现代通信原理及应用 第四章 信道
(完整版)现代通信原理复习资料整合
现代通信原理教学要求第一章绪论1通信、通信系统的定义；通信：从一地向另一地传递消息（信息或消息的传输和交换）；通信系统：实现消息传递所需的一切技术设备和信道的总和称为通信系统2•通信系统的一般模型及各框图作用；信息源：消息的发源地，把各种消息转换成原始电信号（称为消息信号或基带信号）。
发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。
信道：传输信号的物理媒质。
噪声源：不是人为加入的设备，而是信道中的噪声以及通信系统其它各处噪声的集中表示。
接收设备：功能是放大和反变换（如滤波、译码、解调等），其目的是从受到干扰和减损的接收信号中正确恢复原始电信号。
受信者（信宿）：传送消息的目的地。
（将原始电信号还原成相应的消息）。
3•基带信号、频带信号、模拟信号、数字信号的含义；基带信号：信息源把各种消息转换成原始电信号的信号。
频带信号（带通信号）：（经过调制以后的信号称为已调信号，特点：携带信息，适合在信道中传输）信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频。
模拟信号（连续信号）：凡信号参量的取值连续（不可数，无穷多），称为模拟信号。
数字信号（离散信号）：凡信号参量只可能取有限个值，称为数字信号。
信源编码与译码：信源编码的作用是提高信息传输的有效性，完成模/数（A/D）转换；信源译码是信源编码的逆过程。
信道编码与译码：数字信号在信道传输时会因为各种原因产生差错，为了减少差错则在信息码中按照一定的规则加入监督码，组成抗干扰编码，接收端译码器则按照一定规则解码，发现错误或纠正错误，从而提高心态的抗干扰能力（提高可靠性）。
数字调制与解调：数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。
数字解调就是采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。
同步：同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。
（载波同步、位同步、群同步和网同步）。
数字通信的主要特点：（1）抗干扰能力强而且噪声不累加；（2）差错可控；（3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；（4）易于集成化，从而使通信设备微型化；（5）易于加密处理，且保密强度高。
现代通信原理课后思考题答案
现代通信原理课后思考题答案第⼀章1、什么是数字信号和模拟信号，俩者的区别是什么？凡信号参量的取值连续（不可数，⽆穷多），则称为模拟信号。
凡信号参量只可能取有限个值，则称为数字信号。
区别在于信号参量的取值2、何谓数字通信，简述数字通信系统的主要优缺点数字通信系统是利⽤数字信号来传递信息的通信系统。
优点：抗⼲扰能⼒强、差错可控、易于与各种数字终端接⼝、易于集成化、易于加密处理。
缺点：占⽤频带宽，需要同步3（1）、画出数字通信系统的⼀般模型，简述各⽅框的主要功能1) 信源编码与译码数据压缩（减少码元数⽬和降低码元速率），减⼩传输带宽，提⾼通信的有效性。
模/数转换，当信息源给出的是模拟语⾳信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字传输。
2）信道编码与译码通过加⼊监督码元（纠错/检错）提⾼通信的可靠性。
3）加密与解密通过加扰保证所传信息的安全性。
4）数字调制与解调把数字基带信号转换成适合信道传输的频带信号。
3（2）、画出模拟通信系统的⼀般模型3、（3）画出通信系统的⼀般模型，简述各⽅框的主要功能信息源：把各种消息转换成原始电信号。
发送设备：将信源和信道匹配起来。
接收设备：放⼤和反变换，其⽬的是从受到⼲扰和减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
受信者：将复原的原始电信号还原成相应信息。
4、在数字通信系统中，其可靠性和有效性指的是什么，各有哪些重要指标？有效性——传输速率（传码率、传信率，频带利⽤率）可靠性——差错率（误码率、误信率）5、按信号的流向和时间分类，通信⽅式有哪些？单⼯、半双⼯、全双⼯6、何谓码元速率和信息速率？他们之间的关系如何？单位时间内传输码元的数⽬，单位时间内传递的平均信息量或⽐特数。
Rb=RB·H (b/s)第⼆章1、什么是随机过程，它具有哪些基本特征？⽆穷多个样本函数的总体叫随机过程。
其⼀，他是时间函数；其⼆，在固定的某⼀观察时刻t1， s（t1）是⼀个不含t变化的随机变量2、随机过程的期望、⽅差和⾃相关函数描述了随机过程的什么性质？期望表⽰随机过程的n个样本函数曲线的摆动中⼼。
现代通信原理课后习题答案
现代通信原理课后习题答案第⼆章2.40 ⼆进制对称信道中的误⽐特率P e为0.2，若输⼊信道的符号速率为2000符号/s，求该信道的信道容量。
解：2000×(1-0.2)=1600 (b/s)2.41 已知某语⾳信道带宽为4kHz，若接收端的信噪⽐S/N =60dB，求信道容量。
若要求该信道传输56000b/s的数据，则接收端的信噪⽐最⼩应为多少？解：dB=10 lgN 60 = 10 lg S/N →S/N = 106C = wlog2 (1+S/N)=4×103log2(1+106) = 8 × 104 (bps)5.6 × 104 = 4 × 103log2(1+S/N)log2(1+S/N) = 14 → 1+S/N = 214→S/N = 214－12.42 若⿊⽩电视机的每幅图像含有3×105个像素，每个像素都有16个等概率出现的亮度等级，如果信道的输出信噪⽐为S/N = 40dB、信道带宽为1.4MHz，则该信道每秒可传送多少幅图像？解：每幅图的信息量：3×105×log216 = 1.2×106（b）40dB = 10log2 S/N →S/N = 104C = wlog2（1 + S/N）= 1.4×106log2（1+104）≈1.862×107（bps）1.862×107/1.2×106 = 15.5 (幅/s)第三章3.50 ⽤10KHz的单频正弦信号对1MHz的载波进⾏调制，峰值频偏为2KHz。
试求：（1）该调频信号的带宽。
（2）若调制信号的幅度加倍，再求该调频信号的带宽。
解：（1）B FM = 2 × ( 2+10 ) = 24 ( KHz)（2）B FM = 2 ×（2 + 2×10）= 44 （KHz）3.51 幅度1V的10MHz载波受到幅度1V、频率为100Hz的正弦信号调制，最⼤频偏为500Hz。
《通信原理》教学大纲
课程名称：通信原理课程代码：学分：3总学时：48适用专业：电子与信息一、课程的性质、目的与任务本课程为电子与信息专业必修课，是重要的专业基础课程适合于未来从事通信行业工作的本科生学习。
课程教学目的是要求学生掌握通信基本概念、信号分析处理、通信系统的构成、基本原理、数字通信系统组成及其关键功能模块等原理。
初步学会分析和研究通信系统的各种性能参数，并运用计算机仿真等方法对系统进行性能分析研究。
通信原理是一门处于不断发展的课程与学科，要求能追踪前沿技术并培养创造性解决问题的能力。
同时通过授课、作业、案例分析，培养学生思维和能力。
二、教学的基本要求通过本门课程的教学与学习，要求同学们能了解通信系统的发展与未来，掌握通信原理及其关键技术，并了解当前通信领域中层出不穷的各种新技术和新名词，了解该领域内的各种前沿技术与未来发展趋势。
通过教学，学生们能理解通信基本原理，理解各种通信系统的特点、应用范围等内容。
并掌握通信的信源、发送设备、信道、接收设备等相关技术及其基本原理，掌握常见的通信系统设备及其工作原理、性能等相关内容。
三、课程教学内容、重点与难点第一章绪论（2学时）⏹知识要点：通信系统的组成、系统模型及分类；通信技术的发展历史及趋势；信号、消息；信息及其度量，信息量和平均信息量；通信系统的性能度量；信道。
⏹重点：1. 模拟和数字通信系统模型。
2．信息量与平均信息量（信息的熵）的计算。
3．码元速率，信息速率，频带利用率，误码率，误信率的定义与计算。
4. 信道⏹难点：信息量与平均信息量（信息的熵）的计算、信道分析。
⏹教学方法：课堂讲解与讨论第二章确定信号分析（4学时）⏹知识要点：信号通过系统的过程。
确定信号的时域和频域分析。
傅立叶变换关系式，傅立叶变换的主要运算特性，常用信号的傅立叶变换；；信号的能量和能量谱密度；信号的功率和功率谱密度。
⏹重点：信号及其正交展开变换、信号的傅氏分析、相关函数及功率谱密度函数。
苗长云 现代通信原理第二版配套课件 第四章 信道
4.4 随参信道及其对信号传输的影响
2．对流层散射信道 （1）衰落 （2）传输损耗 （3）信道的允许频带 （4）天线与媒质间的耦合损耗 （5）特性 ①容量大； ②主要用于以上频段； ③可靠性高； ④保密性好； ⑤单跳跨距达，一般用于无法建立微波中继站的地区。
天津工业大学 信息学院 《通信原理》
内部绝缘体
铝制编织导体(屏蔽) (a) 一段同轴电缆 (b) 一段与连接器相连的同轴电缆
天津工业大学 信息学院
《通信原理》
4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
2．光纤信道 光纤线径细、重量轻 ；由于不受外界电磁干扰 和噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误 码率 ；可弯曲半径小、不怕腐蚀、安全保密性好、 节省有色金属。
天津工业大学 信息学院 《通信原理》
屏蔽箔
屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线
4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
（3）同轴电缆 基带同轴电缆的最大传输距离一般不超过几公里， 可用于数字数据信号的直接传输；而宽带同轴电缆的 最大传输距离可达几十公里，用于传输高频信号，采 用频分复用技术可以传送多路信号。
外部绝缘体 内部导体
f t
V0
V0f(t-t0)←→V0F(ω)e
-jωt0
V0 f t
迟延 t 0
V0 f t t 0
V 0 f t t 0
V0f(t-t0)+ V0f(t-t0-τ) ←→V0F(ω)e
V0 V0 f t
-jωt0 - jωτ (1+e )
迟延 t 0
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4.2 信道的定义及其数学模型
通信原理(樊昌信)第4章信道
根据概率论中心极限定理：当 n
足够大时，x(t)和y(t) 趋于正态分布。
西安电子科技大学 通院
发送信号
接收信号
s(t)Acosct r(t)
0
结论
fc
f
f
0
fc
f
我们更关心的问题：
多径效应
设两条路径的信道为
多径效应
f (t)
传输衰减均为 K
fo(t)
第4章
信道
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
信道的定义与分类
信道的定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。 信道的分类：狭义信道：仅是指信号的传输媒质；
广义信道：不仅是指传输媒质，而且包括通 信系统中的一些转换装置。
信道的功能：将信号从发送端传送到接收端。
无感应，无漏话
干线高速LAN
§4.3
信道数学模型
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
信道
制
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
§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 n(t) ）
1880年纽约街貌
对称电缆
有线信道
由多对
现代通信原理及应用PPT课件
希望•目标
共同目标 ◙ 互相尊重、求同存异； 互相理解、配合 默契； 互相学习、共同提高； ◙ 分享人类创造的精神财富； ◙ 自由地从事创造性的活动； ……
先修课程
高等数学 概率论与随机过程 信号与系统 随机信号分析 模拟电子线路 数字电子线路 高频电子线路
考核
统考笔试：70% 实验：10% 出勤及作业:10% 期中考试：10%
• 模拟通信系统模型中的发送设备和接收设 备主要是调制器和解调器。
一、模拟通信系统模型
模拟 信源
调制器 信道 解调器
模拟 信宿
干扰源
二、数字通信系统模型
信道中传输数字信号的系统称为数 字通信系统.
数字通信系统主要的三种通信模式:
系统
1.数字基带传输通信系统 2.数字频带传输通信系统 3.模拟信号数字化传输通信
3. 信号:
我们一方面要研究信道,同时还要寻找能 适合在信道中传输的信息载体,也就是信号.
1.1.2 通信系统模型
通信的目的是传输消息。 实现消息传递所需的一切设备和传 输媒质的总和称为通信系统。 基于点与点之间的通信系统的一般 模型可用下图来描述。
通信系统的一般模型
信源
发送 设备
信道
干扰源
接收 设备
返回
信宿
信源
发送 设备
信道
干扰源
接收 设备
信宿
• 信宿是传输信息的归宿点， 其作用是将 复原的原始信号转换成相应的消息。
返回
干扰源
信源
发送 设备
信道
接收 设备
信宿
干扰源
干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有 的，并且是人们所不希望的。干扰的来源是多样 的，它可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干 扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便， 把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到 信道。
樊昌信-通信原理(第五版)第4章 信道(专业教育)
二端口的调制信道模型， 其输出与输入的关系有
r(t)=so(t)+n(t)=f［si(t)］+n(t)
(4.1 - 1)
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9
si(t)
线 性 时变 网 络
so(t)
Si(t)
时变 线性 网络
S0(t)
Si1(t) Si2(t) Si3(t)
sim(t)
… …
时变 线性 网络
S01(t) S02(t) S03(t)
S0n(t)
图 4 – 2 调制信道模型
骄阳书苑
10
式中，si(t)为输入的已调信号；so(t)为调制信道对输入信号 的响应输出波形；n(t)为加性噪声，与si(t)相互独立。f［si(t)］ 反映了信道特性，不同的物理信道具有不同的特性。一般情况，
f［si(t)］可以表示为信道单位冲激响应c(t)与输入信号的卷积， 即
so(t)=c(t)*si(t)
(4.1 - 2)
或 S(ω)=C(ω)Si(ω)
(4.1 - 3)
其中，C(ω)依赖于信道特性。对于信号来说，C(ω)可看成
是乘性干扰。 如果我们了解c(t)与n(t)的特性，就能知道信道对
信号的具体影响。
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11
2.调制信道分类
通常信道特性c(t)是一个复杂的函数，它可能包括各种 线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。同时由于信道 的迟延特性和损耗特性随时间作随机变化，故c(t)往往只能 用随机过程来描述。在我们实际使用的物理信道中，根据信 道c(t)的时变特性的不同可以分为两大类：
如果信道是无记忆的， 则表征信道输入、输出特性的转 移概率为
P(yj/xi)=P(Y=yj/X=xi)
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4.4 随参信道及其对信号传输的影响
4.4.2 随参信道特性及其对信号传输的影响 随参信道的传输媒质具有三个特点： 1．对信号的衰耗随时间而变化 2．传输的时延随时间而变化 3．多径传播
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《通信原理》
4.4 随参信道及其对信号传输的影响
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4.2 信道的定义及其数学模型
对其两端求傅立叶变换，有 -jωtd Fo(ω)= KFi(ω)e 由于 Fo(ω)= H(ω)Fi(ω) 得到信道无失真传输在频域的条件，即传输函数为 H(jω)= |H(ω)|e = Ke 所以信道无失真传输在频域中的幅频、相频
j
F
V
0
e
j t 0
1 e
j
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4.4 随参信道及其对信号传输的影响
所求的传输特性除常数因子V0外，是由一个模值为1、 (1 e ) 固定时延为t0的网络与另一个特性为 的网络级 联所组成。而后一个网络的模特性（幅度—频率特性）为
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屏 蔽箔
屏 蔽双 绞 线
非 屏蔽 双 绞 线
4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
（3）同轴电缆 基带同轴电缆的最大传输距离一般不超过几公里， 可用于数字数据信号的直接传输；而宽带同轴电缆的 最大传输距离可达几十公里，用于传输高频信号，采 用频分复用技术可以传送多路信号。
f(t)←→F(ω) 4.4.2 随参信道特性及其对信号传输的影响
f t V0 V 0 f t 迟延 t0 V 0 f t t 0
V0f(t-t0)←→V0F(ω)e
-jωt0
V 0 f t t 0 V 0 f t t 0
V0f(t-t0)+ V0f(t-t0-τ) ←→V0F(ω)e
已调光信号
光源
光调制器
光纤线路
光检测器
调制电信号
解调电信号
基带处理
基带处理
基带电信号
基带电信号
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4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
3．无线电视距中继 无线电中继信道具有传输容量大、发射功率小、 通信稳定可靠，以及和同轴电缆相比，可以节省有 色金属等优点
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外 部绝 缘 体 内 部导 体
内 部绝 缘 体
铝 制 编 织 导 体 (屏 蔽 )
(a ) 一 段 同 轴 电 缆
(b ) 一 段 与 连 接 器 相 连 的 同 轴 电 缆
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4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
2．光纤信道 光纤线径细、重量轻 ；由于不受外界电磁干扰 和噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误 码率 ；不怕腐蚀、安全保密性好、节省有色金属。
3．编码信道模型 编码信道模型对信号的影响是一种数字序 列的变换 ，用数字的转移概率来描述。 P(x/y)表示发端发“y”码而收端判为“x” 码的概率 。 由此我们知道P(0/0)与P(1/1)是正确转移 的概率，而P(0/1)与P(1/0)是错误转移概率。 P(0/0)=1-P(1/0) P(1/1)=1-P(0/1)
j
1 e
j t 0
1 cos j sin 2 cos
2
2
j 2 sin
2
cos
2
2 cos
2
由此可见，两径传播的模特性将依赖于 m |cosωτ/2|，这就是说，对不同的频率，两径传播的结果将 有不同的衰减。上述概念可以推广到多径传播中去 ，设最大 多径时延差为 f 1 ，则定义
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4.2 信道的定义及其数学模型
4.2.1 信道的定义 1. 信道的概念：就是信号传输的媒质 2. 信道的分类： ① 有线信道、无线信道 ② 广义信道、狭义信道
根据通信的概念，信号必须依靠传输介质传输，所以传输介质被 定义为狭义信道。另一方面，信号还必须经过很多设备(发送机、接 收机、调制器、解调器、放大器等)进行各种处理，这些设备显然也 是信号经过的途径，因此，把传输介质(狭义信道)和信号必须经过的 各种通信设备统称为广义信道。
m
为了不引起明显的选择性衰落，传输信号的频带必须小于多 径传输媒质的相关带宽 Δf。
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4.4 随参信道及其对信号传输的影响
4.4.3 随参信道特性的改善——分集接收
如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，把这些信号 适当合并，构成总的接收信号，这样就能大大减小衰落的影响。 这就是分集接收的基本思想。主要有如下几种分集方式： （1）空间分集 （2）频率分集 （3）角度分集 （4）极化分集 技术在接收分散的几个信号后，要将其合并，合并的方法 主要有： （1）最佳选择式 （2）等增益相加式 （3）最大比值相加式
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4.2 信道的定义及其数学模型
时 变 ei2 (t ) 线 eo 2 (t )
e i1 ( t )
eo1 (t )
e i (t )
时变线 性网络
性 网 络
e on (t )
e o (t )
e im (t )
（m 对输入）
（n 对输出）
（1）二对端网络
（2）多对端网络
dφ(ω) τ(ω)= --------d ω
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4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
（
（1）原信号 （2）经迟延时后的信号 群迟延产生失真的例子
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4.4 随参信道及其对信号传输的影响
4.4.1 随参信道 1．短波电离层反射信道 （1）传播途经
（1）一次反射路径 （2）二次反射路径 短波信号从电离层反射的传播路径
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4.4 随参信道及其对信号传输的影响
（2）工作频率 在短波通信中，选用工作频率时要考虑以下两个条 件：（1）工作频率应小于最高可用频率fmax； （2）使电磁波在D、E层的吸收较小。 （3）多径传输
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4.2 信道的定义及其数学模型
编 信源 码 器 调 制 器 发 转 换 器 收 转 换 器 解 调 器 译 码 器
媒 质
调制信道 编码信道
信宿
调制信道与编码信道
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4.2 信道的定义及其数学模型
4.2.2 信道的数学模型 1．调制信道模型 特性： ①有一对（或多对）输入端和一对（或 多对）输出端； ②信道是线性的，满足叠加原理； ③信道有一定的迟延时间，有损耗； ④即使没有信号输入，输出端仍有一定 的功率输出（噪声）。
多经传播的几种主要形式： （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
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Hale Waihona Puke 4.4 随参信道及其对信号传输的影响
（4）特性 ① 传输损耗较小，因此能以较小功率进行远距离通信； ② 天波通信，特别是短波通信，建立迅速，机动性好，设备简单； ③ 传播距离远，可传输几千公里，甚至几万公里； ④ 受地形限制较小； ⑤ 不易受到人为破坏，这一点在军事通信上有重要意义； ⑥ 传输频带宽度是有限的，由于波段范围较窄，短波电台特别拥挤， 电台间的干扰很大，尤其在夜间； ⑦ 传输可靠性差，电离层中的异常变化（如电离层骚动、电离层暴 变等）会引起较长时间的通信中断，传播可靠性一般只能达到； ⑧ 通信频率必须选择在最佳频率附近，因此需要经常更换工作频率， 因而使用较复杂； ⑨ 存在快衰落与多径时延失真，必须采用相应的抗多径措施； ⑩ 干扰电平高。
e0 (t ) k (t ) ei (t ) n (t )
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4.2 信道的定义及其数学模型
信道对信号的影响主要有：乘性干扰和加 性干扰。 通常乘性干扰是一个复杂的函数，它可能 包括各种线性畸变、非线性畸变，同时由于信 道的迟延、损耗特性随时间作随机变化，故k(t) 只能用随机过程表示。经大量观察表明，有些 信道的k(t)基本不随时间变化，即信道对信号 的影响是固定的或变化极为缓慢，这类信道称 为恒定参数信道。有些信道的k(t) 是随机快变 化的，这类信道称为随机参量信道。
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4.2 信道的定义及其数学模型
二进制编码信道模型图
四进制编码信道模型
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4.3 恒参信道及其对信号传输的影响
4.3.1 恒参信道 1．三种有线电信道 （1）明线 与电缆相比，它的优 点是传输损耗低。但它易 受气候和天气的影响，并 且对外界噪声干扰较敏感 （2）对称电缆 电缆的传输损耗比明 线大得多，但其传输特性 比较稳定。
V 0 f t V0
-jωt0 - jωτ (1+e )
迟延 t0 V 0 f t t 0
V0f(t-t0-τ)←→V0F(ω)e 两径传播模型
-jω(t0+τ)
于是，当两径传播时，模型的传输特性H(ω)为
H V 0 F e
j t 0
1 e
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4.2 信道的定义及其数学模型
对二对端的信号模型，输入与输出的关系：
e 0 ( t ) f [ e i ( t )] n ( t )