數(shù)字通信原理與技術(shù)(第五版) 課件 第1章　緒論

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)展簡史遠(yuǎn)古時代的人類用表情和動作進(jìn)行信息交流,這是最原始的通信方式。后來,人類在漫長的生活中創(chuàng)造了語言和文字,進(jìn)一步實現(xiàn)了語言和文字的消息交流。除此之外,人類還創(chuàng)造了許多消息的傳遞方式,如古代的烽火臺、金鼓、錦旗和航行用的信號燈等,這些都是解決遠(yuǎn)距離消息傳遞的方式。進(jìn)入19世紀(jì)后,人們開始試圖用電信號進(jìn)行通信。表1－1中列出了一些與通信相關(guān)的歷史事件,讀者可從中清晰地掌握通信發(fā)展的概貌。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、移動通信等幾個方面。下面通過分析現(xiàn)代通信技術(shù)的現(xiàn)狀來看看未來通信的發(fā)展趨勢。電纜通信是最早發(fā)展起來的通信手段。其用于長途通信已有60余年歷史,在通信中占有突出地位。在光纖通信和移動通信發(fā)展之前,電話、傳真、電報等各用戶終端與交換機的連接全靠市話電纜。電纜還曾是長途通信和國際通信的主要手段,大西洋、太平洋均有大容量的越洋電纜。據(jù)1982年統(tǒng)計,我國公用網(wǎng)長途線路總長為18萬余千米,其中90％為明線。目前,同軸電纜所占的比例已上升到1/3左右。電纜通信主要采用模擬單邊帶調(diào)制和頻分多路復(fù)用(SSB／FDM)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。微波中繼通信始于20世紀(jì)60年代,它彌補了電纜通信的缺點,較一般電纜通信,具有易架設(shè),建設(shè)周期短等優(yōu)點。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。隨著數(shù)字通信的發(fā)展,數(shù)字微波成為微波中繼通信的主要發(fā)展方向。早期的數(shù)字微波大都采用BPSK、QPSK調(diào)制,為了提高頻譜利用率,增加容量,現(xiàn)已向多電平調(diào)制技術(shù)發(fā)展,采用了16QAM和64QAM調(diào)制,并已出現(xiàn)256QAM、1024QAM等超多電平調(diào)制的數(shù)字微波。采用多電平調(diào)制,在40MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻道間隔內(nèi)可傳送1920~7680路脈沖編碼調(diào)制數(shù)字電話,趕上并超過模擬微波通信容量。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。光纖通信具有容量大、頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強、通信質(zhì)量高等優(yōu)點,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。目前,單波長光通信系統(tǒng)速率已達(dá)10Gb／s,其潛力已不大,采用密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)來擴容是當(dāng)前實現(xiàn)超大容量光傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。近年來,DWDM技術(shù)取得了較大的進(jìn)展,美國AT&T實驗室等機構(gòu)已成功地完成了Tb／s的傳輸實驗。光傳送網(wǎng)是通信網(wǎng)未來的發(fā)展方向,它可以處理高速率的光信號,擺脫電子瓶頸,實現(xiàn)靈活、動態(tài)的光層聯(lián)網(wǎng),透明地支持各種格式的信號以及實現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。因此,世界上許多國家紛紛進(jìn)行研究、試驗,驗證由波分復(fù)用、光交叉連接設(shè)備及色散位移光纖組成的高容量通信網(wǎng)的可行性。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。衛(wèi)星通信的特點是通信距離遠(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。自1965年第一顆國際通信衛(wèi)星投入商用以來,衛(wèi)星通信得到迅速發(fā)展,現(xiàn)在第六代國際通信衛(wèi)星即將投入使用。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)十萬條話路,80％的洲際通信業(yè)務(wù)和100％的遠(yuǎn)距離電視傳輸業(yè)務(wù)均采用衛(wèi)星通信,衛(wèi)星通信已成為國際通信的主要手段。同時,衛(wèi)星通信已進(jìn)入國內(nèi)通信領(lǐng)域,許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家均擁有國內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。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,連同租借的國際衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器,已擁有22個轉(zhuǎn)發(fā)器。并與182個國家和地區(qū)開通了國際通信業(yè)務(wù),初步組織了國內(nèi)公用衛(wèi)星通信網(wǎng)及若干專用網(wǎng)。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、時分多路和時分多址。衛(wèi)星通信正向更高頻段發(fā)展,采用多波束衛(wèi)星和星上處理等新技術(shù),地面系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢是小型化。近年來蓬勃發(fā)展的VSAT(甚小口徑終端)小站技術(shù)集中反映了調(diào)制／解調(diào)、糾錯編碼／譯碼、數(shù)字信號處理、通信專用超大規(guī)模集成電路、固態(tài)功放和低噪聲接收、小口徑低旁瓣天線等多項新技術(shù)的進(jìn)步。數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)是將通信范圍分為若干相距一定距離的小區(qū),移動用戶可以從一個小區(qū)運動到另一個小區(qū),依靠終端對基站的跟蹤,使通信不中斷。移動用戶還可以從一個城市漫游到另一個城市,甚至到另一個國家與原注冊地的用戶終端通話。數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)主要由三部分組成:控制交換中心、若干基站、諸多移動終端。通過控制交換中心進(jìn)入公用有線電話網(wǎng),從而實現(xiàn)移動電話與固定電話、移動電話與移動電話之間的通信。目前廣泛應(yīng)用的是第二代移動通信系統(tǒng),采用窄帶時分多址(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IS－95系統(tǒng)、日本的PDC系統(tǒng)。我國主要采用歐洲的GSM系統(tǒng)。第二代移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)制式的統(tǒng)一,覆蓋了大中小城市,為人們的信息交流提供了極大的便利。隨著移動通信終端的普及,移動用戶數(shù)量成倍地增長,第二代移動通信系統(tǒng)的缺陷也逐漸顯現(xiàn)出來,如全球漫游問題、系統(tǒng)容量問題、頻譜資源問題、支持寬帶業(yè)務(wù)問題等。為此,從20世紀(jì)90年代中期開始,各國和世界組織又開展了對第三代移動通信系統(tǒng)的研究,它包括地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng),移動終端既可以連接到地面的網(wǎng)絡(luò),也可以連接到衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)。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IMT－2000。IMT－2000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2Mb／s,其中,車載為144kb／s、步行為384kb／s、室內(nèi)為2Mb／s,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);終端價格低。目前,第三代移動通信系統(tǒng)有多個標(biāo)準(zhǔn),我國所提出的TD－SCDMA標(biāo)準(zhǔn)就是其中之一。這充分體現(xiàn)了我國在移動通信領(lǐng)域的研究已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。第三代移動通信系統(tǒng)(簡稱3G)處于研究和建設(shè)之中。目前有三種方案比較成熟,即日本提出的W－CDMA系統(tǒng)、美國提出的CDMA2000系統(tǒng)和中國提出的TD－SCDMA系統(tǒng)。第三代移動通信系統(tǒng)涉及到很多新的關(guān)鍵技術(shù),主要有:

(1)自適應(yīng)智能化無線傳輸技術(shù);

(2)智能接收技術(shù);

(3)智能業(yè)務(wù)接入;

(4)同步CDMA的同步方式、跟蹤、范圍以及多媒體同步技術(shù),尤其是不同媒體之間的同步(同步模型)研究,以及在移動信道下傳輸所帶來的影響和解決方法的研究;

(5)新的高效信源編碼和信道編譯碼技術(shù)的研究;

(6)越區(qū)切換技術(shù)研究(軟切換、硬切換以及W－CDMA中激勵切換技術(shù)),與地面各類網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)互聯(lián)及信令變換的研究;

(7)信道傳播特性的研究(包括更高工作頻段30~60GHz);

(8)用于移動業(yè)務(wù)的多媒體終端;

(9)更高速率、更高頻段多媒體移動通信集成系統(tǒng)(第四代)方案的研究;

(10)跟蹤IMT－2000無線傳輸技術(shù),衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)接入技術(shù)和相關(guān)技術(shù)研究。第四代移動通信系統(tǒng)以LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)和Wireless-MAN-Advanced標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則。4G移動通信系統(tǒng)將具備以下特點:(1)傳輸速度更高。4G移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)頻寬將高2~8GHz,是3G網(wǎng)絡(luò)通用頻寬的20倍。4G移動通信系統(tǒng)的上傳、下載速度也大大超過了3G系統(tǒng)。4G系統(tǒng)的下載速度可達(dá)到100Mb/s,而3G系統(tǒng)的下載速度僅為4G系統(tǒng)的2%;4G系統(tǒng)的上傳速度上限為20Mb/s,而3G系統(tǒng)的上傳速度上限僅為4G系統(tǒng)的5%。(2)通信服務(wù)多元化。由于技術(shù)限制,第一、二代通信技術(shù),甚至3G通信系統(tǒng)只能偏重于語音業(yè)務(wù),而4G通信系統(tǒng)超高速傳播速度可以滿足高清晰度圖像以及會議電視等寬帶要求較高的業(yè)務(wù)需要。4G通信系統(tǒng)2~8GHz的網(wǎng)絡(luò)頻寬可以更好地支持語音、數(shù)據(jù)以及影像等信息,真正實現(xiàn)多媒體通信。(3)智能化程度更高。4G通信技術(shù)的優(yōu)勢將為手機服務(wù)帶來革命性變化。在4G技術(shù)支持下,除了傳統(tǒng)的語音數(shù)據(jù)傳輸,4G手機將具備多媒體電腦的所有功能要素。此外,4G手機的外觀也不再局限于手機的形式,眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋都有可能成為4G終端。除去通信終端設(shè)備外觀以及操作的智能化設(shè)計,4G通信終端的功能也將變得更加智能化,如:未來的4G手機將可以根據(jù)環(huán)境、時間以及其他因素來實時提醒手機主人。(4)良好的兼容性。由于采用大區(qū)域覆蓋、接口開放技術(shù),4G通信系統(tǒng)具有良好的兼容性,可以與3G、無線以及固定網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫連接,真正實現(xiàn)全球漫游的通信目標(biāo)。此外,4G通信系統(tǒng)與3G通信系統(tǒng)的高兼容性,也極大地降低了現(xiàn)有通信用戶的升級門檻,有利于4G通信技術(shù)的普及。4G通信技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)有通信行業(yè)帶來革命性的變化。第四代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)有:(1)定位技術(shù)。定位是指移動終端位置的測量方法和計算方法。它主要分為基于移動終端定位、移動網(wǎng)絡(luò)定位或者混合定位三種方式。在4G移動通信系統(tǒng)中,移動終端可能在不同系統(tǒng)(平臺)間進(jìn)行移動通信。因此,對移動終端的定位和跟蹤,是實現(xiàn)移動終端在不同系統(tǒng)(平臺)間無縫連接和在系統(tǒng)中保持高速率、高質(zhì)量的移動通信的前提和保障。(2)切換技術(shù)。切換技術(shù)適用于移動終端在不同移動小區(qū)之間、不同頻率之間通信或者信號降低信道選擇等情況。切換技術(shù)是未來移動終端在眾多通信系統(tǒng)、移動小區(qū)之間建立可靠移動通信的基礎(chǔ)和重要技術(shù)。切換技術(shù)主要有軟切換和硬切換。在4G通信系統(tǒng)中,切換技術(shù)的適用范圍更為廣泛,并朝著軟切換和硬切換相結(jié)合的方向發(fā)展。(3)軟件無線電技術(shù)。在4G移動通信系統(tǒng)中,軟件將會變得非常繁雜。為此,專家們提議引入軟件無線電技術(shù),將其作為第二代移動通信通向第三代和第四代移動通信的橋梁。軟件無線電技術(shù)能夠?qū)⒛M信號的數(shù)字化過程盡可能地接近天線,即將A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近RF前端,利用DSP進(jìn)行信道分離、調(diào)制解調(diào)和信道編譯碼等工作。它旨在建立一個無線電通信平臺,在平臺上運行各種軟件系統(tǒng),以實現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信。因此,應(yīng)用軟件無線電技術(shù),一個移動終端就可以在不同系統(tǒng)和平臺之間暢通無阻地使用。目前比較成熟的軟件無線電技術(shù)是參數(shù)控制軟件無線電系統(tǒng)。(4)智能天線技術(shù)。智能天線具有抑制噪聲、自動跟蹤信號、智能化時空處理算法形成數(shù)字波束等功能。(5)無線電在光纖中的傳輸技術(shù)。在未來的通信系統(tǒng)中,光纖網(wǎng)將發(fā)揮十分重要的作用?？梢岳霉饫w傳送寬帶無線電信號,與其他傳輸媒介相比,損耗很小。還可以用光纖傳送包含多種業(yè)務(wù)的高頻(60GHz)無線電信號。因此,利用光纖傳輸無線電信號,成為研究的一個重點。(6)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與安全。未來移動網(wǎng)絡(luò)包含許多類型的通信網(wǎng)絡(luò),采用以軟件連接和控制為主的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連。因此,無線接口協(xié)議成為4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時,隨著網(wǎng)絡(luò)的高速擴展,網(wǎng)絡(luò)的安全問題也需高度重視。(7)傳輸技術(shù)。主要研究在高速率(<20Mb/s)條件下高速移動通信微波傳輸?shù)男阅?以及在高頻段(如60GHz)室內(nèi)信號多徑傳輸性能。亞毫米波段傳輸信號,也是雨天等惡劣條件下,信號傳輸技術(shù)研究的重點之一。(8)調(diào)制和信號傳輸技術(shù)。在高頻段進(jìn)行高速移動通信,將面臨嚴(yán)重的選頻衰落(frequency-selectivefading)。為提高信號性能,應(yīng)研究和發(fā)展智能調(diào)制和解調(diào)技術(shù),例如正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)、自適應(yīng)均衡器等。另一方面,采用TPC、RAKE擴頻接收、跳頻、FFC(如AQR和Turbo編碼)等技術(shù),來獲取更好的信號能量噪聲比(Eb/No)。第五代移動通信技術(shù)的特點及展望:隨著4G進(jìn)入規(guī)模商用,第五代(5G)移動通信的研發(fā)工作已經(jīng)全面啟動。國際電信聯(lián)盟(ITU)從2012年開始組織全球業(yè)界開展5G標(biāo)準(zhǔn)化前期研究,持續(xù)推動全球5G共識形成。在ITU的IMT2020愿景研究中,全面研討了下一代IMT系統(tǒng)的業(yè)務(wù)趨勢、關(guān)鍵能力和系統(tǒng)特征,推動了業(yè)界逐漸對IMT2020系統(tǒng)的框架和核心能力達(dá)成共識。在業(yè)務(wù)方面,5G將在大幅提升“以人為中心”的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體驗的同時,全面支持“以物為中心”的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),實現(xiàn)人與人、人與物和物與物的智能互聯(lián)。在應(yīng)用場景方面,5G將支持增強移動寬帶、海量機器類通信和超高可靠低時延通信三大類應(yīng)用場景,并在5G系統(tǒng)設(shè)計時需要充分考慮不同場景和業(yè)務(wù)的差異化需求。在流量趨勢方面,視頻流量增長、用戶設(shè)備增長和新型應(yīng)用普及將成為未來移動通信流量增長的主要驅(qū)動力,2020至2030年全球移動通信流量將增長幾十至100倍,并體現(xiàn)兩大趨勢:一是大城市及熱點區(qū)域流量快速增長,二是上、下行業(yè)務(wù)不對稱性進(jìn)一步深化,尤其體現(xiàn)在不同區(qū)域和每日各時間段。近年來Internet的技術(shù)和應(yīng)用層出不窮,對社會發(fā)展和人民生活以及現(xiàn)有電信業(yè)務(wù)產(chǎn)生了巨大的影響,其發(fā)展趨勢受到全世界普遍關(guān)注。Internet技術(shù)發(fā)展已具有以下三大趨向:網(wǎng)絡(luò)走向?qū)拵Щ?、協(xié)議不斷改進(jìn)、應(yīng)用與電信業(yè)務(wù)走結(jié)合發(fā)展道路。電信技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了漫長的模擬網(wǎng)年代(1876~1972年)、高速發(fā)展的數(shù)字化年代(1973~1980年)和業(yè)務(wù)綜合年代(1981~1996年),即ISDN和BISDN時代。20世紀(jì)90年代以來,技術(shù)的巨大進(jìn)步和管制環(huán)境的急劇變化,從外部和內(nèi)部強烈沖擊著電信業(yè)、有線電視業(yè)和計算機業(yè)這三大信息行業(yè)。隨著電信市場的開放以及用戶對多種業(yè)務(wù)需求的與日俱增,國際上出現(xiàn)了所謂“三網(wǎng)融合”的潮流,即原先獨立設(shè)計運營的傳統(tǒng)的電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線電視網(wǎng)正在趨向于相互滲透和相互融合。相應(yīng)地,三類不同的業(yè)務(wù)、市場和產(chǎn)業(yè)也正在相互滲透和相互融合,電信與信息產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組,電信與信息管理體制和政策法規(guī)也正在發(fā)生與之相適應(yīng)的重要變革。以三大業(yè)務(wù)來分割三大市場和行業(yè)的時代已宣告結(jié)束,三網(wǎng)融合已成為未來信息業(yè)發(fā)展的趨勢。

1.2通信的概念1.2.1通信的定義一般意義上的通信(Communication)是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。滿足此定義的例子很多，如打電話，它是利用電話(系統(tǒng))來傳遞消息；兩個人之間的對話，亦是利用聲音來傳遞消息，不過只是通信距離非常短而已；古代“消息樹”、“烽火臺”和現(xiàn)代仍使用的“信號燈”等也是利用不同方式傳遞消息的，理應(yīng)歸屬通信之列。然而，隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對傳遞消息的要求也越來越高。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來傳遞消息的通信方法稱之為電信(Telecommunication)，這種通信具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點，而且?guī)缀醪皇軙r間、地點、空間、距離的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。如今，在自然科學(xué)中，“通信”與“電信”幾乎是同義詞了。本教材中所說的通信，均指電信。這里不妨對通信重新定義：把利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(含光信號)實現(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。通信從本質(zhì)上講就是實現(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)的一個重要組成部分。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)分按消息由一地向另一地傳遞時傳輸媒質(zhì)的不同，通信可分為兩大類：一類稱為有線通信，另一類稱為無線通信。所謂有線通信，是指傳輸媒質(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。所謂無線通信，是指傳輸消息的媒質(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。通常信道中傳送的信號可分為數(shù)字信號和模擬信號，由此，通信亦可分為數(shù)字通信和模擬通信。凡信號的某一參量(如連續(xù)波的振幅、頻率、相位，脈沖波的振幅、寬度、位置等)可以取無限多個數(shù)值，且直接與消息相對應(yīng)的，稱為模擬信號。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化(即可以取無限多個值)，而不一定在時間上也連續(xù)，例如第3章介紹的各種脈沖調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后已調(diào)信號脈沖的某一參量是可以連續(xù)變化的，但在時間上是不連續(xù)的。這里指的某一參量是指我們關(guān)心的并作為研究對象的那一參量，絕不是指時間參量。當(dāng)然，對于參量連續(xù)變化、時間上也連續(xù)變化的信號，毫無疑問也是模擬信號，如強弱連續(xù)變化的語言信號，亮度連續(xù)變化的電視圖像信號等都是模擬信號。凡信號的某一參量只能取有限個數(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)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某參量是離散(不連續(xù))變化的，而不一定在時間上也離散。

3.按工作頻段分根據(jù)通信設(shè)備的工作頻率不同，通信通?？煞譃殚L波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。為了比較全面地對通信中所使用的頻段有所了解，下面把通信使用的頻段及說明列入表1－2中，僅作為參考。表1-2通信使用的頻段及主要用途通信中工作頻率和工作波長可互換，公式為式中，λ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=3×108m/s。(1-1)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。所謂基帶傳輸是指信號沒有經(jīng)過調(diào)制而直接送到信道中去傳輸?shù)囊环N方式，而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)。表1-3常用的調(diào)制方式1.2.3通信方式

1.按消息傳送的方向與時間分通常，如果通信僅在點對點之間進(jìn)行，或一點對多點之間進(jìn)行，那么，按消息傳送的方向與時間不同，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。所謂單工通信，是指消息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，如圖1－1(a)所示。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無線尋呼等，這里，信號(消息)只從廣播發(fā)射臺、遙控器和無線尋呼中心分別傳到收音機、遙控對象和BB機上。所謂半雙工通信方式，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進(jìn)行收和發(fā)的形式，如圖1－1(b)所示。例如對講機、收發(fā)報機等都是這種通信方式。圖1-1按消息傳送的方向和時間劃分的通信方式(a)單工方式；(b)半雙工方式；(c)全雙工方式

2.按數(shù)字信號排序分在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號排列的順序不同，可將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)字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸?shù)姆绞?，如圖1－2(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)字信號序列同時在信道上傳輸，則稱為并序傳輸通信方式，如圖1－2(b)所示。圖1-2按數(shù)字信號排序劃分的通信方式(a)串序傳輸方式；(b)并序傳輸方式

3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：點到點通信方式、點到多點通信(分支)方式和多點到多點通信(交換)方式，它們的示意圖如圖1－3所示。點到點通信方式是通信網(wǎng)絡(luò)中最為簡單的一種形式，終端A與終端B之間的線路是專用的；在點到多點通信(分支)方式中，它的每一個終端(A,B,C,…,N)經(jīng)過同一信道與轉(zhuǎn)接站相互連接，此時，終端之間不能直通信息，而必須經(jīng)過轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接，此種方式只在數(shù)字通信中出現(xiàn)；多點到多點通信(交換)方式是終端之間通過交換設(shè)備靈活地進(jìn)行線路交換的一種方式，即把要求通信的兩終端之間的線路接通(自動接通)，或者通過程序控制實現(xiàn)消息交換，即通過交換設(shè)備先把發(fā)方來的消息存儲起來，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至收方，這種消息轉(zhuǎn)發(fā)可以是實時的，也可是延時的。圖1-3按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式(a)兩點間直通方式；(b)分支方式；(c)交換方式 1.3通信系統(tǒng)

1.3.1通信系統(tǒng)的模型通信的任務(wù)是完成消息的傳遞和交換。以點對點通信為例，可以看出要實現(xiàn)消息從一地向另一地的傳遞，必須有三個部分：一是發(fā)送端，二是接收端，三是收發(fā)兩端之間的信道，如圖1－4所示。圖1－4通信系統(tǒng)的模型這里，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)中電話機可看成是信源，信源輸出的信號稱為基帶信號。所謂基帶信號，是指沒有經(jīng)過調(diào)制(頻率搬移)的原始信號，其特點是頻率較低?；鶐盘柨煞譃閿?shù)字基帶信號和模擬基帶信號。為了使原始信號(基帶信號)適合在信道中傳輸，由發(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。發(fā)送設(shè)備是一個總體概念，它可能包括許多具體電路與系統(tǒng)，通過以后的學(xué)習(xí)，這點體會將會更深。信道是信號傳輸?shù)耐?，信道中自然會疊加上噪聲。在接收端，接收設(shè)備的功能正好相反于發(fā)送設(shè)備，它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，如電話機將對方傳來的電信號還原成了聲音。圖1－4中，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。圖中這種表示并非指通信中一定要有一個噪聲源，而是為了在分析和討論問題時便于理解而人為設(shè)置的。1.3.2模擬通信系統(tǒng)我們把信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)的組成(通常也稱為模型)可由一般通信系統(tǒng)模型略加改變而成，如圖1－5所示。對于模擬通信系統(tǒng)，它主要包含兩種重要變換。一是把連續(xù)消息變換成電信號(發(fā)端信息源完成)和把電信號恢復(fù)成最初的連續(xù)消息(收端受信者完成)。由信源輸出的電信號(基帶信號)具有頻率較低的頻譜分量，一般不能直接作為傳輸信號而送到信道中去。因此，模擬通信系統(tǒng)里常有第二種變換，即將基帶信號轉(zhuǎn)換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘枺@一變換由調(diào)制器完成；在接收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器完成。經(jīng)過調(diào)制后的信號通常稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特性：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。圖1－5模擬通信系統(tǒng)模型1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)

1.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字通信的基本特征是，它的消息或信號具有“離散”或“數(shù)字”的特性，從而使數(shù)字通信具有許多特殊的問題。例如，前面提到的第二種變換，在模擬通信中強調(diào)變換的線性特性，即強調(diào)已調(diào)參量與代表消息的模擬信號之間的比例特性，而在數(shù)字通信中，則強調(diào)已調(diào)參量與代表消息的數(shù)字信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系。另外，數(shù)字通信中還存在以下突出問題：第一，數(shù)字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯，原則上是可以控制的。這是通過所謂的差錯控制編碼來實現(xiàn)的。于是，就需要在發(fā)送端增加一個編碼器，而在接收端相應(yīng)需要一個解碼器。第二，當(dāng)需要實現(xiàn)保密通信時，可對數(shù)字基帶信號進(jìn)行“擾亂”(加密)，此時在接收端就必須進(jìn)行解密。第三，由于數(shù)字通信傳輸是一個接一個按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號，因而接收端必須有一個與發(fā)送端相同的節(jié)拍，否則，就會因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂。另外，為了表述消息內(nèi)容，基帶信號都是按消息特征進(jìn)行編組的，于是，在收發(fā)之間一組組的編碼的規(guī)律也必須一致，否則接收時消息的真正內(nèi)容將無法恢復(fù)。在數(shù)字通信中，稱節(jié)拍一致為“位同步”或“碼元同步”，而稱編組一致為“群同步”或“幀同步”，故數(shù)字通信中還必須有“同步”這個重要問題。圖1－6數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)模型需要說明的是，圖1－6中調(diào)制器/解調(diào)器、加密器/解密器、編碼器/譯碼器等環(huán)節(jié)，在具體通信系統(tǒng)中是否全部采用，這要取決于具體設(shè)計條件和要求。但在一個系統(tǒng)中，如果發(fā)送端有調(diào)制/加密/編碼，則接收端必須有解調(diào)/解密/譯碼。通常把有調(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)。

2.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)與頻帶傳輸系統(tǒng)相對應(yīng)，我們把沒有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如圖1－7所示。圖1-7數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型

3.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)上面論述的數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源輸出的信號均為數(shù)字基帶信號，實際上，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)送端將模擬信號數(shù)字化，即A/D轉(zhuǎn)換；在接收端需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)南到y(tǒng)如圖1－8所示。圖1-8模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模型1.3.4數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點

1.數(shù)字通信的主要優(yōu)點抗干擾、抗噪聲性能好。(2)差錯可控。(3)易加密。(4)易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。2.數(shù)字通信的缺點(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20~60kHz的帶寬，而一路模擬電話僅占用約4kHz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5~15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信息及其量度“信息”(information)一詞在概念上與消息(message)的意義相似，但它的含義卻更具普遍性、抽象性。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。傳遞的消息都有其量值的概念。在一切有意義的通信中，雖然消息的傳遞意味著信息的傳遞，但對接收者而言，某些消息比另外一些消息的傳遞具有更多的信息。例如，甲方告訴乙方一件非?？赡馨l(fā)生的事情，“明天中午12時正常開飯”，那么比起告訴乙方一件極不可能發(fā)生的事情，“明天12時有地震”來說，前一消息包含的信息顯然要比后者少些。因為對乙方(接收者)來說，前一事情很可能(必然)發(fā)生，不足為奇，而后一事情卻極難發(fā)生，聽后會使人驚奇。這表明消息確實有量值的意義，而且，對接收者來說，事件愈不可能發(fā)生，愈會使人感到意外和驚奇，則信息量就愈大。正如已經(jīng)指出的，消息是多種多樣的，因此，量度消息中所含的信息量值，必須能夠用來估計任何消息的信息量，且與消息種類無關(guān)。另外，消息中所含信息的多少也應(yīng)和消息的重要程度無關(guān)。由概率論可知，事件的不確定程度，可用事件出現(xiàn)的概率來描述，事件出現(xiàn)(發(fā)生)的可能性愈小，則概率愈小；反之，概率愈大?；谶@種認(rèn)識，我們得到：消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大。且概率為零時(不可能發(fā)生事件),信息量為無窮大；概率為1時(必然事件)，信息量為0。(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(2)消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小。且(1-2)綜上所述，可以得出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：(3)若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量的和，即可以看出I與P(x)間應(yīng)滿足以上三點，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試計算二進(jìn)制符號等概率和多進(jìn)制(M進(jìn)制)等概率時每個符號的信息量。解

二進(jìn)制等概率時，

即

M進(jìn)制等概率時，有

例1-2

試計算二進(jìn)制符號不等概率時的信息量(設(shè)P(1)=P)。解

P(1)=P

P(0)=1-PI(1)=-lbP(1)=-lbP(bit)I(0)=-lbP(0)=-lb(1-P)(bit)可見,不等概率時，每個符號的信息量不同。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：

1.4.2平均信息量平均信息量I等于各個符號的信息量乘以各自出現(xiàn)的概率之和。

對于多個信息符號的平均信息量的計算：設(shè)各符號出現(xiàn)的概率為

且

則每個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)1.4.3條件熵的計算已知有兩個離散信息符號集{x}和{y},符號集{x}的平均信息量為H(X),符號集{y}的平均信息量為H(Y),平均互信息量為I(X,Y),那么條件熵即為H(Y|X)和H(X|Y)。它們之間的關(guān)系為1.5通信系統(tǒng)的性能指標(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。從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜?通信的有效性和可靠性是系統(tǒng)最主要的兩個性能指標(biāo)。通信系統(tǒng)的有效性與系統(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)濟的方法傳輸最大數(shù)量的消息。通信系統(tǒng)的可靠性與系統(tǒng)可靠地傳輸消息相關(guān)聯(lián)?？煽啃允且环N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。一般情況下,要增加系統(tǒng)的有效性,就要降低系統(tǒng)的可靠性,反之亦然。在實際中,常常依據(jù)實際系統(tǒng)要求采取相對統(tǒng)一的辦法,即在滿足一定可靠性指標(biāo)下,盡量提高消息的傳輸速率,即有效性;或者,在維持一定有效性條件下,盡可能提高系統(tǒng)的可靠性。1.5.2通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)中,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充分利用它的傳輸能力,可有幾個方面的措施。其中有兩個主要方面:一是多路信號通過頻率分割復(fù)用,即頻分復(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4kHz模擬話音信號,目前使用的無線頻段為105～1012Hz,通常利用頻分復(fù)用方式實現(xiàn)各種無線通信;另一方面,提高模擬通信有效性是指根據(jù)業(yè)務(wù)性質(zhì)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。數(shù)字通信的有效性主要體現(xiàn)在一個信道通過的信息速率。對于基帶數(shù)字信號,可以采用時分復(fù)用(TDM)以充分利用信道帶寬。對于數(shù)字信號頻帶傳輸,可以采用多元調(diào)制來提高有效性。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?？蓮囊韵氯齻€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4800個碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為2400B。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)

通常在給出系統(tǒng)碼元速率時，有必要說明碼元的進(jìn)制，多進(jìn)制(N)碼元速率RBN與二進(jìn)制碼元速率RB2之間，在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下，相互可轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為(1-8)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1200個符號，且每一個符號的平均信息量為1(bit)，則該信源的Rb=1200b/s或1200bps。因為信息量與信號進(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

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(1-9)(1-10)

4.頻帶利用率η

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，

即

(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Rb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)對于模擬通信系統(tǒng),可靠性通常以整個系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。信噪比是信號的平均功率與噪聲的平均功率之比。信噪比越高,說明噪聲對信號的影響越小,信號的質(zhì)量越好。例如,在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,發(fā)送信號功率總是有一定限量,而信道噪聲(主要是熱噪聲)則隨傳輸距離而增加,其功率不斷累積,并以相加的形式來干擾信號,信號加噪聲的混合波形與原信號相比則具有一定程度失真。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。當(dāng)然,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。1.碼元差錯率Pe

碼元差錯率Pe簡稱誤碼率，它是指接收錯誤的碼元數(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)中被傳錯的概率。用表達(dá)式可表示成(1-13)2.信息差錯率Peb

信息差錯率Peb簡稱誤信率，或誤比特率，它是指接收錯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)制信號的每個碼元含有n=lbM比特信息，并且一個特定的錯誤碼元可以有(M-1)種不同的錯誤樣式。當(dāng)M較大時，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。狹義信道通常按具體媒介的不同類型可分為有線信道和無線信道。所謂有線信道，是指傳輸媒介為明線、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。有線信道是現(xiàn)代通信網(wǎng)中最常用的信道之一。如對稱電纜(又稱電話電纜)廣泛應(yīng)用于(市內(nèi))近程傳輸。無線信道的傳輸媒質(zhì)比較多，它包括短波電離層、對流層散射等?？梢赃@樣認(rèn)為，凡不屬有線信道的媒質(zhì)均為無線信道的媒質(zhì)。雖然無線信道的傳輸特性沒有有線信道的傳輸特性穩(wěn)定和可靠，但是無線信道具有方便、靈活，通信者可移動等優(yōu)點。廣義信道通常也可分成兩種:調(diào)制信道和編碼信道。調(diào)制信道是從研究調(diào)制與解調(diào)的基本問題出發(fā)而構(gòu)成的，它的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。因為，從調(diào)制和解調(diào)的角度來看，由調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)，不管其中間過程如何，它們不過是把已調(diào)信號進(jìn)行了某種變換而已，我們只需關(guān)心變換的最終結(jié)果，而無需關(guān)心形成這個最終結(jié)果的詳細(xì)過程。因此，研究調(diào)制與解調(diào)問題時，定義一個調(diào)制信道是方便和恰當(dāng)?shù)?。調(diào)制信道常常用在模擬通信中。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果僅著眼于編碼和譯碼問題，則可得到另一種廣義信道——編碼信道。這是因為，從編碼和譯碼的角度看，編碼器的輸出仍是某一數(shù)字序列，而譯碼器輸入同樣也是一數(shù)字序列，它們在一般情況下是相同的數(shù)字序列。因此，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)可用一個完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。調(diào)制信道和編碼信道的示意圖如圖1－9所示。另外，根據(jù)研究對象和關(guān)心問題的不同，也可以定義其他形式的廣義信道。圖1－9調(diào)制信道與編碼信道

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)制信道在頻帶傳輸系統(tǒng)中，已調(diào)信號離開調(diào)制器便進(jìn)入調(diào)制信道。對于調(diào)制和解調(diào)而言，通常可以不管調(diào)制信道究竟包括了什么樣的轉(zhuǎn)換器，也不管選用了什么樣的傳輸媒質(zhì)，以及發(fā)生了怎樣的傳輸過程，我們僅關(guān)心已調(diào)信號通過調(diào)制信道后的最終結(jié)果。因此，把調(diào)制信道概括成一個模型是可能的。通過對調(diào)制信道進(jìn)行大量的考察之后，可發(fā)現(xiàn)它有如下主要特性：①有一對(或多對)輸入端，則必然有一對(或多對)輸出端；②絕大部分信道是線性的，即滿足疊加原理；③信號通過信道需要一定的遲延時間；④信道對信號有損耗(固定損耗或時變損耗)；⑤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)。由此看來，可用一個二對端(或多對端)的時變線性網(wǎng)絡(luò)去替代調(diào)制信道。這個網(wǎng)絡(luò)就稱做調(diào)制信道模型，如圖1－10所示。圖1－10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(1－16)式中，ei(t)為信道輸入信號；eo(t)為信道輸出信號；n(t)為信道噪聲(或稱信道干擾)；f［ei(t)］為信道對信號影響(變換)的某種函數(shù)關(guān)系。因此，式(1－16)可寫成eo(t)=k(t)·ei(t)+n(t)(1－17)k(t)稱為乘性干擾，它依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，對信號ei(t)影響較大；n(t)則稱為加性干擾(噪聲)。這樣，信道對信號的影響可歸納為兩點：一是乘性干擾k(t)的影響，二是加性干擾n(t)的影響。如果了解了k(t)和n(t)的特性，則信道對信號的具體影響就能搞清楚。不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)而已。

k(t)稱為乘性干擾，它依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，對信號ei(t)影響較大；n(t)則稱為加性干擾(或噪聲)。這樣，信道對信號的影響可歸納為兩點：一是乘性干擾k(t)的影響，二是加性干擾n(t)的影響。如果了解了k(t)和n(t)的特性，則信道對信號的具體影響就能搞清楚。不同特性的信道，其信道模型有不同的k(t)及n(t)參數(shù)。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)=k·ei(t)(1－18)實際中，乘性干擾k(t)一般是一個復(fù)雜函數(shù)，它可能包括各種線性畸變、非線性畸變、交調(diào)畸變、衰落畸變等，而且往往只能用隨機過程加以表述，這是由于網(wǎng)絡(luò)的遲延特性和損耗特性隨時間隨機變化的結(jié)果。但是，經(jīng)大量觀察表明，有些信道的k(t)基本不隨時間變化，或者信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的；但有的信道卻不然，它們的k(t)是隨機快變化的。因此，在分析研究乘性干擾k(t)時，在相對的意義上可把調(diào)制信道分為兩大類：一類稱為恒參信道，即k(t)可看成不隨時間變化或變化極為緩慢的一類信道；另一類則稱為隨參信道(或稱變參信道)，它便是非恒參信道的統(tǒng)稱，或者說k(t)是隨時間隨機變化的信道。通常，把我們前面所列的前四種和最后兩種傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為恒參信道，其他媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為隨參信道。一般情況下，人們認(rèn)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。它與調(diào)制信道模型有明顯的不同，即調(diào)制信道對信號的影響是通過k(t)和n(t)使調(diào)制信號發(fā)生“模擬”變化，而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。故有時把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。由于編碼信道包含調(diào)制信道，因而它同樣要受到調(diào)制信道的影響。但是，從編/譯碼的角度看，以上這個影響已被反映在解調(diào)器的最終結(jié)果里——使解調(diào)器輸出數(shù)字序列以某種概率發(fā)生差錯。顯然，如果調(diào)制信道越差，即特性越不理想和加性噪聲越嚴(yán)重，則發(fā)生錯誤的概率將會越大。由此看來，編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉(zhuǎn)移概率來描述。例如，在最常見的二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，一個簡單的編碼信道模型可示于圖1－11。之所以說這個模型是“簡單的”，這是因為，在這里假設(shè)解調(diào)器輸出的每個數(shù)字碼元發(fā)生差錯是相互獨立的。用編碼的術(shù)語來說，這種信道是無記憶的(當(dāng)前碼元的差錯與其前后碼元的差錯沒有依賴關(guān)系)。在這個模型里，把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)稱為錯誤轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)概率性質(zhì)可知P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1(1－19)(1－20)圖1－11二進(jìn)制無記憶編碼信道模型轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性所決定，一個特定的編碼信道就會有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。應(yīng)該指出，編碼信道的轉(zhuǎn)移概率一般需要對實際編碼信道作大量的統(tǒng)計分析才能得到。編碼信道可細(xì)分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道。有記憶編碼信道是指信道中碼元發(fā)生差錯的事件不是獨立的，即碼元發(fā)生錯誤前后是有聯(lián)系的。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、多芯電纜和光釬。

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。這種絞合結(jié)構(gòu)可以減少對臨近線對的電磁干擾。根據(jù)雙絞線是否外加屏蔽層還可以將其分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。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)線價格越高。屏蔽雙絞線傳輸質(zhì)量較好,傳輸速率也高,但施工不便;非屏蔽雙絞線雖然傳輸性能不如屏蔽雙絞線,但施工方便,組網(wǎng)靈活,造價較低,因而較多采用。

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。金屬屏蔽層能將磁場反射回中心導(dǎo)體,同時也使中心導(dǎo)體免受外界干擾,故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。按特性阻抗數(shù)值的不同,同軸電纜可分為兩種,一種為50Ω(指沿電纜導(dǎo)體各點的電磁電壓與電流之比)同軸電纜,用于數(shù)字信號的傳輸,即基帶同軸電纜;另一種為75Ω同軸電纜,用于寬帶模擬信號的傳輸,即寬帶同軸電纜?；鶐S電纜只支持一個信道,傳輸帶寬為10Mb/s。它能夠以10Mb/s的速率把基帶數(shù)字信號傳輸1~1.2km,在局域網(wǎng)中廣泛使用;寬帶同軸電纜支持的帶寬為300~450MHz,可用于寬帶數(shù)據(jù)信號的傳輸,傳輸距離可達(dá)100km。

3)光纖光導(dǎo)纖維是軟而細(xì)的、利用內(nèi)部全反射原理來傳導(dǎo)光束的傳輸介質(zhì),由于可見光的頻率非常高,約為108MHz的數(shù)量級,因此,一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他各種傳輸介質(zhì)的帶寬。光纖為圓柱狀,由纖芯、包層和護(hù)套組成,纖芯是光纖最中心的部分,由一條或多條非常細(xì)的玻璃或塑料纖維線構(gòu)成,每根纖維線都有自己的包層。由于這一玻璃或塑料包層涂層的折射率比纖芯低,因此可使光波保持在芯線內(nèi)。最外層的護(hù)套為的是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,有單模光纖和多模光纖之分。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(不會受到電子監(jiān)聽),是構(gòu)建安全網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。

2.無線信道無線信道的傳輸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。表面波的特點是信號比較穩(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。

(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,這一形式的電波就稱為天波或反射波。短波傳輸具有這種特性。

(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(有時有地面反射波)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)。

(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的電離余跡對電磁波的散射作用來實現(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,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)的噪聲信道內(nèi)噪聲的來源很多,噪聲的性質(zhì)也有所不同,表現(xiàn)的形式也多種多樣。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。這類噪聲的頻率范圍很寬,從甚低頻到特高頻都可能有無線電干擾存在,并且干擾的強度有時很大。但它有個特點,就是干擾頻率是固定的,因此可以預(yù)先設(shè)法防范。特別是在加強了無線電頻率的管理工作后,無論在頻率的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及諧波輻射等方面都有嚴(yán)格的規(guī)定,使得信道內(nèi)信號受它的影響可減到最小程度。

(2)工業(yè)噪聲。它來源于各種電氣設(shè)備,如電力線、點火系統(tǒng)、電車、電源開關(guān)、電力鐵道、高頻電爐等。這類干擾來源分布很廣泛,無論是城市還是農(nóng)村,內(nèi)地還是邊疆,各地都有工業(yè)干擾存在。尤其是在現(xiàn)代化社會里,各種電氣設(shè)備越來越多,因此這類干擾的強度也就越來越大。但它也有個特點，即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。這類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,因此對它的干擾影響很難防止。

(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,電阻及各種導(dǎo)體都會在分子熱運動的影響下產(chǎn)生熱噪聲,電子管或晶體管等電子器件會由于電子發(fā)射不均勻等原因產(chǎn)生器件噪聲。這類干擾的特點是由無數(shù)個自由電子作不規(guī)則運動所形成的,因此它的波形也是不規(guī)則變化的,在示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)上可以用隨機過程來描述這類干擾,因此又可稱為隨機噪聲,或者簡稱為噪聲。以上是從噪聲的來源來分類的,當(dāng)然比較直觀。但是,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。因為電臺發(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。它的特點是一種連續(xù)波干擾,并且其頻率是可以通過實測來確定的,因此在采取適當(dāng)?shù)拇胧┖缶陀锌赡芊乐埂?/p>

(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。它的特點是波形不連續(xù),呈脈沖性質(zhì),并且發(fā)生這類干擾的時間很短,強度很大,而周期是隨機的,因此它可以用隨機的窄脈沖序列來表示。由于脈沖很窄,所以占用的頻譜必然很寬。但是,隨著頻率的提高,頻譜幅度逐漸減小,干擾影響也就減弱。因此,在適當(dāng)選擇工作頻段的情況下,這類干擾的影響也是可以防止的。

(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。它們都是不規(guī)則的隨機過程,只能采用大量統(tǒng)計的方法來尋求其統(tǒng)計特性。由于它來自信道本身,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)在整個頻率域(-∞＜ω＜+∞)內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。我們稱它為白噪聲，因為它類似于光學(xué)中包括全部可見光頻率在內(nèi)的白光。凡是不符合上述條件的噪聲就稱為有色噪聲，它只包括可見光頻譜的部分頻率。但是，實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，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0～1013Hz內(nèi)基本均勻分布，因此可以將它看做白噪聲。理想的白噪聲功率譜密度通常被定義為(1－21)式中，n0的單位是W/Hz。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)是一個位于τ=0處的沖激函數(shù)，它的強度為n0/2。白噪聲的Pn(ω)和Rn(τ)圖形如圖1－12所示。圖1－12理想白噪聲的功率譜密度和自相關(guān)函數(shù)(a)功率譜密度；(b)自相關(guān)函數(shù)所謂高斯(Gaussian)噪聲，是指它的概率密度函數(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(1－22)式中，a為噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值；σ2為噪聲的方差；exp(x)是以e為底的指數(shù)函數(shù)?，F(xiàn)在再來看正態(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，這是因為(1-23)(1-24)式中，Φ(x)稱為概率積分函數(shù)，簡稱概率積分，其定義為(1－25)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)，它的定義式為互補誤差函數(shù)(1－27)式(1－26)和式(1－27)是在討論通信系統(tǒng)抗噪聲性能時常用到的基本公式。

3.高斯型白噪聲我們已經(jīng)知道，白噪聲是根據(jù)噪聲的功率譜密度是否均勻來定義的，而高斯噪聲則是根據(jù)它的概率密度函數(shù)來定義的，那么什么是高斯型白噪聲(也稱高斯白噪聲)呢?我們可這樣認(rèn)為，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)計特性，同時它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。這類噪聲，理論分析要用到較深的隨機理論知識，故不展開討論，它的一個例子就是維納過程。值得注意的是高斯型白噪聲，它是對噪聲的兩個不同方面而言的，即是對概率密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)而言的，不可混淆。在通信系統(tǒng)理論分析中，特別在分析、計算系統(tǒng)抗噪聲性能時，經(jīng)常假定系統(tǒng)信道中噪聲為高斯型白噪聲。這是因為，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)分析和運算；二是高斯型白噪聲確實也反映了具體信道中的噪聲情況，比較真實地代表了信道噪聲的特性。

4.窄帶高斯噪聲嚴(yán)格地說，通信系統(tǒng)中存在的噪聲都是隨機過程，很難用一個具體數(shù)學(xué)表達(dá)式表述。要詳細(xì)了解噪聲的特性，必須嚴(yán)格按隨機過程的分析方法來研究噪聲。這里我們不準(zhǔn)備從隨機過程的知識談起，盡量避開其數(shù)學(xué)分析，僅給出易理解、實用的結(jié)論即可。當(dāng)高斯噪聲通過以ωc為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時，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B<<fc=ωc/(2π)的系統(tǒng)。這是符合大多數(shù)信道的實際情況的，信號通過窄帶系統(tǒng)后就形成窄帶信號，它的特點是頻譜局限在±ωc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變化。基于此，隨機噪聲通過窄帶系統(tǒng)后，可表示為式中，φ(t)為噪聲的隨機相位；ρ(t)為噪聲的隨機包絡(luò)。1.6.5信道容量

1.信號帶寬帶寬這個名稱在通信系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn),而且常常代表不同的含義,因此在這里先對帶寬這個名稱作一些說明。從通信系統(tǒng)中信號傳輸過程來說,實際上遇到兩種不同含義的帶寬:一種是信號(包括噪聲)的帶寬,這是由信號(或噪聲)能量譜密度G(ω)或功率譜密度P(ω)在頻域的分布規(guī)律確定的