传播的影响 掌握各种随参信
2、道基掌握各种随参信道基本特性以及对信号传输的影响。本特性以及对信号传输的影响。3.6 随参信道的接收对策随参信道的接收对策分集技术分集技术 掌握衰落信道、多径时掌握衰落信道、多径时延、分集接收等基本概念。延、分集接收等基本概念。3.7 信道的加性噪声信道的加性噪声 掌握加性高斯白噪声信道定义的特点。掌握加性高斯白噪声信道定义的特点。信道容量的定义与计算信道容量的定义与计算第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.1 引言引言信道概念：信道概念： 信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通
3、道。信道是信源向信宿发送和传输信息信号的通道。狭义信道：狭义信道： 指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线指信息收发设备之间的传输媒体。如电缆、光纤、无线电波等。电波等。广义信道：广义信道： 不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号不仅包括传输媒体，还包括特定媒体传输所必须的信号变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制变换设备。如编解码器（信源、信道、传输编解码）、调制解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。解调器、光电转换器、放大器、滤波器、中继设备等。信道分类：信道分类： 模拟信道与数字信道、有线信道与无线信道、窄带信道模拟信道与数字信道、有线信道与无
4、线信道、窄带信道与宽带信道等。与宽带信道等。 一个通信系统的传输信道往往不是单一的。一个通信系统的传输信道往往不是单一的。电话线、双绞线、电话线、双绞线、同轴电缆、光纤传同轴电缆、光纤传输信道。输信道。无线电波、红外线等无线电波、红外线等传输信道。传输信道。 根据信号波长（或频率）划分： 长波、中波、短波、超短波、微波等。 根据传播路径（或机理）划分： 视距传播、电离层反射、对流层散射等。典型的模拟信道是典型的模拟信道是调制信道调制信道。典型的数字信道是典型的数字信道是编码信道编码信道。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第
5、八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.2 信道定义（信道定义（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）调制信道调制信道与与编码信道编码信道分别是模拟信道与数字信道的分别是模拟信道与数字信道的典型例子。典型例子。调制器解调器发送转换器接收转换器传输媒体调制信道编码信道自编码器去译码器图图3-1 调制信道与编码信道调制信道与编码信道第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）一一. 调制信道调制信道数学模型数学模型
6、调制信道一般特性：调制信道一般特性：有一对有一对(或多对或多对)输入端和一对输入端和一对(或多对或多对)输出端；输出端；大多数信道都是线性的，即满足叠加原理；大多数信道都是线性的，即满足叠加原理；信号通过信道都有一定时延，受到固定或时变损耗；信号通过信道都有一定时延，受到固定或时变损耗；即使没有输入，往往会有一定的输出即使没有输入，往往会有一定的输出(噪声噪声)。时变时变线性线性系统系统ei(t)eo(t)图图3-2 调制信道调制信道模型模型(二对端网络二对端网络)第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网
7、2022年3月22日线性线性系统系统ei(t)eo(t)3.3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）一一. 调制信道调制信道数学模型数学模型第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.3 信道数学模型信道数学模型 (调制信道调制信道数学模型数学模型)时变时变线性线性系统系统ei(t)eo(t)图图3-2 调制信道调制信道模型模型(二对端网络二对端网络)调制信道调制信道输出输出eo(t)与输入与输入ei(t)关系：关系： eo(t) = f ei(t) +
8、n(t)加性噪声加性噪声时变信道特性影响时变信道特性影响 eo(t) = k(t)ei(t) + n(t)时变信道特性影响常描述为一种干扰：时变信道特性影响常描述为一种干扰：乘性干扰乘性干扰第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.3 信道数学模型信道数学模型 (调制信道调制信道数学模型数学模型)调制信道调制信道(模拟信道模拟信道)对信号对信号(模拟信号模拟信号)传输的影响：传输的影响：衡量衡量调制信道调制信道(模拟信道模拟信道)优劣的标准：优劣的标准：模拟信道模拟信道输出信号输出信
9、号输入信号输入信号噪声噪声n(t)无失真、无畸变无失真、无畸变有失真、有畸变有失真、有畸变有失真、有畸变有失真、有畸变失真原因：失真原因：噪声的影响噪声的影响信道信道(线性系统线性系统)特性不理想特性不理想信道特性时变信道特性时变失真度或畸变度失真度或畸变度信噪比信噪比(输出信号功率与输出噪声功率之比输出信号功率与输出噪声功率之比）或信干比）或信干比有些失真在接收端往往无法察有些失真在接收端往往无法察觉，难以去除。觉，难以去除。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.3 信道数学模
10、型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）二二. 编码信道编码信道数学模型数学模型产生失真、畸变产生失真、畸变判决电平判决电平发送时钟发送时钟判决时钟判决时钟传输信道传输信道输出信号输出信号输入信号输入信号噪声噪声n(t)0 1 0 1 1 0抽样判决抽样判决0 1 0 1 1 0没发生误码没发生误码编码信道编码信道质量优劣的标准是考察接收码元是否会发质量优劣的标准是考察接收码元是否会发生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传生错误。由于信道特性和噪声的影响，也会使得传输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误输信号波形发生失真或畸变，但是失真不一定会误码。误码的概率（码。
11、误码的概率（误码率误码率）与接收波形的失真有关，）与接收波形的失真有关，因此与传输信道输出的因此与传输信道输出的信噪比信噪比有关。有关。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）二二. 编码信道编码信道数学模型数学模型码的码的转移概率转移概率P(i/j)二进制数字编码信道二进制数字编码信道发送码元为发送码元为j，而接收码，而接收码元为元为i的概率。的概率。0101发送端发送端接收端接收端P(0/0)P(1/0)P(
12、1/1)P(0/1)P(0/0)+P(1/0)=1P(0/1)+P(1/1)=1P(0/1)、P(1/0)是是错误接收概率错误接收概率P(0/0)、P(1/1)是是正确接收概率正确接收概率系统的误码率是？系统的误码率是？系统的误码率系统的误码率 Pe=P(0)P(1/0)+ P(1)P(0/1)第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.3 信道数学模型（信道数学模型（调制信道调制信道与与编码信道编码信道）二二. 编码信道编码信道数学模型数学模型M进制数字编码信道进制数字编码信道系统误
13、码率是？系统误码率是？P(0/0)P(1/0)P(M-1/0)P(2/0)P(0/1)P(1/1)P(2/1)P(M-1/1)P(0/2)P(2/2)P(1/2)P(M-1/2)P(0/M-1)P(M-1/M-1)P(1/M-1)P(2/M-1)1010)/()(MiMijjeijPiPP01发发送送端端接接收收端端2M-1012M-1第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.4.1 三种有线电信道三种有线电信道 架空明线架空明线 （如用户电话线）（如
14、用户电话线） 对称电缆对称电缆 （如五类双绞线、中继电话线）（如五类双绞线、中继电话线） 同轴电缆同轴电缆 （如有线电视进户线、中继电话线）（如有线电视进户线、中继电话线）一条电缆中的一条电缆中的线对线对数量数量可以不同，可以不同，线径线径也可不也可不同。同。表表3-6 三种有线电信道的性能三种有线电信道的性能 线路类型线路类型 通话路数通话路数 频率范围频率范围/kHz 增音段长度增音段长度/km 架空明线架空明线 1+3 0.327 300 架空明线架空明线 1+3+12 0.3 150 120 对称电缆对称电缆 24 12 108 35 对称电缆对称电缆 60 12 252 15 小同轴
15、电缆小同轴电缆 300 60 1300 8 小同轴电缆小同轴电缆 960 60 4100 4 中同轴电缆中同轴电缆 1800 3009000 6 中同轴电缆中同轴电缆 2700 30012000 4.5 中同轴电缆中同轴电缆 10800 30060000 1.5第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.4.2 光纤信道光纤信道光源光源光调制器光调制器耦合器耦合器基带处理基带处理基带电信号基带电信号耦合器耦合器光检测器光检测器基带处理基带处理基带电信号基
16、带电信号光纤线路光纤线路发发送送端端接接收收端端图图3-7光纤通信系统光纤通信系统 光纤与光缆光纤与光缆 光波长光波长 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤 光纤的衰耗与色散光纤的衰耗与色散光纤通信的优点光纤通信的优点 无中继传输距离长；无中继传输距离长； 系统频带宽、容量大；系统频带宽、容量大； 具有及强的抗电磁干扰能力。具有及强的抗电磁干扰能力。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.4.3 无线电视距传播信道无线电视距传播信道无线电视距传播无线
17、电视距传播无线电中继信道无线电中继信道第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.4 恒参信道举例恒参信道举例3.4.4 卫星中继信道卫星中继信道卫星中继信道卫星中继信道通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.5 恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响 恒参信道是指信道的特性参数长期不变或变化恒参信道是指信道的特性参
18、数长期不变或变化非常缓慢非常缓慢。前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波前述有线信道（光纤与电缆）、无线电视距传播信道、微波及卫星中继信道都属于恒参信道。及卫星中继信道都属于恒参信道。 恒参信道可以用恒参信道可以用时不变线性系统时不变线性系统来描述。来描述。 恒参信道对信号传输的影响主要表现为：恒参信道对信号传输的影响主要表现为：幅度幅度-频率畸变频率畸变和和相位相位-频率畸变频率畸变。可以认为在一次通信过程中是不变的。可以认为在一次通信过程中是不变的。3.5.1 幅度幅度-频率畸变频率畸变3.5.1 相位相位-频率畸变频率畸变ejHH)()()(相位相位-频率特性频率特性幅度幅
19、度-频率特性频率特性第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6 随参信道举例随参信道举例3.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道 随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。都属于随参信道。在一次通信过程中信道参数不固定。在一次通信过程中信道参数不固定。 短波：短波：指波长在指波长在100m 10m（
20、对应信号载波频率（对应信号载波频率3MHz 30MHz）的无线电波。的无线电波。 电离层：电离层：距离地面高度为距离地面高度为60km 600km的大气层称为电离层。的大气层称为电离层。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日 电离层：电离层：大气层在受到太阳光的照射后，形成一层带电的大气层在受到太阳光的照射后，形成一层带电的空气层，称为电离层。空气层，称为电离层。60公里一直到公里一直到600公里左右。公里左右。 对流层：对流层：对流层是大气层的一个区域，其顶部位于地面上对流层是大气
21、层的一个区域，其顶部位于地面上空十多公里处，并在不同的纬度地区有所不同。空十多公里处，并在不同的纬度地区有所不同。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道1. 传播路径传播路径4000kmDEF1F2反射层反射层吸收层吸收层 电离层：电离层： 各个层次的高度、厚度、电子密度等都会随时间变化。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。一次或多次反射的距离也会发生变化，且与入射角有关。
22、 不同层次（不同层次（F1、F2）的不同高度上都会产生反射。）的不同高度上都会产生反射。地球地球地面高度为地面高度为60km 600km入射角入射角o第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道2. 工作频率工作频率 最高可用频率与电离层的电子密度有关，与入射角有关。最高可用频率与电离层的电子密度有关，与入射角有关。oeooNfMUFsec8.80secmax 关于电离层反射信道的工作频率：关于电离层反射信道的工作频率： 电离层高度、厚度、电
23、子密度是变化的，能够随电离层变电离层高度、厚度、电子密度是变化的，能够随电离层变化调整工作频率、入射角才能满足一定距离下的最佳通信。化调整工作频率、入射角才能满足一定距离下的最佳通信。 夜间夜间F2层电子密度低，须降低工作频率，否则信号会穿层电子密度低，须降低工作频率，否则信号会穿透电离层。透电离层。 夜间夜间D层消失，层消失，E层吸收减小，允许工作频率降低。层吸收减小，允许工作频率降低。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道3. 多径
24、传播多径传播DEF1F2反射层反射层吸收层吸收层 一次反射与两次反射一次反射与两次反射地球地球发送发送接收接收一次反射与两次反射一次反射与两次反射反射高度不同反射高度不同 反射高度不同反射高度不同 漫射现象（电离层不均漫射现象（电离层不均匀）匀） 寻常波与非寻常波（地寻常波与非寻常波（地球磁场）球磁场）第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6.1 短波电离层反射信道短波电离层反射信道4.电离层反射信道特点电离层反射信道特点 优点优点 要求功率小，设备成本低。要求功率小，设备成本低
25、。 传播距离远。传播距离远。 受地形影响小。受地形影响小。 不易受人为破坏。不易受人为破坏。 有一定的带宽或传输容量。有一定的带宽或传输容量。 缺点缺点 干扰电平高。干扰电平高。 存在快衰落和多径时延失真。存在快衰落和多径时延失真。 传输可靠性差。传输可靠性差。 需要经常改换工作频率，导致使用复杂。需要经常改换工作频率，导致使用复杂。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6 随参信道举例随参信道举例3.6.2 对流层散射信道对流层散射信道 随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化
26、的信道。短随参信道是指信道的特性参数随时间快速变化的信道。短波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道波电离层反射信道、对流层散射信道、市区移动通信等信道都属于随参信道。都属于随参信道。 超视距传播信道：超视距传播信道：工作在超短波和微波波段，一跳距离约工作在超短波和微波波段，一跳距离约100km 500km。 对流层对流层：距离地面高度为距离地面高度为10km 12km的大气层称为对流层。的大气层称为对流层。 应用：应用： 长途干线上的无线电中继通信。长途干线上的无线电中继通信。 点对点通信。点对点通信。第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四
27、章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6.2 对流层散射信道对流层散射信道地球地球发送发送接收接收共同照射区的不共同照射区的不均匀散射气团均匀散射气团图图3-17 对流层散射信道传播路径对流层散射信道传播路径1012km以下，单跳距离以下，单跳距离100500km第三章第三章 信信 道道通信原理通信原理内容简介 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章东北大学网2022年3月22日3.6.2 对流层散射信道对流层散射信道主要特征主要特征 衰落衰落： 慢衰落慢衰落 夏夏冬冬 午午早晚早晚 快衰落快衰落 多径多径 传播损耗传播损耗： 自由空间能量扩散损耗自由空间能量扩散损耗 散射损耗散射损耗 多径传播多径传播： 多径传播引起信号的多径传播引起信号的时散时散，限制信道的带宽及传输频率。，限制信道的带宽及传输频率。 天线与媒体间的耦合损耗天线与媒体间的耦合损耗： 天线在自由空间的理论增益与在对流层散射信道上测得天线在自由空间的理论增益与在对流层散射信道上测得实际增益之差。实际增益之差。发送发送接收接收
