(完整版)數(shù)字通信原理課件

1、第1章 緒 論 1.1通信的發(fā)展 1.2通信的概念 1.3通信系統(tǒng) 1.4信息論基礎(chǔ) 1.5通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1.6通信信道的基本特性 1.1通信的發(fā)展1.1.1通信發(fā)展簡史表情和動作語言和文字古代的烽火臺、金鼓、錦旗和航行用的信號燈19世紀(jì)后，人們開始試圖用電信號進(jìn)行通信最原始的數(shù)字通信最原始的通信方式通信發(fā)展的三個(gè)階段： 借助電信號實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息傳遞的通信的歷史可追溯到19世紀(jì)初期，從16001750年研究電磁現(xiàn)象開始到19世紀(jì)40年代，為通信理論基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段。從19世紀(jì)40年代開始通信才進(jìn)入實(shí)用階段。大致可劃分為三個(gè)階段：1、通信的初期階段1838年摩爾斯發(fā)明電報(bào)到1948

2、年香農(nóng)提出信息論功10年，主要是有線通信、無線通信、廣播電視、雷達(dá)和微波通信等方面的發(fā)展，此階段為模擬通信為主。2、近代通信階段1948年到20世紀(jì)80年代光纖通信系統(tǒng)等投入使用共30多年，主要是通信統(tǒng)計(jì)理論、數(shù)字傳輸理論及技術(shù)、彩色電視、衛(wèi)星電視等方面的發(fā)展，此階段模擬通信用于普通產(chǎn)品，數(shù)字通信用于高端產(chǎn)品。3、現(xiàn)代通信階段20世紀(jì)80年代商用通信衛(wèi)星、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)等陸續(xù)投入使用至今共20多年，主要是衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信、多媒體通信等多方面的發(fā)展，數(shù)字通信進(jìn)入尋常百姓家。1.1.2通信技術(shù)的發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在電纜通信、微波中繼通信、光纖通信、衛(wèi)星通信、

3、移動通信等幾個(gè)方面。1. 電纜通信 最早發(fā)展起來的通信手段。 電纜通信主要采用模擬單邊帶調(diào)制和頻分多路復(fù)用(SSBFDM)技術(shù)。 由于光纖通信的發(fā)展，同軸電纜逐漸被光纖電纜所取代。2. 微波中繼通信 始于20世紀(jì)60年代 優(yōu)點(diǎn)：易架設(shè)，建設(shè)周期短等。 它是目前通信的主要手段之一，主要用于傳輸長途電話和電視節(jié)目，目前模擬電話微波通信容量每頻道可達(dá)6000路，其調(diào)制主要采用SSB/FM/FDM等方式。數(shù)字微波成為微波中繼通信的主要發(fā)展方向。同時(shí)要不斷增加系統(tǒng)容量，增加容量的途徑是向多電平調(diào)制技術(shù)發(fā)展。 采用多電平調(diào)制，在40MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻道間隔內(nèi)可傳送19207680路脈沖編碼調(diào)制數(shù)字電話，趕上并

4、超過模擬微波通信容量。 3. 光纖通信 光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)為傳輸媒質(zhì)、以光波為載波的通信方式。 優(yōu)點(diǎn)：容量大、頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量高等，且成本低，與同軸電纜相比可以節(jié)約大量有色金屬和能源。光纖通信已成為各種通信干線的主要傳輸手段。光纖通信的主要發(fā)展方向是單模長波長光纖通信、大容量數(shù)字傳輸技術(shù)和相干光通信。 4. 衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，覆蓋面積大，不受地形條件限制，傳輸容量大，建設(shè)周期短，可靠性高。 目前，衛(wèi)星通信的使用范圍已遍及全球，僅國際衛(wèi)星通信組織就擁有數(shù)十萬條話，衛(wèi)星通信已成為國際通信的主要手段。衛(wèi)星通信的廣泛使用，是國際間重大活動

5、能及時(shí)得以實(shí)況轉(zhuǎn)播，它使全世界人與人之間的“距離”縮短。 我國自20世紀(jì)70年代起，開始將衛(wèi)星通信用于國際通信，從1985年起開始發(fā)展國內(nèi)衛(wèi)星通信。至今，我國已發(fā)射5顆同步通信衛(wèi)星，。衛(wèi)星通信中目前大量使用的是模擬調(diào)制及頻分多路和頻分多址技術(shù)。如同其他通信方式一樣，其發(fā)展方向也是數(shù)字調(diào)制、時(shí)分多路和時(shí)分多址。5. 移動通信 移動通信是現(xiàn)代通信中發(fā)展最為迅速的一種通信手段，它是隨著汽車、飛機(jī)、輪船、火車等交通工具的發(fā)展而同步發(fā)展起來的。近年來，在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動下，移動通信從過去簡單的無線對講或廣播方式發(fā)展成為一個(gè)把有線、無線融為一體，固定、移動相互連通的全球范圍的通信系統(tǒng)。目前廣泛

6、應(yīng)用的是第二代移動通信系統(tǒng)，采用窄帶時(shí)分多址(TDMA)和窄帶碼分多址(CDMA)數(shù)字接入技術(shù)，已形成的國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)有歐洲的GSM系統(tǒng)、美國的IS95系統(tǒng)、日本的PDC系統(tǒng)。我國主要采用歐洲的GSM系統(tǒng)。 第三代移動通信系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，國際電信聯(lián)盟正式將其命名為IMT2000。IMT2000的目標(biāo)和要求是:統(tǒng)一頻段，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到全球無縫隙覆蓋，提供多媒體業(yè)務(wù)，傳輸速率最高應(yīng)達(dá)到2Mbs，其中，車載為144kbs、步行為384kbs、室內(nèi)為2Mbs，頻譜利用率高，服務(wù)質(zhì)量高，保密性能好；易于向第二代系統(tǒng)過渡和演進(jìn)；終端價(jià)格低。第三代移動通信系統(tǒng)(簡稱3G) 目前有三種方案比較成

7、熟，即日本提出的WCDMA系統(tǒng)、美國提出的CDMA2000系統(tǒng)和中國提出的TDSCDMA系統(tǒng)。1.2通信的概念1.2.1通信的定義 把利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(含光信號)實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞和交換稱為通信。 舉例 打電話，它是利用電話(系統(tǒng))來傳遞消息；兩個(gè)人之間的對話，亦是利用聲音來傳遞消息，不過只是通信距離非常短而已。 通信從本質(zhì)上講就是實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的一門科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息無失真、高效率地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當(dāng)今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有存儲、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要組成部

8、分。 1.2.2通信的分類常用的通信分類方法有以下幾種。1.按傳輸媒質(zhì)分有線通信：傳輸媒質(zhì)為導(dǎo)線、電纜、光纜、波導(dǎo)等形式的通信，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見，摸得著。導(dǎo)線可以是架空明線、電纜、光纜及波導(dǎo)等。 無線通信：傳輸消息的媒質(zhì)為看不見、摸不著的媒質(zhì)(如電磁波)的一種通信形式。通常，有線通信亦可進(jìn)一步再分類，如明線通信、電纜通信、光纜通信等。無線通信常見的形式有微波通信、短波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、散射通信等。 2.按信道中所傳信號的不同分信道是傳輸信號的通路。 模擬通信：信道中傳送的信號為模擬信號； 數(shù)字通信：信道中傳送的信號為數(shù)字信號。凡信號的某一參量可以取無限多個(gè)數(shù)值，且直接與消息相對應(yīng)的

9、，稱為模擬信號。模擬信號有時(shí)也稱連續(xù)信號凡信號的某一參量只能取有限個(gè)數(shù)值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的，稱為數(shù)字信號。數(shù)字信號有時(shí)也稱離散信號3.按工作頻段分長波通信：如用于導(dǎo)航的VLF通信 中波通信：如民用調(diào)頻廣播、業(yè)余無線電 短波通信：如短波廣播通信、軍用通信 微波通信：如移動通信、雷達(dá)、空間通信通信中工作頻率和工作波長可互換，公式為 式中，為工作波長；f為工作頻率；C為電波在自由空間中的傳播速度，通常認(rèn)為C=3108 m/s。 (1-1)表 1-2 通信使用的頻段及主要用途 4. 按調(diào)制方式分 根據(jù)消息在送到信道之前是否采用調(diào)制， 通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。 基帶傳輸：是指信號沒有經(jīng)

10、過調(diào)制而直接送到信道中去傳輸?shù)囊环N方式； 頻帶傳輸：是指信號經(jīng)過調(diào)制后再送到信道中傳輸，收端有相應(yīng)解調(diào)措施的通信系統(tǒng)。 1.2.3通信方式1.按消息傳送的方向與時(shí)間分通信的工作方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信。消息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式2.按數(shù)字信號排序分通信方式分為串序傳輸和并序傳輸。所謂串序傳輸，即是將代表信息的數(shù)字信號序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸?shù)姆绞?，如圖12(a)所示；如果將代表信息的數(shù)字信號序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號序列同時(shí)在信道上傳輸，則稱為并序傳輸通信方式，如圖12(b)所示。 3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分1.3通信系統(tǒng)1.3.1通信系統(tǒng)的模型

11、通信的任務(wù)是完成消息的傳遞和交換。以點(diǎn)對點(diǎn)通信為例，可以看出要實(shí)現(xiàn)消息從一地向另一地的傳遞，必須有三個(gè)部分：發(fā)送端，接收端，信道，如圖所示。 信息源(簡稱信源)的作用是把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號，如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源，信源輸出的信號稱為基帶信號。發(fā)送設(shè)備對基帶信號進(jìn)行某種變換或處理，使之適應(yīng)信道的傳輸特性要求。信道是信號傳輸?shù)耐?。接收設(shè)備將從收到的信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號。受信者(也稱信宿或收終端)是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息，如電話機(jī)將對方傳來的電信號還原成了聲音。噪聲源是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其他各處噪聲的集合。1.3.2模擬通信系統(tǒng)兩種重要變換。 一

12、是連續(xù)消息 電信號 二是基帶信號 已調(diào)信號。 已調(diào)信號有三個(gè)基本特性：一是攜帶有消息，二是適合在信道中傳輸，三是具有較高頻率成分。 1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)1.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)把有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)。 編碼器：信道噪聲或干擾所造成的差錯(cuò)，可以通過所謂的差錯(cuò)控制編碼來控制。需要在發(fā)送端增加一個(gè)編碼器，而在接收端相應(yīng)需要一個(gè)解碼器。 加密器：當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)保密通信時(shí)，可對數(shù)字基帶信號進(jìn)行“擾亂”(加密)，此時(shí)在接收端就必須進(jìn)行解密。 同步：由于數(shù)字通信傳輸是一個(gè)接一個(gè)按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號，因而接收端必須有一個(gè)與發(fā)送端相同的節(jié)拍，否則，就會因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混

13、亂。2.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)3.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)在日常生活中大部分信號(如語音信號)為連續(xù)變化的模擬信號。那么要實(shí)現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，則必須在發(fā)送端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在接收端需進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。1.3.4數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點(diǎn) 1. 數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)抗干擾、 抗噪聲性能好。 信號的取值只有兩個(gè)，容易判別和處理。(2) 差錯(cuò)可控。 差錯(cuò)控制編碼技術(shù)(3) 易加密。 (4) 易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。終端接口均是數(shù)字信號 2. 數(shù)字通信的缺點(diǎn) (1) 頻帶利用率不高。數(shù)字通信中，數(shù)字信號占用的頻帶寬，以電話為例，一路數(shù)字電話一般要占據(jù)約2060kHz的帶寬，而一路模擬電話僅占用約4 k

14、Hz帶寬。如果系統(tǒng)傳輸帶寬一定的話， 模擬電話的頻帶利用率要高出數(shù)字電話的515倍。 (2) 需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。數(shù)字通信中，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號，必須要求收端和發(fā)端保持嚴(yán)格同步。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜，體積較大。 1.4信息論基礎(chǔ)1.4.1信息(information)及其量度信息可被理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容；消息可以有各種各樣的形式，但消息的內(nèi)容可統(tǒng)一用信息來表述。傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進(jìn)行衡量。 消息中所含信息量與消息出現(xiàn)的概率之間的關(guān)系應(yīng)反映如下規(guī)律： (1) 消息中所含信息量I是消息出現(xiàn)的概率P(x)的函數(shù)，即 (1-2) (2) 消息出現(xiàn)的概率愈小，

15、 它所含信息量愈大； 反之信息量愈小。 且 (3) 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和， 即 可以看出I與P(x)間應(yīng)滿足以上三點(diǎn)， 則它們有如下關(guān)系式： (1-3)信息量I的單位與對數(shù)的底數(shù)a有關(guān)： a=2 單位為比特(bit，簡寫為b)； a=e單位為奈特(nat，簡寫為n)；a=10單位為笛特(Det)或稱為十進(jìn)制單位； a=r單位稱為r進(jìn)制單位。 通常使用的單位為比特。 例 1-1 試計(jì)算二進(jìn)制符號等概率和多進(jìn)制(M進(jìn)制)等概率時(shí)每個(gè)符號的信息量。 解 二進(jìn)制等概率時(shí)， 即 M進(jìn)制等概率時(shí)，有 例 1-2 試計(jì)算二進(jìn)制符號不等概率時(shí)的信息量(設(shè)P(1)=

16、P)。 解 P(1)=P P(0)=1-PI(1)=-lb P(1)=-lb P (bit)I(0)=-lb P(0)=-lb (1-P) (bit) 可見， 不等概率時(shí)，每個(gè)符號的信息量不同。 這里我們引入平均信息量的概念。平均信息量I 等于各個(gè)符號的信息量乘以各自出現(xiàn)的概率之和。 把P(1)=P代入， 則 (1-4)二進(jìn)制時(shí)： 1.4.2平均信息量平均信息量 I 等于各個(gè)符號的信息量乘以各自出現(xiàn)的概率之和。 對于多個(gè)信息符號的平均信息量的計(jì)算： 設(shè)各符號出現(xiàn)的概率為 且 則每個(gè)符號所含信息的平均值(平均信息量)： 平均信息量 的單位為bit/符號(比特/符號)。 (1-5)1.5通信系統(tǒng)的

17、性能指標(biāo) 1.5.1一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有:有效性、可靠性、適應(yīng)性、保密性、標(biāo)準(zhǔn)性、維修性、工藝性等。有效性：與系統(tǒng)高效率地傳輸消息相關(guān)聯(lián)。即通信系統(tǒng)怎樣以最合理、最經(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的消息。 可靠性：與系統(tǒng)可靠地傳輸消息相關(guān)聯(lián)。可靠性是一種量度，用來表示收到消息與發(fā)出消息的符合程度。因此，可靠性取決于系統(tǒng)抵抗干擾的性能。 1.5.2通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)1. 模擬通信的有效性 每一路模擬信號都需占用一定的信道帶寬，要在信道具有一定帶寬時(shí)充分利用它的傳輸能力。提高模擬通信有效性措施：1）頻分復(fù)用(FDM) 以復(fù)用路數(shù)多少來體現(xiàn)其有效性，如同軸電纜最高可容納10800路4k

18、Hz模擬話音信號，目前使用的無線頻段為1051012Hz，通常利用頻分復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)各種無線通信；2）減少信號帶寬 如話音信號的調(diào)幅單邊帶(SSB)為4kHz，就比調(diào)頻信號帶寬小數(shù)倍，但可靠性較差。 2、數(shù)字通信的有效性數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量，傳輸速率越高，則系統(tǒng)的有效性越好。通常可從以下三個(gè)不同的角度來定義傳輸速率。 1). 碼元傳輸速率 碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、碼率、信號速率或波形速率，用符號RB來表示。 碼元速率是指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特(Baud)，常用符號“B”表示(注意，不能用小寫)。 例如，某系統(tǒng)在2秒內(nèi)共傳送4 8

19、00個(gè)碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為? 數(shù)字信號一般有二進(jìn)制與多進(jìn)制之分，但碼元速率RB與信號的進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與碼元寬度Tb有關(guān)。 (1-7) 2. 信息傳輸速率 信息傳輸速率簡稱信息速率，又可稱為傳信率、比特率等。信息傳輸速率用符號Rb表示。 Rb是指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳送的信息量。單位為比特/秒(bit/s)，簡記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內(nèi)傳送1 200個(gè)符號，且每一個(gè)符號的平均信息量為1(bit)，則該信源的Rb=_。 因?yàn)樾畔⒘颗c信號進(jìn)制數(shù)N有關(guān)，因此，Rb也與N有關(guān)。 3. Rb與RB之間的互換 在二進(jìn)制中，碼元速率RB2同信息速率Rb2的關(guān)系在數(shù)值上相等，但單位不同。 在

20、多進(jìn)制中，RBN與RbN之間數(shù)值不同，單位亦不同。它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系式 (1-9) 在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為 在碼元速率保持不變條件下，二進(jìn)制信息速率Rb2與多進(jìn)制信息速率RbN之間的關(guān)系為 (1-10) 4. 頻帶利用率 頻帶利用率指的是傳輸效率問題，也就是說，我們不僅關(guān)心通信系統(tǒng)的傳輸速率，還要看在這樣的傳輸速率下所占用的信道頻帶寬度是多少。如果頻帶利用率高，說明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，否則相反。 頻帶利用率的定義是單位頻帶內(nèi)碼元傳輸速率的大小。(1-11) 頻帶寬度B的大小取決于碼元速率RB，而碼元速率RB與信息速率有確定的關(guān)系。因此，頻帶利用率還可用信息速率R

21、b的形式來定義，以便比較不同系統(tǒng)的傳輸效率， 即 (1-12)1.5.3通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo) 1. 模擬通信系統(tǒng) 可靠性通常以整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。 模擬通信的輸出信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。例如，公共電話(商用)信噪比以40dB為優(yōu)良質(zhì)量；電視節(jié)目信噪比至少應(yīng)為50dB；優(yōu)質(zhì)電視接收的信噪比應(yīng)在60dB以上；公務(wù)通信可以降低質(zhì)量要求，信噪比也需20dB以上。 衡量信號的質(zhì)量還可以用均方誤差，它是衡量發(fā)送的模擬信號與接收端恢復(fù)的模擬信號之間誤差程度的質(zhì)量指標(biāo)。均方誤差越小，說明恢復(fù)的信號越逼真。 信號的平均功率與噪聲的平均功率之比2. 數(shù)字通信系統(tǒng)1） 碼元差錯(cuò)率Pe 碼元差錯(cuò)率Pe簡稱

22、誤碼率，它是指接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。用表達(dá)式可表示成 (1-13) 2）信息差錯(cuò)率Peb 信息差錯(cuò)率Peb簡稱誤信率，或誤比特率，它是指接收錯(cuò)誤的信息量在傳送信息總量中所占的比例，或者說，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。用表達(dá)式可表示成 (1-14)3. Pe與Pb的關(guān)系對于二進(jìn)制信號而言，誤碼率和誤比特率顯然相等。而M進(jìn)制信號的每個(gè)碼元含有n=lbM比特信息，并且一個(gè)特定的錯(cuò)誤碼元可以有(M -1)種不同的錯(cuò)誤樣式。當(dāng)M 較大時(shí)，誤比特率等于（1-15） 1.6通信信道的基本特性1.6.1信道的概念1.信道的

23、定義通俗地說，信道是指以傳輸媒介(質(zhì))為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路；抽象地說，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時(shí)又給信號以限制和損害。 信道的作用是傳輸信號。信道可大體分成兩類：狹義信道和廣義信道。 狹義信道有線信道：傳輸特性穩(wěn)定、可靠無線信道：傳輸媒介為明線、對稱電纜、同軸電纜、光纜及波導(dǎo)等一類能夠看得見的媒介方便、靈活、通信者可移動廣義信道調(diào)制信道編碼信道短波電離層、對流層散射1）調(diào)制信道 從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端圖19調(diào)制信道與編碼信道 2）編碼信道。 從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概

24、括，此方框稱為編碼信道。2.信道的模型通常，為了方便地表述信道的一般特性，可引入信道的模型：調(diào)制信道模型和編碼信道模型。1)調(diào)制信道主要特性：有一對(或多對)輸入端，則必然有一對(或多對)輸出端；絕大部分信道是線性的，即滿足疊加原理；信號通過信道需要一定的遲延時(shí)間；信道對信號有損耗(固定損耗或時(shí)變損耗)；即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出(噪聲)。用一個(gè)二對端(或多對端)的時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)去替代調(diào)制信道。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就稱做調(diào)制信道模型，如圖110所示。 圖110調(diào)制信道模型 對于二對端的信道模型來說，它的輸入和輸出之間的關(guān)系式可表示成 (116) 式中，ei(t) 信道輸入信號；

25、eo(t)信道輸出信號； n(t) 信道噪聲(或稱信道干擾)； fei(t)信道對信號影響(變換)的某種函數(shù)關(guān)系。因此，式(116)可寫成 eo(t)=k(t) ei (t)+n(t) (117)k(t)乘性干擾，它依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，對信號ei(t)影響較大； n(t)加性干擾(噪聲)。我們期望的信道(理想信道)應(yīng)是k(t)=常數(shù)，n(t)=0，即：eo(t)=kei (t)(118) 在分析研究乘性干擾k(t)時(shí)，在相對的意義上可把調(diào)制信道分為兩大類：恒參信道:即k(t)可看成不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢的一類信道；隨參信道(或稱變參信道) :k(t)是隨時(shí)間隨機(jī)變化的信道。一般情況下，人們認(rèn)

26、為有線信道絕大部分為恒參信道，而無線信道大部分為隨參信道。 2)編碼信道編碼信道是包括調(diào)制信道及調(diào)制器、解調(diào)器在內(nèi)的信道。 編碼信道對信號的影響則是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列。故有時(shí)把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。 編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率來描述。P(0/0)+P(1/0)=1 P(1/1)+P(0/1)=1 圖111二進(jìn)制無記憶編碼信道模型 P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱為信道轉(zhuǎn)移概率，具體地把P(0/0)和P(1/1)稱為正確轉(zhuǎn)移概率，而把P(1/0)和P(0/1)稱為錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)概率性質(zhì)可知 轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特

27、性所決定，一個(gè)特定的編碼信道就會有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。1.6.2傳輸信道1.有線信道常用的有線信道傳輸媒介有:雙絞線、同軸電纜、架空明線、多芯電纜和光纖。1)雙絞線雙絞線又稱為雙扭線，它是由若干對且每對由兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線按一定規(guī)則絞合而成。雙絞線既可以傳輸模擬信號，又可以傳輸數(shù)字信號，其通信距離一般為幾千米到十幾千米。導(dǎo)線越粗，通信距離越遠(yuǎn)，但導(dǎo)線價(jià)格越高。2)同軸電纜同軸電纜以硬銅線為芯，外包一層絕緣材料。這層絕緣材料用密織的網(wǎng)狀導(dǎo)體環(huán)繞，網(wǎng)外又覆蓋一層保護(hù)性材料。同軸電纜比雙絞線具有更寬的帶寬和更好的噪聲抑制特性。50同軸電纜:用于數(shù)字信號的傳輸，即基帶同軸電纜；75同軸電纜:用于寬帶

28、模擬信號的傳輸，即寬帶同軸電纜。 指沿電纜導(dǎo)體各點(diǎn)的電磁電壓與電流之比3)光纖 光纖為圓柱狀，由纖芯、包層和護(hù)套組成。纖芯：是由一條或多條非常細(xì)的 玻璃或塑料纖維線構(gòu)成。包層：折射率比纖芯低，因此可 使光波保持在芯線內(nèi)。護(hù)套：防止外部的潮濕氣體侵入， 并防止磨損或擠壓等傷害。 根據(jù)光纖傳輸模式的不同，分為 單模光纖:指的是光在光纖中的傳播只有一種單一模式，纖芯比較細(xì)； 多模光纖:指的是光在光纖中可能有多條不同角度入射的光線在一條光纖中同時(shí)傳播，纖芯比較粗。與同軸電纜比較，光纖可提供極寬的頻帶且功率損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)(2km以上)、傳輸率高(可達(dá)數(shù)千Mb/s)、抗干擾性強(qiáng)(不會受到電子監(jiān)聽)，是

29、構(gòu)建安全網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。 2.無線信道載體主要是無線電波和光波。 頻率不同，電磁波傳播的特性也不同。根據(jù)頻率、介質(zhì)以及介質(zhì)分界面對電波傳播產(chǎn)生的不同影響，可將電波傳播方式分為:地表傳播、天波傳播、視距傳播、散射傳播、對流層電波傳播和電離層電波傳播。(1)地表傳播。沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ň徒械夭?，也叫表面波。特點(diǎn)是信號比較穩(wěn)定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。因此，這種傳播方式主要適用于長波和中波波段。 傳播路徑地 面 地波傳播(2)天波傳播。在大氣層中，從幾十千米至幾百千米的高空有幾層“電離層”，形成了一種天然的反射體，就像一只懸空的金屬蓋，電波射到“電離層”就會被反射回來，這一形

30、式的電波就稱為天波或反射波。短波傳輸具有這種特性。地 面信號傳播路徑 天波傳播地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上 0 10 km平流層：約10 60 km電離層：約60 400 km D、F1、F2（150 km 400 km ）等多個(gè)電離層地 面對流層平流層電離層10 km60 km0 km(3)視距傳播。若收、發(fā)天線離地面的高度遠(yuǎn)大于波長，電波直接從發(fā)信天線傳到收信地點(diǎn)(有時(shí)有地面反射波)的方式稱為視距傳播。這種傳播方式僅限于視線距離以內(nèi)。 ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr視線傳播(4)散射傳播。散射傳播是利用對流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過大氣時(shí)的電離余跡對電磁波的散射作用來

31、實(shí)現(xiàn)超視矩傳播。這種傳播方式主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通信。 (5)對流層電波傳播。無線電波在對流層與平流層中的傳播，簡稱對流層電波傳播。 (6)電離層電波傳播。這是指無線電波在電離層中的傳播。 在實(shí)際通信中往往根據(jù)不同場合選擇傳播方式中的一種作為主要的傳播途徑，但也有幾種傳播方式并存來傳播無線電波的。一般情況下都是根據(jù)使用波段的特點(diǎn)，利用天線的方向性來確定一種主要的傳播方式。1.6.3信道內(nèi)的噪聲根據(jù)噪聲的來源不同，我們可以粗略地將噪聲分為以下四類:(1)無線電噪聲。它來源于各種用途的無線電發(fā)射機(jī)。特點(diǎn)：噪聲的頻率范圍很寬，干擾的強(qiáng)度有時(shí)很大。但它的干擾頻率是固定的。(2)工業(yè)噪聲。它來源于

32、各種電氣設(shè)備，如電力線、點(diǎn)火系統(tǒng)、電車、電源開關(guān)、電力鐵道、高頻電爐等。 特點(diǎn)：分布廣泛但干擾頻譜集中于較低的頻率范圍，例如幾十兆赫茲以內(nèi)。 因此，高于這個(gè)頻段工作的信道就可免受它的干擾。另外，我們也可以在干擾源方面設(shè)法消除或減小干擾的產(chǎn)生，例如加強(qiáng)屏蔽和濾波等措施，以消除波形失真。 (3)天電噪聲。它來源于雷電、磁暴、太陽黑子以及宇宙射線等，是客觀存在的。特點(diǎn)：干擾所占的頻譜范圍也很寬，不像無線電干擾那樣頻率是固定的。 (4)內(nèi)部噪聲。它來源于信道本身所包含的各種電子器件、轉(zhuǎn)換器以及天線或傳輸線等。例如，熱噪聲。特點(diǎn)：是由無數(shù)個(gè)自由電子作不規(guī)則運(yùn)動所形成的，因此它的波形也是不規(guī)則變化的，在示

33、波器上觀察就像一堆雜亂無章的茅草一樣，通常稱之為起伏噪聲。 由于在數(shù)學(xué)上可以用隨機(jī)過程來描述這類干擾，因此又可稱為隨機(jī)噪聲，或者簡稱為噪聲。 從防止或減小噪聲對信號傳輸影響的角度來分析，我們應(yīng)從噪聲的性質(zhì)來分類更為有利。從噪聲性質(zhì)來區(qū)分可有以下幾種。(1)單頻噪聲。它主要指無線電干擾。 因?yàn)殡娕_發(fā)射的頻譜集中在比較窄的頻率范圍內(nèi)，因此可以近似地看做是單頻性質(zhì)的。另外，像電源交流電，反饋系統(tǒng)的自激振蕩等也都屬于單頻干擾。 特點(diǎn)：一種連續(xù)波干擾，并且其頻率是可以通過實(shí)測來確定的。 (2)脈沖干擾。它包括工業(yè)干擾中的電火花、斷續(xù)電流以及天電干擾中的雷電等。特點(diǎn)：波形不連續(xù)，呈脈沖性質(zhì)，并且發(fā)生這類干

34、擾的時(shí)間很短，強(qiáng)度很大，而周期是隨機(jī)的，因此它可以用隨機(jī)的窄脈沖序列來表示。 (3)起伏噪聲。它主要指信道內(nèi)部的熱噪聲和器件噪聲以及來自空間的宇宙噪聲。它來自信道本身，因此它對信號傳輸?shù)挠绊懯遣豢杀苊獾摹?.6.4常見的幾種噪聲1.白噪聲所謂白噪聲，是指它的功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻率域(-+)內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。 理想的白噪聲功率譜密度通常被定義為 式中，n0的單位是W/Hz。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)位于=0處的沖激函數(shù)，它的強(qiáng)度為n0/2。白噪聲的Pn()和Rn()圖形如圖所示。 實(shí)際上完全理想的白噪聲是不存在的，通常只要噪聲功率譜密度函數(shù)均勻分布的頻率范圍超過通信系統(tǒng)工作頻率范圍很多時(shí)

35、，就可近似認(rèn)為是白噪聲。 例如，熱噪聲的頻率可以高到1013Hz，且功率譜密度函數(shù)在01013Hz內(nèi)基本均勻分布，因此可以將它看做白噪聲。2. 高斯(Gaussian)噪聲 指概率密度函數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示 (122) 式中，a為噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值；2為噪聲的方差；exp(x)是以e為底的指數(shù)函數(shù)。 正態(tài)概率分布函數(shù)F(x)，分布函數(shù)F(x)常用來表示某種概率，這是因?yàn)?(1-23) (1-24) 式中，(x)稱為概率積分函數(shù)，簡稱概率積分，其定義為 正態(tài)概率分布函數(shù)還經(jīng)常表示成與誤差函數(shù)相聯(lián)系的形式。所謂誤差函數(shù)，它的定義式為 互補(bǔ)誤差函數(shù) (

36、127) 式(126)和式(127)是在討論通信系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)常用到的基本公式。 3.高斯型白噪聲所謂高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。 在通信系統(tǒng)理論分析中，特別在分析、計(jì)算系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)，經(jīng)常假定系統(tǒng)信道中噪聲為高斯型白噪聲。這是因?yàn)?，一是高斯型白噪聲可用具體數(shù)學(xué)表達(dá)式表述，因此便于推導(dǎo)分析和運(yùn)算；二是高斯型白噪聲確實(shí)也反映了具體信道中的噪聲情況，比較真實(shí)地代表了信道噪聲的特性。 4.窄帶高斯噪聲當(dāng)高斯噪聲通過以c為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時(shí)，就可形成窄帶高斯噪聲。 所謂窄帶系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的頻帶寬度B比中心頻率小很多的通信系統(tǒng)，即Bfc=c/(2)的系統(tǒng)。 信號通過窄帶系統(tǒng)后就形成窄帶信號，它的特點(diǎn)是頻譜局限在c附近很窄的頻率范圍內(nèi)，其包絡(luò)和相位都在作緩慢隨機(jī)變化?；诖?，隨機(jī)噪聲通過窄帶系統(tǒng)后，可表示為 式中，(t)為噪聲的隨機(jī)相位；(t)為噪聲的隨機(jī)包絡(luò)。 1.6.5信道容量1.信號帶寬信號(包括噪聲)的帶寬，這是由信號(或噪聲)能量譜密度G()或功率譜密度P()在頻域的分布規(guī)律確定的。 信道的帶寬，這是由傳輸電路的傳輸特性決定的。信號帶寬和信道帶寬的符號都用B表示，單位為Hz。 一般信號雖然頻譜很寬