《通信系統(tǒng)概論》課件-第1章

第1章緒論

1.1通信的概念

1.2信息論基礎

1.3通信系統(tǒng)的性能指標

1.4通信信道的基本特性

1.1通信的概念

1.1.1通信的定義

通信(Communication)就是信息的傳遞，指由一地向另一地進行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。然而，隨著社會生產力的發(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為電信(Telecommunication)，這種通信具有迅速、準確、可靠等特點，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)展和廣泛應用?？梢哉f，利用電子等技術手段，借助電信號（含光信號）實現從一地向另一地對消息、情報、指令、文字、圖像、聲音或任何性質的消息進行有效的傳遞稱為通信。

從本質上講，通信就是實現信息傳遞功能的一門科學技術，它要將大量有用的信息快速、準確、廣泛、無失真、高效率、安全地進行傳輸，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技術的一個重要組成部分。

1.1.2通信的分類

1.按傳輸媒質分

按傳輸消息的媒質的不同，可將通信分為兩大類：一類稱為有線通信，另一類稱為無線通信。所謂有線通信，是指傳輸媒質為導線、電纜、光纜、波導、納米材料等形式的通信，其特點是媒質能看得見，摸得著。導線可以是架空明線、電纜、光纜及波導等。所謂無線通信，是指傳輸消息的媒質為看不見、摸不著的媒質(如電磁波)的一種通信形式。

通常，有線通信亦可進一步再分類，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，其形式較多。

2.按信道中傳輸的信號分

信道是個抽象的概念，這里可理解成傳輸信號的通路。通常信道中傳送的信號可分為數字信號和模擬信號，由此，通信亦可分為數字通信和模擬通信，相應的是數字通信系統(tǒng)

和模擬通信系統(tǒng)。

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)可以取無限多個數值，且直接與消息相對應的，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2章介紹的脈沖振幅調制（PAM）信號，經過調制后已調信號脈沖的振幅是可以連續(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心的并作為研究對象的那一參量，絕不是僅指時間參量。當然，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值，并且常常不直接與消息相對應的，稱為數字信號。數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

根據通信設備的工作頻率不同，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主要用途列入表1－1中，僅作為參考。

表1－1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，通常認為c=3×108m/s。

4.按調制方式分

根據消息在送到信道之前是否采用調制，通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。所謂基帶傳輸，是指信號沒有經過調制而直接送到信道中去傳輸的一種方式，而頻帶傳輸是指信號經過調制后再送到信道中傳輸，接收端有相應解調措施的通信系統(tǒng)。表1－2列出了一些常用的調制方式。

表1－2常用的調制方式

1.1.3通信的方式

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行，或一點對多點之間進行，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,如圖1－1所示。

圖1－1按消息傳送的方向和時間劃分的通信方式

(a)單工通信；(b)半雙工通信；(c)全雙工通信

單工通信是指消息只能單方向進行傳輸的一種通信工作方式。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BP機上。

半雙工通信方式是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的形式。例如使用同一頻段的對講機、收發(fā)報機等都是這種通信方式。

全雙工通信是指通信雙方可同時進行雙向傳輸消息的工作方式。這種方式雙方可同時進行收發(fā)消息，很明顯，全雙工通信的信道必須是雙向信道。生活中全雙工通信的例子非

常多，如電話、手機等。

2.按數字信號排序分

在數字通信中，按照數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，是將代表信息的數字信號序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸的方式，如圖1－2(a)所示；如果將代表信息的數字信號序列分割成兩路或兩路以上的數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

一般的數字通信方式大都采用串序傳輸，這種方式的優(yōu)點是只需占用一條通路，缺點是占用時間相對較長；并序傳輸方式在通信中也時有用到，它需要占用多條通路，優(yōu)點是傳輸時間較短。

3.按通信網絡形式分

通信的網絡形式通?？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。

圖1－3按網絡形式劃分的通信方式(a)點到點通信；(b)點到多點通信；(c)多點到多點通信

點到點通信方式是通信網絡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,…)經過同一信道與轉接站相互連接，此時終端之間不能直通信息，而必須經過轉接站轉接，此種方式只在數字通信中出現；多點到多點通信（交換）是終端之間通過交換設備靈活地進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消息交換，即通過交換設備先把發(fā)方來的消息儲存起來，然后再轉發(fā)至收方，這種消息轉發(fā)可以是實時的，也可是延時的。

分支方式及交換方式均屬網通信的范疇。無疑，它和點與點直通方式相比，還有其特殊的一面。例如，通信網中有一套具體的線路交換與消息交換的規(guī)定、協(xié)議等，通信網中既有信息控制問題，也有網同步問題等。盡管如此，網通信的基礎仍是點與點之間的通信。

1.1.4通信系統(tǒng)的模型

通信的任務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

1.信息源和受信者

信息源簡稱信源，是信息的發(fā)出處。受信者簡稱信宿，是信息的歸宿處。根據信源輸出信號性質的不同可分為模擬信源和離散信源，如模擬電話機為模擬信源，數字攝像機及

計算機為離散信源。兩種信號形式可以互相轉化。

2.發(fā)送設備

發(fā)送設備的作用就是將信源產生的信號變換為傳輸信道所需要的信號，使信源和信道匹配起來，并送往信道。這種變換根據對傳輸信號的要求不同有相應不同的變換方式，通常要求實現大功率發(fā)射、頻譜搬移、信源編碼、信道編碼、多路復用、保密處理等，其相應的變換方式為功率放大、調制、模/數轉換、糾錯編碼、FDM或TDM、加密技術等。

3.信道

信道是指傳輸信號的通道，是從發(fā)送設備到接收設備之間信號傳遞所經過的媒介，可以是無線的，也可以是有線的。信道既給信號以通路，也對信號產生各種干擾和噪聲，直接影響著通信的質量，其干擾和噪聲的性能由傳輸媒介的固有特性所決定。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置的。

4.接收設備

接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換，即進行接收放大、解調、數/模轉換、糾錯譯碼、FDM或TDM的分路、解密等，其任務是從帶有干擾的信號中正確地恢復出原始信號。

圖1－4僅是一個單向通信系統(tǒng)模型，實際通信系統(tǒng)要實現雙向通信，通信的雙方需要隨時交流信息，信源兼為信宿，雙方都要有發(fā)送設備和接收設備。如果兩個方向用各自的傳輸媒介，則雙方都獨立地進行發(fā)送和接收；如果兩個方向共用一個傳輸媒介，則必須采用頻率、時間或代碼分割的辦法來實現資源共享。

1.2

信息論基礎

1.2.1信息的度量

“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容；消息可以有各種各樣的形式，但消息的內容可統(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。另外，消息中所含信息的多少也應和消息的重要程度無關。

由概率論可知，事件的不確定程度可用事件出現的概率來描述。事件出現(發(fā)生)的可能性愈小，則概率愈??；反之，概率愈大?；谶@種認識，可以得到：消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關。消息出現的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大，且概率為0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。

綜上所述，可以得出消息中所含信息量與消息出現的概率之間的關系應反映如下規(guī)律：

(1)消息中所含信息量I是消息出現的概率P(x)的函數，即

I=I［P(x)］

(1－2)

(2)消息出現的概率愈小，它所含信息量愈大,反之信息量愈小,且

P=1時I=0

P=0時

I=∞

(3)若干個互相獨立事件構成的消息，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)間應滿足以上三點，則它們有如下關系式：

(1－3)信息量I的單位與對數的底數a有關：a=2，單位為比特(bit或b)；a=e，單位為奈特(nat或n)；a=10，單位為笛特(Det)或稱為十進制單位；a=r，單位稱為r進制單位。通常使用的單位為比特。1.2.2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的概率之和。

二進制時：

(1－4)把P(1)=P代入，則

對于多個信息符號的平均信息量的計算如下：

設各符號出現的概率為

,則每個符號所含信息的平均值(平均信息量)為

(1－5)由于平均信息量同熱力學中的熵形式相似，故通常又稱它為信息源的熵。平均信息量I的單位為bit/符號。

當離散信息源中每個符號等概率出現，而且各符號的出現為統(tǒng)計獨立時，該信息源的信息量最大。此時最大熵（平均信息量）為

（n=N時）

（1－6）

1.3通信系統(tǒng)的性能指標

1.3.1一般通信系統(tǒng)的性能指標

通信系統(tǒng)的性能指標有：有效性、可靠性、適應性、保密性、標準性、維修性、工藝性等。從信息傳輸的角度來看，通信的有效性和可靠性將是系統(tǒng)最主要的兩個性能指標,這也是通信技術討論的重點。

有效性是指要求系統(tǒng)高效率地傳輸消息。解決通信系統(tǒng)如何以最合理、最經濟的方法傳輸最大數量的消息。可靠性是指要求系統(tǒng)可靠地傳輸消息。由于存在干擾，收到的與發(fā)出的消息并不完全相同?？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，可靠性決定于系統(tǒng)抵抗干擾的性能，也就是說，決定于通信系統(tǒng)的抗干擾性。

一般情況下，要增加系統(tǒng)的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。在實際中，常常依據實際系統(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。

1.3.2通信系統(tǒng)的有效性指標

模擬通信系統(tǒng)中，每一路模擬信號需占用一定信道帶寬，如何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用，即頻分復用(FDM)，以復用路數多少來體現其有效性，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范圍的自由空間，更是利用多種頻分復用方式實現各種無線通信的。另一方面，提高模擬通信有效性是根據業(yè)務性質減少信號帶寬，如話音信號的調幅單邊帶(SSB)為4kHz，就比調頻信號帶寬小數倍，但可靠性較差。

數字通信的有效性主要體現在一個信道中通過的信息速率。對于基帶數字信號傳輸，可以采用時分復用(TDM)以充分利用信道帶寬；而對于頻帶數字信號傳輸，可以采用多元調制提高有效性。數字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量，傳輸速率越高，系統(tǒng)的有效性越好。通常可從以下三個不同的角度來定義傳輸速率。

1.碼元傳輸速率RB

碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率、數碼率、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)內傳輸碼元的數目，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秒內共傳送4800個碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為2400B。

數字信號一般有二進制與多進制之分，但碼元速率RB與信號的進制數無關，只與碼元寬度Tb有關。

(1－7)通常在給出系統(tǒng)碼元速率時，有必要說明碼元的進制，多進制(M)碼元速率RBM與二進制碼元速率RB2之間，在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下，相互可轉換，轉換關系式為

(1－8)

式中，M=2k，k=2,3,4,…。

2.信息傳輸速率Rb

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制數M有關，因此，Rb也與M有關。

3.消息傳輸速率

消息傳輸速率亦稱消息速率，它被定義為單位時間(每秒鐘)內傳輸的消息數，用Rm表示。因消息的衡量單位不同，有各種不同的含義。例如，當消息的單位是漢字時，則Rm的單位為字/秒。消息速率在實際中應用不多。

4.與的關系

在二進制中，碼元速率RB2同信息速率RB2的關系在數值上相等，但單位不同。

在多進制中，RBM與RbM之間數值不同，單位亦不同。它們之間在數值上有如下關系式

(1-9)在碼元速率保持不變條件下，二進制信息速率RB2與多進制信息速率RBM之間的關系為

(1－10)

5.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碼元傳輸速率的大小，即

(Bd/Hz)(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

(b/(s?Hz))(1－12)1.3.3通信系統(tǒng)的可靠性指標

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的，而信道噪聲(主要是熱噪聲)則隨傳輸距離而增長，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，通信質量就越好。諸如，公共電話(商用)以40dB為優(yōu)良質量，電視節(jié)目信噪比至少應為50dB，優(yōu)質電視接收應在60dB以上，公務通信可以降低質量要求，也需20dB以上。當然，衡量信號質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的模擬信號之間誤差程度的質量指標。均方誤差越小，說明恢復的信號越逼真。

1.碼元差錯率Pe

碼元差錯率Pe也稱為誤碼率，它是指接收錯誤的碼元數在傳送總碼元數中所占的比例。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。用表達式可表示成

（1－13）

2.信息差錯率Pb

信息差錯率Pb也稱為誤信率或誤比特率，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。用表達式可表示成

（1－14）

(3)Pe與Pb的關系

對于二進制而言，誤碼率和誤比特率顯然相等。而M進制信號的每個碼元含有n=lbM比特，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M較大時，誤比特率等于

（1－15）

1.4通信信道的基本特性

1.4.1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)為基礎的信號通路。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。

信道大體可分成兩類：狹義信道和廣義信道。

狹義信道通常按具體媒介類型的不同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、光纜及波導等一類能夠看得見的媒介。有線信道是現代通信網中最常用的信道之一。無線信道的傳輸媒質比較多，它包括短波電離層、對流層散射等。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，即調制信道和編碼信道。調制信道是從研究調制與解調的基本問題出發(fā)而構成的，它的范圍是從調制器輸出端到解調器輸入端。因為從調制和解調的角度來看，由調制器輸出端到解調器輸入端的所有轉換器及傳輸媒質，不管其中間過程如何，它們不過是把已調信號進行了某種變換而已，我們只需關心變換的最終結果，而無需關心形成這個最終結果的詳細過程。因此，研究調制與解調問題時，定義一個調制信道是方便和恰當的。調制信道常常用在模擬通信中。

在數字通信系統(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字序列，而譯碼器的輸入同樣也是一數字序列，它們在一般情況下是相同的數字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉換器及傳輸媒質可用一個完成數字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。調制信道和編碼信道的示意圖如圖1－5所示。另外，根據研究對象和關心問題的不同，也可以定義其他形式的廣義信道。

圖1－5調制信道與編碼信道

2.信道的模型

通常為了方便地表述信道的一般特性，引入信道的模型：調制信道模型和編碼信道模型。

1）調制信道

在頻帶傳輸系統(tǒng)中，已調信號離開調制器便進入調制信道。對于調制和解調而言，通?？梢圆还苷{制信道究竟包括了什么樣的轉換器，也不管選用了什么樣的傳輸媒質，以及發(fā)生了怎樣的傳輸過程，我們僅關心已調信號通過調制信道后的最終結果。因此，把調制信道概括成一個模型是可能的。

通過對調制信道進行大量的考察之后，可發(fā)現它有如下主要特性：

(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)的時變線性網絡去替代調制信道，這個網絡就稱做調制信道模型，如圖1－6所示。

圖1－6調制信道模型

(a)二對端時變線性網絡；(b)多對端時變線性網絡

對于二對端的信道模型來說，它的輸入和輸出之間的關系式可表示成

eo(t)=f［ei(t)］+n(t)(1－16)式中，ei(t)——輸入的已調信號；eo(t)——信道輸出波形；n(t)——信道噪聲(或稱信道干擾)；

f［ei(t)］——信道對信號影響(變換)的某種函數關系。

由于

f［ei(t)］形式是個高度概括的結果，為了進一步理解信道對信號的影響，我們把f［ei(t)］設想成為形式k(t)·ei(t)。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，它依賴于網絡的特性，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，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)而已。

期望的信道(理想信道)應是k(t)=常數，n(t)=0，即：

eo(t)=k·ei(t)(1－18)實際中，乘性干擾k(t)一般是一個復雜函數，它可能包括各種線性畸變、非線性畸變、交調畸變、衰落畸變等，而且往往只能用隨機過程加以表述，這是由于網絡的遲延特性和損耗特性隨時間隨機變化的結果。但是，經大量觀察表明，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構成的信道稱為恒參信道，其他媒質構成的信道稱為隨參信道。一般情況下，人們認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

編碼信道是包括調制信道及調制器、解調器在內的信道。它與調制信道模型有明顯的不同，即調制信道對信號的影響是通過k(t)和n(t)使調制信號發(fā)生“模擬”變化，而編碼信道對信號的影響則是一種數字序列的變換，即把一種數字序列變成另一種數字序列。故有時把編碼信道看成是一種數字信道。

由于編碼信道包含調制信道，因而它同樣要受到調制信道的影響。但是，從編/譯碼的角度看，以上這個影響已被反映在解調器的最終結果里，使解調器輸出數字序列以某種概率發(fā)生差錯。顯然，如果調制信道越差，即特性越不理想和加性噪聲越嚴重，則發(fā)生錯誤的概率將會越大。

圖1－7二進制無記憶編碼信道模型

用編碼的術語來說，這種信道是無記憶的(當前碼元的差錯與其前后碼元的差錯沒有依賴關系)。在這個模型里，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱為信道轉移概率，具體地把P(0/0)和P(1/1)稱為正確轉移概率，而把P(1/0)和P(0/1)稱為錯誤轉移概率。根據概率性質可知

P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1(1－19)(1－20)轉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確定的轉移概率。應該指出，編碼信道的轉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。

編碼信道可細分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道。有記憶是指編碼信道中碼元發(fā)生差錯的事件不是獨立的，即碼元發(fā)生錯誤與其前后碼元是有聯(lián)系的。

1.4.2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線按一定規(guī)則絞合而成的。這種絞合結構可以減少相臨線對的電磁干擾。根據是否外加屏蔽層，還可以將雙絞線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，又可以傳輸數字信號，其通信距離一般為幾千米到十幾千米。導線越粗，通信距離越遠，但導線價格越高。屏蔽雙絞線傳輸質量較好，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狀導體環(huán)繞，網外又覆蓋一層保護性材料。金屬屏蔽層能將磁場反射回中心導體，同時也使中心導體免受外界干擾，故同軸電纜比雙絞線具有更高的帶寬和更好的噪聲抑制特性。按特性阻抗數值的不同可分為兩種，一種為50Ω(指沿電纜導體各點的電磁電壓對電流之比)同軸電纜，用于數字信號的傳輸，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。

基帶同軸電纜只支持一個信道，傳輸帶寬為1Mb/s。它能夠以10Mb/s的速率把基帶數字信號傳輸1~1.2km，在局域網中廣泛使用；寬帶同軸電纜支持的帶寬為300~450MHz

，可用于寬帶數據信號的傳輸，傳輸距離可達100km。寬帶同軸電纜既可以傳輸數字信號，又可以傳輸模擬信號，如話音、視頻等，是綜合寬帶網的一種理想介質。

3）光纖

光導纖維是軟而細的、利用內部全反射原理來傳導光束的傳輸介質。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz，且其頻率范圍非常寬，因此，一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于其他各種傳輸介質的帶寬，是目前最有發(fā)展前途的有線傳輸介質。

光纖為圓柱狀，由3個同心部分，即纖芯、包層和護套組成。纖芯是光纖最中心的部分，由一條或多條非常細的玻璃或塑料纖維線構成。每根纖維線都有自己的包層，由于包層涂層的折射率比芯線低，因此可使光波保持在芯線內。最外層的護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，其纖芯比較細；多模光纖指的是在一條光纖中可能有多條不同入射角的光線同時傳播，其纖芯比較粗。

與同軸電纜比較，光纖可提供極寬的頻帶且功率損耗小、傳輸距離長(2km以上)、傳輸率高(可達數千兆比特每秒)、抗干擾性強(不會受到電子監(jiān)聽)，是構建安全性網絡的理想選擇。

2.無線信道無線信道主要由無線電波和光波作為傳輸載體。頻率高低的不同，電磁波傳播的特性也不同，同時根據介質的不同以及介質分界面對電波傳播產生的影響不同，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散射傳播。

1)地表傳播當接收天線距離發(fā)射天線較遠時，地面就像拱形大橋將兩者隔開。那些走直線的電波就過不去了。只有某些電波能夠沿著地球拱起的部分傳播出去，這種沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ň徒械夭ǎ步斜砻娌?。地面波傳播無線電波沿著地球表面的傳播方式，稱為地表傳播。其特點是信號比較穩(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，走這一途徑的電波就稱為天波或反射波。在電波中，主要是短波具有這種特性。

3)視距傳播若收、發(fā)天線離地面的高度遠大于波長，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。目前廣泛使用的超短波通信和衛(wèi)星通信的電波傳播均屬這種傳播方式。在視線傳播的情況下，如果收發(fā)天線離地高度遠大于波長，則接收點處的地波可歸結為直射波與地面反射波相干涉的結果。因為這種情況下對流層的折射影響必須考慮，所以將它歸入對流層傳播。微波中繼通信即是這種傳播方式。在超地平傳播的情況下到達接收點的地波為繞過弧形地面的表面波。中波和長波多利用地波傳播，但在一定的條件下，也出現它們的電離層反射波。

4）散射傳播散射傳播是利用對流層或電離層中介質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超視矩傳播的。這種傳播方式主要用于超短波和微波遠距離通信。

超短波的傳播特性比較特殊，它既不能繞射，也不能被電離層反射，而只能以直線傳播。以直線傳播的波就叫做空間波或直接波。由于空間波不會拐彎，因此它的傳播距離就受到限制。發(fā)射天線架得越高，空間波傳得越遠。所以電視發(fā)射天線和電視接收天線應盡量架得高一些。盡管如此，其傳播距離仍受到地球拱形表面的阻擋，實際只有50km左右。超短波不能被電離層反射，但它能穿透電離層，所以在地球的上空就無阻隔可言，這樣，我們就可以利用空間波與發(fā)射到遙遠太空去的宇宙飛船、人造衛(wèi)星等取得聯(lián)系。此外，衛(wèi)星中繼通信、衛(wèi)星電視轉播等也主要是利用天波傳輸途徑。

5）對流層電波傳播無線電波在對流層與平流層中的傳播，簡稱為對流層電波傳播。對流層的折射指數，在20GHz以下的頻率以及其他大氣窗口與頻率無關，因而對流層通常是一種非色散介質。由于折射指數的空間變化，電波射線會因折射而彎曲。在對流層中，氣體分子與水汽凝聚物（云、霧、雨、雪等）對電波有吸收與散射作用。波長長于3cm的電波，所受的吸收作用十分微弱，計算場強時可不考慮。波長短于3cm時，需要考慮水汽和氧的吸收。在毫米波與亞毫米波頻段，對流層有許多吸收較小的頻帶，通常稱為大氣窗口。

6）電離層電波傳播

這是指無線電波在電離層中的傳播。在這種情況下的電波傳播，往往要受地磁場的影響，將電波分裂成尋常波和非常波，此現象稱為磁離子分裂。對應于它們二者的折射指數比較復雜，特別是還依賴于地磁場強度和傳播方向，故電離層是一種各向異性的色散介質。在一定條件下，可以忽略地磁場的影響，這時電離層的折射指數只依賴于電波頻率、碰撞頻率和電子濃度。在這種情況下電離層是一種各向同性的色散介質。短波段的電波在電離層中受到折射和吸收，在一定條件下能在電離層反射，回到地面。中頻段的電波通常在電離層的D層（70~90km）和E層（100~120km）中受到吸收，在F層中反射。

甚高頻段電波基本能透過電離層，在一定條件的少數情況下，也能在電離層反射，它在電離層中發(fā)生的散射現象能加以利用。微波段電波能透過電離層，它的折射很小。長波、超長波波段的電波，大部分在電離層低層的下緣被反射。在實際通信中往往根據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使用波段的特點，利用天線的方向性來限定一種主要的傳播方式。

1.4.3信道內的噪聲

信道內噪聲的來源很多，它們表現的形式也多種多樣。根據它們的來源不同，我們可以粗略地分為四類。(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廣，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，因此可以預先設法防止。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、準確性以及諧波輻射等方面都有嚴格的規(guī)定，使得信道內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備，如電力線、點火系統(tǒng)、電車、電源開關、電力鐵道、高頻電爐等。這類干擾來源分布很廣泛，無論是城市還是農村，內地還是邊疆，各地都有工業(yè)干擾存在。尤其是在現代化社會里，各種電氣設備越來越多，因此這類干擾的強度也就越來越大。但它也有個特點，就是干擾頻譜集中于較低的頻率范圍，例如幾十兆赫茲以內。因此，選擇高于這個頻段工作的信道就可防止受到它的干擾。另外，也可以在干擾源方面設法消除或減小干擾的產生，例如加強屏蔽和濾波措施，防止接觸不良和消除波形失真等。

(3)天電噪聲。它來源于雷電、磁暴、太陽黑子以及宇宙射線等?？梢哉f整個宇宙空間都是產生這類噪聲的根源，因此它的存在是客觀的。由于這類自然現象和發(fā)生的時間、季節(jié)、地區(qū)等有很大關系，因此受天電干擾的影響也是大小不同的。例如，夏季比冬季嚴重，赤道比兩極嚴重，在太陽黑子發(fā)生變動的年份天電干擾加劇。這類干擾所占的頻譜范圍也很寬，并且不像無線電干擾那樣是頻率固定的，因此對它的干擾影響就很難防止。

(4)內部噪聲。它來源于信道本身所包含的各種電子器件、轉換器以及天線或傳輸線等。例如，電阻及各種導體都會在分子熱運動的影響下產生熱噪聲，電子管或晶體管等電子器件會由于電子發(fā)射不均勻等產生器件噪聲。這類干擾的特點是都由無數個自由電子作不規(guī)則運動所形成，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。由于在數學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。

以上是以噪聲的來源來分類的，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，用噪聲的性質來分類更為有利。從噪聲性質來區(qū)分可有以下幾種。

(1)單頻噪聲。它主要指無線電干擾。由于電臺發(fā)射的頻譜集中在比較窄的頻率范圍內，因此可以近似地看做是單頻性質的。另外，像電源交流電、反饋系統(tǒng)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，因此在采取適當的措施后就有可能防止。

(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，并且發(fā)生這類干擾的時間很短，強度很大，且周期是隨機的，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，頻譜幅度就逐漸減小，干擾影響也就減弱。因此，在適當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，因此它對信號傳輸的影響是不可避免的。

1.4.4常見的幾種噪聲

下面介紹幾種符合實際信道特性的噪聲。

1.白噪聲

所謂白噪聲，是指它的功率譜密度函數在整個頻率域(-∞＜ω＜+∞)內是常數，即服從均勻分布。稱其為白噪聲，是因為它類似于光學中包括全部可見光頻率在內的白光。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，就可近似認為是白噪聲。例如，熱噪聲的頻率可以高達1013Hz，且功率譜密度函數在0~1013Hz內基本均勻分布，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Pn(ω)和Rn(τ)圖形如圖1－8所示。

圖1－8理想白噪聲的功率譜密度和自相關函數

(a)功率譜密度；(b)自相關函數

2.高斯噪聲

所謂高斯(Gaussian)噪聲，是指它的概率密度函數服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲，可用數學表達式表示成

(1－22)式中，a為噪聲的數學期望值，也就是均值；σ2為噪聲的方差；exp(x)是以e為底的指數函數。

現在再來看正態(tài)概率分布函數F(x)，分布函數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，簡稱概率積分，其定義為

(1－25)正態(tài)概率分布函數還經常表示成與誤差函數相聯(lián)系的形式，誤差函數式為

(1－26)互補誤差函數

(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

我們已經知道，白噪聲是根據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它的概率密度函數來定義的。那么什么是高斯型白噪聲呢?所謂高斯型白噪聲，是指噪聲的概率密度函數滿足正態(tài)分布統(tǒng)計特性，同時它的功率譜密度函數是常數的一類噪聲。

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學表達式表述，因此便于推導分析和運算；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

當高斯噪聲通過以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

這是符合大多數信道的實際情況的，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±附近很窄的頻率范圍內，其包絡和相位都在作緩慢隨機變化。

隨機噪聲通過窄帶系統(tǒng)后，可表示為

的系統(tǒng),n(t)=ρ(t)cos［t+φ(t)］

(1－28)式中，φ(t)為噪聲的隨機相位；ρ(t)為噪聲的隨機包絡。

1.4.5

信道容量

1.信號帶寬

帶寬這個名稱在通信系統(tǒng)中經常出現，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)中信號的傳輸過程來說，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，也就是本節(jié)要定義的帶寬；另一種是信道的帶寬，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。本書中在用到帶寬時將說明是信號帶寬，還是信道帶寬。

從理論上講，除了極個別的信號外，信號的頻譜都是無窮寬分布的。如果把凡是有信號頻譜的范圍都算帶寬，那么很多信號的帶寬將變?yōu)闊o窮大了，顯然這樣定義帶寬是不恰當的。一般信號雖然頻譜很寬，但絕大部分實用信號的主要能量(功率)都是集中在某一個不太寬的頻率范圍以內的，因此通常根據信號能量(功率)集中的情況，恰當地定義信號的