《數(shù)字通信原理》課件 項目一-認(rèn)識通信系統(tǒng)

數(shù)字通信原理01項目1：認(rèn)識通信系統(tǒng)02項目2：認(rèn)識通信信號CONTENTS03項目3：認(rèn)知數(shù)字基帶傳輸04項目4：理解調(diào)制解調(diào)05項目5：揭秘編碼06項目6：認(rèn)知定時與同步07項目7：仿真數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)08項目8：仿真移動通信系統(tǒng)09項目9：探索通信新技術(shù)項目1認(rèn)識通信系統(tǒng)認(rèn)識通信系統(tǒng)項目1項目描述通過日常信息的表達(dá)，引入信息、信息量的基本概念，剖析各類通信系統(tǒng)組成，進(jìn)一步理解移動通信系統(tǒng)的功能組成，分析計算通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)，探秘信道與噪聲，學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView的基本功能，學(xué)會用SystemView進(jìn)行信號等基本仿真。項目分析本項目中涉及的認(rèn)識信息熵、理解通信系統(tǒng)模型是通信原理的基礎(chǔ)，計算通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)，更好地認(rèn)知理解通信系統(tǒng)，為鍛煉持續(xù)的學(xué)習(xí)能力和理論聯(lián)系實(shí)際的職業(yè)素養(yǎng)提供基礎(chǔ)。認(rèn)識通信系統(tǒng)項目1學(xué)習(xí)目標(biāo)在理解信息熵的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種通信系統(tǒng)的組成，完成通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的計算，并實(shí)現(xiàn)從理論學(xué)習(xí)到軟件仿真的設(shè)計與實(shí)施。課程思政課程思政：結(jié)合信息量等通信系統(tǒng)發(fā)展過程中的名人傳記，認(rèn)識通信發(fā)展過程的技術(shù)創(chuàng)新和工匠精神，通過典型事件，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和攻關(guān)精神。認(rèn)識信息熵任務(wù)1.1任務(wù)目標(biāo)理解信息量大小的衡量方法，并學(xué)會信息熵的計算。任務(wù)分析隨著社會的發(fā)展，計算機(jī)的普及，人們說現(xiàn)在是信息社會，那么什么是信息呢？信息量的大小又是如何度量的？通過對信息量的計算，理解信息熵的計算。

1.1.1信息、信息量的概念控制論奠基人維納認(rèn)為：信息是人類在適應(yīng)外部世界時以及在感知外部世界而做出調(diào)整時，與外部環(huán)境交換的內(nèi)容的總稱；信息論奠基人香農(nóng)認(rèn)為“信息是用來消除隨機(jī)不確定性的東西”，這一定義被人們看作是信息的經(jīng)典性定義并加以引用。1.

信息

1.1.1信息、信息量的概念通信的目的在于傳遞信息。信息是消息中有意義的內(nèi)容。消息一般指對人或事物情況的報道，其表現(xiàn)形式有語音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等。信息具有以下特征。（1）普遍存在性（2）依附性。（3）共享性。（4）時效性。（5）可偽性。（6）隨機(jī)性。1.

信息

1.1.1信息、信息量的概念2.信息量事件出現(xiàn)的可能性越小，則概率就越小，反之，事件出現(xiàn)的可能性越大，則概率就越大。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。如果事件是必然的（概率為1），則它傳遞的信息量應(yīng)為零；如果事件是不可能的（概率為0），則它將有無窮的信息量。

1.1.2信息熵的計算1.信息量的計算方法

1.1.2信息熵的計算1.信息量的計算方法（1）信息量可以看做接收端未收到消息前，發(fā)送端發(fā)送消息所具有的不確定程度。（2）若干個相互獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件所含信息量之和，也就是說，信息具有可加性。（3）信息量的單位與對數(shù)的底數(shù)有關(guān)。底數(shù)為2，信息量的單位為比特（bit）；底數(shù)為自然數(shù)e，則信息量的單位為奈特（nit）；底數(shù)為10時，則信息量的單位為哈特（hart）。通常使用的單位是比特。（4）對于二進(jìn)制信源符號，只有1和0，假設(shè)1和0等概率出現(xiàn)，均為1/2，則有

1.1.2信息熵的計算1.信息量的計算方法【例1-1】設(shè)英文字母E出現(xiàn)的概率為0.105，X出現(xiàn)的概率為0.002，試求E及X的信息量?！纠?-2】若估計在一次國際象棋比賽中謝軍獲得冠軍的可能性為0.1（記為事件A），而在另一次國際象棋比賽中她得到冠軍的可能性為0.9（記為事件B）。試分別計算當(dāng)你得知她獲得冠軍時，從這兩個事件中獲得的信息量各為多少？事件發(fā)生的概率越小，事件包含的信息量越大。

1.1.2信息熵的計算2.信息熵的定義香農(nóng)指出：“信息是用來消除隨機(jī)不確定性的東西”，并借用了熱力學(xué)中熵的概念提出了“信息熵”的概念。信息熵是消除不確定性所需信息量的度量，一個事件或一個系統(tǒng)，有一定的不確定性。需要引入消除不確定性的信息量越多，則信息熵越高，反之則越低。信息熵低信息熵高

1.1.2信息熵的計算3.信息熵的公式用事件發(fā)生的概率的倒數(shù)求對數(shù)來衡量信息量。信息量度量的是一個具體事件發(fā)生了所帶來的信息，熵是在結(jié)果出來之前對可能產(chǎn)生的信息量的期望。信息熵應(yīng)考慮所有可能發(fā)生事件所帶來的信息量的期望值。熵是獨(dú)立N個符號的離散信息源中每個符號的平均信息量H（S），單位是bit/符號。平均信息量是指信源中每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。當(dāng)信源符號等概率發(fā)生時，熵具有最大值。信息的數(shù)學(xué)期望值即為平均信息量，也就是信息熵。

1.1.2信息熵的計算4.信息熵的計算兩個隨機(jī)變量性別和成績的統(tǒng)計樣本值如表所示，求X、Y的熵。首先分析性別變量X，根據(jù)樣本，計算男、女事件發(fā)生的概率分別為：P(男)=3/5=0.6，P(女)=2/5=0.4，性別變量X的信息熵H（x）為：H（x）=-(0.6×log2(0.6)+0.4×log2(0.4))=0.97成績變量Y，根據(jù)樣本，計算優(yōu)、差事件發(fā)生的概率分別為：P(優(yōu))=4/5=0.8，P(差)=1/5=0.2，成績變量Y的信息熵為：H（Y）=-(0.8×log2(0.8)+0.2×log2(0.2))=0.72性別（X）成績（Y）男優(yōu)女優(yōu)男差女優(yōu)男優(yōu)

1.1.2信息熵的計算4.信息熵的計算【例1-3】一離散信源由0、1、2、3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某信息1022，0102，0130，2130，2120，3210，1003，2101，0023，1020，0201，0312，0321，0012，0210的信息量。方法一此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)15次，2出現(xiàn)15次，3出現(xiàn)7次，共有60個符號，故該消息的信息量為

1.1.2信息熵的計算4.信息熵的計算【例1-3】一離散信源由0、1、2、3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某信息1022，0102，0130，2130，2120，3210，1003，2101，0023，1020，0201，0312，0321，0012，0210的信息量。方法二用熵的概念來計算，得則該消息的信息量為

1.1.2信息熵的計算任務(wù)實(shí)施根據(jù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，理解生活中的各種信息。搜集信息，說明其包含信息量的大小。完成信息量和信息熵的計算。理解通信系統(tǒng)模型任務(wù)1.2任務(wù)目標(biāo)通過信息傳輸?shù)倪^程，分析通信系統(tǒng)組成模型，以及具體的模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)組成，理解每種系統(tǒng)的特點(diǎn)。任務(wù)分析從認(rèn)知簡單通信系統(tǒng)入手，了解系統(tǒng)組成的基本結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，再分析模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)的組成，并總結(jié)兩者的聯(lián)系與區(qū)別，進(jìn)一步加深理解通信系統(tǒng)，最后對應(yīng)用比較廣泛的移動通信系統(tǒng)組成進(jìn)行分析，為后期移動通信系統(tǒng)工作原理提供基礎(chǔ)。

1.2.1認(rèn)知簡單通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)由五部分組成，即：信源、發(fā)送設(shè)備、信道和噪聲源、接收設(shè)備、信宿。（1）信源：是指信息源，信息的發(fā)送者。其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。（2）發(fā)送設(shè)備：使信源產(chǎn)生的原始電信號能夠在信道上傳輸，需要發(fā)送設(shè)備對其進(jìn)行處理，變換成適合在信道上傳送的信號，送往信道傳輸。（3）信道和噪聲源：信道是信息的傳輸通道。其作用是將來自發(fā)送端的信號發(fā)送到接收端。按傳輸介質(zhì)的不同，信道可分為兩種，一種是有線信道，另一種是無線的信道；按傳輸信號形式的不同可分為模擬信道和數(shù)字信道。噪聲是獨(dú)立于有用信號以外客觀存在的，分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。（4）接收設(shè)備：將信道傳輸中帶有噪聲和干擾的信號轉(zhuǎn)換為信宿可識別的信息交給信宿。（5）信宿：是信息的接收者。其作用是將由接收設(shè)備復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。

1.2.2認(rèn)知模擬通信系統(tǒng)傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。需要兩種變換。第一次變換：將信源產(chǎn)生的連續(xù)消息要變換成原始電信號，接收端收到的信號要反變換成原連續(xù)消息。第二次變換：將原始電信號變換成頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?，并在接收端進(jìn)行反變換，這種變換和反變換通常稱為調(diào)制和解調(diào)。經(jīng)過調(diào)制后的信號叫已調(diào)信號，把發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后的信號稱為基帶信號，已調(diào)信號通常稱為頻帶信號。系統(tǒng)的抗干擾能力較弱且不適于長距離信號傳輸。

1.2.3認(rèn)知數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。（1）信源編碼器與信源譯碼器：信源編碼器是將信源送出的信號變成合適的數(shù)字編碼信號。信源編碼的作用包含模擬信號的數(shù)字化和信源壓縮編碼。信源譯碼器實(shí)現(xiàn)解壓縮和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。（2）加密器與解密器：加密器主要用于需要保密的通信系統(tǒng)。解密器實(shí)現(xiàn)的是從加密的信息中恢復(fù)出原始信息。（3）信道編碼器與信道譯碼器：信道編碼器是為了提高數(shù)字傳輸?shù)目煽啃?，對傳輸中產(chǎn)生的差錯采用的差錯控制技術(shù)，也稱為差錯控制編碼，信道譯碼器完成信道編碼器的逆過程，即從編碼的信息中恢復(fù)出原始信息。（4）數(shù)字調(diào)制器與數(shù)字解調(diào)器：數(shù)字調(diào)制器將數(shù)字基帶信號變換成適合于信道傳輸?shù)念l帶信號。數(shù)字解調(diào)器將收到的頻帶信號還原為數(shù)字基帶信號。

1.2.4認(rèn)知移動通信系統(tǒng)移動通信是指至少通信的一方在移動中的通信方式，根據(jù)信道傳輸信號的不同分為模擬移動通信系統(tǒng)和數(shù)字移動通信系統(tǒng)。（1）交織、去交織：交織指一條消息中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。避免成串差錯，同時用信道編碼糾錯功能糾正差錯，恢復(fù)原消息。去交織就是相反的過程，將分開的信息還原成連續(xù)的信息流。（2）加擾、去擾：加擾就是用一個偽隨機(jī)碼序列有規(guī)律地處理原有信息碼。避免信號流中出現(xiàn)長得連“0”和連“1”。去擾過程和作用和加擾相反。（3）擴(kuò)頻、解擴(kuò)：擴(kuò)頻即擴(kuò)展頻譜，是傳輸信息所用信號的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。解擴(kuò)與擴(kuò)頻過程和作用相反。任務(wù)實(shí)施（1）通過點(diǎn)對點(diǎn)信息傳輸?shù)倪^程，分析簡單通信系統(tǒng)模型組成。（2）對模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)的組成對比分析。（3）分工協(xié)作，完成各種通信系統(tǒng)資料收集和學(xué)習(xí)，查找各種系統(tǒng)應(yīng)用。計算通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)任務(wù)1.3任務(wù)目標(biāo)分析學(xué)過的通信系統(tǒng)組成，理解有效性和可靠性指標(biāo)的含義。結(jié)合具體實(shí)例，分析計算數(shù)字通信系統(tǒng)中的信息傳輸速率、碼元傳輸速率、誤碼率等指標(biāo)。任務(wù)分析從信息傳輸?shù)乃俾试絹碓娇欤畔鬏數(shù)臏?zhǔn)確性要求也就越來越高，了解有效性與可靠性的概念，有助于理解有效性與可靠性的關(guān)系，進(jìn)而深入理解指標(biāo)的計算。

1.3.1計算模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)概念表示方法（1）有效性指標(biāo)指信息傳輸速度，即給定頻帶情況下，單位時間傳輸信息的多少。通?？捎糜行鬏旑l帶來衡量，即在指定信道內(nèi)所允許同時傳輸?shù)淖畲笸窋?shù)。（2）可靠性指標(biāo)指信息傳輸準(zhǔn)確性。通常采用接收端輸出信噪比（S/N）來衡量，即輸出信號平均功率與噪聲平均功率之比。模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)只給出概念，不涉及運(yùn)算。

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)概念表示方法（1）有效性指標(biāo)是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸能力的主要指標(biāo)。碼元傳輸速率信息傳輸速率頻帶利用率（2）可靠性指標(biāo)衡量通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是傳輸?shù)牟铄e率。誤碼率誤比特率誤字符率或誤碼組率

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.有效性指標(biāo)-（1）碼元傳輸速率（RB）每秒傳輸信號碼元的數(shù)目，又稱調(diào)制速率、符號速率、波特率。單位為波特（Baud），簡寫為B或Bd，用符號RB表示。如果信號碼元持續(xù)時間（時間長度）為T（單位為s）.碼元傳輸速率公式為：碼元和電平數(shù)有關(guān)，二電平和四電平信號的如圖1-6所示。圖1?6二電和四電平數(shù)據(jù)信號

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.有效性指標(biāo)-（2）信息傳輸速率（Rb）每秒傳輸?shù)男畔⒘?。單位為比?秒（bit/s），用符號Rb表示。一個二進(jìn)制碼元所傳的信息量視為1bit，即指每秒傳送的二進(jìn)制碼元數(shù)目。在二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)中，碼元傳輸速率與信息傳輸速率在數(shù)值上是相等的，但是單位不同，意義不同，不能混淆。N進(jìn)制的信息傳輸速率和碼元傳輸速率的關(guān)系為：

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.有效性指標(biāo)-（3）頻帶利用率（η）兩個系統(tǒng)的傳輸速率相同，但它們的系統(tǒng)效率可以是不一樣的，因為兩個系統(tǒng)可能具有不同的帶寬，那么它們傳輸信息的能力就不同。衡量系統(tǒng)效率的另一個重要指標(biāo)是系統(tǒng)的頻帶利用率η

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1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.有效性指標(biāo)-（4）例題【例1-4】假設(shè)某二進(jìn)制系統(tǒng)1分鐘傳送了18000bit信息。問：（1）其碼元傳輸速率和信息傳輸速率各為多少？（2）若改用八進(jìn)制傳輸，則碼元傳輸速率和信息傳輸速率各為多少？解析：（1）題目條件中給出的是比特數(shù)，所以先計算出信息傳輸速率，由于是二進(jìn)制系統(tǒng)，碼元傳輸速率和信息傳輸速率相等，但要注意單位的不同，具體過程如下：（2）由于單位時間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財?shù)沒有變化，所以信息傳輸速率和二進(jìn)制傳輸時是一樣的，根據(jù)公式（1-6）可以得到碼元傳輸速率，具體過程如下：結(jié)論：多進(jìn)制傳輸時，碼元速率明顯降低，可以利用這種方式提高頻帶利用率。

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)2.可靠性指標(biāo)-（1）誤碼率（Pe）通信過程中系統(tǒng)傳錯的碼元數(shù)目與所傳輸?shù)目偞a元數(shù)目之比，即傳錯碼元的概率。記為：誤碼率是衡量通信系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下傳輸質(zhì)量優(yōu)劣的一個非常重要的指標(biāo)，它反映了信息在傳輸過程中受到損害的程度。誤碼率的大小，反映了系統(tǒng)傳錯碼元的概率的大小。誤碼率是指某一段時間內(nèi)的平均誤碼率。在通信設(shè)備的研制、考核及試驗時，應(yīng)以較長時間的平均誤碼率來評價。

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)2.可靠性指標(biāo)-（2）誤比特率（Pb）通信過程中系統(tǒng)傳錯的信息比特數(shù)目與所傳輸?shù)目傂畔⒈忍財?shù)之比，即傳錯信息比特的概率，也稱誤信率。記為：誤比特率的大小，反映了信息在傳輸中，由于碼元的錯誤判斷而造成的傳輸信息錯誤的大小，它與誤碼率從兩個不同層次反映了系統(tǒng)的可靠性。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，誤碼數(shù)目就等于傳錯信息的比特數(shù)，即Pe=Pb。

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)2.可靠性指標(biāo)-（3）誤字符率或誤碼組率通信過程中系統(tǒng)傳錯的字符（碼組）數(shù)與所傳輸?shù)目傋址ùa組）數(shù)之比，即傳錯字符（碼組）的概率。記為：由于在一些通信系統(tǒng)中，通常以字符或碼組作為一個信息單元進(jìn)行傳輸，此時使用誤字符率或誤碼組率更具實(shí)際意義，也易于理解。但由于幾個比特表示一個字符或碼組，而一個字符或碼組中無論錯一個或多個比特都算錯一個字符或碼組，故用誤字符率或誤碼組率評價電路的傳輸質(zhì)量并不是很確切。

1.3.2計算數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)3.綜合計算在通信中，有效性指標(biāo)和可靠性指標(biāo)這兩個要求通常是矛盾的，實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體需要盡可能取得滿意的結(jié)果。例如在一定可靠性指標(biāo)下，盡量提高信息傳輸?shù)乃俾?；或在一定有效性條件下，使信息傳輸質(zhì)量盡可能提高【例1-5】在強(qiáng)干擾環(huán)境下，某電臺在5min內(nèi)共接收到正確信息量355kbit，假設(shè)系統(tǒng)信息傳輸速率為1200bit/s。問：（1）系統(tǒng)的誤信率是多少？（2）若具體指出系統(tǒng)所傳數(shù)字為四進(jìn)制信號，其誤信率是否改變？為什么？解析：誤信率指的是發(fā)生錯誤二進(jìn)制代碼占傳輸總二進(jìn)制代碼的比例，所以需要先求出傳輸?shù)目倲?shù)，減去正確數(shù)得出錯誤數(shù)。（1）系統(tǒng)5min內(nèi)傳輸?shù)目傂畔⒘繛镮=5×60×1200bit=360kbit，所以

（2）由于信息傳輸速率未變，故傳輸?shù)目傂畔⒘坎蛔?，錯誤接收的信息量也未變，故誤信率不變。任務(wù)實(shí)施（1）通過通信系統(tǒng)中話音或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，分析有效性與可靠性的聯(lián)系與區(qū)別。（2）用具體案例的方法，分析信息傳輸速率、碼元傳輸速率和誤碼率的計算過程。（3）分工協(xié)作，完成有效性和可靠性的概念和相互關(guān)系的理解和學(xué)習(xí)。探秘信道與噪聲任務(wù)1.4任務(wù)目標(biāo)理解信道的含義，認(rèn)知各種信道傳輸介質(zhì)，理解信道容量與信道帶寬的關(guān)系，了解信道中的噪聲給信息傳遞帶來的影響。任務(wù)分析結(jié)合狹義信道和廣義信道的含義，認(rèn)知信道傳輸介質(zhì)，了解信道容量的影響因素并對其進(jìn)行分析計算，分析噪聲的屬性和對通信系統(tǒng)中傳輸?shù)挠杏眯盘柕挠绊憽?/p>

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。一條通信電路至少包含一條發(fā)送信道和（或）一條接收信道。一個信道可以看成是一條電路的邏輯部件。信道指以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路，信道的作用是傳輸信號。信道一般指由有線或無線電線路提供的信號通路。抽象地說，信道實(shí)質(zhì)是一段頻帶，允許信號通過，同時又給信號以限制和損害。信道分為狹義信道和廣義信道。從信道本身來說，可以理解為信息的流水通道。

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類1.狹義信道狹義信道僅指傳輸媒介，是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用以傳輸信號的傳輸媒介。狹義信道通?？煞譃橛芯€信道和無線信道兩大類：有線信道包括電纜和光纜等；無線信道包括地波傳播、短波電離層散射、超短波或微波視距中繼、衛(wèi)星中繼以及各種散射信道等。

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類1.狹義信道-（1）有線信道①雙絞線：由兩根彼此絕緣的銅線組成，每兩根線按照規(guī)則的螺線狀絞合在一起。②市話電纜：由多根彼此絕緣的銅線組成，每兩根線按照規(guī)則的螺線狀絞合在一起，再將許多這樣的線結(jié)捆扎在一起，并用堅硬的、起保護(hù)作用的護(hù)皮包裹成一根電纜。③同軸電纜：由同軸的兩個導(dǎo)體構(gòu)成。它們之間填充著絕緣介質(zhì)，可能是塑料，也可能是空氣。④光纜：光纜由纜芯、加強(qiáng)件、填充物和護(hù)層等幾部分構(gòu)成，除了這些基本結(jié)構(gòu)之外，根據(jù)實(shí)際需要還要有防水層、緩沖層、絕緣金屬導(dǎo)線等構(gòu)件，是目前應(yīng)用最多的有線傳輸介質(zhì)。

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類1.狹義信道-（2）無線信道無線信道主要指以無線電波作為傳輸載體的信道。①短波：是指頻率為3～30MHz的無線電波，基本傳播途徑有兩個：一個是地波，一個是天波。②地面微波接力：微波的頻率范圍為300MHz～300GHz，在空中主要沿直線傳播，可經(jīng)電離反射到很遠(yuǎn)的地方。在中間每隔一段距離就需要安裝一個中繼器。③衛(wèi)星通信：是指用人造衛(wèi)星作為中繼信道的一種通信方式。相對于地球站來說，同步衛(wèi)星在空中的位置是靜止的。

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類2.廣義信道通信系統(tǒng)中，凡信號經(jīng)過的一切通道統(tǒng)稱為廣義信道。廣義信道不但包括傳輸媒介，還包括饋線、天線、調(diào)制/解調(diào)器、編碼/譯碼器等各種形式的轉(zhuǎn)換、耦合等設(shè)備。廣義信道意義在于僅關(guān)注傳輸結(jié)果，不關(guān)心傳輸過程，使通信系統(tǒng)模型及其分析大為簡化。廣義信道可以理解為信息傳輸?shù)耐ǖ溃ǔ？煞譃檎{(diào)制信道和編碼信道兩大類。

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類2.廣義信道（1）調(diào)制信道調(diào)制信道是指從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的所有電路設(shè)備和傳輸介質(zhì)，調(diào)制信道中傳輸?shù)氖且颜{(diào)信號，為模擬信道。調(diào)制信道又分為恒參信道和隨參信道。有線信道、微波信道、衛(wèi)星信道等都是恒參信道。短波電離反射、超短波流星余跡散射、多徑效應(yīng)和選擇性衰落均屬于隨參信道。（2）編碼信道編碼信道的范圍是從編碼器輸出端至譯碼器輸入端，編碼器的輸出和譯碼器的輸入都是數(shù)字序列，故編碼信道又稱為離散信道。編碼信道中傳輸?shù)氖且丫幮盘?，為?shù)字信道。編碼信道是包括調(diào)制信道、調(diào)制器以及解調(diào)器的信道，研究信道對所傳輸?shù)臄?shù)字信號的產(chǎn)生影響。在經(jīng)過信道傳輸之后數(shù)字信號是否出現(xiàn)差錯以及出現(xiàn)差錯的可能性有多少。編碼信道分為無記憶信道和有記憶信道。

1.4.1認(rèn)知信道的概念及分類3.信道分類

1.4.2信道容量信道容量是信道的極限傳輸能力，即信道能夠傳送信息的最大傳輸速率。C=RmaxC表示信道容量，Rmax表示對所有可能的輸入概率分布的最大值時的信源傳輸速率。在連續(xù)信道中信道容量與信號功率大小等因素有關(guān)；離散信道中信道容量由信道本身的性質(zhì)所決定。信道容量用來衡量信道可以用來輸送多少信息，就像一個管道系統(tǒng)可以用來輸送水的能力。

1.4.2信道容量1.

連續(xù)信道信道容量（1）當(dāng)給定B、S/N時，信道的極限傳輸能力（信道容量C）即確定。信道容量與所傳輸信號的有效帶寬成正比，信號的有效帶寬越寬，信道容量越大；如果信道實(shí)際的傳輸信息速率R小于或等于C時，此時能做到無差錯傳輸（差錯率可任意?。?）當(dāng)信道容量C一定時，帶寬B和信噪比S/N之間可以互換。要使信道保持一定的容量，可以通過調(diào)整帶寬B和信噪比S/N的關(guān)系來達(dá)到。（3）增加信道帶寬B并不能無限制地增大信道容量。當(dāng)信道噪聲為高斯白噪聲時，隨著帶寬B的增大，噪聲功率N也增大，信道容量C趨于有限值1.44S/n0。由此可見，即使信道帶寬無限大，信道容量仍然是有限的。

1.4.2信道容量1.

連續(xù)信道信道容量（4）信道容量C是信道傳輸?shù)臉O限速率時，由于，I為信息量，T為傳輸時間。根據(jù)香農(nóng)公式于是有可見，在給定C和S/N的情況下，帶寬與時間也可以互換。（5）當(dāng)信道上的信噪比小于1時（低于0dB），信道的信道容量并不等于0，這說明此時信道仍具有傳輸消息的能力。（6）香農(nóng)公式是在信道受白色高斯噪聲最大干擾下計算的。

1.4.2信道容量1.

連續(xù)信道信道容量【例1-6】設(shè)模擬電話信道帶寬為3.4kHz，信道上只存在加性噪聲；（1）若信道的輸出信噪比為30dB，求該信道的最大信息傳輸速率；（2）若要在該信道中傳輸33.6kbit/s的數(shù)據(jù)，試求接收端要求的最小信噪比為多少。解：（1）（2）

1.4.2信道容量1.

連續(xù)信道信道容量【例1-7】某一待傳輸?shù)膱D片含800×600個像素，各像素間統(tǒng)計獨(dú)立，每像素灰度等級為8級（等概率出現(xiàn)），要求用3s傳送該圖片，且信道輸出端的信噪比為30dB，試求傳輸系統(tǒng)所要求的最小信道帶寬。解：每個像素的平均信息量為一幅圖片的平均信息量為3s傳送一張圖片的平均信息速率為選取C=Rb，所以信道帶寬為

1.4.2信道容量2.離散信道容量香農(nóng)定理是針對噪聲信道而言的，它對模擬信道和數(shù)字信道都適用。對于無噪聲的數(shù)字信道（理想低通信道）而言，則有奈奎斯特準(zhǔn)則指明其信道容量。奈奎斯特準(zhǔn)則指出：頻帶寬度為B（Hz）的無噪聲數(shù)字信道，所能傳輸?shù)男盘柕淖罡叽a元速率為2波特（Bd），則最大信息速率式中，B為系統(tǒng)頻帶寬度，N為碼元所能取得的離散值的個數(shù)，C為系統(tǒng)最大信息傳輸速率。

1.4.2信道容量2.離散信道容量香農(nóng)定理是針對噪聲信道而言的，它對模擬信道和數(shù)字信道都適用。對于無噪聲的數(shù)字信道（理想低通信道）而言，則有奈奎斯特準(zhǔn)則指明其信道容量。奈奎斯特準(zhǔn)則指出：頻帶寬度為B（Hz）的無噪聲數(shù)字信道，所能傳輸?shù)男盘柕淖罡叽a元速率為2波特（Bd），則最大信息速率式中，B為系統(tǒng)頻帶寬度，N為碼元所能取得的離散值的個數(shù)，C為系統(tǒng)最大信息傳輸速率。

1.4.2信道容量2.離散信道容量【例1-8】設(shè)現(xiàn)有一帶寬為3000Hz的無噪聲數(shù)字信道，用于傳輸十六進(jìn)制數(shù)據(jù)信號，請計算該信道的信道容量。解：信道容量【例1-9】某一無噪聲數(shù)字信道，系統(tǒng)帶寬為500Hz，信道容量是3000bit/s，求該信道傳輸符號的進(jìn)制數(shù)。解：由奈奎斯特準(zhǔn)則可知，該信道傳輸符號的進(jìn)制數(shù)

1.4.3信道噪聲噪聲指通信系統(tǒng)中有用信號以外的有害的干擾性信號。通常將周期性的有害信號稱為干擾，其他隨機(jī)的有害信號稱為噪聲。某些類型的噪聲是確知的。在原理上可消除或基本消除。一些噪聲則往往不能準(zhǔn)確預(yù)測其波形。這種不能預(yù)測的噪聲統(tǒng)稱為隨機(jī)噪聲。熱噪聲外部噪聲干擾噪聲加性噪聲乘性干擾（1）白噪聲在通信系統(tǒng)中常見噪聲之一，它的功率譜密度函數(shù)在整個頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。完全理想的白噪聲是不存在的。（2）高斯白噪聲

高斯白噪聲是指幅度分布服從高斯分布，功率譜密度又是均勻分布的白噪聲。熱噪聲和散粒噪聲是高斯白噪聲。任務(wù)實(shí)施（1）查找搜集通信傳輸介質(zhì)資料。（2）對連續(xù)信道和離散信道容量進(jìn)行分析計算。（3）歸納通信系統(tǒng)中附著于信道的各種噪聲。使用通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView任務(wù)1.5任務(wù)目標(biāo)了解通信系統(tǒng)仿真軟件SystemView的基本功能，學(xué)會SystemView常用圖符塊參數(shù)設(shè)置，能夠用SystemView進(jìn)行信號等基本仿真。任務(wù)分析通過對信系統(tǒng)仿真軟件SystemView的基本功能的介紹，理解軟件的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)給定的條件用軟件進(jìn)行仿真模擬。

1.5.1SystemView軟件簡介SystemView是一個簡單易學(xué)的通信系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真，能滿足從信號處理、濾波器設(shè)計到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等要求。SystemView借助Windows窗口環(huán)境，以模塊化和交互式的界面，為用戶提供一個嵌入式的分析引擎。打開SystemView軟件后，屏幕上首先出現(xiàn)系統(tǒng)視窗。系統(tǒng)視窗最上邊一行為主菜單欄，包括文件（File）、編輯（Edit）等11項功能菜單。菜單欄下面是常用快捷功能按鈕區(qū)，左側(cè)為圖符庫選擇區(qū)，SystemView由系統(tǒng)設(shè)計窗口和分析窗口兩個窗口組成。系統(tǒng)設(shè)計窗口包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具條、滾動條、提示欄、圖符庫和設(shè)計工作區(qū)。分析窗口包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具條、流動條、活動圖形窗口和提示信息欄。提示信息欄顯示分析窗口的狀態(tài)信息、坐標(biāo)信息和指示分析的進(jìn)度；活動圖形窗口顯示輸出的各種圖形，如波形等。

1.5.1SystemView軟件簡介分析窗口是用戶觀察SystemView數(shù)據(jù)輸出的基本工具，在窗口界面中，有多種選項可以增強(qiáng)顯示的靈活性和系統(tǒng)的用途等功能在分析窗口中最為重要的是接收計算器，利用這個工具我們可以獲得輸出的各種數(shù)據(jù)和頻域參數(shù)，并對其進(jìn)行分析、處理、比較，或進(jìn)一步地組合運(yùn)算。在主菜單欄下，SystemView為用戶提供了16個常用快捷功能按鈕。當(dāng)需要對系統(tǒng)中各測試點(diǎn)或某一圖符塊輸出進(jìn)行觀察時，通常應(yīng)放置一個信宿（Sink）圖符塊，一般將其設(shè)置為“Analysis”屬性。Analysis塊相當(dāng)于示波器或頻譜儀等儀器的作用，它是最常使用的分析型圖符塊之一。

1.5.2SystemView軟件常用圖符塊系統(tǒng)視窗左側(cè)豎排為圖符庫選擇區(qū)。圖符塊是構(gòu)造系統(tǒng)的基本單元模塊，相當(dāng)于系統(tǒng)組成框圖中的一個子框圖，用戶在屏幕上所能看到的僅僅是代表某一數(shù)學(xué)模型的圖形標(biāo)志（圖符塊），圖符塊的傳遞特性由該圖符塊所具有的仿真數(shù)學(xué)模型決定。創(chuàng)建一個仿真系統(tǒng)的基本操作是，按照需要調(diào)出相應(yīng)的圖符塊，將圖符塊之間用帶有傳輸方向的連線連接起來。除雙擊“加法器”和“乘法器”圖符塊按鈕可直接使用外，雙擊其它按鈕后會出現(xiàn)相應(yīng)的對話框，應(yīng)進(jìn)一步設(shè)置圖符塊的操作參數(shù)。單擊圖符庫選擇區(qū)最上邊的主庫開關(guān)按鈕，將出現(xiàn)選擇庫開關(guān)按鈕Option下的用戶代碼庫、通信庫、DSP庫、邏輯庫、射頻模擬庫和數(shù)學(xué)庫選擇按鈕，可分別雙擊選擇調(diào)用。進(jìn)入系統(tǒng)后，在圖符庫選擇區(qū)排列著8個圖符塊選擇按鈕。

1.5.3SystemView軟件仿真步驟利用SystemView進(jìn)行具體仿真的步驟如下：（1）建立通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；（2）從各種功能庫中選取、雙擊或拖動可視化圖符，組建相應(yīng)的通信系統(tǒng)仿真模型；（3）根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，設(shè)定各模塊參數(shù)；（4）設(shè)置系統(tǒng)定時參數(shù)；（5）進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，得到具體的仿真波形，并通過分析窗口、動態(tài)探針、實(shí)時顯示觀察分析結(jié)果。