1、第四章第四章 信信 道道内容提要：内容提要：研究信道分类、信道模型及信道特性研究信道分类、信道模型及信道特性对信号传输的影响，并介绍信道容量对信号传输的影响，并介绍信道容量等重要概念。等重要概念。24.0 4.0 概概 述述4.1 4.1 无线信道无线信道4.2 4.2 有线信道有线信道4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型4.4 4.4 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 3 信道是通信系统的必不可少的重要组成部分，信道是通信系统的必不可少的重要组成部分，特性对于通信系统的性能有很大的影响。特性对于通信系统的性能有很大的影响。信道和噪声的研究是研究通信问题的基础信道和噪声
2、的研究是研究通信问题的基础研究信道和噪声的目的研究信道和噪声的目的 弄清信道和噪声对信号传输的影响，寻求提高弄清信道和噪声对信号传输的影响，寻求提高 通信有效性与可靠性的方法。通信有效性与可靠性的方法。4.0 4.0 概概 述述 信道中的噪声是不可避免的。噪声损害发送信道中的噪声是不可避免的。噪声损害发送 信号并使接受的信号波形产生失真或使接受信号并使接受的信号波形产生失真或使接受 的数字序列产生错误。的数字序列产生错误。4信道是信号的传输媒质。信道是信号的传输媒质。4.0 4.0 概概 述述v 具体地说，信道是指由有线或无线线路具体地说，信道是指由有线或无线线路 提供的信号通路；提供的信号通
3、路；v 抽象地说，信道是指定的一段频带，它让抽象地说，信道是指定的一段频带，它让 信号通过，同时又给信号以限制和损害。信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。信道的作用是传输信号。信道的定义信道的定义 5v 按照信道的组成分类按照信道的组成分类通信系统模型通信系统模型编码器调制器发射机传输媒质接收机解调器译码器解密器受信者加密器信息源狭义信道狭义信道调制信道调制信道编码信道编码信道 狭义信道和广义信道狭义信道和广义信道4.0 4.0 概概 述述信道的分类信道的分类 6信道的分类信道的分类v 按照输入输出端信号的类型分类按照输入输出端信号的类型分类 连续信道连续信道(模拟信道模
4、拟信道)：输入输出信号为连续输入输出信号为连续(模拟模拟)信号；信号；例如，调制信道为连续信道。例如，调制信道为连续信道。离散信道离散信道(数字信道数字信道)：输入输出信号为离散信号；输入输出信号为离散信号；例如，编码信道为离散信道。例如，编码信道为离散信道。半连续半连续(半离散半离散)信道：信道：输入为连续输入为连续(离散离散)信号，信号，输出为离散输出为离散(连续连续)信号。信号。4.0 4.0 概概 述述 7 有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆；有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆；无线信道：低频、中频、高频等；无线信道：低频、中频、高频等；光纤信道：光纤为传输媒质，光波为载波。光纤信道：
5、光纤为传输媒质，光波为载波。v 按照信道的物理性质分类按照信道的物理性质分类信道的分类4.0 4.0 概概 述述 84.1 4.1 无线信道无线信道无线信道与电磁波无线信道与电磁波v 无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的 传播来实现的。传播来实现的。v 无线电收发信机之间的电磁波传播总是受到地面无线电收发信机之间的电磁波传播总是受到地面 和大气层的影响。和大气层的影响。无线信道电磁波的频率受天线尺寸限制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天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的根据通信距
6、离、频率和位置的不同，电磁波的 传播主要分为地波、天波和视线传播三种。传播主要分为地波、天波和视线传播三种。94.1 4.1 无线信道无线信道电磁波的传播方式电磁波的传播方式传播路径地 面图4-1 地波传播地 面信号传播路径图 4-2 天波传播 频率频率 2 MHz 2 MHz 有绕射能力有绕射能力 距离：数百或数千千米距离：数百或数千千米 频率：频率：2 230 MHz30 MHz 特点：被电离层反射特点：被电离层反射 一次反射距离一次反射距离 4000 km 30 MHz 30 MHz 距离距离:和天线高度有关和天线高度有关ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 4-3 视线传播v 视
7、线传播视线传播4.1 4.1 无线信道无线信道电磁波的传播方式例例 求求 D=50 km时天线高度。时天线高度。50822DrDhm式中，式中，D收发天线间距离收发天线间距离(km)(km)。11v 视线传播视线传播4.1 4.1 无线信道无线信道电磁波的传播方式 增大视线传播距离的其他途径增大视线传播距离的其他途径图4-4 无线电中继 中继通信中继通信 卫星通信：静止、移动卫星卫星通信：静止、移动卫星 平流层通信平流层通信 124.1 4.1 无线信道无线信道4.1 4.1 无线信道无线信道 机理 由电离层不均匀性引起 频率 3060 MHz 距离 1000 km以上电磁波的传播方式v 散射
8、传播散射传播 电离层散射电离层散射 对流层散射对流层散射 机理 由对流层不均匀性引起 频率 1004000 MHz 最大距离 600 kmABCD图4-7 对流层散射通信地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km 134.1 4.1 无线信道无线信道电磁波的传播方式v 散射传播 流星余迹特点：高度80120 km，长度1540 km 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、断续传输流星余迹图4-8 流星余迹散射通信 流星流星余迹散射流星流星余迹散射 14平行而相互绝缘的架空裸线线路。平行而相互绝缘的架空裸线线路。明明
9、线线明线明线对称电缆对称电缆4.2 4.2 有线信道有线信道在同一保护套内有许多对相互在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质；绝缘的双导线的传输媒质；对称电缆对称电缆 优点：传输特性比较稳定；优点：传输特性比较稳定；缺点：传输耗损大。缺点：传输耗损大。优点：传输损耗低优点：传输损耗低 缺点：易受气候和天气的影响，缺点：易受气候和天气的影响，对外界干扰敏感。对外界干扰敏感。v 有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体来有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体来 传输信号。传输信号。15由同轴的两个导体构成，外导体是圆柱形的由同轴的两个导体构成，外导体是圆柱形的空管，内导体是金属线；空管
10、，内导体是金属线；同轴电缆同轴电缆4.2 4.2 有线信道有线信道 优点：传输性能稳定、频率范围宽、容量大；优点：传输性能稳定、频率范围宽、容量大；缺点：不便于安装、敷设。缺点：不便于安装、敷设。16以光导纤维以光导纤维(光纤光纤)为传输媒质、光波为载波的信道。为传输媒质、光波为载波的信道。光纤信道光纤信道4.2 4.2 有线信道有线信道 优点：损耗低、频带宽、重量轻、不怕腐蚀，优点：损耗低、频带宽、重量轻、不怕腐蚀，不受电磁干扰不受电磁干扰；缺点：光纤不便于连接。缺点：光纤不便于连接。17光纤信道光纤信道4.2 4.2 有线信道有线信道 18为了讨论通信系统的性能，对于信道有不同的定义。为了
11、讨论通信系统的性能，对于信道有不同的定义。调制信道调制信道4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型编码信道编码信道 19调制信道模型调制信道模型 具有一对（或多对）输入和输出端；具有一对（或多对）输入和输出端；大部分信道是线性的，即满足叠加原理；大部分信道是线性的，即满足叠加原理；信号经过信道会有延时和损耗信号经过信道会有延时和损耗(固定或时变的固定或时变的)；无输入信号时，在信道的输出端仍有噪声输出。无输入信号时，在信道的输出端仍有噪声输出。v 调制信道的性质调制信道的性质4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型信道的数学模型反映信道的输出和输入的关系。信道的数学模型反映信道的输出和
12、输入的关系。20v 单输入单输出模型单输入单输出模型调制信道模型调制信道模型4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型()()()oie tf e tn t时变线性时变线性网络网络()if e t()ie t()oe t()n t),()()(tetktefii 通常假设：通常假设：).()()()(tntetkteio 信道数学模型：信道数学模型：加性干扰加性干扰乘性干扰乘性干扰 214.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型 因因 k(t)随随 t 变，故信道称为时变信道；变，故信道称为时变信道；)()()()(tntetkteio 因因 k(t)与与ei(t)相乘，故称其为乘性干扰；
13、相乘，故称其为乘性干扰；因因 k(t)作随机变化，故又称信道为作随机变化，故又称信道为随参信道随参信道；若若 k(t)变化很慢或很小，则称信道为变化很慢或很小，则称信道为恒参信道恒参信道；v 单输入单输出模型调制信道模型 22编码信道模型编码信道模型 4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型 调制信道对信号的影响是乘性干扰和加性干扰调制信道对信号的影响是乘性干扰和加性干扰 使信号的波形发生失真。使信号的波形发生失真。编码信道对信号的影响是使传输的序列发生编码信道对信号的影响是使传输的序列发生 变化，即序列中的数字发生错误。变化，即序列中的数字发生错误。v 调制信道模型与编码信道模型之区别调
14、制信道模型与编码信道模型之区别-用错误概率来描述编码信道的特性；用错误概率来描述编码信道的特性；23转移概率矩阵：转移概率矩阵：T=T=()P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/0)(1/0)P P(1/1)(1/1)转移概率矩阵：转移概率矩阵：T T =()P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/0)(1/0)P P(1/1)(1/1)P P(0/1)(0/1)P P(0/3)(0/3)P P(1/2)(1/2)P P(1/3)(1/3)P P(2/0)(2/0)P P(2/1)(2/1)P P(3/0)(3/0)P P(3/1)(3/1)P
15、 P(2/2)(2/2)P P(2/3)(2/3)P P(3/2)(3/2)P P(3/3)(3/3)编码信道模型编码信道模型 编码信道模型可以用数字的转移概率来描述。编码信道模型可以用数字的转移概率来描述。4.3 4.3 信道的数学模型信道的数学模型P P(0/0)(0/0)P P(1/1)(1/1)P P(1/0)(1/0)P P(0/1)(0/1)0 00 01 11 1二进制编码信道模型二进制编码信道模型发发送送端端接接收收端端0 00 01 11 12 22 23 33 3四进制编码信道模型四进制编码信道模型发发送送端端接接收收端端 244.4 4.4 信道特性对信号的影响信道特性对
16、信号的影响恒参信道的影响恒参信道的影响 v 恒参信道恒参信道 非时变线性网络非时变线性网络 信号通过线性系统的分析方法。信号通过线性系统的分析方法。振幅振幅-频率特性曲线是一条水平直线；频率特性曲线是一条水平直线；相位相位-频率特性是一条通过原点的直线频率特性是一条通过原点的直线 或等效地其传输群时延与频率无关，等于常数。或等效地其传输群时延与频率无关，等于常数。恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道v 振幅振幅-频率特性和相位频率特性和相位-频率特性频率特性 无失真传输要求振幅特性与频率无关，即无失真传输要求振幅特性与频率无关，即 254.4 4.4 信道特
17、性对信号的影响信道特性对信号的影响恒参信道的影响 信信 道道h(t)H()()()(thtxty)(tx)()()()(YtyXtx).()()(HXY)(|)(|)(jeHH幅频特性幅频特性相频特性相频特性v 线性系统的幅频特性和相频特性线性系统的幅频特性和相频特性 26.)(dd4.4 4.4 信道特性对信号的影响信道特性对信号的影响恒参信道的影响 v 线性系统中无失真条件：线性系统中无失真条件：,|)(|kH 典型电话信道特性典型电话信道特性 插入损耗和频率的关系表示振幅插入损耗和频率的关系表示振幅-频率特性；频率特性；群延迟和频率的关系表示相位群延迟和频率的关系表示相位-频率特性。频率
18、特性。27v 频率失真频率失真：振幅-频率特性不良引起的 频率失真 波形畸变 码间串扰 解决办法：线性网络补偿非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压4.4 4.4 信道特性对信号的影响信道特性对信号的影响恒参信道的影响 v 相位失真：相位失真：相位-频率特性不良引起的 对语音影响不大，对数字信号影响大 解决办法：同上v 非线性失真：非线性失真：指信道输入和输出信号的振幅不是 直线关系，造成谐波失真；由于信道中的元器件特性不理想造成的。v 其他失真：其他失真：频率偏移、相位抖动 28v 信道的定义及分类信道的定义及分类 无线信道：无线信道：地波地波/天波天波/视线视线/散射传播
19、散射传播 有线信道：有线信道：明线明线/对称电缆对称电缆/同轴电缆同轴电缆/光纤光纤v 信道的数学模型信道的数学模型 连续信道的数学模型连续信道的数学模型 离散信道的数学模型离散信道的数学模型v 恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响 幅频特性及相位特性幅频特性及相位特性 理想信号不失真的要求理想信号不失真的要求本课小结本课小结 P84 P84 思考题思考题 4-3 4-5 4-3 4-5 习题习题 4-14-1作作 业业 29人有了知人有了知识识，就，就会会具具备备各各种种分析能力，分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我所以我们们要勤要勤恳读书恳读书，广泛，广泛阅读阅读，古人古人说说“书书中自有中自有黄黄金屋。金屋。”通通过阅读过阅读科技科技书书籍，我籍，我们们能丰富知能丰富知识识，培培养逻辑养逻辑思思维维能力；能力；通通过阅读过阅读文文学学作品，我作品，我们们能提高文能提高文学鉴赏学鉴赏水平，水平，培培养养文文学学情趣；情趣；通通过阅读报过阅读报刊，我刊，我们们能增能增长见识长见识，扩扩大自己的知大自己的知识识面。面。有有许许多多书书籍籍还还能培能培养养我我们们的道德情操，的道德情操，给给我我们们巨大的精神力量，巨大的精神力量，鼓舞我鼓舞我们们前前进进。30
