現代通信系統(tǒng)概論PPT完整全套教學課件

目錄MENU第一章緒論第二章通信系統(tǒng)基本技術第三章通信系統(tǒng)的典型應用第四章交換系統(tǒng)第五章通信網第六章通信網的應用第一章緒論1.1通信發(fā)展史1.2通信的基本概念yclblak2008

1.1通信發(fā)展史

1.1.1電信技術的發(fā)展簡史

1.古代通信

利用自然界的基本規(guī)律和人的基礎感官（視覺、聽覺等）可達性建立通信系統(tǒng)，是人類基于需求的最原始通信方式。各種通信方式，隨著人類科技的發(fā)展，有的消散在歷史的潮流中，有的依然在使用，其時間跨度達到4000多年。1840年5月6日，英國發(fā)行了世界上第一枚郵票——“一便士黑票”，見圖1-1。

圖1-1世界上第一枚郵票

2.近現代通信

以電磁技術為起始，是電磁通信和數字時代的開始。

1835年，美國雕塑家、畫家、科學愛好者塞繆爾·莫爾斯（SamuelMorse）成功地研制出世界上第一臺電磁式（有線）電報機，如圖1-2所示。１

圖1-2第一臺電磁式電報機

1843年，美國物理學家亞歷山大·貝思（AlexanderBain）根據鐘擺原理發(fā)明了傳真機，如圖1-3所示。圖1-3傳真機

1875年，蘇格蘭青年亞歷山大·貝爾（A.G.Bell）發(fā)明了世界上第一臺電話機。并于1876年申請了發(fā)明專利。1878年在相距300km的波士頓和紐約之間進行了首次長途電話實驗，并獲得了成功，如圖1-4所示。

圖1-4首次長途電話

1892年，美國人A.B.史端喬（AlmonB.Strowger）發(fā)明了世界上第一部自動交換機，這是一臺步進式IPM電話交換機，如圖1-5所示。

圖1-5自動交換機

1901年，意大利工程師馬可尼發(fā)明火花隙無線電發(fā)報機，如圖1-6所示，成功發(fā)射穿越大西洋的長波無線電信號。圖1-6無線電發(fā)報機

1973年，美國摩托羅拉公司的馬丁?庫帕博士發(fā)明第一臺便攜式蜂窩電話，也就是我們所說的“大哥大”。一直到1985年，才誕生出第一臺現代意義上的、真正可以移動的電話，即“肩背電話”，如圖1-7所示。

圖1-7第一個蜂窩移動電話

在模擬PSTN形態(tài)的基礎上，形成了綜合數字網（IDN）網絡形態(tài)，在此過程中有一系列成就：

●統(tǒng)一了話音信號數字編碼標準；

●用數字傳輸系統(tǒng)代替模擬傳輸系統(tǒng)；

●用數字復用器代替載波機；

●用數字電子交換機代替模擬機電交換機；

●發(fā)明了分組交換機。

3.當代通信

當代通信是移動通信和互聯(lián)網通信時代。

這個時代的特征是，形成了高速數字化通信、全球互聯(lián)、各種業(yè)務融合，通信技術與計算機、人工智能、自動化等技術的融合，極大地促進了人類社會的發(fā)展。

1.1.2通信發(fā)展趨勢

1.寬帶化

寬帶化主要是使通信線路所傳輸的數字信號的比特率逐漸升高。

2.4W化

4W（Who、What、Where、When)是指任何人任何事物在任何時候任何地點都可以建立起相互的聯(lián)系。

3.智能化

智能網業(yè)務將會被廣泛使用，它是在原有通信網絡的基礎上為用戶提供新業(yè)務而設置的附加網絡結構，它的最大特點是將網絡的交換功能與控制功能分開。

4.安全化

模擬信號傳遞的信息更容易被竊取，數字化之后增加了保密性，同時現在的通信越來越重視信息的加密算法。量子通信技術將為保密通信提供技術保障。

1.2通信的基本概念1.2.1消息、信息、信號消息是表達客觀物質運動和主觀思維活動的狀態(tài)，指報道事情的概貌而不講述詳細的經過和細節(jié)，以簡要的語言文字迅速傳播新近事實的新聞體裁，也是最廣泛、最經常采用的新聞基本體裁，如文字、語言、圖像等。消息傳遞過程即是消除不確定性的過程：收信前，收信者存在不確定（疑問），不知消息的內容；干擾使收信者不能判定消息的可靠性；收信者得知消息內容后，消除原先的“不確定”。消息的三個特點是：真實性、實效性、傳播性。

信息指的是消息中所包含的具體的內容。信息與消息的關系是：形式上傳輸消息，實質上傳輸信息；消息具體，信息抽象；消息是表達信息的工具，信息載荷在消息中，同一

信息可用不同形式的消息來載荷；消息可能包含豐富的信息，也可能包含很少的信息。

信號（也稱為訊號）是運載消息的工具，是消息的載體。從廣義上講，它包含光信號、聲信號和電信號等。

1.2.2信息及其度量

1.消息的統(tǒng)計特性

消息可以是離散消息，也可以是連續(xù)消息。產生離散消息的信源被稱為離散信源，產生連續(xù)消息的信源被稱為連續(xù)信源。

設離散信源包含有n種符號，即x1，x2，…，xn的集合，每個符號出現的概率分別為P(x1)，P(x2)，…，P(xn)，則可以用概率場：

來表示離散信源。例如，英語中26個字母以及單詞間空格的出現概率如表1-l所示，漢字電報的十進制數字代碼中，數字0～9的出現概率如表1-2所示。

在大多數情況下，離散信號中各符號之間并不相互獨立，而往往存在著一定的關聯(lián)。即當前符號出現的概率與先前出現的符號有關，由此必須用條件概率來描述離散消息。為了簡化，通常只考慮前一個符號對后一個符號的影響。這是一個馬爾可夫鏈問題，可以用轉移概率矩陣來描述，即

2.信源信息的信息量

由概率論我們知道，事件的不確定程度可以用其出現的概率來描述。也就是說，消息中的信息含量與消息發(fā)生的概率有關，消息出現的概率越小，則此消息攜帶的信息就越

多。

哈特萊首先提出采用消息出現概率的對數測度作為離散消息的信息度量單位。即某離散消息xi所攜帶的信息量為

式中，P（xi）為該消息發(fā)生的概率。當a為2時，信息量單位稱為比特（bit）；當a為e時，信息量單位稱為奈特（nit）；當a為10時，信息量的單位為笛特（Det）。目前應用最為廣泛的單位是比特。

例1-1已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”出現概率為1/3，求出現“1”的信息量。

解：由于全概率為1，因此出現“1”的概率為2/3。由信息量定義式（1-3）可知，出現“l(fā)”的信息量為

例1-2求英文字母e和j的信息量。

解：由表2-1可知e的出現概率為0.105，故其信息量為

j的出現概率為0.001，故其信息量為

如果消息由一串符號構成，且假設各符號的出現互相統(tǒng)計獨立，離散信源的概率場如式（1-1）所示，則根據信息相加性概念，整個消息的信息量為

例1-3某離散信源由0、1、2、3四種符號組成，其概率場為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312的信息量。

解：此消息總長為45個符號，其中0出現18次，1出現11次，2出現10次，3出現6次。由式（1-4）可求得此消息的信息量為

3.信源信息的平均信息量

通常通信中傳輸的消息都很長，那么用符號出現概率來計算消息的信息量顯然是比較麻煩的，此時我們可以用平均信息量的概念來計算。所謂平均信息量，是指每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，因此N個符號的離散消息源的平均信息量可用下式表示：

例1-4計算例1-3中信源的平均信息量。

解：由式（1-5）得

注意，用上述平均信息量可計算出例1-3中消息的總信息量為

這里的總信息量與例1-3算得的結果并不完全相同，其原因是例1-3的消息序列還不夠長，各符號出現的頻次與概率場中給出的概率并不相等。隨著序列長度增大，其誤差將趨于零。

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

例如：例1-3中信源的四種符號為等概率，即每個符號的概率均為1/4，則平均信息量為

若消息中各符號的出現統(tǒng)計相關，則式（1-5）將不再適用，具體可參見相關書籍。

1.2.3通信系統(tǒng)組成模型

傳遞信息所需的一切技術設備的總和稱為通信系統(tǒng)。一個簡單的通信系統(tǒng)模型如圖1-8所示。圖1-8通信系統(tǒng)模型

（1）信息源和收信者

在通信系統(tǒng)中，根據信息源輸出信號的性質不同可分為模擬信源和離散信源。模擬信源（如電話機、電視攝像機）輸出連續(xù)幅度的信號；離散信源（如電傳機、計算機）輸出離散的符號序列或文字。模擬信源可通過抽樣和量化變換為離散信源。隨著計算機和數字通信技術的發(fā)展，離散信源的種類和數量愈來愈多。隨著信息源和接收者不同，信息速率在很大范圍內變化。

（2）發(fā)送設備

信息的傳輸媒介多種多樣，如電纜、光纖、微波等。發(fā)送設備的基本功能就是將信源和傳輸媒介匹配起來，即將信源產生的信號變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。

（3）傳輸媒介

傳輸媒介是用于連接發(fā)送設備和接收設備的部分，它可以是無線的，也可以是有線的（包括光纖），有線和無線均有多種傳輸媒介形式。

（4）接收設備

接收設備的功能是完成發(fā)送設備的反變換，它的任務是從帶有干擾的信號中正確恢復出原始信號來。

由于信源有模擬和數字兩類，因此通信系統(tǒng)相應地也分成兩類，即模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。應當強調的是，模擬信號可以通過模/數轉換后變成數字信號并在數字通信

系統(tǒng)中傳輸，當然在接收端再通過數/模轉換后還原成模擬信號。

對于模擬通信系統(tǒng)，消息的傳輸需要包含兩種重要的變換，第一種是在發(fā)送端將連續(xù)的消息變換成連續(xù)的電信號（簡稱模擬信號），在接收端再將電信號反變換成連續(xù)的消

息。這種變換設備是一種換能器，如將聲能或光能轉換成電能。大多數的傳輸信道不適合于模擬信號的直接傳輸，這主要是因為模擬信號多為低通型（信號的最低頻率幾乎為零）信號而大多數的信道卻為帶通型（低頻率和高頻率都受限制）。

因此，模擬通信系統(tǒng)中就有第二種重要的變換：將低通型信號轉換成其頻帶適合于在帶通型信道中傳輸的信號，并在接收端進行相反變換。這種變換與反變換在通信中被稱為調制與解調。經過調制后的信號稱為已調信號，它應有兩個基本特性：一是攜帶有消息，二是適應在信道中傳輸。通常，我們將調制前和解調后的信號稱為基帶信號。

因此，一個模擬通信系統(tǒng)的模型可由圖1-8略加改變后得到，如圖1-9所示。由圖1-9可以得出，模擬通信所涉及的基本問題應包括：

①收發(fā)兩端的換能過程及基帶信號的特性。

②調制解調原理。

③信道與噪聲的特性及其對信號傳輸的影響。

④在有噪聲情況下的系統(tǒng)性能等。圖1-9模擬通信系統(tǒng)模型

綜上所述，數字通信系統(tǒng)的模型如圖1-10所示。圖中沒有給出數字通信系統(tǒng)的同步環(huán)節(jié)。當然，在實際的通信系統(tǒng)中，并非一定要包括如圖1-10中所示的所有環(huán)節(jié)。

１

歸納起來，圖1-10所示的數字通信系統(tǒng)其主要研究的基本問題為：

①收發(fā)兩端的換能過程、模擬信號數字化以及數字基帶信號的特性。

②數字調制與解調原理。

③信道和噪聲的特性及其對數字信號傳輸的影響。

④抗信道干擾的差錯控制編碼，即信道編碼問題。

⑤數字通信的保密性。

⑥通信系統(tǒng)的同步問題（包括載波同步、位同步、網同步）。

此外還需要補充說明兩點：

第一，以上所給出的是一個點到點的單向通信系統(tǒng)，但在大多數場合下，信源兼為收信者，通信的雙方需要隨時交流信息，因而要求雙向通信；

第二，在許多情況下，一個通信系統(tǒng)是可以進行多路信號的傳輸，這時系統(tǒng)中將包括多路信號復用器和分路器，常用的多路信號的復用方式有頻分復用、時分復用和碼分復用。

1.2.4通信系統(tǒng)的分類

1.按消息的物理特征分類

根據消息的物理特征的不同，有電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數據通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等各種通信系統(tǒng)。這些通信系統(tǒng)可以是專用的，但通常是兼容的或并存的。由于

電話通信最為發(fā)達，因而其他通信常常借助于公共的電話通信系統(tǒng)進行。

2.按調制方式分類

根據是否采用調制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和調制傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇浾{制的信號直接傳送，如音頻市內電話、數字信號基帶傳輸等。調制傳輸是對各種信號變換方

式后傳輸的總稱，調制的目的有以下三個方面：

①將消息變換為便于傳送的形式。

②提高性能，特別是抗干擾能力。

③有效地利用頻帶。

各種調制方式正是為了達到這些目的而發(fā)展起來的。調制方式很多，表1-3給出一些常見的調制方式，我們將陸續(xù)詳細講述它們的原理。應當指出，在實際使用時常常采用復

合的調制方式，即用不同調制方式進行多級調制。

3．按傳輸信號的特征分類

變換后的信號與原信號之間必須建立一一對應關系，否則在收端就無法恢復出原來的消息。調制時消息攜帶在正弦波或脈沖序列的某個參量或幾個參量上，按參量的取值方式

可將信號分為模擬信號和數字信號。模擬信號中參量的取值范圍是連續(xù)的，因此可有無限多個取值。

按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字信號，可以相應地把通信系統(tǒng)分成兩類，即模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。數字通信在近20年來得到了迅速發(fā)展，其原因是：

①抗干擾能力強。

②便于進行各種數字信號處理，有利于實現綜合業(yè)務通信網。

③易于實現集成化。

④功耗低、體積小。

⑤保密性強。

⑥采用時分多路復用，可省去大量的濾波器。

4．按傳送信號的復用方式分類

傳送多路信號有三種復用方式，即頻分復用、時分復用、碼分復用。頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍；時分復用是用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區(qū)間；碼分復用則是用一組正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。

5．按傳輸媒介分類

按傳輸媒介，通信系統(tǒng)可分為有線通信（包括光纖）和無線通信兩類。所謂有線通信，是指消息傳遞是用導線來完成的通信方式；所謂無線通信，是指利用無線電波或其他物理波在空間的傳播方式來傳遞消息的方法。表1-4中列出了常用的傳輸媒介及其主要用途。

1.2.5通信系統(tǒng)的主要性能指標

通信的任務是傳遞信息，因此傳輸信息的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)最主要的質量指標。有效性是指在給定信道內能傳輸的信息內容的多少，而可靠性是指接收信息的準確程

度。這兩者是相互矛盾而又相互聯(lián)系的，通常也是可以互換的。

對于數字通信系統(tǒng)，有效性可用信息傳輸速率來衡量。二進制數字消息的信息速率用b/s（比特/秒）作單位。比特（bit）是信息量單位，當二進制數字0、l取值等概率時，傳送一個二進制數字其信息量就等于1bit。信息速率常稱比特率，如比特率為1200b/s，意味著每秒傳送1200個二進制脈沖。顯然，當信道一定時，信息速率愈高，有效性也就愈好。為了提高有效性，可以采用多進制傳輸，此時每個碼元攜帶的信息量超過lbit。

若碼元速率為Rs，信息速率為Rb，每個碼元有M種可能采用的符號，即M進制碼元，則它們之間的關系為

或

數字通信系統(tǒng)的有效性也可用頻譜利用率來表示。所謂頻譜利用率，是指在單位帶寬（1Hz）內的信息傳輸速率，即

數字通信系統(tǒng)的可靠性可用差錯率來衡量。誤比特率為

誤碼元率為

有時將誤比特率稱為誤信率，誤碼元率稱為誤符號率或誤碼率。

顯然，在二進制中有

1.2.6信道與噪聲

正如圖1-8所示的通信系統(tǒng)模型所指出的那樣，信道是任何一個通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，而信道中存在的噪聲又是不可避免的，因而，對信道與噪聲的認識往往是研究

通信問題的基礎。

1.信道的定義

信道是指用于傳輸信號的媒介。目前可用于信號傳輸的媒介概括如下：

①架空明線。

②同軸電纜。

③中長波地表波傳播。

④超短波及微波視距傳播（包括人造衛(wèi)星中繼）。

⑤短波電離層反射。

⑥超短波流星余跡散射。

⑦超短波及微波對流層散射。

⑧超短波電離層散射。

⑨超短波超視距繞射。

⑩毫米波波導傳播。

光導纖維。

光波視距傳播。

應該說，信道的這種定義是直觀的。但從研究消息傳輸的觀點來說，我們所關心的只是如1.2.3小節(jié)所指出的基本問題，因而，信道的范圍還可以擴大。它除包括傳輸媒介外，

還可能包括有關的轉換器（如發(fā)送設備、接收設備、饋線與天線、調制器、解調器等）。我們稱這種擴大范圍的信道為廣義信道，而把僅指傳輸媒介的信道稱為狹義信道。在討論通信的一般原理時，通常采用的是廣義信道。

在通信原理中，我們常常遇見的廣義信道之一就是所謂的調制信道。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。

同樣的道理，在數字通信系統(tǒng)中，如果我們僅著眼于編碼和譯碼問題，則可得另一種廣義信道——編碼信道。

調制信道和編碼信道的示意圖見圖1-11。

圖1-11調制信道與編碼信道

應該指出，狹義信道（傳輸媒介）是廣義信道十分重要的組成部分。事實表明，通信效果的好壞，在很大程度上將依賴于狹義信道的特性。因而，在研究信道的一般特性時，“傳輸媒介”是討論的重點。當然，根據實際的需要，有時除重點關心傳輸媒介外，還應該考慮到其他組成部分的有關特性。

為敘述方便，以下均把廣義信道簡稱為信道，此時的通信模型可以簡化為如圖1-12所示。圖1-12通信系統(tǒng)簡化模型

2.信道模型

為表述信道的一般特性，我們先來引入信道的模型，如圖1-13所示。圖中，x(t)為信道的輸入信號，y(t)為信道的輸出信號，k(t)為依賴于信道的特性，n(t)為加性噪聲（或稱加

性干擾）。根據信道模型，信道的輸出y(t)可表示為

k(t)乘x(t)就反映信道特性對x(t)的最終作用。k(t)的存在，對x(t)來說是一種干擾，故可稱k(t)是乘性干擾。

圖1-13信道模型

由此可見，信道對信號的影響可歸結到兩點：一是由于乘性干擾k(t)的存在，二是由于加性干擾n(t)的存在。如果我們了解了k(t)與n(t)的特性，則信道對信號的具體影響就能

搞清楚。不同特點的信道，僅反映信道模型有不同特性的k(t)及n(t)而已。

乘性干擾k(t)一般是一個復雜的函數，它可能包括各種線性畸變、非線性畸變、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在做隨機變化的原因。但是，經大量觀察表明，有些信道的k(t)基本不隨時間變化，也就是說，信道對信號的影響是固定的或變化極為緩慢的。而有些信道卻不然，它們的k(t)是隨機快變化的，因此，分析研究乘性干擾k(t)時，在相對的意義上可把信道分為兩大類：一類稱為恒（定）參（量）

信道，即它們的k(t)可看成不隨時間變化或基本不變化的；另一類稱為隨（機）參（量）信道，它便是非恒參信道的統(tǒng)稱，或者說它的k(t)是隨機快變化的。通常，把上一節(jié)列舉的前四種和最后三種傳輸媒介所構成的信道歸于恒參信道，而其他傳輸媒介所構成的信道就歸于隨參信道。

3.信道特性及其對信號傳輸的影響

信道特性指的是信道的傳輸特性。傳輸特性通?？捎梅?頻率特性及相位-頻率特性來表征。因此，在原理上講只要得到了這個網絡的傳輸特性，就可求得信號通過信道后

的變化規(guī)律。

1）幅度-頻率畸變

幅度-頻率特性簡稱幅頻特性，是指在不同頻率時信道的輸入輸出關系。理想信道的幅頻特性應是一條水平直線。

幅度-頻率畸變是由信道的幅度-頻率特性的不理想所引起的。導致畸變的原因是，在信道中可能存在各種濾波器、電容和電感元器件等。由于這些元器件的存在，通常導致

信道傳輸通帶特性的高頻段和低頻段衰耗逐步增加，如圖1-14所示。

圖1-14信道的衰減特性

2）相位-頻率畸變（群遲延畸變）

相位-頻率特性簡稱相頻特性，是指不同頻率在信道中的傳輸延時關系。理想信道的相頻特性應是一條直線。

相位-頻率畸變是指信道的相移-頻率特性偏離線性關系所引起的畸變。與幅度-頻率畸變一樣，相位-頻率畸變主要來自于濾波器和電抗器件。尤其在信道頻帶的邊緣，由于衰耗特性陡峭引起的相頻畸變更嚴重。

信道的相位-頻率特性還經常采用群遲延-頻率特性（簡稱群遲延特性）來衡量。所謂群遲延特性，便是相位-頻率特性對頻率的導數，若相位-頻率特性用φ(ω)表示，則群遲

延-頻率特性τ(ω)為

顯然，如果φ(ω)呈現線性關系，則τ(ω)將是一條水平直線，見圖1-15所示。此時，信號的不同頻率成分將有相同的遲延，因而信號經過傳輸后不發(fā)生畸變。但實際的信道特

性總是偏離如圖1-15所示的特性的，例如，一個典型的電話信道的群遲延-頻率特性示于圖1-16。不難看出，當非單一頻率的信號通過信道時，信號頻譜中的不同頻率分量將有不

同的遲延（使它們的到達時間先后不一），從而引起信號的畸變。

圖1-15理想相頻特性和群遲延特性

圖1-16話音通道群遲延特性

3）加性噪聲的類型

加性噪聲通常獨立于有用信號（攜帶信息的信號），但它卻始終干擾有用信號，因而就不可避免地對通信造成影響。

信道中加性噪聲（簡稱噪聲）的來源是多方面的，但一般可以分為三方面：

●人為噪聲來源于無關的其他信號源

●自然噪聲指自然界存在的各種電磁波源

●內部噪聲是系統(tǒng)設備本身產生的各種噪聲

常見的和基本的隨機噪聲又可分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲三類。

（1）單頻噪聲

單頻噪聲是一種連續(xù)波的干擾（如外臺信號），它可視為一個已調正弦波，但其幅度、頻率及相位都是事先不能預知的。這種噪聲的主要特點是占有極窄的頻帶，但在頻率軸上的位置可以實測。

（2）脈沖噪聲

脈沖噪聲是在時間上無規(guī)則地時而安靜時而突發(fā)的噪聲，例如，工業(yè)的點火輻射、閃電和電氣開關通斷等產生的噪聲。這種噪聲的主要特點是其突發(fā)的脈沖幅度大，但單個突發(fā)脈沖持續(xù)時間短且相鄰突發(fā)脈沖之間往往有較長的安靜時段。從頻譜上看，脈沖噪聲通常有較寬的頻譜（從甚低頻到高頻），但頻率越高，其頻譜成分就越小。

（3）起伏噪聲

起伏噪聲是以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲。這些噪聲的特點是，無論在時域內還是在頻域內，它們總是普遍存在和不可避免的。

4）信道容量和香農公式

在通信系統(tǒng)中，信息是通過信道進行傳輸的。而在一條傳輸信道上所傳輸的信息并不是無限制的，在單位時間內信道能無錯誤傳輸的最大信息量被稱為信道容量。信道容量單

位是比特每秒或比特每符號。

信道容量與上述三者的關系為

其中，S表示信號功率，N表示噪聲功率，B是信道帶寬。

上式就是著名的香農信道容量公式，簡稱為香農公式。

由香農公式可得如下結論：

①提高信號與噪聲功率之比能增加信道容量。

②當噪聲功率N→0時，信道容量C趨于∞，這意味著無干擾信道容量為無窮大。

③增加信道頻帶（也就是信號頻帶）B并不能無限制地使信道容量增大。當噪聲為白色高斯噪聲時，隨著B增大，噪聲功率N＝B·n0（這里n0為噪聲的單邊功率譜密度）也增大，在極限情況下，有

④信道容量一定時，帶寬B與信噪比S/N之間可以彼此互換。

香農公式雖然給出了理論極限，但對如何達到或接近這一理論極限，并未給出具體的實現方案。第二章通信系統(tǒng)基本技術2.1信源信號2.2信號的基帶傳輸2.3信號的頻帶傳輸2.4信號的復用傳輸2.5常用通信系統(tǒng)

2.1信源信號

2.1.1常見信號的獲取1.電信號的獲得將非電信號轉換為電信號的部件稱為傳感器。將不同的物理量轉換成電信號所用的傳感器是不同的。如將聲音轉換成電信號需要采用聲/電傳感器；將光轉換成電信號需要采用光/電傳感器。

傳感器一般由敏感元件、轉換器件、轉換電路三個部分組成，如圖2-1所示。圖2-1傳感器的基本組成結構

敏感元件是指能直接感受（或響應）被測量的部分，即將被測量通過傳感器的敏感元件轉換成與被測量有確定關系的非電量或其他量。

轉換器件則將上述非電量轉換成電參量。

轉換電路的作用是將轉換元件輸入的電參量經過處理轉換成電壓、電流或頻率等可測電量，以便進行顯示、記錄、控制和處理的部分。

2.常見信號的獲取

1）聲/電變換——傳聲器

傳聲器是通信行業(yè)最常用的傳感器。傳聲器又叫話筒、拾音器或MIC，是接收聲波并將其轉變成對應電信號的聲/電轉換器件。傳聲器首先把聲能變換成機械能，再把機

械能變換成電能?？梢杂脗髀暺鞯撵`敏度、頻率響應、指向性、信噪比及失真度等指標來衡量傳聲器性能的優(yōu)劣。

因應用場合不同，技術要求也不同，傳聲器的種類繁多。人們最常用的傳聲器有兩種，即MIC和話筒。圖2-2（a）為屬于駐極體式傳聲器的MIC；圖2-2（b）為屬于動圈式傳聲器的話筒。

圖2-2常用的傳聲器

2）光/電轉換

目前常用的光電轉換器多為半導體類型的器件。其原理是利用這類特殊半導體器件的光電效應來實現光/電轉換。如當光照射在半導體器件上時，使其電阻率ρ發(fā)生變化的光

敏電阻就是典型的一種。此外光電二極管和光電三極管的應用也極其普遍。圖2-3所示為常見的光電/轉換半導體器件。

圖2-3常見光/電轉換半導體器件

圖2-4所示為常見的CCD圖像傳感器。圖2-4常用CCD圖像傳感器

3）壓/電轉換

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應。某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，同時其內部產生極化現象，此時在這種材料的兩個表面產生符

號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現象稱為“壓電效應”。

圖2-5所示為壓電轉換器用于測距。

圖2-5壓電轉換器在測距方面的應用

2.1.2信號的數字化過程

1.脈沖編碼調制（PCM）的基本原理

數字信號是離散信號，其離散包括時間和幅度取值的離散。

對連續(xù)信號采用一定時間間隔的抽樣脈沖進行抽樣來實現在時間上的離散，如圖2-6（a）所示。

將幅度連續(xù)取值量化為離散量，通?？刹捎昧炕霓k法來完成。所謂量化，就是“分級”和“分層”的意思，相當于用“四舍五入”的方法，使每一個連續(xù)量歸為某一臨近的“整數”。圖2-6（b）就是一個量化的示意圖。

通常二進制碼是最常用的數字信號，因此可以通過編碼方式將量化后的信號變成二進制碼，如圖2-6（c）所示。

圖2-6脈沖編碼調制過程示意圖

經抽樣、量化與編碼形成PCM信號之后，它就可被送入通信信道。在接收端可以依據發(fā)送端的變換過程進行相反變換：首先通過譯碼器把代碼還原成量化的抽樣值，然后對

其進行低通濾波即可恢復出連續(xù)信號，從而完成數/模變換。

綜上所述，采用PCM方式進行通信的過程可由圖2-7示意。它就是PCM通信系統(tǒng)的一個簡單模型。

圖2-7PCM通信系統(tǒng)模型

2.抽樣——時間上的離散

圖2-8為抽樣模型圖，圖中的開關受抽樣脈沖控制。當高電位時開關閉合，信號輸出，低電位時開關斷開，無信號輸出?？梢姵闃悠骶哂邢喑说墓δ?，因此在有些書中抽樣器就用乘法器表示。

圖2-8抽樣實現模型

設輸入信號x(t)的頻譜為x(ω)。抽樣信號是周期為Ts的沖擊脈沖信號s(t)。任何一周期函數均可以用傅里葉級數展開，即

可見s(t)可以看成是直流a0、基波cosωst及一系列諧波cosnωst的疊加。由于抽樣器就是乘法器，且具有不隨時間變化的線性特性，這種特性滿足疊加原理，因此抽樣器的輸出xn(t)可以表示為

由式（2-2）可以得出，抽樣后輸出信號是輸入信號與每個余弦波分別相乘后的疊加。輸入信號與余弦波相乘就是將輸入信號的頻譜搬移到余弦波頻率的位置，如圖2-9所示

圖2-9頻譜搬移

根據上述關系可以得出抽樣后輸出信號的頻譜如圖2-10所示。當抽樣符合抽樣定理，即fs≥2fm時，抽樣后輸出信號的頻譜沒有重疊現象，如圖2-10（a）所示。該信號

可以通過一個截止頻率為fm的低通濾波器，得到的信號頻譜與輸入頻譜完全一樣，也即完全還原出了原始信號。然而當抽樣不符合抽樣定理，即fs＜2fm時，抽樣后輸出信號的頻譜將出現重疊現象，如圖2-10（b）所示。這種信號通過低通濾波器后恢復出的信號將存在失真。

圖2-10抽樣后的頻譜

3.量化——幅度取值上的離散

量化是模擬信號數字化過程的第二步，就是把抽樣信號的幅度離散化。量化過程會對信號帶來損傷從而產生噪聲（量化噪聲）。

對抽樣后的信號進行量化的方式有兩種：均勻量化和非均勻量化。

1）均勻量化

把輸入信號的取值域按等間隔分割的量化，稱為均勻量化。通常采用量化特性曲線來表示量化器的性能，如圖2-11所示。

圖2-11均勻量化特性

2）非均勻量化

非均勻量化的基本思想就是使量化級的大小隨信號而變，即信號小時量化級就小，信號大時量化級就隨之增大。從而使小信號的信噪比提高，而大信號的信噪比被適量減小，以獲得通信所需的動態(tài)范圍。非均勻量化過程是利用了壓縮擴張的原理。因此非均勻量化過程可以用如圖2-12所示的壓縮擴張的方法來實現。

圖2-12非均勻量化原理圖

由上述過程我們看到，非均勻量化的主要部分是壓縮和擴張。設壓縮器的特性如圖2-13所示。圖2-13壓縮擴張?zhí)匦?/p>

由于壓縮法提高了弱信號的量化信噪比，而可能較少地降低強信號的量化信噪比，因而，這也相當于把信號的動態(tài)范圍展寬了。例如，在同樣劃分256個量化級的情況下，均

勻量化與非均勻量化的信噪比特性曲線如圖2-14所示。圖2-14均勻與非均勻量化性能比較

如果我們將從壓縮器的輸入到擴張器的輸出視作為一個網絡并令該網絡的輸入為x(t)、輸出為y(t)，則可以得到圖2-15所示的非均勻量化特性。圖2-15非均勻量化特性

2.1.3數字化過程對信號的影響

1.實際抽樣的影響

抽樣定理中要求用于抽樣的脈沖序列是理想沖激脈沖序列，稱為理想抽樣。

1）自然抽樣

采用自然抽樣的模型與理想抽樣的模型一樣，即如圖2-8（a）所示，所不同的只是控制抽樣器的脈沖具有一定的寬度τ。此時的結果可以用圖2-16來說明。（關于自然抽樣的理論證明可參考“通信原理”課程的內容。）

圖2-16自然抽樣

2）平頂抽樣

由于量化、編碼器要求抽樣值的幅度大小在量化、編碼期間盡可能維持不變，而采用自然抽樣后的樣值大小在脈沖期間（τ）內是變化的，顯然不適合于量化、編碼。平頂抽樣就是用于解決這個問題的，即使每個抽樣后脈沖的頂部不隨信號變化（維持一個固定值）。在實際應用中，平頂抽樣的實現方式是先采用較窄的抽樣脈沖進行抽樣，然后由保持電路對窄的抽樣脈沖進行保持來實現的。

為了便于分析，我們將平頂抽樣看成是理想抽樣后再經過一個保持電路來形成的，其模型如圖2-17所示。平頂抽樣的結果可以用圖2-18來說明，關于平頂抽樣的理論證明亦可

參考“通信原理”課程的內容。

圖2-17平頂抽樣模型

圖2-18平頂抽樣

2.量化的影響

量化的影響主要是量化所帶來的誤差——量化誤差。量化誤差是落在一個量化級內抽樣值與被量化值之差。根據量化值的取值方式不同，一般最大量化誤差有兩種情況，即Δ

或±1/2Δ（Δ為量化級）。前者是將抽樣值量化成該量化級起點值時的最大量化誤差結果；后者是將抽樣值量化成該量化級中間值時的最大量化誤差結果，這種情況時的平均量化誤差為最小。Δ就是所謂的分辨率，如滿幅為5V，則編8位碼時的Δ=5/256。顯然編碼位數越高，量化誤差就越小，但碼的速率將變高。

2.2信號的基帶傳輸

2.2.1基帶傳輸的基本概念對于信號的基帶傳輸，根據兩根用于信號傳輸的導線對地阻抗的不同可有兩種傳輸方式，即不平衡傳輸方式和平衡傳輸方式。所謂不平衡傳輸，指的是兩根導線中有一根對地阻抗為0，也就是和地相連，如圖2-19（a）所示。所謂平衡傳輸，指的是兩根導線對地阻抗是一樣的，如圖2-19（b）所示。

圖2-19基帶傳輸的基本方式

2.2.2基帶傳輸對碼型的要求

數字基帶信號是以電脈沖形式來表示的，這種表示可以有許許多多種形式，這種形式就稱為碼型。由于碼型的不同，也即電脈沖形式的不同，因此具有不同的頻譜結構。

1.基帶傳輸的碼型要求

在有線信道中傳輸的基帶信號碼型又稱為線路傳輸碼型。對于本地的距離較近的設備與設備之間的相互連接又叫做接口碼型。作為線路傳輸碼型在設計選擇時應考慮以下原則：

①對于傳輸頻帶低端受限的信道，一般來講線路傳輸碼型的頻譜中應不含直流分量，且低頻分量要少。

②碼型變換（或叫碼型編譯碼）過程應對任何信源具有透明性，即與信源的統(tǒng)計特性無關。所謂信源的統(tǒng)計特性，是指信源產生各種數字信息的概率分布，簡單的講就是0碼

和1碼的概率。

③碼型應具有便于從中提取的位定時（時鐘）信息。在數字傳輸系統(tǒng)中，位定時信息是接收端再生原始信息所必需的。

④具有便于實時監(jiān)測傳輸系統(tǒng)信號傳輸質量的能力，即應能檢測出基帶信號碼流中錯誤的信號狀態(tài)。

⑤對于某些基帶傳輸碼型，信道中產生的單個誤碼會擾亂一段譯碼過程，從而導致譯碼輸出信息中出現多個錯誤，這種現象稱為誤碼擴散（或誤碼增殖）。

⑥當采用分組形式的傳遞碼型時（所謂分組碼，就是把輸入的碼流以m比特為一組，編成n比特為一組的輸出碼，其中n>m。），在接收端不但要從基帶信號中提取位定時信息，而且要恢復出分組同步信息，以便將收到的信號正確地劃分成固定長度的碼組。

⑦盡量減少基帶信號頻譜中的高頻分量。

⑧碼型變換的實現電路應盡量簡單。

2.基帶信號常用的碼型

根據各種數字基帶信號中每個碼元的幅度取值不同，可以把它們歸納分類為二元碼、三元碼和多元碼等。

1）單極性非歸零碼（見圖2-20（a））

單極性非歸零碼是最常見的一種二元碼，通常數字電路處理的就是這種信號，用高電平和低電平（常為零電平）分別來表示二進制信息的1和0，在整個碼元期間內電平保持不

變，常記作NRZ。

單極性非歸零碼的功率頻譜如圖2-21所示。

圖2-20幾種常用二元碼

圖2-21常用二元碼的功率頻譜

3）單極性歸零碼（見圖2-20（c））

所謂歸零，是指代表碼元的電平持續(xù)時間只占整個碼元周期的一部分，通常為1/2。單極性歸零碼，其0碼與單極性非歸零碼一樣，為零電平，而1碼時高電平只是整個碼元期間的一部分，而在碼元的其余時間內則返回到零電平，常記作RZ。由于歸零，其功率譜與不歸零有所不同。由圖2-21可見，歸零碼同樣含有豐富的直流和低頻分量，但信號中

的跳變多了一倍，因而該碼型頻譜中含有時鐘分量，因此有利于定時信號的提取。

4）差分碼（見圖2-20（d））

差分碼又稱相對碼。上面的幾種碼型有一個共同特點就是信息0和1使用幅度不同的電位來表示的，這種表示方式就稱為絕對碼。而所謂的相對碼，就是信息的1和0碼分別用電平的跳變和不變來表示。顯然，相對碼的電平幅度與碼1和0之間不存在絕對的對應關系，相對碼是利用電平幅度的相對變化來傳輸信息的。

如采用同步解調方式的頻帶傳輸系統(tǒng)。相對碼與絕對碼之間的邏輯關系為

式中，an為絕對碼，bn為相對碼，an-1、bn-1代表相應的前一位碼。

5）傳號交替反轉碼（AMI）

在數據傳輸中，將碼元1稱為傳號，0稱為空號。傳號交替反轉碼的變換規(guī)則是將二進制信息0碼用0電平表示，二進制信息1碼交替地用+1電平和–1電平的脈沖表示，±1為歸零脈沖，且脈沖寬度為碼元周期之半。因此AMI碼為具有三種幅度的三元碼。AMI碼的波形如圖2-22（a）所示，功率頻譜如圖2-23所示。

圖2-22常用三元碼

圖2-23AMI碼和HDB3碼的功率頻譜

雖然AMI碼具有許多滿足作為傳輸碼的特性，但AMI碼還存在著一個主要的缺點，這就是它的性能與信源統(tǒng)計特性有密切關系。它的功率譜形狀隨信息中傳號率（即出現“1”

的概率）而變化，如圖2-24所示。特別是當信息中出現長串連“0”碼時，信號將維持長時間的零電平，因而定時提取遇到困難。通常在PCM傳輸中，連“0”碼一般不得超過15個，否則位定時就要丟失。

圖2-24不同傳號率時的AMI碼功率頻譜

6）HDB3碼

HDB3碼是三階高密度雙極性碼的縮寫，它是在AMI碼的基礎上用特定碼組來取代AMI碼中的4個連0，使HDB3碼中的連0數被限制為小于或等于3。這種特定碼組稱為取

代節(jié)。為了在接收端識別出取代節(jié)，人為地在取代節(jié)中設置“破壞點”，在這些“破壞點”處，傳號極性交替規(guī)律受到破壞。

圖2-23中給出了HDB3碼的功率譜特性，其特性與AMI碼的基本一樣。

2.2.3基帶傳輸系統(tǒng)模型及面對的問題

在基帶傳輸系統(tǒng)中，數字信號被變換成相應的發(fā)送基帶波形后，被送入信道中進行傳輸。信號在通過信道傳輸時，一方面要受到信道特性的影響，使信號產生畸變；另一方面

信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨機畸變。因此，到達接收端的基帶波形信號已發(fā)生了畸變。為此，在接收端通常都安排一個接收濾波器，使噪聲盡量地得到抑制，而使信號順利地通過。然而，在接收濾波器的輸出信號里，總還是存在畸變和混有噪聲的。

因此，為了提高接收系統(tǒng)的可靠性，通常要在接收濾波器的輸出端安排一個識別電路。常用的識別電路由整形器和抽樣判決器組成。整形器把接收信號整理成適合于抽樣判決的波形，即使信號波形在抽樣點處最大，如圖2-25（c）所示。抽樣判決器對整形后的信號波形進行抽樣，然后將抽樣值與判決門限進行比較，若抽樣值大于門限值，則判為“有”基帶波形存在，即“1”碼，否則就判為“無”基帶波形存在，即“0”碼。這樣就獲得一系列新的基帶波形——再生的基帶信號，如圖2-25（d）所示。不難看出，無論是整

形還是抽樣判決，它們都有進一步排除噪聲干擾和提取有用信號的作用。只要信號畸形不大及噪聲影響較小，我們就可以獲得與發(fā)送端幾乎一樣的基帶信號。

圖2-25接收基帶信號的識別

基于上述脈沖傳輸過程，我們可以把一個基帶系統(tǒng)用圖2-26的模型來概括。圖2-26基帶傳輸模型

根據信號與系統(tǒng)理論，由｛an｝到｛a'n｝的總傳輸特性H(ω)為

圖2-26的模型可簡化為如圖2-27所示。圖2-27基帶傳輸簡化模型

因此，基帶傳輸系統(tǒng)對傳輸信號的影響主要包括兩部分：一是傳輸系統(tǒng)特性H(ω)不理想所帶來的畸變；二是信號被疊加上噪聲n(t)。無論是信號產生畸變還是被疊加上噪聲，

其結果都將可能引起識別出現差錯，從而導致誤碼。

1.畸變的影響與應對

1）基帶脈沖傳輸與碼間干擾

基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性的不理想將使信號的波形產生畸變，而畸變的結果將會使接收到的序列碼流的波形出現前后碼的波形相互疊加干擾，即碼間干擾。由于碼間干擾的存

在，使得抽樣識別電路抽取的樣值中不僅包含當前碼的幅值，還包含有之前和之后碼的幅值。如果碼間干擾很大及之前和之后碼的幅值很大，就有可能產生識別錯誤，引起誤碼。

關于碼間干擾的形成可以通過圖2-28來簡單說明。圖2-28（a）為基本低通型特性；圖2-28（b）為基本高通型特性。

圖2-28傳輸特性對線性波形的影響

2）無碼間干擾傳輸

H(ω)為一理想低通型特性的基帶傳輸系統(tǒng)。這類特性的系統(tǒng)在現實中是非常普遍的，如圖2-29（a）所示。根據“信號與系統(tǒng)”的理論分析，當數字脈沖通過低通后輸出的波形如圖2-29（b）所示。

圖2-29脈沖通過理想低通后的波形

當然像門函數這樣的理想低通是不可能實現的。由“通信原理”理論證明，只要傳輸系統(tǒng)的特性H(ω)能滿足如圖2-30所示的要求就可以實現無碼間干擾傳輸。

圖2-30無碼間干擾傳輸條件

2.噪聲的影響與應對

1）噪聲對信號傳輸的影響

前面我們提到，在討論噪聲的影響時忽略傳輸系統(tǒng)特性的影響，即認為傳輸系統(tǒng)特性是理想的。在1.2.6節(jié)中指出加性噪聲有多種，如單頻噪聲、脈沖噪聲、起伏噪聲等。

熱噪聲是由電路中的自由電子熱運動所產生的噪聲。由于自由電子熱運動沒有任何規(guī)律，因此熱噪聲屬于隨機噪聲。熱噪聲具有均勻分布的頻譜，其頻譜覆蓋了目前用于通信的所有頻譜；熱噪聲具有正態(tài)分布的統(tǒng)計特性，其平均電壓為零，有效電壓的平方為n0（參見“通信原理”）。噪聲對通信的影響如圖2-31所示。

圖2-31噪聲對傳輸的影響

2）最佳接收機

圖2-31只是一種概念性的描述，從中產生了一些疑問：一是抽樣的時刻是否在最佳的時刻，如果抽樣的時刻取得合適是否誤碼就可以小一些；再就是信號的傳輸時間為Ts，而

只對這其中的一個點進行抽樣判決，這一個點好像不能反映所有Ts內的信號，如果將Ts內的信號都收齊后再進行判決是否誤碼也可以小一些。也就是說，是否可以建立基于某種抽

樣判別的準則下的接收系統(tǒng)，以獲得在這種準則下的最佳接收效果。符合某種準則的接收機稱為最佳接收機。圖2-32所示為最佳接收機模型圖。

圖2-32最佳接收機模型

利用式（2-6）的關系，我們可以構成如圖2-33所示的最佳接收機結構。圖中的比較器在t=Ts時刻進行比較。

圖2-33最佳接收機的結構圖

比較式（2-7）、式（2-8），則式（2-6）可進行化簡：

根據式（2-9）構成的最佳接收機結構如圖2-34所示。由于是根據相關性大小進行判決的，因此這種接收機是基于“最大相關性準則”的最佳接收機。該最佳接收機又被稱為“相關檢測器”。圖中的比較器是在時刻t＝Ts上進行比較的，故可理解為是一個抽樣加判決的電路，因此圖2-34可以用圖2-35來完整表示。

圖2-34相關檢測器

圖2-35實用意義的最佳接收機

2.3信號的頻帶傳輸

2.3.1頻帶傳輸的實現技術1．頻帶傳輸的意義通?；鶐盘枌儆诘屯愋偷男盘枺@類信號只適合于在低通型信道中傳輸。一般的有線電纜構成的信道多為低通型信道，顯然兩者是相匹配的，因此基帶信號用電纜是可以實現傳輸的。

基帶信號要想利用帶通型信道來傳輸，就必須將其頻帶搬移到與信道相適應的頻譜。頻帶搬移是通過調制技術來實現的，搬移（調制）后的信號稱為頻帶信號。在接收端再將頻帶信號搬移回原基帶信號，這個搬移是由解調技術來完成的。因此調制解調技術是實現基帶信號與頻帶信號間轉換的關鍵。從調制后到解調前的這部分傳輸的是頻帶信號，因此將這段傳輸稱為頻帶傳輸。

2.調制解調基本原理

所謂調制，就是用一個信號去控制另一個信號相關參數的過程。調制過程中的被控信號稱為載波，載波通常為正弦波；控制信號稱為調制信號，也就是基帶信號。以正弦波為

載波，其一般形式可表示為：c(t)=Acos(ωct+φ)。這其中共有三個決定正弦波波形的參數，即幅度A、頻率ωc和相位φ。調制信號可以去控制這三個參數中的任何一個。如果用調制

信號去控制載波的幅度A，即載波的幅度A隨調制信號呈正比變化，這種調制稱為幅度調制（AM），簡稱調幅。如果用調制信號去控制載波的頻率ωc或相位φ，稱為頻率調制（FM）或相位調制（PM），簡稱調頻或調相。

1）幅度調制

由式（2-12）可以得出實現幅度調制的一般模型如圖2-36所示。在該模型中，選擇適當的帶通濾波特性可以實現不同類型的幅度調制方式。如雙邊帶調幅、單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。圖2-36幅度調制一般模型

下面來討論幅度調制是如何實現頻譜搬移的。設調制信號為

則幅度調制信號為

為分析方便，令s(t)和c(t)的幅度為1（歸一化）。由式（2-13）可見，當調制信號為單一正弦波時，調制后的已調信號包含兩個頻率項。其中第一項在載波頻率ωc的右側，稱

為上邊帶；第二項在載波頻率ωc的左側，稱為下邊帶。幅度調制信號的頻譜如圖2-37所示。由幅度調制信號的頻譜圖可以看出，基帶信號頻譜被搬移到了以載波頻率為中心的附近。

圖2-37幅度調制信號的頻譜

由圖2-37還可以看出，搬移后的頻譜形狀與基帶信號的頻譜形狀是一樣的。因此幅度調制實現了頻譜的線性搬移，故這種調制又稱為線性調制。

幅度調制的解調原理非常簡單，只要將接收到的幅度調制信號與載波相乘就可以獲得基帶信號。設幅度調制信號為式（2-13），則與載波相乘為

可見式（2-14）中的第一項為基帶信號，其余為遠遠高于基帶頻率的2倍載波的項（二次諧波項）。因此可以通過低通濾波器將二次諧波項進行濾除，最終得到被傳輸的基帶信號。幅度調制的解調器模型如圖2-38所示。

圖2-38幅度調制的解調器模型

2）頻率調制和相位調制

頻率調制和相位調制統(tǒng)稱為角度調制。由于頻率和相位調制后已調信號的頻譜形狀與基帶信號的頻譜形狀不一樣，因此又稱為非線性調制。

由以上說明可見，無論是頻率調制還是相位調制，都將使載波的頻率和相位產生變化。因此這兩種調制在性質上具有相似之處。下面來進一步討論頻率調制。

式中，Δω是由調制信號U決定的頻率偏移，稱作頻偏或頻移。此時頻率調制信號的瞬時相位為頻率調制信號的波形如圖2-39所示。

圖2-39頻率調制波形圖

根據分析，頻率調制信號（取最高頻率fm時）的頻譜寬度為

可見微分的作用是將等幅的頻率調制信號變換成了幅度與頻率變化成正比的調頻調幅復合信號，即復合信號的包絡就是隨cosω1t變化的調幅信號。只要采用包絡檢波的方式就可以恢復出基帶信號。頻率調制的解調原理框圖及波形如圖2-40所示。這種解調方式又稱為鑒頻器。

圖2-40頻率調制的解調原理框圖及波形

2.3.2數字信號頻帶傳輸的實現

在數字化的今天，大多數的基帶信號都為數字信號。對于基帶信號為數字信號的調制通常稱為數字調制。

因為數字信號可以看成是模擬信號的一種特定形式，就調制的目的與原理而言沒有什么不同，因此數字調制也分為調幅、調頻和調相。然而，應該強調指出，數字調制卻還有一些模擬調制所沒有的特點。這主要表現在：數字調制還可以利用數字信號“有”和“無”的特點去對載波進行控制，從而實現調制。這種調制方式稱為“鍵控”法。

根據數字脈沖序列去控制正弦載波參數（振幅、頻率或相位）的不同，就可獲得所謂的振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）或移相鍵控（PSK）。我們以二進制為例，其ASK、FSK及PSK的實現邏輯圖如圖2-41所示。圖中，s（t）表示矩形的基帶脈沖序列，用它去控制“開關電路”中開關S的倒向來實現對載波的控制，以得到調制信號；f

（t）為輸出信號。

圖2-41二進制數字調制的實現邏輯

1.數字振幅調制（ASK）

在實際的應用中，因數字信號的開關特性可采用數字開關電路來實現調制。這種實現方法稱作鍵控法，記為ASK。二進制的ASK調制又常叫做通斷鍵控（OOK）。在這種調制方式中，基帶信號由單極性矩形脈沖組成，它便是決定“通斷”的控制信號。當脈沖為高電平，即基帶信號為1碼時，控制開關電路導通，使載波得以輸出；反之，為低電平，即基帶信號為0碼時，使開關電路截止。以數字電路為主實現OOK調制的原理圖如圖2-42所示。圖中，帶通濾波的作用是濾除高次諧波，使輸出為正弦波。

圖2-42OOK調制實現電路

2.數字頻率調制（FSK）

數字頻率調制是數字通信中使用較早的一種通信方式，目前在大多數低速數據傳輸時仍然采用這種方式。這種方式的實現比較容易，解調時不需要本地載波，也不需要與信號

速度同步，設備簡單，抗噪聲和抗衰落的性能也較強，所以在中、低速數據傳輸，尤其在衰落信道中傳輸數據的場合有著廣泛應用。

頻率鍵控法的原理如圖2-43所示，它將產生二進制FSK信號。圖2-43FSK的實現方法

FSK信號可以表示為

所謂過零點檢測法，就是通過接收信號波形中過零點的多少來區(qū)分兩個不同的頻率。我們知道，正弦波過零點數與它的頻率成正比，頻率越高過零點數就越多。因此只要檢出

信號過零點數，就可以得到其頻率的差異。過零點檢測法的原理框圖如圖2-44所示。

圖2-44過零點檢測法解調

3.數字相位調制（PSK）

數字相位調制是用基帶脈沖信號去控制載波的相位改變。由于基帶信號的幅度是離散的，因此調制后的載波相位也將是離散的。

數字相位調制在數字通信中是一種使用相當普遍的調制方式。之所以被廣泛采用是因為數字調相具有非常獨特的特點。

數字調相又分絕對調相和相對調相。下面以二進制數字調相為例來介紹這兩種調制。

絕對調相是指數字符號與載波的相位成固定的對應關系，就是利用載波的不同相位去直接表示數字信息0和1，記作2PSK。如數字信號的1碼與載波相位0°（或180°）相對應；數字信號的0碼與載波的相位180°（或0°）相對應。絕對調相的波形如圖2-45所示。

圖2-45絕對調相的波形

相對調相又稱為差分調相，記為DPSK。相對調相的相位變化規(guī)則與絕對調相完全不同，其每一個碼對應的載波相位不是固定的，而是以前一個碼的載波相位狀況作為參考，

其相位的具體變化規(guī)則如下：

若s（t）＝1，則該比特載波的相位相對于前一比特的載波相位變化180°（或0°）；

若s（t）＝0，則該比特載波的相位相對于前一比特的載波相位變化0°（或180°），即不發(fā)生變化。

相對調相的波形如圖2-46所示。

圖2-46相對調相的波形

實現絕對調相常用的方法有兩種：相位選擇法和直接調相法。這兩種方法中前者多用于低速數據的傳輸，后者主要用于高速數據的傳輸。兩種實現方法見圖2-47。

圖2-47數字調相的實現

圖2-47（a）的實現原理與FSK類同，不同的是0和π相位的載波。

圖2-47（b）為采用直接調相法產生兩相絕對調相信號的實際電路。此電路又稱為環(huán)形調制器，在模擬調幅中普遍采用。圖中數字信號s（t）為雙極性不歸零碼，即

數字調相信號的解調多采用同步解調，其解調原理如圖2-48所示。其中，圖（a）為絕對調相的解調；圖（b）為相對調相的解調。圖中，解調用的同步載波是由載波恢復電路從接收到的調相信號中提取出來的。由于同步載波對解調起著至關重要的作用，因此有必要先來討論載波提取的方法。圖2-49給出了一種載波提取的實現原理。

圖2-48數字調相的解調

圖2-49載波恢復

2.4信號的復用傳輸

“復用”是一種將若干個彼此獨立的信號合并為一個可以在同一信道上傳輸的復合信號的方法。之所以要采用復用是因為大多數的信道可以提供較大的傳輸容量，而單個信號的容量較小，因此就有必要考慮能否在一個信道上同時傳輸多個信號。

2.4.1頻分復用（FDM）

頻分復用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾（條件之一）。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以并行的方式工作。FDM技術主要用于模擬信號（數字調制信號也屬于模擬信號）。

頻分復用系統(tǒng)的組成框圖如圖2-50所示。圖2-50頻分復用原理框圖

FDM的復用過程可用圖2-51表示，其解復用的過程如圖2-52所示圖2-51FDM的復用過程

圖2-52FDM解復用過程

2.4.2時分復用（TDM）

時分復用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）就是將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片（簡稱時隙），并將這些時隙分配給每一個信號源使用，每一路信號在自己的時隙內獨占信道進行數據傳輸。

時分復用的實現原理如圖2-53所示。收發(fā)兩端各用一個相同速率的勻速旋轉電子開關。旋轉開關依次接通各路信號，相當于對各路信號按一定的時間間隙（時隙）進行傳輸。

旋轉一周完成對各路傳輸一次，所用的時間周期稱為一幀。圖中的起始標志又稱為同步標志，作用是保證收發(fā)兩端的起始時間相一致，即做到同步（既同頻又同相）傳輸。時分復用實現過程如圖2-54所示。

圖2-53時分復用原理圖

圖2-54時分復用實現過程

2.4.3碼分復用（CDM）

碼分復用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術結合產生了各種接入技術，包括無線和有線接入。最常見的應用是在手機通信（移動通信）中，即CDMA（碼分多址）制式的移動通信。

假定X站要接收S站發(fā)送的數據，X站就必須知道S站所特有的碼片序列。X站用它得到的碼片向量S與接收到的未知信號進行求內積的運算。X站接收到的信號是各個

站發(fā)送的碼片序列之和。求內積的結果是，所有其他站的信號都被過濾掉（其內積的相關項都是0），而只剩下S站發(fā)送的信號。當S站發(fā)送比特1時，在X站計算內積的結果

是+1，當S站發(fā)送比特0時，在X站計算內積的結果是-1。圖2-55所示為碼分復用的工作原理。

圖2-55碼分復用工作原理

2.4.4波分復用（WDM）

一般認為，信道間距大于1nm且信道總數低于8以下，稱之為WDM系統(tǒng)。若波道間距小于1nm且信道總數大于8，則稱之為密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)。圖2-56為波分復

用系統(tǒng)示意圖。

圖2-56波分復用系統(tǒng)示意圖

2.5常用通信系統(tǒng)

2.5.1無線通信系統(tǒng)1.無線電信號的產生與特性無線電屬于電磁波，即無線電在空間是以電磁波的方式進行傳輸的。

1）電磁波是由電磁振蕩產生的

大家知道，大小和方向都作周期性變化的電流叫做振蕩電流，能夠產生振蕩電流的電路稱為振蕩電路。例如由電感線圈和電容器組成的電路，就是一種簡單的振蕩電路，又稱

為LC振蕩電路或LC諧振電路。

在振蕩電路產生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電流，也作周期性變化。與此同時，跟電流相聯(lián)系的磁場和跟電荷相聯(lián)系的電場也都周期性地變化。這種電、磁場的變化

現象稱為電磁振蕩。如果在電磁振蕩過程中，沒有任何能量的損失，振蕩應該永遠持續(xù)下去，電路中振蕩電流的振幅應該永遠保持不變。這種振蕩叫做無阻尼振蕩或等幅振蕩。

電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間叫做周期，記作T。一秒鐘內完成周期性變化的次數稱為頻率，記作f（振蕩電路里發(fā)生無阻尼振蕩的頻率，稱為振蕩電路的自然頻率）。

麥克斯韋的電磁理論指出：任何變化的電場都要在周圍空間產生磁場，振蕩電場會在周圍空間產生同樣頻率的振蕩磁場；任何變化的磁場都要在周圍空間產生電場，振蕩磁場

也會在周圍空間產生同樣頻率的振蕩電場?？梢?，變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系著的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是交變電磁場。

顯而易見，如果空間某處產生了振蕩電場，在周圍空間就要產生振蕩磁場，這個振蕩磁場又要在較遠的空間產生新的振蕩電場，接著又要在更遠的空間產生新的振蕩磁場……

這樣，交替產生振蕩的電場和磁場，即電磁場波及的空間越來越大。這就是說，電磁場并不局限于空間某個區(qū)域，而是要由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播開去，如圖2-57所示。圖中

分別用虛線和實線表示電場E和磁場H；圖中v的方向是電磁波傳播的方向。這種向空間傳播的交變電磁場，就形成了電磁波。

圖2-57電磁波傳播示意圖

綜上所述，麥克斯韋電磁理論證明只要空間某個區(qū)域有振蕩的電場或磁場，就會產生電磁波。振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時，電容器里的電場和線圈周圍的磁場都在振蕩著，因

此振蕩電路就有可能產生電磁波。

2）電磁波的特性

麥克斯韋的電磁理論不但預見到電磁波的存在，而且還指出，在電磁波中，每一點的電場強度E與磁感應強度H的方向總是互相垂直的，并且還都與那里的電磁波的轉播方向

垂直。這就是說，電磁波傳播的方向跟電場和磁場構成的平面垂直，如圖2-57所示。

麥克斯韋還從理論研究中發(fā)現，在真空中電磁波的傳播速度與實驗測得的光速相等。這個論斷后來得到實驗的證實。因此，任何形式的電磁波在真空（或在空氣）中的傳播速度c都是

電磁波在一個振蕩周期T內傳播的距離叫做波長。記作λ。它等于電磁波轉播速度c乘以電磁振蕩完成一次循環(huán)所需要的時間T（即周期），用公式表示為

3）電磁波的發(fā)射

由普通的電容器和線圈組成的振蕩電路如圖2-58（a）所示，雖然能產生電磁振蕩，但事實上它向外輻射能量的本領是很差的。這是因為這種振蕩電路的電場能量幾乎完全在電容器兩極板之間，磁場能量也大多集中在線圈內。在振蕩過程中，電場能量和磁場能量主要是在電路內互相轉換，輻射出去的能量極少。

為了使振蕩電路有效地向空間輻射能量，即能很好地發(fā)射電磁波，必須盡可能使電場和磁場分散開。如果把電路改成圖2-58（b）那樣，輻射能量的本領會好些，如果再改成圖2-58（c）那樣，輻射能量的能力就更強了。在實際應用時，把線圈下端用導線接地，這條導線叫做地線，把線圈上端接到比較長的導線上，這條導線叫做天線。天線和地線（以及大地）形成了一個敞開的電容器，從而使電場分布在天線周圍的整個空間。

圖2-58發(fā)射電磁波振蕩回路的演變

2.無線電波段的劃分與應用場合

電磁波的范圍很廣，包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、宇宙射線等，如圖2-59所示。

圖2-59電磁波輻射波譜

無線電波各波段的名稱、波長與頻率范圍，相應的頻段名稱以及主要用途等見表2-1。在實際應用中，把表2-1中米波和分米波合稱為超短波，把分米波到毫米波統(tǒng)稱為微波。

3.無線通信系統(tǒng)

1）無線通信系統(tǒng)組成

無線通信，即無線電通信（radiocommunication），是利用無線電波傳輸信息的一種通信技術和通信方式。圖2-60所示的是一種最基本的無線通信系統(tǒng)。它只用來實現從一點到另一點單方向傳輸信息，所以簡稱為點對點單工無線通信系統(tǒng)。

圖2-60點對點單工無線通信系統(tǒng)

如果想要構成一個點對點雙工無線通信系統(tǒng)，只需將兩個點對點單工無線通信系統(tǒng)適當組合即可獲得，如圖2-61所示。

圖2-61點對點雙工無線通信系統(tǒng)

2）無線通信設備的基本組成

無線通信的類型很多?？梢愿鶕鬏敺椒?、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng)，其設備組成和復雜度雖然有較大差異，但它們的基本組成不變。圖2-62是無線通信

設備基本組成的方框圖。

圖2-62無線通信設備基本組成方框圖

4.無線通信系統(tǒng)的主要技術性能

無線通信系統(tǒng)的性能指標主要包含以下幾方面。

1）工作頻段及頻譜安排

工作頻段：根據頻譜規(guī)劃，劃分給該項業(yè)務的工作頻率范圍。

波道配置：根據頻譜規(guī)劃，在工作頻段內劃分出若干個波道，供用戶選用。

收發(fā)配置：根據頻譜規(guī)劃，在工作頻段內劃分出發(fā)送和接收子頻段。

2）傳輸距離及傳輸方式

不同的無線通信系統(tǒng)，其傳輸距離將有所不同。地面視距傳播的傳輸距離取決于天線高度、工作頻段和地形，一般在50km以內；地面繞射傳播的傳輸距離一般在20km以內；

對流層傳播的傳輸距離一般為幾百千米；電離層傳播的傳輸距離可達幾千千米；衛(wèi)星通信則以洲際傳播方式進行傳輸。

無線通信系統(tǒng)的傳輸方式可以是單工點對點方式（多為廣播類通信）、雙工點對點方式、中繼（或稱接力）方式、地面點對多點方式、衛(wèi)星點對多點方式、平流層氣球方式等。

3）傳輸容量和信道速率

傳輸容量指對用戶有效的傳輸信息容量。傳輸容量的表示方法有：

①用總的電話路數來表示，如AM16路、PCM30路等；

②用PDH的群路數來表示，如1×EI、4×E1等；

③用有效傳輸的比特率來表示，如2Mb/s、8Mb/s等。

4）傳輸質量和誤碼門限

數字信號的傳輸質量包括誤碼性能和同步性能兩部分。誤碼性能又包括長時間統(tǒng)計的零星誤碼、短時間統(tǒng)計的誤碼及其超過某個值（如10-3、10-6）的時間百分數等。同步性能包括時鐘抖動、時鐘丟失等指標。

誤碼門限指為達到一定誤碼率所需要的最小接收電平，是無線傳輸系統(tǒng)的重要性能指標之一。

5）調制解調方式

調制方式的選擇與信道的干擾和帶寬有關。不同的調制方式，其抗干擾的能力不同，例如，調頻具有較好的抗信道選擇性衰落能力。要想在有限的信道帶寬內傳輸更多的信息

就需采用頻譜利用率高的多進制調制，如64QAM（六十四進制正交調幅）等。

解調方式有相干解調和非相干解調兩類。對于相干解調，同步問題極其重要。

6）信道編碼方式

信道編碼的目的是消除由于信道不理想所帶來的誤碼以及在理想信道上取得一定的功率增益。信道編碼考慮原則為：系統(tǒng)對信道編碼的要求和系統(tǒng)能提供多少冗余度。常用的

信道編碼有分組碼、卷積碼、Turbo碼等。

7）發(fā)送頻譜和發(fā)送功率

發(fā)送頻譜框架用于對發(fā)射信號的功率頻譜進行限制，以避免對其他通信產生干擾。

為了保證有一個較好的電磁環(huán)境，無線通信系統(tǒng)的發(fā)送功率有較嚴格的規(guī)定。通常無繩電話的發(fā)送功率在毫瓦級；移動電話的發(fā)送功率在瓦級；微波通信的發(fā)送功率在十瓦級；衛(wèi)星通信的發(fā)送功率在百瓦級。

8）供電方式及耗電量

通信設備的供電方式分交流供電和直流供電。供電的電源方式有AC220V市電、柴油發(fā)電機、太陽能、蓄電池、干電池等。

耗電量也是無線通信系統(tǒng)的重要指標之一。降低耗電量的方法有：減少整個系統(tǒng)的傳輸損耗，以減少發(fā)射功率；采用效率高的功率器件；提高電源變換器的效率等。

9）環(huán)境條件

環(huán)境條件包括溫度條件、濕度條件、沖擊及振動條件、電磁干擾條件、腐蝕條件、特種條件等。其中，溫度條件又分為保證指標的溫度范圍、保證工作的溫度范圍和儲存的溫

度范圍。

10）可靠性

可靠性基本關系有：

①失效率λ：在單位時間內從正常轉為失效的概率。

②平均無故障工作時間T：T=1/λ。

③可靠度P：即無故障工作的概率P=exp（－λt）。

可用率p：p=t工作（/t工作+t中斷）。

無線通信的可靠性包括：設備可靠性和傳播可靠性。

2.5.2光纖通信系統(tǒng)

1.光纖通信的基本組成

1）光纖通信使用波段

光波與無線電波相似，也是一種電磁波，只是它的頻率比無線電波的頻率高得多。紅外線、可見光和紫外線均屬于光波的范疇。圖2-63所示為電磁波波譜圖。

圖2-63電磁波波譜圖

光在真空中的傳播速度約為3×108m/s，根據波長λ、頻率f和光速c之間的關系式

2）光纖通信的特點

光纖通信與電纜或微波等電通信方式相比的優(yōu)點如下：

①傳輸頻帶極寬，通信容量很大。

②光纖衰減小，無中繼傳輸距離遠。

③泄漏小，保密性好。

④光纖抗電磁干擾強。

⑤光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設。

⑥耐化學腐蝕。

⑦光纖是石英玻