《现代通信系统新技术》课件第1章通信基础.pptx

1、第第1章章 通通 信信 基基 础础1.1 通信的通信的概念概念1.2 信息论信息论基础基础1.3 通信系统的通信系统的性能指标性能指标1.4 通信信道的基本特性通信信道的基本特性1.1 通信的概念通信的概念1.1.1 通信的定义通信的定义 通信(Communication),即信息的传递，指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的目的是传输消息。从本质上讲，通信是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息快速、准确、无失真、高效率、安全地进行传输，同时还要在传输过程中抑制无用信息和有害信息。当今的通信不仅要能有效地传输信息，还要有存储、处理、采集及显示信息等功能。通信已成为信息科学

2、技术的一个重要组成部分。在自然科学中，“通信”一般指“电信电信”(Telecommunication)，即利用有线电、无线电、光和其他电磁媒质，对消息、情报、指令、文字、图像、声音等进行传输。电信业务可分为电报、电话、传真、数据传输、可视电话等。从广义的角度看，广播、电视、雷达、导航、遥测、遥控等也可列入电信的范畴。这种通信具有迅速、准确、可靠迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、空间的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。1.1.2 通信的分类通信的分类 1按传输媒质分按传输媒质分 按传输媒质的不同分类：有线通信有线通信（指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等的通信形式。特点特点：媒质能看得见

3、、摸媒质能看得见、摸得着得着）&无线通信无线通信（指传输消息的媒质看不见、摸不着(如电磁波)的通信形式）。通常，有线通信也可进一步分为明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等。2按信道中传输的信号分按信道中传输的信号分 信道是个抽象的概念，这里可理解成传输信号的通路。通常，信道中传输的信号可分为数字信号数字信号和模拟信号模拟信号两种，由此，通信也可分为数字通信数字通信和模拟通信模拟通信，与它们相对应的系统是数字通信系统数字通信系统和模拟通信系统模拟通信系统。若信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可

4、以取无限多个数值，且直接与消息相对应，则称其为模拟信号模拟信号。模拟信号有时也称为连续信连续信号号，“连续”是指信号的某一参量可以连续变化(即可以取无限多个值)，而不一定在时间上也连续。例如，将在第2章介绍的脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)信号，经过调制后，已调信号脉冲的某一参量是可以连续变化的，但在时间上是不连续的。这里的“某一参量”是指所关心的并作为研究对象的那一参量，而不是仅指时间参量。当然，参量在连续时间上连续变化的信号，毫无疑问也是模拟信号，如强弱连续变化的语言信号、亮度连续变化的电视图像信号等。若信号的某一参量只能取有限个数值，并且常常不

5、直接与消息相对应，则称其为数字信号数字信号。数字信号有时也称为离离散信号散信号，“离散”是指信号的某一参量是离散(不连续)变化的，而不一定在时间上也离散。4按调制方式分按调制方式分 根据消息在送到信道之前是否进行调制，通信可分为基带传输和频带传输。基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的通信系统；频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，且接收端有相应解调措施的通信系统。表1-2列出了一些常用的调制方式。1.1.3 通信的方式通信的方式1按消息传送的方向与时间划分按消息传送的方向与时间划分 如果通信仅在点对点之间，或一点对多点之间进行，那么按消息传送的方向与时间的不同，通信的工作

6、方式可分为单工通信、半双工通信单工通信、半双工通信和全双工通信全双工通信，如图1-1所示。单工通信单工通信是指消息只能单方向传输的通信方式消息只能单方向传输的通信方式，如广播、遥控、无线寻呼等。在这种通信方式下，信号(消息)从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别单向传到收音机、遥控对象和BB机上。半双工半双工通信通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进不能同时进行收发行收发的通信形式，如使用同一频段的对讲机、收发报机等。全全双工通信双工通信是指通信双方可同时收发消息双方可同时收发消息的通信方式。很明显，全双工通信的信道必须是双向信道。生活中全双工通信的例子很多，如普通电话、各种手机等。2按数

7、字信号排序划分按数字信号排序划分 在数字通信中，按照数字信号排列顺序的不同，可将通信方式分为串序传输串序传输和并序传输并序传输。所谓串序传输，是指将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式，如图1-2(a)所示；若将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上同时在信道上传输，则称为并序传输，如图1-2(b)所示。一般的数字通信方式都采用串序传输，其优点是只占用一条通路，缺点是占用通路时间相对较长；并序传输方式在通信中有时也会用到，其优点是传输时间较短，缺点是需要占用多条通路。3按通信网络形式划分按通信网络形式划分 通信网络形式通常可分为三种：点到点通信方式、点到多点通信(

8、分支)方式和多点到多点通信(交换)方式。点点到点通信到点通信是通信网络中最为简单的一种形式。网络中终端A与终端B之间的线路是专用的。点点到多点通信到多点通信(分支)方式中，每一个终端(A,B,C,N)都经过同一信道与转接站相连接。此时，终端之间不能直通信息，而必须经过转接站转接，此种方式只在数字通信中出现。多多点到多点通信点到多点通信(交换)是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种方式，即把需要通信的两终端之间的线路接通(自动接通)，或者通过程序控制实现消息交换，也就是通过交换设备先把发方来的消息存储起来，然后再转发至收方，这种消息转发可以是实时的，也可以是延时的。分支方式及交换方式均属

9、网通信的范畴。无疑，它们和点与点直通方式相比，有其特殊的一面，例如通信网中不仅有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等，而且还有信息控制问题、网同步问题等。尽管如此，点与点之间的通信仍是网通信的基础。1.1.4 通信系统的模型通信系统的模型 通信的任务是完成消息的传递和交换完成消息的传递和交换。以点对点通信为例，要实现消息从一地向另一地的传递，通信系统必须有三个部分，即发送端、接收端和收发两端之间的信道。通信系统各部分的作用。1信息源和受信者信息源和受信者 信息源简称信源信源，是信息的发生源信息的发生源。受信者简称信宿信宿，是信信息的归宿息的归宿。根据信源输出信号性质的不同，可将其分为模拟

10、模拟信源信源（模拟电话机）和 数字数字(离散)信源信源（数字摄像机、计算机）。2发送设备发送设备 发送设备的作用是将信源产生的信号变换为传输信道所需的信号(使信源和信道匹配起来)，并送往信道。这种变换根据对传输信号的不同要求有不同的变换方式，通常情况下的要求有实现大功率发射、频谱搬移、信源编码、信道编码、多路复用、保密处理等，其相应的变换方式为功率放大、调制、模/数转换、纠错编码、频分复用(Frequency Division Multiplexing，FDM)或时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)、加密等。3信道信道 信道是指传输信号的通道传输信号的通道，

11、即信号从发送设备到接收设信号从发送设备到接收设备之间所经过的媒质备之间所经过的媒质。信道可以是有线的，也可以是无线的，两者均有多种传输媒质。信道既给信号提供通路，也对信号产生各种干扰和噪声，直接影响通信的质量，其干扰和噪声的产生由传输媒质的固有特性决定。图1-4中的噪声源噪声源是信道中的所有噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集合。图中这种表示并非指通信中一定要有一个噪声源，而是为了在分析和讨论问题时便于理解而人为设置的。4接收设备接收设备 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换完成发送设备的反变换，即进行接收放大、解调、数/模转换、纠错译码、FDM或TDM的分路、解密等，最终从带有干扰的信号

12、中正确地恢复出原始信号。图1-4仅是一个单向通信系统模型，如果实际通信系统要实现双向通信来保证通信双方随时可以交流信息，那么信源兼为信宿，且双方都要有发送设备和接收设备。若两个方向分别使用各自的传输媒质，则双方独立地进行发送和接收；若两个方向共用一个传输媒质，则必须采用频率、时间或代码分割的办法来实现资源共享。通信系统除了完成信息传输之外，还必须进行信息交换。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统。1.2 信息论基础信息论基础1.2.1 信息的度量信息的度量 虽然“信息”(Information)一词在概念上与消息(Message)相似，但其含义更具普遍性、抽象性。信息可理信息可理解为消

13、息中包含的有意义的内容解为消息中包含的有意义的内容。消息有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述，传输信息的多少可直观地用“信息量”来衡量。消息都有其量值量值的概念。在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息具有更多的信息。例如，甲方告诉乙方一件非常可能发生的事情“明天中午12时正常开饭”，与告诉乙方一件极不可能发生的事情“明天12时有地震”相比，前一消息包含的信息显然要比后者少些。因为对乙方(接收者)来说，前一件事很可能(或必然)发生，不足为奇，而后一事情却极难发生，使人惊奇。这表明消息确实有量值量值的意义，而且，对接收者来说，事件越

14、不可能发生，越使人感到意外和惊奇，则信息量就越大。消息是多种多样的，因此，量度消息中所含的信息量值，必须能够估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。另外，消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。(2)消息出现的概率越小，它所含信息量越大；反之，信息量越小。且(3)若干个互相独立的事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即可以看出，I 与 P(x)之间应满足以上三点，且有如下关系式：信息量 I 的单位与对数的底数 a 有关。当 a=2 时(log2用 lb 表示)，I 的单位为比特(bit 或 b)；a=e 时，I 的单位为奈特(nat 或 n)；a=10时，I 的单位为笛特(

15、Det)或称为十进制单位；a=r时，I 的单位称为 r 进制单位。通常使用的单位为比特。b/符号 对于多个信息符号的平均信息量的计算，设各符号出现的概率为则每个符号所含信息的平均值(平均信息量)为(1-6)1.3 通信系统的性能指标通信系统的性能指标1.3.1 一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标 通信系统的性能指标包括有效性、可靠性、适应性、保密性、标准性、维修性、工艺性等。从信息传输的角度来看，通信的有效性有效性和可靠可靠性性是最主要的两个性能指标。通信系统的有效性有效性与系统系统高效率高效率地传输消息地传输消息相关联，即通信系统怎样才能以最合理、最经济的方法传输最大数量的消息。通

16、信系统的可靠性可靠性与系统系统可靠可靠地传输消息地传输消息相关联。可靠性是一种量度，用来表示收到的消息与发出的消息之间的符合程度。因此，可靠性取决于通信系统的抗干扰性。一般情况下，要增加系统的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。在实际应用中，常依据实际系统要求采取相对统一的办法，即在满足一定可靠性指标的前提下，尽量提高消息的传输速率，即有效性；或者，在维持一定有效性的前提下，尽可能提高系统的可靠性。1.3.2 通信系统的有效性指标通信系统的有效性指标 在模拟通信系统中，每一路模拟信号需占用一定的信道带宽，如何在信道具有一定带宽时充分利用它的传输能力？这里有几个方面的措施。其中两个主要方面，一是多

17、路信号通过频率分割复用，即频分复用(FDM)，以复用路数的多少来体现其有效性。例如，同轴电缆最高可容纳10 800路4 kHz的模拟语音信号；目前使用的无线频段为1051012 Hz范围的自由空间，更是利用多种频分复用方式实现了各种无线通信。另一方面，要提高模拟通信有效性，可根据业务性质减少信号带宽，如语音信号的调幅单边带(SSB)为4 kHz，就比调频信号带宽小数倍，但其可靠性较差。数字通信的有效性主要体现为单个信道通过的信息速率单个信道通过的信息速率。对于基带数字信号，可以采用时分复用(TDM)以充分利用信道带宽。数字信号频带传输，可以采用多元调制来提高有效性。数字通信系统的有效性可用传输

18、速率来衡量，传输速率越高，则系统的有效性越好。通常可从以下三个角度来定义传输速率。1码元传输速率码元传输速率RB 码元传输速率通常又称为码元速率，用符号RB表示。码元速率是指单位时间(每秒)内传输码元的数目，其单位为波特(Baud)，用符号“B”表示。例如，某系统在2 s内共传送4800个码元，则系统的码元速率为2400 B。1.3.3 通信系统的可靠性指标通信系统的可靠性指标 对于模拟通信系统，可靠性通常以整个系统的输出信噪比来衡量。信噪比是指信号的平均功率与噪声的平均功率之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小，信号的质量越好。例如，在卫星通信系统中，发送信号功率总是有一定限量的，而信道

19、噪声(主要是热噪声)则随传输距离的增加而增加，其功率也不断累积，并以相加的形式来干扰信号，所以信号加噪声的混合波形与原信号相比有一定程度的失真。模拟通信的输出信噪比越高，通信质量就越好。例如，公共电话(商用)的信噪比在40 dB以上为优良质量；电视节目信噪比至少应为50 dB；优质电视接收信号信噪比应在60 dB以上；公务通信可以降低质量要求，但也需在20 dB以上。当然，衡量信号质量还可以用均方误差，它是衡量发送的模拟信号与接收端恢复的模拟信号之间误差程度的质量指标。均方误差越小，说明恢复的信号越逼真。(1-13)(1-14)(1-15)1.4 通信信道的基本特性通信信道的基本特性 信道是通

20、信系统必不可少的组成部分，信道特性的好坏直接影响到系统的总特性。信号在信道中传输时，噪声作用于所传输的信号，接收端所接收的信号是传输信号与噪声的混合体。1.4.1 信道的概念信道的概念 1信道的定义信道的定义 笼统地说，信道是指以传输媒介(质)为基础的信号通路；具体地说，信道是指由有线或无线线路提供的信号通路；抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。信道大体可分成两类：狭义信道和广义信道。狭义狭义信道信道按具体媒质类型的不同可分为有线信道有线信道和无线信道无线信道。所谓有线信道，是指传输媒质为明线、对称电缆、同轴电缆、光缆、波导等看得见的媒

21、质。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一，如对称电缆(又称电话电缆)，它广泛应用于近程(市内)传输。无线信道的传输媒质比较多，包括短波电离层、对流层散射等。虽然无线信道的传输特性不如有线信道稳定可靠，但无线信道具有方便、灵活、通信者可移动等优点。广义广义信道信道通常分成调制调制信道信道(根据调制与解调的基本问题而定义的，它的范围是从调制器输出端到解调器输入端)和编码信道编码信道两种。从调制和解调的角度来看，由调制器输出端到解调器输入端的所有转换器及传输媒质只是把已调信号进行了某种变换，即只需关心变换的最终结果，而无须关心详细过程。因此，研究调制与解调问题时，定义一个调制信道是方便和恰当的。调

22、制信道常用在模拟通信中。如果仅着眼于编码和译码问题，则可得到编码信道。从编码和译码的角度看，编码器的输出仍是一数字序列，而译码器的输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同的。因此，从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，此方框称为编码信道。调制信道和编码信道的示意图如图1-5所示。另外，根据研究对象和关心问题的不同，也可以定义其他形式的广义信道。2信道的模型信道的模型 为了方便地表述信道的一般特性，可引入信道的模型调制信道模型和编码信道模型。1)调制信道模型调制信道模型 在频带传输系统中，已调信号离开调制器后便进入调制信道。对于调制和解调

23、而言，通常可以不管调制信道包括什么样的转换器，也不管选用了什么样的传输媒质，以及发生了怎样的传输过程，而仅关心已调信号通过调制信道后的最终结果。因此，把调制信道概括成一个模型是可行的。调制信道的主要特性如下：若有一对(或多对)输入端，则必然有一对(或多对)输出端；绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理；信号通过信道需要一定的迟延时间；信道对信号有损耗(固定损耗或时变损耗)；即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的功率输出(噪声)。由此看来，可用一个二对端(或多对端)的时变线性网络去替代调制信道。这个网络就称作调制信道模型，如图所示。对于二对端的信道模型来说，它的输入和输出之间的关系式可表示

24、成 eo(t)=fei(t)+n(t)（1-16）式中，ei(t)为信道输入信号；e0(t)为信道输出信号；n(t)为信道噪声(或称信道干扰)；fei(t)为信道对信号影响(变换)的某种函数关系。由于fei(t)形式是个高度概括的结果，为了进一步理解信道对信号的影响，可把fei(t)写成k(t)ei(t)形式。于是，式(1-16)可写成 eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)(1-17)式中，k(t)称为乘性干扰，它依赖于网络的特性，对信号ei(t)影响较大；n(t)则称为加性干扰(或噪声)。这样，信道对信号的影响可归纳为两点：一是乘性干扰k(t)的影响；二是加性干扰n(t)的影响。若了解了

25、k(t)和n(t)的特性，则信道对信号的具体影响也就清楚了。不同特性的信道，其信道模型有不同的k(t)及n(t)参数。通常所期望的信道(理想信道)应是k(t)=常数、n(t)=0，即 eo(t)=kei(t)(1-18)但现实中，乘性干扰k(t)一般是一个复杂函数，它可能包括各种线性畸变、非线性畸变、交调畸变、衰落畸变等，而且通常只能用随机过程加以表述，这是由网络的迟延特性和损耗特性随时间随机变化决定的。大量测试表明，有些信道的k(t)基本不随时间变化，或变化极为缓慢，或者说信道对信号的影响是固定的。因此，在分析研究乘性干扰k(t)时，在相对意义上可把调制信道分为两大类：一类称为恒参信道，即k

26、(t)可看成不随时间变化或变化极为缓慢的信道；另一类则称为随参信道(或称变参信道)，或者说，k(t)是随时间随机变化的信道，它是非恒参信道的统称。有线信道绝大部分为恒参信道，而无线信道大部分为随参信道。2)编码信道模型编码信道模型 编码信道是指包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。它与调制信道模型明显不同，调制信道对信号的影响是通过k(t)和n(t)使调制信号发生“模拟”变化，而编码信道对信号的影响则是一种数字序列变换，即把一种数字序列变成另一种数字序列。故有时把编码信道看成一种数字信道。编码信道包含调制信道，因而它同样受调制信道的影响。但是，从编/译码的角度看，调制信道的影响已被反映在解调

27、器的最终结果里使解调器输出的数字序列以某种概率发生差错。显然，调制信道越差，即特性越不理想，以及加性噪声越严重，则发生错误的概率就越大。由此看来，编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述。例如，在最常见的二进制数字传输系统中，一个简单的编码信道模型可通过图1-7来表示。之所以说这个模型是“简单的”，是因为这里假设解调器输出的每个数字码元发生的差错是相互独立的。用编码的术语来说，这种信道是无记忆的(当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系)。在这个模型里，P(0/0)、P(1/0)、P(0/1)和P(1/1)称为信道转移概率。具体地说，P(0/0)和P(1/1)称为正确转移概率，P(1/0

28、)和P(0/1)称为错误转移概率。根据概率性质可知：P(0/0)+P(1/0)=1 (1-19)P(1/1)+P(0/1)=1 (1-20)转移概率完全由编码信道的特性决定，一个特定的编码信道有相应确定的转移概率。编码信道的转移概率一般需要对实际编码信道作大量的统计分析才能得到。编码信道可细分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。有记忆编码信道是指信道中码元发生差错的事件不是独立的，而是前后有联系的。1.4.2 传输信道传输信道1有线信道有线信道 1)双绞线双绞线 双绞线又称双纽线，由若干对且每对由两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成。这种绞合结构可以减少临近线对间的电磁干扰。双绞线既可以传输模

29、拟信号，又可以传输数字信号，其通信距离一般为几千米到十几千米。导线越粗，通信距离越远，但导线价格越高。根据是否外加屏蔽层还可将其分为屏蔽双绞线屏蔽双绞线和非屏蔽非屏蔽双绞线双绞线。屏蔽双绞线传输质量较好，传输速率也高，但施工不便；非屏蔽双绞线传输性能不如屏蔽双绞线，但施工方便、组网灵活、造价较低，因而较多采用。2)同轴电缆同轴电缆 同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕金属屏蔽层，网外又覆盖一层保护性材料。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆较双绞线具有更宽的带宽和更好的噪声抑制特性。同轴电缆

30、按特性阻抗(指电缆导体各点的电磁电压与电流之比)数值的不同可分为两种：一种为50 同轴电缆同轴电缆，用于数字信号的传输，称为基基带带同轴电缆；另一种为75 同轴电缆同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，称为宽带宽带同轴电缆。基带同轴电缆只支持一个信道，传输带宽为1 Mb/s，它能以10 Mb/s的速率把基带数字信号传输11.2 km，在局域网中广泛使用；宽带同轴电缆支持的带宽为300450 MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达100 km。3)光纤光纤 光纤即光导纤维光导纤维，它软而细，利用全反射原理来传导光束。由于可见光的频率非常高，约为108 MHz的数量级，故一个光纤通信系统的传输

31、带宽远远大于其他各种传输媒质的带宽。光纤为圆柱状，由纤芯、包层和护套三个同心部分组成。纤芯是光纤最中心的部分，由一条或多条非常细的玻璃或塑料纤维线构成。每根纤维线都有自己的包层。由于包层涂层的折射率比芯线低，故可使光波保持在芯线内。最外层的护套可防止外部潮湿气体侵入，并防止磨损、挤压等伤害。根据传输模式的不同，光纤有单模光纤单模光纤和多模光纤多模光纤之分。单模光纤纤芯比较细，光在光纤中的传播只有一种模式；多模光纤纤芯比较粗，光纤中可有多条不同角度入射的光线同时传播。与同轴电缆比较，光纤可提供极宽的频带且功率损耗小，传输距离远(2 km以上)，传输率高(可达数千兆位/每秒)，抗干扰性强(不会受到

32、电子监听)，是构建安全网络的理想选择。2无线信道无线信道 无线信道的传输载体主要是无线电波和光波。根据频率、媒质及媒质分界面对电波传播产生的不同影响，可将电波传播方式分为地波传播、天波传播、视距传播、散射传播、对流层传播和电离层传播。1)地波传播地波传播 当接收天线距离发射天线较远时，地面呈拱形将两者隔开，只有某些中低频电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波表面波。地波沿着地球表面传播的方式，称为地波传播。其特点是信号比较稳定，但电波频率越高，地波随距离的增加衰减得越快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波。2)天波传播天波传播 在大气层中，从几十

33、千米至几百千米的高空有多层“电离层”，它们形成了一种天然的反射体，就像一只悬空的金属盖。电波射到“电离层”就会被反射回来。沿这一途径传播的电波就称为天波或反射波。在电波中，主要是短波具有这种特性。3)视距传播视距传播 若收、发天线距离地面的高度远大于波长，则电波直接从发信天线传到收信地点(有时有地面反射波)，这种传播方式称为视距传播。此方式仅限于在视线距离以内传播信号。4)散射传播散射传播 散射传播指利用对流层或电离层中媒质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现超视距传播，主要用于超短波和微波的远距离通信。5)对流层传播对流层传播 无线电波在对流层与平流层中的传播，简称为

34、对流层传播。6)电离层传播电离层传播 无线电波在电离层中的传播，简称为电离层传播。在实际通信中，虽然可以同时选择几种传播方式来传播无线电波，但一般情况下都是根据使用波段的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。1.4.3 信道内的噪声信道内的噪声 信道内噪声的来源很多，表现的形式也多种多样，通常需根据噪声的来源和噪声的性质进行分类。根据噪声来源的不同，可以粗略地将其分为四类。(1)无线电噪声无线电噪声。它来源于各种无线电发射机。这类噪声的频率范围很广，从甚低频到特高频都可能有无线电干扰存在，并且干扰的强度有时很大。但它的干扰频率是固定的，因此可以预先设法防范。特别是在加强了无线电频率的

35、管理工作后，对频率的稳定性、准确性及谐波辐射等方面都有严格的规定，从而使信道内信号所受的影响可减到最低程度。(2)工业噪声工业噪声。它来源于各种电气设备，如电力线、点火系统、电车、电源开关、电力铁道、高频电炉等。这类干扰源分布很广，无论是城市还是农村，内地还是边疆，都有工业干扰存在。尤其是在现代化社会里，各种电气设备越来越多，这类干扰的强度也就越来越大。但它的干扰频谱集中于较低的频率范围，如几十兆赫兹以内，因此，高于这个频段工作的信道就可以免受它的干扰。另外，也可以设法消除干扰源或减小干扰，如加强屏蔽和滤波等措施。(3)天电噪声天电噪声。它来源于雷电、磁暴、太阳黑子、宇宙射线等，是客观存在的。

36、这类自然现象和时间、季节、地区关系密切，因此天电干扰的影响大小不同。例如，夏季比冬季严重，赤道比两极严重，在太阳黑子活动的年份天电干扰加剧。这类干扰所占的频谱范围很宽，并且频率不固定，因此很难防止。(4)内部噪声内部噪声。它来源于信道的各种电子器件、转换器、天线或传输线等。例如，电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产生热噪声，电子管或晶体管电子器件会由于电子发射不均匀产生器件噪声。这类干扰是由无数个自由电子的不规则运动所形成的，因此它的波形也是不规则变化的，显示在示波器上就像一堆杂乱无章的茅草，通常称之为起伏噪声。在数学上可以用随机过程来描述这类干扰，因此又可称之为随机噪声，简称为噪声。以上

37、是根据噪声的来源来分类的，比较便于理解。但是，从防止或减小噪声对信号传输影响的角度来说，根据噪声的性质来分类更为有利，这时噪声可分为以下几种。(1)单频噪声单频噪声。它主要指无线电干扰。电台发射的频谱集中在比较窄的频率范围内，因此可近似地看做是单频性质的。另外，电源交流电、反馈系统自激振荡等也属于单频干扰。它是一种连续波干扰，并且频率可以通过实测来确定，因此采取适当的措施就能防止。(2)脉冲干扰脉冲干扰。它包括电火花、断续电流及雷电等产生的干扰。其特点是波形不连续，呈脉冲性质，并且发生这类干扰的时间很短、强度很大、周期随机，因此可用随机的窄脉冲序列来表示。由于脉冲很窄，故占用的频谱很宽，但是，

38、随着频率的提高，频谱幅度逐渐减小，干扰影响也相应减弱。因此，在适当选择工作频段的情况下，这类干扰的影响也是可以防止的。(3)起伏噪声起伏噪声。它主要指信道内部的热噪声、器件噪声及来自空间的宇宙噪声。它们都是不规则的随机过程，只能通过大量统计的方法来寻求其统计特性。由于起伏噪声来自信道本身，故它对信号传输的影响是不可避免的。1.4.4 常见的几种噪声常见的几种噪声1白噪声白噪声 所谓白噪声，是指功率谱密度函数在整个频率域(-+)内是常数，即服从均匀分布服从均匀分布的噪声。称其为白噪声，是因为它类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光。实际上完全理想的白噪声是不存在的，通常，只要噪声功率谱密度函数

39、均匀分布的频率范围超过通信系统工作频率范围很多，就可近似认为是白噪声。例如，热噪声的频率可以高达1013 Hz，且功率谱密度函数在01013 Hz内基本呈均匀分布，所以可将它看做白噪声。正态概率分布函数F(x)为式中，(x)称为概率积分函数，简称概率积分，其定义为 这个积分不易计算，但可借助于积分表查出不同x对应的近似值。正态概率分布函数还经常表示成与误差函数相联系的形式。误差函数的定义式为互补误差函数的定义式为式(1-25)和式(1-26)是讨论通信系统抗噪声性能时常用到的基本公式。3高斯型白噪声高斯型白噪声 由前面可知，白噪声是根据噪声的功率谱密度是否均匀来定义的，而高斯噪声则是根据它的概

40、率密度函数来定义的。那么什么是高斯型白噪声呢？所谓高斯型白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。在通信系统理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统信道中的噪声为高斯型白噪声。一个原因是高斯型白噪声可用具体数学表达式表述，便于推导、分析和运算；另一个原因是高斯型白噪声反映了具体信道中的噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。(1-27)1.4.5 信道容量信道容量1信号带宽信号带宽 带宽这个名称在通信系统中经常出现，而且常常代表不同的含义，在这里先做一些说明。从通信系统中信号的传输过程来说，有两种不同含义的带宽：一种是信号

41、(包括噪声)的带宽，也就是本节要定义的带宽，由信号(或噪声)能量谱密度G()或功率谱密度P()在频域的分布规律确定；另一种是信道的带宽，由传输电路的传输特性决定。信号带宽和信道带宽的符号都用B表示，单位为Hz。本教材中在提到带宽时将说明是信号带宽，还是信道带宽。从理论上讲，除了极个别的信号外，信号的频谱都是无穷宽分布的。如果把凡是有信号频谱的范围都算带宽，那么很多信号的带宽都变为无穷大了，显然这样定义带宽是不恰当的。一般信号虽然频谱很宽，但绝大部分实用信号的主要能量(功率)都集中在某个不太宽的频率范围内，因此，通常根据信号能量(功率)集中的情况，恰当地定义信号的带宽。常用的定义有以下三种。(1

42、-28)对于功率信号，可由求出B。的百分比取值为90%、95%或99%等。(1-29)2)以能量谱以能量谱(功率谱功率谱)密度下降密度下降3 dB时的频率间隔作为带宽时的频率间隔作为带宽 对于频率轴上有明显的单峰形状(或者一个明显的主峰)且峰值位于f=0处的能量谱(功率谱)密度的信号，信号带宽为正频率轴上G()(或P()下降到3 dB(半功率点)处对应的频率与f=0的间隔，如图1-9所示。G()f曲线中，由 或 得(1-30)3)等效矩形带宽等效矩形带宽 若用一个矩形的频谱代替信号的频谱，则矩形频谱具有的能量与信号的能量相等，矩形频谱的幅度为信号频谱f=0时的幅度 由或得 或2信道容量的计算信

43、道容量的计算 从信息论的观点来看，各种信道可以概括为两大类，即离散信道和连续信道。所谓离散信道，就是输入与输出信号都是取值离散的时间函数；而连续信道是指输入和输出信号都是取值连续的时间函数。信道容量是指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。这里仅给出连续信道的信道容量。在实际的有扰连续信道中，当信道受到加性高斯噪声的干扰，且信道传输信号的功率和信道的带宽受限时，可依据高斯噪声下关于信道容量的香农(Shannon)公式计算信道容量。这个结论不仅在理论上有特殊的贡献，而且在实践意义上也有一定的指导价值。设连续信道(或调制信道)的输入端加入单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声，信道的带

44、宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率C为式中，C值就称为信道容量；n0B是噪声的功率。令N=n0B，则式(1-33)也可写为 式(1-33)就是著名的香农信道容量公式，简称香农公式。根据香农公式可以得出以下重要结论。(1)任何一个连续信道都有信道容量。在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输能力为C。如果信源的信息速率R小于或等于信道容量C，那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的差错概率通过信道传输；若R大于C，则无差错传输在理论上是不可能的。因此，实际传输速率一般不能大于信道容量，除非允许存在一定的差错率。(2)增大信号功率S可以增加信道容量C

45、。当信号功率S趋于无穷大时，信道容量C也趋于无穷大，即 减小噪声功率N(N=n0B，相当于减小噪声功率谱密度n0)，也可以增加信道容量C。若噪声功率N趋于零(或n0趋于零)，则信道容量趋于无穷大，即 增大信道带宽B可以增加信道容量C，但不能无限增大。当信道带宽B趋于无穷大时，信道容量C的极限值为 由此可见，当S和n0一定时，虽然信道容量C随带宽B的增大而增大，然而当B时，C不会趋于无穷大，而是趋于常数1.44S/n0。(3)当信道容量保持不变时，信道带宽B、信号噪声功率比S/N及传输时间三者是可以互换的。增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少，反之亦然。当信道容量C给定时，B1、S1/N1和B2、S2/N2分别表示互换前后的带宽和信号噪声功率比，则有 当维持同样大小的信号噪声功率比S/n0时，给定的信息量I=TB 1b1+S/(n0B)(C=I/T，T为传输时间)可以用不同带宽B和传输时间T来互换。若T1、B1和T2、B2分别表示互换前后的传输时间和带宽，则有 通常把实现了极限信息速率传输(即达到信道容量值)，且能做到任意小差错率的通信系统称为理想通信系统。香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出具体的实现方法。因此，理想系统常常只作为实际系统的理论界限。