1、4.1 信息传输和信道信息传输和信道4.1.1 信息传输的基本概念信息传输的基本概念1.信道信道 信道是信号传输的通道。从系统的角度看，通信系统一般由信源、信道、信宿、发送设备、接收设备和噪声源组成，如图4.1所示。图4.1 通信系统的基本模型信息源是产生消息的源。发送设备是将信源端送出的信号变换或匹配成适合于特定信道介质传输信号的设备。接收端的接收设备与发送设备实现功能相反，是将从信道接收的信号相应地恢复、还原成终端设备能识别信号的设备。2.信息容量信息容量 信息容量是在一个给定时间内，通过一个通信系统可以传输多少信息的一种度量。简而言之，信息容量可以是系统容纳的用户数目或系统交换、传输及处
2、理的信息比特数。1920年贝尔电话实验室的哈特莱(RHartley)推导出了带宽、传输时间和信息容量之间的关系。哈特莱定律简单地说明，带宽愈宽，传输时间愈长，能够通过该系统传送的信息就愈多。数学上，哈特莱定律表达如下：tBCtBCtBC tBC tBC 其中，C为信息容量，B为系统带宽(Hz)，t为传输时间(s)。上式说明信息容量是系统带宽和传输时间的线性函数并与两者直接成正比。tBC (4.1)例例4.1 已知某系统的系统带宽为150MHz，分别在1秒和1分钟时间内的传输信息量。解解 根据哈特律公式，当t=1s时，系统信息容量为C=1501061=1.5108 b/s；当t=60s（1分钟）
3、时，系统信息容量为C=15010660=9109 b/s。那么如果增大带宽B，能否使C一定线性增加呢？这实际上是不可能的，香农公式回答了这一问题。数学上，香农信息容量极限表述为:)1(log2NSBC（4.2）其中，C为信息容量(b/s)，B为带宽(Hz)，S/N为信号与噪声的功率之比，简称信噪比（无单位），其中N=n0B，n0为噪声单边功率谱密度。可见，C是信道带宽和信噪比的函数，B增大的同时，噪声功率N也增大，S/N减小，C是有限的。信道容量受“三要素”B、n0和S的限制，只要这三要素确定，信道容量就确定。例例4.2 已知某系统的信噪比为1 000(30 dB)，标准话音频带通信信道带宽为
4、3.4 kHz，试求该系统的信息速率极限值。解解 根据信息容量的香农极限公式，C=3400log2(1+1000)=33.89 kb/s，这个值就是该信道传输信息的理论极限速率值。3信道传输特性信道传输特性根据传输介质是否有形，信道可以分为有线信道和无线信道。（1）有线信道的传输特性有线信道的传输特性1)幅频传输特性：是信道在各频率下的衰耗与频率的关系曲线，它将影响信号的幅度衰减量。信道的理想幅频特性要求其通带内特性平稳，否则将导致信号幅度失真。2）相频传输特性：是信道在各频率下的相位移与频率的关系曲线，它将影响被传输信号的相位移。图4.2 理想有线信道的传输特性（2）无线信道传输特性无线信道
5、传输特性 无线信道的传输媒介是自由空间，由电磁波携带信号。常用无线信道的通信方式有：调幅、调频广播、无线电视、微波通信、卫星通信、移动电话、无线寻呼等。无线信道也以幅频特性与相频特性来描述信道对通过信号的影响，与有线信道类同。无线通信所用的电磁波，根据频率的高低，或波长的长短，频段划分如表4.1所示，我们通常所说的微波是指频率在0.3GHz3GHz范围的电磁波。各波长段的频率不同，波长不同，其空间传播特性就不一样，用途也就不同。（3）信道的衰减与失真）信道的衰减与失真 在信道中传递的信号，由于介质的特性，信号传输中必然会产生能量的损失，这种能量的损失，我们称之这衰减或衰耗。在通信工程中称之为固
6、有衰减，这种衰减随信道种类不同而不同，传输信道距离越长衰减越大，其度量一般用(dB)电平表示，其dB的定义为：采用信号输入输出端功率比值取10倍常用对数来表示，称之为分贝。dB=10 (4.3)PlgP入出 在通信系统中，信号其传输一般用相对电平来表示，如果上式中参考点为Po，输出点为Pi，若P0的单位用mw表示，则电平为dBm，称dB毫瓦，如P单位用W表示，则电平为dBW或称为dB瓦。oidBmPPlg10)(4.4)通信信道由于干扰和噪声影响，常见的信号衰减与失真度量参数有：幅度衰减、幅度突变、相位抖动、群时延频率失真、频率偏移等。幅度衰减是指信道对不同频率信号的幅度衰减变化。幅度突变是指
7、接收信号幅度突然变化（增加或减小）的数值，一般要求门限值在16dB范围内选择。相位抖动也会引起信号的畸变和失真，是一种线性畸变，通信系统可以采用“均衡”措施补偿。信道的相位频率特性也经常用群时延频率失真来衡量，所谓群时延频率失真是相位频率特性对频率的导数，若相位频率特性用()表示，则群时延频率特性（）为：dd)()(4.5)(4)信道的损伤信道的损伤1)信道中的噪声与干扰信道中的噪声与干扰信号在信道道传输中过程中，会遇到各种情况的干扰和噪声，包括各种各样来自系统内部的噪声与外部的干扰。统内部噪声。系统内部半导体器件中的少数载流子的随机扩散与电子-空穴对的随机复合运动产生散弹噪声；通信设备中的元
8、器件的热运动（绝对温度零度以上都有）产生白噪声。以上两种噪声是不可避免的，只能通过改良通信设备的工艺来避免或改善。统外部的干扰。通信设备工作时，处于强电磁环境中，一方面受到自然界雷电、太阳黑子活动等引起的电磁暴；另一方面受其它无线电设备发射电磁波，市电50Hz信号的干扰。这种外界干扰，可通过降低外界干扰源的干扰和增强通信设备的屏蔽能力来改善。2)数字传输系统性能指标数字传输系统性能指标 从数字信号传输的角度上看，数字通信系统的主要性能指标分为有效性和可靠性指标，其中有效性指标常用信息传输速率、码元传输速率(符号速率)、频带利用率等表示，可靠性指标常用误码率和抖动容限表示。信息传输速率：是指在单
9、位时间(每秒)传送的信息量，也称传信率。例例4.3 某数字通信系统，它每秒钟传输2048103个二进制码元，则它的信息传输速率为多少？解解 该系统信息佶速率为：fb=2048103比特/秒。码元（符号）传输速率：也称为符号传输速率，或码元速率。它是指单位时间(每秒)所传输的码元数目，其单位称为波特。码元速率可折合为信息速率进行计算。其转换公式为：MffBb2log(4.6)式中，fb为信息传输速率(二进制传输速率)；fB表示波特数(消息速率)，其单位为波特（Bd，或Baud）；M为符号进制数(码元进制数)例例4.4 已知某系统的码元传输速率为600 Baud，如果系统传输二进制和四进制码元时对
10、应的信息速率分别为多少？解解 二进制码元时，M=2，代入公式（4.6）计算出信息传输速率fb=600 bit/s；四进制码元时，M=4，信息传输速率fb=1200 b/s。频带利用率：是指单位频带内的传输速率。传输的速率愈高，所占用的信道频带愈宽。通常用来表示数字信道频带的利用情况，即频带利用率为：频带宽度传输速率(4.7)当传输速率是码元传输速率时，其单位为波特/赫兹(Baud/Hz)；当传输速 率是信息传输速率时，其单位为比特/秒/赫兹(b/s/Hz)。误码率。在数字通信中是用脉冲信号，即用“1”和“0”携带信息。由于通信系 统中噪声、串音及码间干扰以及其它突发因素的影响，当干扰幅度超过脉
11、 冲信号再 生判决的某一门限值时，将会造成误判成为误码，如图4.3所示。图4.3 噪声叠加在数字信号上的波形误码用误码率来表征，其定义为：数字通信系统中在一定统计时间内，数字信号在传输过程中，发生错误的码元数与传输的总码元数之比，用符号Pe表示。enPlim产生错误码元（个数）传输的总码元（个数）(4.8)例例4.5 某数字通信系统中传输“1”和“0”等概率的码元，则每码元含有的信息量为1bit。现有一数据通信系统每秒传送144kb的“1”和“0”码元，则此系统传信率多少比特/秒？如果此系统在传输过程中每5秒传错2码元，则系统的误码率又为多少？解解 在二进制码系统中，直接计算系统传信率fb=1
12、44 Kbit/s；由于系统5秒钟内传送的信息比特数为：144Kb5=720 kbits，则根据公式(4.8)计算系统误码率为：Pe=2720K=2.778106。在实际的数字通信系统中，含有多个再生中继段，则一个传输系统的误码率，应与每个再生中继段的误码率相关，即具有累积特性。如一个传输系统有m个再生中继段，则总误码率为：meB1PPeBii(4.9)式中，PeB代表总误码率；i表示再生中继段序号；PeBi表示第i个再生中继段的误码率。当每个再生中继段误码率相同时，即都为，则m个再生中继段的误码率为：(4.10)eBieBmPP 抖动容限。所谓抖动，是指数字信号的有效瞬间与其理想时间位置的短
13、 时偏离。抖动现象如图4.4所示:图4.4脉冲抖动示意图 抖动容限一般是用峰峰抖动Jp-p来描述的。它是指某个特定的抖动比特的时间位置，相对于该比特抖动时的时间位置的最大部分偏离。4.1.2 有线传输信道有线传输信道 有线信道的电磁能量被约束在某种传输线上传输，包括平行导体传输线、同轴电缆传输线、微带传输线、波导传输线、光纤传输线等。1.架空明线和平行双线电缆架空明线和平行双线电缆 架空明线是利用金属裸导线捆扎在固定的线担上的隔电子上，是架设在电线杆上的一种通信线路。它主要由导线、电杆、线担、隔电子和拉线等组成，如图4.5(a)所示。平行双线电缆是一种双线平行导体传输线，两个导体承载电流，其中
14、一个导体承载发出的信号，另一个承载返回的信号，任何一对传输线都可以在平衡模式下工作，如图4.5(b)所示。导体固定绝缘材料（a）架空明线 （b）平行双线电缆 图4.5架空明线和平行双线电缆2.对称电缆对称电缆 对称电缆是由若干条扭绞成对（或组）的导电芯线加绝缘层组合而成的缆芯，在缆芯外面加上金属编织物。如图4.6（a）所示。3.双绞线双绞线 双绞线电缆是由两根绝缘的导体扭绞封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质，通常以对为单位，并把它作为电缆的内核，根据用途不同，其芯线要覆以不同的护套。导体(a)对称电缆固定绝缘体编织物保护套导体(b)双绞线电缆图4.6 对称电缆和双绞线电缆4.同轴电缆同轴
15、电缆 同轴电缆包括一个中心导体，直径1.2mm至5mm，周围是同心共轴的外部导体，外管直径4.4mm至18mm，外部导体被物理隔绝，由间隔器与中心导体隔离，属于不对称的结构。图4.7给出的是固态柔韧型同轴电缆，外部导体是柔韧的编织物，并与中心导体同轴，绝缘体是固态绝缘聚乙烯材料，以保证内外导体的电隔离。图4-7 同轴电缆（固态柔韧型）5.微带线和矩形波导微带线和矩形波导 微带线应用于高频(3003000 MHz)。在印制电路板(PC，Printed Circuit)上使用铜线构成的特殊传输线称为微带线或带状线，已在PC板上被用于元件的连接。图4.8(a)给出了一个简化的单轨微带线路。波导(Wa
16、ve Guide)的最简单形式是一个空心导管，其横截面通常是矩形，如图4.8(b)所示:平面导体PC绝缘材料接地板(b)(a)(a)微带线 (b)矩形波导 图4.8 微带线和矩形波导6.光纤光纤 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝，其结构图见图4.9所示。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层n2纤芯n1图4.9 光纤结构图 光纤是利用光的全反射特性来导光的。折射率小的称为光疏媒质，折射率大的称为光密媒质。假定光线从光密介质n1射向光疏介质n0，其折射情况如图4.10所示。入射角为1指入射光线与法线YY的夹角；折射角为
17、0是折线光线与法线的夹角。由图可见10。入射光在两种介质面发生折射的现象用斯涅尔定律描述为：2211sinsinnn图4.10 光线折射示意图光纤结构及剖面图如图4-11 所示：2b2a包层一次涂覆(涂覆层)二次涂覆(套塑)纤芯纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层塑套管塑套管（a）光纤结构 (b)光纤结构剖面图 图4-11 光纤结构及剖面示意图4.1.3 无线传输信道无线传输信道 无线信道的介质是自由空间，电磁波在大气层、电离层或外层空间传送，如短波电离层、散射信道、微波视距信道、卫星远程自由空间的恒定参数信道等。图4.12显示了在两个天线之间的基本传播形式。图4.12 电磁波的三种传播模式 1)地波
18、传播。地波(Ground Wave)是沿地球表面传播的一种电磁波，很容易穿过一般建筑物，地波有时也称为表面波(Surface Wave)。地波的传播如图4.13所示。图4.13 地波传播地波传播的缺点如下：(1)地波传播需要很大的发射功率。(2)地波传播的频率限制在甚低频(VLF)、低频(LF)以及中频(MF)范围内，并且需要大尺寸的天线。(3)地面损耗随表面材料不同会发生明显变化。地波传播的优点如下：(1)地波传播可提供足够大的功率，地用于世界上任何两地之间的长距离通信。(2)大气条件的改变对地波传播基本上不产生影响。2)空间波。空间波包括直射波和地面反射波(如图4.1所示)。直射波(Dir
19、ect Wave)在发射天线与接收天线之间以直线传播。地面反射波(Ground Reflected Wave)是在发射机和接收机之间靠地球表面对波的反射进行传播的。3)天波。一般天波(Sky Wave)是在某一方向上相对于地球仰起一个很大的角度来辐射的电磁波。天波是朝着天空辐射并凭借电离层反射或折射回地面的。正是由于这个原因，天波传播的这种形式有时也称为电离层传播。天波的传播离地球越远，电离作用就越强，只有很少的分子被电离。电离层通常分为D、E、F三层，如图4.14所示。从图中可以看出，电离层的分层在同一天的不同时间有不同的高度和不同的电离密度。电离密度在一年中随季节呈周期性波动，并且这种周期
20、性的变化还随着太阳黑子活动以大约11年为一个周期发生着变化。在太阳光最强的时期电离层的密度最大（在夏天的中午时段）。图4.14 电离层的分导层4.2 传输技术基础传输技术基础4.2.1 模拟传输技术基础模拟传输技术基础1.模拟基带传输系统模拟基带传输系统2.如果模拟传输系统不对传输的信号进行任何频率变换（调制），则称该系统为基带传输系统。3.自然界的任何非电量信息m(t)，经过非电/电量变换后的通信信号f(t)，其频率成分分布在接近0Hz频率到某一频率的有限频段范围内，因此称为基带信号。如人类的语音信号大部分频率成份在0Hz10Khz范围内，是有限带宽的信号，若某传输系统直接传输f(t)信号，
21、不再进行其它变换，这种传输系统就称为基带模拟传输系统，如图4.15所示。图4.15 基带模拟传输系统2.高频窄带模拟传输系统高频窄带模拟传输系统 对信源端发出的电信号进行一些调制的变换，将频率搬移到某高频率载波附近，使f(t)成为已调信号S(t)的传输系统，称为高频窄带模拟传输系统，如图4.16所示。图4.16高频窄带模拟传输系统高频窄带调制/解调技术所用的典型技术是调制/解调技术。调制/解调技术的基本部件是调制/解调器，结构如图4.17所示，由本地振荡器、正弦信号发生器、低通滤波器、乘法器组成。图4.17调制/解调器系统 设消息信号为m(t)，经非电/电变换后信号为f(t)，在调制/解调技术
22、中，称f(t)为调制信号。本地振荡器产生的正弦信号为载波信号C(t)=A0cos(ct+0)，C(t)称为被调信号。其中A0、c、0这三个分别为振幅、频率和相位参数。调幅：用电信号f(t)去调制载波信号C(t)的振幅A0的调制技术。调频：用电信号f(t)去调制载波信号C(t)的角频率c的调制技术。调相：用电信号f(t)去调制载波信号C(t)的相位 0的调制技术。(1)调幅（调幅（AM）(2)设载波信号为C(t)=A0cos(ct+0)，调制信号为f(t)，其对应的频谱为F()，当这两个信号同时送到乘法器上相乘，所产生的输出信号称为已调信号S(t)，)cos()()()()(00ttfAtftC
23、tSc（4.11）则音频信号f(t)=K+m(t)，K为外加的直流分量，载波信号C(t)和调制信号S(t)的波形如图4.18所示。(a)音频信号f(t)(b)载波信号C(t)(c)调幅信号S(t)图4.18 调幅信号波形 从图4.18可以看出，在时域上已调信号S(t)的包络与f(t)的波形变化一致，因此称调幅。如果对f(t)和s(t)分别作傅里叶变换分析，设S(t)对应的频谱为S()，信号f(t)对应频谱为F()，信号m(t)对应频谱为M()根据信号傅里叶变换性质，在频域上有：)()()()()(01ccccAMMMAAS(4.12)其中，直流部分分量A 1=KA0，因此，S(t)对应的频谱S
24、()是信号m(t)对应频谱M()在频域上的简单搬移，M()在频域被搬移到载波频率c附近形成双边带，S()由集中于附近的上边带（图4.19中加黑部分）和下边带，且下边带是上边带的反摺，如图4.19所示。图4.19 调幅信号频谱示意图(2)抑制载波双边带调幅（抑制载波双边带调幅（DSB）在调幅信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送，如果将载波抑制掉，只需将f(t)信号中的直流分量K抑制掉，即可输出抑制载波的双边带调幅信号如图4.20(a)所示。(a)抑制载波双边带调幅（DSB）(b)单边带调幅（SSB）图4.20 DSB和SSB调幅信号(3)单边带调幅（单边带调幅（SSB）在DSB调幅信
25、号中包含两个边带，即上、下边带，这两个边带携带的信息相同，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就足够了，这种只传输一个边带的调幅方式就称为单边带调幅。单边带调幅可以通过DSB滤波法或移相法得到，单边带调幅信号如图4.20(b)所示。(4)残留边带调制（残留边带调制（VSB）残留边带调制是介于DSB和SSB之间的一种调制方式，VSB不是完全抑制另一个边带（像SSB那样），而是逐渐切割，使其残留一小部分，如图4.21所示。图4.21 DSB，SSB和VSB调制波形(5)调频调频 用载波的角频率来携带信源的信息。将信源端f(t)幅度的变化用于控制压控振荡器控制载波频率的变化，其输出就为调频波S(t)
26、，调频波的稀和疏与f(t)的幅度大小有关。(6)调相调相 由载波的相位分量来携带信源的消息，以载波相位的变化表示信号f(t)幅度的变化，在调相在模拟传输中一般用得少，其内容略。4.2.2 数字传输技术基础数字传输技术基础1.数字基带传输数字基带传输2.所谓基带传输，是指不经过调制而直接将原始基带信号送到线路上进行传输的一种方式。信源端的模拟信号经过PCM数字化编码后，输出的数字信号是以基群（低次群）的码流，该码流可不经调制，直接在电缆上作短距离传输，我们称之为基带传输，在此信道上传输的数字信号称为数字基带信号。(1)数字基带信号数字基带信号(2)1）单极性不归零（NRZ）码：设消息代码由二进制
27、符号0、1组成，基带信号的0电位及正电位分别对应数字信号0和1，NRZ码的基带信号及频谱可用图4.22表示：图4.22单极性（NRZ）不归零码及功率谱图 2)双极性不归零码：双极性波形就是二进制符号0、1分别与正、负电位对应的波形，如图4.23所示 图4.23 双极性不归零码 3)单极性归零码：单极性波形就是二进制符号0、1分别与零、正电位对应，且有电脉冲宽度比码元宽度窄的波形，每个脉冲都回到零电位，如图4.24所示。图4.24 单极性归零码（RZ）及功率谱 4)双极性归零码：双极性波形就是二进制符号0、1分别与正、负电位对应的波形，如图4.25所示。图4.25 双极性归零（RZ）码(2)常用
28、的数字基带传输码型常用的数字基带传输码型 根据电缆信道的特点及传输数字信号的要求，为了不使在信道中传输的数字信号产生严重畸变，选择的数字基带码要满足以下几个条件：码型中，高、低频成分少，无直流分量。在接收端便于定时时钟提取。码型应具有一定的检错(检测误码)能力。设备简单、易于实现。满足或部分满足以上特性的传输码型种类繁多，下面是常见的几种码型。1)双极性半占空码(AMI)码：也称为双极性半占空交替反转码是一种将消息代码0（空号）和1（传号）按如下规则进行编码的码型：代码中的0变换为传输码0，而代码中的1交替地变换为传输码的+1、1、+1、1、。例例4.7 已知二进制代码为110101，按AMI
29、编码规则编出信道码。解解编出的AMI码为：1+1-0 1+0 1-。其编码波形及频谱图如4.26所示。图4.26 AMI码及功率谱 2)HDB3码：是三阶高密度双极性码的简称，是一种改进的AMI码。普通二进制码流变换为HDB3码的规则中下：在数码流中当连续出现四个以上连“0”时，从第一个“0”起到四个 连“0”中，最后一个“0”用“V”码取代，此位码称极性破坏点。各“V”码必须进行极性交替(为保证传号码极性交替不引入直流成分)。相邻“V”码间，前一“V”码与后相邻的原传号“1”码，应使之符合极性交替原则(符合AMI码变换规律)。要使“V”码前面相邻一定出现一个与之极性相同的码位(满足“V”码为
30、极性破坏点要求)。按前三步骤变换后也可能会出现与“V”码同极性的码，当没有出现时，就将四连“0”中的第一个“0”用B码取代，使B与它后邻的取代V码同极性(为了在收端能识别出哪个是取代码以便消除)。例例4.8 已知二进制码10 0001 0110 0000 0001 1010，试编出其HDB3码。解解 按照HDB3编码规则，首先找出连0码足4个0的码串，码串中4个0用破坏码V取代，然后确定V码正负交替，最后就可以编出HDB3码，编码过程和HDB3码波形如下。图4.27 HDB3码的波形图 3）CMI码：是传号反转码的简称，其编码规则为：“1”码交替用“11”和“00”表示，“0”码用“01”表示
31、，其中“10”则为禁字不准出现，接收端可据此判决为误码。例例4.9 二进制码为11001011，编出其CMI码。解解 按CMI码编码规则，则CMI码为1100010111010011。其波形图是一种二电平不归零码，如图4.28（b）所示。图4.28不归零信息码、CMI码、双相码和密勒码的波形 4)Manchester码：又称双相码，它是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码，编码规则之一是：0码用“01”表示，1码用“10”表示，编码后0、1的统计概率相等，编码波形如图4.28（c）所示。5）Miller（密勒）码：又称延迟调制码，它可看作是双相码的一种变形。编码规
32、则如下：“1”码用码元持续时间中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码分两种情况处理：对于单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；对连“0”码，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”和“11”交替。6）nBmB码：是一类分组码，它所原信息码流的n位二进制码作为一组，变换为m位二进制码作为新的码组。(3)数字基带传输系统数字基带传输系统 基带信号呈现低通型频谱特性，基带传输系统具有低通特性，其基本模型如图4.29所示。图4.29 数字基带传输系统 在图4.29中，接收滤波器输出频谱信号为：)()()()(RCGS(4.13)显然，要在
33、接收端得到无失真的波形S（），必须满足下列条件：CCGKRC,0)(,)()(4.14)2.数字频带传输数字频带传输 所谓频带传输，是指原始电信号在发送端先经过调制后，再送到路上传输，接收端则要进行相应解调才能恢复出原来的基带信号。(1)数字信号的无线传输数字信号的无线传输(2)数字信号通过空间以电磁波为载体传输到对方，称为无线传输。(3)(2)数字信号的基本调制与解调数字信号的基本调制与解调(4)调制是通过改变一个更高频率信号的某些特征物理量或参数(如幅度、频率、相位等)的过程，这一高频信号常称载波，它一般由载波振荡器(如振荡电路、激光器等)产生。图4.30是频带通信系统的简化方框图，它显示
34、了调制信号、高频载波及已调波间的关系。图4.30 频带传输系统简化框图 数字调制方式有四种基本方式：二进制幅移键控、二进制频移键控、二进制相移键控，二进制相对相移键控。1）四种基本调制方式 二进制幅移键控（2ASK）的调制。二进制幅移键控（2ASK）就是数字信号“1”和“0”的振幅调制，换句话说，是利用载波的振幅变化去携带信息，而载波的频率、相位都保持不变。二进制频移键控（2FSK）：频移键控就是数字信号频率键控，换句话说，是利用已调波的频率变化去携带信息，而载波的振幅和相位不变。如图4.31(b)所示 二进制相移键控（2PSK）：相移键控就是数字信号相位控制，换句话说，是利用已调载波信号的相
35、位去携带数字信息。而载波的振幅和频率都不变化，如图4.31(c)所示 二进制相对相移键控（2DPSK）：所谓相对调相，不是象绝对调相那样对应数字信号“1”和“0”以固定的相位关系，而是一种相对的关系，其调制规律如下：当遇到基带信号“1”码时，载波的相位相对于前一个码元相位改变(即倒相)，当遇到“0”码时，载波的相位相对于前一个码元相位不变，当然此规律也可反而用之。2DPSK调制原理方框如图4.31(d)所示，此相对调相的波形如图4.32(d)所示。图4.31 二进制基带码的四种调制方式 图4.32二进制基带信号的调制波形 2）基本调制方式的解调。2ASK调制信号的解调 二进制振幅键控信号的解调
36、与模拟调幅信号解调一样，分为非相干解调（包络检波）和相干解调（同步检波）两种，2ASK的解调系统框图如图4.33所示。(a)2ASK非相干解调(b)2ASK相干解调图4.33 2ASK的非相干和相干解调 2FSK调制信号的解调。2FSK信号的相干解调也称为最佳接收法，如图4.34(a)所示（a）2FSK相干解调（b）2FSK鉴频法图4.34 2FSK的相干和非相干解调（鉴频法）2PSK调制信号的解调。2PSK信号的解调方法为相干解调法，其框图如图4.35(a)所示 2DPSK调制信号的解调。2DPSK的相干解调与2PSK的相干解调过程类似，但得到的是相对码序列，需要变换成绝对码序列，其原理框图
37、4.35(b)所示。（a）2PSK相干解调（b）2DPSK相干解调图4.35 2PSK和2DPSK的相干解调 (3)四相相对调相与解调四相相对调相与解调 在数字微波通信中PDH系列的8Mb/s，34Mb/s等中等速率的数字基带信号，经常采用四相相对调制(QPSK)。如下图所示:图4.36 QPSK调制器 图4.37 QPSK相干解调器注：LPF低通滤波器；I(t)同相支路；Q(t)正交支路。(4)组合调制方式组合调制方式(选读选读)1)16QAM调制。如图4.38所示 图4.38 16QAM和16PSK点群图 2)16QAM正交调制器。QAM调制的调制器电路有正交调制法和四相叠加法，我国目前使
38、用的设备基本是前者，其调制方框图如图4.39所示。图4.39 16QAM正交调制法调制器 3)多进制正交调幅(MQAM)与其解调方式。其正交MQAM调制原理如图4.40所示，MQAM的解调原理如图4.41所示。图4.40 正交调幅法图4.41 多进制QAM相干解调电路4.3 多路信号传输技术多路信号传输技术4.3.1 信号多路传输的基本概念信号多路传输的基本概念 1.数字多路通信原理数字多路通信原理 数字多路通信也叫做时分多路通信，所谓时分多路通信，是利用多路信号(数字信号)在信道上占有不同的时间间隙来进行通信。多路通信的原理源于数学上信号的正交性。2112()()0ttFf t f t dt
39、(4.18)对于不是连续信号，如时分制中的脉冲信号，只能用离散和来代 替以上积分，即：0120()()()TtR Tf t f t(4.19)这里的f1(t)、f2(t)为周期性的矩形脉冲信号，如图4.42所示。它们的周期是相同的，都为T0，但在周期内出现的时间不同，即在t=0时f1(t)等于A，f2(t)=0到t=时f1(t)变为0而f2(t)=A，其中t1是f1(t)脉冲的持续时间。根据离散和计算得：3012123120121212()()()()()()()()()0tttttttR Tf t ftf t ftf t ftf t ft(4.20)图4.42 脉冲信号的正交 2.数字信号复
40、接技术数字信号复接技术 数字复接，就是利用时间的可分性，采用时隙叠加的方法，把多路低速的数字码流(支路码流)如图4.43(a)所示。数字复接主要有：按位复接、按字复接、按帧复接等各种方式。按一个码位时隙宽度进行时隙叠加称为按位复接，如图4.43(b)所示。图4.43(c)所示为按字复接，一般一个码字在PCM中即为一个抽样值所编的8位码。因此一个码字通常称为8位码，在一个码字宽度里将四个码字叠加在一起，其每个码字时间宽度减小到原来的1/4，码率提高了四倍。图4.43 按位复接和按字复接示意图 3.数字传输信号帧结构数字传输信号帧结构 帧结构一般都由世界电信组织建议统一格式，为保证数字通信系统正常
41、工作，在一帧的信号中应有以下基本信号：（1）帧同步信号(帧定位信号)及同步对端告警信号。（2）信息信号 （3）其它特殊信号(地址、信令、纠错等信号)（4）勤务信号4.3.2 PDH数字复接数字复接 1.PCM30/32路基群帧结构路基群帧结构 CCITT G.732建议，世界上共有两种最基本的数字基群系列，一种是PCM30/32路系统一次群系统（我国及欧洲采用），一种是PCM24路一次群系统(日本、美国等采用)。我们这里主要讲述我国采用的PCM30/32路系统帧结构。CCITT G.732建议PCM30/32路系统帧结构如图4.44所示。时隙信号安排为：(1)30个话路时隙TS1TS15，TS
42、17TS31 (2)帧同步时隙TS0 偶帧TS0发送帧同步码0011011；奇帧TS0传送帧失步告警码。(3)信令复帧时隙TS16 一个复帧共有16帧称F0F15，其中F0帧的TS16时隙传送复帧同步码与复帧失步告警码。为保证数字信号按帧结构安排位置进行传输，各位码的固定时间关系必须由定时系统来保证。其时间关系为：每一路时隙tc值1253.932cTstsn (4.21)码字位数L=8故每一位时隙tB为：1250.48832 8cBtTstsLnL(4.22)数码率1 32 8 80002048/BsBnLfn L fkb stT (4.23)因此现在一般称为2Mb/s速率接口（E1电路）。根
43、据帧结构其PCM基群30/32路，即2M接口结构方框如图4.45所示。图4.44 PCM30/32路帧结构图4.45 PCM30/32路系统方框图 2.准同步数字复接系列准同步数字复接系列PDH帧结构帧结构(以以PCM30/32路为基础路为基础)(1)准同步复接（准同步复接（PDH）系列）系列 倘若被复接的支路不是在同一时钟控制下，各支路有自己的时钟，它们的数码率，由于各自的时钟偏差不同而不会严格相等，即各支路码位是不同步的。这种情况下在复接之前必须调整各支路码速，使之达到严格相等，这样的复接称为异步复接也称为准同步数字复接（PDH系列），而且它们是按位复接（逐位码进行叠加）。国际上主要有两大
44、系列的准同步数字复接系列（PDH系列）经CCITT推荐，两大系列有PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列。作为第一级速率接口，通常称为1.5Mbps和2Mbps接口速率。两类速率复接系列如表4.2所示。表4.2 PDH两类复接系列比较表 (2)2.048Mb/s速率接口的速率接口的(PDH)复接系列二次群帧结构复接系列二次群帧结构 由于参加复接的各低次群(支路)采用各自的时钟，虽然其标称速率相同(2.048Mb/s)，但由于时钟允许偏差50ppm(即100bit/s)而各支路偏差不相同，因此各支路的瞬时数码率会不相同。因此，在复接时首先要进行码率调整使各支路码率严格相等(同步)后，才
45、能进行复接(汇接或称合成)。其方法如图4.46所示。图4.46 数字复接示意图 CCITT G.742推荐的正码速调整(增加码位)，准同步复接系列PDH二次群的帧结构中各支路的比特安排如图4.47(a)所示，它的复接帧如图4.47(b)所示，帧长848比特，帧周期为100.38s。图4.47 PDH异步复接二次群帧结构按帧结构 PDH三次群、四次群复接帧结构与二次群帧结构形式类似，即是对应的支路比特数，每帧比特数等比二次群多。这种PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）复接体制的接口速率和码型如表4.3所示。表4.3 PDH接口速率、码型4.3.3 SDH数字
46、复接数字复接 1.同步数字复接系列同步数字复接系列SDH 随着人们日常生活工作对通信的要求越来越高，因此通信容量越来越大、业务种类越来越多、传输的信号带宽越来越宽、数字信号传输速率越来越高。为了完成更高速率、更多路数数字信号的复接，1988年，光同步传输网络（SONET）应运而生，其概念很快被CCITT（后改为ITU-T）接受，提出了G.707建议，规范了世界上统一的标准传输体制同步数字复接系列（SDH）。SDH的速率等级如表4.4所示，最基本的STM-1信号承载在一个125s的帧结构上。表4.4 SDH的标称速率 2.SDH同步数字复接系列帧结构同步数字复接系列帧结构 ITU-T采纳了以字节
47、（Byte）作为基础的矩形块状帧结构（或称页面块状帧结构），如图4.48所示。STM-N的帧是由9行，270N列，8（字节）组成的码块，对于任何等级，其帧长（帧周期）均为125s，从图中可以看出其每帧比特数为：9270N8=19440N比特。图4.48 SDH帧结构 帧结构分为三个区域：信息净负荷（Payload）区域；段开销（SOH）区域和管理单元指针（AU-PTR）区域。(1)信息净负荷（Payload）区域是帧结构中存放各种信息负载的地方，图4.48中横向(2709)N，纵向第一行到第9行的2349N个字节都属此区域。(2)段开销（SOH）区域 段开销（Section Over Head
48、）是指STM帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须的附加字节，是供网络运行、管理和维护使用的字节。帧结构的左边9N列8行（除去第4行）分配给段开销。(3)管理单元指针（AU-PTR）区域 管理单元指针用来指示信息净负荷的第一个字节在STM帧中的准确位置，以便在接收端能正确地分接信息净负荷信号，在帧结构中第4行左边的9N列分配给指针用。第第4章章 习题与思考题习题与思考题1现在数字通信系统主要采用哪些传输信道，其主要特点是什么？2某频率的信号功率为2W，经过某信道100km传输后在接收端信号功率为0.02W，试计算信道的传输损耗？3香农公式有何意义？信道容量与“三要素”的关系如何？4分配
49、的带宽扩大2倍、3倍时对通信信道的信息容量有何影响？若分配的带宽减小一半而时间加倍时对通信信道的信息容量又有何影响？5某一系统的信号带宽B4KHz，信噪比为15，求该系统保证信息无差错通过信道的极限速率为多少（即求信道容量）？6试比较市话用户电缆、对称电缆、家用有线电视电缆、计算机本地网5号电缆的最高使用频率。7为什么说电缆信道一般传送的速率偏低，而不作为长距离传输信道？8能否将计算机直接用市内电话线上网？为什么？9说明地波、天线和直射波传输的优缺点。10 试说出UHF、VHF、VF和HF在CCIR（国际无线电咨询委员会）名称中的频率范围。11 已知矩形波导的宽边尺寸为2.5cm，工作频率为7
50、GHz，试确定截止频率和截止波长？12 某一数字信号的码元速率为12000Bd，试问：如采用四进制或二进制数字信号传输时，其信息速率各为多少？13 假设频带宽度为1024kHz的信道，可传输2048Kb/s的比特率信息，试问其传输效率或频带利用率为多少？14 有一数字传输系统，其在125s内传送9720个码字，若在2秒内有5个误码，计算其误码率为多少？15 什么叫抖动？抖动有无积累，为什么？16 设调制信号f(t)为正弦波，其振幅为A0，频率为fm，载波也是正弦波，频率fC=10fm，试画出已调幅波的波形。17 什么是群时延频率特性，它与相位频率特性有何关系？18 什么是数字复接？PDH系列一
