增加內(nèi)容 數(shù)字通信基礎(chǔ)知識

增加章節(jié)數(shù)字通信基礎(chǔ)知識2.1什么是數(shù)字通信？2.2怎樣發(fā)送數(shù)字信息？2.3信道與干擾問題2.4怎樣接收數(shù)字信息？2.5數(shù)字信息傳錯了怎么辦？2.6數(shù)字保密通信概念2.7同步問題?2.8信道多路復(fù)用原理2.1什么是數(shù)字通信？1.各種消息是怎樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字的？2.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成3.數(shù)字通信的特點4.數(shù)字通信系統(tǒng)的好壞怎樣衡量？1.各種消息是怎樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字的？離散的消息：“編碼”連續(xù)的消息：第一步：“取樣”，第二步：“量化”，第三步：“編碼”

F（t）76543210t1

t2

tn

t

F2F1Fn010100101110111101011010000001……

t1t2tntF（t）76543210t1

t2

tn

t

F2’F1’Fn’t(d)(c)(b)(a)

圖1-1連續(xù)消息的數(shù)字化取樣量化量化誤差編碼取樣定理與非線形編碼

顯然，這些樣品要取得足夠密，究竟要密到什么程度呢?只要取樣頻率(即取樣時間間隔的倒數(shù))為曲線(即信號)的變化率最大值(即信號最高頻率)的二倍即可。滿足了這個取樣定理，就可以用一個截止頻率等于信號最高頻率的低通濾波器，從這些樣品值序列毫不失真地恢復(fù)原信號。國際電報電話咨詢委員會（ITU-T）建議的一種話音PCM編碼率曲線，它是針對話音信號動態(tài)范圍的時間分布規(guī)律為大部分時間處于小信號狀態(tài)這一特點制定的。按這條非線形曲線編碼，每一路話音的PCM編碼速率為64千比特/秒，可以達(dá)到國際長途電話通信的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).

2.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成以傳輸聲音的數(shù)字通信系統(tǒng)為例：

聲-碼轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把連續(xù)不斷輸入的聲音轉(zhuǎn)換成由數(shù)字信息單元組成的信息序列。聲音聲音聲-碼轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器（調(diào)制器）發(fā)信機(jī)收信機(jī)波形識別器（解調(diào)器）碼-聲轉(zhuǎn)換器信道干擾2.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成波形產(chǎn)生器(又稱調(diào)制器)的任務(wù)是把各種數(shù)字信息脈沖轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臄?shù)字波形，這些數(shù)字波形要根據(jù)信道的特點來選擇。波形的數(shù)目與信息脈沖種類相同，二元制的情況下，波形數(shù)為二個，N元制情況下，波形數(shù)為N個。聲音聲音聲-碼轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器（調(diào)制器）發(fā)信機(jī)收信機(jī)波形識別器（解調(diào)器）碼-聲轉(zhuǎn)換器信道干擾2.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成發(fā)信機(jī)的任務(wù)是把數(shù)字波形搬到適當(dāng)?shù)耐ㄐ蓬l段，并進(jìn)行功率放大，然后送入信道。由于信道衰減，收信機(jī)收到信號后要進(jìn)行適當(dāng)放大，然后把信號搬移到數(shù)字波形本身頻段上。

聲音聲音聲-碼轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器（調(diào)制器）發(fā)信機(jī)收信機(jī)波形識別器（解調(diào)器）碼-聲轉(zhuǎn)換器信道干擾2.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成理想情況下的收信機(jī)輸出應(yīng)該與發(fā)信機(jī)輸入相同?？上?，實際信道傳輸特性不是理想的，信號通過后總要產(chǎn)生一定程度的畸變。另外，進(jìn)入收信機(jī)的還有來自其他電磁波源的干擾，加上收信機(jī)內(nèi)部的噪聲。所以實際收信機(jī)的輸出是已經(jīng)某種畸變的數(shù)字波形、干擾與噪聲的混合物。聲音聲音聲-碼轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器（調(diào)制器）發(fā)信機(jī)收信機(jī)波形識別器（解調(diào)器）碼-聲轉(zhuǎn)換器信道干擾2.數(shù)字通信系統(tǒng)的組成波形識別器(又稱解調(diào)器)的任務(wù)是對收信機(jī)輸出的混合物進(jìn)行識別，判斷究競收到的是什么波形?并把數(shù)字波形序列轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息序列。碼/聲轉(zhuǎn)換器輸出的聲音中會出現(xiàn)所謂的量化噪聲。聲音聲音聲-碼轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器（調(diào)制器）發(fā)信機(jī)收信機(jī)波形識別器（解調(diào)器）碼-聲轉(zhuǎn)換器信道干擾聲音聲音聲-碼轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器（調(diào)制器）發(fā)信機(jī)收信機(jī)波形識別器（解調(diào)器）碼-聲轉(zhuǎn)換器信道干擾消息出消息入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器波形產(chǎn)生器數(shù)-模轉(zhuǎn)換器波形識別器信道干擾圖1-3數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成“差錯控制技術(shù)”

由于干擾和噪聲的破壞，傳輸數(shù)字信息，難免要出錯，出了錯有沒有辦法糾正呢?要完全糾正過來，目前還沒有辦法，但是把差錯糾正到一定限度以下是有辦法的。

——辦法是對要傳輸?shù)脑紨?shù)字信息加入一些保護(hù)成分，組成所謂抗干擾編碼，在接收端按一定的規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤。關(guān)于這方面的內(nèi)容，總稱為“差錯控制技術(shù)”。差錯控制技術(shù)不僅在數(shù)字通信中，而且在計算機(jī)、自動控制等領(lǐng)域均有很多應(yīng)用。“保密”

此外，在數(shù)字通信中，還可以比較簡單而有效地實現(xiàn)保密通信。辦法是用人為產(chǎn)生的密碼把被傳的數(shù)字序列攪亂，這種密碼可以采用周期非常長的偽隨機(jī)序列，甚至采用完全無規(guī)律的噪聲碼，這叫作加密；在接收端，利用與發(fā)端完全相同的密碼復(fù)制品，對接收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密。這樣，如果我們把“差錯控制”、“保密”等內(nèi)容都考慮進(jìn)去，一個完整的數(shù)字通信系統(tǒng)的組成，就如下圖所示。消息源模－數(shù)轉(zhuǎn)換器加密器抗干擾編碼器波形產(chǎn)生器收信者數(shù)－模轉(zhuǎn)換器解密器抗干擾解碼器波形識別器信道干擾

圖1-4一個完整的保密數(shù)字通信系統(tǒng)的組成“同步”

其實，真正要構(gòu)成數(shù)字通信系統(tǒng)，僅按圖1-4組成是不行的，還有一個必不可少的組成部分，叫做“同步”。為什么？——數(shù)字信息序列，是按一定的節(jié)拍傳輸?shù)模绻?、發(fā)兩地節(jié)拍不同，步調(diào)不一致，必定要亂套?！l(fā)送的數(shù)字信息序列常常是分組的，在收端必須知道這些分組的頭尾，否則就無法把收到的信息序列恢復(fù)成原始的消息。打個比方來說，同步問題可以看做是一個“對表”問題，收發(fā)兩地兩塊表的秒針要走得一樣快慢，而且時針、分針還要對準(zhǔn)。秒針走得一樣快慢叫節(jié)拍同步(或位同步)，時針、分針對準(zhǔn)叫群同步。（3）（1）（2）同步形成數(shù)字信息源編碼器波形產(chǎn)生器用戶解碼器波形識別器同步提取信道干擾

圖1-5數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)方框圖(1)數(shù)字波形傳輸方式，(2)差錯控制.(3)同步從理論上及目前的專業(yè)分工上看，數(shù)字通信科學(xué)可劃歸如下兩大部分:1.消息處理部分，包括:(1)把各種形式的消息以簡單而有效的方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息;(2)對數(shù)字信息進(jìn)行加密與解密。2.數(shù)字信息傳輸部分，包括:(1)數(shù)字波形傳輸方式(2)差錯控制(3)同步3.數(shù)字通信的特點1.數(shù)字通信方式是把各種消息都轉(zhuǎn)化成基本信息單元再進(jìn)行傳輸?shù)?，因此?shù)字信息傳輸系統(tǒng)對任何消息都沒有“偏見”，同一個數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)可以傳各種不同類型的消息：文字，聲音，圖象或其它任何消息。2.數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)母鞣N消息，通常都以最簡單的數(shù)字“1”與“0”表示，這與數(shù)字計算機(jī)中所采用的數(shù)字是完全一致的，因此，數(shù)字通信線路可直接與數(shù)字計算機(jī)接口。數(shù)字通信機(jī)與數(shù)字計算機(jī)相結(jié)合如虎添翼。

3.數(shù)字通信方式在遠(yuǎn)程多站接力通信中特別有利。原因是數(shù)字信號只有有限的幾種，尤其是二元制，信號只有兩種，在每兩站之間傳輸?shù)倪^程中，只要噪聲與干擾不足以造成所傳的數(shù)字發(fā)生差錯，那么只要在每個中繼站采取“再生”的辦法，就可消除噪聲與干擾的累積。這一點在模擬通信方式中是辦不到的。下圖是“再生”的示意圖。圖1-6“再生”示意圖(a)混有干擾與噪聲的信號(b)“再生”后的信號4.數(shù)字通信有一個重大缺點，它比模擬通信要占據(jù)較寬的頻帶。為此要在消息數(shù)字化處理過程及數(shù)字信息傳輸過程中想辦法。4.數(shù)字通信系統(tǒng)的好壞怎樣衡量？傳輸速率：(信息速率、碼元速率、消息速率)

差錯率：（比特差錯率、錯字率、錯句率；隨機(jī)差錯、成群差錯、混合差錯）通信建立時間經(jīng)濟(jì)性（成本、頻帶利用、功率利用）適應(yīng)性使用維修性可靠度標(biāo)準(zhǔn)化、系列化傳輸速度1.碼元速率(調(diào)制速度):即每秒所傳輸?shù)拇a元數(shù)。單位是“波特”。2.信息速率:即每秒所傳輸?shù)男畔⒘?。單位是“比?秒?！睂嵺`證明碼元速率與信息速率這兩個概念容易混淆，須注意以下兩點:1)“比特”是信息量的單位，“波特”是速度單位，雖然僅差一字，意義截然不同，2)“比特/秒”與“波特”在數(shù)量上有一定關(guān)系，這決定于傳輸數(shù)字信息是幾元制。對于N元制來說，每個碼元攜帶log2N比特信息量，故若它的碼元速率為M波特，那么它的信息速率為(Mlog2N)比特/秒。對二元制來說，N=2,log22=1，此時兩者在數(shù)值上是相同的。3.消息速率:即每秒傳輸?shù)南?shù)。例如所傳消息為漢字，那么其單位就是“漢字/秒”。差錯率1.比特差錯率:即所傳信息總量中發(fā)生錯誤的比特與總比特的比例，這是一個統(tǒng)計平均數(shù)。例如，說比特錯誤率為10-3就是指平均每傳1000比特信息，要傳錯1比特。2.碼元差錯率:錯字率就是在所傳的總碼元數(shù)中發(fā)生的錯誤碼元數(shù)所占的比例。3.碼字差錯率:在所傳的總句數(shù)中，發(fā)生錯誤的碼字?jǐn)?shù)所占的比例。

隨機(jī)差錯、成群差錯、混合差錯(1)隨機(jī)獨立差錯。這種差錯的出現(xiàn)位置是隨機(jī)的、離散的，前后差錯之間沒有什么依存關(guān)系。(2)成群差錯。這種差錯的特點是“成群”地出現(xiàn)，即要錯就錯一大批，要不錯就一個不錯。(3)混合差錯。即隨機(jī)獨立差錯及成群差錯混合在一起的差錯。

可靠度

適應(yīng)性及使用維修性適應(yīng)性就是機(jī)器對各種客觀條件變化的適應(yīng)能力。例如對環(huán)境溫度、濕度、電源等變動范圍以及震動、加速度等等條件的適應(yīng)能力。使用維修性就是操作與維修是否簡單方便。應(yīng)有必的性能指示及故障報警裝置。盡可能做到故障自動檢測(或有方便的故障檢測專用附加裝置〕，以使一旦發(fā)生故障能迅速排除。此外，要體積小、重量輕，才能機(jī)動靈活。通信建立時間通信建立時間主要是反映數(shù)傳機(jī)同步性能的一個指標(biāo)。數(shù)傳機(jī)要正常工作，必須建立收發(fā)端的同步，包括位同步與群同步。建立同步所需時間由位同步建立時間及群同步建立時間二部分組成。同步建立時間就是通信建立時間的一個主要部分。此外，對于采用相干識別器的系統(tǒng)，還要首先從接收到的帶有噪聲的信號中提取發(fā)送信號的模本，這部分也要花費時間，當(dāng)然也包括在通信建立時間內(nèi)。通信建立時間這項指標(biāo)，對于長時間連續(xù)通信系統(tǒng)來說，意義不是很大的。但對間歇式通信或瞬間通信來說，這項指標(biāo)就十分重要。例如:潛艇通信，通常采用瞬間通信方式，為避免暴露目標(biāo)，每次通信時間只有零點幾秒,此時，為了多傳一些信息，不但要求傳輸速度快，而且還要求通信建立時間盡可能短。經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性就是使機(jī)器獲得一定的性能指標(biāo)所花的代價。

(1)數(shù)傳機(jī)經(jīng)濟(jì)成本，(2)信息速率與占用的頻帶寬度之比，也就是單位帶寬的信息速度。這是衡量頻帶利用率的指標(biāo)，(3)為保證一定差錯率指標(biāo)所需歸一化信號噪聲比，這是衡量信號功率利用率的指標(biāo)。所謂歸一化信號噪聲比，就是每比特信息的接收能量與每赫頻帶的噪聲功率之比。標(biāo)準(zhǔn)化、系列化

標(biāo)準(zhǔn)化、系列化是現(xiàn)代科技及工業(yè)高速發(fā)展的產(chǎn)物，它反過來又大大推動科技及工業(yè)的發(fā)展，是縮短研制周期、投產(chǎn)時間及降低成本的一個重要措施。

圖：數(shù)字波形傳輸系統(tǒng)基本組成收信者12N數(shù)字信息源S1(t)波形產(chǎn)生器S2(t)波形產(chǎn)生器SN(t)波形產(chǎn)生器門1門2門N信道干擾源S1(t)波形識別器S2(t)波形識別器SN(t)波形識別器判決器針對數(shù)字波形傳輸系統(tǒng)

需要知道下述幾個基本問題:(1)基本的數(shù)字波形有哪幾種?怎樣產(chǎn)生這些波形?(2)信道對波形造成些什么樣的畸變?干擾的特性是怎樣的?信道對波形選擇有什么影響?(3)怎樣構(gòu)成波形的識別器?(4)判決器的判決規(guī)則是怎樣的,差錯率怎樣計算?(5)在選擇各種波形傳輸方式時有哪些是考慮的因素?2.2怎樣發(fā)送數(shù)字信息？數(shù)字波形的種類：有規(guī)則的電振蕩可分兩大類：

——簡諧振蕩，即正弦波；

——多諧振蕩，即矩形脈沖波。數(shù)字波形只有從這兩類波形中去派生。

以正弦波為基礎(chǔ)的數(shù)字波形

式中，變量t代表時間，A(t)是正弦波的振幅，ω(t)是它的角頻率，ф(t)是相位。振幅、頻率及相位是確定一個正弦波的三個參量，其中任一參量變化，就變成另一正弦波。

顯然，我們可以采用下述幾種辦法產(chǎn)生個正弦波，用它們來分別代表種信息元:

1.把頻率、相位定為常量，而振幅為變量，即:振幅健控(AK)

振幅A〔t)可取A1，A2，……AN這種不同的數(shù)值，每一種振幅值代表一種信息元。在二元制情況下，只有“1”，“0”兩種信息元，故只需要兩種振幅，通常采取A2＝0，A1為某值。假如用A2＝0代表0，A1代表“1”，此時，振幅鍵控波形序列及其與信息元序列的關(guān)系如圖2-1所示。

圖2-1二元制振幅鍵控波形序列(a)信息元序列;(b)波形序列。

2.把振幅、相位定為常量，而頻率為變量，即：

頻率鍵控(FSK)。頻率ω可取ω1，ω2，……ωN

這N種不同的數(shù)值，每一種頻率值代表一種信息元。

圖2－2二元制頻率鍵控波形序列（a）信息元序列(b)波形序列

3.把振幅、頻率定為常量，而相位為變量.即:

相位鍵控(PSK)。相位ф(t)可取ф1，ф2，……фN

這N種不同的數(shù)值，用這N種相位來代表N種信息元。

圖2-3二元制絕對移相波形序列（a)消息元序列(b)波形序列

絕對移相(PSK):用一種相位值固定代表一種信息元。

如二元制，若令ф1＝0代表“0”，ф2＝π代表“1”；

相對移相(DPSK):用前后相鄰兩波形的相位變化值△ф

來代表各種信息元。例如二元制，若令起始△ф1＝0，代表“0”，△ф2＝π代表“1”，并令起始相位ф＝0，則對應(yīng)于圖2-3同樣的信息元序列，相對移相波形序列就如圖2-4所示。

圖2-4二元制相對移相波形序列（a)信息元序列，(b)波形序列。

以脈沖波為基礎(chǔ)的數(shù)字波形脈沖波的參量有:周期、脈寬、脈幅、脈位。除直通導(dǎo)線外，含有直流分量的脈沖波是不能通過實際信道傳輸?shù)?，故脈沖波作為數(shù)字波形受到很大的限制,主要用于近距離的基帶傳輸。有一類脈沖數(shù)字波形具有實用價值，它是具有+1，0，-1三種脈幅的雙極性脈沖波，已被用在電纜信道中。二元制信息脈沖序列轉(zhuǎn)換成雙極性脈沖波形的規(guī)則有好幾種，其中有一種是這樣的:信息脈沖序列中的“0”對應(yīng)于雙極脈沖序列中的0電平，信息脈沖的“l(fā)”，則交替轉(zhuǎn)換成雙極性脈沖中的+1電平與-1電平。這樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果，使產(chǎn)生的雙極性脈沖序列中消去了直流分量，而且接近零頻的分量也減少了，這正適合子電纜信道的傳輸特性。

二元制脈沖序列轉(zhuǎn)換成雙極性脈沖序列的圖解。

圖2-5雙極性脈沖波形

(a)二元制信息序列，(b)雙極性脈沖序列。

脈沖波與正弦波組合的數(shù)字波形

在后面將要介紹編碼正交波形，這些波形有完整的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)并具有很有用的一些性質(zhì)。但這些波形不能直接進(jìn)入信道，在進(jìn)入信道前還要借助于正弦波，從而產(chǎn)生脈沖波與正弦波組合的數(shù)字波形。

基本的數(shù)字波形的產(chǎn)生

為產(chǎn)生各種數(shù)字波形所采用的基本部件有下述幾種:

1.自激正弦波振蕩器；2.觸發(fā)器；3.反相器；4.與門；5.或門；6.正弦門；7.環(huán)形調(diào)制器

(a)計數(shù)觸發(fā)器，(b)置位復(fù)位觸發(fā)器，(c)反相器，（d)與門（e)或門。

圖3-11(a)正弦門外特性(b)二極管正弦門(c)三極管正弦門。

（a）環(huán)形調(diào)制器功能方框圖

(b)環(huán)形調(diào)制器電路原理圖幾種基本數(shù)字波形產(chǎn)生器

1.二元制振幅鍵控波形(2ASK)產(chǎn)生器

2.二元制頻率鍵控波形(2FSK)產(chǎn)生器

3.N元制頻率鍵控波形(NFSK)產(chǎn)生器

4.二元制絕對移相波形(2PSK)產(chǎn)生器5.二元制相對移相波形(2DPSK)產(chǎn)生器

6.四元制相對移相波形(4DPSK)產(chǎn)生器

前面我們介紹了數(shù)字波形的種類及其中最重要的幾種波形的產(chǎn)生方法。自然會產(chǎn)生這樣的問題：這么多的波形應(yīng)該怎樣來選擇呢?粗糙地說，在選擇波形時，主要受到信道特性與干擾類型的影響，另外還要結(jié)合信息速度、差錯率的要求、波形識別器組成難易程度等一起進(jìn)行考慮。

波形的選擇：選擇數(shù)字波形時，考慮的重要問題是：代表信息元的各數(shù)字波形之間的差異要盡量大一些，另外數(shù)字波形與干擾波形的差異也要盡量大。這樣，當(dāng)數(shù)字波形通過信道到達(dá)波形識別器，才不容易受到破壞而轉(zhuǎn)變成別的波形，從而不容易被認(rèn)錯。反映兩種波形之間差異的定量參數(shù)叫做波形相關(guān)系數(shù)。2.3信道與干擾問題

關(guān)于信道：現(xiàn)實信道種類

關(guān)于干擾：相乘性干擾相加性干擾

關(guān)于信道：現(xiàn)實信道種類

(1)架空明線；

(2)地下及水底同軸電纜；(3)水聲；

(4)中長波地波傳播；(5)超短波及微波視線傳播(包括地一空、空一地、地面微波接力及用人造衛(wèi)星作公共轉(zhuǎn)發(fā)器的微波接力)；

(6)短波電離層反射；(7)超短波流星余跡反射；(8)超短波及微波對流層散射；(9)超短波電離層散射；(10)超視線的超短波障礙繞射；(11)利用人造衛(wèi)星(金屬帶等)散射

關(guān)于信道：變參信道

變參信道有三個特點：1.信道衰減隨時間而變；2.信道傳輸延時隨時間而變；3.多途徑傳播。1.信道衰減隨時間而變:衰落

1.短波電離層反射信道情況:短波電離層信道的衰減主要隨電離層對電波吸收的變化而變化，因此它有年月、季節(jié)、日時(白天黑夜、日出日落等)變化，另外十一年太陽黑子的周期變化及核爆炸等都會造成信道衰減變化。這種變化比較慢，叫做慢衰落。慢衰落周期從幾分鐘到幾小時。另外短波信道存在多徑傳播，由于各徑相對延時變化，合成信號電平也發(fā)生變化，這種變化比較快，叫做快衰落。快衰落電平變化規(guī)律基本上服從瑞利分布律?？焖ヂ涞闹芷谠谑种畮酌氲綆酌胫g。慢衰落與快衰落合在一起，接收信號電平在秒量級內(nèi)的變化可超過30分貝以上。當(dāng)然衰落的情況與通信距離、地理位置、工作頻率、工作時間等因素密切相關(guān)。描述衰落特性的常用參數(shù)有兩個，即衰落深度與衰落率。

1.信道衰減隨時間而變:衰落

2.對流層散射信道情況

離地面10～16公里以下的大氣層稱對流層。在這一層中大氣的組成與接近地面的一樣，即主要的是由氮和氧組成。由于對流層中大氣溫度（T）、壓力（P）和度（S）等變化。使大氣介電常數(shù)也隨著高度而變化。特別是由于大氣的湍流運動，使得對流層內(nèi)存在著許許多多介電常數(shù)ε作隨機(jī)變化的不均勻介質(zhì)團(tuán)，每一不均勻介質(zhì)團(tuán)的尺寸平均約50米～60米。當(dāng)無線電波投射到這些不均勻介質(zhì)團(tuán)時，每一不均勻介質(zhì)團(tuán)就變成一個二次波源，向周圍散射電磁波，其中一部分能量就被散射到接收地點而被接收天線所接收，這就形成了對流層散射通信。為了能有效地進(jìn)行散射傳播，這種傳播方式只能用在頻率范圍約在100～5000MHz范圍、通信距離約在100～700公里范圍。對流層散射傳播示意圖

信道傳輸延時隨時間而變：多卜勒頻移

在短波電離層反射信道及超短波、微波散射信道中，由于信道結(jié)構(gòu)不斷變化，通過信道的各射線的傳輸延時也是變化的。如果發(fā)端信號相位保持不變，由于傳輸延時的變化，收到的信號相位就要發(fā)生變化，當(dāng)相位隨時間而變化時，就要產(chǎn)生附加的頻移，由于這種頻移是由電離層及公共散射體相對于收發(fā)天線位置的運動而產(chǎn)生的，故叫多普勒頻移。多卜勒頻移通常是比較低的，在散射信道中大致是十分之幾赫到十幾赫。多普勒效應(yīng)與移動物體的運動速度v，接收信號載波的波長λ，電波到達(dá)的入射角θ有關(guān)，即變參信道的改造—分集接收

主要種類：(1)空間分集

(2)頻率分集

(3)時間分集

合并方法：(1)最大比值相加

(2)等增益相加

(3)選擇式

主要好處：(1)提高了接收信號質(zhì)量

(2)改善了快衰落，平滑了信道衰減

關(guān)于干擾

1.相乘性干擾：變參信道傳輸特性

2.相加性干擾：凡是自然界存在的電磁波源都是相加性干擾源，如各種宇宙射線，收信機(jī)天線周圍大氣中及收信機(jī)輸入端器件中無規(guī)則的熱電子、離子運動產(chǎn)生的噪聲，其它無線電系統(tǒng)發(fā)射時的信號，工業(yè)用電機(jī)的火化，電氣設(shè)備的通、斷，以及雷電等等。可分三類——

隨機(jī)噪聲、脈沖、連續(xù)波干擾2.4怎樣接收數(shù)字信息

“波形識別器”的種類

極限傳輸能力：香農(nóng)公式“波形識別器”的種類粗糙的波形識別器相干識別器非相干識別器差動相干識別器最粗糙的波形識別器

圖中，帶通濾波器的中心頻率按發(fā)送端AK波形的載頻設(shè)計。對濾波器的頻率特性的要求主要是兩條:1)信道輸出波形通過此濾波器后，輸出波形序列不發(fā)生前后波形間的串?dāng)_，2)在滿足條件1)的情況下，濾波器帶寬應(yīng)盡可能窄，以便盡可能多地排除接收波形頻帶以外的干擾與噪聲。通常，設(shè)計該帶通濾波器的3分貝帶寬△f=2/T,這里T是波形寬度。相干識別器

相干識別器的特點是接收端“掌握”接收波形的載頻與相位，以及波形持續(xù)時間，就是基本上掌握了構(gòu)成波形的要素。相干識別器執(zhí)行的任務(wù)無非就好比用手中的照片去對照風(fēng)塵撲撲面帶倦容的遠(yuǎn)道來客—混雜干擾與噪聲的信道輸出波形，看看來客與哪張照片中的形象最象?

“對波形照片”這個辦法就是計算波形的相關(guān)系數(shù)。計算波形相關(guān)系數(shù)，又稱相關(guān)運算，而完成相關(guān)運算的機(jī)構(gòu)稱為相關(guān)器。

非相干識別器接收機(jī)不知道對方的波形特征，需要利用波形的其他信息來對波形進(jìn)行判決。

“在接收端是怎樣取得干凈的接收波形模本的?”

——獲取波形載頻與其相位稱為相干載波提取，簡稱“提載”。極限傳輸能力：香農(nóng)公式如何提高頻帶利用率與功率利用率的問題：在高斯白噪聲、接收信號平均功率限定與帶寬為矩形的恒參連續(xù)信道條件下，極限傳輸能力是由下述公式確定的:這個公式叫香農(nóng)公式。式中W-帶寬〔赫〕;p-接收信號平均功率〔瓦〕，N0—噪聲譜密度〔瓦/赫〕;C-極限信息速度〔比/秒〕。在信息論中，把P、W及N0看成是信道三要素，更確切地稱上述公式中的C為信道極限傳輸能力(信道容量)。香農(nóng)公式有兩層意思：(1)只要信息速度低于信道極限傳輸速度，那么一定可以找到辦法實現(xiàn)無誤的信息傳遞；(2)如果信息速度超過信道極限傳輸能力，那么無論什么辦法，都不能傳遞這樣的信息或者說差錯率必定為1/2(也就是什么也沒有傳送)。頻帶利用率與功率利用率的問題

如果實現(xiàn)了極限信息速度C，那么每比特接收信號能量Eb當(dāng)然就為:

Eb=p/C;而每赫帶寬的極限速度就是C/W。于是：可以看出功率利用率與頻帶利用率存在著定量的互換關(guān)系。

與關(guān)系曲線

香農(nóng)公式規(guī)定的潛力怎么挖掘

1.如何挖頻帶利用率的潛力?

在信道頻帶受限制的條件下，挖掘頻帶利用率的潛力的途徑是增加功率以采用多元制。2.如何挖掘功率利用率的潛力?

當(dāng)頻帶W→∞時，只要求歸一化信噪比為-1.6分貝。在信息速度為某常數(shù)情況下，“增加波形的持續(xù)時間T與帶寬W的乘積值TW，采用多元制,可以提高功率利用率”。

3在提高頻帶利用率方而，已發(fā)展了單邊帶技術(shù)、殘留單邊帶技術(shù)、正交載波技術(shù)、相關(guān)編碼技術(shù)等。在提高功率利用率方面，比較好的辦法是把數(shù)字波形傳輸方式與差錯控制技術(shù)結(jié)合起來考慮。

2.5數(shù)字信息傳錯了怎么辦？

一個啟發(fā)性的對比

數(shù)字信息傳輸中的差錯，可以與貨物運輸中的“損耗”相比擬。在通常的貨物運輸中，防止或減少運輸損耗也是一個基本要求。為了滿足這一要求，除了運輸系統(tǒng)提高運輸質(zhì)量外，對所運輸?shù)呢浳镞M(jìn)行“包裝”或者派一些專門人員“押運”，也是常用的行之有效的方法。采用“包裝”及“押運”措施后，當(dāng)然要多運輸一些本來不必要運輸?shù)摹鞍b箱”之類，但以此為代價，使得不可避免的運輸損耗不直接造成或少造成有用貨物的損壞。

抗干擾編碼數(shù)字信息傳輸中對付信息傳輸差錯的辦法與上述貨物運輸系統(tǒng)中對付運輸損耗的辦法類似，也是采取了對所傳的有用信息進(jìn)行“包裝”與“押運”的措施，只是這里采用另一種專業(yè)術(shù)語，叫“抗干擾編碼”。編碼的基本思想，就是在送有用信息的同時，還傳送一些附加的監(jiān)督信息，這些監(jiān)督信息與有用信息之間按某種事先確定的規(guī)則，滿足一定的代數(shù)關(guān)系。這些附加的監(jiān)督信息就相當(dāng)于“包裝箱”及“押運人員”，而抗干擾編碼規(guī)則就是包裝的形式。“包裝”的好壞就體現(xiàn)在編碼規(guī)則上?！安铄e控制”

差錯控制的能力具體表現(xiàn)為兩點:(1)差錯到什么程度還能發(fā)現(xiàn)？(2)差錯到什么程度尚能糾正？差錯控制能力不僅取決于編碼規(guī)則，也取決于如何利用編碼規(guī)則來發(fā)現(xiàn)與糾正差錯，這就涉及到解碼(或稱譯碼)方法與差錯控制方式。差錯控制方式分類

基本上分兩類:一類叫“反饋糾錯”，另一類叫“前向糾錯”。在這兩類基礎(chǔ)上又派生出一類叫“混合糾錯”。反饋糾錯

這種辦法的出發(fā)點仍以運貨打個比方;貨物運輸前進(jìn)行簡單的“包裝”，在卸貨時若發(fā)現(xiàn)受損，不管損壞程度如何，都把原貨退回，要求重發(fā)好貨。具體到反饋糾錯來說，就是采用某種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸差錯的簡單編碼方法，在發(fā)信端對所傳信息進(jìn)行編碼，加入少量監(jiān)督元，在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則檢查收到的編碼信息，一旦發(fā)現(xiàn)差錯，就向發(fā)信端發(fā)出詢問信號，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問信號后，就重發(fā)己發(fā)生傳輸差錯的那部分信息。

前向糾錯、混合糾錯

前向糾錯的出發(fā)點是這樣的:運輸前對“貨物”實行較良好的“包裝”，并派上“押運人員”，在卸貨時，不僅能檢查出貨物是否已受損，而且在一定的損壞限度內(nèi)有能力進(jìn)行“修復(fù)”。具體來說，就是采用某種在解碼時能糾正一定程度傳輸差錯的較復(fù)雜的編碼方法，在接收端自動糾正發(fā)生的差錯?；旌霞m錯的辦法是:少量差錯在接收端自行糾正，差錯較嚴(yán)重、超出自行糾正能力時，就向發(fā)信端發(fā)詢問信號，要求重發(fā)。因此，混合糾錯是前向糾錯及反饋糾錯兩類方式的混合。

差錯與信道分類

從差錯控制角度來分類，信道可分為三類：

(1)隨機(jī)信道：隨機(jī)信道的差錯是隨機(jī)出現(xiàn)的。信道的特性可以用差錯率來描述。恒參高斯信道的差錯完全由相加白噪聲造成，它的差錯就是隨機(jī)的、獨立的（即前后差錯沒有任何關(guān)系)。

(2)突發(fā)信道：突發(fā)信道中差錯是成群出現(xiàn)的。突發(fā)信道的特性要用突發(fā)持續(xù)時間及突發(fā)間隔時間的分布來描述。例如電話信道就是突發(fā)信道。

(3)混合信道：隨機(jī)差錯與成群差錯都占有相當(dāng)份額的信道為混合信道。變參信道就是混合信道。這些信道中衰落及脈沖干擾是產(chǎn)生成群差錯的原因，而隨機(jī)噪聲又造成隨機(jī)差錯。

差錯性質(zhì)不同，要采用不同的差錯控制對策，否則將事倍功半。

編碼方法分類

(1)從差錯對象考慮，編碼方法可分為三大類。一類是針對隨機(jī)差錯制訂的方法，另一類是針對成群差錯制訂的，第三類是針對混合差錯制訂的。(2)從編碼的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)考慮，可分兩大類：

——

分組碼

——

卷積碼(或稱連環(huán)碼)。

解碼方法分類

解碼方法與編碼方法密切關(guān)聯(lián)，每種編碼方法當(dāng)然有與之對應(yīng)的解碼方法。雖然各種具體解碼方法的細(xì)節(jié)要隨具體編碼規(guī)律而定，但就各種解碼方法的共同性質(zhì)來說，不外乎兩類。

(1)代數(shù)法:這種方法按編碼代數(shù)關(guān)系來解碼，比較簡單常用。這類方法中最值得注意的是門限解碼法，方法簡便，效果又較好。

(2)概率法:這類方法不僅按編碼的代數(shù)關(guān)系，還根據(jù)噪聲的統(tǒng)計特性，對各種可能的結(jié)果進(jìn)行試驗比較，取錯誤概率接近最小的結(jié)果為解碼輸出。這種方法比較復(fù)雜。但在高斯隨機(jī)信道中，其理論性能是最好的。從理論上看，它是趨近信道極限傳輸能力的一個較為合理的方法。幾種簡單而常用的能發(fā)現(xiàn)差錯的編碼方法

1.定比碼:在國外又叫范·德侖碼。這種編碼方法，簡單說來就是“從n中取m”(m<n)，這里n為碼組長度，m為每個許用碼組中“1”的數(shù)目。例如“從5中取3”的定比碼，就是以5位二元制信息組成一個碼組，大家知道，5位二元制數(shù)字組成的碼組總共有25=32種，定比碼規(guī)定只有確切地含有3個“1”，2個“0”的那些碼組為許用碼組，其它碼組一概不準(zhǔn)使用。也就是說，發(fā)送端發(fā)送的一定是這些許用碼組中的成員。因此經(jīng)傳輸后如果有了差錯，使接收到的碼組變?yōu)樵S用碼組以外的禁用碼組，那么就可以斷定一定出現(xiàn)了差錯。在中文電報中應(yīng)用“5中取3”的定比碼，英文電報中應(yīng)用“7中取3”定比碼。定比碼不能發(fā)現(xiàn)的差錯只有這樣一類:“1”錯成“0”的數(shù)目正好等于“0”錯成“1”的數(shù)目。2.奇偶校驗碼

奇偶校驗碼分兩種，一種叫奇數(shù)校驗碼，它的規(guī)則是一個碼字中“1”的數(shù)目為奇數(shù)，另一種叫偶數(shù)校驗碼，它的規(guī)則是碼字中“1”的數(shù)目為偶數(shù)。奇偶校驗碼的編碼規(guī)則可以用一個簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系來表述。設(shè)碼長度為”n”，組成的元素依次為:x1，x2，……xn，若令那么，

奇偶校驗碼能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個差錯而不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個差錯，“n”位長的碼組共有2n個，顯然其中具有奇數(shù)個“1”與具有偶數(shù)個“1”的碼組各占一半。

3.矩陣碼

圖中“×”表示信息位，“0”表示監(jiān)督位，它的一致監(jiān)督關(guān)系按行及列組成，每一行每一列都是一個奇偶校驗碼。矩陣碼不能發(fā)現(xiàn)的差錯只有這樣一類:差錯數(shù)正好為4的倍數(shù)，而且差錯位置所構(gòu)成矩形的四個角。

幾種簡單而常用的能糾正差錯的編碼方法1.簡單的重復(fù)碼：

(1)逐位重復(fù)：若原始信息為10110100……則三重碼為1110001111110001110000（2)分段重復(fù)：原始信息1011，0100.……可得三重碼為1011,1011,1011，0100,0100，0100，……。只要正確傳輸?shù)拇螖?shù)多于傳錯的次數(shù)，就可用少數(shù)服從多數(shù)的原則排除差錯。重復(fù)次數(shù)一般需取奇數(shù)，以避免出現(xiàn)一半“贊成”一半“反對”的僵局。

2.漢明碼

在二元制情況下，一個一致監(jiān)督關(guān)系的解只有兩個:“1”或“0”，所以對問題只能作最簡單的回答：“是”與“否”。能否從奇偶校驗碼的思想出發(fā)，找到效率較高一些的能糾正差錯的碼呢？譬如一個碼組中多添幾位監(jiān)督元，讓每個監(jiān)督元與碼組中一部分信息構(gòu)成一致監(jiān)督關(guān)系，那么這幾個監(jiān)督關(guān)系的解就一定能表示好幾種意見。若用r位監(jiān)督元，就能得到2r種解，就能表示2r種意見。對于只糾正一位差錯的碼來說，可以讓這些解分別對應(yīng)于一個差錯位置，如果每個差錯位置都有一個解指示，那么該碼不就具備了糾正一位差錯的能力了嗎?卷積碼(連環(huán)碼)的概念

接收到的碼序列為

糾正成群差錯的方法：交織法交織法的原理可以用圖來說明。發(fā)端，編碼序列在傳輸前通過一個交織寄存器矩陣，這個矩陣逐行(即按A1A2……ANB1B2……BN……M1M2……MN次序)寄存輸入的序列，存滿以后，按列的次序(即按A1B1……M2A2B2……M2……ANBN……MN)取出，送入傳輸信道。收端，收到的序列先存到一個與發(fā)端相同的交織寄存器矩陣，但按列的次序存入，存滿以后，按行的次序取出，送進(jìn)解碼器。由于收發(fā)端存取的程序正好相反，因此，送進(jìn)解碼器的序列與編碼器輸出序列次序完全相同，解碼器絲毫感覺不出交織矩陣的存在與否。假設(shè)交織矩陣每行的寄存器數(shù)目N正好等于分組碼的碼長，傳輸過程中產(chǎn)生的成群差錯長度，亦正好等于交織矩陣每列寄存器的數(shù)目M。圖表明，由于交織措施，送入解碼器的差錯被分解開了，每組只分配到一個。因此，如果所采用的分組碼能糾正一個差錯，那么長度為M的成群差錯就可全部糾正。可見，交織法結(jié)合糾正離散差錯的簡單編碼就可完成糾正成群差錯的任務(wù)。

交織器原理

2.6數(shù)字保密通信原理解密信源加密器解密器接收者密鑰源k1密鑰源k2非法接入者竊聽者加密(Encryption)解密(decryption)密鑰信道搭線信道攻擊密碼學(xué)應(yīng)用與信息系統(tǒng)安全1.為了防止消息被篡改、刪除和偽造的一種有效方法是使發(fā)送的消息具有被驗證的能力。使接收者能夠識別和確認(rèn)消息的真?zhèn)危瑢崿F(xiàn)這類功能的密碼系統(tǒng)稱為論證系統(tǒng)（authenticationsystem)

。如數(shù)字簽字（digitalsignature)就是一種論證系統(tǒng)。雙鑰體制也可以用作論證系統(tǒng)：發(fā)端用秘密的k2加密（數(shù)字簽字），收端用公開的k1解密。2.信息保密與密碼分析。3.信息系統(tǒng)安全：保密性、論證性和完整性。

偽隨機(jī)序列（PN序列）＋輸出移位脈沖偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)

輸出f(x1，x2，,……，xm)x1x2xm-1xm移位脈沖2.7同步問題

在數(shù)字通信中，同步信息問題有下面幾個特點:(1)正常信息傳輸只有在收發(fā)兩地建立了“同步”以后才能進(jìn)行，因此同步信息必須領(lǐng)先傳輸。(2)正常信息傳輸時，收發(fā)兩地必須維持“同步”。(3)點對點通信中，同步信息包括兩類:一是節(jié)拍同步(或稱位同步)信息，這是指數(shù)字波形的起止時刻；另一是群同步信息，這是指有相互依賴關(guān)系的一群數(shù)字信息的頭尾位置。（4）數(shù)字通信網(wǎng)中還有網(wǎng)同步問題。

傳輸同步信息的方法

(1)外同步法。這類方法的特點是用專門信道傳輸同步信息。（2)自同步法。這類方法不用專門信道傳輸同步信息，而是從接收到的數(shù)字波形中去提取它所攜帶的同步信息。在節(jié)拍同步中，外同步法及自同步法都有采用，根據(jù)情況而定。在群同步中，通常采用外同步法，在有些編碼具有自同步性能時，也可采用自同步法。2.8信道多路復(fù)用原理多路復(fù)用方法包括：

——頻分復(fù)用

——時分復(fù)用

——碼分復(fù)用

——空分復(fù)用頻分復(fù)用頻分復(fù)用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5波分復(fù)用WDM

波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。8

2.5Gb/s1310nm1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm