《通信系統(tǒng)原理》課件第1章

1.1通信系統(tǒng)的組成

1.2數(shù)字通信的信號(hào)處理

1.3通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

1.4現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

思考題

第1章緒論本章簡(jiǎn)要介紹以下四個(gè)方面的內(nèi)容：

(1)通信系統(tǒng)的組成；

(2)數(shù)字通信的信號(hào)處理；

(3)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)；

(4)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。1.1通信系統(tǒng)的組成通信的目的是交換不同地點(diǎn)的消息，即傳輸消息。例如，將地點(diǎn)A的消息傳輸?shù)降攸c(diǎn)B，或者反過來將地點(diǎn)B的消息傳輸?shù)降攸c(diǎn)A。待傳輸?shù)南⒖梢允钦Z言、文字、圖像或者數(shù)據(jù)等。消息在發(fā)送端首先被變換為各種形式的電信號(hào)，然后經(jīng)過各種各樣的電信道(例如有線通信中的明線、電纜，無線通信中的短波、微波等)傳輸?shù)浇邮斩耍唤邮斩嗽侔呀邮盏降碾娦盘?hào)還原為與發(fā)送端相同或者盡可能相同的消息。傳輸消息有時(shí)也稱為傳輸信息，信息可以理解為消息中所包含的對(duì)受信者有意義的內(nèi)容。本書中對(duì)消息和信息不作嚴(yán)格的區(qū)分，兩者可以混用。將各種通信系統(tǒng)和設(shè)備中消息傳輸?shù)耐暾^程高度概括，就可以得到如圖1.1所示的通信系統(tǒng)模型。圖1.1通信系統(tǒng)模型在圖1.1所示的原理框圖中，消息源是需要傳輸?shù)南碓?，如語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等。輸入轉(zhuǎn)換器的作用是把消息源的消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如通電話時(shí)，話筒就是轉(zhuǎn)換器，它把語言轉(zhuǎn)換為話音信號(hào)。通常，這種直接由消息轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)的頻率都是比較低的，而且最高頻率和最低頻率的比值很大，稱為基帶信號(hào)。基帶信號(hào)可以直接經(jīng)放大器等向信道傳輸，這種傳輸稱為基帶傳輸。但是，通?；鶐盘?hào)需要通過調(diào)制，把信號(hào)的頻譜搬移到比較高的頻率范圍后再進(jìn)行傳輸。這種經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)稱為頻帶信號(hào)，相應(yīng)的傳輸方式稱為頻帶傳輸。發(fā)送設(shè)備輸出的信號(hào)，可以通過各種不同的信道傳輸。常用的信道有架空明線、電纜等有線信道和中長波、短波、微波等無線信道。信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，有各種噪聲與信號(hào)混在一起。噪聲主要來自信道，而發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備中也有一定的噪聲。為了便于描述，在通信系統(tǒng)模型中，通常將噪聲集中畫在一起表示。接收設(shè)備的主要任務(wù)是從受噪聲影響的有噪信號(hào)中區(qū)分信號(hào)和噪聲，并提取出信號(hào)。1.2數(shù)字通信的信號(hào)處理通信系統(tǒng)進(jìn)行“數(shù)字化”處理的最主要原因是：與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)更易于再生。圖1.2是在傳輸線上傳輸?shù)睦硐攵M(jìn)制數(shù)字脈沖。由于線路傳輸?shù)姆抢硐胩匦砸约靶诺郎洗嬖谠肼暬蚋蓴_，因此信號(hào)在傳輸過程中會(huì)引起波形失真。圖1.2中，在傳輸脈沖仍然能夠被可靠識(shí)別之前，即在傳輸脈沖惡化到模糊狀態(tài)之前，利用數(shù)字放大器將脈沖放大，并恢復(fù)其最初的理想形狀，這樣脈沖就“再生”了。圖1.2脈沖的失真和再生與模擬電路相比，數(shù)字電路有更好的抗失真和抗干擾能力。二進(jìn)制數(shù)字電路的工作狀態(tài)只有“開”和“關(guān)”(或者“1”和“0”)兩個(gè)，因此只有能夠把電路從一種狀態(tài)變換到另一種狀態(tài)的干擾才能起到破壞作用。這樣的兩狀態(tài)工作有助于信號(hào)的再生，因而能在傳輸中有效地抑制噪聲和其他累積干擾。與此相反，模擬信號(hào)的波形有無限多個(gè)，在模擬電路中，即使很小的干擾也能導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生難以接受的失真，并且失真一旦產(chǎn)生，就無法通過放大器來抑制。因?yàn)槟M信號(hào)不能去除累積的噪聲，所以也就不能很好地再生信號(hào)。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還包括：

(1)數(shù)字電路比模擬電路更可靠，且生產(chǎn)成本比模擬電路低。

(2)數(shù)字硬件比模擬硬件更具靈活性，例如微處理器、數(shù)字開關(guān)、大規(guī)模集成(LSI，LargeScaleIntegration)電路等。

(3)時(shí)分復(fù)用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)信號(hào)比頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requency

DivisionMultiplexing)的模擬信號(hào)更簡(jiǎn)單。

(4)不同類型的數(shù)字信號(hào)(數(shù)據(jù)、電報(bào)、電話、電視等)在傳輸和交換中都被看成是相同的信號(hào)，即比特信號(hào)。

(5)為方便交換，還可以將數(shù)字信號(hào)以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行處理。數(shù)字技術(shù)因能夠抗干擾且能夠進(jìn)行加密而更適于信號(hào)處理。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、數(shù)字設(shè)備(或終端)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信需求越來越多，這些數(shù)字終端可以通過數(shù)字通信鏈路獲得更好的服務(wù)。那么，數(shù)字通信系統(tǒng)獲得這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是什么呢？與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)需要更多的信號(hào)處理技術(shù)。在通信的各個(gè)階段，數(shù)字系統(tǒng)都需要分配一部分資源用于實(shí)現(xiàn)同步，而在模擬系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)同步相對(duì)比較容易。數(shù)字通信系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是具有“門限效應(yīng)”，即當(dāng)信噪比下降到一定程度時(shí)，信號(hào)質(zhì)量就會(huì)急劇惡化，而大部分模擬通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量的下降則比較平滑。1.2.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型典型的數(shù)字通信系統(tǒng)的信號(hào)流程和信號(hào)處理過程如圖1.3所示。圖的上部表示從信源到發(fā)送端的信號(hào)傳輸過程，包括格式化、信源編碼、加密、信道編碼、多路復(fù)用、脈沖調(diào)制、帶通調(diào)制、頻率擴(kuò)展、多址接入；圖的下部表示從接收端到信宿的信號(hào)傳輸過程，基本上是上部信號(hào)處理的反過程。發(fā)送端將頻率上變頻到射頻頻段，經(jīng)過高功率放大器饋送到天線；接收端則由天線、低噪聲放大器等組成，下變頻由接收器或解調(diào)器的前級(jí)末端完成。圖1.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型在圖1.3中，輸入信源先轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字(比特)，然后將這些比特組合為數(shù)字消息或消息碼元，每個(gè)碼元mi(i=1，…，M)都是長度為M的碼元集中的一個(gè)。當(dāng)M=2時(shí)，消息碼元mi就是二進(jìn)制的，這意味著它僅包含1比特的信息。每個(gè)M符號(hào)都由兩個(gè)或兩個(gè)以上比特構(gòu)成，這與模擬系統(tǒng)的信號(hào)波形集是無限的情況不同。經(jīng)過信道編碼，消息碼元序列轉(zhuǎn)變成了信道碼元(編碼碼元)序列，信道碼元記為ui。由于每個(gè)消息碼元或信道碼元由1個(gè)或1組比特構(gòu)成，因此這樣的碼元序列也稱為比特流，如圖1.3所示。

圖1.3中必不可少的信號(hào)處理方框有格式化、調(diào)制、解調(diào)、檢測(cè)和同步。格式化把源信息轉(zhuǎn)換成比特，即數(shù)字化處理。調(diào)制過程將消息碼元或信道碼元轉(zhuǎn)換成與傳輸信道特性匹配的波形。脈沖調(diào)制是必不可少的步驟，因?yàn)橐獋魉偷拿總€(gè)符號(hào)必須先從二進(jìn)制代碼(表示二進(jìn)制1或0的電平)轉(zhuǎn)換成基帶波形。經(jīng)過脈沖調(diào)制后，每個(gè)消息碼元或信道碼元都轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐Рㄐ蝕i(t)(i=1，…，M)形式。在射頻傳輸中，如果傳輸介質(zhì)不支持脈沖波形的傳輸，則應(yīng)當(dāng)應(yīng)用帶通調(diào)制，此時(shí)傳輸介質(zhì)所要求的信號(hào)是帶通波形si(t)(i=1，…，M)。帶通意味著基帶波形gi(t)的頻譜通過一個(gè)載波調(diào)制被搬移到比gi(t)頻譜高得多的頻率點(diǎn)上。當(dāng)si(t)經(jīng)信道傳輸時(shí)，會(huì)受到信道特性的影響，而信道特性可以用信道沖激響應(yīng)hC(t)描述。此外，在信號(hào)傳輸過程中，加性隨機(jī)噪聲會(huì)使接收信號(hào)r(t)失真，所以接收信號(hào)r(t)相對(duì)于發(fā)送信號(hào)si(t)有一定的失真，表示為r(t)=si(t)*hC(t)+n(t)，i=1，…，M(1.1)其中，“*”表示卷積運(yùn)算。

在相反方向上，接收機(jī)前端或解調(diào)器對(duì)每個(gè)帶通波形r(t)進(jìn)行下變頻轉(zhuǎn)換，解調(diào)器將r(t)恢復(fù)成最佳基帶脈沖波形z(t)。最后，采樣過程把成形的脈沖z(t)變換成采樣信號(hào)z(T)，而檢測(cè)則將z(T)變成信道碼元或信息碼元(若沒有采用信道編碼)的估值或。其他的信號(hào)處理步驟可根據(jù)系統(tǒng)的具體需求進(jìn)行選擇。信源編碼對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D，AnalogtoDigital)，去除冗余信息。加密用于提供通信的保密性，防止沒有被授權(quán)的用戶獲得信息或?qū)㈠e(cuò)誤信息加入到系統(tǒng)中。對(duì)于給定的數(shù)據(jù)速率，在增加傳輸帶寬或解碼器復(fù)雜性的條件下，信道編碼能降低差錯(cuò)概率，或者在保持期望的差錯(cuò)概率的條件下降低所需的信噪比。多路復(fù)用和多址接入把不同特性或不同信源的信號(hào)進(jìn)行合成，以便共享通信資源(如頻譜、時(shí)間)。擴(kuò)頻能產(chǎn)生抵御干擾的信號(hào)，提高通信裝置的保密性，同時(shí)它在多址接入領(lǐng)域也是一項(xiàng)有用的技術(shù)。在圖1.3所示的結(jié)構(gòu)中，各個(gè)組成方框的順序可以不同。例如，多路復(fù)用可以放在信道編碼或者調(diào)制的前面。為簡(jiǎn)單起見，圖1.3所示的同步方框沒有與其他方框相連，事實(shí)上，同步涉及到圖中每一個(gè)方框的工作。圖1.4給出了基本的信號(hào)處理操作，可以將它看做是對(duì)信號(hào)的變換，包括格式化、信源編碼、基帶信號(hào)處理、帶通信號(hào)處理、均衡、信道編碼、多路復(fù)用/多址接入、擴(kuò)展、加密和同步。這一結(jié)構(gòu)框架概括了數(shù)字通信的主要技術(shù)。圖1.4基本的數(shù)字通信變換1.2.2數(shù)字通信與模擬通信的性能比較

1.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別如果信號(hào)的某一參量，例如連續(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(gè)數(shù)值，并且直接與消息對(duì)應(yīng)，則稱為模擬信號(hào)。例如強(qiáng)弱連續(xù)變化的語音信號(hào)，亮度連續(xù)變化的圖像信號(hào)等都是模擬信號(hào)。如果信號(hào)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(duì)應(yīng)，則稱為數(shù)字信號(hào)。例如早期的電報(bào)信號(hào)、電傳機(jī)送出的脈沖信號(hào)等都是數(shù)字信號(hào)。需要強(qiáng)調(diào)的是，模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化(因而可以取無限多個(gè)值)，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)。例如各種脈沖調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制以后已調(diào)信號(hào)脈沖的某一參數(shù)是可以連續(xù)變化的，但在時(shí)間上是不連續(xù)的。但由于多數(shù)情況下模擬信號(hào)在時(shí)間上和幅度上都是隨著消息連續(xù)變化的，因此，有的書上把模擬信號(hào)說成是代表消息的信號(hào)在時(shí)間上和幅度上都隨消息連續(xù)變化的信號(hào)。對(duì)此，讀者無需過多地在定義的細(xì)節(jié)上花費(fèi)時(shí)間。同樣還需要強(qiáng)調(diào)，數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱為離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散(不連續(xù))變化的，而不一定在時(shí)間上也離散。以后要講到的許多數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，例如相位鍵控信號(hào)、頻率鍵控信號(hào)等。

2.模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別與聯(lián)系通常將傳輸模擬信號(hào)的通信方式稱為模擬通信，將傳輸數(shù)字信號(hào)的通信方式稱為數(shù)字通信。模擬信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換以后，也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，即模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，例如數(shù)字電話等。另一方面，不論模擬通信還是數(shù)字通信，在整個(gè)通信系統(tǒng)中均有很大一部分是可以共用的，這一點(diǎn)在下面要介紹的各種通信系統(tǒng)模型中就可以看到。因此，在通常用作模擬通信的系統(tǒng)中，只要加上數(shù)字終端設(shè)備，也可以傳輸數(shù)字信號(hào)。模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)的主要區(qū)別之一是性能評(píng)估的方法不同。模擬系統(tǒng)的波形是連續(xù)的，因而有無窮多個(gè)，這說明接收機(jī)必須處理無窮多個(gè)波形。衡量模擬通信系統(tǒng)的性能的指標(biāo)是保真度標(biāo)準(zhǔn)，如信噪比、百分比失真、發(fā)端波形和收端波形之間的期望均方誤差等。與模擬通信系統(tǒng)不同，數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)送的是代表數(shù)字的信號(hào)，這些數(shù)字組成一個(gè)有限集或字符表，且對(duì)于接收機(jī)而言該表是先驗(yàn)已知的。衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的一個(gè)性能參數(shù)是錯(cuò)誤判決的概率，即差錯(cuò)概率。1.3通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)在設(shè)計(jì)或者評(píng)價(jià)某個(gè)通信系統(tǒng)時(shí)，必須涉及到系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)問題。通信系統(tǒng)中的質(zhì)量指標(biāo)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)有效性：指消息的傳輸速度。

(2)可靠性：指消息傳輸?shù)馁|(zhì)量。

(3)適應(yīng)性：指環(huán)境使用條件。

(4)標(biāo)準(zhǔn)性：指元件的互換性。

(5)經(jīng)濟(jì)性：指系統(tǒng)的成本是否可接受。

(6)保密性：是否便于加密。

(7)使用維修：是否方便。1.3.1模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.有效性有效性指消息傳輸?shù)乃俣龋Q于消息所包含的信息量和對(duì)信息源的處理。處理的目的是在單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的消息或者一定頻帶范圍內(nèi)傳輸更多的消息。例如，單邊帶(SSB，SingleSideBand)調(diào)制和振幅調(diào)幅(AM，AmplitudeModulation)相比較，對(duì)于每路話音信號(hào)，SSB占用頻帶只有AM的一半，因此在一定頻帶內(nèi)用SSB信號(hào)傳輸?shù)穆窋?shù)比AM多一倍，可以傳輸更多消息。從這個(gè)角度看，SSB的有效性比AM好。

2.可靠性模擬通信系統(tǒng)的可靠性最終用信號(hào)噪聲功率比(S/N，Signal/Noise)表示。S/N越大，通信質(zhì)量越高。模擬通信系統(tǒng)對(duì)S/N的要求為：一般無線通信系統(tǒng)中要求S/N≥26dB；語音通信中，如果能夠聽清95％以上內(nèi)容，則要求S/N≥40dB；電視節(jié)目看起來很清楚，則要求S/N≥40~60dB。

S/N是由信號(hào)功率和信號(hào)傳輸過程中引起的失真和各種干擾、噪聲決定的，其中信號(hào)功率和信道中的加性噪聲又是最主要的因素。

經(jīng)過對(duì)后面各章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以得出另一個(gè)決定S/N的因素，這就是調(diào)制和解調(diào)方式。當(dāng)信號(hào)功率和信道噪聲一定時(shí)，即接收機(jī)輸入端的信噪比一定時(shí)，采用不同的解調(diào)方法，輸出端的信噪比S/N是不同的。因此，在以后學(xué)習(xí)中要特別注意比較不同調(diào)制方式的抗噪聲性能。使用時(shí)注意選擇抗噪聲性能好的調(diào)制方式，以提高通信系統(tǒng)的可靠性。1.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)中的有效性通常用碼元速率RB和信息速率Rb表示，而可靠性通常用誤碼率Pe和誤信率(誤比特率)Pb表示。有效性和可靠性既是互相矛盾的，也是統(tǒng)一的，應(yīng)根據(jù)使用要求提出適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)。下面先對(duì)RB、Rb、Pe和Pb等概念的定義、單位等加以說明，然后討論它們之間的關(guān)系。

1.有效性指標(biāo)

(1)碼元速率RB(或稱傳碼率、數(shù)碼率、波形速率、信號(hào)速率等)。將每秒傳輸碼元的數(shù)目定義為數(shù)字信號(hào)的碼元速率。碼元速率的單位用波特(Baud)表示，符號(hào)縮寫為B。雖然數(shù)字信號(hào)有二進(jìn)制與多進(jìn)制的區(qū)分，但碼元速率與信號(hào)的進(jìn)制無關(guān)，只與碼元寬度Tb有關(guān)。例如，在如圖1.5所示的不同進(jìn)制信號(hào)的碼元速率表示中，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元序列如圖1.5(a)所示，碼元寬度為Tb，每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)目是1/Tb，因此二進(jìn)制碼元速率為RB2=1/Tb。又如，四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元序列如圖1.5(b)所示，碼元寬度為Tb，每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)目亦為1/Tb，因此四進(jìn)制碼元速率為RB4=1/Tb，與二進(jìn)制碼元速率相同。圖1.5碼元速率對(duì)M進(jìn)制的信號(hào)，RBM=1/Tb，顯然相鄰兩個(gè)碼間隔越小，即碼元寬度Tb越小，則碼元速率RB越高。

(2)信息量。在討論信息速率以前，首先介紹一下信息量的概念。衡量各種不同消息中包含信息多少的標(biāo)準(zhǔn)稱為信息量。信息量的符號(hào)用I表示，單位為比特(bit)。這里先給出一個(gè)在特定條件下的信息量的定義：二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的1、0碼等概出現(xiàn)，即P(0)=P(1)=0.5時(shí)，一個(gè)碼元包含的信息量為1bit，即I=lb2=1(bit)。

M進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的各種碼元等概出現(xiàn)時(shí)，一個(gè)碼元含有的信息量為IM=lbM(bit)。下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子加以說明。例如天氣預(yù)報(bào)，假設(shè)可能有4種等概出現(xiàn)的天氣，即“晴”、“云”、“雨”和“雪”，這是有4個(gè)值的離散信息。如果采用二進(jìn)制碼元，則可以分別用00，01，10，11表示這4種天氣，即兩個(gè)二進(jìn)制碼元表示一種天氣。如果用四進(jìn)制碼元，則可以用0，1，2，3表示，此時(shí)只要一個(gè)碼元就可以表示一種天氣。顯然，四進(jìn)制信號(hào)的一個(gè)碼元含有二進(jìn)制信號(hào)兩個(gè)碼元所具有的信息量。所以，I4=lb4=2(bit)。推廣到八進(jìn)制，此時(shí)一個(gè)碼元相當(dāng)于二進(jìn)制的3個(gè)碼元的信息量，即I8=lb8=3(bit)。推而廣之，M進(jìn)制時(shí)一個(gè)碼元的信息量為IM=lbM(bit)。

(3)信息速率。每秒傳輸?shù)男畔⒘糠Q為信息速率，單位為比特/秒(bit/s)，符號(hào)用Rb表示。由于信息量與進(jìn)制有關(guān)，因此信息速率也和進(jìn)制有關(guān)，M進(jìn)制數(shù)字信號(hào)每秒傳輸?shù)男畔⒘繛镽BMlbM，所以RbM=(lbM)RBM。在二進(jìn)制中，Rb2=RB2，在數(shù)值上信息速率和碼元速率兩者相等，但兩者的單位不同。例如，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元速率為75波特，而信息速率為75bit/s。而在多進(jìn)制中并非如此，例如八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元速率為75波特，則信息速率為(lb8)×75=225bit/s。

(4)不同進(jìn)制下碼元速率與信息速率的關(guān)系。在碼元速率相同的條件下，二進(jìn)制信息速率與多進(jìn)制信息速率的關(guān)系：設(shè)碼元速率為RB，則二進(jìn)制信息速率Rb2=RB，多進(jìn)制信息速率RbM=(lbM)RB。兩者的相互關(guān)系為RbM=(lbM)Rb2。在信息速率相同的條件下，二進(jìn)制與多進(jìn)制碼元速率的關(guān)系：設(shè)信息速率為Rb，則二進(jìn)制碼元速率RB2=Rb，多進(jìn)制碼元速率RBM=Rb/(lbM)。兩者的相互關(guān)系為RB2=RBM(lbM)。

2．可靠性指標(biāo)差錯(cuò)概率是數(shù)字通信中衡量通信系統(tǒng)傳輸消息可靠程度的重要性能指標(biāo)。通常它有兩種表示方法，即誤碼率Pe和誤信率(誤比特率)Pb。

(1)誤碼率Pe。

其中:neB表示錯(cuò)誤碼元的數(shù)目；nB表示傳輸?shù)拇a元總數(shù)。例如經(jīng)過長時(shí)間統(tǒng)計(jì)，平均每傳輸1000個(gè)碼元中差錯(cuò)一個(gè)碼元，則Pe=10-3。

(2)誤信率Pb。

其中:neb表示錯(cuò)誤消息的比特?cái)?shù);nb表示傳輸消息的總比特?cái)?shù)。

(3)Pe與Pb的關(guān)系。二進(jìn)制時(shí)，Pe=Pb；M進(jìn)制時(shí)比較復(fù)雜，與譯碼方式等有關(guān)，一般情況下Pe<Pb。

3．對(duì)RB和Pe的要求歸納而言，數(shù)字通信系統(tǒng)對(duì)性能指標(biāo)的要求通常用RB和Pe表示。碼元速率RB越大，有效性越好；在以后的章節(jié)中還將知道，RB越大，數(shù)字信號(hào)占用的帶寬也越大，同時(shí)抗噪聲性能也越差(誤碼率越大)。誤碼率Pe越小，則通信的可靠性越高。對(duì)Pe的要求與所傳輸?shù)南⒂嘘P(guān)，例如對(duì)數(shù)字電話通常要求Pe≤10-3，而傳輸數(shù)據(jù)時(shí)則要求Pe≤(10-5~10-6)，甚至更高。如何提高數(shù)字通信的有效性和可靠性是本課程關(guān)注的重點(diǎn)。1.4現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1.4.1移動(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)通信指通信雙方至少有一方在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行的信息交換。它包括移動(dòng)用戶之間的通信、固定用戶與移動(dòng)用戶的通信等?，F(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)是一門復(fù)雜的高新技術(shù)，不但集中了無線通信、有線通信的最新技術(shù)成就，而且集中了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的許多成果。

1.蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)及第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)通信技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的最成功范例之一就是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。1988年，歐洲把全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM，GlobalSystemforMobilecommunication)作為泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，由于在全球計(jì)費(fèi)、短消息業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層互操作上的先進(jìn)性，使GSM在全球無線通信市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位。從網(wǎng)絡(luò)的組成部分來說，GSM網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成可以劃分為三部分，即移動(dòng)臺(tái)、基站子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，如圖1.6所示。圖1.6GSM網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

1990年，Qualcomm公司首先把碼分多址(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)引入到蜂窩移動(dòng)通信，CDMA能提供較高的信道容量，基帶信號(hào)處理能降低移動(dòng)終端的復(fù)雜性。幾乎所有向第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G，3rdGeneration)演進(jìn)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)都采用了CDMA的若干組合形式。

3G是指能夠滿足國際電信聯(lián)盟提出的IMT-2000系統(tǒng)要求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。國際電信聯(lián)盟在2000年5月確定了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)。2006年1月，信息產(chǎn)業(yè)部將TD-SCDMA頒布為我國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，意味著TD-SCDMA與WCDMA、CDMA2000并列成為世界三大3G標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.影響移動(dòng)通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

無線局域網(wǎng)(WLAN，WirelessLocalAreaNetwork)、CDMA、正交頻分多路復(fù)用(OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)、超寬帶(UWB，Ultra-WideBand)、空時(shí)處理技術(shù)以及Adhoc網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的出現(xiàn)，影響并推動(dòng)了移動(dòng)通信的發(fā)展。

WLAN能在非授權(quán)頻段上為建筑物內(nèi)的本地網(wǎng)提供業(yè)務(wù)，低成本W(wǎng)LAN設(shè)備利用建筑物內(nèi)和校園內(nèi)的Ethernet設(shè)施，可以提供無線接入Internet網(wǎng)和具有話音業(yè)務(wù)質(zhì)量的無線業(yè)務(wù)。目前，許多公司正在尋找WLAN融合2.5G和3G的途徑，把室內(nèi)各種終端組合在一起，構(gòu)建蜂窩覆蓋和容量分布系統(tǒng)，開發(fā)新一代蜂窩移動(dòng)電話。

CDMA因其良好的抗干擾能力、低截獲概率和抗多徑能力，在軍事通信和商業(yè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。CDMA允許多用戶以相互有別的碼共享同一頻譜，在基帶接收端分離所需信息。CDMA的優(yōu)點(diǎn)還包括互信道用戶干擾呈現(xiàn)加性白噪聲形式；允許周圍發(fā)射機(jī)使用相同載頻來提高頻譜利用率；應(yīng)用話音激活和頻率復(fù)用可以有效地進(jìn)行多用戶統(tǒng)計(jì)復(fù)用和軟切換；提供大規(guī)模分集增益等。因此，CDMA被普遍認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)多址接入的基本方案。應(yīng)用于無線分布系統(tǒng)的OFDM在相對(duì)窄的頻帶內(nèi)可以提高頻譜利用率，提供多址接入和信號(hào)處理增益。擴(kuò)頻通信可認(rèn)為是單載頻傳輸，而OFDM是多載頻傳輸?shù)奶厥庑问?，OFDM把高速串行數(shù)據(jù)流并行分配在多路低速子載頻上。目前，OFDM成為高速寬帶無線通信的必選方案。理論研究指出，在獨(dú)立瑞利(Rayleigh)散射信道中，數(shù)據(jù)速率隨天線數(shù)量的增加而增加，容量可達(dá)香農(nóng)(Shannon)容量的90%。在發(fā)射和接收端以多天線開發(fā)信道空間可以取得能量和頻譜效率的增益。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，空時(shí)處理在頻譜利用率上比WLAN和蜂窩網(wǎng)中調(diào)制和編碼后的頻譜利用率增長一個(gè)數(shù)量級(jí)。在多徑衰落信道中，利用從時(shí)域、頻域、空域和極化域獲得的信號(hào)復(fù)制品進(jìn)行分集是解決多徑衰落的有效技術(shù)?？諘r(shí)分組碼(STBC，SpaceTimeBlockCoding)在時(shí)間上擴(kuò)展以提供時(shí)間分集，而收發(fā)信機(jī)則采用多天線提供空間分集，由分集增益和編碼增益共同改進(jìn)頻譜利用率。未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)除了以低成本達(dá)到高數(shù)據(jù)率外，還要求在無專用通信基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，網(wǎng)絡(luò)具有適應(yīng)和生存能力。Adhoc網(wǎng)絡(luò)就能滿足這樣的要求，它是一種無中心、自組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有自重構(gòu)能力。Adhoc網(wǎng)絡(luò)因其靈活性將在未來網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色，用戶和路由器能在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)。Adhoc網(wǎng)絡(luò)正成為無線通信的重要研究領(lǐng)域。目前的蜂窩通信系統(tǒng)依靠集中控制和管理，而移動(dòng)通信系統(tǒng)將向著固定與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合、無隙縫和全方位通信、Adhoc模式方向發(fā)展。但是，Adhoc網(wǎng)絡(luò)沒有事先確定的基礎(chǔ)設(shè)施以及其網(wǎng)絡(luò)鏈路的時(shí)間特性，給分組無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)施帶來了挑戰(zhàn)，需要解決諸如多跳路由、分布式網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等問題。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI，OpenSystemInterconnection)網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的要求也發(fā)生了變化，如時(shí)延、吞吐量、支持各種服務(wù)質(zhì)量(QoS，QualityofService)的多媒體業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)流量、差錯(cuò)率、頻譜帶寬、節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互作用。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也包含一些自適應(yīng)能力，例如利用自適應(yīng)信號(hào)處理調(diào)整信道參數(shù)、更新路由表、改變流量負(fù)載等，但是這些調(diào)整更新都是孤立的，而跨層自適應(yīng)則允許網(wǎng)絡(luò)同時(shí)在跨層和自適應(yīng)之間通過信息交換，滿足網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、信道環(huán)境和QoS可變的要求。

20世紀(jì)的蜂窩移動(dòng)電話和Internet走完了從誕生到全球普遍認(rèn)可的路程，而如上所述的影響移動(dòng)通信發(fā)展的核心技術(shù)和前沿研究課題則是我們進(jìn)一步研究的方向和驅(qū)動(dòng)力。1.4.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指利用通信衛(wèi)星作為中繼站，將地球上某個(gè)地面站發(fā)送的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到其他地面站，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地域之間通信的系統(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由通信衛(wèi)星、地面站和通信鏈路組成。通信衛(wèi)星可以分為靜止通信衛(wèi)星(即同步通信衛(wèi)星)和移動(dòng)通信衛(wèi)星。同步通信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，離地面高度為35780km，采用3個(gè)相差120°的同步通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球上的絕大部分地域。

最適合衛(wèi)星通信的頻率是1~10GHz頻段，即微波頻段。為了滿足越來越多的需求，目前已開始研究應(yīng)用新的頻段，如12GHz、14GHz、20GHz及30GHz頻段。衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，不受地理?xiàng)l件限制，通信容量大，可靠性高。自1957年第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功以來，衛(wèi)星通信已成為真正的提供全球服務(wù)的通信手段。寬帶衛(wèi)星通信也稱多媒體衛(wèi)星通信，是指通過衛(wèi)星進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻的處理和傳送。寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)基本是使用Ku(12GHz)頻段，但Ku頻段已經(jīng)非常擁擠，因此目前正在向Ka(23GHz)頻段發(fā)展，通過同步軌道衛(wèi)星、非靜止軌道衛(wèi)星或兩者的混合衛(wèi)星群系統(tǒng)提供多媒體交互式業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)。要利用Ka頻段，必須解決下列技術(shù)問題：

(1)克服降雨對(duì)信號(hào)的衰減；

(2)研制復(fù)雜的Ka頻段星上處理器；

(3)保證高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有明顯的時(shí)延；

(4)保持星座中有關(guān)衛(wèi)星之間的有效通信；

(5)通過星上交換進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由選擇。將激光技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前衛(wèi)星通信的載波是微波，數(shù)據(jù)傳輸速率很難達(dá)到50Mb/s以上，主要原因是通信衛(wèi)星無法容納體積很大的天線。當(dāng)要求衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到每秒數(shù)百、數(shù)千兆比特，這可以由激光通信來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榧す馔ㄐ旁谕鈱涌臻g進(jìn)行，可不受大氣層的影響。衛(wèi)星激光通信的信息傳輸過程是由低軌道衛(wèi)星將信息傳輸給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)衛(wèi)星，或?qū)?shù)據(jù)傳給地面站；根據(jù)低軌道衛(wèi)星的位置，經(jīng)第二套激光通信線路傳輸給另一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)衛(wèi)星；最后，再將數(shù)據(jù)傳輸給地面站。這種中轉(zhuǎn)衛(wèi)星如果是同步軌道衛(wèi)星，則可利用兩顆同步軌道通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)東、西半球之間的通信。1.4.3光纖通信技術(shù)

1.向超高速系統(tǒng)的發(fā)展傳統(tǒng)光纖通信的發(fā)展是按照電的時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行的，目前商用系統(tǒng)的傳輸速率已從45Mb/s增加到10Gb/s，其速率在20年時(shí)間里增加了2000倍。高速系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅增加了業(yè)務(wù)傳輸容量，而且也為各種各樣的新業(yè)務(wù)，特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體提供了實(shí)現(xiàn)的可能。然而，采用電的時(shí)分復(fù)用來提高傳輸容量的方式已經(jīng)接近硅和鎵砷技術(shù)的極限，解決該問題的方法是轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。光的復(fù)用方式有很多種，但目前只有波分復(fù)用(WDM，WaveDivisionMultiplexing)方式進(jìn)入大規(guī)模商用階段，其它方式尚處于試驗(yàn)研究階段。

2.向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)

波分復(fù)用的基本思路是將多個(gè)發(fā)送波長適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號(hào)同時(shí)在一條光纖上傳送，以增加光纖的信息傳輸容量。采用波分復(fù)用系統(tǒng)可以充分利用光纖的帶寬資源，提高容量；利用WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)透明的、具有高度生存性的光聯(lián)網(wǎng)。目前，波分復(fù)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室最高容量已達(dá)到2.6Tb/s。超大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展不僅開發(fā)了光傳輸鏈路的容量，而且也成為IP業(yè)務(wù)發(fā)展的催化劑和下一代光傳送網(wǎng)的基礎(chǔ)。

3.實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)采用波分復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點(diǎn)到點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。如果在光路上也能實(shí)現(xiàn)類似同步數(shù)字體系(SDH，SynchronousDigitalHierarchy)在電路上的分插功能和交叉連接功能，就可以增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性。根據(jù)這一基本思路，光的分插復(fù)用器和光的交叉連接設(shè)備均已研制成功。實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)的基本目的是：(1)實(shí)現(xiàn)超大容量光網(wǎng)絡(luò)；(2)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，允許網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和業(yè)務(wù)量的不斷增長；(3)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)性，達(dá)到靈活重組網(wǎng)絡(luò)的目的；(4)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的透明性，允許互連任何系統(tǒng)和不同制式的信號(hào)；(5)實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間可達(dá)100ms。

4．新一代的光纖為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的發(fā)展需要，出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖，即非零色散光纖(G.655光纖)和無水吸收峰光纖(全波光纖)。非零色散光纖的基本設(shè)計(jì)思想是在1550nm窗口工作波長區(qū)具有合理的較低色散，為此可以將零色散點(diǎn)移向短波長側(cè)(通常在1510~1520nm范圍內(nèi))或長波長側(cè)(157nm附近)，使之在1550