通信原理-第四章 信道
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
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ppt课件
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
樊昌信《通信原理》(第7版)章节题库(信 道)【圣才出品】
第4章信道一、选择题恒参信道的相频失真，对模拟通话质量影响（）。
A．很大B．不显著C．显著D．不存在【答案】B【解析】恒参信道的相频失真，对语音信号影响不大，对视频信号影响大。
二、填空题1．根据信道特性参数随时间变化的快慢，可将信道分为______和______信道。
【答案】恒参信道；随参信道【解析】信道特性随时间变化的信道称为随参信道；信道特性基本上不随时间变化，或变化极慢极小的信道称为恒参信道。
2．调制信道分为______和______，短波电离层反射信道属于______信道。
【答案】恒参信道；随参信道；随参【解析】按照调制信道模型，信道可以分为恒参信道和随参信道两类。
短波电离层反射信道的特性随随时间、季节和年份不断变化，故其属于随参信道。
3．理想恒参信道的冲激响应为______。
【答案】h （t ）＝kδ（t －t d ）【解析】理想恒参信道的幅频特性和相频特性为|()|()d H kt ωϕωω=⎧⎨=-⎩故恒参信道的传输函数为()()|()|d j t j H H e ke ωϕωωω-==根据傅里叶变换可知其冲激响应为(t)(t t )d h k δ=-4．调制信道的定义范围从______至______。
【答案】调制器输出端；解调器输入端【解析】调制器输出端至解调器输入端的范围被定义为调制信道。
5．信号在随参信道中传输时，产生频率弥散的主要原因是______。
【答案】多径效应【解析】信号的多径传播造成了信道的时间弥散性，产生了频率选择性衰落。
6．某电离层反射信道的最大多径时延差为30μs，为了避免频率选择性衰落，工程上认为在该信道上传输数字信号的码速率不应超过______Baud。
【答案】11kBaud【解析】信号的相关带宽为根据工程经验信号的带宽为R由于线性数字调制系统的最高频带利用率为1Baud/Hzη==BB故。
7．宽带信号在短波电离层反射信道中传输时，可能遇到的主要衰落类型是______。
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(陈启兴版)第4章课后习题答案
第四章模拟调制4.1学习指导4.1.1要点模拟调制的要点主要包括幅度调制、频率调制和相位调制的工作原理。
1.幅度调制幅度调制是用调制信号去控制载波信号的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。
在时域上，已调信号的振幅随基带信号的规律成正比变化；在频谱结构上，它的频谱是基带信号频谱在频域内的简单平移。
由于这种平移是线性的，因此，振幅调制通常又被称为线性调制。
但是，这里的“线性”并不是已调信号与调制信号之间符合线性变换关系。
事实上，任何调制过程都是一种非线性的变换过程。
幅度调制包括标准调幅（简称调幅）、双边带调幅、单边带调幅和残留边带调幅。
如果调制信号m(t)的直流分量为0，则将其与一个直流量A0相叠加后，再与载波信号相乘，就得到了调幅信号，其时域表达式为stAmttAtmttAM()0()cosc0cosc()cosc(4-1)如果调制信号m(t)的频谱为M(ω)，则调幅信号的频谱为1S()πA()()M()M()(4-2)AM0cccc2调幅信号的频谱包括载波份量和上下两个边带。
上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。
由波形可以看出，当满足条件|m(t)|A0(4-3)时，其包络与调制信号波形相同，因此可以用包络检波法很容易恢复出原始调制信号。
否则，出现“过调幅”现象。
这时用包络检波将发生失真，可以采用其他的解调方法，如同步检波。
调幅信号的一个重要参数是调幅度m，其定义为m A m(t)Am(t)0max0minAm(t)Am(t)0max0min(4-4)AM信号带宽B AM是基带信号最高频率分量f H的两倍。
AM信号可以采用相干解调方法实现解调。
当调幅度不大于1时，也可以采用非相干解调方法，即包络检波，实现解调。
双边带信号的时域表达式为stmttDSB()()cosc(4-5)其中，调制信号m(t)中没有直流分量。
如果调制信号m(t)的频谱为M(ω)，双边带信号的频谱为1S()M()M()(4-6)DSBcc2与AM信号相比，双边带信号中不含载波分量，全部功率都用于传输用用信号，调制效率达到100%。
通信原理仿真作业(第4章)
1 通信原理仿真作业要求：环境：统一使用matlab2012。
代码：注释详细，用图表输出并说明结果。
文档：与代码一起附一份结果分析文档，说明参数对结果的影响并分析原因。
第四章 信道与噪声1. 恒参信道对信号传输的影响信道响应函数为()()|()|j f H f H f e φ-=，输入信号为()()n s nx t a g t nT =-∑，其中1,01,()0,s s t T T g t else ≤<⎧==⎨⎩，用matlab 画出如下情况时的信道输出信号，()H f 可自定义。
● 无失真信道，如()j f H f e π-=● 幅度失真信道，如sin ()j f f H f e fπππ-= ● 相位失真信道，如(1)(1),0(),0j f j f e f H f e f ππ---+⎧≥=⎨<⎩2. 多径信道对单频信号的影响设一个幅度为1，频率为10Hz 的单频信号经过20条路径传输得到的波形及频谱，这20条路径的衰减相同，但时延的大小随时间变化，每径的时延变化规律为正弦型，变化的频率从0－2Hz 随机均匀抽取。
用matlab 进行时、频域的对比分析。
3. 多径信道对数字信号的影响设有一条三径传输的信道31()()i i i s t u b t τ==-∑，其参数如下：1231230.5,0.707,0.5;0,1,2u u u τττ======● 用matlab 画出信道的幅频响应和相频响应；● 设信道输入信号为1,0()(),()10,s n s s n t T b t a g t nT g t T else≤<⎧=-==⎨⎩∑其中，，画出输出信号波形。
● 同相的输入信号，改变s T 后画出波形并比较。
通信原理-带通信号传输原理
(
f
)
1 2
K(
f
)
例如：设带通滤波器的传递函数为：
H BPF ( f )
f fc 2B
f fc 2B
则它等效的低通滤波器的传递函数为：
H LPF ( f )
f 2B
25
线性失真 1. 波形无失真的条件 若输出输入波形之间仅仅是幅度比例和延时常数不同，则
认为输出输入波形之间无失真。
R(t) = Ac |1+ cos(wmt +jm) |,
q
(t
)
=
tg-1
æ ç è
y(t x(t
) )
ö ÷ ø
=
tg-1
æ ç è
0 x(t
)
ö ÷ ø
=
ìï í îï
0, 1800,
x(t) > 0 x(t) < 0
üï ý þï
注意：θ(t)≠φm
一般而论，带通信道的通信系统为：
12
m(t)
g(t) = x(t)+ jy(t) = [5+sin(100pt)]+ j[cos(100pt)]
17
功率计算
定理1：带通波形v(t)的全部平均归一化功率
Pv
v2 (t)
Pv ( f )df
Rv
(0)
1 2
|
g(t)
|2
归一化是指负载为1欧姆。
定义：峰值包络功率（PEP）指|g(t)|在其峰值处保持常数时 得到的平均功率。
27
|H(f)| A
信号带宽
fc
f
(a)幅度响应
fc
f
(b)相位响应
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
分集两字就是分散接收几个合成信号并集中（合并） 处理这些信号的意思。
随参信道特性的改善(续)
合并的方法
r为
合
并
最佳选择（SD）式:从几个分散信号
后
中设法选择其中信噪比最好的一个作
输 出
为接收信号。
有线信道
信道类型
{ 有线信道，如电缆光纤等
狭义信道 无线信道，如中短波、微波信道等
信道
{ 调制信道
恒参信道 随参信道
{ 广义信道 编码信道
有记忆信道 无记忆信道
4.2 广义信道定义
发
信道
调
基带
已调 转
媒
编码 数字 器
制 信号 器
换
质
器
狭义
信道
收
解
信道
转 已调
基带
换 信号
调 数字 器
译码 器
器
调制信道
B
A
B
(d ) B
(a) 一次反射和两次反射； (b) 反射区高度不同； (c) 寻常波与非寻常波； (d) 漫射现象
随参信道的特点
2.信道特点 衰耗时变（快衰落、慢衰落） 时延时变 多径传播
3.多径传播对信号传输的影响 瑞利衰落 频率弥散 频率选择性衰落
多径传播
1. 瑞 利 衰 落
恒参信道（续）
4.实际信道 幅频失真——主要影响模拟信号 相频失真（群迟延失真）——主要影响
数字信号 频率偏移 相位抖动 5.理想低通信道、理想带通信道
恒参信道（续）
幅度-频率失真 幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性
的不理想所引起的， 这种失真属于线性失真。 信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信
Ct
=
MaxR
{ p( x )}
在有噪声的信道上，信息的传输速率是 有限的
例
符号由0、1组成， P(0)=P(1)=1/2，弱 干扰条件： P(0/1)=P(1/0)=0.01 ， P(0/0)=P(1/1)=0.99 ，r=1000符号/秒 组成，求，信道传 输的信息速率。
例题
二进制信源由0、1组成，使用该两符号构成消息。 消息传输速率为每秒1000个符号，且两个符号等概 出现。传输中，平均每128个符号有一个差错。求 传输的信息速率是多少？若传输差错率为1/2，传
相位-频率失真也是属于线性失真。 它对模拟话音传输影响不明显。如 果传输数字信号， 相频失真会引起 码间干扰。
典型电话信道群迟延频率特性
群迟延畸变和幅频畸变都是线性畸变。 均衡措施 恒参信道的这两个特性的不理想，将是损害信号传输特性的 重要因素。
还有非线性畸变、频率偏移及相位抖动等。 非线性畸变一旦产生，均难以消除。在系统设计时要加以重
ϕ0
F2
F1
E D
300 km
A
地球
B
A
电离层结构示意图
F2
地球反射点 B
随参信道（续）
多径
引起多径传播的主要原
因：
（a）电波经电高层的 A
一次反射和多次反射；
(a)
（b）几个反射层高度
不同；
（c）地球磁场引起的
电磁波束分裂成寻常波
与非寻常波；
（d） 电离层不均匀性 A
引起的漫射现象。
(c)
B
A
(b)
o
i
即 C(ω ) = Ke− jωt0
理想信道的幅频特性、 相频特性 和群迟延-频率特性
|C( )| K
()
t0
t0
(a)
(b)
(c)
理想恒参信道对信号传输的影响是：
(1) 对信号在幅度上产生固定的衰减；
(2) 对信号在时间上产生固定的迟延。
这种情况也称信号是无失真传输。
网络的传输特性可用幅度—频率特性及相位—频率特 性来表征
离散信道(编码信道)的信道容量(续)
信源的符号在离散信道种传输，由于噪 声的干扰，发x可能收到y。
设H (x)为信源种各个符号的平均信息 量，H (x/y)为因发x而收y造成的信息量的 损失。则传输过程中每个符号实际承载 的平均信息量为：
n
H
(
x)
−
H
(x
/
y)
=
[−∑
P(x i
)
log 2
2.信道模型
ei(t) Ei(w)
C(w)
eo(t) Eo(w)
n(t)
恒参信道（续）
3.理想信道
ei(t) C(w) Ei(w)
eo(t) Eo(w)
n(t)
当不考虑加性噪声n(t)时，应满足：
eo (t) = K ⋅ ei (t − t0 )
或
E (ω ) = KE ω( ) ⋅ e− jωt0
信
等增益相加（EGC）式:将几个分散
噪 比
信号以相同的支路增益进行直接相
的
加，相加后的信号作为接收信号。
平 均
最大比值相加（MRC）式:使各支路
值
增益分别与本支路的信噪比成正比，
再相加获得接收信号。
k为分集的重数
随参信道特性的改善(续)
瑞克接收可以看成是EGC或MRC，具体
由应用情况而定。
CDMA
第一，多径传 播的结果使确 定的载波信号 变成了包络和 相位受到调制 的窄带信号， 称之为衰落信 号；
第二，从频谱上看，多径传输引 起了频率弥散，(由单个频率变 成了一个窄带频谱)。
多径传播
2.频率选择性衰落
当ω=2n π /τ时 (n为整数)，出现 传播极点；
| ( )|
2
当ω=(2n+1) π /τ时(n为整数) ， 出现传输零点。
间分集、极化分集等
目的——以最小的发射功率得到满足要
求的误码率
随参信道特性的改善(续)
常见的分集方式： 空间分集:在接收端架设几副天线，各天线的位置间
要求有足够的间距，以保证各天线上获得的信号基本 互相独立。
频率分集:用多个不同载频传送同一个消息，如果各 载频的频差相隔比较远各载频信号也基本互不相关。
典型音频电话信道的幅度衰减特性
恒参信道（续）
相位-频率失真
信号频谱中的不同频率分量将有不同的群迟延(它们到达的时 间不一样),从而引起信号的畸变。
理想特性
ϕ (ω )
τ (ω )
理想特性
O
O ω
ω
(a)
(b)
典型电话信道相频特性和群迟延频率特性
(a) 相频特性；
(b) 群迟延频率特性
恒参信道（续）
无线信道
9当电磁波的频率低于2MHz,传播路径为地波传 播，即电磁波沿地表传播
9当电磁波的频率大于2M低于30MHz,传播路径 为天波传播
9当电磁波的频率大于30MHz,传播路径为空间 波传播
地波的传播路径示意
天波的传播路径示意
视距的传播路径示意
无线信道（续）
地球
微波中继示意图
B 地球 A
卫星中继示意图
Ct
=
B log2 (1+
S )
n0 B
=
B log2 (1+
S) N
(b/s)
连续信道(调制信道)的信道容量(续)
说明：
1. 任何信道，要保证无差错传输，都有极
限速率。
2. 保证同样的信道容量，可以调整带宽和
信噪比。信噪比越高，所需带宽越小。
3. 同样信噪比时，适当加大带宽，可以提
高信息速率。但无限增大带宽，不能使
P(1/0)、 P(0/1)是错误转移的概率。
P(0/0)+ P(1/0)=1, P(0/1)+ P(1/1)=1 转移概率完全由编码信道的特性所决定。 一个特定的编码信道，有确定的转移概率。
误码率 Pe = P(0) P(1/0) + P(1) P(0/1)
编码信道模型(续)
典型的简单编码信道的 特点
编码信道
4.3 信道数学模型
一、调制信道模型 二、编码信道模型
一、调制信道模型
模型——时变线性网络
信道
i(t)
线性滤波器 k(t)
+
o(t)
n(t)
eo(t) = f[ei(t) ] + n(t) = k(t) · ei(t) + n(t)
输出
=
乘性干扰 · 输入 + 加性噪声
有些信道的k(t)不随时间变化或变化极为缓慢的,称为恒（定）参 (量)信道; 有些信道的k(t)是随机快变化的,称为随(机)参(量)信道。
视。
二、随参信道
1.信道举例
短波电离层反射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短 波电离层散射信道、超短波超视距绕射信道等
T
d2
a c
hb
d
R b
hm
ht
θo
θ
hr
θ d1 θ
d1
d2
移动信道的传播路径
传输特点：多径
平滑表面反射
随参信道（续）
由于太阳辐射的紫外线和X射线，使离地面60~600 km的大气 层成为电离层。当频率范围为3~30 MHz (波长为10~100m) 的短波(或称为高频)无线电波射入电离层时，由于折射现象会 使电波发生反射，返回地面，从而形成短波电离层反射信道。
电话信道中可能存在各种滤波器、混合线圈、串联电容和分路电感等
典型音频电话信道: 低频端截止频率约在300Hz以下，每
倍频程衰耗升高15－25dB； 在300－1100Hz范围内衰耗比较平坦; 在l100－ 2900Hz之间，衰耗通常是