第1章 通信系統(tǒng)概述

1、第1章通信系統(tǒng)概述本章不是一般“概述”，擬概括介紹一些與本書相關而又不為各章節(jié)能全部包括的一般通信知識，這對學習通信系統(tǒng)原理將打下一個有力的基礎。知識點(1) 信息、信息技術信號及其分類；(2) 通信、通信系統(tǒng)構成及各部分功能；(3) 信道分類及幾種常用信道特征；(4) 無線傳播特點與信道特征；(5) 通信系統(tǒng)質(zhì)量指標與改進質(zhì)量的關鍵技術；(6) 通信頻段劃分及各頻段的基本特點。要求(1)本章作為初學者的通讀材料，以了解本書基本要點及通信系統(tǒng)實質(zhì)性概念；(2)對已學習過或正在學習通信系統(tǒng)原理課程的讀者，再學習本章內(nèi)容，也可溫故而知新。1.1 通信與通信系統(tǒng)1.1.1 通信通信的含義無論從中文“

2、通信”(或通訊)或英文“Communication”講，是信息從一個地方通過傳輸信道傳送到另一個地方的對話過程。擬為現(xiàn)代通信給出一個完善而簡捷的定義：通信是信息或其表示方式(表示媒體)的時/空轉(zhuǎn)移。這一定義遠遠超出了對話的業(yè)務范圍，同時通信過程中，除了有很小的傳輸延時外，尚需要進行處理、轉(zhuǎn)發(fā)，也會發(fā)生一定的時延，以及可能緩存、顯示或存儲再現(xiàn)，因此，這一定義不但包括了空間，也包括時間在內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移。1.1.2 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)具有很廣泛的內(nèi)涵，并有多個層次，一般地，利用傳輸信道或通信網(wǎng)，將具有收、發(fā)信息功能的終端設備由信道或鏈路有機連接(永久或暫時的)起來，這些實施信息傳輸?shù)脑O備集合，稱為通信系

3、統(tǒng)。通信系統(tǒng)按工作方式分，可分為單工(Simplex)、半雙工(Half-duplex)和全雙工(Duplex)。這三種方式的例子如單向廣播、步話機和固定電話與移動電話等。一個基本通信系統(tǒng)包括的設備環(huán)節(jié)是發(fā)送設備、接收設備與傳輸信道和傳輸設備，可實現(xiàn)單向/雙向或單/雙工通信功能。圖1-2示出了一個較為完善的數(shù)字通信系統(tǒng)。它的發(fā)送與接收端各包括9個功能單元，還有傳輸信道以及收發(fā)同步系統(tǒng)等組成?，F(xiàn)分別介紹各部分的功能與作用。1-源信息格式(Format)是信息采集后的源信息最初表示方式，如模擬電信號的限帶波形，圖像信號的掃描象素集合或其紅綠藍三個基本分量的PCM編碼。信源格式為信源編碼作好了基本格

4、式的準備，其中還包括信源編碼前去噪、限帶等的預處理。2.信源編碼為了提高信息的有效性，在源信息中可能存在某種程度的冗余“信息”以及根據(jù)需要的質(zhì)量標準，可以去除其中次要信息，因此提高有效性的措施采用去相關及壓縮編碼，即用更少的編碼位數(shù)來表示符合一定接收質(zhì)量的更多源符號。其基本理論是仙農(nóng)率失真理論，其基本技術如無失真預測編碼和有損正交變換編碼等。對于多媒體通信中的視頻圖像編碼因具有更大冗余度和視覺特性的掩蓋效用，可以提供名目繁多的壓縮技術，有損壓縮往往到幾十倍上百倍以上壓縮倍數(shù)?？傊旁淳幋a是按一定精度為信息提供一種編碼格式或數(shù)據(jù)結(jié)構，即構成有效的“表示媒體”形式。3.信道編碼經(jīng)過信源編碼的碼字

5、序列，均應認為是重要信息，因此如果在傳輸與接收判決中發(fā)生錯誤或超出限定的符號誤差概率，則會不滿足接收者的質(zhì)量要求。如果信源碼字之間互為正交或不相關，則有一定的抗干擾能力，或者基帶碼流的碼符號選用某些合適的碼型，也有一定抗干擾性。最好的方法是根據(jù)信道環(huán)境的特性，將信源碼字中按一定規(guī)則適當加入冗余碼元（監(jiān)督元），構成差錯控制碼，可以根據(jù)不同的結(jié)構和冗余位多少，提供1位或多位自動糾錯或通過反饋重發(fā)糾錯能力。對于信道帶寬無限制而傳送信號功率受限（如衛(wèi)星）的通信系統(tǒng)，在保持所需的誤差率時，利用差錯控制編碼能降低所需的信號功率或信噪比。4.信道復用信道復用（Multiplexing）是通信系統(tǒng)中很為重要的

6、組成部分。其基本功能是使多種信息流共享同一信道，提高通信資源利用率。如目前無線正在使用整個頻段跨越1051012Hz的頻率資源，各個不同頻段和頻點用于各種類型的無線信號傳輸，必須采用頻分復用（FDM）?；谟芯€信道的基帶傳輸，多采用時分復用（TDM）。還有基于特殊媒體分離和空間分離的空分復用（SDM），現(xiàn)代無線擴頻通信的碼分復用（CDM），以及水平和垂直激化的電磁波傳輸提供激化復用（PDM）。近幾年的發(fā)展已大量推廣利用光密集波分復用（DWDM），可以使一條光纖容納幾億個數(shù)字電話的點對點間傳輸。無線和移動通信采用的復用方式為“多址”（Multi-access），有頻分多址（FDMA）,時分多址（

7、TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）。以及可用雙極性頻率重用的極分多址（PDMA）。各種復用/多址，在基本原理上的共同點是復用信號集的各信號間或多址系統(tǒng)各用戶地址碼之間是正交關系?？辗謴陀?多址，即SDM/SDMA是從物理通道隔離保證這種正交關系的。5.調(diào)制調(diào)制是信號的一種變換過程，通常是將不便于信道直接傳輸?shù)幕鶐M信號或編碼符號序列，或其波形序列作為調(diào)制信號，去控制一個適于信道傳輸性能的“載波”，使其某一、二個參量正比地受控于調(diào)制信號。載波為正弦信號時的調(diào)制方式稱為連續(xù)波調(diào)制。此時若調(diào)制信號為模擬信號，可提供模擬（線性）調(diào)幅和模擬調(diào)角（又分調(diào)頻與調(diào)相）；若調(diào)制信號為數(shù)字代

8、碼，相應的調(diào)制方式分為數(shù)字調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，均稱為數(shù)字信號的載波傳輸或頻帶傳輸，仍為模擬傳輸方式?；鶐?shù)字信號作調(diào)制信號時，宜以脈沖序列作為載波，通稱為脈沖編碼調(diào)制（如：PCM數(shù)字電話）。6.擴頻擴頻（SpreadSpectrum）是一種特殊的現(xiàn)代無線通信調(diào)制技術。就數(shù)字擴頻系統(tǒng)來說，可以把周期很長、碼元（稱為碼片chip）持續(xù)時間忑遠小于信息碼之間隔兀的偽噪聲碼（PN）序列作為“載波”，于是載荷信息的PN碼帶寬較信息碼展寬幾十倍到上萬倍。由擴頻實現(xiàn)的碼分復用或多址構成的無線移動通信系統(tǒng)，各用戶采用不同的互為正交的PN序列作為地址碼，可使大量用戶正交復用數(shù)兆赫以上的擴頻帶寬，且具有極強的抗各類

9、干擾的能力。本書第7章簡單介紹擴頻調(diào)制原理。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)原理教材一般不設此章節(jié)。7.同步在數(shù)字信號傳輸和采用相干接收或最佳接收方式的模擬調(diào)制系統(tǒng)中，尚有一個非常重要的控制單元，即同步系統(tǒng)。它可以使通信系統(tǒng)的收、發(fā)兩端或整個通信網(wǎng)絡，以精度很高的時鐘提供定時，以便系統(tǒng)、網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流能與發(fā)信端同步地、有序而準確地接收與恢復原信息。同步準確性對通信質(zhì)量有很大影響。多媒體信息傳輸對同步有更進一步的要求，應達到各信息媒體之間的同步顯示。從功能和實現(xiàn)環(huán)境的方法不同，同步可分為4種方式，詳細情況可參考教材：（1）載波同步（2）碼元或位同步（3）幀同步（4）網(wǎng)同步1.2 信道和噪聲各種發(fā)送信息欲傳送到既定的

10、信宿（Destination）,可選用適于傳輸?shù)奈锢砻襟w，完成通信功能，這些連接發(fā)信與收信設備而適于不同類型通信業(yè)務的各種物理媒體通稱為信道。1.2.1 信道分類信道可分為有界與無界兩大類，即通常所說的有線信道和無線信道。前者如雙絞線、電纜、光纖、波導等。后者為自由空間提供的各種頻段或波長的電磁波傳播通道。根據(jù)各種信道不同的特征和參量及其變化情況，又將它們分為恒參信道和隨參（變參）信道。前者如有線信道、微波與衛(wèi)星信道等；后者如無線系統(tǒng)的短波）和超短波（300MHz3GHz）散射信道。一般地，若單指傳輸媒體而言稱為狹義信道。在具體通信系統(tǒng)構成中，往往把信源發(fā)出的模擬信號和數(shù)字編碼基帶信號視為信息

11、部分，從調(diào)制器到接收端解調(diào)這一中間變換歷程中，經(jīng)過了包括物理媒體在內(nèi)的線路設備（如交換、放大、中繼等中間件）傳輸路徑，因此將圖1-3所示的調(diào)制信道與編碼信道稱為廣義信道。將信道分類歸納為下表所示：信道狹義信道有線（有界）信道,如明線、電纜、光纖等無線（無界）信道，如短波、微波等廣義信道調(diào)制信道恒參信道隨參信道編碼信道無記憶有記憶從分析信道的特征角度，又可將上表所提到各類不同層次的信道，大體分為三種特征：1. 線性與非線性信道特征；2. 時不變與時變信道特征；3. 帶寬或功率受限信道特征。1.2.2 信道的干擾除了上述因狹義信道本身特征影響通信質(zhì)量外，信道內(nèi)尚可能受到外部干擾和廣義信道中各種設備

12、帶來的內(nèi)部噪聲干擾。信道內(nèi)干擾源很多，并有多種形式，茲大體歸納為四類：1. 無線電干擾：它來自各種無線發(fā)射機。其特點是頻率范圍寬，幾乎覆蓋全部使用頻段。但對于特定電臺的頻率一般是固定的，因此可以進行防護。另外由于無線電頻率管理較為完善，可以將此種干擾限制在最小限度。2. 工業(yè)干擾：它來源于各種電氣設備，如電機、電力線，電源開關、電點火（如汽車點火）裝置等。此類干擾一般在較低頻率范圍，如汽車點火干擾在幾十兆赫范圍內(nèi)。采用屏蔽與考究的濾波措施，在很大程度上可避開工業(yè)干擾。3. 天電干擾：來自于雷電、磁暴、太陽黑子以及宇宙射線等，它們與季節(jié)、氣候變化關系較大。不同地區(qū)也有很大不同，如赤道附近及兩極地

13、區(qū)嚴重。太陽黑子發(fā)生變動（約11年一個周期）的年份，天電干擾加大，有時長時間中斷短波通信。4. 內(nèi)部干擾：來自信道內(nèi)部各種電子器件電阻、天線以及傳輸線等。在這些電子設備中的分子或電子的隨機熱運動，形成所謂起伏噪聲，對于通信信號產(chǎn)生加性干擾。在下一章將詳細介紹它的機理與影響。本書涉及的各類通信系統(tǒng)，主要是這種噪聲，稱為熱噪聲，從機理上它是高斯型統(tǒng)計特征，是通信系統(tǒng)干擾的重要因素。1.2.3 幾種常用信道特征通信常用的信道類型主要有4類：1.電話信道電話信道一般是指龐大的公用交換電話網(wǎng)（PSTN）所提供的基于傳統(tǒng)模擬電話或低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺馈Ｍㄐ判诺赖臉嫵啥喟胪ㄟ^用戶終端到本地交換機（節(jié)點），再到

14、另一個用戶建立的呼叫鏈路，一旦通話（即呼叫）結(jié)束，便及時拆斷該鏈路。電話信道一般屬于限帶為3003400Hz的線性系統(tǒng)。當用于數(shù)據(jù)傳輸時，需在用戶端均加入調(diào)制/解調(diào)器（Modem），并利用6003000Hz頻響較平坦的頻段傳輸已調(diào)波。目前從用戶到節(jié)點（交換機）的用戶線，可以增設寬帶Modem（如ADSL），可在數(shù)公里內(nèi)通信帶寬擴展到26MHz，支持寬帶上網(wǎng)和多媒體業(yè)務。近幾年PSTN已更新為數(shù)字化網(wǎng)絡，在網(wǎng)上的各交換節(jié)點間中繼全部數(shù)字化傳輸。通過用戶線以2B+D或更高速率，可傳輸話音與綜合業(yè)務。2.光纖光纖是將電信號變?yōu)楣庑盘枺?光轉(zhuǎn)換）后進行光信號傳輸?shù)奈锢砻襟w。光纜是由包層覆蓋光纖芯線而

15、構成。光信號是以電磁場形式在光纖芯中傳播。光纖自70年代投用后，很快顯示出很多突出的優(yōu)點，諸如，它帶寬極寬（2X10i4Hz以上），通過目前可達到的技術，密集波分復用（DWDM），一條光纖中可以支持1600Gb/s的傳輸速率；實驗表明，基于單波160Gb/s速率的1024個波，可達約160Tb/s的點到點傳輸流量（lTb/s=10i2b/s）；光纖傳輸損耗極低，小于0.2dB/km，不受電磁干擾，重量極輕（一條光纖芯27g/km），抗彎曲，耐濕熱和腐蝕，敷設方便、靈活，可架設到電桿上，光纖價格極低，目前國內(nèi)生產(chǎn)供大于求。3.移動無線信道無線移動通信起初是為了延伸電信網(wǎng)的覆蓋范圍和通信能力而逐步

16、發(fā)展起來的。迄今，移動網(wǎng)的發(fā)展令人驚異，已從城市擴展到鄉(xiāng)村與邊遠地區(qū)。我國移動用戶已達1.5億以上，很快就與傳統(tǒng)的固定電話（PSTN）相匹敵。下一代的移動通信將以寬帶方式接入，并與現(xiàn)行GSM系統(tǒng)相比，傳輸速率增加10倍、上百倍，可支持多媒體業(yè)務，并廣泛實施個人通信系統(tǒng)（PCS）。移動通信以蜂窩方式組網(wǎng)，信道具有多徑衰落與時變特征。目前GSM移動通信利用900MHz頻段，雙向頻譜為2X25MHZ,各提供125個載波，每載波包括8個時分多址（TDMA）信道。于是各載波200kHz帶寬，包含8個25kHz信道，用戶數(shù)字電話速率為13kb/s，具有高糾錯能力的差錯保護位時，凈速率高達9.8kb/s。移

17、動網(wǎng)在每個蜂窩小區(qū)設有一個基站，轉(zhuǎn)發(fā)小區(qū)內(nèi)多達上千個用戶同時通信。移動通信每個信道的輻射功率應控制在它的25kHz帶寬內(nèi)，帶外輻射衰減應至少為-40dB,優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)應達-70dB，才不至于明顯干擾相鄰話路。隔離1至2個小區(qū)可以重復利用頻率，因此整個移動網(wǎng)可支持極大量用戶相互通信。通過越區(qū)切換和跨網(wǎng)漫游可以實現(xiàn)全國性、世界范圍內(nèi)的移動通信。4.衛(wèi)星信道衛(wèi)星信道是一種特殊的無線信道。在地球赤道上空35978km（近似稱3.6萬公里）均勻分布著三個同步衛(wèi)星，就可以通過它們的轉(zhuǎn)發(fā)器（Transponders）地球上任兩處的地球站間可進行通信。自60年代初（1962年）問世以來，至今穩(wěn)定使用的上行6GHz

18、.下行4GHz頻點的系統(tǒng)，總帶寬500MHz，并提供帶寬各為36MHz的12個轉(zhuǎn)發(fā)器，各又能容納1200路數(shù)字電話或25150個窄帶會議電視。一個轉(zhuǎn)發(fā)器可支持五、六個行將推廣的HDTV（高清晰度數(shù)字電視）。由于跨洋衛(wèi)星通信（如中美兩國間）需經(jīng)由兩個衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器與雙方地球站溝通信息，因此遠達15萬km的距離，通信延遲則高達將近0.5秒，雙方對話均有明顯延時的感覺。目前國內(nèi)衛(wèi)星通信已開辦大量業(yè)務，如，衛(wèi)星電視節(jié)目，遠程教育等。1.4通信頻段的劃分上面介紹了通信信道分類與特征，并例舉了幾種常用信道基本性能及適用情況。各種通信系統(tǒng)對使用信道的頻段還有一個選擇性與合理性分配問題，以便合理利用并盡量節(jié)省頻

19、譜資源，滿足有效與可靠傳輸?shù)囊?。對于有線信道，重要的是選擇不同的傳輸媒體和寬帶媒體的信道頻率復用。一般根據(jù)信道業(yè)務要求，考慮它們各所要求的前述有線信道（恒參）的性能特征，如損耗、延時與相移特性，以及最低與最高截頻等，來確定頻段。海底通信適于極低頻段，則有很好的傳輸性能；任何基帶信號傳輸采用基帶信號帶寬為截頻的全部低頻段，模擬話音的低頻傳輸只利用3003400Hz或優(yōu)質(zhì)聲音（音樂）從50Hz至15kHz帶寬。比較復雜的問題是，各種無線通信要根據(jù)空間電磁波傳播特點，來選擇與適當分配工作頻段。ITU-R對頻譜分配進行了具體規(guī)則，各國各部門均科學而嚴格控制頻點使用。電磁波由發(fā)射到接收的途徑大體分為三

20、種：一是靠地面?zhèn)鞑サ姆Q為“地波”；二是靠空間兩點間直線傳播的稱為“空間波”；三是靠地球上空的電離層反射到地面的單跳或多跳方式傳播，稱為“天波”。沿地表傳播的地波，因沿地面電磁波跳躍性傳播產(chǎn)生感應電流，會受到地面這種非良導體衰減，且頻率越高集膚效應越大，損耗就越大。因此地波適于中長波和中波（即幾百千赫到數(shù)兆赫），如民用廣播從535kHz至1605kHz頻段（每10kHz一個節(jié)目）就是一例。數(shù)兆赫到數(shù)十兆赫的短波（高頻段）適于天波傳播，收發(fā)間距離遠大于地波，可達數(shù)百公里到上千公里，這決定于天線入射角大小。上面已經(jīng)提到，電離層會對反射的電磁波進行吸收、衰減，電離濃度越大則損耗越大，而這種因電離層隨機

21、變化導致的電磁波起伏衰減就是衰落現(xiàn)象。如果波長更短，即更高頻段，如數(shù)百兆赫到數(shù)個吉赫（109Hz）以上，則進入微波波段。這一頻段的電磁波，電離層的吸收很少，且不再被反射回地面。如衛(wèi)星通信，電磁波可穿透電離層傳播到衛(wèi)星。這種空間波傳播與光有類似性，不但直線傳播，而且電磁波也有繞射（衍射）作用，可以繞過一些局部障礙物。例如，微波接力屬地面點與點之間直線傳播，除了要受地面環(huán)境（沼澤、山、林等）一定影響外，天線不便架設過高，因此接力（中繼）段不過四、五十公里，通常稱為“視距”通信。無線通信均需收發(fā)天線長度與波長幾匹配的天線尺寸為4，因此利用全向天線的民用廣播的電臺天線不可能穩(wěn)定架設100多米。利用90

22、0MHz頻段的GSM手機天線，可以短至幾厘米長，為移動手機小型化便攜帶來很大方便。全部無線通信均通過自由空間傳播，為了合理使用頻段，各地區(qū)各種通信又不致互相干擾，ITU科學地分配了各種通信系統(tǒng)所適用的頻段，各頻段頻率與其波長對應值及其名稱，由國際電信聯(lián)盟無線委員會（ITU-R）頒布，各國、各地區(qū)、城市均設有相應無線電管理委員會，負責本國、本地區(qū)無線頻點的合理協(xié)調(diào)。1.5通信系統(tǒng)質(zhì)量指標1.5.1 通信質(zhì)量概述影響通信質(zhì)量的因素可分為兩個方面。一是前面已經(jīng)介紹過的廣義信道的特征及種種限制因素，二是表示信息本身的信號或編碼方式和傳輸（調(diào)制解調(diào)）方式。有效性與可靠性是相輔相承的兩個質(zhì)量指標體系，模擬

23、與數(shù)字通信又有所不同。1.5.2 通信系統(tǒng)有效性技術模擬通信系統(tǒng)中，每一路模擬信號需占用一定信道帶寬，如何在信道具有一定帶寬時充分利用它的傳輸能力，可有幾個方面的措施，一是多路信號通過頻率分割復用，即頻分復用（FDM）,以復用路數(shù)多少來體現(xiàn)其有效性，如同軸電纜最高可容納10800路4kHz模擬話音信號。目前使用的無線頻段從10510i2Hz范圍的自由空間，更是利用多種頻分復用方式實現(xiàn)各種無線通信。另一方面提高模擬通信有效性是根據(jù)業(yè)務性質(zhì)減少信號帶寬，如話音信號的調(diào)幅單邊帶（SSB）為4kHz，就比調(diào)頻信號帶寬小數(shù)倍，但可靠性較差。數(shù)字通信的有效性主要體現(xiàn)在一個信道通過的信息速率。對于基帶數(shù)字信

24、號可以采用時分復用（TDM）以充分利用信道帶寬。其它復用方式還有前面提到的空分復用（SDM）、碼分復用（CDM）、極化復用（PDM）和波分復用（WDM）以及相應的“多址”方式。數(shù)字信號頻帶傳輸，可以采用多元調(diào)制提高有效性。如皿進制信號是二進制信號信息量的（呃皿）倍，它們的信息量單位分別為波特（BaudBd）和比特（bit），因此lBd=（log2=kbit另外，為了利用有限的信道帶寬支持信源信息量大的通信業(yè)務傳輸，根據(jù)信息理論可以采用信源壓縮編碼，即消除源信息中冗余部分，如電視信號中只含有大約4%的有效信息，采用無失真壓縮編碼，可能達到30多倍的壓縮率。更進一步，根據(jù)不同應用要求的精度，由仙農(nóng)

25、率失真理論，還可以去掉一些次要信息，這種有損壓縮編碼，往往可以壓縮上百倍以上，如多媒體會議電視及可視電話可以分別利用2Mb/s速率及PCM系統(tǒng)和3kHz帶寬的PSTN（公用交換電話網(wǎng)）進行傳輸，便滿足一般需要。1.5.3 通信系統(tǒng)可靠性技術對于模擬通信系統(tǒng)，可靠性通常以整個系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。一般通信系統(tǒng)特別是衛(wèi)星通信，發(fā)送信號功率總是有一定限量，而信道噪聲（主要是熱噪聲）則隨傳輸距離而增長，其功率不斷累積，并以相加的形式來干擾信號，這種干擾稱為加性干擾。信號加噪聲的混合波形與原信號相比則具有一定程度失真。模擬通信的輸出信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。諸如，公共電話（商用）以40dB為優(yōu)良質(zhì)量，電視節(jié)目信噪比至少應為50dB，優(yōu)質(zhì)電視接收應在60dB以上，公務通信可以降低質(zhì)量要求，也需20dB以上。當然，信噪比并非唯一的衡量質(zhì)量的指標。在實際中，常用折衷辦法來改善可靠性，即以帶寬（有效性）為代價換取可靠性，可提高輸出信噪比涉及信號的調(diào)制方式。例如，寬帶調(diào)頻（FM）比調(diào)幅多占幾倍或更大帶寬，解調(diào)輸出信噪比改善量與帶寬增加倍數(shù)的平方成正比。如民用調(diào)幅廣播，每臺節(jié)目10kHz帶寬，而調(diào)頻臺節(jié)目帶寬為180kHz，但信