《通信系统原理》讲义（共八章）

第1章通信系统概述 本章不是一般“概述”,拟概括介绍一些与本书相关而又不为各章节能全部包括的一般通信知 识,这对学习通信系统原理将打下一个有力的基础。 知识点 (1)信息、信息技术信号及其分类; (2)通信、通信系统构成及各部分功能; (3)信道分类及几种常用信道特征; (4)无线传播特点与信道特征; (5)通信系统质量指标与改进质量的关键技术; (6)通信频段划分及各频段的基本特点 要求 (1)本章作为初学者的通读材料,以了解本书基本要点及通信系统实质性概念; (2)对已学习过或正在学习通信系统原理课程的读者,再学习本章内容,也可温故而知新 1.1通信与通信系统 1.1.1通信 通信的含义无论从中文“通信”(或通讯)或英文“ Communication”讲,是信息从一个地方 通过传输信道传送到另一个地方的对话过程。拟为现代通信给出一个完善而简捷的定义:通信是 信息或其表示方式(表示媒体)的时/空转移 这一定义远远超出了对话的业务范围,同时通信过程中,除了有很小的传输延时外,尚需要 进行处理、转发,也会发生一定的时延,以及可能缓存、显示或存储再现,因此,这一定义不但 包括了空间,也包括时间在内的信息转移。 1.1.2通信系统 通信系统具有很广泛的内涵,并有多个层次,一般地,利用传输信道或通信网,将具有收、 发信息功能的终端设备由信道或链路有机连接(永久或暂时的)起来,这些实施信息传输的设备 集合,称为通信系统。通信系统按工作方式分,可分为单工( Simplex)、半双工(Half- duplex) 和全双工( Duplex)。这三种方式的例子如单向广播、步话机和固定电话与移动电话等。 个基本通信系统包括的设备环节是发送设备、接收设备与传输信道和传输设备,可实现单 向/双向或单/双工通信功能。图1-2示出了一个较为完善的数字通信系统。它的发送与接收端各 包括9个功能单元,还有传输信道以及收发同步系统等组成

第 1 章 通信系统概述 本章不是一般“概述”，拟概括介绍一些与本书相关而又不为各章节能全部包括的一般通信知 识，这对学习通信系统原理将打下一个有力的基础。 知识点 (1) 信息、信息技术信号及其分类； (2) 通信、通信系统构成及各部分功能； (3) 信道分类及几种常用信道特征； (4) 无线传播特点与信道特征； (5) 通信系统质量指标与改进质量的关键技术； (6) 通信频段划分及各频段的基本特点。 要求 (1) 本章作为初学者的通读材料，以了解本书基本要点及通信系统实质性概念； (2) 对已学习过或正在学习通信系统原理课程的读者，再学习本章内容，也可温故而知新。 1.1 通信与通信系统 1.1.1 通信 通信的含义无论从中文“通信”（或通讯）或英文“Communication”讲，是信息从一个地方 通过传输信道传送到另一个地方的对话过程。拟为现代通信给出一个完善而简捷的定义：通信是 信息或其表示方式（表示媒体）的时/空转移。 这一定义远远超出了对话的业务范围，同时通信过程中，除了有很小的传输延时外，尚需要 进行处理、转发，也会发生一定的时延，以及可能缓存、显示或存储再现，因此，这一定义不但 包括了空间，也包括时间在内的信息转移。 1.1.2 通信系统 通信系统具有很广泛的内涵，并有多个层次，一般地，利用传输信道或通信网，将具有收、 发信息功能的终端设备由信道或链路有机连接（永久或暂时的）起来，这些实施信息传输的设备 集合，称为通信系统。通信系统按工作方式分，可分为单工（Simplex）、半双工（Half-duplex） 和全双工（Duplex）。这三种方式的例子如单向广播、步话机和固定电话与移动电话等。 一个基本通信系统包括的设备环节是发送设备、接收设备与传输信道和传输设备，可实现单 向/双向或单/双工通信功能。图 1-2 示出了一个较为完善的数字通信系统。它的发送与接收端各 包括 9 个功能单元，还有传输信道以及收发同步系统等组成

来自其他信源 信源比持 信道比特 源信息格式 信源编码 "词制 复用 多址接入 信机立 比特流 数字波形 信道 数字输出 源信息格式 T RR H-FE H- EwRH-W2N i sa-i rs 多址接入 信道比特 到其他目的地 现分别介绍各部分的功能与作用 1.源信息格式( Format) 是信息采集后的源信息最初表示方式,如模拟电信号的限带波形,图像信号的扫描象素 集合或其红绿蓝三个基本分量的PM编码。信源格式为信源编码作好了基本格式的准备, 其中还包括信源编码前去噪、限带等的预处理 2.信源编码 为了提高信息的有效性,在源信息中可能存在某种程度的冗余“信息”以及根据需要的 质量标准,可以去除其中次要信息,因此提高有效性的措施采用去相关及压缩编码,即 用更少的编码位数来表示符合一定接收质量的更多源符号。其基本理论是仙农率失真理 论,其基本技术如无失真预测编码和有损正交变换编码等。对于多媒体通信中的视频图 像编码因具有更大冗余度和视觉特性的掩盖效用,可以提供名目繁多的压缩技术,有损 压缩往往到几十倍上百倍以上压缩倍数。总之,信源编码是按一定精度为信息提供一种 编码格式或数据结构,即构成有效的“表示媒体”形式。 3.信道编码 经过信源编码的码字序列,均应认为是重要信息,因此如果在传输与接收判决中发生错 误或超出限定的符号误差概率,则会不满足接收者的质量要求。如果信源码字之间互为 正交或不相关,则有一定的抗干扰能力,或者基带码流的码符号选用某些合适的码型, 也有一定抗干扰性。最好的方法是根据信道环境的特性,将信源码字中按一定规则适当 加入冗余码元(监督元),构成差错控制码,可以根据不同的结构和冗余位多少,提供 1位或多位自动纠错或通过反馈重发纠错能力。对于信道带宽无限制而传送信号功率受 限(如卫星)的通信系统,在保持所需的误差率时,利用差错控制编码能降低所需的信 号功率或信噪比。 4.信道复用

现分别介绍各部分的功能与作用。 1. 源信息格式（Format） 是信息采集后的源信息最初表示方式，如模拟电信号的限带波形，图像信号的扫描象素 集合或其红绿蓝三个基本分量的 PCM 编码。信源格式为信源编码作好了基本格式的准备， 其中还包括信源编码前去噪、限带等的预处理。 2. 信源编码 为了提高信息的有效性，在源信息中可能存在某种程度的冗余“信息”以及根据需要的 质量标准，可以去除其中次要信息，因此提高有效性的措施采用去相关及压缩编码，即 用更少的编码位数来表示符合一定接收质量的更多源符号。其基本理论是仙农率失真理 论，其基本技术如无失真预测编码和有损正交变换编码等。对于多媒体通信中的视频图 像编码因具有更大冗余度和视觉特性的掩盖效用，可以提供名目繁多的压缩技术，有损 压缩往往到几十倍上百倍以上压缩倍数。总之，信源编码是按一定精度为信息提供一种 编码格式或数据结构，即构成有效的“表示媒体”形式。 3. 信道编码 经过信源编码的码字序列，均应认为是重要信息，因此如果在传输与接收判决中发生错 误或超出限定的符号误差概率，则会不满足接收者的质量要求。如果信源码字之间互为 正交或不相关，则有一定的抗干扰能力，或者基带码流的码符号选用某些合适的码型， 也有一定抗干扰性。最好的方法是根据信道环境的特性，将信源码字中按一定规则适当 加入冗余码元（监督元），构成差错控制码，可以根据不同的结构和冗余位多少，提供 1 位或多位自动纠错或通过反馈重发纠错能力。对于信道带宽无限制而传送信号功率受 限（如卫星）的通信系统，在保持所需的误差率时，利用差错控制编码能降低所需的信 号功率或信噪比。 4. 信道复用

信道复用( Multiplexing)是通信系统中很为重要的组成部分。其基本功能是使多种信 息流共享同一信道,提高通信资源利用率。如目前无线正在使用整个频段跨越10°~10°Hz 的频率资源,各个不同频段和频点用于各种类型的无线信号传输,必须采用频分复用 (FDM)。基于有线信道的基带传输,多采用时分复用(TDM)。还有基于特殊媒体分离 和空间分离的空分复用(SDM),现代无线扩频通信的码分复用(CDM),以及水平和垂 直激化的电磁波传输提供激化复用(PDM)。近几年的发展已大量推广利用光密集波分 复用(DWDM),可以使一条光纤容纳几亿个数字电话的点对点间传输 无线和移动通信采用的复用方式为“多址”( Multi- access),有频分多址(FDMA) 时分多址(TDMA)、空分多址(SDM)和码分多址(CDMA)。以及可用双极性频率重用 的极分多址(PDMA)。 各种复用/多址,在基本原理上的共同点是复用信号集的各信号间或多址系统各用户地 址码之间是正交关系。空分复用/多址,即SDM/SDMA是从物理通道隔离保证这种正交关 系的。 5.调制 调制是信号的一种变换过程,通常是将不便于信道直接传输的基带模拟信号或编码符号 序列,或其波形序列作为调制信号,去控制一个适于信道传输性能的“载波”,使其某 二个参量正比地受控于调制信号。 载波为正弦信号时的调制方式称为连续波调制。此时若调制信号为模拟信号,可提供模 拟(线性〕调幅和模拟调角(又分调频与调相):若调制信号为数字代码,相应的调制 方式分为数字调幅、调频、调相,均称为数字信号的载波传输或频带传输,仍为模拟传 输方式 基带数字信号作调制信号时,宜以脉冲序列作为载波,通称为脉冲编码调制(如:PCM 数字电话)。 6.扩频 扩频( Spread spectrⅧm)是一种特殊的现代无线通信调制技术。就数字扩频系统来说, 可以把周期很长、码元(称为码片ChiD)持续时间2远小于信息码之间隔的伪噪声 码(PN)序列作为“载波”,于是载荷信息的ⅣN码带宽较信息码展宽几十倍到上万倍。 由扩频实现的码分复用或多址构成的无线移动通信系统,各用户采用不同的互为正交的 PN序列作为地址码,可使大量用户正交复用数兆赫以上的扩频带宽,且具有极强的抗各 类干扰的能力。本书第7章简单介绍扩频调制原理。传统的通信系统原理教材一般不设 此章节。 7.同步 在数字信号传输和采用相干接收或最佳接收方式的模拟调制系统中,尚有一个非常重要 的控制单元,即同步系统。它可以使通信系统的收、发两端或整个通信网络,以精度很

信道复用（Multiplexing）是通信系统中很为重要的组成部分。其基本功能是使多种信 息流共享同一信道，提高通信资源利用率。如目前无线正在使用整个频段跨越 105 ~1012Hz 的频率资源，各个不同频段和频点用于各种类型的无线信号传输，必须采用频分复用 （FDM）。基于有线信道的基带传输，多采用时分复用（TDM）。还有基于特殊媒体分离 和空间分离的空分复用（SDM），现代无线扩频通信的码分复用（CDM），以及水平和垂 直激化的电磁波传输提供激化复用（PDM）。近几年的发展已大量推广利用光密集波分 复用（DWDM），可以使一条光纤容纳几亿个数字电话的点对点间传输。 无线和移动通信采用的复用方式为“多址”（Multi-access），有频分多址（FDMA）， 时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）。以及可用双极性频率重用 的极分多址（PDMA）。 各种复用/多址，在基本原理上的共同点是复用信号集的各信号间或多址系统各用户地 址码之间是正交关系。空分复用/多址，即 SDM/SDMA 是从物理通道隔离保证这种正交关 系的。 5. 调制 调制是信号的一种变换过程，通常是将不便于信道直接传输的基带模拟信号或编码符号 序列，或其波形序列作为调制信号，去控制一个适于信道传输性能的“载波”，使其某 一、二个参量正比地受控于调制信号。 载波为正弦信号时的调制方式称为连续波调制。此时若调制信号为模拟信号，可提供模 拟（线性）调幅和模拟调角（又分调频与调相）；若调制信号为数字代码，相应的调制 方式分为数字调幅、调频、调相，均称为数字信号的载波传输或频带传输，仍为模拟传 输方式。 基带数字信号作调制信号时，宜以脉冲序列作为载波，通称为脉冲编码调制（如：PCM 数字电话）。 6. 扩频 扩频（Spread Spectrum）是一种特殊的现代无线通信调制技术。就数字扩频系统来说， 可以把周期很长、码元（称为码片 Chip）持续时间 远小于信息码之间隔 的伪噪声 码（PN）序列作为“载波”，于是载荷信息的 PN 码带宽较信息码展宽几十倍到上万倍。 由扩频实现的码分复用或多址构成的无线移动通信系统，各用户采用不同的互为正交的 PN 序列作为地址码，可使大量用户正交复用数兆赫以上的扩频带宽，且具有极强的抗各 类干扰的能力。本书第 7 章简单介绍扩频调制原理。传统的通信系统原理教材一般不设 此章节。 7. 同步 在数字信号传输和采用相干接收或最佳接收方式的模拟调制系统中，尚有一个非常重要 的控制单元，即同步系统。它可以使通信系统的收、发两端或整个通信网络，以精度很

高的时钟提供定时,以便系统、网络的数据流能与发信端同步地、有序而准确地接收与 恢复原信息。同步准确性对通信质量有很大影响。多媒体信息传输对同步有更进一步的 要求,应达到各信息媒体之间的同步显示 从功能和实现环境的方法不同,同步可分为4种方式,详细情况可参考教材: (1)载波同步(2)码元或位同步(3)帧同步(4)网同步 1.2信道和噪声 各种发送信息欲传送到既定的信宿( Destination),可选用适于传输的物理媒体,完成通信 功能,这些连接发信与收信设备而适于不同类型通信业务的各种物理媒体通称为信道 1.2.1信道分类 信道可分为有界与无界两大类,即通常所说的有线信道和无线信道。前者如双绞线、电缆 光纤、波导等。后者为自由空间提供的各种频段或波长的电磁波传播通道。 根据各种信道不同的特征和参量及其变化情况,又将它们分为恒参信道和随参(变参)信道 前者如有线信道、微波与卫星信道等:后者如无线系统的短波)和超短波(300MHz~3GHz)散射 信道。 般地,若单指传输媒体而言称为狭义信道。在具体通信系统构成中,往往把信源发出的模 拟信号和数字编码基带信号视为信息部分,从调制器到接收端解调这一中间变换历程中,经过了 包括物理媒体在内的线路设备(如交换、放大、中继等中间件)传输路径,因此将图1-3所示的 调制信道与编码信道称为广义信道。 将信道分类归纳为下表所示: 信狭有线(有界)信道,如明线、电缆、光纤等 道义 信无线(无界)信道,如短波、微波等 道 恒参信道 义 信 调制信道 随参信道 道 无记忆 编码信道 有记忆 从分析信道的特征角度,又可将上表所提到各类不同层次的信道,大体分为三种特征

高的时钟提供定时，以便系统、网络的数据流能与发信端同步地、有序而准确地接收与 恢复原信息。同步准确性对通信质量有很大影响。多媒体信息传输对同步有更进一步的 要求，应达到各信息媒体之间的同步显示。 从功能和实现环境的方法不同，同步可分为 4 种方式，详细情况可参考教材： （1） 载波同步 （2）码元或位同步 （3）帧同步 （4）网同步 1.2 信道和噪声 各种发送信息欲传送到既定的信宿（Destination），可选用适于传输的物理媒体，完成通信 功能，这些连接发信与收信设备而适于不同类型通信业务的各种物理媒体通称为信道。 1.2.1 信道分类 信道可分为有界与无界两大类，即通常所说的有线信道和无线信道。前者如双绞线、电缆、 光纤、波导等。后者为自由空间提供的各种频段或波长的电磁波传播通道。 根据各种信道不同的特征和参量及其变化情况，又将它们分为恒参信道和随参（变参）信道。 前者如有线信道、微波与卫星信道等；后者如无线系统的短波）和超短波（300MHz~3GHz）散射 信道。 一般地，若单指传输媒体而言称为狭义信道。在具体通信系统构成中，往往把信源发出的模 拟信号和数字编码基带信号视为信息部分，从调制器到接收端解调这一中间变换历程中，经过了 包括物理媒体在内的线路设备（如交换、放大、中继等中间件）传输路径，因此将图 1-3 所示的 调制信道与编码信道称为广义信道。 将信道分类归纳为下表所示： 狭 有线（有界）信道,如明线、电缆、光纤等 义 信 道 无线（无界）信道,如短波、微波等 恒参信道 调制信道 随参信道 无记忆 信 道 广 义 信 道 编码信道 有记忆 从分析信道的特征角度，又可将上表所提到各类不同层次的信道，大体分为三种特征：

1.线性与非线性信道特征 2.时不变与时变信道特征; 3.带宽或功率受限信道特征。 1.2.2信道的干扰 除了上述因狭义信道本身特征影响通信质量外,信道内尚可能受到外部干扰和广义信道中各 种设备带来的内部噪声干扰 信道内干扰源很多,并有多种形式,兹大体归纳为四类: 1.无线电干扰:它来自各种无线发射机。其特点是频率范围宽,几乎覆盖全部使用频段 但对于特定电台的频率一般是固定的,因此可以进行防护。另外由于无线电频率管理较 为完善,可以将此种干扰限制在最小限度。 2.工业干扰:它来源于各种电气设备,如电机、电力线,电源开关、电点火(如汽车点火) 装置等。此类干扰一般在较低频率范围,如汽车点火干扰在几十兆赫范围内。采用屏蔽 与考究的滤波措施,在很大程度上可避开工业干扰 3.天电干扰:来自于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等,它们与季节、气候变化关系 较大。不同地区也有很大不同,如赤道附近及两极地区严重。太阳黑子发生变动(约 年一个周期)的年份,天电干扰加大,有时长时间中断短波通信 4.内部干扰:来自信道内部各种电子器件电阻、天线以及传输线等。在这些电子设备中的 分子或电子的随机热运动,形成所谓起伏噪声,对于通信信号产生加性干扰。在下一章 将详细介绍它的机理与影响。本书涉及的各类通信系统,主要是这种噪声,称为热噪声, 从机理上它是高斯型统计特征,是通信系统干扰的重要因素 1.2.3几种常用信道特征 通信常用的信道类型主要有4类: 1.电话信道 电话信道一般是指庞大的公用交换电话网(PSTN)所提供的基于传统模拟电话或低速数 据传输的信道。通信信道的构成多半通过用户终端到本地交换机(节点),再到另一个 用户建立的呼叫链路,一旦通话(即呼叫)结束,便及时拆断该链路。电话信道一般属 于限带为300~3400Hz的线性系统。当用于数据传输时,需在用户端均加入调制/解调器 ( Modem),并利用600~3000频响较平坦的频段传输已调波。 目前从用户到节点(交换机)的用户线,可以增设宽带 Modem(如ADSL),可在数公里 内通信带宽扩展到2`6MHz,支持宽带上网和多媒体业务。近几年PSTN已更新为数字化 网络,在网上的各交换节点间中继全部数字化传输。通过用户线以2B+D或更高速率 可传输话音与综合业务 2.光纤

1. 线性与非线性信道特征； 2. 时不变与时变信道特征； 3. 带宽或功率受限信道特征。 1.2.2 信道的干扰 除了上述因狭义信道本身特征影响通信质量外，信道内尚可能受到外部干扰和广义信道中各 种设备带来的内部噪声干扰。 信道内干扰源很多，并有多种形式，兹大体归纳为四类： 1. 无线电干扰：它来自各种无线发射机。其特点是频率范围宽，几乎覆盖全部使用频段。 但对于特定电台的频率一般是固定的，因此可以进行防护。另外由于无线电频率管理较 为完善，可以将此种干扰限制在最小限度。 2. 工业干扰：它来源于各种电气设备，如电机、电力线，电源开关、电点火（如汽车点火） 装置等。此类干扰一般在较低频率范围，如汽车点火干扰在几十兆赫范围内。采用屏蔽 与考究的滤波措施，在很大程度上可避开工业干扰。 3. 天电干扰：来自于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等，它们与季节、气候变化关系 较大。不同地区也有很大不同，如赤道附近及两极地区严重。太阳黑子发生变动（约 11 年一个周期）的年份，天电干扰加大，有时长时间中断短波通信。 4. 内部干扰：来自信道内部各种电子器件电阻、天线以及传输线等。在这些电子设备中的 分子或电子的随机热运动，形成所谓起伏噪声，对于通信信号产生加性干扰。在下一章 将详细介绍它的机理与影响。本书涉及的各类通信系统，主要是这种噪声，称为热噪声， 从机理上它是高斯型统计特征，是通信系统干扰的重要因素。 1.2.3 几种常用信道特征 通信常用的信道类型主要有 4 类： 1. 电话信道 电话信道一般是指庞大的公用交换电话网（PSTN）所提供的基于传统模拟电话或低速数 据传输的信道。通信信道的构成多半通过用户终端到本地交换机（节点），再到另一个 用户建立的呼叫链路，一旦通话（即呼叫）结束，便及时拆断该链路。电话信道一般属 于限带为 300~3400Hz 的线性系统。当用于数据传输时，需在用户端均加入调制/解调器 （Modem），并利用 600~3000Hz 频响较平坦的频段传输已调波。 目前从用户到节点（交换机）的用户线，可以增设宽带 Modem（如 ADSL），可在数公里 内通信带宽扩展到 2~6MHz，支持宽带上网和多媒体业务。近几年 PSTN 已更新为数字化 网络，在网上的各交换节点间中继全部数字化传输。通过用户线以 2B+D 或更高速率， 可传输话音与综合业务。 2. 光纤

光纤是将电信号变为光信号(电/光转换)后进行光信号传输的物理媒体。光缆是由包 层覆盖光纤芯线而构成。光信号是以电磁场形式在光纤芯中传播。光纤自70年代投用 后,很快显示出很多突出的优点,诸如,它带宽极宽(2×10Hz以上),通过目前可达 到的技术,密集波分复用(DWDM),一条光纤中可以支持1600Gb/s的传输速率;实验 表明,基于单波160b/s速率的1024个波,可达约160Tb/s的点到点传输流量(lTb/s =102b/s);光纤传输损耗极低,小于0.2dB/km,不受电磁干扰,重量极轻(一条光纤 芯27g/km),抗弯曲,耐湿热和腐蚀,敷设方便、灵活,可架设到电杆上,光纤价格极 低,目前国内生产供大于求 3.移动无线信道 无线移动通信起初是为了延伸电信网的覆盖范围和通信能力而逐步发展起来的。迄今 移动网的发展令人惊异,已从城市扩展到乡村与边远地区。我国移动用户已达1.5亿以 上,很快就与传统的固定电话(PSTN)相匹敌。下一代的移动通信将以宽带方式接入, 并与现行GSM系统相比,传输速率增加10倍、上百倍,可支持多媒体业务,并广泛实 施个人通信系统(PCS)。 移动通信以蜂窝方式组网,信道具有多径衰落与时变特征。目前GSM移动通信利用900Hz 频段,双向频谱为2×25Hz,各提供125个载波,每载波包括8个时分多址(TDMA)信 道。于是各载波200kz带宽,包含8个25kHz信道,用户数字电话速率为13kb/s,具 有高纠错能力的差错保护位时,净速率高达9.8kb/s。移动网在每个蜂窝小区设有一个 基站,转发小区内多达上千个用户同时通信。移动通信每个信道的辐射功率应控制在它 的25kHz带宽内,带外辐射衰减应至少为-40dB,优质系统应达-70dB,才不至于明显干 扰相邻话路。隔离1至2个小区可以重复利用频率,因此整个移动网可支持极大量用户 相互通信。通过越区切换和跨网漫游可以实现全国性、世界范围内的移动通信 4.卫星信道 卫星信道是一种特殊的无线信道。在地球赤道上空35978km(近似称3.6万公里)均匀 分布着三个同步卫星,就可以通过它们的转发器( Transponders)地球上任两处的地球 站间可进行通信。自60年代初(1962年)问世以来,至今稳定使用的上行6GHz、下行 4GHz频点的系统,总带宽500MHz,并提供带宽各为36MHz的12个转发器,各又能容纳 1200路数字电话或25150个窄带会议电视。一个转发器可支持五、六个行将推广的HTV (高清晰度数字电视)。由于跨洋卫星通信(如中美两国间)需经由两个卫星的转发器 与双方地球站沟通信息,因此远达15万km的距离,通信延迟则高达将近0.5秒,双方 对话均有明显延时的感觉。目前国内卫星通信已开办大量业务,如,卫星电视节目,远 程教育等 1.3通信频段的划分 上面介绍了通信信道分类与特征,并例举了几种常用信道基本性能及适用情况。各种通信系 统对使用信道的频段还有一个选择性与合理性分配问题,以便合理利用并尽量节省频谱资源, 足有效与可靠传输的要求

光纤是将电信号变为光信号（电/光转换）后进行光信号传输的物理媒体。光缆是由包 层覆盖光纤芯线而构成。光信号是以电磁场形式在光纤芯中传播。光纤自 70 年代投用 后，很快显示出很多突出的优点，诸如，它带宽极宽（2×1014Hz 以上），通过目前可达 到的技术，密集波分复用（DWDM），一条光纤中可以支持 1600Gb/s 的传输速率；实验 表明，基于单波 160Gb/s 速率的 1024 个波，可达约 160Tb/s 的点到点传输流量（1Tb/s ＝1012b/s）；光纤传输损耗极低，小于 0.2dB/km，不受电磁干扰，重量极轻（一条光纤 芯 27g/km），抗弯曲，耐湿热和腐蚀，敷设方便、灵活，可架设到电杆上，光纤价格极 低，目前国内生产供大于求。 3. 移动无线信道 无线移动通信起初是为了延伸电信网的覆盖范围和通信能力而逐步发展起来的。迄今， 移动网的发展令人惊异，已从城市扩展到乡村与边远地区。我国移动用户已达 1.5 亿以 上，很快就与传统的固定电话（PSTN）相匹敌。下一代的移动通信将以宽带方式接入， 并与现行 GSM 系统相比，传输速率增加 10 倍、上百倍，可支持多媒体业务，并广泛实 施个人通信系统（PCS）。 移动通信以蜂窝方式组网，信道具有多径衰落与时变特征。目前 GSM移动通信利用 900MHz 频段，双向频谱为 2×25MHz，各提供 125 个载波，每载波包括 8 个时分多址（TDMA）信 道。于是各载波 200kHz 带宽，包含 8 个 25kHz 信道，用户数字电话速率为 13kb/s，具 有高纠错能力的差错保护位时，净速率高达 9.8kb/s。移动网在每个蜂窝小区设有一个 基站，转发小区内多达上千个用户同时通信。移动通信每个信道的辐射功率应控制在它 的 25kHz 带宽内，带外辐射衰减应至少为-40dB，优质系统应达-70dB，才不至于明显干 扰相邻话路。隔离 1 至 2 个小区可以重复利用频率，因此整个移动网可支持极大量用户 相互通信。通过越区切换和跨网漫游可以实现全国性、世界范围内的移动通信。 4. 卫星信道 卫星信道是一种特殊的无线信道。在地球赤道上空 35978km（近似称 3.6 万公里）均匀 分布着三个同步卫星，就可以通过它们的转发器（Transponders）地球上任两处的地球 站间可进行通信。自 60 年代初（1962 年）问世以来，至今稳定使用的上行 6GHz、下行 4GHz 频点的系统，总带宽 500MHz，并提供带宽各为 36MHz 的 12 个转发器，各又能容纳 1200 路数字电话或 25~150 个窄带会议电视。一个转发器可支持五、六个行将推广的 HDTV （高清晰度数字电视）。由于跨洋卫星通信（如中美两国间）需经由两个卫星的转发器 与双方地球站沟通信息，因此远达 15 万 km 的距离，通信延迟则高达将近 0.5 秒，双方 对话均有明显延时的感觉。目前国内卫星通信已开办大量业务，如，卫星电视节目，远 程教育等。 1.3 通信频段的划分 上面介绍了通信信道分类与特征，并例举了几种常用信道基本性能及适用情况。各种通信系 统对使用信道的频段还有一个选择性与合理性分配问题，以便合理利用并尽量节省频谱资源，满 足有效与可靠传输的要求

对于有线信道,重要的是选择不同的传输媒体和宽带媒体的信道频率复用。一般根据信道业 务要求,考虑它们各所要求的前述有线信道(恒参)的性能特征,如损耗、延时与相移特性,以 及最低与最高截频等,来确定频段。 海底通信适于极低频段,则有很好的传输性能:任何基带信号传输采用基带信号带宽为截频 的全部低频段,模拟话音的低频传输只利用300~3400Hz或优质声音(音乐)从50Hz至15kHz 带宽。 比较复杂的问题是,各种无线通信要根据空间电磁波传播特点,来选择与适当分配工作频段 ITU-R对频谱分配进行了具体规则,各国各部门均科学而严格控制频点使用 电磁波由发射到接收的途径大体分为三种:一是靠地面传播的称为“地波”:二是靠空间两 点间直线传播的称为“空间波”:三是靠地球上空的电离层反射到地面的单跳或多跳方式传播, 称为“天波”。 沿地表传播的地波,因沿地面电磁波跳跃性传播产生感应电流,会受到地面这种非良导体衰 减,且频率越高集肤效应越大,损耗就越大。因此地波适于中长波和中波(即几百千赫到数兆赫) 如民用广播从535kHz至1605kHz频段(每10kHz一个节目)就是一例 数兆赫到数十兆赫的短波(高频段)适于天波传播,收发间距离远大于地波,可达数百公里 到上千公里,这决定于天线入射角大小。上面已经提到,电离层会对反射的电磁波进行吸收、衰 减,电离浓度越大则损耗越大,而这种因电离层随机变化导致的电磁波起伏衰减就是衰落现象。 如果波长更短,即更高频段,如数百兆赫到数个吉赫(10Hz)以上,则进入微波波段。这一 频段的电磁波,电离层的吸收很少,且不再被反射回地面。如卫星通信, 可穿透电离层传 播到卫星。这种空间波传播与光有类似性,不但直线传播,而且电磁波也有绕射(衍射)作用, 可以绕过一些局部障碍物。例如,微波接力属地面点与点之间直线传播,除了要受地面环境(沼 泽、山、林等)一定影响外,天线不便架设过高,因此接力(中继)段不过四、五十公里,通常 称为“视距”通信。 无线通信均需收发天线长度与波长匹配的天线尺寸为4,因此利用全向天线的民用广播 的电台天线不可能稳定架设100多米。利用900MHz频段的GSM手机天线,可以短至几厘米长, 为移动手机小型化便携带来很大方便。 全部无线通信均通过自由空间传播,为了合理使用频段,各地区各种通信又不致互相干扰 ITU科学地分配了各种通信系统所适用的频段,各频段频率与其波长对应值及其名称,由国际电 信联盟无线委员会(ITU-R)颁布,各国、各地区、城市均设有相应无线电管理委员会,负责本 国、本地区无线频点的合理协调。 1.4通信系统质量指标

对于有线信道，重要的是选择不同的传输媒体和宽带媒体的信道频率复用。一般根据信道业 务要求，考虑它们各所要求的前述有线信道（恒参）的性能特征，如损耗、延时与相移特性，以 及最低与最高截频等，来确定频段。 海底通信适于极低频段，则有很好的传输性能；任何基带信号传输采用基带信号带宽为截频 的全部低频段，模拟话音的低频传输只利用 300~3400Hz 或优质声音（音乐）从 50Hz 至 15kHz 带宽。 比较复杂的问题是，各种无线通信要根据空间电磁波传播特点，来选择与适当分配工作频段。 ITU-R 对频谱分配进行了具体规则，各国各部门均科学而严格控制频点使用。 电磁波由发射到接收的途径大体分为三种：一是靠地面传播的称为“地波”；二是靠空间两 点间直线传播的称为“空间波”；三是靠地球上空的电离层反射到地面的单跳或多跳方式传播， 称为“天波”。 沿地表传播的地波，因沿地面电磁波跳跃性传播产生感应电流，会受到地面这种非良导体衰 减，且频率越高集肤效应越大，损耗就越大。因此地波适于中长波和中波（即几百千赫到数兆赫）， 如民用广播从 535kHz 至 1605kHz 频段（每 10kHz 一个节目）就是一例。 数兆赫到数十兆赫的短波（高频段）适于天波传播，收发间距离远大于地波，可达数百公里 到上千公里，这决定于天线入射角大小。上面已经提到，电离层会对反射的电磁波进行吸收、衰 减，电离浓度越大则损耗越大，而这种因电离层随机变化导致的电磁波起伏衰减就是衰落现象。 如果波长更短，即更高频段，如数百兆赫到数个吉赫（109 Hz）以上，则进入微波波段。这一 频段的电磁波，电离层的吸收很少，且不再被反射回地面。如卫星通信，电磁波可穿透电离层传 播到卫星。这种空间波传播与光有类似性，不但直线传播，而且电磁波也有绕射（衍射）作用， 可以绕过一些局部障碍物。例如，微波接力属地面点与点之间直线传播，除了要受地面环境（沼 泽、山、林等）一定影响外，天线不便架设过高，因此接力（中继）段不过四、五十公里，通常 称为“视距”通信。 无线通信均需收发天线长度与波长 匹配的天线尺寸为 ，因此利用全向天线的民用广播 的电台天线不可能稳定架设 100 多米。利用 900MHz 频段的 GSM 手机天线，可以短至几厘米长， 为移动手机小型化便携带来很大方便。 全部无线通信均通过自由空间传播，为了合理使用频段，各地区各种通信又不致互相干扰， ITU 科学地分配了各种通信系统所适用的频段，各频段频率与其波长对应值及其名称，由国际电 信联盟无线委员会（ITU-R）颁布，各国、各地区、城市均设有相应无线电管理委员会，负责本 国、本地区无线频点的合理协调。 1.4 通信系统质量指标

1.4.1通信质量概述 影响通信质量的因素可分为两个方面。一是前面已经介绍过的广义信道的特征及种种限制因 素,二是表示信息本身的信号或编码方式和传输(调制解调)方式。 有效性与可靠性是相辅相承的两个质量指标体系,模拟与数字通信又有所不同。 1.4.2通信系统有效性技术 模拟通信系统中,每一路模拟信号需占用一定信道带宽,如何在信道具有一定带宽时充分利 用它的传输能力,可有几个方面的措施,一是多路信号通过频率分割复用,即频分复用(FDM), 以复用路数多少来体现其有效性,如同轴电缆最髙可容纳10800路4kz模拟话音信号。目前使 用的无线频段从10°10Hz范围的自由空间,更是利用多种频分复用方式实现各种无线通信。 另一方面提高模拟通信有效性是根据业务性质减少信号带宽,如话音信号的调幅单边带 (SSB)为4kHz,就比调频信号带宽小数倍,但可靠性较差。 数字通信的有效性主要体现在一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。其它复用方式还有前面提到的空分复用(SDM)、码分复用(CDM) 极化复用(PDM)和波分复用(WDM)以及相应的“多址”方式。数字信号频带传输,可以采用多 元调制提高有效性。如M进制信号是二进制信号信息量的(1g2M)倍,它们的信息量单位 分别为波特(Baud-Bd)和比特(bit),因此 1Bd -(og 2 M)bit -kbit 另外,为了利用有限的信道带宽支持信源信息量大的通信业务传输,根据信息理论可以采用 信源压缩编码,即消除源信息中冗余部分,如电视信号中只含有大约4%的有效信息,采用无失 真压缩编码,可能达到30多倍的压缩率。更进一步,根据不同应用要求的精度,由仙农率失真 理论,还可以去掉一些次要信息,这种有损压缩编码,往往可以压缩上百倍以上,如多媒体会议 电视及可视电话可以分别利用2Mb/s速率及PCM系统和3kHz带宽的PSTN(公用交换电话网)进 行传输,便满足一般需要 1.4.3通信系统可靠性技术 对于模拟通信系统,可靠性通常以整个系统的输岀信噪比来衡量。一般通信系统特别是卫 星通信,发送信号功率总是有一定限量,而信道噪声(主要是热噪声)则随传输距离而增长,其 功率不断累积,并以相加的形式来干扰信号,这种干扰称为加性干扰。信号加噪声的混合波形与 原信号相比则具有一定程度失真。模拟通信的输出信噪比越髙,通信质量就越好。诸如,公共电 话(商用)以40dB为优良质量,电视节目信噪比至少应为50dB,优质电视接收应在60dB以上 公务通信可以降低质量要求,也需20dB以上。当然,信噪比并非唯一的衡量质量的指标。 在实际中,常用折衷办法来改善可靠性,即以带宽(有效性)为代价换取可靠性,可提高输 出信噪比涉及信号的调制方式。例如,宽带调频(FM)比调幅多占几倍或更大带宽,解调输出信

1.4.1 通信质量概述 影响通信质量的因素可分为两个方面。一是前面已经介绍过的广义信道的特征及种种限制因 素，二是表示信息本身的信号或编码方式和传输（调制解调）方式。 有效性与可靠性是相辅相承的两个质量指标体系，模拟与数字通信又有所不同。 1.4.2 通信系统有效性技术 模拟通信系统中，每一路模拟信号需占用一定信道带宽，如何在信道具有一定带宽时充分利 用它的传输能力，可有几个方面的措施，一是多路信号通过频率分割复用，即频分复用（FDM）， 以复用路数多少来体现其有效性，如同轴电缆最高可容纳 10800 路 4kHz 模拟话音信号。目前使 用的无线频段从 105 ~1012Hz 范围的自由空间，更是利用多种频分复用方式实现各种无线通信。 另一方面提高模拟通信有效性是根据业务性质减少信号带宽，如话音信号的调幅单边带 （SSB）为 4kHz，就比调频信号带宽小数倍，但可靠性较差。 数字通信的有效性主要体现在一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。其它复用方式还有前面提到的空分复用（SDM）、码分复用（CDM）、 极化复用（PDM）和波分复用（WDM）以及相应的“多址”方式。数字信号频带传输，可以采用多 元调制提高有效性。如 进制信号是二进制信号信息量的（ ）倍，它们的信息量单位 分别为波特（Baud－Bd）和比特（bit），因此 另外，为了利用有限的信道带宽支持信源信息量大的通信业务传输，根据信息理论可以采用 信源压缩编码，即消除源信息中冗余部分，如电视信号中只含有大约 4%的有效信息，采用无失 真压缩编码，可能达到 30 多倍的压缩率。更进一步，根据不同应用要求的精度，由仙农率失真 理论，还可以去掉一些次要信息，这种有损压缩编码，往往可以压缩上百倍以上，如多媒体会议 电视及可视电话可以分别利用 2Mb/s 速率及 PCM 系统和 3kHz 带宽的 PSTN（公用交换电话网）进 行传输，便满足一般需要。 1.4.3 通信系统可靠性技术 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。一般通信系统特别是卫 星通信，发送信号功率总是有一定限量，而信道噪声（主要是热噪声）则随传输距离而增长，其 功率不断累积，并以相加的形式来干扰信号，这种干扰称为加性干扰。信号加噪声的混合波形与 原信号相比则具有一定程度失真。模拟通信的输出信噪比越高，通信质量就越好。诸如，公共电 话（商用）以 40dB 为优良质量，电视节目信噪比至少应为 50dB，优质电视接收应在 60dB 以上， 公务通信可以降低质量要求，也需 20dB 以上。当然，信噪比并非唯一的衡量质量的指标。 在实际中，常用折衷办法来改善可靠性，即以带宽（有效性）为代价换取可靠性，可提高输 出信噪比涉及信号的调制方式。例如，宽带调频（FM）比调幅多占几倍或更大带宽，解调输出信

噪比改善量与带宽増加倍数的平方成正比。如民用调幅广播,每台节目10kz带宽,而调频台节 目带宽为180kHz,但信噪比增大十几倍,因此音质极好。 首先,数字通信可靠性因素就主要地、本质地说,主要还是信噪比问题,另一因素是设计的 信号本身抗扰能力。但数字信号传输最终反映在判决输出的码元符号是否正确,因此其可靠性指 标均为码元或码字的差错概率ˉ·,即一定时间内的平均差错率。一般通信系统,差错率主要决 定于信噪比输出大小。 提高数字系统的可靠性,减少误差率的措施,首先从仙农信道容量公式来奠定一个基本思路, 该著名的公式为 4 c=f Ct=B. 2(1+c) 上列公式的概念表明,当通过信道传输的信息总量不超过信道容量c时,信号本身的带 宽,传输时间5和信号动态范围 者的量值可以互换,则信号可以无失真通过 该信道。 例如,B3=2kHz,S/M=2。倍,而信号参量为B,=kHx,S/NV=2倍,则信 道容量 l=20070g2(1+260)=6004g2(1+20)=12×107(bt) 即信号信息量等于信道容量,满足无失真传输条件。这时,通过信号带宽2与信号动态范 国0g2(1+20)互换为B,=2kHx及1g21+20),则无问题 总结提高数字通信可靠性的技术可有 1.以付出带宽换取可靠性如无线扩频调制CDMA,以扩展带宽成百上千倍,甚至当信噪比 小于1,即0dB以下时,仍可有较强抗干扰性,正确接收信号. 2.降低传输速率,即在同样信息量,延长传输时间可以提高可靠性。如一幅信息量很大的 精细画面,利用了3kHz带宽电话信道,几分钟可以无失真传输完毕 3.采用适当的信号波形及均衡措施,可消除信号码元波形间干扰,提高正确判决概率。第 五章基带数字信号传输理论的奈奎斯特三个准则,有效地解决了消除“符号间干扰”(S) 问题

噪比改善量与带宽增加倍数的平方成正比。如民用调幅广播，每台节目 10kHz 带宽，而调频台节 目带宽为 180kHz，但信噪比增大十几倍，因此音质极好。 首先，数字通信可靠性因素就主要地、本质地说，主要还是信噪比问题，另一因素是设计的 信号本身抗扰能力。但数字信号传输最终反映在判决输出的码元符号是否正确，因此其可靠性指 标均为码元或码字的差错概率 ，即一定时间内的平均差错率。一般通信系统，差错率主要决 定于信噪比输出大小。 提高数字系统的可靠性，减少误差率的措施，首先从仙农信道容量公式来奠定一个基本思路， 该著名的公式为 上列公式的概念表明，当通过信道传输的信息总量 不超过信道容量 时，信号本身的带 宽 ，传输时间 和信号动态范围 三者的量值可以互换，则信号可以无失真通过 该信道。 例如， ， 倍，而信号参量为 ， 倍，则信 道容量 即信号信息量等于信道容量，满足无失真传输条件。这时，通过信号带宽 与信号动态范 围 互换为 及 ，则无问题。 总结提高数字通信可靠性的技术可有： 1. 以付出带宽换取可靠性如无线扩频调制 CDMA，以扩展带宽成百上千倍，甚至当信噪比 小于 1，即 0dB 以下时，仍可有较强抗干扰性，正确接收信号。 2. 降低传输速率，即在同样信息量，延长传输时间可以提高可靠性。如一幅信息量很大的 精细画面，利用了 3kHz 带宽电话信道，几分钟可以无失真传输完毕。 3. 采用适当的信号波形及均衡措施，可消除信号码元波形间干扰，提高正确判决概率。第 五章基带数字信号传输理论的奈奎斯特三个准则，有效地解决了消除“符号间干扰”(ISI) 问题

4.选用调制与解调方式提高可靠性。如采用数字调频较调幅有较好的接收质量。最佳接收 的解调方式优于包络解调效果。 5.优良的信号设计可提高抗干扰能力。第6章将重点介绍,发送信号序列中表示不同信号 的码字或波形函数之间相关性的情况 6.提高抗干扰能力,减少差错最有效、也最常用的方法是 相用线老在 编码。前面已经提 到,它是以增加冗余而实施自动纠错或检错重发的技术 要求的误码率不变 时,采用纠错码可以降低对信噪比的要求。本书第9章将具体讨论各种差错控制原理与 编码方法

4. 选用调制与解调方式提高可靠性。如采用数字调频较调幅有较好的接收质量。最佳接收 的解调方式优于包络解调效果。 5. 优良的信号设计可提高抗干扰能力。第 6 章将重点介绍，发送信号序列中表示不同信号 的码字或波形函数之间相关性的情况。 6. 提高抗干扰能力，减少差错最有效、也最常用的方法是利用差错控制编码。前面已经提 到，它是以增加冗余而实施自动纠错或检错重发的技术措施，或者在要求的误码率不变 时，采用纠错码可以降低对信噪比的要求。本书第 9 章将具体讨论各种差错控制原理与 编码方法