現(xiàn)代通信系統(tǒng)新技術(shù) (第三版) 課件 第1章 通信基礎(chǔ)

第1章

通信基礎(chǔ)1.1通信概述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小結(jié)

1.1通

信

概

述1.1.1通信的定義通信(Communication)就是信息的傳遞，是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。從本質(zhì)上講，通信是實(shí)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快速、準(zhǔn)確、無失真、高效率、安全地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過程中抑制無用信息和有害信息。當(dāng)今的通信不僅要能有效地傳輸信息，還要具備存儲(chǔ)、處理、采集及顯示信息等功能，通信已成為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

在自然科學(xué)中，“通信”一般指“電信”，即利用有線電、無線電、光和其他電磁媒質(zhì)，對(duì)消息、情報(bào)、指令、文字、圖像、聲音等進(jìn)行傳輸。電信業(yè)務(wù)可分為電報(bào)、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸、可視電話等。從廣義的角度看，廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙控等也可列入電信的范疇。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、空間的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

1.1.2通信的分類

1．按傳輸媒質(zhì)分

按消息由一地向另一地傳遞時(shí)傳輸媒質(zhì)的不同，通信可分為兩大類：一類為有線通信，另一類為無線通信。

所謂有線通信，是指傳輸消息的媒質(zhì)為導(dǎo)線、電纜、光纜、波導(dǎo)等的通信形式，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見、摸得著。所謂無線通信，是指傳輸消息的媒質(zhì)看不見、摸不著(如電磁波)的通信形式。

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，信道中傳輸?shù)男盘?hào)可分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種；由此，通信也可分為數(shù)字通信和模擬通信，與它們相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)。

若信號(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)可以取無限多個(gè)數(shù)值，且直接與消息相對(duì)應(yīng)，則稱其為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)有時(shí)也稱為連續(xù)信號(hào)，“連續(xù)”是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化(即可以取無限多個(gè)值)，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)。

若信號(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)，則稱其為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱為離散信號(hào)，“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。

3．按工作頻段分

根據(jù)通信設(shè)備工作頻段的不同，通信通?？煞譃殚L波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。為了使讀者對(duì)通信中所使用的頻段有一個(gè)比較全面的了解，下面把通信使用的頻段及其說明列入表1-1中作為參考。

通信中，工作頻率和工作波長可互換，公式為

c?=?λ·f

(1-1)

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。

4．按調(diào)制方式分

根據(jù)消息在送到信道之前是否進(jìn)行調(diào)制，通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸?；鶐鬏斒侵感盘?hào)沒有經(jīng)過調(diào)制而直接送到信道中傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)；頻帶傳輸是指信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后再送到信道中傳輸，且接收端有相應(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。

1.1.3通信的方式

1．按消息傳送的方向與時(shí)間劃分

如果通信僅在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間或一點(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，通信的方式可分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信，如圖1-1所示。

單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，如廣播、遙控、無線尋呼等。圖1-1按消息傳送的方向與時(shí)間劃分的通信方式

2．按數(shù)字信號(hào)排序劃分

在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)排列順序的不同，通信方式可分為串序傳輸和并序傳輸。所謂串序傳輸，是指將代表信息的數(shù)字信號(hào)按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸?shù)姆绞剑鐖D1-2(a)所示；若將代表信息的數(shù)字信號(hào)分割成兩路或兩路以上同時(shí)在信道上傳輸，則稱為并序傳輸，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

一般的數(shù)字通信都采用串序傳輸方式，其優(yōu)點(diǎn)是只占用一條通路，缺點(diǎn)是占用通路時(shí)間相對(duì)較長；并序傳輸方式在通信中有時(shí)也會(huì)用到，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸時(shí)間較短，缺點(diǎn)是需要占用多條通路。

3．按通信網(wǎng)絡(luò)形式劃分

通信網(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按通信網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式

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)到點(diǎn)通信為例，要實(shí)現(xiàn)消息從一地向另一地的傳遞，通信系統(tǒng)必須有三個(gè)部分，即發(fā)送端、接收端和收發(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

通信系統(tǒng)各部分的作用。

1．信息源和受信者

信息源簡稱信源，是信息的發(fā)生源。受信者簡稱信宿，是信息的歸宿。根據(jù)信源輸出信號(hào)性質(zhì)的不同，它可分為模擬信源和數(shù)字(離散)信源，如模擬電話機(jī)為模擬信源，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及計(jì)算機(jī)為數(shù)字信源。

2．發(fā)送設(shè)備

發(fā)送設(shè)備的作用是將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換為傳輸信道所需的信號(hào)(使信源和信道匹配)，并送往信道。

3．信道

信道是指傳輸信號(hào)的通道，即信號(hào)從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備所經(jīng)過的媒質(zhì)。信道可以是有線的，也可以是無線的，兩者均有多種傳輸媒質(zhì)。信道既給信號(hào)提供通路，也對(duì)信號(hào)產(chǎn)生各種干擾和噪聲，直接影響通信的質(zhì)量，其干擾和噪聲的產(chǎn)生由傳輸媒質(zhì)的固有特性決定。

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，最終從帶有干擾的信號(hào)中正確恢復(fù)出原始信號(hào)。

圖1-4僅是一個(gè)單向的通信系統(tǒng)模型，如果實(shí)際通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)雙向通信來保證通信雙方可以隨時(shí)交流信息，那么信源兼為信宿，且雙方都要有發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。

1.2信

息

論

基

礎(chǔ)

1.2.1信息的量度雖然“信息”(Information)一詞在概念上與消息(Message)相似，但其含義更具普遍性、抽象性。信息可理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。消息有各種各樣的形式，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用“信息量”來衡量。

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)的可能性越小，則概率越??；反之，概率越大。由此可知：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)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。概率為零時(shí)(不可能發(fā)生事件)，信息量為無窮大；概率為1時(shí)(必然事件)，信息量為0。

消息中所含的信息量與消息出現(xiàn)的概率之間的關(guān)系應(yīng)符合如下規(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

(1-2)

(2)消息出現(xiàn)的概率越小，它所含信息量越大；反之，信息量越小。

(3)若干個(gè)互相獨(dú)立的事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和，即

以看出，I與P(x)之間應(yīng)滿足以上三點(diǎn)，且有如下關(guān)系：

(1-3)

信息量I的單位與對(duì)數(shù)的底數(shù)a有關(guān)。當(dāng)a=?2時(shí)，I的單位為比特(bit或b)；a?=?e時(shí)，I的單位為奈特(nat或n)；a?=?10時(shí)，I的單位為笛特(Det)或稱為十進(jìn)制單位；a?=?r時(shí)，I的單位稱為r進(jìn)制單位。通常使用的單位為比特。

對(duì)于多個(gè)信息符號(hào)的平均信息量的計(jì)算，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

由于平均信息量與熱力學(xué)中熵的形式相似，故通常又稱其為信息源的熵。

當(dāng)離散信息源中每個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)，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

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)包括有效性、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最主要的兩個(gè)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)怎樣才能以最合理、最經(jīng)濟(jì)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，用來表示收到的消息與發(fā)出的消息之間的符合程度。因此，可靠性取決于通信系統(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)際應(yīng)用中，常依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求采取相對(duì)統(tǒng)一的辦法，即在滿足一定可靠性指標(biāo)的前提下，盡量提高消息的傳輸速率，即有效性；或者，在維持一定有效性的前提下，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)

在模擬通信系統(tǒng)中，每一路模擬信號(hào)需占用一定的信道帶寬，如何在信道具有一定帶寬時(shí)充分利用它的傳輸能力？這里有幾個(gè)方面的措施，其中的兩個(gè)主要方面的措施，

一是多路信號(hào)通過頻率分割復(fù)用，即頻分復(fù)用(FDM)，以復(fù)用路數(shù)的多少來體現(xiàn)其有效性。

另一方面，要提高模擬通信的有效性，可根據(jù)業(yè)務(wù)性質(zhì)減少信號(hào)帶寬，如語音信號(hào)的調(diào)幅單邊帶(SSB)為4kHz，調(diào)頻信號(hào)帶寬則較其高了數(shù)倍，但其可靠性較差。

數(shù)字通信的有效性主要體現(xiàn)為單個(gè)信道通過的信息速率。數(shù)字信號(hào)基帶傳輸可以采用時(shí)分復(fù)用(TDM)以充分利用信道帶寬。數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸可以采用多元調(diào)制來提高其有效性。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€(gè)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稱為碼元速率，用符號(hào)RB表示。碼元速率是指單位時(shí)間(每秒)內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，其單位為波特(Baud)。

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)制無關(guān)，只與碼元寬度TB有關(guān)，即

通常在給出系統(tǒng)碼元速率時(shí)，要說明碼元的進(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，可相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

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(hào)Rb表示。Rb是指單位時(shí)間(每秒)內(nèi)傳送的信息量，單位為比特/秒(bit/s)，簡記為b/s。

因?yàn)樾畔⒘颗c信號(hào)進(jìn)制數(shù)M有關(guān)，所以，Rb也與M有關(guān)。

3．Rb與RB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，只是單位不同。

在多進(jìn)制中，RBM與RbM數(shù)值不同，單位也不同。它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系：

在碼元速率保持不變的情況下，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

4．頻帶利用率η

頻帶利用率指傳輸效率。不僅要關(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。如果頻帶利用率高，則說明通信系統(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)碼元速率的大小(單位為Baud/Hz)，即

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(單位為b·s-1/Hz)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

1.3.3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)的輸出信噪比來衡量。信噪比是指信號(hào)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(duì)信號(hào)的影響越小，信號(hào)的質(zhì)量越好。

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，可用信號(hào)在傳輸過程中出錯(cuò)的概率來表示，即用差錯(cuò)率來衡量。差錯(cuò)率越大，表明系統(tǒng)可靠性越差。差錯(cuò)率通常有兩種表示方法。

1．碼元差錯(cuò)率Pe

碼元差錯(cuò)率Pe簡稱誤碼率，是指接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)在傳送的總碼元數(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(cuò)的概率，用表達(dá)式可表示成

2．信息差錯(cuò)率Pb

信息差錯(cuò)率Pb簡稱誤信率，或誤比特率，它是指接收的錯(cuò)誤信息量在傳送的總信息量中所占的比例，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

3．Pe與Pb的關(guān)系

對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，誤碼率和誤比特率相等。而M進(jìn)制信號(hào)的每個(gè)碼元含有n=lbM比特的信息，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)，誤比特率為

1.4通信信道的基本特性

1.4.1信道

1．信道的定義籠統(tǒng)地說，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，信道是指由有線或無線線路提供的信號(hào)通路；抽象地說，信道是指定的一段頻帶，它讓信號(hào)通過，同時(shí)又限制和損害信號(hào)。信道的作用是傳輸信號(hào)。信道大體可分成兩類：狹義信道和廣義信道。

狹義信道按具體媒質(zhì)類型的不同，可分為有線信道和無線信道。所謂有線信道，是指傳輸媒質(zhì)為明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜、光纜、波導(dǎo)等看得見的媒質(zhì)。有線信道是現(xiàn)代通信網(wǎng)中最常用的信道之一，如對(duì)稱電纜(又稱電話電纜)，它廣泛應(yīng)用于近程(市內(nèi))傳輸。無線信道的傳輸媒質(zhì)比較多，包括短波電離層、對(duì)流層散射等。雖然無線信道的傳輸特性不如有線信道穩(wěn)定可靠，但無線信道具有方便、靈活、通信者可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

廣義信道通常分成調(diào)制信道和編碼信道兩種。調(diào)制信道是根據(jù)調(diào)制與解調(diào)的基本問題而定義的，它的范圍是從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端。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)只是把已調(diào)信號(hào)進(jìn)行了某種變換，即只需關(guān)注變換的最終結(jié)果，而無須關(guān)注詳細(xì)過程。因此，研究調(diào)制與解調(diào)問題時(shí)，定義一個(gè)調(diào)制信道是方便和恰當(dāng)?shù)摹?/p>

調(diào)制信道和編碼信道的示意圖如圖1-5所示。圖1-5調(diào)制信道與編碼信道示意圖

2．信道的模型

1)調(diào)制信道模型

在頻帶傳輸系統(tǒng)中，已調(diào)信號(hào)離開調(diào)制器后便進(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)制信道包括什么樣的轉(zhuǎn)換器，也不管選用了什么樣的傳輸媒質(zhì)，以及傳輸過程如何，而僅關(guān)注已調(diào)信號(hào)通過調(diào)制信道后的最終結(jié)果。

調(diào)制信道的主要特性如下：

(1)若有一對(duì)(或多對(duì))輸入端，則必然有一對(duì)(或多對(duì))輸出端；

(2)絕大部分信道是線性的，即滿足疊加原理；

(3)信號(hào)通過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，可用一個(gè)二對(duì)端(或多對(duì)端)的時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)替代調(diào)制信道。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就稱作調(diào)制信道模型，如圖1-6所示。圖1-6調(diào)制信道模型

對(duì)于二對(duì)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

式中，ei(t)為信道輸入信號(hào)；eo(t)為信道輸出信號(hào)；n(t)為信道噪聲(或稱信道干擾)；f?[ei(t)]為信道對(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，可把f?[ei(t)]寫成k(t)·ei(t)形式。于是，式(1-16)可寫成

式中，k(t)稱為乘性干擾，它依賴于網(wǎng)絡(luò)的特性，對(duì)信號(hào)ei(t)影響較大；n(t)則稱為加性干擾(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。若了解了k(t)和n(t)的特性，則信道對(duì)信號(hào)的具體影響也就清楚了。不同特性的信道，其信道模型有不同的k(t)及n(t)參數(shù)。

通常所期望的信道(理想信道)應(yīng)是k(t)=常數(shù)，n(t)=0，即

2)編碼信道模型

編碼信道是指包括調(diào)制信道及調(diào)制器、解調(diào)器在內(nèi)的信道。編碼信道模型與調(diào)制信道模型明顯不同，調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響是通過k(t)和n(t)使調(diào)制信號(hào)發(fā)生“模擬”變化的，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)字序列變換成另一種數(shù)字序列。故有時(shí)把編碼信道看成一種數(shù)字信道。

由此看來，編碼信道的模型可用數(shù)字信號(hào)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(gè)簡單的編碼信道模型可通過圖1-7來表示。之所以說這個(gè)模型是“簡單的”，是因?yàn)檫@里假設(shè)解調(diào)器輸出的每個(gè)數(shù)字碼元發(fā)生的差錯(cuò)是相互獨(dú)立的。圖1-7二進(jìn)制無記憶編碼信道模型

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(cuò)與其前后碼元的差錯(cuò)沒有依賴關(guān)系)。在這個(gè)模型里，P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)和P(1/1)稱為信道轉(zhuǎn)移概率。具體地說，P(0/0)和P(1/1)稱為正確轉(zhuǎn)移概率，P(1/0)和P(0/1)稱為錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)概率性質(zhì)可知：

轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性決定，一個(gè)特定的編碼信道有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率。編碼信道的轉(zhuǎn)移概率一般需要對(duì)實(shí)際編碼信道進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析才能得到。

1.4.2傳輸信道

1．有線信道

1)雙絞線

雙絞線又稱雙扭線，由若干對(duì)且每對(duì)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)可以減少臨近線對(duì)間的電磁干擾。雙絞線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)線越粗，通信距離越遠(yuǎn)，但導(dǎo)線價(jià)格越高。

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)繞金屬屏蔽層，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(shí)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。

同軸電纜按特性阻抗(指電纜導(dǎo)體各點(diǎn)的電磁電壓與電流之比)數(shù)值的不同，可分為兩種：一種為50Ω同軸電纜，用于數(shù)字信號(hào)的傳輸，稱為基帶同軸電纜；另一種為75Ω同軸電纜，用于寬帶模擬信號(hào)的傳輸，稱為寬帶同軸電纜。

3)光纖

光纖即光導(dǎo)纖維，軟而細(xì)，是利用全反射原理來傳導(dǎo)光束的。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的數(shù)量級(jí)，故一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他各種傳輸媒質(zhì)的帶寬。

根據(jù)傳輸模式的不同，光纖有單模光纖和多模光纖之分。單模光纖纖芯比較細(xì)，光在光纖中的傳播只有一種模式；多模光纖纖芯比較粗，光纖中可有多條不同角度入射的光線同時(shí)傳播。

2．無線信道

無線信道的傳輸載體主要是無線電波和光波。

1)地波傳播

當(dāng)接收天線距離發(fā)射天線較遠(yuǎn)時(shí)，地球表面拱起部分將兩者隔開，只有某些中低頻電波能夠沿著地球表面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。地波沿著地球表面?zhèn)鞑サ姆绞剑Q為地波傳播。其特點(diǎn)是信號(hào)比較穩(wěn)定，但電波頻率越高，地波隨距離的增加衰減得越快。

2)天波傳播

在大氣層中，幾十千米至幾百千米的高空有多層“電離層”，它們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。沿這一途徑傳播的電波就稱為天波或反射波。電波中的短波具有這種特性。

3)視距傳播

若收、發(fā)天線距離地面的高度遠(yuǎn)大于波長，則電波直接從發(fā)信天線傳到收信地點(diǎn)(有時(shí)有地面反射波)，這種傳播方式稱為視距傳播。此方式僅限于在視線距離以內(nèi)傳播信號(hào)。

4)散射傳播

散射傳播指利用對(duì)流層或電離層中媒質(zhì)的不均勻性或流星通過大氣時(shí)的電離余跡對(duì)電磁波的散射作用來實(shí)現(xiàn)超視距傳播。該方式主要用于超短波和微波的遠(yuǎn)距離通信。

5)對(duì)流層傳播

無線電波在對(duì)流層與平流層中的傳播，簡稱為對(duì)流層傳播。

6)電離層傳播

無線電波在電離層中的傳播，簡稱為電離層傳播。

1.4.3信道內(nèi)的噪聲

信道內(nèi)噪聲的來源很多，表現(xiàn)的形式也多種多樣，通常需根據(jù)噪聲的來源和噪聲的性質(zhì)進(jìn)行分類。根據(jù)噪聲的來源，可以粗略地將其分為四類。

(1)無線電噪聲：來源于各種無線電發(fā)射機(jī)。

(2)工業(yè)噪聲：來源于各種電氣設(shè)備，如電力線、點(diǎn)火系統(tǒng)、電車、電源開關(guān)、電力鐵道、高頻電爐等。

(3)天電噪聲：來源于雷電、磁暴、太陽黑子、宇宙射線等，是客觀存在的。

(4)內(nèi)部噪聲：來源于信道的各種電子器件、轉(zhuǎn)換器、天線或傳輸線等。

以上是根據(jù)噪聲的來源來分類的，比較便于理解。但是，從防止或減小噪聲對(duì)信號(hào)傳輸影響的角度來說，根據(jù)噪聲的性質(zhì)來分類更為有利，這時(shí)噪聲可分為以下幾種。

(1)單頻噪聲：主要指無線電干擾。

(2)脈沖干擾：包括電火花、斷續(xù)電流及雷電等產(chǎn)生的干擾。

(3)起伏噪聲：主要指信道內(nèi)部的熱噪聲、器件噪聲及來自空間的宇宙噪聲。

1.4.4常見的幾種噪聲

1．白噪聲

所謂白噪聲，是指功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻率域(-∞?<?ω?<?+∞)內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布的噪聲。稱其為白噪聲，是因?yàn)樗愃朴诠鈱W(xué)中包括全部可見光頻率在內(nèi)的白光。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通信系統(tǒng)工作的頻率范圍很多，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)基本呈均勻分布，所以可將它看作白噪聲。

理想的白噪聲功率譜密度通常定義為

式中，n0是白噪聲的單邊功率譜密度，單位是W/Hz。

白噪聲的自相關(guān)函數(shù)Rn(τ)是一個(gè)位于τ?=?0處的沖激函數(shù)，強(qiáng)度為n0/2。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)

2．高斯噪聲

所謂高斯(Gaussian)噪聲，是指概率密度函數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，a為噪聲的數(shù)學(xué)期望值，也就是均值；σ

2為噪聲的方差；exp(x)是以e為底的指數(shù)函數(shù)。

3．高斯型白噪聲

由前文可知，白噪聲是根據(jù)噪聲的功率譜密度是否均勻來定義的，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呢？所謂高斯型白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。

在通信系統(tǒng)理論分析中，特別是在分析、計(jì)算系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)，經(jīng)常假定系統(tǒng)信道中的噪聲為高斯型白噪聲。其中一個(gè)原因是高斯型白噪聲可用具體數(shù)學(xué)表達(dá)式表述，便于推導(dǎo)、分析和運(yùn)算；另一個(gè)原因是高斯型白噪聲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)，即的系統(tǒng)。這是符合大多數(shù)信道的實(shí)際情況的：信號(hào)通過窄帶系統(tǒng)后就形成窄帶信號(hào)。其特點(diǎn)是頻譜局限在

±ωc附近很窄的頻率范圍內(nèi)，包絡(luò)和相位都在進(jìn)行著緩慢的隨機(jī)變化。

隨機(jī)噪聲通過窄帶系統(tǒng)后，可表示為

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)名稱在通信系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)，而且常常代表不同的含義，在這里先作一些說明。從通信系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸過程來看，有兩種不同含義的帶寬：一種是信號(hào)(包括噪聲)的帶寬，也就是本節(jié)要定義的帶寬，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；另一種是信道的帶寬，由傳輸電路的傳輸特性決定。信號(hào)帶寬和信道帶寬的符號(hào)都用B表示，單位為Hz。本書中在提到帶寬時(shí)將說明是信號(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)的帶寬都變?yōu)闊o窮大了，顯然這樣定義帶寬是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ话阈盘?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)都集中在某個(gè)不太寬的頻率范圍內(nèi)，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)的帶寬，常用的定義有以下三種。

1)以集中一定百分比的能量(功率)來定義

對(duì)于能量信號(hào)，可由

求出B。帶寬B是指正頻率區(qū)域，不計(jì)負(fù)頻率區(qū)域。如果信號(hào)是低頻信號(hào)，那么能量集中在低頻區(qū)域，就是0～B頻率范圍內(nèi)的能量。

對(duì)于功率信號(hào)，可由

求出B。γ

的百分比取值為90%、95%或99%等。

2)以能量譜(功率譜)密度下降3dB時(shí)的頻率間隔作為帶寬

對(duì)于頻率軸上有明顯的單峰形狀(或者一個(gè)明顯的主峰)且峰值位于f=0處的能量譜(功率譜)密度的信號(hào)，信號(hào)帶寬為正頻率軸上G(ω)(或P(ω))下降到3dB(半功率點(diǎn))處對(duì)應(yīng)的頻率與f=?0的間隔，如圖1-9所示。圖1-93dB帶寬

G(ω)～f曲線中，由

或

得

3)等效矩形帶寬

若用一個(gè)矩形的頻譜代替信號(hào)的頻譜，則矩形頻譜具有的能量與信號(hào)的能量相等，矩形頻譜的幅度為信號(hào)頻譜f=0時(shí)的幅度，如圖1-10所示。圖1-10等效矩形帶寬

由

或

得

或

2．信道容量的計(jì)算

從信息論的觀點(diǎn)來看，各種信道都可以概括為兩大類，即離散信道和連續(xù)信道。所謂離散信道，就是輸入與輸出信號(hào)都是取值離散的時(shí)間函數(shù)；而連續(xù)信道是指輸入和輸出信號(hào)都是取值連續(xù)的時(shí)間函數(shù)。信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道中無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?。這里僅給出連續(xù)信道的信道容量。

設(shè)連續(xù)信道(或調(diào)制信道)的輸入端加入單邊功率譜密度為n0(W/Hz)的加性高斯白噪聲，信道的帶寬為B(Hz)，信號(hào)功率為S(W)，則通過這種信道無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾蔆(單位為b/s)為

式中，C值就稱為信道容量；n0B是噪聲的功率。

令N