《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(chǔ)

1.3通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

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(jìn)行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。然而，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們對(duì)傳遞消息的要求也越來(lái)越高。在各種各樣的通信方式中，利用“電”來(lái)傳遞消息的通信方法稱(chēng)為電信(Telecommunication)，這種通信具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點(diǎn)，且?guī)缀醪皇軙r(shí)間、地點(diǎn)、空間、距離的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。可以說(shuō)，利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(hào)（含光信號(hào)）實(shí)現(xiàn)從一地向另一地對(duì)消息、情報(bào)、指令、文字、圖像、聲音或任何性質(zhì)的消息進(jìn)行有效的傳遞稱(chēng)為通信。

從本質(zhì)上講，通信就是實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，它要將大量有用的信息快速、準(zhǔn)確、廣泛、無(wú)失真、高效率、安全地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過(guò)程中將無(wú)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(chǔ)、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)重要組成部分。

1.1.2通信的分類(lèi)

1.按傳輸媒質(zhì)分

按傳輸消息的媒質(zhì)的不同，可將通信分為兩大類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為有線(xiàn)通信，另一類(lèi)稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)通信。所謂有線(xiàn)通信，是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)為導(dǎo)線(xiàn)、電纜、光纜、波導(dǎo)、納米材料等形式的通信，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見(jiàn)，摸得著。導(dǎo)線(xiàn)可以是架空明線(xiàn)、電纜、光纜及波導(dǎo)等。所謂無(wú)線(xiàn)通信，是指?jìng)鬏斚⒌拿劫|(zhì)為看不見(jiàn)、摸不著的媒質(zhì)(如電磁波)的一種通信形式。

通常，有線(xiàn)通信亦可進(jìn)一步再分類(lèi)，如明線(xiàn)通信、電纜通信、光纜通信等；無(wú)線(xiàn)通信常見(jiàn)的形式有微波通信、短波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、散射通信等，其形式較多。

2.按信道中傳輸?shù)男盘?hào)分

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

和模擬通信系統(tǒng)。

凡信號(hào)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(wú)限多個(gè)數(shù)值，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的，稱(chēng)為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)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(即可以取無(wú)限多個(gè)值)，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)，例如第2章介紹的脈沖振幅調(diào)制（PAM）信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制后已調(diào)信號(hào)脈沖的振幅是可以連續(xù)變化的，但在時(shí)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(duì)象的那一參量，絕不是僅指時(shí)間參量。當(dāng)然，對(duì)于參量連續(xù)變化、時(shí)間上也連續(xù)變化的信號(hào)，毫無(wú)疑問(wèn)也是模擬信號(hào)，如強(qiáng)弱連續(xù)變化的語(yǔ)言信號(hào)，亮度連續(xù)變化的電視圖像信號(hào)等都是模擬信號(hào)。

凡信號(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)的，稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某參量是離散(不連續(xù))變化的，而不一定在時(shí)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(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。為了比較全面地對(duì)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(zhǎng)可互換，公式為

式中：λ為工作波長(zhǎng)；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。

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(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后再送到信道中傳輸，接收端有相應(yīng)解調(diào)措施的通信系統(tǒng)。表1－2列出了一些常用的調(diào)制方式。

表1－2常用的調(diào)制方式

1.1.3通信的方式

1.按消息傳送的方向與時(shí)間分

通常，如果通信僅在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間進(jìn)行，或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間進(jìn)行，那么按消息傳送的方向與時(shí)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(shí)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(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無(wú)線(xiàn)尋呼等，這里，信號(hào)(消息)只從廣播發(fā)射臺(tái)、遙控器和無(wú)線(xiàn)尋呼中心分

別傳到收音機(jī)、遙控對(duì)象和BP機(jī)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(shí)進(jìn)行收和發(fā)的形式。例如使用同一頻段的對(duì)講機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)等都是這種通信方式。

全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸消息的工作方式。這種方式雙方可同時(shí)進(jìn)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(huà)、手機(jī)等。

2.按數(shù)字信號(hào)排序分

在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)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(shù)字信號(hào)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1－2(a)所示；如果將代表信息的數(shù)字信號(hào)序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)序列同時(shí)在信道上傳輸，則稱(chēng)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(hào)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(shù)字通信方式大都采用串序傳輸，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是只需占用一條通路，缺點(diǎn)是占用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；并序傳輸方式在通信中也時(shí)有用到，它需要占用多條通路，優(yōu)點(diǎn)是傳輸時(shí)間較短。

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(diǎn)到點(diǎn)通信方式、點(diǎn)到多點(diǎn)通信（分支）方式和多點(diǎn)到多點(diǎn)通信（交換）方式，它們的示意圖如圖1－3所示。

圖1－3按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式(a)點(diǎn)到點(diǎn)通信；(b)點(diǎn)到多點(diǎn)通信；(c)多點(diǎn)到多點(diǎn)通信

點(diǎn)到點(diǎn)通信方式是通信網(wǎng)絡(luò)中最為簡(jiǎn)單的一種形式，終端A與終端B之間的線(xiàn)路是專(zhuān)用的；在點(diǎn)到多點(diǎn)通信（分支）方式中，它的每一個(gè)終端(A,B,C,…)經(jīng)過(guò)同一信道與轉(zhuǎn)接站相互連接，此時(shí)終端之間不能直通信息，而必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接，此種方式只在數(shù)字通信中出現(xiàn)；多點(diǎn)到多點(diǎn)通信（交換）是終端之間通過(guò)交換設(shè)備靈活地進(jìn)行線(xiàn)路交換的一種方式，即把要求通信的兩終端之間的線(xiàn)路接通(自動(dòng)接通)，或者通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)消息交換，即通過(guò)交換設(shè)備先把發(fā)方來(lái)的消息儲(chǔ)存起來(lái)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至收方，這種消息轉(zhuǎn)發(fā)可以是實(shí)時(shí)的，也可是延時(shí)的。

分支方式及交換方式均屬網(wǎng)通信的范疇。無(wú)疑，它和點(diǎn)與點(diǎn)直通方式相比，還有其特殊的一面。例如，通信網(wǎng)中有一套具體的線(xiàn)路交換與消息交換的規(guī)定、協(xié)議等，通信網(wǎng)中既有信息控制問(wèn)題，也有網(wǎng)同步問(wèn)題等。盡管如此，網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信。

1.1.4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(diǎn)對(duì)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：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(jiǎn)稱(chēng)信源，是信息的發(fā)出處。受信者簡(jiǎn)稱(chēng)信宿，是信息的歸宿處。根據(jù)信源輸出信號(hào)性質(zhì)的不同可分為模擬信源和離散信源，如模擬電話(huà)機(jī)為模擬信源，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及

計(jì)算機(jī)為離散信源。兩種信號(hào)形式可以互相轉(zhuǎn)化。

2.發(fā)送設(shè)備

發(fā)送設(shè)備的作用就是將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換為傳輸信道所需要的信號(hào)，使信源和信道匹配起來(lái)，并送往信道。這種變換根據(jù)對(duì)傳輸信號(hào)的要求不同有相應(yīng)不同的變換方式，通常要求實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射、頻譜搬移、信源編碼、信道編碼、多路復(fù)用、保密處理等，其相應(yīng)的變換方式為功率放大、調(diào)制、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、糾錯(cuò)編碼、FDM或TDM、加密技術(shù)等。

3.信道

信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的通道，是從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過(guò)的媒介，可以是無(wú)線(xiàn)的，也可以是有線(xiàn)的。信道既給信號(hào)以通路，也對(duì)信號(hào)產(chǎn)生各種干擾和噪聲，直接影響著通信的質(zhì)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(gè)噪聲源，而是為了在分析和討論問(wèn)題時(shí)便于理解而人為設(shè)置的。

4.接收設(shè)備

接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行接收放大、解調(diào)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、糾錯(cuò)譯碼、FDM或TDM的分路、解密等，其任務(wù)是從帶有干擾的信號(hào)中正確地恢復(fù)出原始信號(hào)。

圖1－4僅是一個(gè)單向通信系統(tǒng)模型，實(shí)際通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)雙向通信，通信的雙方需要隨時(shí)交流信息，信源兼為信宿，雙方都要有發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。如果兩個(gè)方向用各自的傳輸媒介，則雙方都獨(dú)立地進(jìn)行發(fā)送和接收；如果兩個(gè)方向共用一個(gè)傳輸媒介，則必須采用頻率、時(shí)間或代碼分割的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)資源共享。

1.2

信息論基礎(chǔ)

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(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(lái)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(duì)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(shí)正常開(kāi)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(shí)有地震”來(lái)說(shuō)，前一消息包含的信息顯然要比后者少些。因?yàn)閷?duì)乙方(接收者)來(lái)說(shuō)，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(tīng)后會(huì)使人驚奇。這表明消息確實(shí)有量值的意義，而且對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)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(lái)估計(jì)任何消息的信息量，且與消息種類(lèi)無(wú)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(wú)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(lái)描述。事件出現(xiàn)(發(fā)生)的可能性愈小，則概率愈??；反之，概率愈大?；谶@種認(rèn)識(shí)，可以得到：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0時(shí)(不可能發(fā)生事件)信息量為無(wú)窮大，概率為1時(shí)(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(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

I=I［P(x)］

(1－2)

(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

P=1時(shí)I=0

P=0時(shí)

I=∞

(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(mǎn)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(duì)數(shù)的底數(shù)a有關(guān)：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(chēng)為十進(jìn)制單位；a=r，單位稱(chēng)為r進(jìn)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(gè)符號(hào)的信息量乘以各自出現(xiàn)的概率之和。

二進(jìn)制時(shí)：

(1－4)把P(1)=P代入，則

對(duì)于多個(gè)信息符號(hào)的平均信息量的計(jì)算如下：

設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為

,則每個(gè)符號(hào)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(xué)中的熵形式相似，故通常又稱(chēng)它為信息源的熵。平均信息量I的單位為bit/符號(hào)。

當(dāng)離散信息源中每個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)，而且各符號(hào)的出現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)，該信息源的信息量最大。此時(shí)最大熵（平均信息量）為

（n=N時(shí)）

（1－6）

1.3通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.3.1一般通信系統(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?lái)看，通信的有效性和可靠性將是系統(tǒng)最主要的兩個(gè)性能指標(biāo),這也是通信技術(shù)討論的重點(diǎn)。

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(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的消息?？煽啃允侵敢笙到y(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(lái)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(shuō)，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(shí)際中，常常依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求采取相對(duì)統(tǒng)一的辦法，即在滿(mǎn)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。

1.3.2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(hào)需占用一定信道帶寬，如何在信道具有一定帶寬時(shí)充分利用它的傳輸能力，可有幾個(gè)方面的措施。其中有兩個(gè)主要方面，一是多路信號(hào)通過(guò)頻率分割復(fù)用，即頻分復(fù)用(FDM)，以復(fù)用路數(shù)多少來(lái)體現(xiàn)其有效性，如同軸電纜最高可容納10800路4kHz模擬話(huà)音信號(hào)。目前使用的無(wú)線(xiàn)頻段為105～1012Hz范圍的自由空間，更是利用多種頻分復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線(xiàn)通信的。另一方面，提高模擬通信有效性是根據(jù)業(yè)務(wù)性質(zhì)減少信號(hào)帶寬，如話(huà)音信號(hào)的調(diào)幅單邊帶(SSB)為4kHz，就比調(diào)頻信號(hào)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(gè)信道中通過(guò)的信息速率。對(duì)于基帶數(shù)字信號(hào)傳輸，可以采用時(shí)分復(fù)用(TDM)以充分利用信道帶寬；而對(duì)于頻帶數(shù)字信號(hào)傳輸，可以采用多元調(diào)制提高有效性。數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來(lái)衡量，傳輸速率越高，系統(tǒng)的有效性越好。通?？蓮囊韵氯齻€(gè)不同的角度來(lái)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(chēng)為碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、碼率、信號(hào)速率或波形速率，用符號(hào)RB來(lái)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(hào)“B”表示(注意，不能用小寫(xiě))。例如，某系統(tǒng)在2秒內(nèi)共傳送4800個(gè)碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為2400B。

數(shù)字信號(hào)一般有二進(jìn)制與多進(jìn)制之分，但碼元速率RB與信號(hào)的進(jìn)制數(shù)無(wú)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(shí)，有必要說(shuō)明碼元的進(jìn)制，多進(jìn)制(M)碼元速率RBM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)

式中，M=2k，k=2,3,4,…。

2.信息傳輸速率Rb

信息傳輸速率簡(jiǎn)稱(chēng)信息速率，又可稱(chēng)為傳信率、比特率等。信息傳輸速率用符號(hào)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(jiǎn)記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內(nèi)傳送1200個(gè)符號(hào)，且每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為1(bit)，則該信源的Rb=1200b/s或1200bps。因?yàn)樾畔⒘颗c信號(hào)進(jìn)制數(shù)M有關(guān)，因此，Rb也與M有關(guān)。

3.消息傳輸速率

消息傳輸速率亦稱(chēng)消息速率，它被定義為單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳輸?shù)南?shù)，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(dāng)消息的單位是漢字時(shí)，則Rm的單位為字/秒。消息速率在實(shí)際中應(yīng)用不多。

4.與的關(guān)系

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，RBM與RbM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RBM之間的關(guān)系為

(1－10)

5.頻帶利用率η

頻帶利用率指的是傳輸效率問(wèn)題，也就是說(shuō)，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(shuō)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

(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(guān)系。因此，頻帶利用率還可用信息速率Rb的形式來(lái)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(biāo)

對(duì)于模擬通信系統(tǒng)，可靠性通常以整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來(lái)衡量。信噪比是信號(hào)的平均功率與噪聲的平均功率之比。信噪比越高，說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)的影響越小，信號(hào)的質(zhì)量越好。例如，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，發(fā)送信號(hào)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(zhǎng)，其功率不斷累積，并以相加的形式來(lái)干擾信號(hào)。信號(hào)加噪聲的混合波形與原信號(hào)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。諸如，公共電話(huà)(商用)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)電視接收應(yīng)在60dB以上，公務(wù)通信可以降低質(zhì)量要求，也需20dB以上。當(dāng)然，衡量信號(hào)質(zhì)量還可以用均方誤差，它是衡量發(fā)送的模擬信號(hào)與接收端恢復(fù)的模擬信號(hào)之間誤差程度的質(zhì)量指標(biāo)。均方誤差越小，說(shuō)明恢復(fù)的信號(hào)越逼真。

1.碼元差錯(cuò)率Pe

碼元差錯(cuò)率Pe也稱(chēng)為誤碼率，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(shuō)，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Pb

信息差錯(cuò)率Pb也稱(chēng)為誤信率或誤比特率，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(shuō)，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(duì)于二進(jìn)制而言，誤碼率和誤比特率顯然相等。而M進(jìn)制信號(hào)的每個(gè)碼元含有n=lbM比特，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）

1.4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(shuō)，信道是指以傳輸媒介(質(zhì))為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。具體地說(shuō)，信道是指由有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路提供的信號(hào)通路；抽象地說(shuō)，信道是指定的一段頻帶，它讓信號(hào)通過(guò)，同時(shí)又給信號(hào)以限制和損害。信道的作用是傳輸信號(hào)。

信道大體可分成兩類(lèi)：狹義信道和廣義信道。

狹義信道通常按具體媒介類(lèi)型的不同可分為有線(xiàn)信道和無(wú)線(xiàn)信道。所謂有線(xiàn)信道，是指?jìng)鬏斆浇闉槊骶€(xiàn)、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜、光纜及波導(dǎo)等一類(lèi)能夠看得見(jiàn)的媒介。有線(xiàn)信道是現(xiàn)代通信網(wǎng)中最常用的信道之一。無(wú)線(xiàn)信道的傳輸媒質(zhì)比較多，它包括短波電離層、對(duì)流層散射等。雖然無(wú)線(xiàn)信道的傳輸特性沒(méi)有有線(xiàn)信道的傳輸特性穩(wěn)定和可靠，但是無(wú)線(xiàn)信道具有方便、靈活，通信者可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

廣義信道通常也可分成兩種，即調(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(wèn)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?yàn)閺恼{(diào)制和解調(diào)的角度來(lái)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(guò)程如何，它們不過(guò)是把已調(diào)信號(hào)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(wú)需關(guān)心形成這個(gè)最終結(jié)果的詳細(xì)過(guò)程。因此，研究調(diào)制與解調(diào)問(wèn)題時(shí)，定義一個(gè)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(wèn)題，則可得到另一種廣義信道——編碼信道。這是因?yàn)?，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，而譯碼器的輸入同樣也是一數(shù)字序列，它們?cè)谝话闱闆r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(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱(chēng)為編碼信道。調(diào)制信道和編碼信道的示意圖如圖1－5所示。另外，根據(jù)研究對(duì)象和關(guān)心問(wèn)題的不同，也可以定義其他形式的廣義信道。

圖1－5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，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(hào)離開(kāi)調(diào)制器便進(jìn)入調(diào)制信道。對(duì)于調(diào)制和解調(diào)而言，通?？梢圆还苷{(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(guò)程，我們僅關(guān)心已調(diào)信號(hào)通過(guò)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(gè)模型是可能的。

通過(guò)對(duì)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(duì)(或多對(duì))輸入端，則必然有一對(duì)(或多對(duì))輸出端；

(2)絕大部分信道是線(xiàn)性的，即滿(mǎn)足疊加原理；

(3)信號(hào)通過(guò)信道需要一定的遲延時(shí)間；

(4)信道對(duì)信號(hào)有損耗(固定損耗或時(shí)變損耗)；

(5)即使沒(méi)有信號(hào)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(lái)，可用一個(gè)二對(duì)端(或多對(duì)端)的時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)去替代調(diào)制信道，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就稱(chēng)做調(diào)制信道模型，如圖1－6所示。

圖1－6調(diào)制信道模型

(a)二對(duì)端時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)；(b)多對(duì)端時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于二對(duì)端的信道模型來(lái)說(shuō)，它的輸入和輸出之間的關(guān)系式可表示成

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

f［ei(t)］——信道對(duì)信號(hào)影響(變換)的某種函數(shù)關(guān)系。

由于

f［ei(t)］形式是個(gè)高度概括的結(jié)果，為了進(jìn)一步理解信道對(duì)信號(hào)的影響，我們把f［ei(t)］設(shè)想成為形式k(t)·ei(t)。因此，式(1-16)可寫(xiě)成：

eo(t)=k(t)·ei(t)+n(t)(1－17)k(t)稱(chēng)為乘性干擾，它依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)的特性，對(duì)信號(hào)ei(t)影響較大；n(t)則稱(chēng)為加性干擾(或噪聲)。

這樣，信道對(duì)信號(hào)的影響可歸納為兩點(diǎn)：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(duì)信號(hào)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(yīng)是k(t)=常數(shù)，n(t)=0，即：

eo(t)=k·ei(t)(1－18)實(shí)際中，乘性干擾k(t)一般是一個(gè)復(fù)雜函數(shù)，它可能包括各種線(xiàn)性畸變、非線(xiàn)性畸變、交調(diào)畸變、衰落畸變等，而且往往只能用隨機(jī)過(guò)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(shí)間隨機(jī)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(shí)間變化，或者信道對(duì)信號(hào)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(jī)快變化的。因此，在分析研究乘性干擾k(t)時(shí)，在相對(duì)的意義上可把調(diào)制信道分為兩大類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為恒參信道，即k(t)可看成不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢的一類(lèi)信道；另一類(lèi)則稱(chēng)為隨參信道(或稱(chēng)變參信道)，它便是非恒參信道的統(tǒng)稱(chēng)，或者說(shuō)k(t)是隨時(shí)間隨機(jī)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(chēng)為恒參信道，其他媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱(chēng)為隨參信道。一般情況下，人們認(rèn)為有線(xiàn)信道絕大部分為恒參信道，而無(wú)線(xiàn)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(duì)信號(hào)的影響是通過(guò)k(t)和n(t)使調(diào)制信號(hào)發(fā)生“模擬”變化，而編碼信道對(duì)信號(hào)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。

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(gè)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(cuò)。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(cuò)誤的概率將會(huì)越大。

圖1－7二進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型

用編碼的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這種信道是無(wú)記憶的(當(dāng)前碼元的差錯(cuò)與其前后碼元的差錯(cuò)沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系)。在這個(gè)模型里，把P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)、P(1/1)稱(chēng)為信道轉(zhuǎn)移概率，具體地把P(0/0)和P(1/1)稱(chēng)為正確轉(zhuǎn)移概率，而把P(1/0)和P(0/1)稱(chēng)為錯(cuò)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)轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性所決定，一個(gè)特定的編碼信道就會(huì)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(duì)實(shí)際編碼信道作大量的統(tǒng)計(jì)分析才能得到。

編碼信道可細(xì)分為無(wú)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(cuò)的事件不是獨(dú)立的，即碼元發(fā)生錯(cuò)誤與其前后碼元是有聯(lián)系的。

1.4.2傳輸信道

1.有線(xiàn)信道

常用的有線(xiàn)信道傳輸媒介有雙絞線(xiàn)、同軸電纜、架空明線(xiàn)、多芯電纜和光纖。

1）雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)又稱(chēng)為雙扭線(xiàn)，它是由若干對(duì)且每對(duì)由兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線(xiàn)按一定規(guī)則絞合而成的。這種絞合結(jié)構(gòu)可以減少相臨線(xiàn)對(duì)的電磁干擾。根據(jù)是否外加屏蔽層，還可以將雙絞線(xiàn)分為屏蔽雙絞線(xiàn)和非屏蔽雙絞線(xiàn)。雙絞線(xiàn)既可以傳輸模擬信號(hào)，又可以傳輸數(shù)字信號(hào)，其通信距離一般為幾千米到十幾千米。導(dǎo)線(xiàn)越粗，通信距離越遠(yuǎn)，但導(dǎo)線(xiàn)價(jià)格越高。屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸質(zhì)量較好，傳輸速率也高，但施工不便；非屏蔽雙絞線(xiàn)雖然傳輸性能不如屏蔽雙絞線(xiàn)，但施工方便，組網(wǎng)靈活，造價(jià)較低，因而較多采用。

2）同軸電纜同軸電纜以硬銅線(xiàn)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(chǎng)反射回中心導(dǎo)體，同時(shí)也使中心導(dǎo)體免受外界干擾，故同軸電纜比雙絞線(xiàn)具有更高的帶寬和更好的噪聲抑制特性。按特性阻抗數(shù)值的不同可分為兩種，一種為50Ω(指沿電纜導(dǎo)體各點(diǎn)的電磁電壓對(duì)電流之比)同軸電纜，用于數(shù)字信號(hào)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(hào)的傳輸，即寬帶同軸電纜。

基帶同軸電纜只支持一個(gè)信道，傳輸帶寬為1Mb/s。它能夠以10Mb/s的速率把基帶數(shù)字信號(hào)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(hào)的傳輸，傳輸距離可達(dá)100km。寬帶同軸電纜既可以傳輸數(shù)字信號(hào)，又可以傳輸模擬信號(hào)，如話(huà)音、視頻等，是綜合寬帶網(wǎng)的一種理想介質(zhì)。

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(lái)傳導(dǎo)光束的傳輸介質(zhì)。由于可見(jiàn)光的頻率非常高，約為108MHz，且其頻率范圍非常寬，因此，一個(gè)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，是目前最有發(fā)展前途的有線(xiàn)傳輸介質(zhì)。

光纖為圓柱狀，由3個(gè)同心部分，即纖芯、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(xiàn)構(gòu)成。每根纖維線(xiàn)都有自己的包層，由于包層涂層的折射率比芯線(xiàn)低，因此可使光波保持在芯線(xiàn)內(nèi)。最外層的護(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，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(xì)；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(xiàn)同時(shí)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(zhǎng)(2km以上)、傳輸率高(可達(dá)數(shù)千兆比特每秒)、抗干擾性強(qiáng)(不會(huì)受到電子監(jiān)聽(tīng))，是構(gòu)建安全性網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。

2.無(wú)線(xiàn)信道無(wú)線(xiàn)信道主要由無(wú)線(xiàn)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(shí)根據(jù)介質(zhì)的不同以及介質(zhì)分界面對(duì)電波傳播產(chǎn)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(duì)流層電波傳播和電離層散射傳播。

1)地表傳播當(dāng)接收天線(xiàn)距離發(fā)射天線(xiàn)較遠(yuǎn)時(shí)，地面就像拱形大橋?qū)烧吒糸_(kāi)。那些走直線(xiàn)的電波就過(guò)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?，也叫表面波。地面波傳播無(wú)線(xiàn)電波沿著地球表面的傳播方式，稱(chēng)為地表傳播。其特點(diǎn)是信號(hào)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(zhǎng)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(huì)被反射回來(lái)，走這一途徑的電波就稱(chēng)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(xiàn)離地面的高度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，電波直接從發(fā)信天線(xiàn)傳到收信地點(diǎn)(有時(shí)有地面反射波)的方式稱(chēng)為視距傳播。這種傳播方式僅限于視線(xiàn)距離以?xún)?nèi)。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(xiàn)傳播的情況下，如果收發(fā)天線(xiàn)離地高度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，則接收點(diǎn)處的地波可歸結(jié)為直射波與地面反射波相干涉的結(jié)果。因?yàn)檫@種情況下對(duì)流層的折射影響必須考慮，所以將它歸入對(duì)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(dá)接收點(diǎn)的地波為繞過(guò)弧形地面的表面波。中波和長(zhǎng)波多利用地波傳播，但在一定的條件下，也出現(xiàn)它們的電離層反射波。

4）散射傳播散射傳播是利用對(duì)流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過(guò)大氣時(shí)的電離余跡對(duì)電磁波的散射作用來(lái)實(shí)現(xiàn)超視矩傳播的。這種傳播方式主要用于超短波和微波遠(yuǎn)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(xiàn)傳播。以直線(xiàn)傳播的波就叫做空間波或直接波。由于空間波不會(huì)拐彎，因此它的傳播距離就受到限制。發(fā)射天線(xiàn)架得越高，空間波傳得越遠(yuǎn)。所以電視發(fā)射天線(xiàn)和電視接收天線(xiàn)應(yīng)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(shí)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(wú)阻隔可言，這樣，我們就可以利用空間波與發(fā)射到遙遠(yuǎn)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(zhuǎn)播等也主要是利用天波傳輸途徑。

5）對(duì)流層電波傳播無(wú)線(xiàn)電波在對(duì)流層與平流層中的傳播，簡(jiǎn)稱(chēng)為對(duì)流層電波傳播。對(duì)流層的折射指數(shù)，在20GHz以下的頻率以及其他大氣窗口與頻率無(wú)關(guān)，因而對(duì)流層通常是一種非色散介質(zhì)。由于折射指數(shù)的空間變化，電波射線(xiàn)會(huì)因折射而彎曲。在對(duì)流層中，氣體分子與水汽凝聚物（云、霧、雨、雪等）對(duì)電波有吸收與散射作用。波長(zhǎng)長(zhǎng)于3cm的電波，所受的吸收作用十分微弱，計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)時(shí)可不考慮。波長(zhǎng)短于3cm時(shí)，需要考慮水汽和氧的吸收。在毫米波與亞毫米波頻段，對(duì)流層有許多吸收較小的頻帶，通常稱(chēng)為大氣窗口。

6）電離層電波傳播

這是指無(wú)線(xiàn)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(chǎng)的影響，將電波分裂成尋常波和非常波，此現(xiàn)象稱(chēng)為磁離子分裂。對(duì)應(yīng)于它們二者的折射指數(shù)比較復(fù)雜，特別是還依賴(lài)于地磁場(chǎng)強(qiáng)度和傳播方向，故電離層是一種各向異性的色散介質(zhì)。在一定條件下，可以忽略地磁場(chǎng)的影響，這時(shí)電離層的折射指數(shù)只依賴(lài)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(zhì)。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(guò)電離層，在一定條件的少數(shù)情況下，也能在電離層反射，它在電離層中發(fā)生的散射現(xiàn)象能加以利用。微波段電波能透過(guò)電離層，它的折射很小。長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波波段的電波，大部分在電離層低層的下緣被反射。在實(shí)際通信中往往根據(jù)不同場(chǎng)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(lái)傳播無(wú)線(xiàn)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(xiàn)的方向性來(lái)限定一種主要的傳播方式。

1.4.3信道內(nèi)的噪聲

信道內(nèi)噪聲的來(lái)源很多，它們表現(xiàn)的形式也多種多樣。根據(jù)它們的來(lái)源不同，我們可以粗略地分為四類(lèi)。(1)無(wú)線(xiàn)電噪聲。它來(lái)源于各種用途的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)。這類(lèi)噪聲的頻率范圍很寬廣，從甚低頻到特高頻都可能有無(wú)線(xiàn)電干擾存在，并且干擾的強(qiáng)度有時(shí)很大。但它有個(gè)特點(diǎn)，就是干擾頻率是固定的，因此可以預(yù)先設(shè)法防止。特別是在加強(qiáng)了無(wú)線(xiàn)電頻率的管理工作后，無(wú)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(hào)受它的影響可減到最小程度。

(2)工業(yè)噪聲。它來(lái)源于各種電氣設(shè)備，如電力線(xiàn)、點(diǎn)火系統(tǒng)、電車(chē)、電源開(kāi)關(guān)、電力鐵道、高頻電爐等。這類(lèi)干擾來(lái)源分布很廣泛，無(wú)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(huì)里，各種電氣設(shè)備越來(lái)越多，因此這類(lèi)干擾的強(qiáng)度也就越來(lái)越大。但它也有個(gè)特點(diǎn)，就是干擾頻譜集中于較低的頻率范圍，例如幾十兆赫茲以?xún)?nèi)。因此，選擇高于這個(gè)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(shè)法消除或減小干擾的產(chǎn)生，例如加強(qiáng)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(lái)源于雷電、磁暴、太陽(yáng)黑子以及宇宙射線(xiàn)等。可以說(shuō)整個(gè)宇宙空間都是產(chǎn)生這類(lèi)噪聲的根源，因此它的存在是客觀的。由于這類(lèi)自然現(xiàn)象和發(fā)生的時(shí)間、季節(jié)、地區(qū)等有很大關(guān)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(yán)重，赤道比兩極嚴(yán)重，在太陽(yáng)黑子發(fā)生變動(dòng)的年份天電干擾加劇。這類(lèi)干擾所占的頻譜范圍也很寬，并且不像無(wú)線(xiàn)電干擾那樣是頻率固定的，因此對(duì)它的干擾影響就很難防止。

(4)內(nèi)部噪聲。它來(lái)源于信道本身所包含的各種電子器件、轉(zhuǎn)換器以及天線(xiàn)或傳輸線(xiàn)等。例如，電阻及各種導(dǎo)體都會(huì)在分子熱運(yùn)動(dòng)的影響下產(chǎn)生熱噪聲，電子管或晶體管等電子器件會(huì)由于電子發(fā)射不均勻等產(chǎn)生器件噪聲。這類(lèi)干擾的特點(diǎn)是都由無(wú)數(shù)個(gè)自由電子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)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(wú)章的茅草一樣，通常稱(chēng)之為起伏噪聲。由于在數(shù)學(xué)上可以用隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述這類(lèi)干擾，因此又可稱(chēng)為隨機(jī)噪聲，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為噪聲。

以上是以噪聲的來(lái)源來(lái)分類(lèi)的，比較直觀。但是，從防止或減小噪聲對(duì)信號(hào)傳輸影響的角度來(lái)分析，用噪聲的性質(zhì)來(lái)分類(lèi)更為有利。從噪聲性質(zhì)來(lái)區(qū)分可有以下幾種。

(1)單頻噪聲。它主要指無(wú)線(xiàn)電干擾。由于電臺(tái)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)自激振蕩等也都屬于單頻干擾。它的特點(diǎn)是一種連續(xù)波干擾，并且其頻率是可以通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)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(diǎn)是波形不連續(xù)，呈脈沖性質(zhì)，并且發(fā)生這類(lèi)干擾的時(shí)間很短，強(qiáng)度很大，且周期是隨機(jī)的，因此它可以用隨機(jī)的窄脈沖序列來(lái)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(dāng)選擇工作頻段的情況下，這類(lèi)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(lái)自空間的宇宙噪聲。它們都是不規(guī)則的隨機(jī)過(guò)程，只能采用大量統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)尋求其統(tǒng)計(jì)特性。由于它來(lái)自信道本身，因此它對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯遣豢杀苊獾摹?/p>

1.4.4常見(jiàn)的幾種噪聲

下面介紹幾種符合實(shí)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(shù)在整個(gè)頻率域(-∞＜ω＜+∞)內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。稱(chēng)其為白噪聲，是因?yàn)樗?lèi)似于光學(xué)中包括全部可見(jiàn)光頻率在內(nèi)的白光。但是，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(guò)通信系統(tǒng)工作頻率范圍很多時(shí)，就可近似認(rèn)為是白噪聲。例如，熱噪聲的頻率可以高達(dá)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(guān)函數(shù)

(a)功率譜密度；(b)自相關(guān)函數(shù)

2.高斯噪聲

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(lèi)噪聲，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示成

(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)。

現(xiàn)在再來(lái)看正態(tài)概率分布函數(shù)F(x)，分布函數(shù)F(x)常用來(lái)表示某種概率，這是因?yàn)?/p>

(1－23)(1－24)式中，Φ(x)稱(chēng)為概率積分函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)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，誤差函數(shù)式為

(1－26)互補(bǔ)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(shí)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(lái)定義的，而高斯噪聲則是根據(jù)它的概率密度函數(shù)來(lái)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(shù)滿(mǎn)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(lèi)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(guò)以ωc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

這是符合大多數(shù)信道的實(shí)際情況的，信號(hào)通過(guò)窄帶系統(tǒng)后就形成窄帶信號(hào)，它的特點(diǎn)是頻譜局限在±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。

隨機(jī)噪聲通過(guò)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(jī)相位；ρ(t)為噪聲的隨機(jī)包絡(luò)。

1.4.5

信道容量

1.信號(hào)帶寬

帶寬這個(gè)名稱(chēng)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(duì)帶寬這個(gè)名稱(chēng)作一些說(shuō)明。從通信系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸過(guò)程來(lái)說(shuō)，實(shí)際上遇到兩種不同含義的帶寬：一種是信號(hào)(包括噪聲)的帶寬，這是由信號(hào)(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(hào)帶寬和信道帶寬的符號(hào)都用B表示，單位為Hz。本書(shū)中在用到帶寬時(shí)將說(shuō)明是信號(hào)帶寬，還是信道帶寬。

從理論上講，除了極個(gè)別的信號(hào)外，信號(hào)的頻譜都是無(wú)窮寬分布的。如果把凡是有信號(hào)頻譜的范圍都算帶寬，那么很多信號(hào)的帶寬將變?yōu)闊o(wú)窮大了，顯然這樣定義帶寬是不恰當(dāng)?shù)?。一般信?hào)雖然頻譜很寬，但絕大部分實(shí)用信號(hào)的主要能量(功率)都是集中在某一個(gè)不太寬的頻率范圍以?xún)?nèi)的，因此通常根據(jù)信號(hào)能量(功率)集中的情況，恰當(dāng)?shù)囟x信號(hào)的