第3章 信道
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第3章信道与信道容量32
j i j
普通高等教育“十五”国家级规划教材《信息论与编码》 曹雪虹等编著
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3.2离散单个符号信道及其容量
信道容量
C＝ max I ( X ; Y )
p ( ai )
= max[ H (Y ) − H (Y | X )]
p ( ai ) p ( ai )
= max H (Y ) − H (Y / X )
第3章信道与信道容量
3.1信道分类和表示参数 3.2离散单个符号信道及其容量
离散无记忆信道：对称、准对称
3.4连续信道及其容量
普通高等教育“十五”国家级规划教材《信息论与编码》 曹雪虹等编著
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3.1信道分类和表示参数
信道分类
用户数量：单用户、多用户 输入端和输出端关系：无反馈、有反馈 信道参数与时间的关系：固参、时变参 噪声种类： 随机差错、突发差错 输入输出特点：离散、连续、半离散半 连续、波形信道
• 信道种类
1 无干扰信道 2 有干扰无记忆信道 3 有干扰有记忆信道
普通高等教育“十五”国家级规划教材《信息论与编码》 曹雪虹等编著 3
信道参数
无干扰（无噪声）信道
1, y = f (x) p ( Y / X) = 0, y ≠ f (x)
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3.2离散单个符号信道及其容量
•
输入对称
∑ p(b j / ai ) log p(b j / ai )与i无关
j
H (Y / X ) = −∑ p(ai )∑ p(b j / ai ) log p(b j / ai ) = −∑ p(b j / ai ) log p (b j / ai ) = H (Y / xi )
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3.2离散单个符号信道及其容量
信道容量
C＝ max I ( X ; Y )
p ( ai )
= max[ H (Y ) − H (Y | X )]
p ( ai ) p ( ai )
= max H (Y ) − H (Y / X )
第3章信道与信道容量
3.1信道分类和表示参数 3.2离散单个符号信道及其容量
离散无记忆信道：对称、准对称
3.4连续信道及其容量
普通高等教育“十五”国家级规划教材《信息论与编码》 曹雪虹等编著
1
3.1信道分类和表示参数
信道分类
用户数量：单用户、多用户 输入端和输出端关系：无反馈、有反馈 信道参数与时间的关系：固参、时变参 噪声种类： 随机差错、突发差错 输入输出特点：离散、连续、半离散半 连续、波形信道
• 信道种类
1 无干扰信道 2 有干扰无记忆信道 3 有干扰有记忆信道
普通高等教育“十五”国家级规划教材《信息论与编码》 曹雪虹等编著 3
信道参数
无干扰（无噪声）信道
1, y = f (x) p ( Y / X) = 0, y ≠ f (x)
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3.2离散单个符号信道及其容量
•
输入对称
∑ p(b j / ai ) log p(b j / ai )与i无关
j
H (Y / X ) = −∑ p(ai )∑ p(b j / ai ) log p(b j / ai ) = −∑ p(b j / ai ) log p (b j / ai ) = H (Y / xi )
课件：第三章信道及其容量
第三章 信道及其容量
1
研究信道的目的是研究信道能传输的最大信息量， 即信道的最大传输能力。 1、如何描述在信道中传输的消息的信息量大小—— 平均互信息/信息传输率 2、信道的最大信息传输率是多少？——信道容量/ 传信能力
2
第三章 信道及其容量
3.1 信道的数学模型与分类 3.2 信道疑义度与平均互信息 3.3 离散无记忆的扩展信道 3.4 离散信道的信道容量 3.5 连续信道的信道容量 3.6 信源与信道的匹配 3.7 信道编码定理
效地折合成信道干扰，看成是由一个噪声源产生的，它将作用 于所传输的信号上。 a) 加性干扰：它是由外界原因产生的随机干扰，它与信道的
输入信号统计无关，因而信道的输出是输入和干扰的叠加。 【主要研究的干扰】 b) 乘性干扰：信道的输出信号可看成输入信号和某些随机参 量相乘的结果。
16
(6)根据信道有无记忆特性将信道分为： 无记忆信道 输出仅与当前输入有关，而与过去的输入和输 出无关。 有记忆信道 输出不仅与当前输入有关，而且与过去的输入 和输出有关。 本章的讨论基于无记忆、恒参、单用户离散信道，它是
|
x)
1 0
y f (x) y f (x)
其典型信道如下图所示：
22
(2)有干扰无记忆信道
该信道为实际常用信道，信道中存在干扰。 信道输入和输出符号之间不存在确定的对应关系，接收到Y后 不能完全消除对X的不确定性。信道输入和输出间的条件概率是一 般的概率分布。 信道任一时刻的输出符号只统计依赖于对应时刻的输入符号， 则这种信道称为无记忆信道，其条件概率满N 足
p(y | x) p(Y1, ,YN | X1, , XN )
条件概率p( y | x) 称为信道的传递概率或转移概率。 信道的数学模型可以用数学符号表示为：
1
研究信道的目的是研究信道能传输的最大信息量， 即信道的最大传输能力。 1、如何描述在信道中传输的消息的信息量大小—— 平均互信息/信息传输率 2、信道的最大信息传输率是多少？——信道容量/ 传信能力
2
第三章 信道及其容量
3.1 信道的数学模型与分类 3.2 信道疑义度与平均互信息 3.3 离散无记忆的扩展信道 3.4 离散信道的信道容量 3.5 连续信道的信道容量 3.6 信源与信道的匹配 3.7 信道编码定理
效地折合成信道干扰，看成是由一个噪声源产生的，它将作用 于所传输的信号上。 a) 加性干扰：它是由外界原因产生的随机干扰，它与信道的
输入信号统计无关，因而信道的输出是输入和干扰的叠加。 【主要研究的干扰】 b) 乘性干扰：信道的输出信号可看成输入信号和某些随机参 量相乘的结果。
16
(6)根据信道有无记忆特性将信道分为： 无记忆信道 输出仅与当前输入有关，而与过去的输入和输 出无关。 有记忆信道 输出不仅与当前输入有关，而且与过去的输入 和输出有关。 本章的讨论基于无记忆、恒参、单用户离散信道，它是
|
x)
1 0
y f (x) y f (x)
其典型信道如下图所示：
22
(2)有干扰无记忆信道
该信道为实际常用信道，信道中存在干扰。 信道输入和输出符号之间不存在确定的对应关系，接收到Y后 不能完全消除对X的不确定性。信道输入和输出间的条件概率是一 般的概率分布。 信道任一时刻的输出符号只统计依赖于对应时刻的输入符号， 则这种信道称为无记忆信道，其条件概率满N 足
p(y | x) p(Y1, ,YN | X1, , XN )
条件概率p( y | x) 称为信道的传递概率或转移概率。 信道的数学模型可以用数学符号表示为：
现代通讯原理第三单元
频率范围 /MHz
1~100
信号衰减 高
电磁干扰 一般
STP电缆 1~150
高
小
同轴电缆 1~1000
低
小
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3.1.2微波中继信道
微波频段的频率范围一般在几百兆赫至几十吉 赫，其传输特点是在自由空间沿视距传输。由 于受地形和天线高度的限制，两点间的传输距 离一般为30~50 km，当进行长距离通信时，需 要在中间建立多个中继站图
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2
第3章 信道
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。
要求：注重了解各种实际信道的特点， 掌握信道的数学模型，简单运用信道容 量公式解决实际问题。
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3
第3章的主要内容
通信原理
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1
第3章 信道
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。
说明：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。 它与发送设备、接收设备一起组成通信系统。 没有信道，通信就无法进行；信道的好坏直接 影响通信的质量。因此，有必要研究信道，根 据信道的特点，正确地选用信道，合理地设计 收发信设备，使通信系统达到最佳。
n
ai (t) cos wc[t i (t)]
i 1
式中， ai(t)为从第i条路径到达接收端的信号振幅，τi(t)为第 i条路径的传输时延。传输时延可以转换为相位的形式， 即源自r(t)= n式中
i1 ai (t) cφoi(st[)w=c-(ωt)cτi(t)(t)]
第3章 离散信道概述
求： 1. 联合概率: p(xi yj)= p(xi)p(yj| xi)= p(yj)p(xi | yj) i=1,2,…,r；j=1,2,…,s
16
2. 输出符号概率: p( y j ) p( xi y j ) p( xi ) p( y j | xi )
i 1 i 1
1.离散单符号信道的数学模型 r r
问题：在什么条件下，通过信道的信息量最大，即
信道容量的问题。
3
信道的主要研究内容： 信道的分类和建模（信道的统计特性描述） √
信道传输信息的能力（信道容量） √
在有噪信道中能否实现可靠传输？怎样实现可靠 传输？
4
信道分类
按输入/输出信号的幅度和时间特性划分：
幅度 时间
信道分类名称
离散 离散 离散信道/数字信道（例如：数字电话） 连续 离散 连续信道 连续 连续 模拟信道/波形信道（例如：普通电话） 离散 连续 （理论和实用价值均很小）
5
信道分类
根据输入、输出信号的时间特性和取值特性，可以 将信号划分为：
◦
◦
离散信道：指输入输出随机变量均为离散的信道 连续信道：指输入输出随机变量均为离散的信道
Y y2
ys
i 1, 2,..., r ; j 1, 2,..., s
满足： （1）0≤ p(yj|xi) ≤ 1 (i=1,2,…,r；j=1,2,…,s) （2）
p( y
j 1
s
j
| xi ) 1
(i=1,2,…,r)
11
1.离散单符号信道的数学模型
信道传递概率可以用信道矩阵来表示：
PY PX PY | X
17
1.离散单符号信道的数学模型
16
2. 输出符号概率: p( y j ) p( xi y j ) p( xi ) p( y j | xi )
i 1 i 1
1.离散单符号信道的数学模型 r r
问题：在什么条件下，通过信道的信息量最大，即
信道容量的问题。
3
信道的主要研究内容： 信道的分类和建模（信道的统计特性描述） √
信道传输信息的能力（信道容量） √
在有噪信道中能否实现可靠传输？怎样实现可靠 传输？
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信道分类
按输入/输出信号的幅度和时间特性划分：
幅度 时间
信道分类名称
离散 离散 离散信道/数字信道（例如：数字电话） 连续 离散 连续信道 连续 连续 模拟信道/波形信道（例如：普通电话） 离散 连续 （理论和实用价值均很小）
5
信道分类
根据输入、输出信号的时间特性和取值特性，可以 将信号划分为：
◦
◦
离散信道：指输入输出随机变量均为离散的信道 连续信道：指输入输出随机变量均为离散的信道
Y y2
ys
i 1, 2,..., r ; j 1, 2,..., s
满足： （1）0≤ p(yj|xi) ≤ 1 (i=1,2,…,r；j=1,2,…,s) （2）
p( y
j 1
s
j
| xi ) 1
(i=1,2,…,r)
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1.离散单符号信道的数学模型
信道传递概率可以用信道矩阵来表示：
PY PX PY | X
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1.离散单符号信道的数学模型
信息论-第3章+信道的数学数学模型及分类
给定信源概率分布 P( x)
信道传递概率不同，平均互信息量不同 一定存在一种信道，使平均互信息量最小(0)
第3章 离散信道 及其信息容量
3.1 信道的数学模型及分类 3.2 平均互信息及平均条件互信息 3.3 平均互信息的特性
3.4 信道容量及其一般计算方法 3.5 离散无记忆扩展信道及其信道容量 3.6 独立并联信道及其信道容量 3.7 串联信道的互信息和数据处理定理 3.8 信源与信道的匹配
单用户（两端）信道
一个输入端、一个输出端 必须是单向通信 例：对讲机
多用户（多端）信道
输入输出至少有一端有两个以上用户 可以是双向通信 例：计算机网络
3.1.1 信道的分类 —— 按输入输出的关联分
无反馈信道
输出端无信号反馈到输入端 例：无线电广播
反馈信道
3.4.1 离散无噪信道的信道容量 —— 无损（有噪）信道
H(X)
H(X Y)：损失熵
信道
I ( X ;Y )
H (Y )
H(Y X ) ：噪声熵
H (X Y ) 0 ,H (YX ) 0
I(X ;Y ) H (X ) H ( Y )
C m { I ( X a ;Y )x } m { H ( X a ) x } lo r g
传递矩阵：
b1
b2
bs
a1 P(b1 a1) P(b2 a1) P(bs a1)
a2 P(b1 a2) P(b2 a2) P(bs a2)
ar P(b1 ar ) P(b2 ar ) P(bs ar )
3.2.1 信道疑义度 —— 先验熵
信源
X
信道
信道传递概率不同，平均互信息量不同 一定存在一种信道，使平均互信息量最小(0)
第3章 离散信道 及其信息容量
3.1 信道的数学模型及分类 3.2 平均互信息及平均条件互信息 3.3 平均互信息的特性
3.4 信道容量及其一般计算方法 3.5 离散无记忆扩展信道及其信道容量 3.6 独立并联信道及其信道容量 3.7 串联信道的互信息和数据处理定理 3.8 信源与信道的匹配
单用户（两端）信道
一个输入端、一个输出端 必须是单向通信 例：对讲机
多用户（多端）信道
输入输出至少有一端有两个以上用户 可以是双向通信 例：计算机网络
3.1.1 信道的分类 —— 按输入输出的关联分
无反馈信道
输出端无信号反馈到输入端 例：无线电广播
反馈信道
3.4.1 离散无噪信道的信道容量 —— 无损（有噪）信道
H(X)
H(X Y)：损失熵
信道
I ( X ;Y )
H (Y )
H(Y X ) ：噪声熵
H (X Y ) 0 ,H (YX ) 0
I(X ;Y ) H (X ) H ( Y )
C m { I ( X a ;Y )x } m { H ( X a ) x } lo r g
传递矩阵：
b1
b2
bs
a1 P(b1 a1) P(b2 a1) P(bs a1)
a2 P(b1 a2) P(b2 a2) P(bs a2)
ar P(b1 ar ) P(b2 ar ) P(bs ar )
3.2.1 信道疑义度 —— 先验熵
信源
X
信道
第3章1 信道的定义与分类
卫星微波
物理特性：中继站、相对静止、同步卫星、匹 物理特性：中继站、相对静止、同步卫星、 配高度： 配高度：35784km. 传输特性：频率范围： 传输特性：频率范围：1GHz-10GHz。 。 4/6GHz频段：上行：5.925-6.425GHz 频段： 频段 上行： 下行： 下行：3.7-4.2GHz（饱和） （饱和） 12/14GHz频段：上行：14-14.5GHz 频段： 频段 上行： 下行： 下行：11.7-12.2GHz 应用：电视转播、远程电话传输、 应用：电视转播、远程电话传输、企业网络
对称电缆 典型应用：通信电缆 每条电缆中有数十甚至上百个线对，用它们 接电话或者信号，根据颜色的不同，可以区 分它们的顺序。 国际标准： 正：白红黑黄紫 负：兰橙绿棕灰
微波频谱： 高度定向射束。 微波频谱：2GHz-40GHz,高度定向射束。 高度定向射束 分为：地面微波、卫星微波。 分为：地面微波、卫星微波。 红外线频谱： 封闭区域。 红外线频谱：300-20000GHz,封闭区域。 封闭区域
光电转换器
光纤的连接方式
连接头并插入光纤插座：损耗 连接头并插入光纤插座：损耗10%到 到 20%的光 的光 机械方法接合：套管钳起来， 机械方法接合：套管钳起来，光的损失 大约为10% 大约为 融合：有一点衰减(用专门的工具 用专门的工具) 融合：有一点衰减 用专门的工具
光纤的类型
单模光纤：轴心直径较细, 约 5~10 微米, 单模光纤：轴心直径较细 微米 传输距离长，散射率小，传输性能极佳。 传输距离长，散射率小，传输性能极佳。 多模光纤 轴心直径较宽,约 多模光纤：轴心直径较宽 约50~100 微 传输距离短 米,传输距离短, 传输性能略差。 传输距离
第三章
信道
信息论基础第3章离散信道及其信道容量
也就是说，通过信息处理后，一般只会增加信息的 损失，最多保持原来获得的信息，不可能比原来获得的 信息有所增加。一旦失掉了信息，用任何处理手段也不 可能再恢复丢失的信息，因此也称为信息不增性原理。
《信息论基础》
3.6 多符号离散信道及其信道容量
【例】求图所示的二元无记忆离散对称信道的二次 扩展信道的信道容量。
【例】 已知两个独立的随机变量 X、Y 的分布律如下。
X P(x)
a1 0.5
a2 0.5
,
Y P( y)
b1 0.25
b2 b3 0.25 0.5
计算 H X , H Y , H XY , H X |Y , H Y | X , I X ;Y 。
《信息论基础》
3.4 信道容量的定义
I (ai ) 减去已知事件 bj 后对 ai 仍然存在的不确定性 I (ai | bj ) ，实际就是事件
bj 出现给出关于事件 ai 的信息量。
【例】 甲在一个16 16 的方格棋盘上随意放一枚棋
子，在乙看来棋子放入哪一个位置是不确定的。如果甲 告知乙棋子放入棋盘的行号，这时乙获得了多少信息 量？
《信息论基础》
第3章 离散信道及其信道容量
通信系统的基本功能是实现信息的传递，信道是信息 传递的通道，是信号传输的媒质。一般而言，信源发出的 消息，必须以适合于信道传输的信号形式经过信道的传输， 才能被信宿接收。
从信源的角度看，信源发出的每个符号承载的平均信 息量由信源熵来定量描述；而从信宿的角度看，信宿收到 的每个符号平均能提供多少信息量由平均互信息来定量描 述。在信息论中，信道问题主要研究在什么条件下，信道 能够可靠传输的信息量最大，即信道容量问题。
《信息论基础》
3.7 信源与信道的匹配
《信息论基础》
3.6 多符号离散信道及其信道容量
【例】求图所示的二元无记忆离散对称信道的二次 扩展信道的信道容量。
【例】 已知两个独立的随机变量 X、Y 的分布律如下。
X P(x)
a1 0.5
a2 0.5
,
Y P( y)
b1 0.25
b2 b3 0.25 0.5
计算 H X , H Y , H XY , H X |Y , H Y | X , I X ;Y 。
《信息论基础》
3.4 信道容量的定义
I (ai ) 减去已知事件 bj 后对 ai 仍然存在的不确定性 I (ai | bj ) ，实际就是事件
bj 出现给出关于事件 ai 的信息量。
【例】 甲在一个16 16 的方格棋盘上随意放一枚棋
子，在乙看来棋子放入哪一个位置是不确定的。如果甲 告知乙棋子放入棋盘的行号，这时乙获得了多少信息 量？
《信息论基础》
第3章 离散信道及其信道容量
通信系统的基本功能是实现信息的传递，信道是信息 传递的通道，是信号传输的媒质。一般而言，信源发出的 消息，必须以适合于信道传输的信号形式经过信道的传输， 才能被信宿接收。
从信源的角度看，信源发出的每个符号承载的平均信 息量由信源熵来定量描述；而从信宿的角度看，信宿收到 的每个符号平均能提供多少信息量由平均互信息来定量描 述。在信息论中，信道问题主要研究在什么条件下，信道 能够可靠传输的信息量最大，即信道容量问题。
《信息论基础》
3.7 信源与信道的匹配
第三章 信道
d ( ) ( ) d
（3-1）
) 群延迟频率特性； ( ) ——相频特性。 式中 (—— 理想的相频特性和群延迟特性为线性关系，如图3-2所 示。
( ) K
0
( )
K
0
图 3－2
理想的相频特性和群延迟-频率特性
但实际的信道特性总是偏离线性关系，例如典型 的音频电话信道的群延迟特性如图3-3所示，可以看出， 当不同的音频信号通过该信道时，不同的频率分量将 有不同的群延迟，即它们到达受信端的时间不一致， 从而引起信号的畸变， ( ) / ms 其过程可以由图 3-4 说明。 1.0 2 通过信道后，原信号的基 波相移为，三次谐波的相 移为，则其合成波形与原 信号的波形出现了明显的 f / KHz 0 1.6 差异，这个差异就是由于 群延迟- 频率特性不理想而 图 3－3 典型音频话音信道的 群延迟-频率特性 造成的。
（3-4）
式中， H ( x) ——发送的每个符号的平均信息量； H ( x / y) ——发出符号在有噪信道中平均丢失的信息 量。
4．离散信道的信道容量 信道传输信息的最大速率称之为信道容量C，即
C max R max [ H t ( x) H t ( x / y )
{ P ( x )} { P ( x )}
[例3-2]某一待传输的图片约含2.25106个像元。为 了很好地重现图片需要12个亮度电平。假设所有这些亮 度电平等概率出现，试计算用 3 分钟传送一张图片时所 需的信道带宽（设信道中信噪比为30dB）。
（ 1 ）频率选择性衰落依赖于相对时延差。多径传 播的相对时延差（简称多径时延差）通常用最大多径时 延差表征，则
f 1/ m (3 1)
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3.2-1 架空明线
2、对称电缆：是在同一保护套内有许多对相互绝缘的双导线 的传输媒质。
通常有两种类型：非屏蔽（UTP）和屏蔽（STP）。导线 材料是铝或铜， 直径为0.4~1.4 mm。
为了减小各线对之间的相互干扰，每一对线都拧成扭绞 状，如图 3.2-2所示。 由于这些结构上的特点， 故电缆的传输 损耗比较大， 但其传输特性比较稳定，并且价格便宜、安装 容易。
图 3.3 – 2 调制信道模型
二端口的调制信道模型， 其输出与输入的关系有
e0 (t) f [ei (t)] n(t)
(3.3 - 1)
式中，ei(t)为输入的 已调信号； eo(t)为信道 总的输出；n(t)为加性
噪声(或称加性干扰），
n(t)与ei(t)不发生依赖关
系，或者说， n(t)独立
图 3 .1-1 电离层结构示意图
由于太阳辐射的变化，电离层的密度和厚度也随时间随机 变化，因此短波电离层反射信道也是随参信道。
在白天，由于太阳辐射强，所以D （距地面60-80km）、E （100-120km) 、F1 （150-200km)和F2四层都存在。 在夜晚，由于 太阳辐射减弱，D层和F1层几乎完全消失，因此只有E层和F2层 存在。
60 km
电离层 平流层
对流层
10 km
地面
0 km
3.短波电离层的传播路径
短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离 层， 或电离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信 道。
离地面60~400 km的大气层称为电离层。
电离层由分子、原子、离子及自由电子组成，形成的原因 是由于太阳辐射的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离。
2、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
3、流星余迹散射:由于流星经过大气层时产生很强的
电离余迹使电磁波散射的现象.
流星余迹
图3.1-8 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
n2 n1 折射率
光纤
(a)
结构 纤芯
n2 n1 折射率
包层 (b)
按折射率分类
阶跃型 梯度型
n2 n1 折射率
125
按模式分类 7～10 多模光纤 (c)
单模光纤
单模阶跃折射率光纤
图3.2-5 光纤结构示意图
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
1.3
（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） 信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；
（4） 信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；
（5） 即使没有信号输入， 在信道的输出端仍可能有一定的 输出（噪声）。
3、调制信道模型
根据以上几条性质，调制信道可以用一个二端口(或多 端口)线性时变网络来表示，这个网络便称为调制信道模型， 如图 3.3 - 2 所示。
信道功能是将信号从发送端传送到接收端。 信道可分为狭义信道和广义信道。
如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭 义信道。
如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的 一些转换装置，这种信道称为广义信道。
狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无 线信道பைடு நூலகம்类。
有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。 无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波 或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信 道等。 狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效 果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。因 此，在研究信道的一般特性时， “传输媒质”仍是讨论 的重点。 今后，为了叙述方便，常把广义信道简称为信道。
作业
思考题（自作）： P84 4-2,4-3,4-4
习
题 ： P84 4-1
3.2 有 线 信 道
◆ 传输电信号的有线信道 ◆ 光纤信道
一、传输电信号的有 线信道
1、明线：平行架设在 电线竿上的架空线 路。它是导电裸线 或带绝缘层的导线。
明线传输损耗低， 但易受天气和环境 的影响，对外界噪 声干扰较敏感，很 难沿一条路径架设 大量的成对线路。 现逐渐淘汰。
图 3.2-3(a)所示。
绝缘 体
塑料 外皮
外层导体（屏蔽层） 内层导体
同轴电缆由同轴的两个导体(a)构成，外导体芯是一个圆柱形的
导体，内导体是芯金属线，它们之间填充着介质1。
四芯
1
四芯
芯
芯
组
线
B
A
4
2
实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰
具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆抗电磁干扰性能较好。
图 3.1-4 视线传播
➢ 中继通信：
➢ 卫星通信：静止卫星、
移动卫星
图3.1-5 无线电中继
➢ 平流层通信：利用位于平流层的高空平台电台代替卫星作为 基站的通信。
三、电离层和大气层对于传播的影响
电离层对于传播的影 响
反射
衰 减
(dB/km)
水蒸气
氧 气
散射
大气层对于传播的影 响
散射
吸收
码
加 密
信 道 编
码
数 字 调
制
信道
数 字 解 调
信 道 译
码
解 密
信 源 译
码
受 信 者
噪声源
调制信道
编码信道
图 3.3 –1 调制信道和编码信道
调制信道是指从调制器的输出端到解调器的输入端所包 含的发转换装置、 媒质和收转换装置三部分。
当研究调制与解调问题时，我们所关心的是调制器输出 的信号形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并不关 心信号的中间变换过程。因此，定义调制信道对于研究调制与 解调问题是方便和恰当的。
解调 电信号
图3.2-4 光纤信道的一般组成
光纤信道由光源，光纤线路及光电探测等三个基本部分组 成。
光源是光载波的发生器，目前，广泛应用半导体发光二极 管(LED)或激光二极管(LD)做光源。光纤线路可能是一根或多 根光纤。在接收端是一个直接检波式的光探测器，常用PIN光 电二极管或雪崩二极管来实现光强度的检测。
在有线电视网络中大量采用这种绝缘体结构的同轴电缆。
为了增大容量，也可以将几根同轴电缆封装在一个大
的保护套内，构成多芯同轴电缆，另外还可以装入一些二芯
绞线对或四芯线组，塑作料外皮为传外层导输体（屏控蔽层）制内层信导体号用。
(a) 芯
芯 1
四芯 1
组
B
芯
四芯
线 A
芯
芯
4
2
芯
2 3
芯
芯
1
芯
6
2
芯
芯
5
芯
3
4
二、无线信道的电磁波
1、在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 －为了有效地发射和接收电磁波，要求天
线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。---频率不能太低!
2、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
根据应用情况不同，在光纤线路中可能设有中继器（也可 不设）。中继器有两种类型：直接中继器和间接中继器。
直接中继器就是光放大器，它直接将光信号放大以补偿光 纤的传输损耗，以便延长传输距离；
间接中继器就是将光信号先解调为电信号，经放大或再生 处理后，再调制到光载波上，利用光纤继续进行传输。
在数字光纤信道中，为了减少失真及防止噪声的积累，每隔 一定距离需要加入再生中继器。
图 3.3 – 3 调制信道数学模型
于ei(t) 。
f[ei(t)]中的“f”表示网络对输入信号产生影响的某种函数。
显 然 ， 只 要 “ f” 不 满 足 无 失 真 传 输 条 件 （ 即 满 足 失 真 传 输 条
件），网络就会使ei(t)发生畸变。作为数学上的一种简洁，不妨 令f[ei(t)]=k(t). ei(t)。其中， k(t)依赖于网络特性，它对ei(t)来说 是一种乘性干扰。因此，式（3.3-1)可以写成：
发射天线
h
距离: 和天线高度有关(r=6370km)
d D
传播途径 接收天线
D2 D2
h
m
8r 50
(3.1-3)
r
r
地面
式中，D – 收发天线间距离(km)。 [例] 若要求D = 50 km，则由式(3.1-3)
D2 D2 502 h 50 m
8r 50 50
增大视线传播距离的其他途径
图 3.2-3
芯
芯
1
芯
8
2
芯
芯
7
3
芯
芯
6
芯
4
5 (b)
同轴电缆结构图
二.光纤信道
以光纤纤维（简称光纤）为传输媒质，光波为载波的光纤 信道，可望提供极大的传输容量。
光纤信道的简化框图如下3.2-4所示。
基基
光
带带
调
电 信 号
处 理
制 器
光
光
纤
探
线测
路
器
基
基
带
带
处 理
电 信 号
调制 电信号
光
源
已调 光信号
通信原理
第3 章信道
3.1 无线信道 3.2 有线信道 3.3 信道的数学模型 3.4 信道特性对信号传输的影响 3.5 信道中的噪声和信道容量