信道及信道容量
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信道和信道容量
I ( X ;Y )
9
信道容量的计算
• 对于一般信道,信道容量计算相当复杂,我们只 讨论某些特殊类型的信道：
• 离散信道可分成： • 无干扰(无噪)信道
– 无嗓无损信道 – 有噪无损信道 – 无噪有损信道
• 有干扰无记忆信道 • 有干扰有记忆信道
10
无干扰离散信道
• 无嗓无损信道
C
max
p(ai )
5
离散无记忆信道DMC
• 信道输入是n元符号X∈{a1, a2, …, an} • 信道输出是m元符号Y∈{b1, b2, …, bm} • 转移矩阵
– 已知X,输出Y统计特性
p11
b1
a1
p12
b1 b2 bm p11 p12 p1m a1
p21
a2
p22
:
b2
P
p21
p22
p2m
H (Y | ai ) i 1,2,n
H
(Y
|
X
)
H
(Y
|
ai
)
H
(
p1
,
p2
,
pm
)
15
对称DMC信道
• 对称DMC信道的容量：
C log m H ( p1, p2 pm )
m
log m pij log pij j 1
• 上式是对称离散信道能够传输的最大的平均信
息量,它只与对称信道矩阵中行矢量{p1, p2,…pm } 和输出符号集的个数m有关。
4
有干扰无记忆信道
• 有干扰无记忆信道
– 信道的输出信号Y与输入信号X之间没有确 定的关系,但转移概率满足:
p(Y | X ) p( y1 | x1) p( y2 | x2) p( yL | xL )
信道与信道容量
信道与信道容量
强对称信道 (均匀信道) 输入符号和输出符号个数相同 ( 都等于 n ) ，且正确传 输概率为1-ε，错误概率ε被对称地均分给 n -1 个输出 符号，信道矩阵为
各列之和 也等于 1
强对称信道的信道容量
信道与信道容量
二进制对称信道（ BSC ） 二进制对称信道的信道容量
C=1-H(p)
信道与信道容量
信道容量
2
1.1 信道的分类
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：固定参数、时变参数
噪声种类： 随机差错、突发差错 输入输出信号特点：离散、连续、半离散半连续、
波形信道等
信道与信道容量
3
信道与信道容量
ห้องสมุดไป่ตู้
1.2 信道参数
信道输入矢量为 输出矢量为
信道与信道容量
14
3.2 离散单个符号信道及其容量
信息传输率 R
信道中平均每个符号所能传送的信息量 复习 平均互信息 I (X ;Y) ：接收到 Y 后平均每个符
号获得的关于 X 的信息量。
信道的信息传输率就是平均互信息
信道与信道容量
15
信息传输速率 Rt
信道在单位时间内平均传输的信息量
Rt = R/t = I ( X ; Y )/t bit / s
信道与信道容量
1 信道的基本概念 2 离散单个符号信道及其容量 3 离散序列信道及其容量 4 连续信道及其容量
信道与信道容量
1
1 信道的基本概念
信道：信息传输的通道
广义：信源与信宿之间 狭义：中间远距离传输部分 定义：传输信息的载体 任务：以信号方式传输信息、存储信息
强对称信道 (均匀信道) 输入符号和输出符号个数相同 ( 都等于 n ) ，且正确传 输概率为1-ε，错误概率ε被对称地均分给 n -1 个输出 符号，信道矩阵为
各列之和 也等于 1
强对称信道的信道容量
信道与信道容量
二进制对称信道（ BSC ） 二进制对称信道的信道容量
C=1-H(p)
信道与信道容量
信道容量
2
1.1 信道的分类
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：固定参数、时变参数
噪声种类： 随机差错、突发差错 输入输出信号特点：离散、连续、半离散半连续、
波形信道等
信道与信道容量
3
信道与信道容量
ห้องสมุดไป่ตู้
1.2 信道参数
信道输入矢量为 输出矢量为
信道与信道容量
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3.2 离散单个符号信道及其容量
信息传输率 R
信道中平均每个符号所能传送的信息量 复习 平均互信息 I (X ;Y) ：接收到 Y 后平均每个符
号获得的关于 X 的信息量。
信道的信息传输率就是平均互信息
信道与信道容量
15
信息传输速率 Rt
信道在单位时间内平均传输的信息量
Rt = R/t = I ( X ; Y )/t bit / s
信道与信道容量
1 信道的基本概念 2 离散单个符号信道及其容量 3 离散序列信道及其容量 4 连续信道及其容量
信道与信道容量
1
1 信道的基本概念
信道：信息传输的通道
广义：信源与信宿之间 狭义：中间远距离传输部分 定义：传输信息的载体 任务：以信号方式传输信息、存储信息
信息理论基础 第四章 信道及信道容量
N N i 1 i 1
则存在：I ( X ; Y ) I ( X i ; Yi )
i 1
N
由定理1和定理2
当信源和信道都是无记忆时有：
N
I ( X ; Y ) I ( X i ; Yi )
i 1
当每个序列中的分量Xi取值于同一信源符号集， 且具有同一种概率分布，则输出Y的分量Yi也取值同一 符号集，则各I(Xi；Yi)是相等的。即：
a1 0
1 p
p p
0 b1
X
a2 1
Y
1 p
1 b2
其中：p表示传输中发生错误的概率
0 0 1 p 1 p 1 p 1 p
P
二元对称信道(BSC)(二进制对称信道)
a1 0
p
1 p 1 q
0 b1
? b2
1 b3
2.传输概率
p( y | x) p(Y b j | X ai ) p(b j | ai )
p(y|x)——描述信道中干扰影响的大小
3.信道矩阵P
——完全反映信道的特性
p11 p12 p1s p21 p22 p2 s P pr1 pr 2 prs
2.按其输入/输出之间关系的记忆性划分
无记忆信道：在某一时刻信道的输出消息仅与当前
信道的输入消息有关，而与之前时刻 的信道输入无关
在任一时刻信道的输出不仅与当前输 有记忆信道： 入有关，而且还与以前时刻输入有关
3.按其输入/输出信号之间是否是确定关系来分
有噪信道： 存在噪声，不存在确定关系
——实用价 值大，研究的理想对象
如果有 p( yn j | xn i) p( ym j | xm i) ，则信道为平
则存在：I ( X ; Y ) I ( X i ; Yi )
i 1
N
由定理1和定理2
当信源和信道都是无记忆时有：
N
I ( X ; Y ) I ( X i ; Yi )
i 1
当每个序列中的分量Xi取值于同一信源符号集， 且具有同一种概率分布，则输出Y的分量Yi也取值同一 符号集，则各I(Xi；Yi)是相等的。即：
a1 0
1 p
p p
0 b1
X
a2 1
Y
1 p
1 b2
其中：p表示传输中发生错误的概率
0 0 1 p 1 p 1 p 1 p
P
二元对称信道(BSC)(二进制对称信道)
a1 0
p
1 p 1 q
0 b1
? b2
1 b3
2.传输概率
p( y | x) p(Y b j | X ai ) p(b j | ai )
p(y|x)——描述信道中干扰影响的大小
3.信道矩阵P
——完全反映信道的特性
p11 p12 p1s p21 p22 p2 s P pr1 pr 2 prs
2.按其输入/输出之间关系的记忆性划分
无记忆信道：在某一时刻信道的输出消息仅与当前
信道的输入消息有关，而与之前时刻 的信道输入无关
在任一时刻信道的输出不仅与当前输 有记忆信道： 入有关，而且还与以前时刻输入有关
3.按其输入/输出信号之间是否是确定关系来分
有噪信道： 存在噪声，不存在确定关系
——实用价 值大，研究的理想对象
如果有 p( yn j | xn i) p( ym j | xm i) ，则信道为平
信道及信道容量
信道及信道容量
研究信道容量的意义?
信道是信息传输的通道。由于干扰而丢失的信息为 H(X|Y ); 在接收端获取的关于发送端信源X的信息量是：
I(X;Y)＝H(X)-H(X|Y) 即：信道中平均每个符号传送的信息量。对于信道,所关心的问 题是平均每个符号传送的最大信息量。这就是信道容量C=max I(X;Y) bit/符号
4、根据信道中所受的噪声种类不同，分为随机差错信道和突发 差错信道。
随机差错信道：噪声独立地、随机地影响每个传输的码元。如加 性高斯白噪声(AGWN)信道。 突发差错信道：大的脉冲干扰或闪电对码元的影响是前后相关的。 错误成串出现，且是突发性的。如移动信道。
5、根据输入/输出信号的特点，分为离散信道、连续信道、半离 散半连续信道和波形信道。
根据信道的参数，将信道分为三大类：
1、无干扰信道 理想信道，信道中没有随机干扰
P(Y |X )1 Y fX ()
P(Y|X)0 YfX ()
或干扰很小。输出与输入之间有完全确定的对应关系。
2、有干扰无记忆信道
无记忆：任意时刻的输出符号，只统计依赖于对应时刻
的输入符号，而与其它时刻的输入符号、输出符号无关.
I(X;Y)＝I(Y;X)＝Hc(X)- Hc(X|Y) ＝Hc(X)＋Hc(Y)- Hc(XY) ＝Hc(Y)- Hc(Y|X)
Hc(XY)＝Hc(X)＋Hc(Y|X)＝Hc(Y) ＋Hc(X|Y)
二、波形信源的熵 理解讨论方法即可
H c(x()t )L l i m H c(X )
三、 连续信源最大熵定理
转移概率矩阵（传递阵矩）P :
P11 P12 P1m
P [
P ij
]
P21
P22
研究信道容量的意义?
信道是信息传输的通道。由于干扰而丢失的信息为 H(X|Y ); 在接收端获取的关于发送端信源X的信息量是：
I(X;Y)＝H(X)-H(X|Y) 即：信道中平均每个符号传送的信息量。对于信道,所关心的问 题是平均每个符号传送的最大信息量。这就是信道容量C=max I(X;Y) bit/符号
4、根据信道中所受的噪声种类不同，分为随机差错信道和突发 差错信道。
随机差错信道：噪声独立地、随机地影响每个传输的码元。如加 性高斯白噪声(AGWN)信道。 突发差错信道：大的脉冲干扰或闪电对码元的影响是前后相关的。 错误成串出现，且是突发性的。如移动信道。
5、根据输入/输出信号的特点，分为离散信道、连续信道、半离 散半连续信道和波形信道。
根据信道的参数，将信道分为三大类：
1、无干扰信道 理想信道，信道中没有随机干扰
P(Y |X )1 Y fX ()
P(Y|X)0 YfX ()
或干扰很小。输出与输入之间有完全确定的对应关系。
2、有干扰无记忆信道
无记忆：任意时刻的输出符号，只统计依赖于对应时刻
的输入符号，而与其它时刻的输入符号、输出符号无关.
I(X;Y)＝I(Y;X)＝Hc(X)- Hc(X|Y) ＝Hc(X)＋Hc(Y)- Hc(XY) ＝Hc(Y)- Hc(Y|X)
Hc(XY)＝Hc(X)＋Hc(Y|X)＝Hc(Y) ＋Hc(X|Y)
二、波形信源的熵 理解讨论方法即可
H c(x()t )L l i m H c(X )
三、 连续信源最大熵定理
转移概率矩阵（传递阵矩）P :
P11 P12 P1m
P [
P ij
]
P21
P22
信道与信道容量
1.6.2 信道容量
根据香农信息论，对于连续信道，如果信道带宽为B， 并且受到加性高斯白噪声的干扰，则信道容量的理论公式为
C=B㏒2（1+S/N）（b/s） 式中。 N为白噪声的平均功率； S是信号的平均功率； S/N 为信噪比。信道容量C是指信道可能传输的最大信息速率 （即信道能达到的最大传输能力）。虽然上式是在一定条件 下获得的（要求输入信号也为高斯信号才能实现上述可能 性），但对其他情况也可作为近似式使用。
例1 已知彩色电视图象由5ⅹ105个像素组成。设每个像素有 64种彩色度，每种彩色度有16个亮度等级。设所有彩色度和 亮度等级的组合机会均等，并统计独立。（1）试计算每秒 传送100个画面所需信道容量；（2）如果接受机信噪比为 30dB，为了传送彩色图象所需信道带宽为多少？
例2 设有一个图像要在电话线路中实现传真传输。大约要传输2.25ⅹ106个 像素，每个像素有12个亮度等级。假设所有亮度等级都是等概率的，电 话电路具有3kHz带宽和30dB信噪比。试求在该标准电话线路上传输一 张传真图片需要的最小时间。
在数字通信系统中，如果仅研究编码和解码问题， 可得到另一种广义信道---编码信道。编码信道的范围是 从编码器输出端至解码器输入端。这是因为从编码和解 码角度来看，编码器是把信源产生的消息信号转化为数 字信号。反之，解码器是将数字信号恢复原来的消息信 号；而编码器输出端至解码器输入端之间的一切环节只 是起了传输数字信号的作用，所以可以把它看成一个整 体---编码信道。当然，根据研究问题的不同，还可以定 义其他广义信道。
解： Rb = RBN㏒2N
RBN= Rb／×106 / 29.9 ×103=0.269 ×103s=4.5min
例3 已知八进制数字信号的传输速率为1600波 特。试问变换成二进制数字信号时的传输速率为多 少？ 解： Rb = RBN㏒2N = 1600× ㏒28 = 4800 b/s
信道、信道容量、数据传输速率
信道、信道容量、数据传输速率简介：信道、信道容量、数据传输速率（比特率）、电脑装置带宽列表一、信道的概念信道，是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质，这是狭义信道的定义。
广义信道的定义除了包括传输媒质，还包括信号传输的相关设备。
信道容量是在通信信道上可靠地传输信息时能够达到的最大速率。
根据有噪信道编码定理，给定信道的信道容量是其以任意小的差错概率传输信息的极限速率。
信道容量的单位为比特每秒、奈特每秒等等。
香农在第二次世界大战期间发展出信息论，并给出了信道容量的定义和计算信道容量的数学模型。
他指出，信道容量是信道的输入与输出的互信息量的最大值，这一最大取值由输入信号的概率分布决定。
二、信道的分类（一）狭义信道的分类狭义信道，按照传输媒质来划分，可以分为有线信道、无线信道和存储信道三类。
1. 有线信道有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。
这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
2. 无线信道无线信道主要有以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等。
无线电信号由发射机的天线辐射到整个自由空间上进行传播。
不同频段的无线电波有不同的传播方式，主要有：地波传输：地球和电离层构成波导，中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地面传播并绕过地面的障碍物。
长波可以应用于海事通信，中波调幅广播也利用了地波传输。
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进行传播。
短波电台就利用了天波传输方式。
天波传输的距离最大可以达到400千米左右。
电离层和对流层的反射与散射，形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径，电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收信号的幅度和相位呈随机变化，这就是多径信道的衰落，这种信道被称作衰落信道。
通信课件信道及信道容量
基本内容
• 信道的基本概念 • 信道数学模型：调制、编码信道模型 • 恒参信道特性及其对信号传输的影响 • 随参信道特性及其对信号传输的影响 • 分集接收技术 • Shannon信道容量公式
1
信道的基本概念
• 信道：信号通道，必不可少 • 影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的
不理想。
• 由于多径使得确定的载波信号Acosω0t变成了包络和相位都受 到调制的窄带信号，衰落信号。从时域来看，多径时延扩散； 从频域来看，频率展宽
15
随参信道对信号传输的影响(续2)
• 时变多径信道
R(t)
t 时域：瑞利衰落（快衰落）
f0 频域：频率弥散
16
随参信道对信号传输的影响例举
• 以两条路径且衰减恒定为例
3
信道数学模型
• 反映信道输出和输入之间的关系。 • 调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真
情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续 变化的，故也称调制信道为连续信号，甚至称为信道 。 • 编码信道模型：输出输入都是数字信号→数字序列变 换，离散或数字信道。包含调制信道→依赖于调制信 道的性能，噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码 率而不是信号失真情况→使用转移概率来描述。
ui (t)cos[0t i (t)] ui (t) cos i (t) cosot ui (t) sin i (t) sin ot
X c (t) cosot X s (t) cosot V (t) cos[ot (t)]
V(t) Xc2(t) Xs2(t)
(t) arctg(Xc (t) Xs (t))
2
N
(bit/s)
Shannon公式
• 信道的基本概念 • 信道数学模型：调制、编码信道模型 • 恒参信道特性及其对信号传输的影响 • 随参信道特性及其对信号传输的影响 • 分集接收技术 • Shannon信道容量公式
1
信道的基本概念
• 信道：信号通道，必不可少 • 影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的
不理想。
• 由于多径使得确定的载波信号Acosω0t变成了包络和相位都受 到调制的窄带信号，衰落信号。从时域来看，多径时延扩散； 从频域来看，频率展宽
15
随参信道对信号传输的影响(续2)
• 时变多径信道
R(t)
t 时域：瑞利衰落（快衰落）
f0 频域：频率弥散
16
随参信道对信号传输的影响例举
• 以两条路径且衰减恒定为例
3
信道数学模型
• 反映信道输出和输入之间的关系。 • 调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真
情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续 变化的，故也称调制信道为连续信号，甚至称为信道 。 • 编码信道模型：输出输入都是数字信号→数字序列变 换，离散或数字信道。包含调制信道→依赖于调制信 道的性能，噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码 率而不是信号失真情况→使用转移概率来描述。
ui (t)cos[0t i (t)] ui (t) cos i (t) cosot ui (t) sin i (t) sin ot
X c (t) cosot X s (t) cosot V (t) cos[ot (t)]
V(t) Xc2(t) Xs2(t)
(t) arctg(Xc (t) Xs (t))
2
N
(bit/s)
Shannon公式
信道、信道容量、数据传输速率
编码信道是指数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分。对于编译码的研究者来说，编码器输出的数字序列经过编码信道上的一系列变换之后，在译码器的输入端成为另一组数字序列，研究者只关系这两组数字序列之间的变换关系，而并不关心这一系列变换发生的具体物理过程，甚至并不关心信号在调制信道上的具体变化。编码器输出的数字序列与到译码器输入的数字序列之间的关系，通常用多端口网络的转移概率作为编码信道的数学模型进行描述。
二、信道的分类
（一）狭义信道的分类
狭义信道，按照传输媒质来划分，可以分为有线信道、无线信道和存储信道三类。
1. 有线信道
有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进行传播。短波电台就利用了天波传输方式。天波传输的距离最大可以达到400千米左右。电离层和对流层的反射与散射，形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径，电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收信号的幅度和相位呈随机变化，这就是多径信道的衰落，这种信道被称作衰落信道。
调制信道的数学模型为：
y(t) = x(t) * h(t;τ) + n(t)
其中x(t)是调制信道在时刻t的输入信号，即已调信号。y(t)是调制信道在时刻t的输出信号。h(t;τ)是信道的冲激响应，τ代表时延，h(t;τ)表示在时刻t、延时为τ时信道对冲激函数δ(t)的响应，描述了信道对输入信号的畸变和延时。*为卷积算子。n(t) 是调制信道上存在的加性噪声，与输入信号x(t)无关，又被称为"加性干扰"。由于信道的线性性质，并且考虑信道噪声，x(t) * h(t;τ) + n(t)就是x(t)通过由信道响应h(t;τ)描述的调制信道的输出。调制信道可以同时有多个输入信号和多个输出信号，这时的x(t)和y(t)是矢量信号。
二、信道的分类
（一）狭义信道的分类
狭义信道，按照传输媒质来划分，可以分为有线信道、无线信道和存储信道三类。
1. 有线信道
有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进行传播。短波电台就利用了天波传输方式。天波传输的距离最大可以达到400千米左右。电离层和对流层的反射与散射，形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径，电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收信号的幅度和相位呈随机变化，这就是多径信道的衰落，这种信道被称作衰落信道。
调制信道的数学模型为：
y(t) = x(t) * h(t;τ) + n(t)
其中x(t)是调制信道在时刻t的输入信号，即已调信号。y(t)是调制信道在时刻t的输出信号。h(t;τ)是信道的冲激响应，τ代表时延，h(t;τ)表示在时刻t、延时为τ时信道对冲激函数δ(t)的响应，描述了信道对输入信号的畸变和延时。*为卷积算子。n(t) 是调制信道上存在的加性噪声，与输入信号x(t)无关，又被称为"加性干扰"。由于信道的线性性质，并且考虑信道噪声，x(t) * h(t;τ) + n(t)就是x(t)通过由信道响应h(t;τ)描述的调制信道的输出。调制信道可以同时有多个输入信号和多个输出信号，这时的x(t)和y(t)是矢量信号。
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6
Center for Wireless Communications (CWC), BUPT
调制信道模型（续1）
ei（t） f[*]
eo(t)=f[ei(t)]+n(t)
n(t)
• f[*]： 信道时变线性算子，线性失真，非线性失真，损耗，时变 损耗等。工程上应是非线性失真足够小。
• 恒参信道： f[*]为非时变线性算子； • 时变信道： f[*]为时变线性算子； • 随参信道： f[*]随时间随机变化。
P00 P01
• 误(1)P(0 /1)
9
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编码信道模型（续）
• 无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元 的取值无关；
• 有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元 的取值有关；
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通信原理
信道及信道容量
1
Center for Wireless Communications (CWC), BUPT
基本内容
• 信道的基本概念 • 信道数学模型：调制、编码信道模型 • 恒参信道特性及其对信号传输的影响 • 随参信道特性及其对信号传输的影响 • 分集接收技术 • Shannon信道容量公式
7
Center for Wireless Communications (CWC), BUPT
调制信道模型（续2）
e0 (t) k(t)ei (t) n(t)
• 乘性干扰k(t)：线性、非线性畸变，迟延、损耗特性随 时在间。发生变化。注意只有ei(t)存在时，乘性噪声才存
• 加性干扰n(t)：加性噪声，与ei(t)独立。
• 恒参信道的性质不随时间变化：线性时不变系统。实 际信道的特性不随时间变化或基本不变，或变化极慢 。
ei（t） h(t)
eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)
n(t)
11
Center for Wireless Communications (CWC), BUPT
恒参信道特性（续）
• h(t) <=> H(ω)=∣H(ω)∣ejΨ(ω) • 幅频特性：∣H(ω)∣≠k(常数)，产生幅频畸变； • 相频特性：Ψ(ω) ≠ωtd ，产生相位畸变； • 用群迟延频率特性：τ(ω)=dΨ(ω)/dω来描述相频特性。 • 理想信道： H(ω)=k，衰减ei(t)、有时延； • τ(ω)= td，无相频畸变。 • 工程设计时，应使∣H(ω)∣的畸变范围及τ(ω)的误差范围
4
Center for Wireless Communications (CWC), BUPT
信道数学模型
• 反映信道输出和输入之间的关系。 • 调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真
情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续 变化的，故也称调制信道为连续信号，甚至称为信道 。 • 编码信道模型：输出输入都是数字信号→数字序列变 换，离散或数字信道。包含调制信道→依赖于调制信 道的性能，噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码 率而不是信号失真情况→使用转移概率来描述。
• 数字信号 - H(ω)不理想，可能造成码间串扰、误码。 -合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰。信道特性缓慢 变化时，用时域均衡器，使码间串扰降到最小且可自适应信道特性 变化。
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符合系统要求。
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不理想恒参信道 对信号传输的影响及克服措施
• 模拟信号 -∣H(ω)∣≠k，使模拟信号失真，解调后基带信号失真。 号-τ(影ω响) ≠大td，对语音信号影响不大(耳朵对相位不敏感)，仅对视频信 -均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变。
信道的基本概念（续）
• 信号的传输媒质称为狭义信道。 • 除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备，等所构
成的部份称为广义信道。由调制器、传输媒质、解调 器组成的广义信道称为编码信道（数字序列）；由发 射机、天线、传输媒质、天线、接收机所组成的广义 信道称为调制信道（已调信号）。 • 根据具体问题来选择不同类型的信道。
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信道的基本概念
• 信道：信号通道，必不可少 • 影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的
不理想。
编码器输出
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
收 转 换 器
解
调
解调器输出
器
调制信道
编码信道
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调制信道模型
• 具有一对（或多对）输入和输出端； • 线性：大多数信道是线性的，叠加原理； • 时延：信号经过信道有延时，且会受到固定或时变损
耗； • 受噪声干扰：输入信号为0时，信道输出端仍有噪声信
号输出。 → 两对端（或多对端）时变线性网络。
• 失真度： [(eˆi (t) ei (t)]2 dt
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编码信道模型
• 二进制编码信道
• 用转移概率矩阵表示为 Pyx=P(y/x)
P00=P(0/0)，P10=P(1/0) P01=P(0/1)，P11=P(1/1)
• 对称编码信道：二进制编码信道的转移概率P(0/1) = P(1/0)
• 非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率P(0/1) ≠ P(1/0)
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恒参信道特性
• 恒参信道是指由架空明线、电缆、中长波地波传播， 超短波及微波视距传播，人造卫星中继，光导纤维以 及光波视距传播等传输煤质构成的信道。
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调制信道模型（续1）
ei（t） f[*]
eo(t)=f[ei(t)]+n(t)
n(t)
• f[*]： 信道时变线性算子，线性失真，非线性失真，损耗，时变 损耗等。工程上应是非线性失真足够小。
• 恒参信道： f[*]为非时变线性算子； • 时变信道： f[*]为时变线性算子； • 随参信道： f[*]随时间随机变化。
P00 P01
• 误(1)P(0 /1)
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编码信道模型（续）
• 无记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元 的取值无关；
• 有记忆编码信道：信道码元的转移概率与其前后码元 的取值有关；
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通信原理
信道及信道容量
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基本内容
• 信道的基本概念 • 信道数学模型：调制、编码信道模型 • 恒参信道特性及其对信号传输的影响 • 随参信道特性及其对信号传输的影响 • 分集接收技术 • Shannon信道容量公式
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调制信道模型（续2）
e0 (t) k(t)ei (t) n(t)
• 乘性干扰k(t)：线性、非线性畸变，迟延、损耗特性随 时在间。发生变化。注意只有ei(t)存在时，乘性噪声才存
• 加性干扰n(t)：加性噪声，与ei(t)独立。
• 恒参信道的性质不随时间变化：线性时不变系统。实 际信道的特性不随时间变化或基本不变，或变化极慢 。
ei（t） h(t)
eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)
n(t)
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恒参信道特性（续）
• h(t) <=> H(ω)=∣H(ω)∣ejΨ(ω) • 幅频特性：∣H(ω)∣≠k(常数)，产生幅频畸变； • 相频特性：Ψ(ω) ≠ωtd ，产生相位畸变； • 用群迟延频率特性：τ(ω)=dΨ(ω)/dω来描述相频特性。 • 理想信道： H(ω)=k，衰减ei(t)、有时延； • τ(ω)= td，无相频畸变。 • 工程设计时，应使∣H(ω)∣的畸变范围及τ(ω)的误差范围
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信道数学模型
• 反映信道输出和输入之间的关系。 • 调制信道模型：传输已调信号，关心的是信号的失真
情况及噪声对信号的影响。已调信号的瞬时值是连续 变化的，故也称调制信道为连续信号，甚至称为信道 。 • 编码信道模型：输出输入都是数字信号→数字序列变 换，离散或数字信道。包含调制信道→依赖于调制信 道的性能，噪声的干扰体现在误码上，关心的是误码 率而不是信号失真情况→使用转移概率来描述。
• 数字信号 - H(ω)不理想，可能造成码间串扰、误码。 -合理设计收、发滤波器，消除信道产生的码间串扰。信道特性缓慢 变化时，用时域均衡器，使码间串扰降到最小且可自适应信道特性 变化。
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符合系统要求。
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不理想恒参信道 对信号传输的影响及克服措施
• 模拟信号 -∣H(ω)∣≠k，使模拟信号失真，解调后基带信号失真。 号-τ(影ω响) ≠大td，对语音信号影响不大(耳朵对相位不敏感)，仅对视频信 -均衡，使信道、均衡器联合频率特性在信号频率范围内无畸变。
信道的基本概念（续）
• 信号的传输媒质称为狭义信道。 • 除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备，等所构
成的部份称为广义信道。由调制器、传输媒质、解调 器组成的广义信道称为编码信道（数字序列）；由发 射机、天线、传输媒质、天线、接收机所组成的广义 信道称为调制信道（已调信号）。 • 根据具体问题来选择不同类型的信道。
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信道的基本概念
• 信道：信号通道，必不可少 • 影响通信系统可靠性能的两个主要因素：噪声和信道传输特性的
不理想。
编码器输出
调 制 器
发 转 换 器
媒 质
收 转 换 器
解
调
解调器输出
器
调制信道
编码信道
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调制信道模型
• 具有一对（或多对）输入和输出端； • 线性：大多数信道是线性的，叠加原理； • 时延：信号经过信道有延时，且会受到固定或时变损
耗； • 受噪声干扰：输入信号为0时，信道输出端仍有噪声信
号输出。 → 两对端（或多对端）时变线性网络。
• 失真度： [(eˆi (t) ei (t)]2 dt
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编码信道模型
• 二进制编码信道
• 用转移概率矩阵表示为 Pyx=P(y/x)
P00=P(0/0)，P10=P(1/0) P01=P(0/1)，P11=P(1/1)
• 对称编码信道：二进制编码信道的转移概率P(0/1) = P(1/0)
• 非对称编码信道：二进制编码信道的转移概率P(0/1) ≠ P(1/0)
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恒参信道特性
• 恒参信道是指由架空明线、电缆、中长波地波传播， 超短波及微波视距传播，人造卫星中继，光导纤维以 及光波视距传播等传输煤质构成的信道。