現(xiàn)代通信系統(tǒng)概論P(yáng)PT完整全套教學(xué)課件

目錄MENU第一章緒論第二章通信系統(tǒng)基本技術(shù)第三章通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用第四章交換系統(tǒng)第五章通信網(wǎng)第六章通信網(wǎng)的應(yīng)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(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史

1.古代通信

利用自然界的基本規(guī)律和人的基礎(chǔ)感官（視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等）可達(dá)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(shí)間跨度達(dá)到4000多年。1840年5月6日，英國(guó)發(fā)行了世界上第一枚郵票——“一便士黑票”，見(jiàn)圖1-1。

圖1-1世界上第一枚郵票

2.近現(xiàn)代通信

以電磁技術(shù)為起始，是電磁通信和數(shù)字時(shí)代的開(kāi)始。

1835年，美國(guó)雕塑家、畫(huà)家、科學(xué)愛(ài)好者塞繆爾·莫爾斯（SamuelMorse）成功地研制出世界上第一臺(tái)電磁式（有線）電報(bào)機(jī)，如圖1-2所示。１

圖1-2第一臺(tái)電磁式電報(bào)機(jī)

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

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(tái)電話機(jī)。并于1876年申請(qǐng)了發(fā)明專利。1878年在相距300km的波士頓和紐約之間進(jìn)行了首次長(zhǎng)途電話實(shí)驗(yàn)，并獲得了成功，如圖1-4所示。

圖1-4首次長(zhǎng)途電話

1892年，美國(guó)人A.B.史端喬（AlmonB.Strowger）發(fā)明了世界上第一部自動(dòng)交換機(jī)，這是一臺(tái)步進(jìn)式IPM電話交換機(jī)，如圖1-5所示。

圖1-5自動(dòng)交換機(jī)

1901年，意大利工程師馬可尼發(fā)明火花隙無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)，如圖1-6所示，成功發(fā)射穿越大西洋的長(zhǎng)波無(wú)線電信號(hào)。圖1-6無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)

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

圖1-7第一個(gè)蜂窩移動(dòng)電話

在模擬PSTN形態(tài)的基礎(chǔ)上，形成了綜合數(shù)字網(wǎng)（IDN）網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，在此過(guò)程中有一系列成就：

●統(tǒng)一了話音信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)；

●用數(shù)字傳輸系統(tǒng)代替模擬傳輸系統(tǒng)；

●用數(shù)字復(fù)用器代替載波機(jī)；

●用數(shù)字電子交換機(jī)代替模擬機(jī)電交換機(jī)；

●發(fā)明了分組交換機(jī)。

3.當(dāng)代通信

當(dāng)代通信是移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代。

這個(gè)時(shí)代的特征是，形成了高速數(shù)字化通信、全球互聯(lián)、各種業(yè)務(wù)融合，通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)、人工智能、自動(dòng)化等技術(shù)的融合，極大地促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展。

1.1.2通信發(fā)展趨勢(shì)

1.寬帶化

寬帶化主要是使通信線路所傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)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(shí)候任何地點(diǎn)都可以建立起相互的聯(lián)系。

3.智能化

智能網(wǎng)業(yè)務(wù)將會(huì)被廣泛使用，它是在原有通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上為用戶提供新業(yè)務(wù)而設(shè)置的附加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它的最大特點(diǎn)是將網(wǎng)絡(luò)的交換功能與控制功能分開(kāi)。

4.安全化

模擬信號(hào)傳遞的信息更容易被竊取，數(shù)字化之后增加了保密性，同時(shí)現(xiàn)在的通信越來(lái)越重視信息的加密算法。量子通信技術(shù)將為保密通信提供技術(shù)保障。

1.2通信的基本概念1.2.1消息、信息、信號(hào)消息是表達(dá)客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和主觀思維活動(dòng)的狀態(tài)，指報(bào)道事情的概貌而不講述詳細(xì)的經(jīng)過(guò)和細(xì)節(jié)，以簡(jiǎn)要的語(yǔ)言文字迅速傳播新近事實(shí)的新聞體裁，也是最廣泛、最經(jīng)常采用的新聞基本體裁，如文字、語(yǔ)言、圖像等。消息傳遞過(guò)程即是消除不確定性的過(guò)程：收信前，收信者存在不確定（疑問(wèn)），不知消息的內(nèi)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(nèi)容后，消除原先的“不確定”。消息的三個(gè)特點(diǎn)是：真實(shí)性、實(shí)效性、傳播性。

信息指的是消息中所包含的具體的內(nèi)容。信息與消息的關(guān)系是：形式上傳輸消息，實(shí)質(zhì)上傳輸信息；消息具體，信息抽象；消息是表達(dá)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(lái)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(hào)（也稱為訊號(hào)）是運(yùn)載消息的工具，是消息的載體。從廣義上講，它包含光信號(hào)、聲信號(hào)和電信號(hào)等。

1.2.2信息及其度量

1.消息的統(tǒng)計(jì)特性

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

設(shè)離散信源包含有n種符號(hào)，即x1，x2，…，xn的集合，每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為P(x1)，P(x2)，…，P(xn)，則可以用概率場(chǎng)：

來(lái)表示離散信源。例如，英語(yǔ)中26個(gè)字母以及單詞間空格的出現(xiàn)概率如表1-l所示，漢字電報(bào)的十進(jìn)制數(shù)字代碼中，數(shù)字0～9的出現(xiàn)概率如表1-2所示。

在大多數(shù)情況下，離散信號(hào)中各符號(hào)之間并不相互獨(dú)立，而往往存在著一定的關(guān)聯(lián)。即當(dāng)前符號(hào)出現(xiàn)的概率與先前出現(xiàn)的符號(hào)有關(guān)，由此必須用條件概率來(lái)描述離散消息。為了簡(jiǎn)化，通常只考慮前一個(gè)符號(hào)對(duì)后一個(gè)符號(hào)的影響。這是一個(gè)馬爾可夫鏈問(wèn)題，可以用轉(zhuǎn)移概率矩陣來(lái)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(xiàn)的概率來(lái)描述。也就是說(shuō)，消息中的信息含量與消息發(fā)生的概率有關(guān)，消息出現(xiàn)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(xiàn)概率的對(duì)數(shù)測(cè)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(dāng)a為2時(shí)，信息量單位稱為比特（bit）；當(dāng)a為e時(shí)，信息量單位稱為奈特（nit）；當(dāng)a為10時(shí)，信息量的單位為笛特（Det）。目前應(yīng)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(hào)，若“0”出現(xiàn)概率為1/3，求出現(xiàn)“1”的信息量。

解：由于全概率為1，因此出現(xiàn)“1”的概率為2/3。由信息量定義式（1-3）可知，出現(xiàn)“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(xiàn)概率為0.105，故其信息量為

j的出現(xiàn)概率為0.001，故其信息量為

如果消息由一串符號(hào)構(gòu)成，且假設(shè)各符號(hào)的出現(xiàn)互相統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，離散信源的概率場(chǎng)如式（1-1）所示，則根據(jù)信息相加性概念，整個(gè)消息的信息量為

例1-3某離散信源由0、1、2、3四種符號(hào)組成，其概率場(chǎng)為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312的信息量。

解：此消息總長(zhǎng)為45個(gè)符號(hào)，其中0出現(xiàn)18次，1出現(xiàn)11次，2出現(xiàn)10次，3出現(xiàn)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?shù)南⒍己荛L(zhǎng)，那么用符號(hào)出現(xiàn)概率來(lái)計(jì)算消息的信息量顯然是比較麻煩的，此時(shí)我們可以用平均信息量的概念來(lái)計(jì)算。所謂平均信息量，是指每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，因此N個(gè)符號(hào)的離散消息源的平均信息量可用下式表示：

例1-4計(jì)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(jì)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(jié)果并不完全相同，其原因是例1-3的消息序列還不夠長(zhǎng)，各符號(hào)出現(xiàn)的頻次與概率場(chǎng)中給出的概率并不相等。隨著序列長(zhǎng)度增大，其誤差將趨于零。

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

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

若消息中各符號(hào)的出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)相關(guān)，則式（1-5）將不再適用，具體可參見(jiàn)相關(guān)書(shū)籍。

1.2.3通信系統(tǒng)組成模型

傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和稱為通信系統(tǒng)。一個(gè)簡(jiǎn)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(jù)信息源輸出信號(hào)的性質(zhì)不同可分為模擬信源和離散信源。模擬信源（如電話機(jī)、電視攝像機(jī)）輸出連續(xù)幅度的信號(hào)；離散信源（如電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)）輸出離散的符號(hào)序列或文字。模擬信源可通過(guò)抽樣和量化變換為離散信源。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，離散信源的種類和數(shù)量愈來(lái)愈多。隨著信息源和接收者不同，信息速率在很大范圍內(nèi)變化。

（2）發(fā)送設(shè)備

信息的傳輸媒介多種多樣，如電纜、光纖、微波等。發(fā)送設(shè)備的基本功能就是將信源和傳輸媒介匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換為便于傳送的信號(hào)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(shè)備和接收設(shè)備的部分，它可以是無(wú)線的，也可以是有線的（包括光纖），有線和無(wú)線均有多種傳輸媒介形式。

（4）接收設(shè)備

接收設(shè)備的功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，它的任務(wù)是從帶有干擾的信號(hào)中正確恢復(fù)出原始信號(hào)來(lái)。

由于信源有模擬和數(shù)字兩類，因此通信系統(tǒng)相應(yīng)地也分成兩類，即模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，模擬信號(hào)可以通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)并在數(shù)字通信

系統(tǒng)中傳輸，當(dāng)然在接收端再通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后還原成模擬信號(hào)。

對(duì)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(hào)（簡(jiǎn)稱模擬信號(hào)），在接收端再將電信號(hào)反變換成連續(xù)的消

息。這種變換設(shè)備是一種換能器，如將聲能或光能轉(zhuǎn)換成電能。大多數(shù)的傳輸信道不適合于模擬信號(hào)的直接傳輸，這主要是因?yàn)槟M信號(hào)多為低通型（信號(hào)的最低頻率幾乎為零）信號(hào)而大多數(shù)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(hào)轉(zhuǎn)換成其頻帶適合于在帶通型信道中傳輸?shù)男盘?hào)，并在接收端進(jìn)行相反變換。這種變換與反變換在通信中被稱為調(diào)制與解調(diào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，它應(yīng)有兩個(gè)基本特性：一是攜帶有消息，二是適應(yīng)在信道中傳輸。通常，我們將調(diào)制前和解調(diào)后的信號(hào)稱為基帶信號(hào)。

因此，一個(gè)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(wèn)題應(yīng)包括：

①收發(fā)兩端的換能過(guò)程及基帶信號(hào)的特性。

②調(diào)制解調(diào)原理。

③信道與噪聲的特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

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(shù)字通信系統(tǒng)的模型如圖1-10所示。圖中沒(méi)有給出數(shù)字通信系統(tǒng)的同步環(huán)節(jié)。當(dāng)然，在實(shí)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(lái)，圖1-10所示的數(shù)字通信系統(tǒng)其主要研究的基本問(wèn)題為：

①收發(fā)兩端的換能過(guò)程、模擬信號(hào)數(shù)字化以及數(shù)字基帶信號(hào)的特性。

②數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理。

③信道和噪聲的特性及其對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

④抗信道干擾的差錯(cuò)控制編碼，即信道編碼問(wèn)題。

⑤數(shù)字通信的保密性。

⑥通信系統(tǒng)的同步問(wèn)題（包括載波同步、位同步、網(wǎng)同步）。

此外還需要補(bǔ)充說(shuō)明兩點(diǎn)：

第一，以上所給出的是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的單向通信系統(tǒng)，但在大多數(shù)場(chǎng)合下，信源兼為收信者，通信的雙方需要隨時(shí)交流信息，因而要求雙向通信；

第二，在許多情況下，一個(gè)通信系統(tǒng)是可以進(jìn)行多路信號(hào)的傳輸，這時(shí)系統(tǒng)中將包括多路信號(hào)復(fù)用器和分路器，常用的多路信號(hào)的復(fù)用方式有頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)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(jù)消息的物理特征的不同，有電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)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(dá)，因而其他通信常常借助于公共的電話通信系統(tǒng)進(jìn)行。

2.按調(diào)制方式分類

根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和調(diào)制傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如音頻市內(nèi)電話、數(shù)字信號(hào)基帶傳輸?shù)?。調(diào)制傳輸是對(duì)各種信號(hào)變換方

式后傳輸?shù)目偡Q，調(diào)制的目的有以下三個(gè)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(diào)制方式正是為了達(dá)到這些目的而發(fā)展起來(lái)的。調(diào)制方式很多，表1-3給出一些常見(jiàn)的調(diào)制方式，我們將陸續(xù)詳細(xì)講述它們的原理。應(yīng)當(dāng)指出，在實(shí)際使用時(shí)常常采用復(fù)

合的調(diào)制方式，即用不同調(diào)制方式進(jìn)行多級(jí)調(diào)制。

3．按傳輸信號(hào)的特征分類

變換后的信號(hào)與原信號(hào)之間必須建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，否則在收端就無(wú)法恢復(fù)出原來(lái)的消息。調(diào)制時(shí)消息攜帶在正弦波或脈沖序列的某個(gè)參量或幾個(gè)參量上，按參量的取值方式

可將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)中參量的取值范圍是連續(xù)的，因此可有無(wú)限多個(gè)取值。

按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分成兩類，即模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信在近20年來(lái)得到了迅速發(fā)展，其原因是：

①抗干擾能力強(qiáng)。

②便于進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理，有利于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)。

③易于實(shí)現(xiàn)集成化。

④功耗低、體積小。

⑤保密性強(qiáng)。

⑥采用時(shí)分多路復(fù)用，可省去大量的濾波器。

4．按傳送信號(hào)的復(fù)用方式分類

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

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(wú)線通信兩類。所謂有線通信，是指消息傳遞是用導(dǎo)線來(lái)完成的通信方式；所謂無(wú)線通信，是指利用無(wú)線電波或其他物理波在空間的傳播方式來(lái)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(biāo)

通信的任務(wù)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(zhì)量指標(biāo)。有效性是指在給定信道內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)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(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，有效性可用信息傳輸速率來(lái)衡量。二進(jìn)制數(shù)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(dāng)二進(jìn)制數(shù)字0、l取值等概率時(shí)，傳送一個(gè)二進(jìn)制數(shù)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(gè)二進(jìn)制脈沖。顯然，當(dāng)信道一定時(shí)，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(jìn)制傳輸，此時(shí)每個(gè)碼元攜帶的信息量超過(guò)lbit。

若碼元速率為Rs，信息速率為Rb，每個(gè)碼元有M種可能采用的符號(hào)，即M進(jìn)制碼元，則它們之間的關(guān)系為

或

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

數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。誤比特率為

誤碼元率為

有時(shí)將誤比特率稱為誤信率，誤碼元率稱為誤符號(hào)率或誤碼率。

顯然，在二進(jìn)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(gè)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(duì)信道與噪聲的認(rèn)識(shí)往往是研究

通信問(wèn)題的基礎(chǔ)。

1.信道的定義

信道是指用于傳輸信號(hào)的媒介。目前可用于信號(hào)傳輸?shù)拿浇楦爬ㄈ缦拢?/p>

①架空明線。

②同軸電纜。

③中長(zhǎng)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(duì)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(dǎo)傳播。

光導(dǎo)纖維。

光波視距傳播。

應(yīng)該說(shuō)，信道的這種定義是直觀的。但從研究消息傳輸?shù)挠^點(diǎn)來(lái)說(shuō)，我們所關(guān)心的只是如1.2.3小節(jié)所指出的基本問(wèn)題，因而，信道的范圍還可以擴(kuò)大。它除包括傳輸媒介外，

還可能包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換器（如發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等）。我們稱這種擴(kuò)大范圍的信道為廣義信道，而把僅指?jìng)鬏斆浇榈男诺婪Q為狹義信道。在討論通信的一般原理時(shí)，通常采用的是廣義信道。

在通信原理中，我們常常遇見(jiàn)的廣義信道之一就是所謂的調(diào)制信道。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。

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

調(diào)制信道和編碼信道的示意圖見(jiàn)圖1-11。

圖1-11調(diào)制信道與編碼信道

應(yīng)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(shí)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(shí)，“傳輸媒介”是討論的重點(diǎn)。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際的需要，有時(shí)除重點(diǎn)關(guān)心傳輸媒介外，還應(yīng)該考慮到其他組成部分的有關(guān)特性。

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

2.信道模型

為表述信道的一般特性，我們先來(lái)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(hào)，y(t)為信道的輸出信號(hào)，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(jù)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(duì)x(t)的最終作用。k(t)的存在，對(duì)x(t)來(lái)說(shuō)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(jiàn)，信道對(duì)信號(hào)的影響可歸結(jié)到兩點(diǎn)：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(duì)信號(hào)的具體影響就能

搞清楚。不同特點(diǎn)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(gè)復(fù)雜的函數(shù)，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(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)間在做隨機(jī)變化的原因。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，也就是說(shuō)，信道對(duì)信號(hào)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(jī)快變化的，因此，分析研究乘性干擾k(t)時(shí)，在相對(duì)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(shí)間變化或基本不變化的；另一類稱為隨（機(jī)）參（量）信道，它便是非恒參信道的統(tǒng)稱，或者說(shuō)它的k(t)是隨機(jī)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(gòu)成的信道歸于恒參信道，而其他傳輸媒介所構(gòu)成的信道就歸于隨參信道。

3.信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

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(lái)表征。因此，在原理上講只要得到了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，就可求得信號(hào)通過(guò)信道后

的變化規(guī)律。

1）幅度-頻率畸變

幅度-頻率特性簡(jiǎn)稱幅頻特性，是指在不同頻率時(shí)信道的輸入輸出關(guān)系。理想信道的幅頻特性應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(jiǎn)稱相頻特性，是指不同頻率在信道中的傳輸延時(shí)關(guān)系。理想信道的相頻特性應(yīng)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(guān)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(lái)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(yán)重。

信道的相位-頻率特性還經(jīng)常采用群遲延-頻率特性（簡(jiǎn)稱群遲延特性）來(lái)衡量。所謂群遲延特性，便是相位-頻率特性對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù)，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(xiàn)線性關(guān)系，則τ(ω)將是一條水平直線，見(jiàn)圖1-15所示。此時(shí)，信號(hào)的不同頻率成分將有相同的遲延，因而信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后不發(fā)生畸變。但實(shí)際的信道特

性總是偏離如圖1-15所示的特性的，例如，一個(gè)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(dāng)非單一頻率的信號(hào)通過(guò)信道時(shí)，信號(hào)頻譜中的不同頻率分量將有不

同的遲延（使它們的到達(dá)時(shí)間先后不一），從而引起信號(hào)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(dú)立于有用信號(hào)（攜帶信息的信號(hào)），但它卻始終干擾有用信號(hào)，因而就不可避免地對(duì)通信造成影響。

信道中加性噪聲（簡(jiǎn)稱噪聲）的來(lái)源是多方面的，但一般可以分為三方面：

●人為噪聲來(lái)源于無(wú)關(guān)的其他信號(hào)源

●自然噪聲指自然界存在的各種電磁波源

●內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲

常見(jiàn)的和基本的隨機(jī)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(tái)信號(hào)），它可視為一個(gè)已調(diào)正弦波，但其幅度、頻率及相位都是事先不能預(yù)知的。這種噪聲的主要特點(diǎn)是占有極窄的頻帶，但在頻率軸上的位置可以實(shí)測(cè)。

（2）脈沖噪聲

脈沖噪聲是在時(shí)間上無(wú)規(guī)則地時(shí)而安靜時(shí)而突發(fā)的噪聲，例如，工業(yè)的點(diǎn)火輻射、閃電和電氣開(kāi)關(guān)通斷等產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲的主要特點(diǎn)是其突發(fā)的脈沖幅度大，但單個(gè)突發(fā)脈沖持續(xù)時(shí)間短且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間往往有較長(zhǎng)的安靜時(shí)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(diǎn)是，無(wú)論在時(shí)域內(nèi)還是在頻域內(nèi)，它們總是普遍存在和不可避免的。

4）信道容量和香農(nóng)公式

在通信系統(tǒng)中，信息是通過(guò)信道進(jìn)行傳輸?shù)?。而在一條傳輸信道上所傳輸?shù)男畔⒉⒉皇菬o(wú)限制的，在單位時(shí)間內(nèi)信道能無(wú)錯(cuò)誤傳輸?shù)淖畲笮畔⒘勘环Q為信道容量。信道容量單

位是比特每秒或比特每符號(hào)。

信道容量與上述三者的關(guān)系為

其中，S表示信號(hào)功率，N表示噪聲功率，B是信道帶寬。

上式就是著名的香農(nóng)信道容量公式，簡(jiǎn)稱為香農(nóng)公式。

由香農(nóng)公式可得如下結(jié)論：

①提高信號(hào)與噪聲功率之比能增加信道容量。

②當(dāng)噪聲功率N→0時(shí)，信道容量C趨于∞，這意味著無(wú)干擾信道容量為無(wú)窮大。

③增加信道頻帶（也就是信號(hào)頻帶）B并不能無(wú)限制地使信道容量增大。當(dāng)噪聲為白色高斯噪聲時(shí)，隨著B(niǎo)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(shí)，帶寬B與信噪比S/N之間可以彼此互換。

香農(nóng)公式雖然給出了理論極限，但對(duì)如何達(dá)到或接近這一理論極限，并未給出具體的實(shí)現(xiàn)方案。第二章通信系統(tǒng)基本技術(shù)2.1信源信號(hào)2.2信號(hào)的基帶傳輸2.3信號(hào)的頻帶傳輸2.4信號(hào)的復(fù)用傳輸2.5常用通信系統(tǒng)

2.1信源信號(hào)

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

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成，如圖2-1所示。圖2-1傳感器的基本組成結(jié)構(gòu)

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

轉(zhuǎn)換器件則將上述非電量轉(zhuǎn)換成電參量。

轉(zhuǎn)換電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等可測(cè)電量，以便進(jìn)行顯示、記錄、控制和處理的部分。

2.常見(jiàn)信號(hào)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(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的聲/電轉(zhuǎn)換器件。傳聲器首先把聲能變換成機(jī)械能，再把機(jī)

械能變換成電能。可以用傳聲器的靈敏度、頻率響應(yīng)、指向性、信噪比及失真度等指標(biāo)來(lái)衡量傳聲器性能的優(yōu)劣。

因應(yīng)用場(chǎng)合不同，技術(shù)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(dòng)圈式傳聲器的話筒。

圖2-2常用的傳聲器

2）光/電轉(zhuǎn)換

目前常用的光電轉(zhuǎn)換器多為半導(dǎo)體類型的器件。其原理是利用這類特殊半導(dǎo)體器件的光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換。如當(dāng)光照射在半導(dǎo)體器件上時(shí)，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(yīng)用也極其普遍。圖2-3所示為常見(jiàn)的光電/轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件。

圖2-3常見(jiàn)光/電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件

圖2-4所示為常見(jiàn)的CCD圖像傳感器。圖2-4常用CCD圖像傳感器

3）壓/電轉(zhuǎn)換

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)。某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符

號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。

圖2-5所示為壓電轉(zhuǎn)換器用于測(cè)距。

圖2-5壓電轉(zhuǎn)換器在測(cè)距方面的應(yīng)用

2.1.2信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程

1.脈沖編碼調(diào)制（PCM）的基本原理

數(shù)字信號(hào)是離散信號(hào)，其離散包括時(shí)間和幅度取值的離散。

對(duì)連續(xù)信號(hào)采用一定時(shí)間間隔的抽樣脈沖進(jìn)行抽樣來(lái)實(shí)現(xiàn)在時(shí)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，通常可采用量化的辦法來(lái)完成。所謂量化，就是“分級(jí)”和“分層”的意思，相當(dāng)于用“四舍五入”的方法，使每一個(gè)連續(xù)量歸為某一臨近的“整數(shù)”。圖2-6（b）就是一個(gè)量化的示意圖。

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

圖2-6脈沖編碼調(diào)制過(guò)程示意圖

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

其進(jìn)行低通濾波即可恢復(fù)出連續(xù)信號(hào)，從而完成數(shù)/模變換。

綜上所述，采用PCM方式進(jìn)行通信的過(guò)程可由圖2-7示意。它就是PCM通信系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單模型。

圖2-7PCM通信系統(tǒng)模型

2.抽樣——時(shí)間上的離散

圖2-8為抽樣模型圖，圖中的開(kāi)關(guān)受抽樣脈沖控制。當(dāng)高電位時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，信號(hào)輸出，低電位時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，無(wú)信號(hào)輸出?？梢?jiàn)抽樣器具有相乘的功能，因此在有些書(shū)中抽樣器就用乘法器表示。

圖2-8抽樣實(shí)現(xiàn)模型

設(shè)輸入信號(hào)x(t)的頻譜為x(ω)。抽樣信號(hào)是周期為T(mén)s的沖擊脈沖信號(hào)s(t)。任何一周期函數(shù)均可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，即

可見(jiàn)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(shí)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(hào)是輸入信號(hào)與每個(gè)余弦波分別相乘后的疊加。輸入信號(hào)與余弦波相乘就是將輸入信號(hào)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(jù)上述關(guān)系可以得出抽樣后輸出信號(hào)的頻譜如圖2-10所示。當(dāng)抽樣符合抽樣定理，即fs≥2fm時(shí)，抽樣后輸出信號(hào)的頻譜沒(méi)有重疊現(xiàn)象，如圖2-10（a）所示。該信號(hào)

可以通過(guò)一個(gè)截止頻率為fm的低通濾波器，得到的信號(hào)頻譜與輸入頻譜完全一樣，也即完全還原出了原始信號(hào)。然而當(dāng)抽樣不符合抽樣定理，即fs＜2fm時(shí)，抽樣后輸出信號(hào)的頻譜將出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，如圖2-10（b）所示。這種信號(hào)通過(guò)低通濾波器后恢復(fù)出的信號(hào)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(hào)數(shù)字化過(guò)程的第二步，就是把抽樣信號(hào)的幅度離散化。量化過(guò)程會(huì)對(duì)信號(hào)帶來(lái)?yè)p傷從而產(chǎn)生噪聲（量化噪聲）。

對(duì)抽樣后的信號(hào)進(jìn)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(hào)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(lái)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(jí)的大小隨信號(hào)而變，即信號(hào)小時(shí)量化級(jí)就小，信號(hào)大時(shí)量化級(jí)就隨之增大。從而使小信號(hào)的信噪比提高，而大信號(hào)的信噪比被適量減小，以獲得通信所需的動(dòng)態(tài)范圍。非均勻量化過(guò)程是利用了壓縮擴(kuò)張的原理。因此非均勻量化過(guò)程可以用如圖2-12所示的壓縮擴(kuò)張的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2-12非均勻量化原理圖

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

由于壓縮法提高了弱信號(hào)的量化信噪比，而可能較少地降低強(qiáng)信號(hào)的量化信噪比，因而，這也相當(dāng)于把信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍展寬了。例如，在同樣劃分256個(gè)量化級(jí)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(kuò)張器的輸出視作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并令該網(wǎng)絡(luò)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(shù)字化過(guò)程對(duì)信號(hào)的影響

1.實(shí)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(shí)的結(jié)果可以用圖2-16來(lái)說(shuō)明。（關(guān)于自然抽樣的理論證明可參考“通信原理”課程的內(nèi)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(nèi)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(gè)問(wèn)題的，即使每個(gè)抽樣后脈沖的頂部不隨信號(hào)變化（維持一個(gè)固定值）。在實(shí)際應(yīng)用中，平頂抽樣的實(shí)現(xiàn)方式是先采用較窄的抽樣脈沖進(jìn)行抽樣，然后由保持電路對(duì)窄的抽樣脈沖進(jìn)行保持來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

為了便于分析，我們將平頂抽樣看成是理想抽樣后再經(jīng)過(guò)一個(gè)保持電路來(lái)形成的，其模型如圖2-17所示。平頂抽樣的結(jié)果可以用圖2-18來(lái)說(shuō)明，關(guān)于平頂抽樣的理論證明亦可

參考“通信原理”課程的內(nèi)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(lái)的誤差——量化誤差。量化誤差是落在一個(gè)量化級(jí)內(nèi)抽樣值與被量化值之差。根據(jù)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(jí)）。前者是將抽樣值量化成該量化級(jí)起點(diǎn)值時(shí)的最大量化誤差結(jié)果；后者是將抽樣值量化成該量化級(jí)中間值時(shí)的最大量化誤差結(jié)果，這種情況時(shí)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(shí)的Δ=5/256。顯然編碼位數(shù)越高，量化誤差就越小，但碼的速率將變高。

2.2信號(hào)的基帶傳輸

2.2.1基帶傳輸?shù)幕靖拍顚?duì)于信號(hào)的基帶傳輸，根據(jù)兩根用于信號(hào)傳輸?shù)膶?dǎo)線對(duì)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(dǎo)線中有一根對(duì)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(dǎo)線對(duì)地阻抗是一樣的，如圖2-19（b）所示。

圖2-19基帶傳輸?shù)幕痉绞?/p>

2.2.2基帶傳輸對(duì)碼型的要求

數(shù)字基帶信號(hào)是以電脈沖形式來(lái)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(jié)構(gòu)。

1.基帶傳輸?shù)拇a型要求

在有線信道中傳輸?shù)幕鶐盘?hào)碼型又稱為線路傳輸碼型。對(duì)于本地的距離較近的設(shè)備與設(shè)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(shè)計(jì)選擇時(shí)應(yīng)考慮以下原則：

①對(duì)于傳輸頻帶低端受限的信道，一般來(lái)講線路傳輸碼型的頻譜中應(yīng)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(guò)程應(yīng)對(duì)任何信源具有透明性，即與信源的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)關(guān)。所謂信源的統(tǒng)計(jì)特性，是指信源產(chǎn)生各種數(shù)字信息的概率分布，簡(jiǎn)單的講就是0碼

和1碼的概率。

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

④具有便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)信號(hào)傳輸質(zhì)量的能力，即應(yīng)能檢測(cè)出基帶信號(hào)碼流中錯(cuò)誤的信號(hào)狀態(tài)。

⑤對(duì)于某些基帶傳輸碼型，信道中產(chǎn)生的單個(gè)誤碼會(huì)擾亂一段譯碼過(guò)程，從而導(dǎo)致譯碼輸出信息中出現(xiàn)多個(gè)錯(cuò)誤，這種現(xiàn)象稱為誤碼擴(kuò)散（或誤碼增殖）。

⑥當(dāng)采用分組形式的傳遞碼型時(shí)（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(hào)中提取位定時(shí)信息，而且要恢復(fù)出分組同步信息，以便將收到的信號(hào)正確地劃分成固定長(zhǎng)度的碼組。

⑦盡量減少基帶信號(hào)頻譜中的高頻分量。

⑧碼型變換的實(shí)現(xiàn)電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。

2.基帶信號(hào)常用的碼型

根據(jù)各種數(shù)字基帶信號(hào)中每個(gè)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(jiàn)圖2-20（a））

單極性非歸零碼是最常見(jiàn)的一種二元碼，通常數(shù)字電路處理的就是這種信號(hào)，用高電平和低電平（常為零電平）分別來(lái)表示二進(jìn)制信息的1和0，在整個(gè)碼元期間內(nèi)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(jiàn)圖2-20（c））

所謂歸零，是指代表碼元的電平持續(xù)時(shí)間只占整個(gè)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(shí)高電平只是整個(gè)碼元期間的一部分，而在碼元的其余時(shí)間內(nèi)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(jiàn)，歸零碼同樣含有豐富的直流和低頻分量，但信號(hào)中

的跳變多了一倍，因而該碼型頻譜中含有時(shí)鐘分量，因此有利于定時(shí)信號(hào)的提取。

4）差分碼（見(jiàn)圖2-20（d））

差分碼又稱相對(duì)碼。上面的幾種碼型有一個(gè)共同特點(diǎn)就是信息0和1使用幅度不同的電位來(lái)表示的，這種表示方式就稱為絕對(duì)碼。而所謂的相對(duì)碼，就是信息的1和0碼分別用電平的跳變和不變來(lái)表示。顯然，相對(duì)碼的電平幅度與碼1和0之間不存在絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相對(duì)碼是利用電平幅度的相對(duì)變化來(lái)傳輸信息的。

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

式中，an為絕對(duì)碼，bn為相對(duì)碼，an-1、bn-1代表相應(yīng)的前一位碼。

5）傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）

在數(shù)據(jù)傳輸中，將碼元1稱為傳號(hào)，0稱為空號(hào)。傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼的變換規(guī)則是將二進(jìn)制信息0碼用0電平表示，二進(jìn)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(gè)主要的缺點(diǎn)，這就是它的性能與信源統(tǒng)計(jì)特性有密切關(guān)系。它的功率譜形狀隨信息中傳號(hào)率（即出現(xiàn)“1”

的概率）而變化，如圖2-24所示。特別是當(dāng)信息中出現(xiàn)長(zhǎng)串連“0”碼時(shí)，信號(hào)將維持長(zhǎng)時(shí)間的零電平，因而定時(shí)提取遇到困難。通常在PCM傳輸中，連“0”碼一般不得超過(guò)15個(gè)，否則位定時(shí)就要丟失。

圖2-24不同傳號(hào)率時(shí)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(xiě)，它是在AMI碼的基礎(chǔ)上用特定碼組來(lái)取代AMI碼中的4個(gè)連0，使HDB3碼中的連0數(shù)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(shí)別出取代節(jié)，人為地在取代節(jié)中設(shè)置“破壞點(diǎn)”，在這些“破壞點(diǎn)”處，傳號(hào)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(duì)的問(wèn)題

在基帶傳輸系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)被變換成相應(yīng)的發(fā)送基帶波形后，被送入信道中進(jìn)行傳輸。信號(hào)在通過(guò)信道傳輸時(shí)，一方面要受到信道特性的影響，使信號(hào)產(chǎn)生畸變；另一方面

信號(hào)被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號(hào)的隨機(jī)畸變。因此，到達(dá)接收端的基帶波形信號(hào)已發(fā)生了畸變。為此，在接收端通常都安排一個(gè)接收濾波器，使噪聲盡量地得到抑制，而使信號(hào)順利地通過(guò)。然而，在接收濾波器的輸出信號(hào)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(gè)識(shí)別電路。常用的識(shí)別電路由整形器和抽樣判決器組成。整形器把接收信號(hào)整理成適合于抽樣判決的波形，即使信號(hào)波形在抽樣點(diǎn)處最大，如圖2-25（c）所示。抽樣判決器對(duì)整形后的信號(hào)波形進(jìn)行抽樣，然后將抽樣值與判決門(mén)限進(jìn)行比較，若抽樣值大于門(mén)限值，則判為“有”基帶波形存在，即“1”碼，否則就判為“無(wú)”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(hào)，如圖2-25（d）所示。不難看出，無(wú)論是整

形還是抽樣判決，它們都有進(jìn)一步排除噪聲干擾和提取有用信號(hào)的作用。只要信號(hào)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(hào)。

圖2-25接收基帶信號(hào)的識(shí)別

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

根據(jù)信號(hào)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(jiǎn)化為如圖2-27所示。圖2-27基帶傳輸簡(jiǎn)化模型

因此，基帶傳輸系統(tǒng)對(duì)傳輸信號(hào)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(lái)的畸變；二是信號(hào)被疊加上噪聲n(t)。無(wú)論是信號(hào)產(chǎn)生畸變還是被疊加上噪聲，

其結(jié)果都將可能引起識(shí)別出現(xiàn)差錯(cuò)，從而導(dǎo)致誤碼。

1.畸變的影響與應(yīng)對(duì)

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(hào)的波形產(chǎn)生畸變，而畸變的結(jié)果將會(huì)使接收到的序列碼流的波形出現(xiàn)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(shí)別電路抽取的樣值中不僅包含當(dāng)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(chǎn)生識(shí)別錯(cuò)誤，引起誤碼。

關(guān)于碼間干擾的形成可以通過(guò)圖2-28來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)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(duì)線性波形的影響

2）無(wú)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(xiàn)實(shí)中是非常普遍的，如圖2-29（a）所示。根據(jù)“信號(hào)與系統(tǒng)”的理論分析，當(dāng)數(shù)字脈沖通過(guò)低通后輸出的波形如圖2-29（b）所示。

圖2-29脈沖通過(guò)理想低通后的波形

當(dāng)然像門(mén)函數(shù)這樣的理想低通是不可能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)無(wú)碼間干擾傳輸。

圖2-30無(wú)碼間干擾傳輸條件

2.噪聲的影響與應(yīng)對(duì)

1）噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

前面我們提到，在討論噪聲的影響時(shí)忽略傳輸系統(tǒng)特性的影響，即認(rèn)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(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。由于自由電子熱運(yùn)動(dòng)沒(méi)有任何規(guī)律，因此熱噪聲屬于隨機(jī)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(jì)特性，其平均電壓為零，有效電壓的平方為n0（參見(jiàn)“通信原理”）。噪聲對(duì)通信的影響如圖2-31所示。

圖2-31噪聲對(duì)傳輸?shù)挠绊?/p>

2）最佳接收機(jī)

圖2-31只是一種概念性的描述，從中產(chǎn)生了一些疑問(wèn)：一是抽樣的時(shí)刻是否在最佳的時(shí)刻，如果抽樣的時(shí)刻取得合適是否誤碼就可以小一些；再就是信號(hào)的傳輸時(shí)間為T(mén)s，而

只對(duì)這其中的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行抽樣判決，這一個(gè)點(diǎn)好像不能反映所有Ts內(nèi)的信號(hào)，如果將Ts內(nèi)的信號(hào)都收齊后再進(jìn)行判決是否誤碼也可以小一些。也就是說(shuō)，是否可以建立基于某種抽

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

圖2-32最佳接收機(jī)模型

利用式（2-6）的關(guān)系，我們可以構(gòu)成如圖2-33所示的最佳接收機(jī)結(jié)構(gòu)。圖中的比較器在t=Ts時(shí)刻進(jìn)行比較。

圖2-33最佳接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

比較式（2-7）、式（2-8），則式（2-6）可進(jìn)行化簡(jiǎn)：

根據(jù)式（2-9）構(gòu)成的最佳接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-34所示。由于是根據(jù)相關(guān)性大小進(jìn)行判決的，因此這種接收機(jī)是基于“最大相關(guān)性準(zhǔn)則”的最佳接收機(jī)。該最佳接收機(jī)又被稱為“相關(guān)檢測(cè)器”。圖中的比較器是在時(shí)刻t＝Ts上進(jìn)行比較的，故可理解為是一個(gè)抽樣加判決的電路，因此圖2-34可以用圖2-35來(lái)完整表示。

圖2-34相關(guān)檢測(cè)器

圖2-35實(shí)用意義的最佳接收機(jī)

2.3信號(hào)的頻帶傳輸

2.3.1頻帶傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)技術(shù)1．頻帶傳輸?shù)囊饬x通常基帶信號(hào)屬于低通類型的信號(hào)，這類信號(hào)只適合于在低通型信道中傳輸。一般的有線電纜構(gòu)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(hào)用電纜是可以實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)摹?/p>

基帶信號(hào)要想利用帶通型信道來(lái)傳輸，就必須將其頻帶搬移到與信道相適應(yīng)的頻譜。頻帶搬移是通過(guò)調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，搬移（調(diào)制）后的信號(hào)稱為頻帶信號(hào)。在接收端再將頻帶信號(hào)搬移回原基帶信號(hào)，這個(gè)搬移是由解調(diào)技術(shù)來(lái)完成的。因此調(diào)制解調(diào)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。從調(diào)制后到解調(diào)前的這部分傳輸?shù)氖穷l帶信號(hào)，因此將這段傳輸稱為頻帶傳輸。

2.調(diào)制解調(diào)基本原理

所謂調(diào)制，就是用一個(gè)信號(hào)去控制另一個(gè)信號(hào)相關(guān)參數(shù)的過(guò)程。調(diào)制過(guò)程中的被控信號(hào)稱為載波，載波通常為正弦波；控制信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，也就是基帶信號(hào)。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(gè)決定正弦波波形的參數(shù)，即幅度A、頻率ωc和相位φ。調(diào)制信號(hào)可以去控制這三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)。如果用調(diào)制

信號(hào)去控制載波的幅度A，即載波的幅度A隨調(diào)制信號(hào)呈正比變化，這種調(diào)制稱為幅度調(diào)制（AM），簡(jiǎn)稱調(diào)幅。如果用調(diào)制信號(hào)去控制載波的頻率ωc或相位φ，稱為頻率調(diào)制（FM）或相位調(diào)制（PM），簡(jiǎn)稱調(diào)頻或調(diào)相。

1）幅度調(diào)制

由式（2-12）可以得出實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制的一般模型如圖2-36所示。在該模型中，選擇適當(dāng)?shù)膸V波特性可以實(shí)現(xiàn)不同類型的幅度調(diào)制方式。如雙邊帶調(diào)幅、單邊帶調(diào)幅、殘留邊帶調(diào)幅等。圖2-36幅度調(diào)制一般模型

下面來(lái)討論幅度調(diào)制是如何實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的。設(shè)調(diào)制信號(hào)為

則幅度調(diào)制信號(hào)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(jiàn)，當(dāng)調(diào)制信號(hào)為單一正弦波時(shí)，調(diào)制后的已調(diào)信號(hào)包含兩個(gè)頻率項(xiàng)。其中第一項(xiàng)在載波頻率ωc的右側(cè)，稱

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

圖2-37幅度調(diào)制信號(hào)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(hào)的頻譜形狀是一樣的。因此幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了頻譜的線性搬移，故這種調(diào)制又稱為線性調(diào)制。

幅度調(diào)制的解調(diào)原理非常簡(jiǎn)單，只要將接收到的幅度調(diào)制信號(hào)與載波相乘就可以獲得基帶信號(hào)。設(shè)幅度調(diào)制信號(hào)為式（2-13），則與載波相乘為

可見(jiàn)式（2-14）中的第一項(xiàng)為基帶信號(hào)，其余為遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基帶頻率的2倍載波的項(xiàng)（二次諧波項(xiàng)）。因此可以通過(guò)低通濾波器將二次諧波項(xiàng)進(jìn)行濾除，最終得到被傳輸?shù)幕鶐盘?hào)。幅度調(diào)制的解調(diào)器模型如圖2-38所示。

圖2-38幅度調(diào)制的解調(diào)器模型

2）頻率調(diào)制和相位調(diào)制

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

由以上說(shuō)明可見(jiàn)，無(wú)論是頻率調(diào)制還是相位調(diào)制，都將使載波的頻率和相位產(chǎn)生變化。因此這兩種調(diào)制在性質(zhì)上具有相似之處。下面來(lái)進(jìn)一步討論頻率調(diào)制。

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

圖2-39頻率調(diào)制波形圖

根據(jù)分析，頻率調(diào)制信號(hào)（取最高頻率fm時(shí)）的頻譜寬度為

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

圖2-40頻率調(diào)制的解調(diào)原理框圖及波形

2.3.2數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

在數(shù)字化的今天，大多數(shù)的基帶信號(hào)都為數(shù)字信號(hào)。對(duì)于基帶信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的調(diào)制通常稱為數(shù)字調(diào)制。

因?yàn)閿?shù)字信號(hào)可以看成是模擬信號(hào)的一種特定形式，就調(diào)制的目的與原理而言沒(méi)有什么不同，因此數(shù)字調(diào)制也分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。然而，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，數(shù)字調(diào)制卻還有一些模擬調(diào)制所沒(méi)有的特點(diǎn)。這主要表現(xiàn)在：數(shù)字調(diào)制還可以利用數(shù)字信號(hào)“有”和“無(wú)”的特點(diǎn)去對(duì)載波進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。這種調(diào)制方式稱為“鍵控”法。

根據(jù)數(shù)字脈沖序列去控制正弦載波參數(shù)（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(jìn)制為例，其ASK、FSK及PSK的實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)電路”中開(kāi)關(guān)S的倒向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的控制，以得到調(diào)制信號(hào)；f

（t）為輸出信號(hào)。

圖2-41二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)邏輯

1.數(shù)字振幅調(diào)制（ASK）

在實(shí)際的應(yīng)用中，因數(shù)字信號(hào)的開(kāi)關(guān)特性可采用數(shù)字開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。這種實(shí)現(xiàn)方法稱作鍵控法，記為ASK。二進(jìn)制的ASK調(diào)制又常叫做通斷鍵控（OOK）。在這種調(diào)制方式中，基帶信號(hào)由單極性矩形脈沖組成，它便是決定“通斷”的控制信號(hào)。當(dāng)脈沖為高電平，即基帶信號(hào)為1碼時(shí)，控制開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，使載波得以輸出；反之，為低電平，即基帶信號(hào)為0碼時(shí)，使開(kāi)關(guān)電路截止。以數(shù)字電路為主實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)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(diào)制實(shí)現(xiàn)電路

2.數(shù)字頻率調(diào)制（FSK）

數(shù)字頻率調(diào)制是數(shù)字通信中使用較早的一種通信方式，目前在大多數(shù)低速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍然采用這種方式。這種方式的實(shí)現(xiàn)比較容易，解調(diào)時(shí)不需要本地載波，也不需要與信號(hào)

速度同步，設(shè)備簡(jiǎn)單，抗噪聲和抗衰落的性能也較強(qiáng)，所以在中、低速數(shù)據(jù)傳輸，尤其在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)合有著廣泛應(yīng)用。

頻率鍵控法的原理如圖2-43所示，它將產(chǎn)生二進(jìn)制FSK信號(hào)。圖2-43FSK的實(shí)現(xiàn)方法

FSK信號(hào)可以表示為

所謂過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法，就是通過(guò)接收信號(hào)波形中過(guò)零點(diǎn)的多少來(lái)區(qū)分兩個(gè)不同的頻率。我們知道，正弦波過(guò)零點(diǎn)數(shù)與它的頻率成正比，頻率越高過(guò)零點(diǎn)數(shù)就越多。因此只要檢出

信號(hào)過(guò)零點(diǎn)數(shù)，就可以得到其頻率的差異。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法的原理框圖如圖2-44所示。

圖2-44過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法解調(diào)

3.數(shù)字相位調(diào)制（PSK）

數(shù)字相位調(diào)制是用基帶脈沖信號(hào)去控制載波的相位改變。由于基帶信號(hào)的幅度是離散的，因此調(diào)制后的載波相位也將是離散的。

數(shù)字相位調(diào)制在數(shù)字通信中是一種使用相當(dāng)普遍的調(diào)制方式。之所以被廣泛采用是因?yàn)閿?shù)字調(diào)相具有非常獨(dú)特的特點(diǎn)。

數(shù)字調(diào)相又分絕對(duì)調(diào)相和相對(duì)調(diào)相。下面以二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相為例來(lái)介紹這兩種調(diào)制。

絕對(duì)調(diào)相是指數(shù)字符號(hào)與載波的相位成固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是利用載波的不同相位去直接表示數(shù)字信息0和1，記作2PSK。如數(shù)字信號(hào)的1碼與載波相位0°（或180°）相對(duì)應(yīng)；數(shù)字信號(hào)的0碼與載波的相位180°（或0°）相對(duì)應(yīng)。絕對(duì)調(diào)相的波形如圖2-45所示。

圖2-45絕對(duì)調(diào)相的波形

相對(duì)調(diào)相又稱為差分調(diào)相，記為DPSK。相對(duì)調(diào)相的相位變化規(guī)則與絕對(duì)調(diào)相完全不同，其每一個(gè)碼對(duì)應(yīng)的載波相位不是固定的，而是以前一個(gè)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(duì)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(duì)于前一比特的載波相位變化0°（或180°），即不發(fā)生變化。

相對(duì)調(diào)相的波形如圖2-46所示。

圖2-46相對(duì)調(diào)相的波形

實(shí)現(xiàn)絕對(duì)調(diào)相常用的方法有兩種：相位選擇法和直接調(diào)相法。這兩種方法中前者多用于低速數(shù)據(jù)的傳輸，后者主要用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。兩種實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖2-47。

圖2-47數(shù)字調(diào)相的實(shí)現(xiàn)

圖2-47（a）的實(shí)現(xiàn)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(diào)相法產(chǎn)生兩相絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的實(shí)際電路。此電路又稱為環(huán)形調(diào)制器，在模擬調(diào)幅中普遍采用。圖中數(shù)字信號(hào)s（t）為雙極性不歸零碼，即

數(shù)字調(diào)相信號(hào)的解調(diào)多采用同步解調(diào)，其解調(diào)原理如圖2-48所示。其中，圖（a）為絕對(duì)調(diào)相的解調(diào)；圖（b）為相對(duì)調(diào)相的解調(diào)。圖中，解調(diào)用的同步載波是由載波恢復(fù)電路從接收到的調(diào)相信號(hào)中提取出來(lái)的。由于同步載波對(duì)解調(diào)起著至關(guān)重要的作用，因此有必要先來(lái)討論載波提取的方法。圖2-49給出了一種載波提取的實(shí)現(xiàn)原理。

圖2-48數(shù)字調(diào)相的解調(diào)

圖2-49載波恢復(fù)

2.4信號(hào)的復(fù)用傳輸

“復(fù)用”是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可以在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)的方法。之所以要采用復(fù)用是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的信道可以提供較大的傳輸容量，而單個(gè)信號(hào)的容量較小，因此就有必要考慮能否在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)。

2.4.1頻分復(fù)用（FDM）

頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶（或稱子信道），每一個(gè)子信道傳輸1路信號(hào)。頻分復(fù)用要求總頻率寬度大于各個(gè)子信道頻率之和，同時(shí)為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘?hào)互不干擾，應(yīng)在各子信道之間設(shè)立隔離帶，這樣就保證了各路信號(hào)互不干擾（條件之一）。頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸?shù)男盘?hào)以并行的方式工作。FDM技術(shù)主要用于模擬信號(hào)（數(shù)字調(diào)制信號(hào)也屬于模擬信號(hào)）。

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

FDM的復(fù)用過(guò)程可用圖2-51表示，其解復(fù)用的過(guò)程如圖2-52所示圖2-51FDM的復(fù)用過(guò)程

圖2-52FDM解復(fù)用過(guò)程

2.4.2時(shí)分復(fù)用（TDM）

時(shí)分復(fù)用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）就是將提供給整個(gè)信道傳輸信息的時(shí)間劃分成若干時(shí)間片（簡(jiǎn)稱時(shí)隙），并將這些時(shí)隙分配給每一個(gè)信號(hào)源使用，每一路信號(hào)在自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

時(shí)分復(fù)用的實(shí)現(xiàn)原理如圖2-53所示。收發(fā)兩端各用一個(gè)相同速率的勻速旋轉(zhuǎn)電子開(kāi)關(guān)。旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)依次接通各路信號(hào)，相當(dāng)于對(duì)各路信號(hào)按一定的時(shí)間間隙（時(shí)隙）進(jìn)行傳輸。

旋轉(zhuǎn)一周完成對(duì)各路傳輸一次，所用的時(shí)間周期稱為一幀。圖中的起始標(biāo)志又稱為同步標(biāo)志，作用是保證收發(fā)兩端的起始時(shí)間相一致，即做到同步（既同頻又同相）傳輸。時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2-54所示。

圖2-53時(shí)分復(fù)用原理圖

圖2-54時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.4.3碼分復(fù)用（CDM）

碼分復(fù)用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是靠不同的編碼來(lái)區(qū)分各路原始信號(hào)的一種復(fù)用方式，主要和各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)，包括無(wú)線和有線接入。最常見(jiàn)的應(yīng)用是在手機(jī)通信（移動(dòng)通信）中，即CDMA（碼分多址）制式的移動(dòng)通信。

假定X站要接收S站發(fā)送的數(shù)據(jù)，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(hào)進(jìn)行求內(nèi)積的運(yùn)算。X站接收到的信號(hào)是各個(gè)

站發(fā)送的碼片序列之和。求內(nèi)積的結(jié)果是，所有其他站的信號(hào)都被過(guò)濾掉（其內(nèi)積的相關(guān)項(xiàng)都是0），而只剩下S站發(fā)送的信號(hào)。當(dāng)S站發(fā)送比特1時(shí)，在X站計(jì)算內(nèi)積的結(jié)果

是+1，當(dāng)S站發(fā)送比特0時(shí)，在X站計(jì)算內(nèi)積的結(jié)果是-1。圖2-55所示為碼分復(fù)用的工作原理。

圖2-55碼分復(fù)用工作原理

2.4.4波分復(fù)用（WDM）

一般認(rèn)為，信道間距大于1nm且信道總數(shù)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(shù)大于8，則稱之為密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)。圖2-56為波分復(fù)

用系統(tǒng)示意圖。

圖2-56波分復(fù)用系統(tǒng)示意圖

2.5常用通信系統(tǒng)

2.5.1無(wú)線通信系統(tǒng)1.無(wú)線電信號(hào)的產(chǎn)生與特性無(wú)線電屬于電磁波，即無(wú)線電在空間是以電磁波的方式進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

1）電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)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(chǎn)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(jiǎn)單的振蕩電路，又稱

為L(zhǎng)C振蕩電路或LC諧振電路。

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

現(xiàn)象稱為電磁振蕩。如果在電磁振蕩過(guò)程中，沒(méi)有任何能量的損失，振蕩應(yīng)該永遠(yuǎn)持續(xù)下去，電路中振蕩電流的振幅應(yīng)該永遠(yuǎn)保持不變。這種振蕩叫做無(wú)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(shí)間叫做周期，記作T。一秒鐘內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)稱為頻率，記作f（振蕩電路里發(fā)生無(wú)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(chǎng)都要在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，振蕩電場(chǎng)會(huì)在周圍空間產(chǎn)生同樣頻率的振蕩磁場(chǎng)；任何變化的磁場(chǎng)都要在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)，振蕩磁場(chǎng)

也會(huì)在周圍空間產(chǎn)生同樣頻率的振蕩電場(chǎng)。可見(jiàn)，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系著的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是交變電磁場(chǎng)。

顯而易見(jiàn)，如果空間某處產(chǎn)生了振蕩電場(chǎng)，在周圍空間就要產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)，這個(gè)振蕩磁場(chǎng)又要在較遠(yuǎn)的空間產(chǎn)生新的振蕩電場(chǎng)，接著又要在更遠(yuǎn)的空間產(chǎn)生新的振蕩磁場(chǎng)……

這樣，交替產(chǎn)生振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，即電磁場(chǎng)波及的空間越來(lái)越大。這就是說(shuō)，電磁場(chǎng)并不局限于空間某個(gè)區(qū)域，而是要由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播開(kāi)去，如圖2-57所示。圖中

分別用虛線和實(shí)線表示電場(chǎng)E和磁場(chǎng)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(chǎng)，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(gè)區(qū)域有振蕩的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生電磁波。振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時(shí)，電容器里的電場(chǎng)和線圈周圍的磁場(chǎng)都在振蕩著，因

此振蕩電路就有可能產(chǎn)生電磁波。

2）電磁波的特性

麥克斯韋的電磁理論不但預(yù)見(jiàn)到電磁波的存在，而且還指出，在電磁波中，每一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E與磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhuǎn)播方向

垂直。這就是說(shuō)，電磁波傳播的方向跟電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)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(xiàn)，在真空中電磁波的傳播速度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光速相等。這個(gè)論斷后來(lái)得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。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(gè)振蕩周期T內(nèi)傳播的距離叫做波長(zhǎng)。記作λ。它等于電磁波轉(zhuǎn)播速度c乘以電磁振蕩完成一次循環(huán)所需要的時(shí)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(chǎn)生電磁振蕩，但事實(shí)上它向外輻射能量的本領(lǐng)是很差的。這是因?yàn)檫@種振蕩電路的電場(chǎng)能量幾乎完全在電容器兩極板之間，磁場(chǎng)能量也大多集中在線圈內(nèi)。在振蕩過(guò)程中，電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量主要是在電路內(nèi)互相轉(zhuǎn)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(chǎng)和磁場(chǎng)分散開(kāi)。如果把電路改成圖2-58（b）那樣，輻射能量的本領(lǐng)會(huì)好些，如果再改成圖2-58（c）那樣，輻射能量的能力就更強(qiáng)了。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，把線圈下端用導(dǎo)線接地，這條導(dǎo)線叫做地線，把線圈上端接到比較長(zhǎng)的導(dǎo)線上，這條導(dǎo)線叫做天線。天線和地線（以及大地）形成了一個(gè)敞開(kāi)的電容器，從而使電場(chǎng)分布在天線周圍的整個(gè)空間。

圖2-58發(fā)射電磁波振蕩回路的演變

2.無(wú)線電波段的劃分與應(yīng)用場(chǎng)合

電磁波的范圍很廣，包括無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)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(wú)線電波各波段的名稱、波長(zhǎng)與頻率范圍，相應(yīng)的頻段名稱以及主要用途等見(jiàn)表2-1。在實(shí)際應(yīng)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(wú)線通信系統(tǒng)

1）無(wú)線通信系統(tǒng)組成

無(wú)線通信，即無(wú)線電通信（radiocommunication），是利用無(wú)線電波傳輸信息的一種通信技術(shù)和通信方式。圖2-60所示的是一種最基本的無(wú)線通信系統(tǒng)。它只用來(lái)實(shí)現(xiàn)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)單方向傳輸信息，所以簡(jiǎn)稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單工無(wú)線通信系統(tǒng)。

圖2-60點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單工無(wú)線通信系統(tǒng)

如果想要構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙工無(wú)線通信系統(tǒng)，只需將兩個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單工無(wú)線通信系統(tǒng)適當(dāng)組合即可獲得，如圖2-61所示。

圖2-61點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙工無(wú)線通信系統(tǒng)

2）無(wú)線通信設(shè)備的基本組成

無(wú)線通信的類型很多?？梢愿鶕?jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無(wú)線通信系統(tǒng)，其設(shè)備組成和復(fù)雜度雖然有較大差異，但它們的基本組成不變。圖2-62是無(wú)線通信

設(shè)備基本組成的方框圖。

圖2-62無(wú)線通信設(shè)備基本組成方框圖

4.無(wú)線通信系統(tǒng)的主要技術(shù)性能

無(wú)線通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)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(jù)頻譜規(guī)劃，劃分給該項(xiàng)業(yè)務(wù)的工作頻率范圍。

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

收發(fā)配置：根據(jù)頻譜規(guī)劃，在工作頻段內(nèi)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(wú)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(nèi)；地面繞射傳播的傳輸距離一般在20km以內(nèi)；

對(duì)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(dá)幾千千米；衛(wèi)星通信則以洲際傳播方式進(jìn)行傳輸。

無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸方式可以是單工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式（多為廣播類通信）、雙工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式、中繼（或稱接力）方式、地面點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式、衛(wèi)星點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(duì)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(shù)來(lái)表示，如AM16路、PCM30路等；

②用PDH的群路數(shù)來(lái)表示，如1×EI、4×E1等；

③用有效傳輸?shù)谋忍芈蕘?lái)表示，如2Mb/s、8Mb/s等。

4）傳輸質(zhì)量和誤碼門(mén)限

數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量包括誤碼性能和同步性能兩部分。誤碼性能又包括長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)的零星誤碼、短時(shí)間統(tǒng)計(jì)的誤碼及其超過(guò)某個(gè)值（如10-3、10-6）的時(shí)間百分?jǐn)?shù)等。同步性能包括時(shí)鐘抖動(dòng)、時(shí)鐘丟失等指標(biāo)。

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

5）調(diào)制解調(diào)方式

調(diào)制方式的選擇與信道的干擾和帶寬有關(guān)。不同的調(diào)制方式，其抗干擾的能力不同，例如，調(diào)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(nèi)傳輸更多的信息

就需采用頻譜利用率高的多進(jìn)制調(diào)制，如64QAM（六十四進(jìn)制正交調(diào)幅）等。

解調(diào)方式有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類。對(duì)于相干解調(diào)，同步問(wèn)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(lái)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(duì)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(duì)發(fā)射信號(hào)的功率頻譜進(jìn)行限制，以避免對(duì)其他通信產(chǎn)生干擾。

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

8）供電方式及耗電量

通信設(shè)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(jī)、太陽(yáng)能、蓄電池、干電池等。

耗電量也是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。降低耗電量的方法有：減少整個(gè)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(dòng)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(biāo)的溫度范圍、保證工作的溫度范圍和儲(chǔ)存的溫

度范圍。

10）可靠性

可靠性基本關(guān)系有：

①失效率λ：在單位時(shí)間內(nèi)從正常轉(zhuǎn)為失效的概率。

②平均無(wú)故障工作時(shí)間T：T=1/λ。

③可靠度P：即無(wú)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(wú)線通信的可靠性包括：設(shè)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(wú)線電波相似，也是一種電磁波，只是它的頻率比無(wú)線電波的頻率高得多。紅外線、可見(jiàn)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(jù)波長(zhǎng)λ、頻率f和光速c之間的關(guān)系式

2）光纖通信的特點(diǎn)

光纖通信與電纜或微波等電通信方式相比的優(yōu)點(diǎn)如下：

①傳輸頻帶極寬，通信容量很大。

②光纖衰減小，無(wú)中繼傳輸距離遠(yuǎn)。

③泄漏小，保密性好。

④光纖抗電磁干擾強(qiáng)。

⑤光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè)。

⑥耐化學(xué)腐蝕。

⑦光纖是石英玻