TN-0780數(shù)字通信技術(shù)第一章

第1章緒論 1 1通信的概念1 2通信系統(tǒng)1 3通信方式1 4信道與噪聲1 5信號(hào)頻譜與信道通頻帶1 6信息理論的基本知識(shí)1 7多路復(fù)用的基本概念1 8通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1 9通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 1 1通信的概念 1 1 1通信的概念所謂通信 簡(jiǎn)單而言就是指消息的傳遞 因此 通信的基本任務(wù)是解決兩地之間的消息傳遞或交換 消息的傳遞或交換就是現(xiàn)代所說的信息交流 顯然 人類之間的溝通 交流離不開通信 隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展 現(xiàn)代的各種 通信 基本上都是借助電信號(hào) 含光信號(hào) 實(shí)現(xiàn)的 因此通常所說的 通信 就是指的電通信 本書所述 通信 如無(wú)特殊說明均指 電通信 所述的 信號(hào) 均指 電信號(hào) 1 1 2通信的種類1 按信號(hào)特征分類按信號(hào)特征分類可以將通信分成模擬通信和數(shù)字通信 信號(hào)的某一參量 如振幅 頻率 相位等 可以取無(wú)限多個(gè)數(shù)值 且直接與消息本身的物理量變化相對(duì)應(yīng)的 稱為模擬信號(hào) 信號(hào)的某一參量只能取有限個(gè)數(shù)值 且時(shí)間上離散的 常常不與消息本身的物理量直接相對(duì)應(yīng)的 稱為數(shù)字信號(hào) 2 按傳輸媒質(zhì)分類通信按照使用的傳輸媒質(zhì)的形態(tài)可以分成有線通信和無(wú)線通信兩大類 典型的有線通信如電話 有線電視 海底光纜等 需要依靠如架空明線 同軸電纜 光導(dǎo)纖維或波導(dǎo)管等有形的傳輸媒質(zhì)完成通信任務(wù) 而典型的無(wú)線通信如移動(dòng)通信 無(wú)線廣播 衛(wèi)星通信等均是依靠電磁波在空間的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的通信 3 按傳輸方式分類根據(jù)信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中是否進(jìn)行了調(diào)制 可將通信分成基帶傳輸和頻帶傳輸兩種 一般來(lái)說將消息直接轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)稱為基帶信號(hào) 傳輸基帶信號(hào)的通信稱為基帶傳輸系統(tǒng) 基帶信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào) 如果通信中傳輸?shù)男盘?hào)是頻帶信號(hào) 則稱為頻帶傳輸 4 按工作波段分類按照通信工作中信號(hào)的不同頻段可以將其分為長(zhǎng)波通信 中波通信 短波通信和光通信等 5 按通信終端是否運(yùn)動(dòng)分類按通信終端是否具備移動(dòng)的條件劃分 可將通信劃分為固定通信和移動(dòng)通信 移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方處于運(yùn)動(dòng)中的通信 6 按通信業(yè)務(wù)分類通信按其業(yè)務(wù)類型劃分 可分為話務(wù)通信和非話務(wù)通信 電話作為話務(wù)通信的代表一直在通信領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位 但隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和因特網(wǎng)的普及 各種數(shù)據(jù)通信 圖像 視頻通信等非話務(wù)業(yè)務(wù)量正大幅度增長(zhǎng) 正逐漸成為通信業(yè)務(wù)的主流 7 按信道的復(fù)用分類通信的多路信號(hào)傳輸主要有三種信道復(fù)用技術(shù) 即頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用 模擬通信主要采用頻分復(fù)用方式 數(shù)字通信則主要采用時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用技術(shù) 1 2通信系統(tǒng) 1 2 1通信系統(tǒng)的組成實(shí)現(xiàn)消息傳遞所需的全部技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介的總和稱為通信系統(tǒng) 其模型方框圖如圖1 1所示 由信源 發(fā)送設(shè)備 信道 包括噪聲 接收設(shè)備和信宿五部分組成 圖1 1通信系統(tǒng)的基本模型 1 信源信源又稱為信息源或發(fā)終端 是信息的產(chǎn)生地 是各種消息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器 信源輸出的信號(hào)稱為基帶信號(hào) 根據(jù)消息的內(nèi)容不同 信源可以分成音頻信源 視頻信源和數(shù)據(jù)信源等 而根據(jù)轉(zhuǎn)換后輸出的基帶信號(hào)的類型 又可將信源分為模擬信源和數(shù)字信源 2 發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源與傳輸媒介匹配起來(lái) 即將信源產(chǎn)生的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)形式 變換的形式多種多樣 在模擬通信系統(tǒng)中的主要變換方式是調(diào)制 在數(shù)字通信系統(tǒng)中的主要變換方式是編碼 3 信道和噪聲從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過的媒介稱為信道 它可以是有線的 也可以是無(wú)線的 即信道分成有線和無(wú)線兩種 在信號(hào)的傳輸過程中 通信設(shè)備必然會(huì)受到來(lái)自內(nèi)外各方面的噪聲干擾 通信的各個(gè)環(huán)節(jié)以及每一臺(tái)設(shè)備都有可能產(chǎn)生噪聲 為了便于分析問題 將各種噪聲等效為由信道引入 4 接收設(shè)備接收設(shè)備是接收端各種設(shè)備的總稱 其功能與發(fā)送設(shè)備的功能正好相反 它的主要任務(wù)是從接收到的帶有干擾的信號(hào)中正確恢復(fù)原始基帶信號(hào) 如解調(diào) 譯碼等 5 信宿信宿又稱為受信者或接收終端 是信息傳輸?shù)慕K點(diǎn) 其作用是將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換 還原 成原始的消息 二 信號(hào)的分貝表示法分貝是由貝爾 Bel 導(dǎo)出的 貝爾是為了度量?jī)蓚€(gè)物理量 N1和N2 的比值而設(shè)定的計(jì)量單位 其定義式為R lg N1 N2 1 1 式中l(wèi)g 以10為底的常用對(duì)數(shù) 1Bel在實(shí)際測(cè)量中往往太大 因此 常用其1 10作為測(cè)量單位 這就是1dB 分貝 decibels 由定義可得1Bel 10dB把該等式代入式 1 1 即為分貝定義式R 10lg N1 N2 1 2 在無(wú)線電技術(shù)中 常用分貝來(lái)表示放大電路的增益和一些物理量的大小 例如電功率 電壓 電流等 1 2 2模擬通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)主要分為兩大類 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)的傳送 接收和處理過程的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng) 系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖1 2所示 圖1 2模擬通信系統(tǒng)基本構(gòu)成 模擬通信系統(tǒng)的工作過程主要完成兩類變換 一是原始消息和基帶電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換 把原始消息轉(zhuǎn)換成基帶電信號(hào)的過程由信源完成 而把基帶電信號(hào)恢復(fù)成為原始消息的過程由信宿完成 二是基帶信號(hào)和頻帶信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換 把信源發(fā)出的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)的過程由調(diào)制器完成 而把接收到的帶有噪聲的頻帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)的過程由解調(diào)器完成 通信系統(tǒng)完成通信任務(wù)的過程就是對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)兩類變換的過程 在通信過程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波 放大 發(fā)射 接收和控制等都是為兩類變換服務(wù)的 在實(shí)際中由于基帶信號(hào)下限頻率較低 相對(duì)帶寬較大 通常不適合在信道中直接傳輸 一般均把它變換成為較適合于信道傳輸?shù)念l帶信號(hào) 頻帶信號(hào)又稱為已調(diào)信號(hào) 它具有三個(gè)特點(diǎn) 1 攜帶有基帶信號(hào)的信息 2 相對(duì)于基帶信號(hào) 其中心頻率較高 3 便于在信道中傳輸 可見調(diào)制器在模擬通信系統(tǒng)中的作用非常重要 按照調(diào)制方式的不同調(diào)制器又可分為連續(xù)波調(diào)制系統(tǒng)和脈沖波調(diào)制系統(tǒng) 前者包括振幅調(diào)制系統(tǒng) 頻率調(diào)制系統(tǒng) 后者包括脈沖幅度調(diào)制 脈沖相位調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制等系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單 成本較低 缺點(diǎn)是抗干擾能力差 不易保密 不便于與計(jì)算機(jī)連接等 1 2 3數(shù)字通信系統(tǒng)在系統(tǒng)中傳輸 接收和處理的是數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)的一般構(gòu)成如圖1 3所示 圖1 3數(shù)字通信系統(tǒng)的一般構(gòu)成 由圖可見 數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)相比就是在調(diào)制器之前增加了兩個(gè)編碼器 相應(yīng)地在解調(diào)器之后增加了兩個(gè)譯碼器 其余部分與模擬通信系統(tǒng)基本一致 信源編碼的主要任務(wù)是完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)壓縮 如果信源送來(lái)的是模擬信號(hào) 那么信源編碼還需包含一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 信源編碼可以提高通信系統(tǒng)的有效性 接收端的信源譯碼的作用與信源編碼相對(duì)應(yīng) 信道編碼又稱為抗干擾編碼或糾錯(cuò)編碼 它將信源編碼器輸出的數(shù)字基帶信號(hào)按照一定的規(guī)律人為地加入多余碼元 以便在接收端的信道譯碼器中發(fā)現(xiàn)或糾正碼元在傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤 這樣可以降低碼元傳輸?shù)腻e(cuò)誤概率 提高通信系統(tǒng)的可靠性 調(diào)制器對(duì)經(jīng)過前述兩種編碼得到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 調(diào)制的方法可以和模擬通信的調(diào)制方法一致 但考慮到數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn) 數(shù)字調(diào)制往往采用鍵控方式調(diào)制 如振幅鍵控 ASK 頻率鍵控 FSK 和相位鍵控 PSK 解調(diào)也相應(yīng)地可以采用與模擬調(diào)制一致的方法 但更多地采用與三種鍵控調(diào)制相對(duì)應(yīng)的解調(diào)器 顯然 保持收 發(fā)端同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中非常重要的問題 即數(shù)字通信系統(tǒng)收發(fā)兩端必須同步 只有建立一種收發(fā)兩端相對(duì)一致的時(shí)間關(guān)系 才能確定每一碼元的起止時(shí)刻 并確保接收碼組和發(fā)送碼組之間的正確對(duì)應(yīng)關(guān)系 最終實(shí)現(xiàn)通信任務(wù) 實(shí)現(xiàn)同步的主要形式有 位同步 碼元同步 幀同步和載波同步等 與模擬通信系統(tǒng)相比數(shù)字通信系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn) 1 抗噪聲性能好 可采用再生中繼的辦法消除噪聲積累 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量 遠(yuǎn)距離通信 2 由于采用了信道編碼技術(shù)使通信誤碼率降低 大大提高了通信的可靠性 3 便于加密 保密性好 4 便于與計(jì)算機(jī)等數(shù)字終端設(shè)備連接 方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理 存儲(chǔ)和交換 5 易于實(shí)現(xiàn)集成化 小型化 當(dāng)然 數(shù)字通信系統(tǒng)也由一些缺點(diǎn) 如系統(tǒng)和設(shè)備較復(fù)雜 占用頻帶較寬等 其中最突出的就是占用頻帶過寬問題 1 3通信方式 通信方式指通信雙方或各方之間的工作形式和信號(hào)傳輸方式 根據(jù)不同角度考慮 通信方式有多種分類方法 1 3 1從通信終端的數(shù)量分類點(diǎn)到點(diǎn)通信 在兩個(gè)通信終端之間的進(jìn)行的通信 點(diǎn)到多點(diǎn)通信 一個(gè)終端對(duì)多個(gè)終端之間的通信 多點(diǎn)到多點(diǎn)之間的通信 多個(gè)終端與多個(gè)終端之間的通信 如圖1 4所示 圖1 4通信終端的數(shù)量分類 1 3 2從信號(hào)的傳輸方向和時(shí)間分類單工通信 在任何時(shí)刻 信號(hào)都只能向一個(gè)方向單向傳輸?shù)姆绞?如廣播等 半雙工傳輸 信號(hào)可以在兩個(gè)方向傳輸 但不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙向傳輸 如對(duì)講機(jī)等 全雙工傳輸 任何時(shí)刻 信號(hào)都可以同時(shí)在兩個(gè)方向傳輸 如電話機(jī)等 這種方式使用最多 三種通信方式示意圖 如圖1 5所示 圖1 5信號(hào)的傳輸方向和時(shí)間分類 1 3 3從信號(hào)的傳輸順序分類根據(jù)信號(hào)的傳送順序主要有兩種信號(hào)傳輸方式 串行傳輸和并行傳輸 所謂串行傳輸是指各路信號(hào)在同一條信道上一個(gè)接一個(gè)依次傳送的方式 而并行傳輸則是指各路信號(hào)在多條信道上同時(shí)進(jìn)行傳送的方式 如圖1 6所示 圖1 6信號(hào)的傳輸順序分類 1 3 4從通信終端的連接方式分類直聯(lián)方式是指各通信終端之間均有直聯(lián)線路 可以直接進(jìn)行通信的方式 而交換方式則是指通信終端之間沒有直聯(lián)線路 需要經(jīng)過交換設(shè)備進(jìn)行連接的通信方式 如圖1 7所示 圖1 7通信終端的連接方式分類 1 3 5從同步方式不同分類按同步方式不同可分為異步傳輸和同步傳輸兩種 異步傳輸 收發(fā)兩端不需進(jìn)行同步控制的通信方式 同步傳輸 收發(fā)兩端必須進(jìn)行同步控制的通信方式 1 4信道與噪聲 1 4 1信道的概念一般而言 信號(hào)的傳輸通道就稱為信道 在通信理論中 通常將僅包含傳輸介質(zhì)的信道稱為狹義信道 另一方面 除了傳輸介質(zhì)之外 信號(hào)的傳輸還將經(jīng)過很多設(shè)備 如饋線與天線 調(diào)制器和解調(diào)器 放大器等 顯然這些設(shè)備也是信號(hào)的傳輸通道 均應(yīng)包含在信道以內(nèi) 稱為廣義信道 狹義信道是廣義信道十分重要的組成部分 其特性在很大程度上決定了通信系統(tǒng)通信效果的好壞 廣義信道是從信號(hào)傳輸?shù)挠^點(diǎn)出發(fā) 從功能上可以將廣義信道劃分為調(diào)制信道和編碼信道 其劃分如圖1 8所示 圖1 8調(diào)制信道和編碼信道劃分 1 調(diào)制信道調(diào)制信道的輸入和輸出均是已調(diào)信號(hào) 既可以是數(shù)字已調(diào)信號(hào) 也可以是模擬已調(diào)信號(hào) 由于已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)值是連續(xù)變化的 所以又常將調(diào)制信道稱為連續(xù)信道或模擬信道 根據(jù)信道特性參數(shù)的變化速度 可將調(diào)制信道分為恒參信道和隨參信道 恒參信道的參數(shù)隨時(shí)間的變化緩慢或不隨時(shí)間變化 隨參信道 或稱變參信道 的參數(shù)隨時(shí)間隨機(jī)變化 一般情況下可以認(rèn)為 有線信道基本上是恒參信道 無(wú)線信道基本上是隨參信道 2 編碼信道編碼信道是從研究編碼和解碼的角度定義的 無(wú)論是信源編碼或是信道編碼 傳輸?shù)亩际请x散的數(shù)字信號(hào) 所以編碼信道又稱為離散信道 編碼信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信息 根據(jù)傳輸信息的碼元差錯(cuò)與前后碼元差錯(cuò)是否相關(guān) 可將編碼信道劃分為無(wú)記憶信道和有記憶信道 如果當(dāng)前碼元的錯(cuò)誤與前后碼元的錯(cuò)誤無(wú)關(guān) 則稱該信道為無(wú)記憶信道 如果當(dāng)前的碼元錯(cuò)誤與前后碼元的錯(cuò)誤相互關(guān)聯(lián) 則稱該信道為有記憶信道 由圖可見 編碼信道包含調(diào)制信道 故其性能會(huì)受調(diào)制信道性能的影響 1 4 2傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)主要指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理介質(zhì) 它屬于狹義信道 按照其特性可分為有線和無(wú)線介質(zhì) 1 有線介質(zhì)有線介質(zhì)包括架空明線 電纜 波導(dǎo)和光纖等可以看得見的 有形的傳輸介質(zhì) 2 無(wú)線介質(zhì)無(wú)線介質(zhì)主要由無(wú)線電波和光波作為傳輸載體 在光波中常用的信號(hào)載體是激光 紅外線等 在無(wú)線電波中主要有中長(zhǎng)波地表傳播 短波電離層反射 微波視距傳播 含微波接力和衛(wèi)星通信 等傳播方式 一般來(lái)說 有線介質(zhì)的傳輸特性穩(wěn)定 可靠性高 無(wú)線介質(zhì)則具有方便 靈活 可移動(dòng)等特點(diǎn) 1 4 3噪聲1 信號(hào)在通信技術(shù)中 任何消息都是以電信號(hào)的形式描述 并加以處理 存儲(chǔ)和傳輸?shù)?因此 我們把能夠表示信息的電壓 電流及電磁波 或光波 統(tǒng)稱為信號(hào) 信號(hào)的基本特征是具有可觀測(cè)性 可變化性和可實(shí)現(xiàn)性 信號(hào)有多種形式和類型 通?？勺饕韵路诸?1 信息載體分類 光信號(hào)和電信號(hào) 2 信息內(nèi)容分類 語(yǔ)音 圖像 數(shù)據(jù)等 3 是否調(diào)制分類 基帶信號(hào)和頻帶信號(hào) 4 信號(hào)特征分類 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 5 傳輸介質(zhì)分類 有線信號(hào)和無(wú)線信號(hào) 6 變化特點(diǎn)和規(guī)律分類 周期信號(hào)和非周期信號(hào) 確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào) 2 噪聲概括地講 通信系統(tǒng)中不攜帶有用信息的信號(hào)均可稱為噪聲 噪聲的種類很多 按照其來(lái)源劃分 可以分成人為噪聲 自然噪聲和內(nèi)部噪聲三種 根據(jù)噪聲的性質(zhì) 可將噪聲劃分為單頻噪聲 脈沖噪聲和起伏噪聲 根據(jù)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性劃分 常見的是白噪聲 白噪聲的功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù) 服從均勻分布 因其功率譜分布類似于可見光譜內(nèi)的白光 故稱為白噪聲 另外一種常見的噪聲類型是高斯噪聲 是指噪聲的概率密度函數(shù)服從高斯分布 正態(tài)分布 對(duì)于功率譜密度函數(shù)為常數(shù) 同時(shí)概率密度函數(shù)又服從高斯分布的噪聲則稱為高斯型白噪聲或高斯白噪聲 1 5信號(hào)頻譜與信道通頻帶 1 5 1頻譜對(duì)信號(hào)的描述可以有兩種描述方法 即時(shí)域法和頻域法 信號(hào)在時(shí)間域和頻率域的特性是不同的 時(shí)間域主要研究信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的情況 可以用信號(hào)的時(shí)間波形來(lái)反映 頻率域研究的是信號(hào)幅度在頻率域中的分布情況 或者說信號(hào)中所含的頻率成分在頻率域的分布 也可以理解為信號(hào)在頻率域的 波形 可用信號(hào)的頻譜圖來(lái)反映 可見所謂頻譜就是信號(hào)中所含的頻率成分在頻率域的分布情況 如音頻信號(hào)的頻率范圍大約是20Hz 20kHz 即其頻譜分布在20Hz 20kHz之間 1 5 2周期信號(hào)頻譜由數(shù)學(xué)知識(shí)知道 一個(gè)周期信號(hào)總是可以近似地用一直流分量 基波 與該周期信號(hào)同頻率的正弦波 和一系列諧波 基波頻率的整數(shù)倍 頻率成分的線性疊加表示 這些頻率成分在頻率域的分布 就是該周期信號(hào)的頻譜 對(duì)于一個(gè)周期性的方波信號(hào) 可以把它看作為其基波和各次諧波的線性疊加 如圖1 9所示 圖中分別示出了含基波 3次諧波 5次諧波和7次諧波疊加波形的情況以及頻譜的大致分布情況 顯然隨著諧波次數(shù)的增加 波形越接近方波 圖中虛線所示 圖1 9方波及其諧波逼近 頻譜分布示意圖 由圖可知 周期信號(hào)的基波決定信號(hào)波形的大體形狀 諧波決定信號(hào)波形的細(xì)節(jié) 周期信號(hào)的頻譜具有三個(gè)特點(diǎn) 1 離散性 頻譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍處 即各次諧波點(diǎn)上 且譜線間隔就是基頻 2 諧波性 各次諧波幅度 譜線高低 隨諧波次數(shù)的增加而逐步減小 3 收斂性 諧波幅度的衰減速度與信號(hào)的時(shí)域波形有關(guān) 信號(hào)時(shí)域波形變化得越慢 頻譜衰減越快 說明信號(hào)中高頻成分少 反之 信號(hào)時(shí)域波形變化越快 頻譜衰減越慢 說明信號(hào)中高頻成分多 1 5 3非周期信號(hào)頻譜任何一個(gè)信號(hào)都具有頻譜 對(duì)于非周期信號(hào) 其頻譜具有連續(xù)性 非周期性的特點(diǎn) 但根據(jù)其頻譜分布范圍分為頻帶有限信號(hào)和頻帶無(wú)限信號(hào) 頻帶有限信號(hào)又分為低通型信號(hào)和帶通型信號(hào) 如圖1 10所示 前面討論的基帶信號(hào)就是低通型信號(hào) 頻帶信號(hào)就是帶通型信號(hào) 圖1 10低通型和帶通型信號(hào)頻譜分布示意圖 1 5 4信道通頻帶要實(shí)現(xiàn)通信 信號(hào)必須經(jīng)由信道傳輸 任何一種信道 不論是廣義信道還是狹義信道 都必然會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸有一定的影響 信道對(duì)信號(hào)的影響主要表現(xiàn)在兩方面 1 對(duì)信號(hào)中不同頻率成分幅度的衰減 即信號(hào)經(jīng)過信道后 信號(hào)幅度隨頻率變化的關(guān)系 又稱為信道的幅頻特性 2 對(duì)信號(hào)中不同頻率成分相位的延時(shí) 即信號(hào)經(jīng)過信道后 信號(hào)的相位隨頻率變化的關(guān)系 又稱為信道的相頻特性 信道對(duì)信號(hào)這兩方面的影響統(tǒng)稱為信道的頻率特性 經(jīng)過信道輸出的信號(hào)幅度與頻率變化之間的關(guān)系曲線叫頻率響應(yīng)曲線 簡(jiǎn)稱頻響曲線 通常我們以信號(hào)輸出幅度最大值為標(biāo)準(zhǔn) 定義信號(hào)輸出幅度下降到最大值的70 時(shí)的頻率稱為截止頻率 上下截止頻率之間的頻段稱為信道的通頻帶 如果換算為分貝 dB 則上下截止頻率點(diǎn)正好是信號(hào)下降3分貝的頻率點(diǎn) 因此 工程上又稱信道通頻帶為3分貝帶寬 實(shí)際工程上 對(duì)信道通頻帶的要求通常是帶寬盡量寬比較好 但有些情況下也需要窄帶 如選頻網(wǎng)絡(luò) 如圖1 11所示 其次就是信道的頻響曲線在通頻帶內(nèi)越平坦越好 圖1 11通頻帶示意圖 1 6信息理論的基本知識(shí) 1 6 1信息及其度量傳遞信息是通信系統(tǒng)的基本任務(wù) 在傳輸過程中 信息是以各種具體的電信號(hào)形式表現(xiàn)出來(lái)的 為了對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析 需要對(duì)信息進(jìn)行度量 我們把能夠衡量信息大小的物理量定義為信息量 用I表示 信息理論研究表明 信息量的大小與消息中事件的發(fā)生概率有關(guān) 事件發(fā)生概率越小 信息量越大 顯然 若消息中包含的事件必然發(fā)生 即事件發(fā)生的概率為1 則此消息包含的信息量為0 據(jù)此 可得信息量與事件概率之間的關(guān)系為 1 1 P x 是事件發(fā)生的概率 I為發(fā)生該事件的消息包含的信息量 信息量的單位由對(duì)數(shù)的底a的取值決定 若a 2 則信息量的單位是比特 bit 若a e 則信息量的單位是奈特 nit 若a 10 則信息量的單位是哈特萊 使用最多的信息量單位是比特 1 若有M個(gè)獨(dú)立的消息 每個(gè)消息出現(xiàn)的概率相同 即P x 1 M 則 1 2 若M 2 則I 1bit 若M 2k 則I kbit 2 若n個(gè)符號(hào)組成的集合中 每一個(gè)符號(hào)xi在消息中是按一定的概率P xi 獨(dú)立出現(xiàn)的 且 則整個(gè)消息的信息量為 1 3 例1 1 已知二元信源只有 0 1 兩種符號(hào) 如 0 出現(xiàn)的概率為1 3 求1所包含的信息量 解 據(jù)題意可知 1 出現(xiàn)的概率是2 3 則其包含的信息量為 例1 2 已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0 105和0 001 求英文字母e和z的信息量 解 e的信息量為z的信息量為 例1 3 某離散信息源由0 1 2 3四種符號(hào)組成 它們出現(xiàn)的概率分別為3 8 1 4 1 4 1 8 試求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量 解 在此消息中 0出現(xiàn)23次 1出現(xiàn)14次 2出現(xiàn)13次 3出現(xiàn)7次 于是可得消息的信息量為 當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí) 用符號(hào)出現(xiàn)的概率計(jì)算信息量很煩瑣 采用平均信息量的計(jì)算方法比較方便 所謂平均信息量是指每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值 又稱為信息源的熵 其單位是bit 符號(hào) n個(gè)符號(hào)的離散消息的平均信息量計(jì)算公式為 1 4 對(duì)于例1 3可求出消息中各符號(hào)的平均信息量 或信源的熵 為 因此 上述含有57個(gè)符號(hào)消息的總信息量為從計(jì)算結(jié)果看 與例1 3相比略有差異 原因在于兩者平均處理的方法不同 隨著消息中符號(hào)數(shù)的增加 這種誤差會(huì)逐漸減小 需要注意的是 信源的熵越大越好 這說明信源的信息有效性高 信源的最大熵發(fā)生在每一個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí) 即 且最大熵等于bit 符號(hào) 1 6 2信道容量與香農(nóng)公式單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘糠Q為信道容量 它可用信道的最大信息傳輸速率來(lái)表示 以無(wú)限小的差錯(cuò)率和無(wú)限大的速率傳輸信息是人們對(duì)通信系統(tǒng)的理想要求 可是信道傳輸信號(hào)的功率和信道的帶寬均是有限的 信號(hào)在信道中傳輸要受到干擾的影響 在實(shí)際的工程應(yīng)用中往往采用折衷方案 即在滿足可靠性的前提下盡可能地提高信息速率 那么 在怎樣的情況下 信道可以不失真地將信息以盡量高的速率傳輸呢 香農(nóng)定理為我們解決了這個(gè)問題 香農(nóng)定理的內(nèi)容是 若信息源發(fā)出的信息速率小于或等于信道容量 則信息可以在信道中無(wú)失真地傳輸 反之 則無(wú)法正確傳輸信息 對(duì)于給定的有擾信道 香農(nóng)公式給出了信道容量 信道帶寬和高斯白噪聲干擾信號(hào) 或信道輸出信噪比 之間的關(guān)系 bit s 1 5 式中 C為信道容量 單位bit s B為信道帶寬 Hz S為信號(hào)功率 W n0為輸入端加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度 W Hz N n0B為噪聲功率 W 根據(jù)香農(nóng)公式 我們可以得出以下結(jié)論 1 當(dāng)信道的帶寬B和信噪比S N一定時(shí) 信道的極限傳輸能力 信道容量 C確定 當(dāng)信道的實(shí)際傳輸速率小于C時(shí) 可以做到無(wú)差錯(cuò)傳輸 也就是說 信道的實(shí)際傳輸速率不能大于C 除非允許存在一定的差錯(cuò)率 2 提高信噪比可以提高信道容量 3 當(dāng)信道容量C一定時(shí) 帶寬B和信噪比S N之間可以互換 也就是說可以通過調(diào)整帶寬B和信噪比S N之間的關(guān)系來(lái)保持一定的信道容量 4 增加帶寬B并不能無(wú)限制地增大信道容量 當(dāng)B 時(shí) C 1 44S n0 這是因?yàn)榇藭r(shí)的噪聲功率n0B也趨向于無(wú)窮大 理論上把以極限速率傳輸信息 達(dá)到信道容量值 且能達(dá)到任意小差錯(cuò)率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng) 香農(nóng)證明了理想通信系統(tǒng)的 存在性 卻沒有指出具體的實(shí)現(xiàn)方法 所以 理想通信系統(tǒng)只能作為實(shí)際通信系統(tǒng)的理論界限 1 7多路復(fù)用的基本概念 1 7 1多路復(fù)用技術(shù)1 物理和邏輯信道概念物理信道指信號(hào)在通信系統(tǒng)中傳輸時(shí)經(jīng)過的通信設(shè)備和傳輸介質(zhì) 如電線 電纜 無(wú)線電頻道 放大器等 它強(qiáng)調(diào)物質(zhì)的存在性和信號(hào)傳輸過程 邏輯信道指在通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)路徑 如時(shí)隙 碼型等 它則強(qiáng)調(diào)通信終端間的邏輯連接和信號(hào)的傳輸結(jié)果 2 復(fù)用技術(shù)使多個(gè)通信終端共享信道的容量 這種共享技術(shù)就是多路復(fù)用技術(shù) 或者說多路復(fù)用技術(shù)就是能夠?qū)崿F(xiàn)在一條物理信道上傳輸多路信號(hào)的方法或技術(shù) 1 7 2多路復(fù)用技術(shù)類別實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用 關(guān)鍵在于發(fā)送端多路信號(hào)的匯合 以及在接收端各路信號(hào)的正確分離 匯合與分離信號(hào)的依據(jù)是信號(hào)之間的差別 信號(hào)之間的差別可以是頻率上的不同 出現(xiàn)時(shí)間上的不同 碼型結(jié)構(gòu)上的不同 因此 目前最基本的多路復(fù)用技術(shù)有三種 頻分多路復(fù)用 FDM 時(shí)分多路復(fù)用 TDM 碼分多路復(fù)用 CDM 1 頻分復(fù)用所謂頻分復(fù)用 簡(jiǎn)單說就是對(duì)物理信道進(jìn)行頻率劃分以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)復(fù)用的方法 在頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中 要傳輸?shù)亩嗦沸盘?hào)帶寬之和必須小于物理信道的通頻帶寬度 對(duì)物理信道進(jìn)行頻段劃分 通過調(diào)制技術(shù)將多路信號(hào)的頻譜搬遷到不同的頻段上 并且使得相鄰的頻譜不會(huì)相互重疊 從而達(dá)到多路信號(hào)復(fù)用一條物理信道的目的 頻分復(fù)用的特點(diǎn)是多路信號(hào)在頻域上是分開的 而在時(shí)域上是混疊在一起的 在接收端 分別采用不同中心頻率的帶通濾波器就可分離出各路信號(hào) 2 時(shí)分多路復(fù)用簡(jiǎn)單而言 時(shí)分復(fù)用就是各路信號(hào)分時(shí)占用同一個(gè)物理信道的多路復(fù)用技術(shù) 時(shí)分復(fù)用是以時(shí)間作為分割信號(hào)的依據(jù) 利用各信號(hào)抽樣值之間的時(shí)間空隙 使各路信號(hào)相互穿插而不重疊 從而達(dá)到在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸多路信號(hào)的目的 時(shí)分復(fù)用的特點(diǎn)是多路信號(hào)在時(shí)域上是分開的 而在頻域上是混疊在一起的 圖1 12三種復(fù)用技術(shù)的示意圖 3 碼分多路復(fù)用碼分復(fù)用是利用調(diào)制編碼的不同來(lái)區(qū)分各路信號(hào) 從而實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)復(fù)用一條物理信道的信號(hào)傳輸方式 它是將多路信號(hào)用一組兩兩正交的序列編碼來(lái)調(diào)制 使得調(diào)制后的信號(hào)可以同時(shí)在同一個(gè)信道上傳輸而互不干擾 接收端利用編碼的正交性 可以恢復(fù)出相應(yīng)的各路信號(hào) 碼分復(fù)用的特點(diǎn)是多路信號(hào)不論在時(shí)域上 還是在頻域上是混疊在一起的 但它們?cè)诖a型上是分開的 三種復(fù)用技術(shù)的示意圖如圖1 12所示 1 8通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià) 1 8 1有效性和可靠性如何評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是選擇和使用一個(gè)通信系統(tǒng)所面臨的首要問題 因此 必須找出能夠反映通信系統(tǒng)性能的技術(shù)指標(biāo) 然而 研究通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題 它包含有多方面的指標(biāo) 如有效性 可靠性 適應(yīng)性 經(jīng)濟(jì)性 保密性 標(biāo)準(zhǔn)性和維護(hù)的便利性等 這些指標(biāo)從不同的角度對(duì)通信系統(tǒng)的優(yōu)劣做出評(píng)價(jià) 但是通信的基本任務(wù)是快速 準(zhǔn)確地傳遞信息 所以通信系統(tǒng)的諸多性能指標(biāo)中起決定作用的主要是快速 有效性 和準(zhǔn)確 可靠性 有效性即信息傳遞的速度 是指在給定的信道內(nèi) 單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘康亩嗌?通?？偸窍Ｍ趩挝粫r(shí)間里傳輸更多的信息 可靠性即信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性 是指在給定信道內(nèi)接收信息的準(zhǔn)確程度 通常總是希望通信系統(tǒng)接收的信息都是準(zhǔn)確的 顯然 有效性和可靠性是兩個(gè)互相矛盾的指標(biāo) 提高有效性往往就意味著降低可靠性 反之 提高可靠性必然會(huì)降低有效性 工程實(shí)際中經(jīng)常采用在保證一定的可靠性指標(biāo)的情況下 盡可能地提高信息傳輸速率 或者在維持一定的有效性的條件下 盡量提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量 1 8 2模擬通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1 有效性 傳輸帶寬模擬通信系統(tǒng)中有效性方面的指標(biāo)是用傳輸頻帶寬度來(lái)衡量的 如模擬通信的多路頻分復(fù)用傳輸 當(dāng)每一路的有效帶寬一定時(shí) 信道帶寬越寬 可以容納的路數(shù)就越多 也就意味著系統(tǒng)的有效性越好 當(dāng)然模擬通信系統(tǒng)的有效帶寬與系統(tǒng)采用的調(diào)制方式有關(guān) 如調(diào)頻方式就要比調(diào)幅方式占用更大的帶寬 不同調(diào)制方法得到的有效帶寬不一樣 系統(tǒng)的有效性也不同 2 可靠性 輸出信噪比模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是用接收端輸出信噪比評(píng)價(jià)的 信噪比是信號(hào)的平均功率S和噪聲的平均功率N的比值 信噪比越大 說明噪聲對(duì)信號(hào)的影響越小 通信的質(zhì)量就越好 即系統(tǒng)的可靠性越高 輸出信噪比不僅僅與信道內(nèi)的信號(hào)功率和噪聲功率有關(guān) 還與信號(hào)的調(diào)制方式有很大關(guān)系 如調(diào)頻系統(tǒng)的信噪比就比調(diào)幅系統(tǒng)的要高 1 8 3數(shù)字通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)1 有效性 傳輸速率通常 評(píng)價(jià)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo)是傳輸速率 傳輸速率又分為碼元傳輸速率和信息傳輸速率 1 碼元傳輸速率RB碼元傳輸速率RB又稱為碼元速率 簡(jiǎn)稱傳碼率 是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目 單位為波特 Baud 常用符號(hào) B 表示 例如系統(tǒng)1秒鐘傳輸3600個(gè)碼元 則稱碼元速率為3600波特 B 2 信息傳輸速率Rb信息傳輸速率Rb又稱為信息速率 簡(jiǎn)稱傳信率 是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘炕虮忍財(cái)?shù) 單位是bit s或bps 碼元速率和信息速率都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo) 兩者之間既有聯(lián)系 也有區(qū)別 它們之間的關(guān)系如下 bit s 1 6 或 B 1 7 式中 N代表碼元的進(jìn)制數(shù) 從表達(dá)式中可以看出 當(dāng)N等于2時(shí) Rb RB 3 系統(tǒng)頻帶利用率在比較不同數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性時(shí) 某些情況下單純看信息傳輸速率是不夠的 兩個(gè)信息傳輸速率相同的系統(tǒng)所占用的信道頻帶寬度可能不同 這時(shí) 所占頻帶窄的系統(tǒng)傳輸信息的能力更強(qiáng) 所以系統(tǒng)頻帶利用率 是全面評(píng)價(jià)數(shù)字通信系統(tǒng)有效性的指標(biāo) B Hz 1 8 對(duì)于采用二進(jìn)制傳輸時(shí)的系統(tǒng)頻帶利用率可以表示為 bps Hz 1 9 2 可靠性 差錯(cuò)率衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率 常用誤碼率和誤信率表示 是指通信終端接收到的數(shù)字信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤的概率 1 誤碼率Pe誤碼率Pe又稱為碼元差錯(cuò)率 是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元在傳輸碼元總數(shù)之中所占的比率 即碼元在通信系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率 1 10 2 誤信率Pb誤信率又稱為信息差錯(cuò)率 是指接收的錯(cuò)誤信息量與傳輸信息總量之間的比值 1 11 顯然 誤碼率和誤信率越低 數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性就越高 質(zhì)量越好 在二進(jìn)制系統(tǒng)中Pe Pb 1 9通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 回顧通信技術(shù)的發(fā)展史能夠使我們了解通信技術(shù)特別是電通信技術(shù)的發(fā)生 發(fā)展 技術(shù) 設(shè)備 體制的演變過程 認(rèn)識(shí)通信技術(shù)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)作用 從而更好地學(xué)習(xí)掌握通信技術(shù)知識(shí) 1837年 莫爾斯發(fā)明的電磁式電報(bào)機(jī)標(biāo)志著電通信時(shí)代的正式開始 之后利用電進(jìn)行通信的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步 在信息傳遞的數(shù)量 傳播的速度和范圍等方面均獲得了迅速的發(fā)展 1866年 利用海底電纜實(shí)現(xiàn)了跨大西洋的越洋電報(bào)通信 1876年 貝爾發(fā)明