(完整版)通原第4章信道

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通信原理(樊昌信)第4章信道

有线信道
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
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
无线信道
视线传播 line-of-sight
d
频率： > 30 MHz
h
发射
特性：直线传播、穿透电离层天线 r
用途：卫星和外太空通信
传播途径
d
D
接收天线
r
超短波及微波通信
视线传播方式
距离：与天线高度有关
h D2 D2 (m) 8r 50
D 为收发天线间距离(km)
例如设收发天线的架设高度均为40 m，则最远通信距离为：
表有线信道的线路种类、构造、特征和主要用途
线路种类双绞线
同轴电缆光纤
构造
特征
主要用途
便宜、构造简单，
传输频带宽，有漏话现象，容易混入杂音
电话用户线低速LAN
价格稍高，传输
频带宽，漏话感应少，分支、接头容易
CATV分配电缆高速LAN
低损耗，频带宽，国际间主干线
重量轻，直径小，
国内城市间主
对流层：约 0 ~10 km 平流层：约 10~60 km 电离层：约 60~400 km
60 km
10 km 0 km
电磁波的传播方式：
地波 ground- wave
频率： < 2 MHz 特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播

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。

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

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。

【资料】通信原理课件第4章-信道与噪声资料汇编

结论： ●这样信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t) （依赖于网络的特性，只能用随机过程来表示），二是加性干扰n(t)。 ●不同特性的信道，仅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。 ●根据信道中k(t)的特性不同，可以将信道分为：＊恒参信道: k(t)~t 不变或慢变；＊变参信道（随参信道）: k(t)~t 随机快变。
4
第4章信道与噪声
4.2 信道的数学模型
1.调制信道模型
调制信道的范围是从调制器输出端到解调器输入端。（1）定义：传输已调信号的信道。
研究的问题：信道输出信号与输入信号之间的关系。（2）通过对调制信道进行大量的分析研究，发现它们有如下共性 :
● 有一对（或多对）输入端，一对（或多对）输出端; ●绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理； ●信号通过信道需要一定的迟延时间； ●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的功率输出（噪声）。
2020/7/14
通信原理
5
第4章信道与噪声
（3）模型
ei1(t)
时变线
ei(t)
性网络
e0(t)
ei2(t) . .
eim(t)
时变线性网络
e01(t)
e02(t) . . e0n(t)
对于二对端的(信a)道模型来说，其输出与输入( b之) 间的关系式可表示成：
e0(t图) 2- 2f图[e图i(图t)图] 图 n 图(t)
() d() d
H ( ) K
0
() t 0 0
( )
( )
0
t 0
图 a图
图 b图
图 c图
图4-A 图图图图 -图图图 (a)图图 -图图图 (b)图图图图 -图图图图 (c)

精品课件-通信原理(第二版)(黄葆华)-第4章

y(t) kx(t td )
(4-3-1)
式中，k和td均为常数，k是衰减（或放大）系数，td为固定的时延。
第4章信道
对上式进行傅氏变换，得到
Y ( f ) F y(t) F kx(t td ) k X ( f )e j2 ftd
因此，传输特性为
H ( f ) Y ( f ) k e j2 ftd H ( f ) e j( f ) X( f )
第4章信道
调制信道的共性如下： (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，而且它还会受到固定的或时变的损耗。 (4) 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的噪声输出。根据上述共性，我们可以用一个二对端(或多对端)的时变线性网络来表示调制信道，该网络称为调制信道模型，如图4.2.2所示。
P(0 / 0) 1 P(1/ 0)
P(1/1) 1 P(0 /1)
Pe P(0)P(1/ 0) P(1)P(0 /1)
第4章信道
图4.2.3 二进制编码信道模型
第4章信道
4.3 恒参信道特点及其对信号传输的影响
1.无失真传输无失真传输是指信号通过信道后波形形状并未发生改变，即输出信号的波形与输入信号波形相比只是成比例地缩小（或放大）和时间上的延迟。因此，无失真传输时，输入输出信号
(4－3－2)
式(4－3－2)表明，要保证信号通过信道不产生失真，信道传输特性必须具备下列两个条件：
（1）幅频特性为一条水平直线，即|H(f)|=k（常数）。
第4章信道
（2）相频特性是一条通过原点且斜率为2πtd的直线，或者其群时延特性是一条水平直线(常数)。即

通信原理新讲稿第4章信道

23
4.5 信道中的噪声
热噪声来源：来自一切导体中电子的热运动。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)
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）。性质：高斯白噪声
发送xi时收到yj所获得的信息量为
[ -log2P(xi)] - [-log2P(xi /yj)] xi的信息量 - 收到yj后xi的信息量对所有的xi和yj取统计平均值，得到
n
m
n
P(xi ) log 2 P(xi ) [ P( y j ) P(xi / y j ) log 2 P(xi / y j )]
着重分析
18
4.4 信道特性对信号传输的影响
多径效应分析：
发射信号为 Acos0t
接收信号为
第i条路径信号延时
n
n
R(t) i (t)cos0[t i (t)] i (t)cos[0t i (t)]
i1
i1
第i条路径接收信号振幅
n
n
i (t)cosi (t)cos0t i (t)sin i (t)sin 0t
通过线性系统的分析方法。无失真条件：
振幅～频率特性：为水平直线时无失真相位～频率特性：过原点的直线群时延： () d 为常数。
d
17
4.4 信道特性对信号传输的影响
恒参信道对信号传输的影响：频率失真相位失真非线性失真：其他失真：（频率偏移、相位抖动… ）
变参信道对信号传输的影响衰减变化（衰落）、时延变化、多径。
24

《通信原理》第4章

时间:
2学时
一、随参数信道举例
随参信道包括：电离层反射信道；超短波流星余迹散射信道；
超短波电离层散射。
以及超短波视距绕射等传输媒质所分别构
成的调制信道。为了分析随参信道的一般特性，
我们主要介绍短波电离层信道，它是个典点
层名 D 高度(km) 电子密度Ne (电子数/m3) 109 特点出现在太阳升起时，消失在太阳降落后；Ne不足以反射短波，对电波吸收衰减远大于其它层，又称吸收层。白天Ne较大，可以反射频率高于 1.5MHz的电波；夜间Ne很小，对短波传播基本不起作用。
60～90
E
F1
100～120
170～220
5109～1011
41011
白天存在，夜间消失，常出现于夏季。
Ne白天大，夜间降低一个数量级，均足以反射短波电波，对短波传播最为重要，习惯称反射层。
F2
225～450
1011～21012
2.电离层对电波传播的影响
① 电离层对电波的吸收衰减
当电波入射到电离层后，自由电子在电波的作用下作强迫运动，与处于热运动中的其它分子、离子碰撞而损失能量，从而使电波受到衰减，这种现象称之为电离层吸收。
输出端；
（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加原理；（3）信号通过信道具有一定的迟延时间，而且它还会受到（固定的或时变的）损耗；
（4）即使没有信号输入，在信道的输出端仍有
一定的功率输出（噪声）。
e i1 ( t )
ei(t)
时变线性网络
eo1 (t)
时变线性网络
eo (t )
制成的细丝，它主要由纤芯和包层构成。
纤芯包层

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So () C()Si ()
C n(t)
不同的物理信道具有不同的特性C() = 常数（可取1）
加性高斯白噪声信道模型
§4.3.2 编码信道模型模型：可用转移概率来描述。
二进制无记忆编码信道
模型
P(0/0) + P(1/0) = 1
P(1/1) + P(0/1) = 1
d
频率： > 30 MHz
h
发射
特性：直线传播、穿透电离层天线 r
用途：卫星和外太空通信
传播途径
d
D
接收天线
r
超短波及微波通信
视线传播方式
距离：与天线高度有关
D2 D2 h (m)
8r 50
D 为收发天线间距离(km)
例如设收发天线的架设高度均为40 m，则最远通信距离为：
D = 44.7 km
H () Ke jtd
h(t) K (t td )
若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:
so (t) K s(t td )
固定的迟延固定的衰减 —— 这种情况称为无失真传输
3. 失真影响措施幅频失真： H () K
恒参信道
相频失真： td
微波中继（微波接力）卫星中继（静止卫星、移动卫星）平流层通信
微波中继
无线信道
卫星中继
无线信道
地面站
地面站
地球
散射通信
无线信道
有效散射区域
地球
对流层
流星余迹
特性: 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以上用途: 低速存储、高速突发、断续传输
§4.2
有线信道
明线对称电缆同轴电缆光纤
明线
1880年纽约街貌
对称电缆
有线信道
由多对
双绞线组成非屏蔽双绞线(UTP)
（便宜、易弯曲、易安装）
屏蔽双绞线(STP)
（可减少噪声干扰）
同轴电缆
群迟延失真: ( ) td
典型音频电话信道:
恒参信道幅度衰减特性
相频特性
群迟延频率特性
随参信道特性及其对信号传输的影响
指传输特性随时间随机快变的信道。
短波电离层反射信道
衰减随时间变化时延随时间变化多径传播
地波 ground- wave
频率： < 2 MHz 特性：有绕射能力距离：数百或数千米用于：AM广播
天波 sky- wave
频率：2~30 MHz 特性：被电离层反射距离：< 4000 km（一跳）用于：远程、短波通信
无线信道
传播路径地波传播方式
传播路径
天波传播方式
无线信道
视线传播 line-of-sight
2. 无失真传输
H ( ) ~ 幅频特性
( ) ~ 相频特性
H () Ke jtd
H () K
() td
恒参信道
H () K
幅频特性
() td

( )
d ( ) d
td
相频特性
群迟延特性
理想恒参信道的冲激响应:
恒参信道
1970-1974任香港中文大学电子学系教授及讲座教授。1987-1996任香港中文大学校长， 1992当选中央研究院院士。
1996年至今任香港高科桥集团有限公司主席兼行政总裁。
高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造）方面获28项专利。1964年，他提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线。1966年，在标准电话实验室与何克汉共同提出光纤可以用作通信媒介。高锟曾获巴伦坦奖章、利布曼奖、光电子学奖等，被称为“光纤之父”。
多模光纤单模光纤
有线信道
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
高锟（1933～）美国物理学家。 1933年11月4日生于中国上海。 1957年获伦敦大学理学士学位，1965年获博士学位。 1957～1960年任英国国际电话电报公司工程师，1960～1970年任该公司的标准电信实验室主任研究工程师， 1974年为首席科学家，1982年任工程总裁、行政科学家， 1986年任研究事务总裁。
编码器
调制器
发转换器
信道分类
媒质
收转换器
解调器
译码器
信道模型
§4.1
无线信道
地球大气层的结构：
电离层平流层对流层
对流层：约 0 ~10 km 平流层：约 10~60 km 电离层：约 60~400 km
60 km
10 km 0 km
电磁波的传播方式：
正确
错误
Pe P(0)P(1/ 0) P(1)P(0 /1)
四进制
无记忆
编码信道
0
发1 送端
2
3
0
1接收端
2
3
§4.4
恒参/随参信道特性对信号传输的影响
恒参信道特性及其对信号传输的影响
线性时不变系统
特点：传输特性随时间缓变或不变。举例：各种有线信道、卫星信道…
1. 传输特性 H ( ) H ( ) e j( )
有线信道
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
结构：
纤芯包层
按折射率分类：
阶跃型梯度型
按模式分类：
第4章
信道
通信原理（第7版）樊昌信曹丽娜编著
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
概述
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
信道的定义与分类
广义信道：
调制信道 ——研究调制/解调问题编码信道 ——研究编码/译码问题
§4.3
信道数学模型
§4.3.1 调制信道模型
模型：叠加有噪声的线性时变/时不变网络：
共性：
有一对（或多对）输入端和输出端大多数信道都满足线性叠加原理对信号有固定或时变的延迟和损耗无信号输入时，仍可能有输出（噪声）
入出关系：
r(t) s0 (t) n(t) so (t) f [si (t)] c(t) si (t)