通信原理第一章課件

第一章緒論1.1引言1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.6信道及其容量

1.1引言

在人類社會(huì)歷史的長(zhǎng)河中，人們?yōu)闈M足生產(chǎn)和生活的需要,人際之間進(jìn)行思想情感的交流離不開信息的傳遞。古代的烽火臺(tái)、驛站；現(xiàn)代的電報(bào)、電話、傳真、電子信箱、廣播、電視等都是傳遞信息的手段和方式。自然界中，人們聽到、觀察到的現(xiàn)象，可用語(yǔ)言、文字、圖像等信息來(lái)表達(dá)、存儲(chǔ)或傳遞。隨著人類社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、全球經(jīng)濟(jì)一體化，信息被認(rèn)為是人類社會(huì)重要的資源之一，在政治、軍事、生產(chǎn)乃至人們的日常生活中起著十分重要的作用。誰(shuí)掌握了信息，誰(shuí)就擁有未來(lái)，信息是決策的基礎(chǔ)。通信中信息的傳送是通過(guò)信號(hào)來(lái)進(jìn)行的，如：電壓、電流信號(hào)等。信號(hào)是信息的載荷者。在各種各樣的通信方式中，利用“電信號(hào)”來(lái)承載信息的通信方式稱之為電通信，這種通信具有迅速、準(zhǔn)確、可靠等特點(diǎn)，而且?guī)缀醪皇軙r(shí)間、空間、地點(diǎn)、距離的限制，因而得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。如今，在自然科學(xué)中，“通信”與“電通信”幾乎是同義詞。在本書中的通信均指電通信。1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型我們把實(shí)現(xiàn)信息傳輸所需一切設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體稱為通信系統(tǒng)。以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為例，通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-1所示。圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型信道是指信號(hào)傳輸通道，按傳輸媒介的不同，可分為有線信道和無(wú)線信道兩大類。圖中的噪聲源，是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。在接收端，接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)，并將原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息，提供給受信者。1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型

傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。如圖l-2所示。圖1-2模擬通信系統(tǒng)模型

為了提高頻帶利用率，使多路信號(hào)同時(shí)在信道中傳輸，原始的電信號(hào)（基帶信號(hào)）一般要進(jìn)行調(diào)制才能傳輸?shù)叫诺乐腥?。調(diào)制是信號(hào)的一種變換，通常是將不便于信道直接傳輸?shù)幕鶐盘?hào)變換成適合信道中傳輸?shù)男盘?hào)，這一過(guò)程由調(diào)制器完成，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。在收端，經(jīng)解調(diào)器和逆變換器還原成語(yǔ)音信息。1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)和數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。圖1-3中，變換器的作用是把信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字基帶信號(hào)。信源編碼的主要任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠行?。信源編碼器的輸出就是信息碼元,此外，話音和圖像壓縮編碼等都是在信源編碼器內(nèi)完成。接收端信源譯碼則是信源編碼的逆過(guò)程信道編碼的任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。其基本做法是在信息碼組中按一定的規(guī)則附加一些監(jiān)督碼元，以使接收端根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，信道編碼也稱糾錯(cuò)編碼。接收端信道譯碼是其相反的過(guò)程。數(shù)字通信系統(tǒng)還有一個(gè)非常重要的控制單元，即同步系統(tǒng)（圖1-3沒有畫出）。它可以使通信系統(tǒng)的收、發(fā)兩端或整個(gè)通信系統(tǒng)，以精度很高的時(shí)鐘提供定時(shí)，以使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流能與發(fā)送端同步、有序而準(zhǔn)確地接收與恢復(fù)原信息。二、數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)與頻帶傳輸系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，我們把沒有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如圖1-4所示。圖1-4中基帶信號(hào)形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括譯碼器、解密器等。三、數(shù)字通信的主要特點(diǎn)

目前，無(wú)論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)越來(lái)越高的要求，數(shù)字通信技術(shù)已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，它有如下優(yōu)點(diǎn)：1、抗干擾、抗噪聲性能好在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)。以二進(jìn)制為例，信號(hào)的取值只有兩個(gè)，這樣發(fā)端傳輸?shù)暮褪斩私邮蘸团袥Q的電平也只有兩個(gè)值，若“1”碼時(shí)取值為A，“0”碼時(shí)取值為0，傳輸過(guò)程中由于信道噪聲的影響，必然會(huì)使波形失真，在接收端恢復(fù)信號(hào)時(shí)，2、差錯(cuò)可控?cái)?shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤（差錯(cuò)），可通過(guò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)控制。3、易加密數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相比，容易加密和解密。因此，數(shù)字通信保密性好。4、數(shù)字通信設(shè)備和模擬通信設(shè)備相比，設(shè)計(jì)和制造更容易，體積更小，重量更輕。5、數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)信源編碼進(jìn)行壓縮，以減少冗余度，提高信道利用率。6、易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。無(wú)線通信系統(tǒng)是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞信息的目的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。2、按信號(hào)的特征分前面已經(jīng)指出，按照攜帶信息的信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)。按通信設(shè)備的工作頻段不同，通信系統(tǒng)可分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。表1.3-1列出了通信中使用的頻段、常用傳輸媒質(zhì)及主要用途。表1.3-1中，工作波長(zhǎng)和頻率的換算公式為

(1.1)式（1.3-1）中，為工作波長(zhǎng)（m），f為最高工作頻率（Hz），c為光速（m/s）

表1.3-1通信頻段、常用傳輸媒質(zhì)及主要用途

4、按調(diào)制方式分類

根據(jù)信道中傳輸?shù)男盘?hào)是否經(jīng)過(guò)調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)。基帶傳輸是將沒有經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如音頻市內(nèi)電話；頻帶傳輸是對(duì)基帶信號(hào)調(diào)制后再送到信道中傳輸。常用的調(diào)制方式及相關(guān)理論將在本書第3章、第6章和第8章中詳細(xì)介紹。5、按通信業(yè)務(wù)類型分類根據(jù)通信業(yè)務(wù)類型的不同，通信系統(tǒng)可分為電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和圖像通信系統(tǒng)等.6、按信號(hào)復(fù)用方式分類

按信號(hào)復(fù)用方式，通信系統(tǒng)又可分為頻分復(fù)用（FDM）通信系統(tǒng)、時(shí)分復(fù)用（TDM）通信系統(tǒng)和碼分復(fù)用（CDM）通信系統(tǒng)等。1.3.2通信方式

1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系劃分通信方式

對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信，按信息傳送的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。單工通信是指信息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，如圖1-5（a）所示。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無(wú)線尋呼等。這里，信號(hào)只從廣播發(fā)射臺(tái)、遙控器和無(wú)線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)信息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如圖1-5（b）所示。例如無(wú)線對(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)行雙向傳輸信息的工作方式，如圖1-5（c）所示。例如普通電話、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等采用的就是全雙工通信方式。圖1-5通信方式示意圖2、按數(shù)字信號(hào)碼元排列方式劃分通信方式在數(shù)字通信中按照數(shù)字碼元排列順序的方式不同，可將通信方式分為串行傳輸和并行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元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，則稱為并行傳輸通信方式，如圖1-6（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是:速度快、節(jié)省傳輸時(shí)間，但需占用頻帶寬，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。串行傳輸是將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸，如圖1-6（b）所示。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。圖1-6并行和串行通信方式3、按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分通信方式通信系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為線型、星型、樹型、環(huán)型等類型。專門為兩點(diǎn)之間設(shè)立傳輸線的通信稱之為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。多點(diǎn)間的通信屬于網(wǎng)通信。網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。因此，本書重點(diǎn)討論點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的原理。

1.4信息及其度量

通信的目的在于信息的傳遞和交換。人們常將語(yǔ)言、文字、圖像和數(shù)據(jù)等信息的傳遞俗稱消息的傳遞。信息與消息在概念上相近，但信息一詞對(duì)通信來(lái)說(shuō)，更貼切、更具普遍性，信息可理解為消息中所含有的特定內(nèi)容。各種各樣的消息，其中有意義的特定內(nèi)容，均可用信息一詞來(lái)表述。如鐵路系統(tǒng)運(yùn)送貨物量多少采用“貨運(yùn)量”（不管運(yùn)送什么貨物）來(lái)度量，通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來(lái)度量。當(dāng)人們?cè)谕ㄐ胖蝎@得消息之前，對(duì)它的特定內(nèi)容有一種“不確定性”，事件的不確定程度只能就其出現(xiàn)的概率來(lái)描述。信息量與消息的種類、特定內(nèi)容及重要程度無(wú)關(guān)，它僅與消息中包含的不確定度有關(guān)。也就是說(shuō)消息中所含信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息發(fā)生概率愈小，愈使人感到意外和驚奇，則此消息所含的信息量愈大。例如，一方告訴另一方一件幾乎不可能發(fā)生的消息包含的信息量比可能發(fā)生的消息包含的信息量大。如果消息發(fā)生的概率趨于零（不可能事件),則它的信息量趨于無(wú)窮大；如果消息發(fā)生的概率為1（必然事件），則此消息所含的信息量為零。在信息論中，消息所含的信息量I與消息x出現(xiàn)的概率P(x)的關(guān)系式為（1.2）

I代表兩種含義：當(dāng)事件X發(fā)生以前，表示事件x發(fā)生的不確定性；當(dāng)事件x發(fā)生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。信息量的單位由對(duì)數(shù)底的取值決定。若對(duì)數(shù)以2為底時(shí)單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）；若以e為底時(shí)單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）；若以10為底時(shí)單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）。通常采用“比特”作為信息量的實(shí)用單位。[例1.2]某信息源的符號(hào)集由A，B，C，D和E組成，設(shè)每一符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。試求該信息源符號(hào)的平均信息量。解：該信息源符號(hào)的平均信息量為以上我們討論了離散消息的度量。類似，關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來(lái)描述。可以證明，連續(xù)消息的平均信息量（相對(duì)熵）為

（1.3）

式中,f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。有興趣的讀者，可參考信息論有關(guān)專著。1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)，往往要涉及到許多性能指標(biāo)，如系統(tǒng)的有效性、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性及使用維護(hù)方便性等。這些指標(biāo)可從各個(gè)方面評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的性能，但從研究信息傳輸方面考慮，通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標(biāo)。所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題，而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，對(duì)有效性和可靠性這兩個(gè)指標(biāo)的要求經(jīng)常是矛盾的，提高系統(tǒng)的有效性會(huì)降低可靠性，反之亦然。因此在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)，對(duì)兩者應(yīng)統(tǒng)籌考慮。1.5.1模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用所傳信號(hào)的有效傳輸帶寬來(lái)表征。當(dāng)信道容許傳輸帶寬一定，而進(jìn)行多路頻分復(fù)用時(shí)，每路信號(hào)所需的有效帶寬越窄，信道內(nèi)復(fù)用的路數(shù)就越多。顯然，信道復(fù)用的程度越高，信號(hào)傳輸?shù)挠行跃驮胶谩Ｐ盘?hào)的有效傳輸帶寬與系統(tǒng)采用的調(diào)制方法有關(guān)。同樣的信號(hào)用不同的方法調(diào)制得到的有效傳輸帶寬是不一樣的。模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用整個(gè)通信系統(tǒng)的輸出信噪比來(lái)衡量。信噪比是信號(hào)的平均功率S與噪聲的平均功率N之比。信噪比越高，說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)的影響越小。顯然，信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。輸出信噪比一方面與信道內(nèi)噪聲的大小和信號(hào)的功率有關(guān)，同時(shí)又和調(diào)制方式有很大關(guān)系。例如寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的有效性不如調(diào)幅系統(tǒng)，但是調(diào)頻系統(tǒng)的可靠性往往比調(diào)幅系統(tǒng)好。1.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

一、有效性指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)表征。1、傳輸速率傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率和信息傳輸速率。碼元傳輸速率簡(jiǎn)稱傳碼率，又稱符號(hào)速率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud）記為B。信息傳輸速率簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號(hào)“bit/s”表示。傳碼率和傳信率都是用來(lái)衡量數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)的，但是注意二者既有聯(lián)系又有區(qū)別。在N進(jìn)制下，設(shè)信息速率為（bit/s），碼元速率為RBN(Baud)，由于每個(gè)碼元或符號(hào)通常都含有一定比特的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關(guān)系，即

(1.5)式中，為信源中每個(gè)符號(hào)所含的平均信息量（熵）。當(dāng)離散信源的每一符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí)，熵有最大值為信息速率也達(dá)到最大，即（1.6)（1.7)式中，N為符號(hào)的進(jìn)制數(shù)，在二進(jìn)制下，碼元速率與信息速率數(shù)值相等，但單位不同。2、頻帶利用率在比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占信道的頻帶寬度。頻帶利用率有兩種表示方式：碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率。碼元頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率，即信息頻帶利用率是指每秒鐘在單位頻帶上傳輸?shù)男畔⒘?，?/p>

（1.8)（1.9)二、可靠性指標(biāo)

數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用差錯(cuò)率來(lái)衡量。差錯(cuò)率越小，可靠性越高。差錯(cuò)率也有兩種表示方法：誤碼率和誤信率。1、誤碼率：指接收到的錯(cuò)誤碼元數(shù)和總的傳輸碼元個(gè)數(shù)之比，即在傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤碼元的概率，記為（1.10）

2、誤信率：又叫誤比特率，是指接收到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)和總的傳輸比特?cái)?shù)之比，即在傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤信息量的概率，記為（1.11）

[例1.3]設(shè)一信息源的輸出由128個(gè)不同符號(hào)組成。其中16個(gè)出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個(gè)出現(xiàn)概率為1/224。信息源每秒發(fā)出1000個(gè)符號(hào)，且每個(gè)符號(hào)彼此獨(dú)立。試計(jì)算該信息源的平均信息速率。

解：每個(gè)符號(hào)的平均信息量為

=6.404bit/符號(hào)已知碼元速率RB=1000B，，故該信息源的平均信息速率為[例1.4]已知某八進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為3000bit/s，在收端10分鐘內(nèi)共測(cè)得出現(xiàn)18個(gè)錯(cuò)誤碼元，試求該系統(tǒng)的誤碼率。解：依題意則由式（1.10）得系統(tǒng)的誤碼率1.6信道及其容量任何一個(gè)通信系統(tǒng)，均可視為由發(fā)送端、信道和接收端三大部分組成。因此，信道是通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，信道特性的好壞直接影響到系統(tǒng)的總特性。本節(jié)將重點(diǎn)討論信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀⒔榻B信道中加性噪聲的一般特性及信道容量的概念。1.6.1信道的定義和分類

通常對(duì)信道的定義有兩種理解：一種是指信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，如對(duì)稱電纜、同軸電纜、超短波及微波視距傳播路徑、短波電離層反射路徑、對(duì)流層散射路徑以及光纖等，稱此種類型的信道為狹義信道。另一種是將傳輸媒質(zhì)和各種信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換、耦合等設(shè)備都?xì)w納在一起，包括發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備，饋線與天線、調(diào)制器等部件和電路在內(nèi)的傳輸路徑或傳輸通路，這種范圍擴(kuò)大了的信道稱為廣義信道。廣義信道按照它包含的功能，可以劃分為調(diào)制信道與編碼信道。在模擬通信系統(tǒng)中，主要是研究調(diào)制和解調(diào)的基本原理，其傳輸信道可以用調(diào)制信道來(lái)定義。所謂調(diào)制信道是指圖1-7中調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分。從調(diào)制和解調(diào)的角度來(lái)看，調(diào)制器輸出到解調(diào)器輸入端的所有變換裝置及傳輸媒質(zhì)，不管其中間過(guò)程如何，只是對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行某種變換，因此可以將其視為一個(gè)整體。在研究調(diào)制、解調(diào)問(wèn)題時(shí)，定義一個(gè)調(diào)制信道是非常方便的。圖1-7調(diào)制信道和編碼信道在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果我們只關(guān)心編碼和譯碼問(wèn)題，可以定義編碼信道來(lái)突出研究的重點(diǎn)。所謂編碼信道是指圖1-7中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。因?yàn)閺木幋a和譯碼的角度來(lái)看，編碼器是把信源所產(chǎn)生的消息信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，譯碼器則是將數(shù)字信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的消息信號(hào)，而編碼器輸出端至譯碼器輸入端之間的一切環(huán)節(jié)只是起到了傳輸數(shù)字信號(hào)的作用，所以可以將其歸為一體來(lái)討論。圖1-7為調(diào)制信道與編碼信道的示意圖。1.6.2信道數(shù)學(xué)模型

信道的數(shù)學(xué)模型用來(lái)表征實(shí)際物理信道的特性，它反映信道輸出和輸入之間的關(guān)系。下面我們簡(jiǎn)要描述調(diào)制信道和編碼信道這兩種廣義信道的數(shù)學(xué)模型。1、調(diào)制信道模型調(diào)制信道屬于模擬信道，通過(guò)對(duì)調(diào)制信道進(jìn)行大量的分析研究，發(fā)現(xiàn)它具有如下共性：（1）有一對(duì)（或多對(duì)）輸入端和一對(duì)（或多對(duì)）輸出端；（2）絕大多數(shù)的信道都是線性的，即滿足線性疊加原理；（3）信號(hào)通過(guò)信道具有一定的延遲時(shí)間，而且它還會(huì)受到（固定的或時(shí)變的）損耗；（4）即使沒有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的輸出（噪聲）。根據(jù)以上幾條性質(zhì)，調(diào)制信道可以用一個(gè)線性時(shí)變網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示，如圖1-8所示。圖1-8調(diào)制信道模型圖1-8中輸入與輸出之間的關(guān)系可以表示為式中,是輸入的已調(diào)信號(hào)；是信道的輸出；n(t)為加性噪聲（或稱加性干擾）,它與不發(fā)生依賴關(guān)系，或者說(shuō),n(t)獨(dú)立于。（1.12）

中“f”表示網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出信號(hào)之間的某種函數(shù)關(guān)系。為了便于數(shù)學(xué)分析，通常假設(shè)

其中k(t)依賴于網(wǎng)絡(luò)特性，它對(duì)來(lái)說(shuō)是一種乘性干擾。因此，式（1.6-1）就可以改寫為（1.13）

由以上分析可見，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)；二是加性干擾n(t)。如果了解和的特性，則信道對(duì)信號(hào)的具體影響就能確定。信道的不同特性反映在信道模型上有不同的k(t)和n(t)。通常，把前面提到的架空明線、電纜、波導(dǎo)、中長(zhǎng)波地波傳播、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼、光導(dǎo)纖維以及光波視距傳播等傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信道稱為恒參信道；而將短波電離層反射，超短波流星余跡散射，超短波及微波對(duì)流層散射，超短波電離層散射以及超短波視距繞射等傳輸媒質(zhì)所分別構(gòu)成的信道稱為隨參信道。2、編碼信道模型編碼信道是包括調(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：調(diào)制信道對(duì)信號(hào)的影響是通過(guò)和使信號(hào)的模擬波形發(fā)生變化。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)把調(diào)制信道看成是一種模擬信道，而把編碼信道看成是一種數(shù)字信道。在常見的二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，編碼信道的簡(jiǎn)單模型如圖1-9所示。圖1-9二進(jìn)制編碼信道模型

圖1-9的模型中，P(0)和P(1)分別表示發(fā)送“0”符號(hào)和“1”符號(hào)的先驗(yàn)概率，P(0/0)與P(1/1)是正確轉(zhuǎn)移的概率，而P(1/0)與P(0/1)是錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移的概率。信道噪聲越大將導(dǎo)致輸出數(shù)字序列發(fā)生錯(cuò)誤越多，錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移條件概率P(1/0)與P(0/1)也就越大；反之，錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移條件概率P(1/0)與P(0/1)就越小。信道輸出總的錯(cuò)誤概率為Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)（1.14）

由概率論的性質(zhì)可知P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道的特性決定，一個(gè)特定的編碼信道就會(huì)有其相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)移概率關(guān)系。而編碼信道的轉(zhuǎn)移概率一般需要對(duì)實(shí)際信道做大量的統(tǒng)計(jì)分析才能得到。由無(wú)記憶二進(jìn)制編碼信道模型可以容易地推廣到多進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型。圖1-10給出了一個(gè)多進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型。圖1-10多進(jìn)制無(wú)記憶編碼信道模型

由于編碼信道包含調(diào)制信道，且它的特性也緊密地依賴于調(diào)制信道，故下面我們主要討論調(diào)制信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?.6.3調(diào)制信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

一、恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懹捎诤銋⑿诺缹?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的。因此，其傳輸特性可以等效為一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)，該線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性可以用幅度—頻率特性和相位—頻率特性來(lái)表征。1、信號(hào)不失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件

對(duì)于信號(hào)傳輸而言，通常追求的是信號(hào)通過(guò)信道時(shí)不產(chǎn)生失真或者失真小到不易察覺的程度。由《信號(hào)與系統(tǒng)》課程可知，線性網(wǎng)絡(luò)傳輸特性H(ω)通?？捎梅龋l率特性|H(ω)|和相位－頻率特性來(lái)表征，即要使任意一個(gè)信號(hào)通過(guò)線性網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生波形失真，網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性H(ω)應(yīng)該具備以下兩個(gè)理想條件：（1）網(wǎng)絡(luò)的幅度－頻率特性|H(ω)|是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù)，如圖1-11（a）所示，其中為常數(shù)。（1.15）(2)網(wǎng)絡(luò)的相位－頻率特性應(yīng)與頻率成直線關(guān)系，如圖1-11（b）所示，其中K為常數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的相位－頻率特性常用群時(shí)延－頻率特性來(lái)表示。所謂群時(shí)延－頻率特性是指相位－頻率特性的導(dǎo)數(shù)，即（1.16）

可見，對(duì)于理想的無(wú)失真信道，如果相頻特性是線性的，則群時(shí)延－頻率特性是－條水平直線，如圖1-11（c）所示。圖1-11理想的幅－頻特性、相－頻特性、群時(shí)延－頻率特性2、信號(hào)兩種主要失真及其影響信號(hào)經(jīng)過(guò)恒參信道時(shí)，若信道的幅度特性在信號(hào)頻帶內(nèi)不是常數(shù)，則信號(hào)的各頻率分量通過(guò)信道后將產(chǎn)生不同的幅度衰減，從而引起信號(hào)波形的失真，我們稱這種失真為幅－頻失真；幅－頻失真對(duì)模擬通信影響較大，導(dǎo)致信噪比下降。若信道的相頻特性在信號(hào)頻帶內(nèi)不是頻率的線性函數(shù)，則信號(hào)的各頻率分量通過(guò)信道后將產(chǎn)生不同的時(shí)延，從而引起波形的群時(shí)延失真，我們稱這種失真為相－頻失真。相－頻失真對(duì)語(yǔ)音通信影響不大，但對(duì)數(shù)字通信影響較大，會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾，造成誤碼。信道的幅－頻失真是一種線性失真，可以用一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。若此線性網(wǎng)絡(luò)的頻率特性與信道的幅－頻特性之和，在信號(hào)頻譜占用的頻帶內(nèi)，為一條水平直線，則此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就能夠完全抵消信道產(chǎn)生的幅－頻失真。信道的相－頻失真也是一種線性失真，所以也可以用一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。[例1.5]設(shè)某恒參信道的傳輸特性為其中，td為常數(shù)。試確定信號(hào)s(t)通過(guò)該信道后的輸出信號(hào)表達(dá)式，并討論該信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽＝猓涸摵銋⑿诺赖膫鬏敽瘮?shù)為

沖激響應(yīng)為輸出信號(hào)為討論：因?yàn)樵撔诺赖姆l特性不為常數(shù)，所以輸出信號(hào)存在幅頻失真，而相頻特性是頻率的線性函數(shù)，所以輸出信號(hào)不存在相頻失真。二、隨參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S參信道的參數(shù)隨時(shí)間隨機(jī)快變化，所以它的特性比恒參信道要復(fù)雜，對(duì)傳輸信號(hào)的影響也較為嚴(yán)重。影響信道特性的主要因素是傳輸媒介，如電離層的反射和散射，對(duì)流層的散射等。隨參信道的傳輸媒質(zhì)有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）對(duì)信號(hào)的衰耗隨時(shí)間而變化。在隨參信道中，傳輸媒介參數(shù)隨氣象條件和時(shí)間的變化而隨機(jī)變化。如電離層對(duì)電波的吸收特性隨年份、季節(jié)、白天和黑夜在不斷地變化，因而對(duì)傳輸信號(hào)的衰減也在不斷地發(fā)生變化，這種變化通常稱為衰落。但是，由于這種信道參數(shù)的變化相對(duì)而言是十分緩慢的，所以稱這種衰落為“慢衰落”。慢衰落對(duì)傳輸信號(hào)的影響可以通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備的增益來(lái)補(bǔ)償。實(shí)際中，還存在一種“快衰落”，后面將介紹的由多徑傳播所引起的衰落就屬于“快衰落”。（2）傳輸?shù)臅r(shí)延隨時(shí)間而變。（3）多徑傳播。由于多徑傳播對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響最大，下面對(duì)其進(jìn)行專門討論。由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)的電波可能經(jīng)多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為多徑傳播，如圖1-12所示。圖1-12多徑傳播示意圖在存在多徑傳播的隨參信道中，接收信號(hào)將是衰減和時(shí)延都隨時(shí)間變化的各路徑信號(hào)的合成。設(shè)發(fā)射波為,它經(jīng)過(guò)n條路徑傳播到接收端，則接收信號(hào)R(t)可用下式表示（1.17）

式中，為由第i條路徑到達(dá)的接收信號(hào)幅度；為第i條路徑到達(dá)的接收信號(hào)的時(shí)延；和都是隨機(jī)變化的。應(yīng)用三角公式，式（1.17）可以改寫為其中，設(shè)

（1.18）

同相分量

正交分量

（1.19）

（1.20）

將式（1.19）和式（1.20）代入（1.18），得出

（1.21）

上式中，V(t)為接收信號(hào)R(t)的包絡(luò)（1.22）

為接收信號(hào)的相位

（1.23）

根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)觀察表明，當(dāng)傳播路徑充分大時(shí)，R(t)可視為一個(gè)包絡(luò)和相位均隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)。由式（1.21）可以看出，從波形上看，多徑傳播的結(jié)果使發(fā)射信號(hào)變成了包絡(luò)和相位隨機(jī)緩慢變化的窄帶信號(hào)，這樣的信號(hào)稱之為衰落信號(hào)，如圖1-13（a）所示；從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散，即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻譜，如圖1-13（b）所示。圖1-13衰落信號(hào)的波形與頻譜示意圖多徑傳播使包絡(luò)產(chǎn)生的起伏雖然比信號(hào)的周期緩慢，但是其周期仍然可能是在秒的數(shù)量級(jí)。故通常將由多徑效應(yīng)引起的衰落稱為“快衰落”。多徑傳播不僅會(huì)造成上述的衰落和頻率彌散，同時(shí)還可能發(fā)生頻率選擇性衰落。在多徑傳播時(shí)，由于各條路徑的等效網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)不同，于是各網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同頻率的信號(hào)衰減也就不同，這就使接收點(diǎn)合成信號(hào)的頻譜中某些分量衰減特別嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落。下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)建立這個(gè)概念。設(shè)多徑傳播的路徑只有兩條，且這兩條路徑具有相同的衰減，但是時(shí)延不同。若發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)兩條路徑傳播后，到達(dá)接收端的信號(hào)分別為和。其中a是傳播衰減，t0是第一條路徑的時(shí)延，τ是兩條路徑的時(shí)延差。則接收合成信號(hào)為（1.24）

設(shè)發(fā)射信號(hào)的傅里葉變換對(duì)為

（1.25）

則接收合成信號(hào)的頻譜為

（1.26）

于是，該兩徑信道的傳輸函數(shù)為

（1.27）

則

（1.28）

式（1.28）傳輸函數(shù)的曲線如圖1-14所示。它表明此多徑信道的傳輸衰減和信號(hào)頻率有關(guān)。

上述概念可以推廣到多徑傳播中去，雖然此時(shí)信道的傳輸特性將比兩條路徑的信道傳輸特性要復(fù)雜得多，但同樣存在頻率選擇性衰落現(xiàn)象。多徑傳播時(shí)的相對(duì)時(shí)延差通常用最大多徑時(shí)延差來(lái)表征。設(shè)信道最大多徑時(shí)延差為，則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為（1.29）

相關(guān)帶寬表示信道傳輸特性相鄰兩個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔。如果信號(hào)的帶寬比相關(guān)帶寬寬，則將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。為了減小頻率選擇性衰落，就應(yīng)使信號(hào)的帶寬小于相關(guān)帶寬。在工程設(shè)計(jì)中，為了保證接收信號(hào)質(zhì)量，通常選擇信號(hào)帶寬為相關(guān)帶寬的1/5~1/3。當(dāng)在多徑信道中傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，特別是傳輸高速數(shù)字信號(hào)，頻率選擇性衰落將會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾。為了減小碼間干擾的影響，就必須限制數(shù)字信號(hào)傳輸速率。圖1-14選擇性衰落特性

隨參信道的衰落，將會(huì)嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的性能。為了抗快衰落，通?？刹捎枚喾N措施，例如，各種抗衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)等，其中較為有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術(shù)。按廣義信道的含義，分集接收可看作是隨參信道中的一個(gè)組成部分或一種改造形式，改造后的隨參信道的衰落特性將得到改善。衰落信道中接收的信號(hào)是到達(dá)接收機(jī)的各路徑分量的合成，如果在接收端同時(shí)獲得幾個(gè)不同路徑的信號(hào)，把這些信號(hào)適當(dāng)合并構(gòu)成總的接收信號(hào)，這樣就能大大減小衰落的影響，這就是分集接收的基本思想?！胺旨眱勺志褪前汛硗恍畔⒌男盘?hào)分散傳輸，以求在接收端獲得若干衰落樣式不相關(guān)的復(fù)制品，然后用適當(dāng)?shù)姆椒右约泻喜?，從而達(dá)到以強(qiáng)補(bǔ)弱的效果。獲取不相關(guān)衰落信號(hào)的方法是將分散得到的幾個(gè)合成信號(hào)集中（合并）。只要被分集的幾個(gè)信號(hào)之間是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喜⒑缶湍艽蟠蟾纳葡到y(tǒng)的性能。1.6.4信道中的噪聲

我們將信道中不需要的電信號(hào)統(tǒng)稱為噪聲。通信系統(tǒng)中沒有傳輸信號(hào)時(shí)也有噪聲，噪聲永遠(yuǎn)存在于通信系統(tǒng)中。由于這樣的噪聲是疊加在信號(hào)上的，所以有時(shí)將其稱為加性噪聲。噪聲對(duì)于信號(hào)的傳輸是有害的，它能使模擬信號(hào)失真，使數(shù)字信號(hào)發(fā)生錯(cuò)碼，并隨之限制著信息的傳輸速率。一、按照來(lái)源分類噪聲可以分為人為噪聲和自然噪聲兩大類。1、人為噪聲。它是由人類的活動(dòng)產(chǎn)生的，例如電鉆和電氣開關(guān)瞬態(tài)造成的電火花、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的電火花、熒光燈產(chǎn)生的干擾、其它電臺(tái)和家電用具產(chǎn)生的電磁波輻射等。2、自然噪聲。它是自然界中存在的各種電磁波輻射，例如閃電、大氣噪聲，以及來(lái)自太陽(yáng)和銀河系等的宇宙噪聲。此外還有一種很重要的自然噪聲，即熱噪聲。熱噪聲來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。例如，導(dǎo)線、電阻和半導(dǎo)體器件等均會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。所以熱噪聲無(wú)處不在，不可避免地存在于一切電子設(shè)備中。二、按照性質(zhì)分類噪聲可以分為脈沖噪聲、窄帶噪聲和起伏噪聲三類。1、脈沖噪聲。它是突發(fā)性地產(chǎn)生的幅度很大、持續(xù)時(shí)間很短、間隔時(shí)間很長(zhǎng)的干擾。由于其持續(xù)時(shí)間很短，故其頻譜較寬，可以從低頻一直分布到甚高頻，但是頻率越高其頻譜的強(qiáng)度越小。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。2、窄帶噪聲。它可以看作是一種非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波，或簡(jiǎn)單地就是一個(gè)幅度恒定的單一頻率的正弦波。通常它來(lái)自相鄰電臺(tái)或其它電子設(shè)備。窄帶噪聲的頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的。3、起伏噪聲。它是在時(shí)域和頻域內(nèi)都普遍存在的隨機(jī)噪聲。熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等都屬于起伏噪聲。上述各種噪聲中，脈沖噪聲不是普遍地、持續(xù)地存在的，對(duì)于話音通信的影響也較小，但是對(duì)于數(shù)字通信可能有較大影響。同樣，窄帶噪聲也是只存在于特定頻率、特定時(shí)間和特定地點(diǎn)，所以它的影響也是有限的。只有起伏噪聲無(wú)處不在。所以，在討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲（特別是熱噪聲），它是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源。通信系統(tǒng)模型中的“噪聲源”就是分散在通信系統(tǒng)各處加性噪聲（主要是起伏噪聲）的集中表示，它概括了信道內(nèi)所有的熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲等。根據(jù)大量的實(shí)踐證明，起伏噪聲是一種高斯噪聲，且在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)其頻譜是均勻分布的，好像白光的頻譜在可見光的頻譜范圍內(nèi)均勻分布那樣，所以起伏噪聲又常稱為白噪聲。因此，通信系統(tǒng)中的噪聲常常被近似地表述成高斯白噪聲。在討論通信系統(tǒng)性能受噪聲的影響時(shí)，我們主要分析的就是高斯白噪聲的影響。1.6.5信道容量信息是通過(guò)信道傳輸?shù)模绻诺朗艿郊有愿咚拱自肼暤母蓴_，傳輸信號(hào)的功率和帶寬又都受到限制，這時(shí)信道的傳輸能力如何？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，香農(nóng)在信息論中已經(jīng)給出了回答，這就是著名的信道容量公式，又稱為香農(nóng)公式。（1.30）

式中，C為信道容量，是指信道可能傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?，它是信道能夠達(dá)到的最大傳輸能力；B為信道帶寬；為信號(hào)的平均功率；N為高斯白噪聲的平均功率；S/N為信噪比。由于噪聲功率N與信道帶寬B有關(guān)，若設(shè)單位頻帶內(nèi)的噪聲功率為n0，單位為W/Hz（n0又稱為單邊功率譜密度）。則噪聲功率N=n0B。因此，香農(nóng)公式的另一種形式為（1.31）

香農(nóng)公式主要討論了信道容量、帶寬和信噪比之間的關(guān)系，是信息傳輸中非常重要的公式，也是目前通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析的理論基礎(chǔ)。由香農(nóng)公式可得以下結(jié)論：

（1）當(dāng)給定B、S/N時(shí)，信道的極限傳輸能力C（信道容量）即確定。如果信道實(shí)際的傳輸信息速率R小于或等于C時(shí)，此時(shí)能做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（差錯(cuò)率可任意?。Ｈ绻鸕大于C，那么無(wú)差錯(cuò)傳輸在理論上是不可能的。（2）提高信噪比S/N（通過(guò)減少n0或增大S），可提高信道容量C。特別是，若，則，這意味著無(wú)干擾信道容量為無(wú)窮大；（3）當(dāng)信道容量C一定時(shí)，帶寬B和信噪比S/N之間可以互換。換句話說(shuō)，要使信道保持一定的容量，可以通過(guò)調(diào)整帶寬B和信噪比S/N之間的關(guān)系來(lái)達(dá)到。（4）增加信道帶寬B并不能無(wú)限制地增大信道容量。當(dāng)信道噪聲為高斯白噪聲時(shí)，隨著帶寬B的增大，噪聲功率N也增大，信道容量的極限值為由式（1.6-21）可見，即使信道帶寬無(wú)限大，信道容量仍然是有限的。（1.32）

香農(nóng)公式給出了通信系統(tǒng)所能達(dá)到的極限信息傳輸速率，達(dá)到極限信息速率并且差錯(cuò)率為零的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)。但是，香農(nóng)公式只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒有指出這種通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。因此，理想通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要我們不斷地努力。1.6.6幾種常用信道

一、話音信道話音信道是指?jìng)鬏旑l帶在300～3400Hz的音頻信道。按照與話音終端設(shè)備連接的導(dǎo)線數(shù)量，話音信道可分為二線信道和四線信道。在二線信道上，收發(fā)在同一線對(duì)上進(jìn)行；在四線信道上，收發(fā)分別在兩對(duì)不同的線對(duì)上進(jìn)行。二、數(shù)字信道數(shù)字信道是直接傳輸數(shù)字信號(hào)的信道。數(shù)字通信常使用的數(shù)字信道有數(shù)字光纖信道、數(shù)字微波中繼信道和數(shù)字衛(wèi)星信道。1、數(shù)字光纖信道（1）光纖及傳輸模式光纖（OpticalFiber）的材質(zhì)是極細(xì)小的玻璃纖維（纖芯直徑4-75μm），非常適合傳輸光波信號(hào)。光纖利用在圓柱型光波導(dǎo)內(nèi)的電磁波傳播實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的定向傳輸。以“1”和“0”兩種狀態(tài)表征的數(shù)字信號(hào)用光脈沖的“有”和“無(wú)”來(lái)分別表示并送入光纖信道傳輸。

按傳輸模式分，目前在光纖信道中傳輸?shù)碾姶挪ㄓ卸嗄Ｅc單模兩種。具有多種傳播模式的光纖稱為多模光纖，只傳播一種模式的光纖稱為單模光纖。與多模光纖相比，由于單模光纖具有色散小的突出優(yōu)點(diǎn)，可使傳輸容量和傳輸距離大幅度提高，所以得到廣泛應(yīng)用。（2）光纖信道數(shù)字光纖信道是以光波為載波，用光纖作為傳輸介質(zhì)的數(shù)字信道。光波在近紅外區(qū)，波長(zhǎng)范圍為0.76～15μm，頻率范圍為20-390THz。光纖信道由光發(fā)射機(jī)、光纖線路、光接收機(jī)三個(gè)基本部分構(gòu)成。通常將光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)統(tǒng)稱為光端機(jī)。光發(fā)射機(jī)主要由光源、基帶