通信原理 第四章信道
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阜阳师范学院物电学院
编码信道模型(数字信道)
编码信道对信号传输的影响是将一种数字序 列变成另一种数字序列。 当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码 器的输入端时，由于噪声的存在以及信道带宽的有 限，在传输过程中不可避免会出现差错。则编码信 道模型可用数字的转移概率来描述。 转移概率表示信道输入端数字信号序列到输出 端发生的转移程度。
ei（t） h(t) eo(t)=e i(t)*h(t) +n(t) n(t)
下面首先介绍一种理想的恒参信道。
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理想恒参信道
理想恒参信道的冲激响应为
h(t)=K0δ(t-td)
若 输 入 信 号 为 ei(t) ， 则 理 想 恒 参 信 道 的 输 出 为
eo(t)=K0 ei (t-td)
盖半径约500km的通信区。若在平流层安置250个充氦 飞艇，可以实现覆盖全球90%以上人口的地区。
平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、
延迟时间小、建设快、容量大。它是在研究中的一种通
信手段
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§4.1 无线信道
散射传播 电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上 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
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平流层通信
平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台 (High Altitude Platform Stations,HAPS)代替卫星作
为基站的通信，平台高度距地面17km~22km。
可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置
转发站的平台。若其高度在20km，则可以实现地面覆
由此可见， 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。
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理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延—频率特性
|H(w)|
K0
j (w) w td w
O td
t w
O
w
O
w
a 幅频特性 性
•同轴电缆：具有高带宽和较好的抗干扰特性。
•光纤：光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、
高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。
14
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屏蔽箔
屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线
双绞线示意图
15
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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
大气层对电磁波的影响有哪些？
4
km 0 km
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§4.1 无线信道
电离层(D\E\F1\F2)对于传播 衰 减 的影响 (dB/km)
吸收 反射 散射
水蒸气 氧 气
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰 减 降雨率
大气层（氧气水蒸气和降雨）衰 减 对于传播的影响 (dB/k
图4-4 无线电中继
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卫星通信的概貌
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目前，大多数卫星通信系统选择的工作频段是：
1. UHF波段 400/200MHz
2. L波段 3. C波段 4. X波段 5. Ku波段 6. Ka波段 1.6/1.5GHz 6.0/4.0GHz 8.0/7.0GHz 14.0/12.0GHz;14.0/11.0GHz 30/20GHz
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广义信道 广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与 编码信道。
输 入 编 码 器 调 制 器 发 转 换 器 媒 质 收 转 换 器 解 调 器 译 码 器 输 出
调制信道 编码信道
调制信道和编码信道
调制信道：指图中调制器输出端到解调器输入端 的部分， 又称模拟信道。 研究调制和解调时， 常用调制信道。 编码信道：指图中编码器输出端到译码器输入端 20 的部分，有时又称数字信道/离散信道。
在此模型中，假设解调器每个输出码元的差错发生是
相互独立的， P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)称为转移 概率。其中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。
误码率错误转移概率的统计平均
Pe=P(0)×P(1/0)+P(1)×P(0/1) 二进制编码信道模型的转移概率矩阵为： P(0/0) P(1/0) P(yi/xi)= P(0/1) P(1/1)
eo (t )
n(t )
－ 信道输入端信号电压； － 信道输出端的信号电压； － 噪声电压。
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调制信道的数学模型 Biblioteka Baidu常假设
f [ei (t )] = k ( t )ei ( t )
则调制信道可以写为
eo t k t ei t nt
对 ei
t 的作用。 k(t)的存在，对 e t 来说是一种
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调制信道的数学模型
调制信道模型(模拟信道)
考察调制信道输出信号与输入信号的关系。设输入端与 输出端是一一对应的，可表示为
ei(t) f [ei(t)] n(t) 图4-13 调制信道数学模型 e0(t)
eo (t ) f [ei (t )] n(t )
式中
e i (t )
同轴电缆结构示意图
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外套
绝缘
包层 纤维芯
光纤结构示意图
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光纤
n2 n1 折射率
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
(a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
(c)
单模阶跃折射率光纤
m
图 4-3 视线传播
D 2 D 2 50 2 h 50 8r 50 50
m
增大视线传播距离的其他途径 • 微波中继通信： • 卫星通信：静止卫星、移动卫星 • 平流层通信：
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微波中继通信
使微波中继线路稳定可靠，每隔40～60公里便要配置 一个中继站。一般以相距46公里为一个标准段。 微波中继通信常用于电缆无法铺设或极难铺设的地 方,而且相对而言，线路铺设简单, 建设周期短,投 资少。 是二十世纪六七十年代世界各国干线通信的主要传 输手段之一。
i
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k(t)依赖于网络的特性， k t ei t 反映网络特性
干扰，通常称为乘性干扰。
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恒参信道和随参信道
在分析乘性干扰k(t)，可以把信道粗略分为两大类：
恒参信道：指 k(t) 可看成不随时间变化或相对于信道
上传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常
可等效为一个线性时不变网络来分析）。 随参信道：是非恒参信道的统称，或者说， k(t)是 随机变化的调制信道。 本书的模拟和数字通信系统中主要讨论具有加性高 斯白噪声的恒参信道的情况。
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(a) 插入损耗～频率特性
图4-16：典型电话信道特性
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2、相频失真
如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内 不是ω的线性函数， 则会使信号产生相位 -频率失 真。常用群迟延—频率特性来衡量。
产生原因：信道中的各种滤波器及可能有的加感 线圈引起的；
地球
有效散射区域
图4-7 对流层散射通信
12
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流星流星余迹散射
流星余迹
图4-8 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
信道中的干扰：
有源干扰 － 噪声 无源干扰 － 传输特性不良
本章重点：
介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于 3 信号传输的影响。
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§4.1 无线信道
无线信道电磁波的频率 － 受天线尺寸限制 一般天线为波长的1/10（
c/ f
）。
电离层 平流层 对流层 地 面
地球大气层的结构: 对流层：地面上 0 ~ 10 km 60 平流层：约10 ～ 60 km km 电离层：约60 ～ 400 km 10
7～10
图4-11 光纤结构示意图
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§4.3 信道的数学模型
有线信道 狭义信道：信号的传输媒质 信道 无线信道 广义信道：媒质及有关变换 调制信道
（信号通道）
装置（发送、接受设备，天
线、馈线，调制解调器等）
编码信道
定义广义信道的原因：只关心变换的最终结果，而无 需关心详细的物理过程。
传播路径 地 面
图4-1 地波传播
信号传播路径
地面
图 4-2 天波传播
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§4.1 无线信道
传播途径
视线传播：
d
发射天线
h
d D
接收天线
频率 > 30 MHz 距离: 和天线高度有关
h D D 8r 50
2 2
r
r
地面
(4.1-3) 式中，D – 收发天线间距离(km)。 [例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
b 相频特性
c 群迟延特
理想恒参信道在整个信号频带范围之内：
幅频特性和群迟延-频率特性为常数；
相频特性为ω的线性函数。
实际中，传输特性可能偏离 理想信道特性，产生失真：
对ei(t)的不同频率成份 进行相同的幅度衰减和 时延。
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dw tw dw
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1、幅频失真 如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不 是常数，即信号在不同的频点的衰耗不同，导致波形 失失真（或码间串扰），信号产生幅度 - 频率失真 （又称为频率失真）； 产生原因：由于各种滤波器、混合线圈、串联电容、 分路电感等造成引起的； 产生影响：模拟波形失真：信噪比下降；数字信号： 码间串扰,造成误码； 改变方法：可以通过改善滤波特性或增加线性补偿 网络（幅度均衡器）来改善，使衰耗特性平坦。
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最常见的无记忆的二进制数字传输系统的一 种简单的编码信道模型如图4-14所示。
0
P(0/0) P(1/0) P(0/1) P(1/1) 图4-14 二进制编码信道模型 0
x
1
y
1
（所谓信道无记忆是指：一码元的差错与 其前后码元的差错发生是相互独立的。)
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第四章 信道
主讲：赵发勇 阜阳师范学院物电学院
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目录 概述 §4.1 无线信道 §4.2 有线线道 §4.3 信道的数学模 型 §4.4 信道特性对信号传输的影响 §4.5 信道中的噪声 §4.6 信道容量
2
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概述
有线信道
信道:传输媒质 （信号通道） 无线信道
13
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§4.2 有线信道
•架空明线：架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝
缘的裸线，它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。
•双绞线：双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两
条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结 构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞 线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用 金属丝编织而成的屏蔽层
产生影响：对模拟语音信号影响不大；数字信号： 码间串扰，造成误码；
改变方法：可以通过改善滤波特性或增加线性补 偿网络（相位均衡器）来改善。
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群延迟-频率特性影响分析
例：非单一频率的信号通过该信道时，引起信号
的畸变
群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变。因此， 也可采取均衡措施进行补偿。
注意：转移概率完全由编码信道特性决定。一个特定
的编码信道，有确定的转移概率。
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§4.4 信道特性对信号传输的影响 一、恒参信道 举例：各种有线信道和部分无线信道，如卫星通 信链路信道，微波中继链路信道，… 恒参信道 实质是 非时变线性网络 信号通过
线性系统的分析方法（假设输入源这确知信号）
散射 吸收
m)
频率(GHz) (b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
5
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§4.1 无线信道 电磁波的分类
地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 中波主要靠地波 天波（电离层反射波） 频率：2 ~ 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：< 4000 km 寂静区： 短波的传播主要靠天波
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编码信道模型(数字信道)
编码信道对信号传输的影响是将一种数字序 列变成另一种数字序列。 当编码信道把编码器输出的数字信号传输到解码 器的输入端时，由于噪声的存在以及信道带宽的有 限，在传输过程中不可避免会出现差错。则编码信 道模型可用数字的转移概率来描述。 转移概率表示信道输入端数字信号序列到输出 端发生的转移程度。
ei（t） h(t) eo(t)=e i(t)*h(t) +n(t) n(t)
下面首先介绍一种理想的恒参信道。
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理想恒参信道
理想恒参信道的冲激响应为
h(t)=K0δ(t-td)
若 输 入 信 号 为 ei(t) ， 则 理 想 恒 参 信 道 的 输 出 为
eo(t)=K0 ei (t-td)
盖半径约500km的通信区。若在平流层安置250个充氦 飞艇，可以实现覆盖全球90%以上人口的地区。
平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、
延迟时间小、建设快、容量大。它是在研究中的一种通
信手段
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§4.1 无线信道
散射传播 电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上 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
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平流层通信
平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台 (High Altitude Platform Stations,HAPS)代替卫星作
为基站的通信，平台高度距地面17km~22km。
可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机作为安置
转发站的平台。若其高度在20km，则可以实现地面覆
由此可见， 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。
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理想信道的幅频特性、 相频特性和群迟延—频率特性
|H(w)|
K0
j (w) w td w
O td
t w
O
w
O
w
a 幅频特性 性
•同轴电缆：具有高带宽和较好的抗干扰特性。
•光纤：光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、
高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。
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屏蔽箔
屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线
双绞线示意图
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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
大气层对电磁波的影响有哪些？
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km 0 km
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§4.1 无线信道
电离层(D\E\F1\F2)对于传播 衰 减 的影响 (dB/km)
吸收 反射 散射
水蒸气 氧 气
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰 减 降雨率
大气层（氧气水蒸气和降雨）衰 减 对于传播的影响 (dB/k
图4-4 无线电中继
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卫星通信的概貌
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目前，大多数卫星通信系统选择的工作频段是：
1. UHF波段 400/200MHz
2. L波段 3. C波段 4. X波段 5. Ku波段 6. Ka波段 1.6/1.5GHz 6.0/4.0GHz 8.0/7.0GHz 14.0/12.0GHz;14.0/11.0GHz 30/20GHz
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广义信道 广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与 编码信道。
输 入 编 码 器 调 制 器 发 转 换 器 媒 质 收 转 换 器 解 调 器 译 码 器 输 出
调制信道 编码信道
调制信道和编码信道
调制信道：指图中调制器输出端到解调器输入端 的部分， 又称模拟信道。 研究调制和解调时， 常用调制信道。 编码信道：指图中编码器输出端到译码器输入端 20 的部分，有时又称数字信道/离散信道。
在此模型中，假设解调器每个输出码元的差错发生是
相互独立的， P(0/0)、P(0/1)、P(1/1)、P(1/0)称为转移 概率。其中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。
误码率错误转移概率的统计平均
Pe=P(0)×P(1/0)+P(1)×P(0/1) 二进制编码信道模型的转移概率矩阵为： P(0/0) P(1/0) P(yi/xi)= P(0/1) P(1/1)
eo (t )
n(t )
－ 信道输入端信号电压； － 信道输出端的信号电压； － 噪声电压。
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调制信道的数学模型 Biblioteka Baidu常假设
f [ei (t )] = k ( t )ei ( t )
则调制信道可以写为
eo t k t ei t nt
对 ei
t 的作用。 k(t)的存在，对 e t 来说是一种
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调制信道的数学模型
调制信道模型(模拟信道)
考察调制信道输出信号与输入信号的关系。设输入端与 输出端是一一对应的，可表示为
ei(t) f [ei(t)] n(t) 图4-13 调制信道数学模型 e0(t)
eo (t ) f [ei (t )] n(t )
式中
e i (t )
同轴电缆结构示意图
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外套
绝缘
包层 纤维芯
光纤结构示意图
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光纤
n2 n1 折射率
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
(a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
(c)
单模阶跃折射率光纤
m
图 4-3 视线传播
D 2 D 2 50 2 h 50 8r 50 50
m
增大视线传播距离的其他途径 • 微波中继通信： • 卫星通信：静止卫星、移动卫星 • 平流层通信：
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微波中继通信
使微波中继线路稳定可靠，每隔40～60公里便要配置 一个中继站。一般以相距46公里为一个标准段。 微波中继通信常用于电缆无法铺设或极难铺设的地 方,而且相对而言，线路铺设简单, 建设周期短,投 资少。 是二十世纪六七十年代世界各国干线通信的主要传 输手段之一。
i
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k(t)依赖于网络的特性， k t ei t 反映网络特性
干扰，通常称为乘性干扰。
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恒参信道和随参信道
在分析乘性干扰k(t)，可以把信道粗略分为两大类：
恒参信道：指 k(t) 可看成不随时间变化或相对于信道
上传输信号的变化较为缓慢的调制信道（常
可等效为一个线性时不变网络来分析）。 随参信道：是非恒参信道的统称，或者说， k(t)是 随机变化的调制信道。 本书的模拟和数字通信系统中主要讨论具有加性高 斯白噪声的恒参信道的情况。
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(a) 插入损耗～频率特性
图4-16：典型电话信道特性
31
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2、相频失真
如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内 不是ω的线性函数， 则会使信号产生相位 -频率失 真。常用群迟延—频率特性来衡量。
产生原因：信道中的各种滤波器及可能有的加感 线圈引起的；
地球
有效散射区域
图4-7 对流层散射通信
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流星流星余迹散射
流星余迹
图4-8 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
信道中的干扰：
有源干扰 － 噪声 无源干扰 － 传输特性不良
本章重点：
介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于 3 信号传输的影响。
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§4.1 无线信道
无线信道电磁波的频率 － 受天线尺寸限制 一般天线为波长的1/10（
c/ f
）。
电离层 平流层 对流层 地 面
地球大气层的结构: 对流层：地面上 0 ~ 10 km 60 平流层：约10 ～ 60 km km 电离层：约60 ～ 400 km 10
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图4-11 光纤结构示意图
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§4.3 信道的数学模型
有线信道 狭义信道：信号的传输媒质 信道 无线信道 广义信道：媒质及有关变换 调制信道
（信号通道）
装置（发送、接受设备，天
线、馈线，调制解调器等）
编码信道
定义广义信道的原因：只关心变换的最终结果，而无 需关心详细的物理过程。
传播路径 地 面
图4-1 地波传播
信号传播路径
地面
图 4-2 天波传播
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§4.1 无线信道
传播途径
视线传播：
d
发射天线
h
d D
接收天线
频率 > 30 MHz 距离: 和天线高度有关
h D D 8r 50
2 2
r
r
地面
(4.1-3) 式中，D – 收发天线间距离(km)。 [例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
b 相频特性
c 群迟延特
理想恒参信道在整个信号频带范围之内：
幅频特性和群迟延-频率特性为常数；
相频特性为ω的线性函数。
实际中，传输特性可能偏离 理想信道特性，产生失真：
对ei(t)的不同频率成份 进行相同的幅度衰减和 时延。
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dw tw dw
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1、幅频失真 如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不 是常数，即信号在不同的频点的衰耗不同，导致波形 失失真（或码间串扰），信号产生幅度 - 频率失真 （又称为频率失真）； 产生原因：由于各种滤波器、混合线圈、串联电容、 分路电感等造成引起的； 产生影响：模拟波形失真：信噪比下降；数字信号： 码间串扰,造成误码； 改变方法：可以通过改善滤波特性或增加线性补偿 网络（幅度均衡器）来改善，使衰耗特性平坦。
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最常见的无记忆的二进制数字传输系统的一 种简单的编码信道模型如图4-14所示。
0
P(0/0) P(1/0) P(0/1) P(1/1) 图4-14 二进制编码信道模型 0
x
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y
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（所谓信道无记忆是指：一码元的差错与 其前后码元的差错发生是相互独立的。)
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第四章 信道
主讲：赵发勇 阜阳师范学院物电学院
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目录 概述 §4.1 无线信道 §4.2 有线线道 §4.3 信道的数学模 型 §4.4 信道特性对信号传输的影响 §4.5 信道中的噪声 §4.6 信道容量
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概述
有线信道
信道:传输媒质 （信号通道） 无线信道
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§4.2 有线信道
•架空明线：架空明线，即在电线杆上架设的互相平行而绝
缘的裸线，它是一种在20世纪初就已经大量使用的通信介质。
•双绞线：双绞线又称为双扭线，它是由若干对且每对有两
条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。采用这种绞合结 构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞 线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个用 金属丝编织而成的屏蔽层
产生影响：对模拟语音信号影响不大；数字信号： 码间串扰，造成误码；
改变方法：可以通过改善滤波特性或增加线性补 偿网络（相位均衡器）来改善。
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群延迟-频率特性影响分析
例：非单一频率的信号通过该信道时，引起信号
的畸变
群迟延畸变和幅频畸变一样，是线性畸变。因此， 也可采取均衡措施进行补偿。
注意：转移概率完全由编码信道特性决定。一个特定
的编码信道，有确定的转移概率。
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§4.4 信道特性对信号传输的影响 一、恒参信道 举例：各种有线信道和部分无线信道，如卫星通 信链路信道，微波中继链路信道，… 恒参信道 实质是 非时变线性网络 信号通过
线性系统的分析方法（假设输入源这确知信号）
散射 吸收
m)
频率(GHz) (b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
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§4.1 无线信道 电磁波的分类
地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离：数百或数千千米 中波主要靠地波 天波（电离层反射波） 频率：2 ~ 30 MHz 特点：被电离层反射 一次反射距离：< 4000 km 寂静区： 短波的传播主要靠天波