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通信系统原理 
定 价：39 元 丛书名：普通高等教育电子通信类国家级特色专业系列规划教材
适用读者:通信与电子信息类专业师生
9 7 3 8 3 7 5 0 2 3 8 0 9 
《通信系统原理》系统讲述通信系统的基本原理，内容包括模拟通信和数字通信，侧重数字通信原理，具体包括绪论、信号与噪音、模拟通信系统、模拟信号数字传输、数字信号基带传输、数字信号频带传输、数字信号最佳接收、信道编码、同步系统等。除必要的数学推导外，注重讲述物理概念，各章均设有习题。全书内容丰富，突出侧重物理概念和系统分析方法，可读性强。
《通信系统原理》可用作通信与电子信息类专业的通信原理课程教材，也可供从事通信及相关工作的工程技术人员参考。 更多科学出版社服务，请扫码获取。 
《通信系统原理》系统讲述通信系统的基本原理，内容包括模拟通信和数字通信，侧重数字通信原理，具体包括绪论、信号与噪音、模拟通信系统、模拟信号数字传输、数字信号基带传输、数字信号频带传输、数字信号最佳接收、信道编码、同步系统等。除必要的数学推导外，注重讲述物理概念，各章均设有习题。全书内容丰富，突出侧重物理概念和系统分析方法，可读性强。《通信系统原理》可用作通信与电子信息类专业的通信原理课程教材，也可供从事通信及相关工作的工程技术人员参考。
目录
前言 第1章 绪论 1 1.1 通信与信息的基本概念 1 1.1.1 通信与信号 1 1.1.2 信息与信息量 1 1.2 通信系统概述 2 1.2.1 通信系统模型 2 1.2.2 通信系统分类 5 1.3 通信系统性能指标 6 1.3.1 有效性指标 6 1.3.2 可靠性指标 7 1.4 信道与干扰 7 1.4.1 有线信道与无线信道 7 1.4.2 信道模型 10 1.4.3 信道干扰 12 1.4.4 信道容量 14 1.5 通信技术发展筒介 17 小结 20 第2章 信号与噪声分析 21 2.1 引言 21 2.1.1 信号类型 21 2.1.2 系统表示法 23 2.2 确知信号分析 23 2.2.1 傅里叶级数与傅里叶变换 23 2.2.2 卷积与相关 25 2.2.3 能量谱与功率谱 27 2.2.4 确知信号通过线住时不变系统 28 2.2.5 希尔伯特（Hilbert）变换 30 2.3 概率与随机变量概述 32 2.3.1 随机事件的概率及随机变量的定义 32 2.3.2 一维随机变量及其统计特征 34 2.3.3 二维随机变量及其统计特征 39 2.3.4 随机变量的函数 41 2.3.5 随机变量的关系 42 2.4 随机过程的基本概念 43 2.4.1 随机过程的定义 43 2.4.2 随机过程的一维和二维统计特性 44 2.5 平稳随机过程 46 2.5.1 平稳随机过程的定义 46 2.5.2 平稳随机过程的传输特性 49 2.5.3 遍历性 50 2.6 高斯随机过程与高斯自噪声 51 2.6.1 高斯随机过程 51 2.6.2 高斯白噪声 52 2.6.3 限带高斯噪声 53 2.6.4 窄带高斯噪声 55 2.7 平稳随机过程传输特性 60 2.7.1 平稳过程通过线性系统 60 2.7.2 平稳过程通过非线性系统 62 小结 63 习题 63 第3章 模拟调制系统 67 3.1 调制的功能和分类 67 3.1.1 基带信号和载波 67 3.1.2 调制的功能 67 3.1.3 调制的分类 68 3.2 线性调制 69 3.2.1 常规调幅（AM） 69 3.2.2 双边带调幅（DSB） 72 3.2.3 单边带调幅（SSB） 74 3.2.4 残留边带调幅（VSB） 77 3.2.5 线性调制系统的适用模型 79 3.2.6 线性调制系统的噪声性能分析 80 3.3 非线性调制（角度调制） 83 3.3.1 角度调制的基本概念 83 3.3.2 单音调角 85 3.3.3 窄带调角 86 3.3.4 宽带单音调角 87 3.3.5 调角波的解调及抗噪声性能 90 3.4 频分复用 96 3.4.1 频分复用原理 96 3.4.2 复合调制 97 小结 98 习题 99 第4章 数字信号基带传输 105 4.1 引言 105 4.2 数字基带信号及其频谱特性 105 4.2.1 数字基带信号常用电信号表示 105 4.2.2 数字基带信号频谱特性 106 4.3 数字基带传输的常用码型 108 4.3.1 码型选择原则 108 4.3.2 常用的传输码型 109 4.4 数字基带传输系统的波形形成 111 4.4.1 符号间干扰和无码间干扰条件 111 4.4.2 元码间干扰的波形形成及奈奎斯特第一准则 112 4.4.3 部分响应波形形成系统及奈奎斯特第二准则 116 4.4.4 基带传输的最佳化 121 4.5 数字基带传输系统的误码性能 122 4.6 眼图 124 4.7 数字基带传输系统中的时钟同步 126 4.7.1 自同步法 126 4.7.2 外同步法 127 4.8 时域均衡 127 4.9 数字基带信号功率谱密度分析过程 130 小结 132 讨论题 133 习题 133 第5章 二元数字频带传输 137 5.1 引言 137 5.2 频带传输系统 137 5.3 数字调幅 137 5.3.1 ASK信号分析 138 5.3.2 ASK信号接收 139 5.3.3 ASK其他传输方式 143 5.4 数字调频 143 5.4.1 FSK信号分析 144 5.4.2 FSK信号接收 145 5.5 数字调相 148 5.5.1 PSK信号分析 148 5.5.2 PSK相干接收的噪声性能 149 5.5.3 相对相移键控（DPSK） 150 5.6 数字频带传输系统中的载波提取和形成 155 5.6.1 从已调信号中提取接收载波 155 5.6.2 利用插入导频提取接收载波 156 小结 157 习题 157 第6章 改造的鼓字调制 160 6.1 多元数字调幅 160 6.1.1 MASK信号的调制解调 160 6.1.2 MASK信号的误码性能 161 6.2 多元正交调幅（MQAM） 163 6.2.1 MQAM信号的产生及基本构成特点 163 6.2.2 MQAM信号的接收及误码性能 164 6.3 多元数字调相 165 6.3.1 MPSK信号的特点 165 6.3.2 MPSK信号与MQAM 信号的比较 167 6.3.3 四相数字调相（QPSK） 168 6.3.4 交错正交数字调相（OQPSK） 171 6.3.5 差分正交数字调相（QDPSK） 172 6.4 多元频移键控 175 6.4.1 MFSK信号的调制解调 175 6.4.2 MFSK信号的误码性能 176 6.5 最小频移键控（MSK） 176 6.5.1 MSK信号的相位特征 177 6.5.2 MSK信号频率与码元周期关系 178 6.5.3 MSK信号的正交调制方式 179 6.5.4 高斯最小频移键控（GMSK） 181 6.6 扩频调制 182 6.6.1 扩频通信概述 182 6.6.2 PN序列 184 6.6.3 直接序列扩频 186 6.6.4 跳频扩频 188 6.7 正交频分复用（OFDM） 190 6.7.1 OFDM信号 190 6.7.2 OFDM的调制和解调系统 192 6.7.3 OFDM特点与应用 194 小结 194 习题 195 第7章 最佳接收方式 197 7.1 信号空间与信号几何表示 197 7.1.1 矢量空问 197 7.1.2 信号空同 198 7.1.3 信号正交化 199 7.2 最佳接收问题与最佳接收准则 201 7.2.1 AWGN信道下接收信号的统计特性 201 7.2.2 最佳接收准则 202 7.3 相关接收机 203 7.3.1 观察信号的正交表示与最小均方误差准则 204 7.3.2 相关接收机 205 7.4 利用匹配滤波器的最佳接收 206 7.4.1 匹配滤波器的设计 206 7.4.2 匹配滤波法最佳接收 209 7.4.3 匹配滤波器与相关器的等价性 212 7.5 随机相位信号的最佳接收 212 7.5.1 直接匹配发送载波 212 7.5.2 利用正交载波基信号 214 7.6 最佳接收性能分析 215 7.6.1 最佳接收误比特率分析计算 215 7.6.2 最佳接收与相干接收的比较 220 小结 221 习题 222 第8章 模拟倍号的脉冲调制 225 8.1 模拟信号的采样 225 8.1.1 低通模拟信号的采样定理 225 8.1.2 带通信号的采样定理 228 8.2 模拟信号的量化 230 8.2.1 最佳量化器 230 8.2.2 均匀量化 233 8.2.3 非均匀量化 235 8.3 PCM编码原理 237 8.3.1 自然二进制码和折叠二进制码 237 8.3.2 系统的抗噪性能 240 8.4 自适应差分脉冲编码调制 241 8.4.1 DPCM的基本原理 241 8.4.2 自适应预测 245 8.4.3 自适应量化 245 8.5 增量调制 246 8.5.1 简单的增量调制（ΔM）原理 247 8.5.2 增量调制系统中的量化噪声 248 小结 249 习题 249 第9章 信道编码 251 9.1 概述 251 9.1.1 二元对称信道 251 9.1.2 差错控制编码分类 251 9.1.3 常用的差错控制码 252 9.1.4 差错控制原理 255 9.2 代数基础 256 9.2.1 群 256 9.2.2 有限域 257 9.2.3 向量空问 258 9.2.4 图 260 9.3 线性分组码 260 9.3.1 线性与编码 260 9.3.2 译码 262 9.3.3 最小汉明距离 264 9.3.4 汉明码 264 9.4 循环码 265 9.4.1 生成多项式和校验多项式 266 9.4.2 编码和译码 267 9.4.3 BCH码 268 9.4.4 非二进制BCH码RS码 269 9.5 卷积码 270 9.5.1 基本结构 270 9.5.2 Viterbi算法 274 9.6 低密度奇偶校验码 279 9.6.1 背景 279 9.6.2 表示法 279 9.6.3 几何构造法 280 9.6.4 译码算法 283 小结 288 习题 289 附录 291 附录1 常用傅里叶变换对及傅里叶变换性质 291 附录2 互补误差函数表 292 附录3 格雷码编码示例 293 附录4 常用三角变换 293 参考文献 294
第1章 绪论
交流是人类生活中不可缺少的活动，除了面对面的交流，人们还利用电话、传真、网络及广播电视多种方式与世界各地的人随时进行通信、处理日常事务，了解天下大事和社会百态。实现信息交互，特别是远程交互的通信技术的基本原理，是本书讨论的主题。本章首先阐述通信与信息的基本概念，然后对通信系统的基本构成和性能指标进行介绍，对通信信道和干扰问题进行简要讨论，最后回顾通信技术的发展历史。 1.1 通信与信息的基本概念 1.1.1 通信与信号 人类自出现起就有了原始的通信，手势、声音、烽火、狼烟、金鼓、旌旗、驿站传书都是信息交流的方式。人与人之间进行的思想交流需要以语言、文字、声音、图像等各种媒体形式的消息作为承载体，从消息发布者即信源到消息接收者即信宿的消息传递过程就称为通信。 人们认识到电与磁的现象后，开始利用电信号进行通信，可以实现快速、准确、可靠的远距离通信，不受时间、地点、距离的限制。自然科学范畴中的“通信”一般指这种利用电信号（也包括光信号）实现的远程通信（telecommunication），也称电信。社会科学中的“通信”（communication）是指更广泛意义的人际交流。前者关注技术实现，后者关注交流对人的影响。 通信系统中传输的具体对象是消息。消息指承载了信息的文字、数字、状态等符号序列或者语音、图像等随时间连续变化的信号。信号是消息的物理载体。语音可转换成为电信号，也可以转换成光信号。利用电信号的通信，就是把消息转换成电信号的形式并传递。在通信系统中，信号一般狭义地指电信号。 1.1.2 信息与信息量 通信的最终目的是传递信息，那么信息是什么？与消息有什么差别？又有什么联系？在日常生活中，“信息”这个概念常常与情报、资料、情况、数据等概念混用。例如，发送手机短信，也有人会说发个信息，实际上发送的是文字、符号、图片或者视频组成的消息。那么这个消息的内容是接收者在收到这个短信之前就已经完全知道，这个消息对于接收者来说就没有意义。而信息指消息中对接收者有意义的内容―――获得对接收者来说事先不知道或者不确定的内容才是通信的意义所在。更严格地讲，信息是消息中对接收者能消除不确定性的内容。 发送方可能发送的消息集合可能包含有限或无限个元素。从对于接收者有意义的角度看，发送方发送消息的行为是随机的，通信过程才能使接收者获得信息。发送不同消息的可能性可以用概率描述。假设发送的消息集合仅包含0和1两个元素，是否可以比较度量哪个消息包含更多的信息？这就要对信息的大小进行度量。 度量信息的物理量称为信息量。应该如何设计这个测度？设想发送1的概率为0.1，发送0的概率为0.9，对于接收者来说可以估计的是大多数情况下都会收到0码，那么当接收者收到1 码时，是更不确定的事件发生了，因而获得的信息更多。考虑到通信过程可能传递的是一个消息序列，信息量的测度应该具备的以下特点： （1）消息x的信息量I（x）是消息x出现概率P（x）的函数； （2）概率越小的消息所包含的信息量越大； （3）具有可加性，若某个消息包含若干个独立消息，则该消息的信息量为每个独立消息所含信息量之和。据此，可以定义信息量为 I（x）＝-logaP（x）（1-1）由式（1-1）可知，信息量I实际上是一个无量纲的物理量，信息量采用的单位与底数a的取值有关，a取2时信息量单位为bit（比特）；a取e时信息量单位为nat（奈特）；a取10时信息量单位为hatley（哈特莱）。二进制的数字通信中常用的是比特。在二进制通信系统中，传送的消息只有两种，分别以0，1表示，只需使用1个二进制位。如果0和1的出现概率都是1/2，那么每个消息所包含的信息量都是1比特。在实际应用中，通常也把一个二进制位（binarydigit）称为1比特。 若信源符号集包含M个符号，每个符号xi，（i＝1，.，M）的平均信息量为 H（X）＝-∑MP（xi）log2P（xi） 单位bit（1-2） i＝1 式中，P（xi）为符号xi的出现概率。当每个符号等概率出现时 H（X）＝-MM1log2M1＝-log221k＝k bit （M＝2k）（1-3） 平均信息量也称为信息熵（entropy）。熵曾经是波尔兹曼在热力学第二定律中引入的概念，用以描述分子运动的混乱度。信息熵也有类似的意义。信息熵大，意味着不确定性也大。 1.2 通信系统概述 利用电信号实现的通信可以是实时的，也可以是非实时的。实时通信指发送方产生的信号能够经历微小的几乎可以忽略不计的传播时间到达接收方，比如电话、传真。非实时通信，如电报、录像节目、Email、计算机批量数据传输等通信方式，需要通过对信息的缓存、处理、等待、转发、显示等环节实现信息的传递，存在较大的时延。另外，在采用磁盘、磁带、光盘等存储设备的系统中，可能经历更长的信息存储时间。在某种意义上，可以将这种存储系统视为在较长时间尺度上的信息传递。因此，广义的通信视为消息（或信息）在时间/空间上的传递。这种传递可以在点到点（如电话）、点到多点（如电视广播）或者多点到多点之间进行。完成通信过程的全部设备和传输媒介构成通信系统（communicationsystem）。本书主要从系统的观点来讨论点到点通信的基本原理。 1.2.1 通信系统模型 通信系统的主要功能可以用通信系统模型来概括，如图1-1所示。 信源（source）是消息的发送者，完成消息从原始可感知的媒介形式，如声音、图像等，到电信号的转换，电话通信中的电话机可看成是信源。信源输出的电信号称为原始电信号，其频谱从零频附近开始，具有低通形式，所以也称为基带信号（basebandsignal）。 图1-1 通信系统模型 发送设备（transmitter）的基本功能是将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号，实现信源和信道的匹配。变换方式多种多样，比如说，进行无线通信，需要把信源发出的信号通过调制技术从基带频段搬移到射频频段；如果需要对模拟信号采用数字传输方式，就需要把模拟信号转换成数字信号；数字信号传输一般还要进行信源编码和信道编码等。 信道（channel）是指信号传输的通道，可以采用电缆或光缆等有线介质，也可以利用无线介质，如电磁波。 通信系统中的噪声（noise）干扰无处不在，主要集中在信道上，因此集中在信道上进行模型化。图1-1中的噪声源是信道中所有噪声及分散在通信系统中其他各处噪声的集合。 在接收端，接收设备（receiver）的功能与发送设备相反，进行解调、译码等与发送设备所采用的信号变换相对应的各种信号反变换。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号。 信宿（destination）是信息的接收者，将复原的原始电信号转换成相应的可感知媒介形式的消息，如电话机将接收设备输出的话音电信号还原成声音信号。 图1-1给出的是通信系统的一般模型，按照通信系统中传送信号不同的形式，通信系统可进一步分为模拟通信系统和数字通信系统。 模拟信号（analog）指信号参量（幅度、频率或相位）随时间连续变化，连续消息可以直接转换为模拟信号，如语音。如果信号的幅度代表消息变化，则幅度值在实数域连续取值，但在时间上可以连续取值，也可以离散取值。数字（digital）信号则指信号只能从有限的数值集合中取值，并且时间上也是离散取值―――在一定的时间（一个符号周期）内只发送一个符号消息。如果原始消息离散，那么就可以直接转换成数字信号。 根据信源输出的原始电信号的形式，信源可分为数字信源和模拟信源。将信源发出的模拟信号转换成数字信号，也可以进行数字传输。所以，区分通信系统是模拟还是数字，依据是信道中传输信号的形式，而非信源信号的形式。 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，图1-2给出了模拟通信系统模型。在这种系统中，信源一般为模拟信源，完成连续消息到原始电信号的转换。由于原始电信号为基带信号，不适应远距离传输，因此需采用调制器，将原始基带信号调制为适合在信道中传输的频带信号，即频谱具有带通形式且中心频率远离零频的信号。 图1-2 模拟通信系统框图 接收端则需要采用解调器，进行相应的反变换，恢复基带电信号，并且由信宿完成原始电信号到媒体信号的转换。 对于模拟信号传输而言，调制和解调的作用最为重要，所以相比图1-1的通信系统一般模型，这里只表示出调制器和解调器。实际上，常用的通信系统里可能还有滤波、放大、变频等过程，但一般可以视为理想线性，并且合并在信道中考虑。 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统模型如图1-3所示。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统。 图1-3 数字通信系统模型 数字通信系统中的信源可以是模拟信源，也可以是数字信源。信源编码的目的主要在于去除信源信号自身某种程度的冗余部分，或者根据质量要求，去除次要信息，用更少的编码位数来表示符合一定接收质量的信源符号，从而提高通信的有效程度。如果是模拟信源信号，信源编码过程还需要完成模拟信号到数字信号的变换，即进行模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换；在接收端的信源译码过程则需完成相反的转换，即进行数字/模拟（Digital/Analog，D/A）转换。在需要进行保密通信的情况下，还可以在信源编码中包含加密的功能，在压缩后进行保密编码。信源译码是信源编码的逆过程。 信道编码是按照一定的规则给信源编码器输出的信源码字增加冗余码元。如果接收端检查接收码字，发现这种规则遭到破坏，就能发现错误或者纠正错误，然后结合相应的差错处理措施即提高通信的可靠程度。信道译码是信道编码的逆过程。编码器和译码器合称编译码器（co-dec）。 同步器的作用是使接收端设备能够与发送端步调一致地工作以正确接收信息。“同步”是通信系统，特别是数字通信系统的重要组成部分。在数字和模拟通信系统中，要保证相干或相关解调方式能正确地恢复原始信号，接收端提供的本地参考载波，也称为相干载波（coherentcarri-er），应该与接收到的已调载波严格同步，称为载波同步。时钟同步是指数字通信系统中，收发端之间需要有共同的时间标准，这样接收端才能知道接收序列中每个符号的起止时刻，从而实现正确接收。实现时钟同步有两种基本方式，一种方式是提供严格同步的时钟标准，收发双方严格遵守此时间标准，如同步数字系列（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）传输系统采用的就是这种方式实现同步；另一种方式是通信双方没有严格同步的时钟源时，接收端采用同步电路，从接收的信号中提取码元同步信号，也称为位同步信号。另外，对于若干码元组成的码组，要保持同步，也需要从接收的信号中提取码组同步信息。这种位同步和码组同步信息可以包含在接收信号的结构特征中，也可以是发端在发送信号序列中独立插入的同步信号。如果收发之间失去同步，则接收端无法正确识别接收信号所包含的消息。 调制器和解调器与模拟通信系统中的功能一致。需要指出的是，引入了调制解调环节的数字通信系统可以称为数字频带传输系统。如果采用基带传输，则不需要调制解调。 图1-4给出了数字基带传输系统的构成图。基带信号形成器对信源送出的原始数字码元序列进行信号的码型转换和波形形成，以保证实现无码间干扰的传输。基带形成器还可以包括编码器、加密器等功能。接收滤波器除了限制发送信号之外的噪声，还与发送端波形形成滤波器配合以实现消除码间干扰的作用。取样判决从接收的连续信号中估计发送的数字序列。 图1-4 数字基带传输通信系统的组成框图 相比于模拟通信，数字通信具有抗干扰能力强、差错可控、易加密、易于与计算机等现代技术相结合等优点。 1.2.2 通信系统分类 实际的通信系统多种多样，可以从不同角度进行分类。下面讨论几种常见的分类。 （1）根据信道传输的信号是模拟信号还是数字信号，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。 （2）根据通信的业务特征，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统。这些系统之间可以兼容或并存。电报通信系统出现最早。电话通信应用最为广泛，现有的通信网大部分建立在电话通信系统基础之上。数据通信系统发展迅速，现在的互联网基于数据通信系统特别是计算机通信发展而成。 两个需要注意区分的概念是数字通信系统与数据通信系统。前者指信道传输的信号为数字信号的系统，而后者则指信源发出的信号为文字、数字、符号等数字信号的通信系统。数据通信系统可以采用数字传输方式，也可以采用模拟传输方式。 传输介质（media）指传输系统发送和接收端之间传输信号的物理载体。通信系统采用电磁波来传递电信号。电磁波的传播方式有两种基本形式，一种是沿导体即导向（guided）介质传播；另一种是在自由空间即非导向（unguided）介质中传播，称为无线电波传播。采用前一种传播方式的系统称为有线通信系统，采用无线电波传播方式的通信系统称为无线通信系统。 （3）根据通信系统是否采用调制，可以将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统。基带传输系统包括音频市话、有线广播、数字基带通信系统等。频带传输系统则包括调幅广播、立体声调频广播、电视广播、市话、卫星通信等。 “复用”指在同一信道上传输多路信号的通信方式。常用的复用方式包括频分复用、时分复用、码分复用和空分复用等。 前面讨论的通信系统是单向通信系统。在实际应用中，多数情况需要进行双向通信，即通信双方都具有发送和接收设备，还需要双向的传输介质。按照系统中消息传送方向与时间的关系，双向通信可以分为单工传输方式（simplextransmissionmode）、半双工传输方式（half-duplextransmissionmode）和全双工传输方式（full-duplextransmissionmode）。 在单工通信系统中，消息只能单向传输。广播、遥测、遥控等系统就属于单工方式的通信系 统。半双工系统支持双向通信，但是同一时间只能支持单向的通信。使用同一载频工作的无线电对讲机就属于这种方式的系统。全双工通信系统支持同时的双向通信。普通的电话就是典型的全双工通信方式。 1.3 通信系统性能指标 通信系统的性能可以从多方面衡量，从实现信号传输的角度看，最重要的是系统的有效性和可靠性。前者指系统能高效传输信息，后者指系统能准确地传输信息。通信系统实现通信需要消耗的资源主要包括信道带宽和发送信号的功率。 通信系统的设计目标就是在通信资源一定的条件下，一方面如何最经济地传输最大数量的消息；另一方面，针对噪声干扰，保证接收到消息与发送的消息尽可能一致。这两个要求往往相互矛盾，因此，系统在工程设计实践中应根据实际情况折中处理。 由于模拟通信与数字通信的差异，在有效性和可靠性的定量衡量上，需要采用不同指标。 1.3.1 有效性指标 1.模拟通信系统的有效性指标 模拟通信系统的有效性一般采用有效传输带宽来衡量。例如，对于最大频率为fm的信号，采用常规调幅系统传输此信号需要的有效传输带宽为2fm，而采用单边带调幅系统需要的带宽则为fm那么后者比前者具有更高的有效性。引入多路复用技术和多址接入技术的目的就是提高系统有效，性。从信道的角度看，一条物理线路上信号复用度越高，总带宽越大，有效性越高。从单路信号的角度看，一路信号自身占用的带宽越小，则给定带宽的信道中可以承载的信号越多，效率越高，有效性越好。 2.数字通信系统的有效性指标 数字通信系统的有效性体现在一个信道中通过的信息速率。定义每秒传送的信息比特数为信息速率，单位比特/秒（bit/s），也称为比特率。定义每秒传送的码元数量为码元速率，简称传码率，单位波特（Baud，简记为B或Bd）。码元速率与信号使用的码元进制无关。 传码率与传信率均为衡量传输速率的指标，但有不同的概念，使用中不应混淆。二者之间在数值上可以换算。对于M进制的信号，若传码率为RB，相应的传信率Rb，则 Rb＝RBH（1-4）其中，H为该M进制信号消息集的平均信息量。实际系统通常默认M个消息出现的概率相等，则由式（1-3）可知H＝log2M，则有Rb＝RBlog2M（1-5） 从系统资源消耗的角度看，具有同样传输速率的系统可能需要不同的传输带宽，频带利用率定义为单位频带内每秒传输比特数（信息量），单位为bit/s/Hz，即 Rb η＝B（1-6） 其中，B为系统的有效传输带宽。频带利用率是一个综合带宽占用情况的有效性指标。 1.3.2 可靠性指标 1.模拟通信系统的可靠性指标 采用通信系统的输出信噪比衡量可靠性。输出信噪比定义为输出信号平均功率So与输出 噪声平均功率No之比，记为So/No。由于这个比值是个无量纲的数值，为了表示其物理意义， 采用分贝（dB）作为单位，即＝10lgSo（1-7） So NodBNo 显然，输出信噪比越高，可靠性质量越好。例如，商业电话以40dB为优良质量；电视节目至少要求50dB，优质的电视节目要达到60dB以上；公务通信的要求较低，需要20~25dB。各种系统的特性差异很大，还需要考虑调制方式的差异。 2.数字通信系统传输的可靠性指标 数字通信系统传输的可靠性指标可以用差错率来衡量，主要有误码率和误比特率两个指标。误码率Pe定义为错误接收码元在传输码元总数中所占的比例，即传输每个码元发生错误 接收的概率， Pe＝错误码元数（1-8）传输码元总数误比特率Pb定义为错误接收比特在传输比特总数中所占的比例，即传输每个比特发生错 误接收的概率， Pb＝误比特数（1-9）传输总比特数在二进制下两种错误概率一样，不再区分。误码率大小涉及信号设计、信号发送功率、传输信道特性及接收方式等诸多因素。系统误比特率达到一定规定值所需的最低归一化信噪比（即能量信噪比）定义为系统的功率 利用率，记为Eb/n0，其中Eb表示系统的每比特信息能量，n0为噪声单边功率谱密度。误比特率 一定时，所需的能量信噪比越低，则系统的功率利用率越高，反之则越低。 1.4 信道与干扰 要提高通信系统的性能，首先需要了解通信信道的特性，以及通信系统在传输中所受到的干扰。信道指信号的传输媒介，即物理信道，可以是有线或无线信道，也可以是物理存储介质，如光盘、磁盘等。 1.4.1 有线信道与无线信道 下面就有线信道和无线信道两类传输介质进行讨论。 1.有线信道 明线（openwire）是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。虽然它的传输损耗低，但由于易受天气和环境的影响，对外界噪声的干扰比较敏感，故逐 渐被电缆取代。 电缆包括对称电缆和同轴电缆两类。对称电缆指置于同一保护套内的多对信号绝缘的导线，并且为了减小每对导线之间的干扰，每对导线相互扭绞，称为双绞线。同一根电缆中的各对线之间按照一定的规律扭绞在一起，在电信网中，一根对称电缆中通常有25对双绞线，对称电缆的芯线直径在0.4~1.4mm，由于线径细相比明线损耗较大，但与外界的相互干扰较小，两根线中电流大小相同，方向相反，产生的磁场相互抵消，反之亦然，传输性能较稳定。对称电缆在有线电话网中广泛应用于用户接入电路，每个用户电话都通过一对双绞线连接到电话交换机，通常采用的是22~26号线规的双绞线。双绞线在计算机局域网中也得到了广泛的应用，Ethernet中使用的超五类线就由四对双绞线组成。 同轴电缆由同轴的两根导体组成，其间填充绝缘介质。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层，在内外导体之间可以填充实心介质材料火绝缘支架，起到支撑和绝缘的作用。由于外导体通常接地，因此能够起到很好的屏蔽作用。同轴电缆与外界的相互干扰小，带宽大，但相比对称电缆成本较高。 有线电视广播（CableTelevision，CATV）广泛采用同轴电缆为用户提供电视信号，同轴电缆也作为通信设备内部中频和射频部分经常使用传输的介质，如连接无线通信收发设备和天线之间的馈线和实验仪器常用的50Ω信号电缆。 光导纤维，简称光纤，是一种极细的能传导光波的介质，可由玻璃或塑料制成。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层覆盖，构成光通道。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，防止环境对光纤的伤害和干扰，包覆后的缆线称为光缆。光纤具有极宽的通频带，能提供极大的传输容量。光纤的质量轻，损耗低，耐腐蚀，抗电磁干扰强。利用光纤替代电缆能够节省大量的有色金属。 华裔科学家高锟（CharlesKuenKao）因其在纤维中传送光以实现光通信的开拓成就而获得诺贝尔物理奖，被誉为光纤之父。1970年，美国康宁（Corning）公司制造出了世界上第一根实用化的光纤。随着加工制造工艺的不断提高，光纤的衰减不断下降。世界各国干线传输网络主要由光纤构成。 2.无线信道 无线信道利用自由空间中的电磁波实现信号传输。 沿地面传播的无线电波称为地波，又称为表面波。电波的波长越短，越容易被地面吸收，因此只有长波和中波能在地面传播。地波不受气候影响，传播比较稳定可靠，但在传播过程中，能量不断被大地吸收，传播距离不远。地波适宜在较小范围里的通信和广播业务使用。在远距离通信时，波长越长越有利。长波和中波的广播、导航、对潜通信，以及短波乃至超短波的近距离通信仍广泛使用地表面波。 天波传播利用电离层的反射作用，在地面与电离层之间来回反射实现传播，最长距离4000km。电离层是指分布在地球大气层中距地面60km以上的电离区域，存在大量的自由电子与正离子、负离子，以及未被电离的中性离子。天波传播的主要优点是传输损耗小，设备简单，可以利用较小功率进行远距离通信。但是，电离层对信号存在多径效应、衰落、极化面旋转等影响。长波、中波、短波都可以利用电离层传播，短波是实现电离层远距离通信和广播最适当的波段。 电离层的电离子密度不均匀，对入射的超短波电波能产生散射作用，利用这种散射信号进行的超视距电离层散射通信基本上不受核爆炸和太阳耀斑的影响。流星散射就是一种电离层散射 通信方式，即利用流星经过的路径上遗留下的由电离气体和流星碎片组成的云雾状电离气体长带―――流星余迹进行通信。一条余迹寿命为百分之几秒到几分钟。流星余迹通信常用的波段为30~100MHz，通信距离可达2300km。不足之处是通信不连续，因此流星余迹通信系统的发射设备一般加装发送和接收消息存储器。 空间波传播方式指在视线范围内电磁波直接从发射天线传播到接收天线，或经地面反射到达接收天线，这种方式也称为视距传播方式。地面反射波受到反射点地质地形的影响，直射波受到低空大气层及地面障碍物的影响。空间波传播距离受到地球曲率的影响，最大距离限制在视线范围内。空间波通信应用广泛，中继通信、电视、广播及地面移动通信属于地面视距传播；飞机、通信卫星与地面设备间的通信属于地空视距通信；飞机之间、宇宙飞行器之间的电波传播也是空间波传播方式。 无线视距中继是指当电磁波的工作频率在超短波和微波波段时，由于直线视距一般在40~50km，因此需要中继方式实现长距离通信。中继站之间采用定向天线实现点对点的传输，距离很短，传播条件比较稳定。这种中继系统传输容量大，发射功率小，长途传输质量稳定，节约有色金属，投资少，维护方便，广泛用于传输多路电话及电视等。 卫星中继信道是利用人造地球卫星作为中继转发站实现的通信。人造地球卫星运行轨道在赤道平面上且距离地面35860km时，24小时环绕地球一周，在地球上观察卫星相对静止，这样的卫星称为同步（或静止）卫星。以三个同步卫星作为中继站，就可以几乎覆盖全球通信（除南北两极盲区外）。卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。其中，上行与下行线路分别是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星中继站中。卫星通信是电磁波直线传播，信道传播性能稳定可靠，传输距离远，容量大，覆盖地域广，广泛应用于传输多路电话、电报、图像数据和电视节目。 对流层是指离地面10~12km以下的大气层。在对流层中，大气湍流运动等原因导致不均匀气团引起电磁波散射。利用对流层散射传播机理可以实现超视距通信。对流层散射信道一跳的传播距离为100~500km，可工作在超短波和微波波段，通信容量较高，可传送高速数据和电视信号。对流层散射通信通常采用方向尖锐的抛物面天线，不易被截获或干扰，保密性好，抗干扰能力强，在军事和民用通信中得到越来越多的应用。 3.通信频段划分 为了充分利用频谱资源，满足有效性与可靠传输的要求，需要为各种通信系统合理选择并分配工作频段，表1-1给出了通信使用频段、传输介质及主要用途。通信工作频率与工作波长可以互换为 λ＝fc（1-10） 式中，c＝3×108m/s为电播在自由空间中的传播速度；f为工作频率；λ为工作波长。 对于有线信道，一般根据信道业务要求，考虑损耗、时延与相移特性等性能特征，以及最低与最高截频等来确定频段。海底通信适于极低频段，模拟话音的低频传输只利用300~3400Hz，优质声音（音乐）适用50Hz至15kHz带宽。比较复杂的问题是，各种无线通信根据空间电磁波传播特点选择分配工作频段。ITU-R对频谱分配进行了具体规则，各国有专门机构严格控制频率使用。 表1-1 通信使用频段划分 频 段符 号名 称波 长主要用途 30~300HzELF特低频104~103km海底通信、电报 0.3~3kHzULF音频103~102km数据终端、实线电话 3~30kHzVLF甚低频102~10km导航、电报电话、频率标准 30~300kHzLF低频10~1km导航、电力通信 0.3~3MHzMF中频103~102m广播、业余无线电通信、移动通信 3~30MHzHF高频102~10m国际定点通信、军用通信、广播 30~300MHzVHF甚高频10~1m电视、调频广播、移动通信 0.3~3GHzUHF超高频102~10cm电视、雷达、遥控遥测 3~30GHzSHF极高频10~1cm卫星和空间通信、微波接力 30~300GHzEHF特高频10~1mm射电天文、科学研究 105~107Hz紫外、可见光、红外30~3000μm光通信、激光空间传播 1.4.2 信道模型 为了方便地表述信道的一般特性，衡量信道对信号传输的影响，此处引入“广义信道”的概念。广义信道是一种逻辑信道，与传输介质无关。广义信道实际上是扩大信道范围后的信道，常用于通信系统性能分析。广义信道分为调制信道和编码信道，如图1-5所示。编码器输出的是一个数字序列，译码器输入的也是一个数字序列，从编码器输出端到译码器输入端称为编码信道。从调制器输出端到解调器输入端，包括物理媒体和线路设备（如交换、放大、中继等中间件）在内的部分称为调制信道。这种广义信道的定义有利于简化分析，也可以根据分析的对象定义其他的广义信道。 图1-5 广义信道模型 下面分别讨论调制信道和编码信道的数学模型。 1.调制信道模型 研究调制解调问题时，不关心信道究竟包括什么样的转换器，也不关心究竟采用什么传输介质，只关心从调制器输出的信号到达接收端的解调器时中间经历了怎样的变化，即信道传输结果如何。因此，发送和接收端的转换设备与传输介质合并为调制信道，模型化表示调制信道，考察已调信号通过调制信道后的最终结果。 对调制信道可以抽象出以下特性： （1）有一对或多对输入端口和输出端口； （2）信道多为线性，可叠加； （3）信号通过信道具有一定传输时延，而且受到固定或可变的衰耗； （4）零输入时信道仍有一定输出，即噪声。因此，可用一个时变线性网络来表示调制信道，如图1-6所示。对于具有一对输入输出端口的信道模型而 言，它的输入和输出之间的关系式可表示为eo（t）＝f ei（t）+n（t）（1-11）式中，ei（t）表示输入的已调信号，eo（t）表示信道输出信号，n（t）表示信道噪声或称信道干扰，图1-6 调制信道模型f ei（t）表示信道对输入信号的影响。n（t）与ei（t）相互独立，始终存在于系统中，因此n（t）称为加性干扰。考虑线性网络，f ei（t）＝k（t）?ei（t），式（1-11）可写成 eo（t）＝k（t）?ei（t）+n（t）（1-12）其中，k（t）取决于网络特性，k（t）?ei（t）反映网络特性对信号ei（t）的影响是线性的时变作用。k（t）对ei（t）来说是一种乘性干扰，对信号ei（t）影响较大。 由式（1-12）可以反映信道对信号的两类影响，一是乘性干扰k（t）的影响，二是加性干扰n（t）的影响。不同特性的信道反映为不同的k（t）及n（t）。理想信道特性可以表示为eo（t）＝k?ei（t），即k（t）为常数，n（t）为零，即加性干扰不存在，乘性干扰只表现为对信号功率的衰耗。 实际上，乘性干扰k（t）一般是一个复杂函数，它可能包括各种线性、非线性畸变。根据乘性干扰k（t）对信号影响的差异，信道可分为两大类，k（t）不随时间变化或变化极为缓慢的一类信道称为恒参信道，k（t）随时间随机变化的另一类信道则称为随参信道（或变参信道）。 有线信道通常可以视为恒参信道，而无线信道大部分为随参信道。具体来说，由架空明线、电缆、波导、中长波地波、超短波及微波视距、卫星中继、光导纤维及光波视距等传输介质构成的信道可以视为恒参信道，由其他介质构成的信道为随参信道。 2.编码信道模型 在考虑编码、译码问题时，主要关心的是编码后的数字信号在传输中受到的影响，因此调制信道与调制器、解调器合并为编码信道。通过编码信道的信号是数字信号编码序列，编码信道对信号的影响实际上是对数字序列的一种变换，因此编码信道可称为数字信道。由于衡量调制信道时，考虑的是对连续时变信号的影响，所以调制信道称为模拟信道。 从编译码角度看，编码后的数字序列经过编码信道得到的输出数字序列因为信道影响可能会与输入序列不同，即以某种概率发生差错。以二进制无记忆信道为例，当输入符号为1时，信道的输出可能错变为0，反之亦然。因此，编码信道模型可用数字信号的转移概率来描述。 在常见的二进制数字传输系统中，一般可以认为当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系，并且称这样的编码信道为无记忆编码信道；如果信道中的码元发生错误前后有联系，则称为有记忆编码信道。二进制无记忆编码信道模型如图1-7（a）所示，其中P（0/0）、P（1/0）、P（0/1）、P（1/1）为信道转移概率，P（0/0）和P（1/1）为正确转移概率，P（1/0）和P（0/1）为错误转移概率。根据概率性质可知 P（0/0）+P（1/0）＝1（1-13）
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