概述

第1章概述

1.1通信的基本概念 1.1.1通信系統(tǒng)模型 點與點之間建立的通信系統(tǒng)是通信的最基本形式，其模型可用圖1.1表示。這一模型包括信源、變換器、通道、雜訊源、反變換器和信宿等六個部分。

圖1.1點到點通信系統(tǒng)模型 (1)信源是指發(fā)出資訊的資訊源。在人與人之間通信的情況下，信源是指發(fā)出資訊的人；在機器與機器之間通信的情況下，信源是發(fā)出資訊的機器，如電腦或其他機器。不同的信源構(gòu)成不同形式的通信系統(tǒng)，如對應語音形式信源的是電話通信系統(tǒng)，對應文字形式信源的是電報通信系統(tǒng)和傳真通信系統(tǒng)等。

(2)變換器的功能是把信源發(fā)出的資訊變換成適合在通道上傳輸?shù)男盘枴Ｒ话惴謳撞酵瓿桑菏紫劝逊请娦盘栕兂呻娦盘枺会釋﹄娦盘栠M行變換和處理，使它適合通道傳輸。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為滿足不同的需求，需要進行不同的變換和處理，如調(diào)製、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、加密、糾錯等。 (3)通道是信號傳輸媒介的總稱。不同的信源形式對應的變換處理方式不同，與之對應的通道形式也不同。從大的類別來分，傳輸通道的類型有兩種，一種是電磁信號在自由空間中傳輸，這種通道叫做無線通道；另一種是使電磁信號被約束在某種傳輸線上傳輸，這種通道叫做有線通道。

(4)反變換器的功能是變換器的逆變換。因為變換器把不同形式的資訊變換和處理成適合通道傳輸?shù)男盘枺ǔ＿@種信號不能為資訊接收者直接接收，需要用反變換器把從通道上接收的信號變換為接收者可以接收的資訊。 (5)信宿是資訊傳送的終點，也就是資訊接收者。它可以與信源相對應，構(gòu)成人—人通信或機—機通信；也可以與信源不一致，構(gòu)成人—機通信或機—人通信。

(6)雜訊源不是人為實現(xiàn)的實體，在實際的通信系統(tǒng)中客觀存在，在模型中將它集中表示。實際上，干擾雜訊可能在信源處就混入了，也可能從構(gòu)成變換器的電子設(shè)備中引入。傳輸通道中的電磁感應以及接收端的各種設(shè)備中也都可能引入干擾。 1.1.2電磁頻譜 電磁能量(信號)幾乎可以分佈在無限的頻率範圍內(nèi)，通信系統(tǒng)中所採用的電磁信號的頻譜如圖1.2所示。頻率範圍的劃分如下：

(1)話音頻率VF(VoiceFrequencies)：300～3000Hz範圍內(nèi)的信號，並包含通常與人類語音相關(guān)的頻率。標準電話通道帶寬為300～3000Hz，統(tǒng)稱話音頻率或話音頻帶通道。

(2)甚低頻VLF(VeryLowFrequencies)：3～30kHz範圍內(nèi)的信號，它包括人類聽覺範圍的高端。VLF用於某些特殊的政府或軍事系統(tǒng)，比如潛艇通信。

(3)低頻LF(LowFrequencies)：30～300kHz範圍內(nèi)的信號，主要用於船舶和航空導航。 (4)中頻MF(MediumFrequencies)：300kHz～3MHz範圍內(nèi)的信號，主要用於商業(yè)AM無線電廣播(535～1605kHz)。

(5)高頻HF(HighFrequencies)：3～30MHz範圍內(nèi)的信號，常稱為短波(ShortWave)。大多數(shù)雙向無線電通信使用這個範圍。業(yè)餘無線電和民用波段(CB)無線電也使用HF範圍內(nèi)的信號。

(6)甚高頻VHF(VeryHighFrequencies)：30～300MHz範圍內(nèi)的信號，常用於移動通信、船舶和航空通信、商業(yè)FM廣播(88～108MHz)及頻道2～13(54～216MHz)的商業(yè)電視廣播。圖1.2通信系統(tǒng)中的電磁頻譜 (7)特高頻UHF(UltraHighFrequencies)：300MHz～3GHz範圍內(nèi)的信號，由商業(yè)電視廣播頻道14～83、陸地移動通信業(yè)務、蜂窩電話、某些雷達和導航系統(tǒng)、微波及衛(wèi)星無線電系統(tǒng)所使用。一般說來，1GHz以上的頻率被認為是微波頻率，它包含UHF範圍的高端

(8)超高頻SHF(SuperHighFrequencies)：3～30GHz範圍內(nèi)的信號，主要包括用於微波及衛(wèi)星無線電通信系統(tǒng)的頻率。

(9)極高頻EHF(ExtremelyHighFrequencies)：30～300GHz範圍內(nèi)的信號，除了十分複雜、昂貴及特殊的應用外，很少用於無線電通信。極高頻亦稱毫米波。 (10)紅外(Infrared)：紅外頻率是0.3～300THz範圍內(nèi)的信號，通常不認為是無線電波。紅外歸入電磁輻射，通常與熱有關(guān)系。紅外信號常用於制導系統(tǒng)、電子攝影及天文學。

(11)可見光(VisibleLight)：落入人眼視覺範圍(0.3～3PHz)內(nèi)的電磁頻率。 習慣將紅外、可見光等稱為光頻區(qū)域，對應的電磁波稱為光波，光波通信系統(tǒng)已成為通信系統(tǒng)的一種主要傳輸技術(shù)。 1.1.3通信通道與通信容量 通信通道是通信系統(tǒng)的重要組成部分，是信號的傳輸媒體，可以分為有線通道和無線通道。有線通道的電磁能量被約束在某種傳輸線上傳輸，包括平行導體傳輸線、同軸電纜傳輸線、微帶傳輸線、波導傳輸線、光纖傳輸線等。無線通道有地波、空間波、天波等。

1.有線通道 傳輸線通常分為平衡式和非平衡式兩類。有線通道採用雙線平衡線，兩個導體承載電流，其中一個導體承載發(fā)出的信號，另一個承載返回的信號，這類傳輸稱為差分或平衡信號傳輸。平衡線對的優(yōu)點是大部分感應的雜訊干擾(有時稱共模電壓)在兩條線上相等，在負載端抵消。共模信號被抵消稱為共模抑制(CMR)。共模抑制比(CMRR)通常是40～70dB。

只要兩根導線都不與地相連，任何一對傳輸線都可以在平衡模式下工作，包括有兩根中心導體和一個遮罩線的同軸電纜。遮罩線通常連接到地，以避免透過中心導體的靜態(tài)干擾。 有線通道採用非平衡傳輸線，一根電線是地電位，另一根是信號電位，這種傳輸稱為單端傳輸或非平衡信號傳輸。採用非平衡信號傳輸，地線可以作為其他信號傳輸線的參考。在這種情況下，信號傳輸?shù)绞颤N地方，地線也必須連接到那裏。由於電線長度有阻抗、電感和電容，在地線任意兩點之間有一較小的電位差，因此，地線不是理想的參考點，而且還會引入雜訊。標準的兩導體同軸電纜是非平衡線，遮罩線通常連接到地。

明線電纜是雙線並行導體，如圖1.3(a)所示。它僅僅由兩根並行線組成，中間由空氣隔離。間隔相等的設(shè)置絕緣襯墊可以保證兩導體的距離恒定，兩導體的距離通常在2～6英寸(1英寸＝2.54cm)之間。在傳輸TEM波的兩導體周圍，絕緣體僅僅是空氣。這類傳輸線的惟一優(yōu)點是它的結(jié)構(gòu)簡單。因為沒有遮罩，所以明線傳輸線輻射損耗高並且易受雜訊的影響，這些是明線傳輸線最大的缺點。因此，明線傳輸線通常在平衡模式下工作。 雙線電纜是另一種雙線平行導體傳輸線，如圖1.3(b)所示。雙線電纜通常稱為帶狀電纜。除了兩導體間的襯墊用連續(xù)固體絕緣體取代以外，雙導線與明線傳輸線本質(zhì)上極為相似，這可以確保沿整個電纜均衡間隔。電視傳輸電纜兩導體間的距離是5～16英寸。通常，絕緣體的材料是特氟隆和聚乙烯。

雙絞線電纜是由兩根絕緣的導體扭絞在一起而形成的。通常以對為單位，並把它作為電纜的內(nèi)核，根據(jù)用途不同，其芯線要覆以不同的護套。相鄰的線對要以不同的節(jié)距(扭絞長度)進行扭絞，以減少由於相互感應而形成的干擾。雙絞線電纜的主要常數(shù)是電參數(shù)(阻抗、感抗、電容和電導率)，它們要隨物理環(huán)境，如溫度、濕度和機械壓力以及製造工藝誤差等因素的變化而變化。雙絞線電纜如圖1.3(c)所示。

遮罩電纜對是在平行雙線導體傳輸線外包上導電的金屬編織物。編織物要連接到地，起遮罩作用，以減少輻射損耗和干擾，編織物可以避免信號輻射出去，也可以阻止電磁干擾到達內(nèi)部的信號導體。遮罩的平行線對如圖1.3(d)所示，它包括兩個由固體絕緣體分隔的平行導體。整個結(jié)構(gòu)是包裹在編織導管中，然後再覆蓋保護的塑膠外套。

同軸電纜。平行導體傳輸線適合於低頻應用。然而在高頻段，它們的輻射損耗和絕緣損耗很大。因此，同軸導體被廣泛地用於高頻應用以減少損耗並隔絕傳輸線路。基本的同軸電纜包括一個中心導體，周圍是同心的(與中心距離相同)外部導體。在相對高的頻段上，同軸外導體提供極好的遮罩以防止外部干擾。然而在低頻應用中，遮罩的作用並不有效。同樣，同軸電纜的外導體一般是接地的，這限制了它只能用於非平衡應用。 實際上有兩種同軸電纜：空氣填充型和固態(tài)柔韌型。圖1.3(e)給出空氣填充型同軸電纜。圖1.3通信中的常用傳輸媒質(zhì)

明線電纜；(b)雙線電纜(c)雙絞線電纜；(d)遮罩電纜對；(e)空氣填充型同軸電纜；(f)固態(tài)柔韌型同軸電纜；(g)微帶線；(h)矩形波導

可以看到，中心導體被一同心的管狀外部導體包裹，絕緣體是空氣。外部導體被物理隔絕，由間隔器與中心導體隔離。間隔器由耐熱玻璃、聚苯乙烯和其他一些絕緣體組成。圖1.3(f)給出的是固態(tài)柔韌型同軸電纜，外部導體是柔韌的編織物，並與中心導體同軸，絕緣體是固態(tài)絕緣聚乙烯材料，以保證內(nèi)外導體的電隔離。內(nèi)導體是柔韌的銅線，可以是實心的也可以是空心的。空氣填充型同軸電纜造價相對昂貴，為減少損耗，空氣絕緣體必須對濕度無嚴格限制。固態(tài)柔韌型同軸電纜有較低損耗並且易於構(gòu)造、安裝和維護。兩種同軸電纜都可以防止外部輻射，自身輻射少且比平行線的工作頻段高。同軸電纜的主要缺點是昂貴且必須用於非平衡模式。

微帶線應用於高頻(300～3000MHz)。在印製電路板(PC，PrintedCircuit)上使用銅線構(gòu)成的特殊傳輸線稱為微帶線或帶狀線，已在PC板上被用於元件的連接。同樣，當傳輸線源端和負載端的距離只有幾英寸或更小時，標準的同軸電纜傳輸線是不適用的，因為連接件、終接器和電纜本身都太大了。微帶線僅僅是一個由絕緣體隔離的、與接地板分離的平面導體。圖1.3(g)給出了一個簡化的單軌微帶線路。接地板作為電路的公共點，必須至少是上層導體寬度的10倍，而且要連接到地。微帶線的長度在工作頻率上通常是1/4或1/2波長，並等效於非平衡傳輸線。短路線通常優(yōu)於開路線，因為開路線有較大的輻射。標準的傳輸線對於實際作為電抗元件或是調(diào)諧電路來使用是太長了。微帶傳輸線可以用於構(gòu)成傳輸線、電感、電容、調(diào)諧電路、濾波器、移相器和阻抗匹配設(shè)備。

平行傳輸線，包括同軸電纜，都不能有效地傳輸20GHz以上的電磁波，這是由於趨膚效應和輻射損耗造成了嚴重的衰減。另外，平行傳輸線也不能用於傳輸較高功率的信號，因為高電壓會導致兩導體間的隔離絕緣材料的損壞。因此，在高於UHF的頻率及微波中很少應用平行傳輸線。對於UHF和微波波段，還有多種傳輸線可供選擇，其中包括光纜和波導等傳輸介質(zhì)。光纖實際上是一個圓柱波導，光纖的具體內(nèi)容將在第3章中詳細討論。

波導(WaveGuide)的最簡單形式是一個空心導管，其橫截面通常是矩形，如圖1.3(h)所示，但也有圓形或橢圓形波導，可以限定電磁波能量的邊界。由於波導管的管壁是導體，因此在它們的內(nèi)表面可以反射電磁波。如果波導管壁是良導體且很薄，則壁內(nèi)無電流流過，因此能量損耗很少。在波導管內(nèi)，並不是依靠管壁傳導能量的，而是通過波導管內(nèi)的電介質(zhì)傳播能量，其電介質(zhì)通常是乾燥的空氣。本質(zhì)上，波導就是將同軸雙導體傳輸線中的內(nèi)導體抽出去而得到的單導體傳輸線。電磁波的能量在波導管內(nèi)以“Z”字形來回反射並不斷向前傳播。在討論波導的傳輸特性時，不再使用傳輸線的電壓電流概念，而需要依據(jù)電磁場的概念(如電場和磁場)，最常用的波導是矩形波導。

不像傳輸線有最高頻率的限制，波導受限於最低頻率即稱為截止頻率(Cut-offFrequency)。截止頻率的確是個受限的頻率，低於截止頻率的信號將不能在波導中傳播。相應的，允許通過波導的最大波長稱為截止波長(Cut-offWavelength)。截止波長定義為可在波導內(nèi)傳播的最大波長。換句話講，只有工作頻率對應的波長小於截止波長，電磁波才能在波導內(nèi)傳播。截止波長和截止頻率由波導的橫截面尺寸決定，若波導的橫截面寬度尺寸為a，則其截止波長為λc=2a，即截止頻率發(fā)生在波長為2a對應的頻率上，同樣意味著波導的橫截面尺寸應該與傳輸信號的波長在同一個數(shù)量級上。 2.無線通道 在地球大氣層以內(nèi)傳播的電磁波稱為陸地波(TerrestrialWave)，因此，在地球上兩點或多點之間的通信稱為地面無線電通信。陸地波會受到大氣層以及地球表面的影響。在地面無線電通信中，電磁波的傳播有若干種傳播形式，究竟以哪種形式傳播取決於系統(tǒng)的類型及外界條件。除地球大氣引起傳播路徑改變外，電磁波總是以直線傳播。實際上，在地球大氣層內(nèi)的電磁波有三種傳播方式：地波、空間波(包括直射波和大地反射波)以及天波。

圖1.4顯示了在兩個天線之間的基本傳播形式。每一種無線電波都有相應的傳播形式；然而，在某一頻率範圍內(nèi)或某些特殊地形中，有些傳播形式可忽略不計。頻率低於1.5MHz以下時，地波將提供最好的覆蓋，隨著頻率的增高，地波損耗會迅速增加。高頻波的傳播主要利用天波，甚高頻以上的頻率借助於空間波進行傳播。圖1.4電磁波的三種傳播模式 1)地波傳播 地波(GroundWave)是沿地球表面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波，地波有時也稱為表面波(SurfaceWave)。地波應該為垂直極化波，這是因為電場若以相對地球表面平行的水準極化波傳播，大地的傳導率將會使這種波短路。垂直極化的地波改變了地球表面電場的感應電壓，這種感應電壓產(chǎn)生的電流類似於傳輸線中的電流。由於地球表面也存在著電阻損耗和介質(zhì)損耗，因此地波在傳播過程中也必然產(chǎn)生衰減。地波最適於在良導體的表面上進行傳播，如海面，在乾燥的沙漠地區(qū)則很難傳播。隨著頻率的增高，地波的衰減急劇增加，因此，對於地波的傳播一般將頻率限制在2MHz以下。地波的傳播如圖1.5所示。圖1.5地波傳播

地球的大氣密度存在著密度梯度(GradientDensity)，即隨著離開地球表面的距離增大大氣密度逐漸減小，由此造成波陣面的傾斜，隨著向前傳播，波陣面的傾斜逐漸增大。因此，地波能夠保持貼近地球表面並繞著地球表面?zhèn)鞑ィ谀軌蛱峁┳銐虻陌l(fā)射功率時，波陣面沿著地平面可以傳播得很遠，甚至達到地球的整個周長。值得注意的是，地波傳播所選擇的頻率以及路經(jīng)的地形要確保波陣面避免過分傾斜、翻轉(zhuǎn)、出現(xiàn)在光滑地面以及傳播中斷。

地波傳播一般多用於艦船之間的通信以及船與岸之間的通信，還常用於無線電導航和海上移動通信。用於地波傳播的頻率可低到15kHz。地波傳播的缺點如下：

(1)地波傳播需要很大的發(fā)射功率。

(2)地波傳播的頻率限制在甚低頻(VLF)、低頻(LF)以及中頻(MF)範圍內(nèi)，並且需要大尺寸的天線。

(3)地面損耗隨表面材料不同會發(fā)生明顯變化。 地波傳播的優(yōu)點如下：

(1)地波傳播可提供足夠大的功率，地用於世界上任何兩地之間的長距離通信。

(2)大氣條件的改變對地波傳播基本上不產(chǎn)生影響。 2)空間波 空間波包括直射波和地面反射波(如圖1.4所示)。直射波(DirectWave)在發(fā)射天線與接收天線之間以直線傳播。以直射波傳播的空間波一般稱為視距(LOS，LineofSight)傳輸。因此，空間波的傳播受到地球表面曲率的限制。地面反射波(GroundReflectedWave)是在發(fā)射機和接收機之間靠地球表面對波的反射進行傳播的。 從圖1.4中可以看出，接收天線處的電場強度取決於兩個天線之間的距離(衰減和吸收)，以及直射波與地面反射波在接收天線處的相位是否同相(干涉)。

地球表面的曲率使空間波的傳播呈現(xiàn)水平線，一般稱為無線電地平線(RadioHorizon)。由於大氣的折射，在普通標準大氣下，無線電地平線的延伸超過光學地平線(OpticalHorizon)的延伸。無線電地平線的延伸幾乎是光學地平線延伸的4/3。由對流層引起的折射會隨著對流層的密度、溫度、水蒸氣的含量以及相對傳導率的改變而改變。加高地球表面上鐵塔的高度使發(fā)射天線或接收天線(或兩者)的高度提升，或?qū)⑻炀€架設(shè)在高大建築物或山頂上，這樣可以有效地延長無線電地平線的長度。 3)天波 一般天波(SkyWave)是在某一方向上相對於地球仰起一個很大的角度來輻射的電磁波。天波是朝著天空輻射並憑藉電離層反射或折射回地面的。正是由於這個原因，天波傳播的這種形式有時也稱為電離層傳播。電離層位於地球上空約50～400km(30～250英里)空間區(qū)域內(nèi)。電離層是地球大氣層的最上面的一部分，因此，電離層吸收了大量的太陽輻射的能量，使空氣中的分子電離而產(chǎn)生自由電子。當無線電波進入到電離層，電離層中的自由電子就會受到電磁波中電場的作用力，使自由電子產(chǎn)生振動。振動的電子會減少電流的流動，這相當於介電常數(shù)的降低。介電常數(shù)的減小可以增加傳播速度，並且使電磁波從電子的高密度區(qū)域向低密度區(qū)域發(fā)生彎折(也就是增大了折射)。

波的傳播離地球越遠，電離作用就越強，只有很少的分子被電離。因此，在大氣層的高層區(qū)域，分子電離的比例要比大氣層的低層區(qū)域高很多。電離的密度越高，折射率越大。另外，由於電離層的非均勻結(jié)構(gòu)以及它的溫度和密度都是變數(shù)，一般將電離層進行分層分析。電離層通常分為D、E、F三層，如圖1.6所示。從圖中可以看出，電離層的分層在同一天的不同時間有不同的高度和不同的電離密度。電離密度在一年中隨季節(jié)呈週期性波動，並且這種週期性的變化還隨著太陽黑子活動以大約11年為一個週期發(fā)生著變化。在太陽光最強的時期電離層的密度最大(在夏天的中午時段)。

圖1.6電離層的分導層 D層是電離層的最底層，距地球表面大約在50～100km。由於離太陽的距離最遠，電離的程度最弱，因此電離層的D層對無線電波的傳播方向影響最小。然而，D層中的離子對電磁能量有明顯的吸收作用。在D層中的電離程度取決於朝向太陽時在地平線上的海拔高度，所以在日落之後電離消失。電離層的D層主要對VLF波和LF波有反射作用，對MF波和HF波會產(chǎn)生吸收現(xiàn)象。 E層距地球表面大約100～140km。由於它是由兩名科學家首先發(fā)現(xiàn)的，因此電離層的E層有時也稱為肯內(nèi)利—亥維賽層(Kennelly-Heaviside)。正午時期，E層在距地面大約70英里處出現(xiàn)最大密度。與D層一樣，在日落之後E層電離幾乎全部消失。電離層的E層有助於MF表面波的傳播，並對HF波有部分反射。由於E層上層部分的電離的出現(xiàn)和消失不可預料，有時需要單獨考慮它，並將其稱為不規(guī)則的E層。太陽耀斑(SolarFlare)和太陽黑子的活動性(SunspotActivity)引起了不規(guī)則E層的出現(xiàn)。不規(guī)則E層很薄，卻有很高的電離密度。出現(xiàn)不規(guī)則E層時，遠距離的無線電傳播在該處通常會出現(xiàn)異常。

F層實際上是由F1和F2兩層組成的。在白天，F(xiàn)1層位於距地球表面約140～250km的上空；F2層在冬季距地球表面約140～300km，而在夏季距地球表面約250～230km。在夜晚F1層和F2層合為一層。某些HF波在F1層會被吸收及衰減，儘管大部分的HF波可傳播到F2層，但在該處它們都將被折射回地面。 3.資訊容量 資訊容量是在一個給定時間內(nèi)，通過一個通信系統(tǒng)可以傳輸多少資訊的一種度量。資訊理論(InformationTheory)是對有效利用帶寬通過電子通信系統(tǒng)傳輸資訊的理論研究。資訊理論可用來確定通信系統(tǒng)的資訊容量(InformationCapacity)。1920年貝爾電話實驗室的哈特萊(R．Hartley)推導出了帶寬、傳輸時間和資訊容量之間的關(guān)係。哈特萊定律簡單地說明，帶寬愈寬，傳輸時間愈長，能夠通過該系統(tǒng)傳送的資訊就愈多。數(shù)學上，哈特萊定律表達如下：

C=B·t

其中，C為資訊容量，B為系統(tǒng)帶寬(Hz)，t為傳輸時間(s)。上式說明資訊容量是系統(tǒng)帶寬和傳輸時間的線性函數(shù)並與兩者直接成正比。如果通信通道的帶寬加倍，可以傳送的資訊量也加倍。如果傳輸時間增加或減少，通過系統(tǒng)傳送的資訊量也成比例地改變。 那麼如果增大帶寬B，能否使C？這實際上是不可能的，香農(nóng)公式回答了這一問題。1948年，香農(nóng)(C．E．Shannon)論述了通信通道的資訊容量(資訊容量的單位為b/s)與帶寬和信噪比的關(guān)係。數(shù)學上，香農(nóng)資訊容量極限表述為

其中，C為資訊容量(b/s)，B為帶寬(Hz)，S/N為信號與雜訊的功率之比，簡稱信噪比(無單位)。 可見，C是通道帶寬和信噪比的函數(shù)，B增大的同時，N也增大，S/N減小，C是有限的。 對於信噪比為1000(30dB)，帶寬為2.7kHz的標準話音頻帶通信通道，資訊容量的香農(nóng)極限為2700lb(1+1000)=26.9kb/s。 1.1.4基帶與頻帶傳輸 正如圖1.1所表明的那樣，通信系統(tǒng)中變換器的目的是將原始的電信號變換成其頻帶適合通道傳輸?shù)男盘枺醋儞Q在接收端將收到的信號還原成原始的電信號，通常將變換器和反變換器稱為調(diào)製器和解調(diào)器。經(jīng)過調(diào)製後的信號稱為已調(diào)信號或頻帶信號，它應有兩個基本特徵：一是攜帶有資訊，二是適合在通道中傳輸。相對於已調(diào)信號，調(diào)製前和解調(diào)後的原始電信號通常具有頻率很低的頻譜分量而被稱為基帶信號。 所謂基帶傳輸，是指不經(jīng)過調(diào)製而直接將原始基帶信號送到線路上進行傳輸?shù)囊环N方式。與基帶傳輸相對應的是頻帶傳輸。所謂頻帶傳輸，是指原始電信號在發(fā)送端先經(jīng)過調(diào)製後，再送到線路上傳輸，接收端則要進行相應解調(diào)才能恢復出原來的基帶信號。

調(diào)製是通過改變一個更高頻率信號的某些特徵物理量或參數(shù)(如幅度、頻率、相位等)的過程。這一高頻信號常稱載波，它一般由載波振盪器(如振盪電路、雷射器等)產(chǎn)生。圖1.7是頻帶通信系統(tǒng)的簡化方框圖，它顯示了調(diào)製信號、高頻載波及已調(diào)波間的關(guān)係。資訊信號與載波在調(diào)製器中組合產(chǎn)生已調(diào)波。資訊可以是模擬或數(shù)字形式，調(diào)製器可以完成模擬調(diào)製或數(shù)字調(diào)製。調(diào)製過程常伴有頻率轉(zhuǎn)換，將一個頻率或頻帶變換到頻譜上的另一個位置的過程稱為頻率轉(zhuǎn)換(一般資訊信號在發(fā)射機中從低頻上變頻到高頻，而在接收機中則從高頻下變頻為低頻)。頻率轉(zhuǎn)換是電子系統(tǒng)的一個複雜的部分，因為資訊信號在通過稱為通道的系統(tǒng)中傳送時要上下變換許多次。已調(diào)信號通過傳輸系統(tǒng)傳送到接收機，在接收機中被放大、下變頻，然後解調(diào)以恢復原始的信源。圖1.7頻帶傳輸系統(tǒng)簡化框圖 1.1.5通信方式 通信系統(tǒng)可以設(shè)計成只在一個方向上傳輸，或者在兩個方向上但一次只能沿一個方向傳輸，或者同時在兩個方向上傳輸，這些都稱為傳輸方式。傳輸方式有四種：單工、半雙工、全雙工及全/全雙工。

(1)單工(SX)：利用單工操作，傳輸只能在一個方向上出現(xiàn)。單工系統(tǒng)有時稱為單向的、只接收或只發(fā)送的系統(tǒng)。一個位置可以是一臺發(fā)射機或一臺接收機，但不能既是發(fā)射端又是接收端。商業(yè)電臺或電視廣播是單工傳輸?shù)囊粋€例子，電臺總是發(fā)射端而用戶總是接收端。

(2)半雙工(HDX)：利用半雙工操作，傳輸可以在兩個方向上出現(xiàn)，但不是同時的。半雙工系統(tǒng)有時稱為雙向交替。一個位置可以是一臺發(fā)射機或一臺接收機，但在同一時間內(nèi)只能使用兩者之一。使用按講(PTT)開關(guān)控制發(fā)射機的雙向無線電系統(tǒng)，如民用波段和員警波段電臺是半雙工傳輸?shù)睦印?/p>

(3)全雙工(FDX)：利用全雙工操作，傳輸可以同時在兩個方向上出現(xiàn)。全雙工系統(tǒng)有時稱為同時雙向、雙工或雙向線路。一個位置可以同時發(fā)送和接收，但是正在發(fā)送的站也必須是正在接收的站。標準的電話系統(tǒng)就是全雙工傳輸?shù)睦印? (4)全/全雙工(F/FDX)：利用全/全雙工操作，可以同時發(fā)送和接收，但不必是在相同的兩個位置間進行(即一個站可以發(fā)送到另一個站，並同時從第三個站接收)。數(shù)據(jù)通信電路幾乎毫無例外地使用全/全雙工傳輸。

1.1.6模擬與數(shù)字通信 根據(jù)通道中傳送信號的類型，通常分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩類。前者在通道中傳送模擬信號，而後者在通道中傳送數(shù)字信號。 對於數(shù)字通信，根據(jù)信源發(fā)出的攜帶消息的信號類型大致可以分成數(shù)據(jù)通信和模擬信號數(shù)位化傳輸兩大類。前者的典型例子是電腦通信，後者是數(shù)字電話通信。當前許多現(xiàn)代設(shè)計目標是綜合語聲、數(shù)據(jù)、可視信號的傳輸，所以我們把兩者統(tǒng)稱為“數(shù)字通信”。圖1.8所示是數(shù)字通信的簡化傳輸原理方框圖。圖1.8數(shù)字通信簡化框圖

數(shù)字通信具有下列一些特點：

(1)數(shù)字通信最顯著的特點是抗干擾性強。

(2)數(shù)字信號便於處理、加密、存儲和交換。

(3)由於數(shù)字通信設(shè)備中大部分電路都是採用數(shù)字邏輯電路，因此可用大規(guī)模和超大規(guī)模積體電路實現(xiàn)，設(shè)備便於集成化和微型化，功耗也較低。

(4)由於採用數(shù)字傳輸方式，因此可以實現(xiàn)傳輸和交換的綜合，電話業(yè)務和非電話業(yè)務都可以實現(xiàn)數(shù)位化，以便組成綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(ISDN)。 (5)佔用通道頻帶寬，一個數(shù)字話音數(shù)碼率fB=64kb/s，而一個模擬話路所占頻帶寬度(4kHz)是它的1/16，這是數(shù)字通信的一個缺點。但隨著技術(shù)的發(fā)展，採用其他編碼方式和頻帶壓縮技術(shù)，可以減少數(shù)字信號帶寬。另一方面，隨著大容量微波、衛(wèi)星和光纜通道的利用(其通道頻帶寬度達千兆赫以上)，數(shù)字通道佔用頻帶較寬的矛盾會逐步縮小。 1.1.7通信系統(tǒng)性能與雜訊

1.通信系統(tǒng)性能 在設(shè)計或評估通信系統(tǒng)時，往往要涉及通信系統(tǒng)的主要性能指標，否則就無法衡量其品質(zhì)的優(yōu)劣。性能指標也稱品質(zhì)指標，它們是對整個系統(tǒng)綜合提出或規(guī)定的。

通信系統(tǒng)的性能指標涉及其有效性、可靠性、適應性、標準性、經(jīng)濟性及維護使用等。但是從研究消息的傳輸來說，通信的有效性與可靠性將是主要的矛盾所在。這裏所說的有效性主要是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴}，而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹捌焚|(zhì)”問題。顯然，這是兩個相互矛盾的問題，這對矛盾通常只能依據(jù)實際要求取得相對的統(tǒng)一。例如，在滿足一定可靠性指標的情況下，儘量提高消息的傳輸速度；或者在維持一定有效性的情況下，使消息傳輸品質(zhì)盡可能地提高。

對於模擬通信系統(tǒng)來說，消息傳輸速度主要決定於消息所含的資訊量和對連續(xù)消息(即資訊源)的處理。處理的目的在於使單位時間內(nèi)傳送更多的消息。從資訊理論觀點來說，消息傳輸速度可用單位時間內(nèi)傳送的資訊量來衡量。模擬通信中還有一個重要的性能指標，即均方誤差。它是衡量發(fā)送的模擬信號與接收端複製的模擬信號之間誤差程度的品質(zhì)指標。均方誤差越小，說明複製的信號越逼真。在實際的模擬通信中，通常用信噪比(S/N)這一指標來衡量，信噪比的含義是接收端輸出的信號平均功率與雜訊平均功率之比。故認為在模擬通信中均方誤差的大小最終將完全取決於S/N。如果在相同的條件下，某個系統(tǒng)的輸出信噪比最高，則稱該系統(tǒng)通信品質(zhì)最好，或稱該系統(tǒng)抗通道雜訊(或干擾)的能力最強。 2.通信系統(tǒng)中的雜訊 通信系統(tǒng)中雜訊可分為兩大類：相關(guān)的和不相關(guān)的。相關(guān)雜訊是在信號出現(xiàn)時存在；不相關(guān)雜訊無論信號是否出現(xiàn)，隨時都存在。

1)不相關(guān)雜訊 不相關(guān)雜訊的存在與信號是否出現(xiàn)無關(guān)。不相關(guān)雜訊可進一步劃分成兩類：外部雜訊和內(nèi)部雜訊。

(1)外部雜訊是器件或電路的外部產(chǎn)生的雜訊。三個外部雜訊的主要來源是：大氣雜訊、宇宙雜訊、人為雜訊和干擾。

●大氣雜訊。大氣雜訊是地球大氣層中自然出現(xiàn)的靜電干擾，如閃電等。靜電干擾經(jīng)常以脈衝形式出現(xiàn)，能量散佈在一個較寬的頻率範圍內(nèi)，但這種能量的大小反比於它的頻率。因此，在30MHz以上的頻率，大氣雜訊相對不太明顯。

●宇宙雜訊。宇宙雜訊由源自地球大氣層以外的電信號組成，因此有時稱為深空雜訊。宇宙雜訊起源於銀河系、銀河外星系以及太陽。字宙雜訊又分為兩大類：太陽的和宇宙的。太陽雜訊直接由太陽的熱量產(chǎn)生，包括強度相對恒定的輻射強度雜訊和太陽黑子活動引起的不規(guī)則強度雜訊，其強度服從一個週期形式，每11年重複一次。宇宙雜訊源在整個銀河外星系是不斷散發(fā)的，由於它比太陽離我們更遠，因此雜訊強度相對較小。宇宙雜訊經(jīng)常稱為黑體雜訊，均勻分佈在整個天空。 ●人為雜訊和干擾。人為雜訊就是指人類產(chǎn)生的雜訊。人為雜訊的主要來源是產(chǎn)生火花的機器，如電動機中的整流子、汽車點火系統(tǒng)、交流發(fā)電設(shè)備和切換設(shè)備等。人為雜訊實質(zhì)上是脈衝式的雜訊，包含通過空間以無線電波方式傳播的雜訊。人為雜訊在人口較密集的大城市和工業(yè)區(qū)最為強烈，有時稱為工業(yè)雜訊。干擾是外部雜訊的一種形式，正如其名字所暗示的，意思是“要擾亂或傷害”。大多數(shù)干擾在一個源的諧波和交叉分量落入鄰近資訊的通帶內(nèi)時出現(xiàn)。例如，某電臺發(fā)射的信號在27～28MHz範圍內(nèi)，它們的二次諧波頻率(54～56MHz)落入分配給VHF電視(尤其是13頻道)的頻帶內(nèi)，如果電臺發(fā)射信號，並產(chǎn)生一個高幅度的二次諧波分量，它就會干擾其他人的電視接收。 (2)內(nèi)部雜訊是設(shè)備或電路內(nèi)部產(chǎn)生的電氣干擾。內(nèi)部雜訊的三種主要類型是：散粒雜訊、渡越時間雜訊和熱雜訊。 ●散粒雜訊。散粒雜訊是由半導體器件中的載流子(空穴和電子)在電子器件(如二極體、場效應電晶體或雙極電晶體)的輸出電極上的隨機到達而引起的。散粒雜訊首先是在真空管放大器的陽極電流中發(fā)現(xiàn)的，並在1918年由肖特基(W．Schonky)在數(shù)學上進行了描述。載流子(對交流和直流兩者而言)並非連續(xù)、穩(wěn)定地流動，因為它們遷移的距離由於運動的隨機路徑而變化。散粒雜訊是隨機變化的，且被疊加在任何出現(xiàn)的信號上。散粒雜訊有時稱為電晶體雜訊，並與熱雜訊相疊加。 ●渡越時間雜訊。渡越時間雜訊是載流子在通過一個器件的流動過程中(如從電晶體的發(fā)射極到集電極)所產(chǎn)生的。當載流子通過一個器件傳播所花的時間與信號週期可比擬時，該雜訊便很明顯。電晶體中的渡越時間雜訊由載流子遷移率、偏置電壓和電晶體結(jié)構(gòu)所確定。載流子從發(fā)射極遷移到集電極要經(jīng)受發(fā)射極時延、基極渡越時延、集電極複合時延和傳播時延。如果渡越時延在高頻率上過量，該器件可能會疊加上比放大信號更多的雜訊。 ●熱雜訊。熱雜訊與導體中的電子由於熱騷動而出現(xiàn)的迅速、隨機的運動有關(guān)。這個隨機運動被英國植物學家布朗(RobertBrown)首先注意到。布朗首先在花粉顆粒中發(fā)現(xiàn)了粒子運動的現(xiàn)象。1927年，貝爾電話實驗室的詹森(J.B.Johnson)首先認識到電子的隨機運動。導體中的電子載有一個單位的負電荷，並且一個電子的均方速度與絕對溫度成正比。結(jié)果，由分子碰撞飛出的每一個電子便構(gòu)成一個短電流脈衝，在該導體的電阻分量上產(chǎn)生一個小電壓。由於這種類型的電子運動是完全隨機的，且在所有方向上，因此由這種運動產(chǎn)生的平均直流電壓為0V，但是這種隨機運動確實產(chǎn)生了一個交流成分。其中，最主要的一種與溫度有關(guān)，稱為熱雜訊。熱雜訊是可以預測的，可以出現(xiàn)在所有的器件上。這就是為什麼熱雜訊在所有的雜訊源中最為重要的原因。 2)相關(guān)雜訊 相關(guān)雜訊是與信號相關(guān)(互相關(guān))的雜訊，電路中沒有輸入信號時就不會出現(xiàn)相關(guān)雜訊，簡單地說就是無信號就無雜訊。相關(guān)雜訊是由非線性放大產(chǎn)生的，並包括諧波失真和互調(diào)失真，它們是非線性失真的兩種形式。非線性失真也會由信號通過非線性器件(如二極體)時產(chǎn)生。相關(guān)雜訊是內(nèi)部雜訊的一種形式。

諧波失真是通過非線性放大(混合)產(chǎn)生的不想要的信號諧波。諧波是原始輸入信號的整數(shù)倍。原始信號是一次諧波並稱之為基頻。原始信號頻率的兩倍稱之為二次諧波，三倍稱之為三次諧波，等等。相應有各種程度的諧波失真：二次諧波失真是二次諧波頻率的有效幅度與基頻有效幅度的比值，三次諧波失真是三次諧波頻率的有效幅度與基頻有效幅度的比值，依次類推，總的諧波失真是高次諧波組合的有效幅度與基頻有效幅度之比。 互調(diào)失真是兩個或多個信號在一個非線性器件(如大信號放大器)中放大時產(chǎn)生的不想要的和頻與差頻。這裏強調(diào)的是“不想要的”，因為在通信電路中經(jīng)常需要混合兩個或多個信號並產(chǎn)生和頻與差頻。和頻與差頻被稱為交叉分量，當諧波和基頻在一個非線性器件中混合時即產(chǎn)生交叉分量。1.2數(shù)字通信 1.2.1基本概念 一個完整的數(shù)字通信系統(tǒng)可以用圖1.9所示的框圖表示。圖1.9數(shù)字通信系統(tǒng)框圖

信源可以是數(shù)據(jù)終端，如紙帶讀出機、電傳機或存儲在磁帶或磁片上的數(shù)據(jù)，這些稱為數(shù)字信源。 信源編碼包含模擬信號的數(shù)位化和信源壓縮編碼兩個範疇。模擬信號的數(shù)位化，主要有脈碼調(diào)製(PCM)、增量調(diào)製(ΔM)等，這種變換提高了通信品質(zhì)，這是由擴大傳輸頻帶換來的。信源壓縮編碼，是對信源進行處理，去除或減少冗餘度，或者把能量集中起來縮窄佔據(jù)頻帶，從而提高了通信的有效性。這些編碼方法包括預測編碼、變換編碼等。

通道編碼也稱為差錯控制技術(shù)。信源編碼提高了效率，但當出現(xiàn)傳輸誤碼時，會使誤碼增值(擴散)，帶來嚴重的品質(zhì)損傷。為了提高傳輸?shù)目煽啃裕趥鬏斨袙裼昧瞬铄e控制技術(shù)，即把可控制的冗餘加入二進位序列，從而得到高的傳輸可靠性，減少誤碼的影響。通道編碼有重傳回饋(ARQ)、線性分組碼、迴圈碼、卷積碼等。

經(jīng)過編碼的數(shù)字序列，它所佔據(jù)的頻帶是從直流或低頻開始的，稱為基帶信號。基帶信號可直接在有線(如雙絞線、同軸電纜)中傳輸，稱作基帶傳輸。但是大多數(shù)的通道(如無線微波通道、載波通道等)是帶通信道。為了有效地利用頻帶資源，使離散信源與連續(xù)通道匹配，把經(jīng)過編碼的基帶數(shù)字信號經(jīng)過載波調(diào)製，搬移到通道上適當?shù)念l帶，產(chǎn)生對應於輸入離散符號的模擬信號，在通道中傳輸。這種工作是由調(diào)製器完成的。調(diào)製方式主要包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控等。選擇調(diào)製方式的依據(jù)，或者說衡量優(yōu)劣的標準是帶寬利用率、功率效率、誤碼率及設(shè)備的複雜性。

通道即傳輸媒介，可以是有線媒介、無線媒介或它們的組合。不論哪種傳輸媒介均可構(gòu)成數(shù)字通道、模擬通道或混合通道。數(shù)字通道傳輸數(shù)字信號(包括經(jīng)A/D變換後的數(shù)字信號)。模擬通道傳輸模擬信號(包括數(shù)字信號經(jīng)過Modem變成的模擬信號)。 實際的傳輸通道，通常是不夠理想的，這包括通道的頻響特性，信號在傳輸中混進的雜訊和干擾，使收到的數(shù)字序列變形，出現(xiàn)符號間干擾甚至差錯。雖然通道選定之後其固有特性已確定，但可以根據(jù)傳輸要求設(shè)計發(fā)送和接收濾波器，進行通道的均衡，來改變系統(tǒng)的傳輸特性。減少或消除符號間干擾，以得到對數(shù)字序列的最佳判決，這就是波形設(shè)計問題。

解調(diào)是指在系統(tǒng)的接收端處理受通道特性限制和雜訊串擾的信號波形，並把每個波形還原為代表原傳輸數(shù)字信號。解調(diào)器能處理接收波形並判定傳輸碼元是1還是0。當傳輸M進制且資訊中無冗餘時，解調(diào)器必須在任一給定時刻判定是所傳輸?shù)腗個波形中的哪一個，這種判決為“硬判決”。 此外，同步技術(shù)是數(shù)字通信的重要方面，沒有同步，數(shù)字通信就無法進行。傳輸系統(tǒng)中載波同步、時鐘同步、位同步、字同步(碼組同步)和幀同步(群同步)是必不可少的，在數(shù)字通信網(wǎng)中還有網(wǎng)同步。同步技術(shù)根據(jù)傳輸要求有不同的實現(xiàn)方案，而同步性能也直接影響到通信的品質(zhì)。 從數(shù)字信號傳輸?shù)慕嵌壬峡矗瑪?shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標為資訊傳輸速率、碼元傳輸速率(符號速率)、頻帶利用率等。 1.資訊傳輸速率 資訊傳輸速率通常是以每秒所傳輸?shù)馁Y訊量多少來衡量的。資訊理論中已定義信源發(fā)生資訊量的度量單位是“比特”(bit)。一個二進位碼元所含的資訊量是一個“比特”，即一個“1”或一個“0”就是一個比特。 在多進制中(設(shè)為m進制)，每個碼元的資訊量為Im

，則Im為

Im=lbm(m為進制數(shù))

2.碼元(符號)傳輸速率 碼元(符號)傳輸速率是指單位時間(s)內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目，其單位為波特(Bd,Baud)。這裏的碼元可以是二進位的，也可以是多進制的，一般用RB或fB來表示。資訊傳輸速率和碼元傳輸速率的關(guān)係為

Rb=RBlbM

式中，Rb表示資訊傳輸速率，M為進制數(shù)。 如果碼元傳輸速率為600Bd，則在二進位時，資訊傳輸速率為600b/s；在四進制時，資訊傳輸速率則為1200b/s。對於二進位，由於lbM=1，在數(shù)值上串列傳輸速率和比特率是相等的，但其意義是不同的。 3.頻帶利用率 頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速率。傳輸?shù)乃俾视撸鶃子玫耐ǖ李l帶愈寬。通常用η來表示數(shù)字通道頻帶的利用情況，即頻帶利用率為

當傳輸速率是碼元傳輸速率時，其單位為波特/赫茲(Bd/Hz)；當傳輸速率是資訊傳輸速率時，其單位為比特/秒/赫茲(b/s/Hz)。 4.誤碼率 數(shù)字信號在通道傳輸過程中，由於通道本身有關(guān)參數(shù)的影響和雜訊干擾，以致在接收端判決再生後的碼元可能出現(xiàn)錯誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來衡量，一般用Pe來表示。 這個指標是統(tǒng)計結(jié)果的平均值，所以這裏指的是平均誤碼率。顯然，誤碼率愈小，通信的品質(zhì)愈高。 1.2.2信源的數(shù)位化 數(shù)字通信系統(tǒng)中，原始的資訊可以是數(shù)字形式，也可以是模擬形式。如果是模擬形式，傳輸之前必須首先轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈衝，而在接收端再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。將模擬信源波形變換成數(shù)字信號的過程稱為信源數(shù)位化或信源編碼。通信中的電話、圖像(傳真、電視等)業(yè)務，其信源是在時間上和幅度上均為連續(xù)量的模擬信號，要實現(xiàn)數(shù)位化的傳輸和交換，首先要把模擬信號變換成數(shù)字信號。電話信號的數(shù)位化叫做語音編碼，圖像信號的數(shù)位化稱為圖像編碼，兩者雖然各有其特點，但基本原理是一致的。這裏以話音信號的PCM(脈衝編碼調(diào)製)編碼為例介紹，PCM編碼方法同樣適用於圖像編碼。

脈衝編碼調(diào)製就是把時間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數(shù)字信號，這個過程包括抽樣、量化、編碼三個過程。

1.抽樣 要把話音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，首先要在時間上對話音信號進行離散化處理，這一處理過程是由抽樣來完成的，如圖1.10所示。圖1.10話音信號抽樣過程

所謂抽樣，就是每隔一定時間T，抽取話音信號m(t)的一個暫態(tài)幅度值(樣值)，可得到一系列樣值信號，即樣值序列信號S(t)=S(nT)或稱為脈幅調(diào)製(PAM)信號。

T是關(guān)鍵參數(shù)，它的大小是由抽樣定理來決定的。 奈奎斯特抽樣定理：一個頻帶限於fm赫茲的連續(xù)信號m(t)可以惟一地用時間上每隔時間T(≤1/2fm)s的抽樣值序列來確定，即抽樣頻率fs≥2fm。

當採用理想的單位沖激脈衝序列作為抽樣脈衝時，其抽樣脈衝r(t)是單位沖激脈衝序列；其抽樣值是抽樣時刻m(t)的暫態(tài)值m(nt)，如圖1.11所示。同時，可看出理想抽樣信號S(t)的頻譜S(f)與原信號m(t)的頻譜M(f)之間的關(guān)係，即抽樣後的信號頻譜是由無限多個分佈在fs各次諧波左右上下邊帶組成的，而其中位於n=0處的頻譜，就是話音信號頻譜M(f)本身(只差一個係數(shù)1/π)。圖1.11抽樣及抽樣後的樣值頻譜

設(shè)原始信號頻帶限制在0～fm之間，在接收端只要用一個低通濾波器把原始信號頻帶濾出，就可獲得原始信號的重建，如圖1.12所示。圖1.12抽樣頻率對原信號頻譜的影響信號頻譜；(b)fs>2fm時抽樣信號的頻譜；(c)fs<2fm時抽樣信號的頻譜

要獲得原始信號的重建，必須使fm與fs-fm之間有一定寬度的防衛(wèi)帶。若抽樣頻率fs<2fm，則以fs為抽樣頻率的下邊帶(fs-fm)將與原始話音信號的頻帶發(fā)生重疊而產(chǎn)生折疊雜訊，如圖1.12所示。由於不可能實現(xiàn)理想低通(理想濾波)，因此這種折疊雜訊在原始信號頻帶內(nèi)無法消除。為了避免折疊雜訊，對頻帶為0～fmHz內(nèi)信號的抽樣頻率fs應留有一定的防衛(wèi)帶，即fs>2fm

。 如話音信號的最高頻率限制在3400Hz，即fm=3400Hz，為了防止產(chǎn)生折疊雜訊，取fs>2fm

，這裏按ITU-T規(guī)定，話音信號的抽樣頻率fs

＝8000Hz，抽樣週期R＝1/8000＝125μs，這樣就留出了8000-2×3400=1200Hz的防衛(wèi)帶。 2.量化 抽樣後的信號是脈幅調(diào)製信號(PAM)，它雖然在時間上是離散的，但它還是模擬信號。要把它變成數(shù)字信號，必須對抽樣信號進行幅度的離散化處理。所謂量化，就是將抽樣後幅值為連續(xù)的信號變換為幅值為有限個離散值的過程。 量化分為均勻量化和非均勻量化。 1)均勻量化 用等間隔Δ(Δ稱為量化間隔)去度量樣值信號稱為均勻量化，如圖1.13所示。圖中信號的幅度範圍被限定在-U～＋U之間(U為超載電壓)，樣值的絕對值超過超載電壓U的區(qū)域稱為超載區(qū)；未超過U的區(qū)域稱為量化區(qū)；此間的離散值稱為量化值或量化級數(shù)(用Δ量化間隔去度量樣值-U～＋U之間所得到的數(shù)值)，用Ｎ來表示：

如果Ｎ用二進位碼位數(shù)Ｌ來表示，此量化值Ｎ＝2Ｌ，若N＝8，則碼位數(shù)L＝3。由於量化值與原樣值一般不相等，因此兩者間會產(chǎn)生誤差，此誤差稱為量化誤差。圖1.13均勻量化與非均勻量化的量化誤差

在通信中，對信號失真的情況一般用信噪比來表示。在數(shù)字通信中，失真雜訊主要是由量化所帶來的，也叫量化雜訊，這種信噪比一般稱為量化信噪比。 在通信中，根據(jù)電話傳輸標準的要求，長途通信經(jīng)過了3～4次音頻轉(zhuǎn)接後仍應有好的話音質(zhì)量。根據(jù)話音信號統(tǒng)計結(jié)果，對通信系統(tǒng)提出的要求是：在信號動態(tài)範圍40dB條件下，信噪比不應低於26dB。 為了在如此寬的動態(tài)範圍內(nèi)保證信噪比的要求，編碼位數(shù)Ｌ應滿足L≥11，因此需要的量化級數(shù)多達Ｎ＝211=2048，這樣不僅使設(shè)備複雜，而且比特率過高，以致降低通道利用率。如果減少編碼位數(shù)，那麼量化信噪比又不能滿足要求，為了解決這一矛盾，可採用非均勻量化方法。 2)非均勻量化 當採用均勻量化時，量化間隔是固定值，它不隨信號幅度的變化而變化。故大信號時量化信噪比大，小信號時量化信噪比小，如圖1.13所示。這就帶來信噪比不均勻，造成話音嚴重失真，以致無法實現(xiàn)通信的問題。解決這一問題的有效辦法是採用非均勻量化。 非均勻量化的特點是：信號幅度小時，量化間隔小，其量化誤差也小；信號幅度大時，量化間隔大，其量化誤差也大，如圖1.13所示。採用非均勻量化後可做到在不增大量化級數(shù)N的條件下，使信號在較寬的動態(tài)範圍達到所需的指標要求。其實質(zhì)是提高了小信號的信噪比，降低了大信號的信噪比，使信噪比在較寬的動態(tài)範圍內(nèi)均勻。

要實現(xiàn)非均勻量化，就要使輸入信號經(jīng)量化器後得到非均勻量化的量化值。那麼這個量化器要具有理想的對數(shù)壓縮曲線才能實現(xiàn)上述目的。由於理想的對數(shù)曲線不通過座標原點，而語音信號是雙極性的，要求壓縮曲線通過原點，並且對原點是對稱形式的，因此對數(shù)壓縮律不能直接用於語音信號的編碼，需對其進行修正。目前主要有兩種壓縮律即A律和μ律，我國採用A律，美國、加拿大、日本等國採用μ律。

為了實現(xiàn)數(shù)位化，還要對量化值進行編碼處理，在設(shè)備中量化和編碼是同時進行的。要進行編碼就要求量化間隔能成為簡單的整數(shù)倍關(guān)係。在二進位編碼中，這種關(guān)係為2n倍，其中n為整數(shù)。對於這一要求，直接採用Ａ律或μ律的壓擴曲線是做不到的(連續(xù)壓擴特性，需無窮多個量化級)。若採用若干段折線組成的非均勻壓擴特性曲線就能實現(xiàn)，但要求折線的壓擴特性要近似Ａ律或μ律。

A律13折線壓擴特性A=87.6。13折線壓擴特性(A=87.6)是CCITT建議在數(shù)字通信設(shè)備中使用的，如圖1.14所示。圖1.1413折線壓擴特性

由圖1.14中折線可看出，在x軸０～１(歸一化的輸入信號值)範圍內(nèi)為1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128。在y軸０～１(歸一化量化輸出值)範圍內(nèi)均勻分為8個段，其分段點是7/8、6/8、5/8、4/8、3/8、2/8、1/8。將x軸、y軸相對應分段線在x-y平面上相交點連線就是各段的折線。圖中只畫出了幅度為正時的壓擴曲線。正負幅值的折線均有8個段落共16個段，其中1、2段斜率相同(1/16)並通過原點，則正、負的4段為一條直線段，剩下正、負兩邊還有6段直線。這樣正、負值的壓擴特性由2×6+１＝13個直線段組成，故稱13折線。

為了減小量化失真，還要在每個量化段內(nèi)等分為16個量化間隔，則總量化級數(shù)為N＝2(正、負極性)×8(段落)×16(段落等分)＝256級

A律13折線的第１、2段量化間隔相等，其量化間隔也最小，設(shè)以16等分中的每一等分為量化間隔Δ(歸一化值)，則超載電平Ｕ的歸一化值為13折線各量化段的量化間隔用Δi來表示，Δi與最小量化間隔Δ之間的關(guān)係是按２的倍數(shù)遞增，其歸一化值如表1.1所列。表1.113折線量化段電平(歸一化值)

以上是每段按16等分量化而得到的，並以最小段(第一段)為最小量化間隔Δ，且此單位為歸一化值的單位。量化段序號1?234?5678量化段電平範圍0～16～32～64～128～256～512～1024～2048起始電平(Δ)01632641282565121024量化間隔Δi

Δ

Δ2Δ4Δ8Δ?16Δ?32Δ?64Δ 3.編碼 話音信號變?yōu)閿?shù)字信號的過程是經(jīng)抽樣、量化後還必須變?yōu)閿?shù)碼流，這個變?yōu)閿?shù)碼流的過程叫編碼。前面已講過，我們是按13折線(A=87.6)量化規(guī)律進行編碼的。A律與13折線通常採用量化級數(shù)N＝256(每個段再16等分)，即每個樣值信號經(jīng)量化後編成８位碼，由８位碼組成一個碼字來近似表示。

1)編碼的碼型 在話音信號編碼中(信源編碼)通常採用三種碼型：一般二進碼(自然二進碼)、迴圈碼(格雷碼)和折疊二進碼。在數(shù)字通信中按Ａ律和13折線規(guī)律進行量化編碼時一般採用折疊二進碼。它與普通二進碼的區(qū)別在於，幅值為負的幅度碼是由幅值為正的幅度碼(上半部)對折而成的，因此得名為折疊碼。 2)編碼位安排 我國數(shù)字通信設(shè)備(PCM30/32路基群)話音信號變?yōu)閿?shù)字信號即A/D變換，是按CCITT建議，採用13折線(A=87.6)規(guī)律進行量化，每個樣值信號編８位碼。

A律與13折線的非均勻量化段是奇對稱的上、下8個量化段，如圖1.14所示，每個量化段又均勻等分為16個量化級。如採用折疊二進碼進行編碼，其碼字的安排是：碼位為８位，分別用a1、a２、a３、a４、a５、a６、a７、a８來表示；a1表示極性碼(a1＝１表示正極性，a1＝０表示負極性)；a２、a３、a４

3位碼為段落碼，表示8個非均勻量化段；a５、a６、a７、a８

4位碼為段內(nèi)碼，表示每段均勻分為16等分。 3)逐次回饋編碼 量化的目的是為了編碼，即是把樣值信號(PAM信號)變換為二進位碼序列的方法，用得最多的是逐次回饋比較編碼方法。 下麵舉例介紹這種編碼方法。 假設(shè)輸入樣值PAM信號Is=444Δ按A律和13折線編8位碼。

(1)首先決定極性碼為a1。 第一次比較：比較判定值為０，則

Is=444Δ>０(信號為正)

a1＝“1”

以下是幅度編碼a２～a８。 因為信號的極性已由a１確定，現(xiàn)只對樣值信號的絕對值|Is|或|Us|進行幅度編碼(編7位碼)，所以叫幅度編碼，它由3位段落碼和４位段內(nèi)碼組成。 (2)段落碼的編碼：a２～a４。 如圖1.14所示，A律和13折線有8段(正半部分)23=8，則用3位碼來表示。 第二次比較：a２碼表示樣值信號幅度在8段中的哪4段內(nèi)，以第5段起始電平為對分點。因此，a２碼的判定值應是第5段的起始電平IB5=128Δ，即這時判定值Ig=128Δ，則

Is=444Δ>128Δa2＝“1”(信號在上四段，即5~8段)

第三次比較：a3碼表示信號幅度在四段中的哪兩段內(nèi)，例中應以第7段的起始電平IB7=512Δ為對分點。a3碼的判定值Ig=512Δ，則

|Is|=444Δ<512Δa3=“0”(信號在上四段中下兩段，即5，6段)

第四次比較：a4碼表示樣值信號幅度在兩段中的哪一段內(nèi)，例中應以第6段的起始電平IB6=256Δ為對分點。a4碼的判定值Ig=256Δ，則

|Is|=444Δ>256Δa4=“1”(信號在兩段中的上一段，即第6段)

幅度碼經(jīng)以上二、三、四次比較，所得段落碼a2a3a4碼為“101”，信號在第6段，起始電平IB6=256Δ，第6段的量化間隔Δ6=16Δ(即第6段平均16等分其每等分是第1段16等分的16倍)。 (3)段內(nèi)碼的編碼為a5~a8。 段內(nèi)碼表示每段均勻等分16等分(16個量化級24=16)要編4位碼(a5、a6、a7、、a8)。段內(nèi)碼判定值的提供，可用下式表示(每一量化段的起始電平為IBi，判定值為Ig)：

從以上公式看出，編下一位碼一定要在上一位碼已確定的情況下進行。從8、4、2、1來分析，是符合折疊對分規(guī)律的，即首先確定樣值信號在哪8等分後再確定4等分、2等分、1等分。下麵用例子來說明。 第五次比較：a5碼表示信號在本段內(nèi)16等分中哪8等分內(nèi)，就應以此段第8等分為分界點，其判定值這裏應為IB6=256Δ，Δ6=16Δ，則

Ig=IB6+8Δ6=256+8×16=384Δ |Is|=444Δ>384Δa5=“1”(第6段的上8等分)

第六次比較：a6碼表示信號在上8等分中哪4等分內(nèi)，應以此等分為分界點，其判定值這裏應為

Ig=IB6+8Δ6·a5+4Δ6=256+8×16×1+4×16=448Δ |Is|=444Δ<448Δa6=“0”(上8等分的下4等分，即9、10、11、12等分)

第七次比較：a7碼表示信號在上4等分中哪2等分內(nèi)，應以此為分界點，其判定值在這裏應為

a7=“1”(下4等分中的上2等分，即11、12等分)

第八次比較：a8碼表示信號在上2等分中哪1等分內(nèi)，應以此為分界點，其判定值在這裏應為

a8=“1”(上2等分中的上1等分，即此段的12等分內(nèi))

結(jié)果幅度編碼的碼字為{1011011}，表示此信號幅度的大小在第6段中16等分的第12等分內(nèi)。 此信號即444Δ的最後編碼結(jié)果，8位碼為{11011011}。

由上例可明顯看出，段落碼的編碼規(guī)律和段內(nèi)碼的編碼規(guī)律雖然都是採用對分法，但前者的判定值提供的方法是特殊的，是以段的起始電平為判定值的。這是由於此8等分是非均勻量化段，其各段斜率不等，為非線性的，因此，對段落的編碼是非線性編碼。對段內(nèi)碼的編碼，判定值的提供方法是完全符合8、4、2、1這種折疊規(guī)律的。這是因為段內(nèi)量化表示段內(nèi)均勻等分，所以段內(nèi)編碼是按線性編碼規(guī)律編碼的。但按A律13折線編出的8位碼仍然叫做非線性編碼，編出的8位碼是非線性碼。

話音信號的相鄰樣值之間存在很大的相關(guān)性，即話音信號相鄰樣值之間的關(guān)係比較密切，相鄰樣值之差值一般不會很大。因此，樣值差值的動態(tài)範圍要比樣值本身的動態(tài)範圍小，這就有可能採用對樣值的差值進行編碼，以實現(xiàn)通信的可能性。這種方法將減少碼字位數(shù)，以提高通道的通信容量。

如圖1.15樣值與差值序列的關(guān)係所示，將樣值序列圖1.15(a)變換成差值序列圖1.15(b)，然後對差值序列進行編碼。在接收端對接收到的編碼信號進行解碼，恢復成差值序列，如圖1.15(c)所示，最後對恢復後的差值序列進行累加處理，就可恢復出樣值序列，即PAM信號。由此可見，這種以暫態(tài)抽樣值之差進行編碼調(diào)製也可以實現(xiàn)的數(shù)字通信，稱為差值脈碼調(diào)製。 差值脈碼調(diào)製有多種方式，對差值編1位碼，稱為DM或ΔM(增量調(diào)製)；對差值編多位碼，稱為DPCM編碼調(diào)製。為了減少量化誤差，其抽樣週期要小於PCM中的抽樣週期，即抽樣頻率應大於8kHz。為了提高信噪比或降低數(shù)碼帶寬，還有多種編碼方式，如自適應脈碼調(diào)製ADPCM等。

圖1.15樣值與差值序列的關(guān)係(a)樣值序列；(b)差值序列；(c)樣值序列的恢復 4)其他編碼 以上詳細討論的編碼方法都被廣泛採用，屬於波形編碼。其他的編碼方法雖不詳細介紹，但為了比較將其基本思想敘述如下。 話音編碼技術(shù)通常分為波形編碼、聲源編碼和混合編碼三類。按編碼後傳輸所需的數(shù)據(jù)速率來分，又可以分為高速率(32kb/s以上)、中高速率(16～32kb/s)、中速率(4.8～16kb/s)、低速率(1.2～4.8kb/s)及極低速率(1.2kb/s以下)等五大類。 (1)波形編碼。波形編碼是將時間域信號波形直接變換成數(shù)字代碼，其目的是盡可能精確地再現(xiàn)原來的話音波形。其基本原理是在時間軸上對模擬話音信號按照一定的速率來抽樣，然後將幅度樣本分層量化，並使用代碼來表示。解碼就是將收到的數(shù)字序列經(jīng)過解碼和濾波恢復到原模擬信號波形。波形編碼具有低複雜度、低延時的特點，脈衝編碼調(diào)製(PCM)以及增量調(diào)製(ΔM)和它們的各種改進型(如ADPCM)均屬於波形編碼技術(shù)。對於比特速率較高的編碼信號(16～64kb/s)，波形編碼技術(shù)能夠提供相當好的話音質(zhì)量，對於低速話音編碼信號(16kb/s以下)，波形編碼的話音質(zhì)量顯著下降。因而，波形編碼在對信號帶寬要求不太嚴的通信中得到應用(如有線通信)，而對於頻率資源相當緊張的移動通信來說，這種編碼方式顯然不適合。 (2)聲源編碼。聲源編碼又稱為參量編碼，它是指對信源信號在頻率域或其他正交變換域提取特徵參量，並把這特徵參量變換成數(shù)字代碼進行傳輸。其反過程為解碼，即將收到的數(shù)字序列變換後恢復成特徵參量，再依據(jù)此特徵參量和語音產(chǎn)生發(fā)端語音信號。這種編碼技術(shù)可實現(xiàn)低速率語音編碼，比特速率可壓縮至2～4.8kb/s。線性預測編碼LPC及其各種改進型都屬參量編碼技術(shù)，這種編碼技術(shù)的缺點是話音品質(zhì)較差，對雜訊較為敏感，不適合在公用移動通信網(wǎng)等對話音質(zhì)量要求較高的場合使用。 (3)混合編碼。混合編碼是一種近幾年提出的新的話音編碼技術(shù)，它是由波形編碼和參量編碼相結(jié)合而得到的，以達到波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率優(yōu)點。混合編碼數(shù)字語音信號中包括若干語音特徵參量，又包括部分波形編碼資訊，它可將比特率壓縮到4～16kb/s，其中在8～16kb/s內(nèi)能夠達到良好的話音質(zhì)量和自然度，因而這種編碼技術(shù)最適於數(shù)字移動通信環(huán)境。 混合編碼能得到較低的比特速率和較好的話音質(zhì)量，而複雜度也較高。在眾多的低速率壓縮編碼中，比如子帶編碼SBC、殘餘激勵線性預測編碼RELP、自適應比特分配的自適應預測編碼SBC-AB、規(guī)則激勵長時線性預測編碼RPE-LTP、多脈衝激勵線性預測編碼等都屬混合編碼。

在數(shù)字通信發(fā)展的推動之下，話音編碼技術(shù)的研究開發(fā)非常迅速，提出了許多編碼方案。無論哪一種方案其研究的目標主要有兩點：第一是降低話音編碼速率，第二是提高話音品質(zhì)。前者的目的是針對話音品質(zhì)好但速率高的波形編碼，後者的目的是針對速率低但話音品質(zhì)卻較差的聲源編碼。由此可見，目前研製的符合發(fā)展目標的編碼技術(shù)均為混合編碼方案。

1.2.3數(shù)字複接 光纖通信、數(shù)字微波(衛(wèi)星)通信以及數(shù)字程式控制交換技術(shù)的發(fā)展，推動了數(shù)字通信網(wǎng)的構(gòu)成和發(fā)展，迫切地需要把各種低速率的數(shù)字信號變換成高速率數(shù)字信號，以便合理地採用大、中容量的傳輸通道，滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要。

數(shù)字信號的時分複用也稱為複接，參與複接的信號稱為支路信號，複接後的信號稱為合路或群路信號。從合路的數(shù)字信號中把各支路的數(shù)字信號一一分開則稱為分接。 由同一主振器提供時鐘的各個數(shù)字信號叫做同源信號，同源信號的數(shù)字複接稱為同步複接。由不同時鐘源產(chǎn)生的數(shù)字信號稱為異源信號，異源信號的數(shù)字複接稱為非同步複接。

對於數(shù)碼率完全相同或相互成整數(shù)倍的數(shù)字信號，可以用較簡單的方法實現(xiàn)同步複接。而對於異源信號，因為各自的數(shù)碼率都可以在標稱值上下有些偏差，所以也稱準同步(Plesiochronous)信號。用簡單的方法(如或門)複接，合成信號會出現(xiàn)重疊和錯位現(xiàn)象，從而丟失資訊。因此，非同步複接的前提條件是，必須先使異源數(shù)字信號的暫態(tài)數(shù)碼率達到一致，即同步。可見，對非同步信號的複接必須使各支路的數(shù)字信號速率相同(同步化)，且要保持固定的相位關(guān)係。

非同步數(shù)字信號同步化的方法很多，主要有滑動存儲、比特調(diào)整(碼速調(diào)整)和指針處理等。準同步數(shù)字複接中應用最多的是比特調(diào)整技術(shù)。比特調(diào)整又稱為碼速調(diào)整，一般有正碼速調(diào)整、負碼速調(diào)整和正零負碼速調(diào)整三種，其中正碼速調(diào)整應用較普遍。每一個參與複接的數(shù)碼流都必須經(jīng)過一個碼速調(diào)整裝置，把標稱數(shù)碼率相同而暫態(tài)數(shù)碼率不同的數(shù)碼流調(diào)整到同一較高的數(shù)碼率，然後再進行複接。 碼速調(diào)整裝置的主體是緩衝記憶體，還有一些必要的控制電路，輸入時鐘頻率即為輸入支路的數(shù)碼率fL，其輸出時鐘頻率即為複接支路時鐘的頻率fm。正碼速調(diào)整技術(shù)中，輸出頻率fm大於輸入頻率fL，即所謂的正碼速調(diào)整。

由於歐洲和北美的電話體制不同，因而也存在兩種複接方式，我國採用了歐洲的體制，這裏主要給出這種體制。首先將32個64kb/s的數(shù)字信號通過複接成一個2.048Mb/s的信號，簡稱為2M基群或一次群信號，這是第一次複接DS1，然後四個2M信號複接成一個8M的一次群信號，其標稱速率為8.448Mb/s，這是第二次複接，依次類推，四個8M信號複接成一個34M的三次群信號……這種數(shù)字複接體制如圖1.16所示，也稱為準同步數(shù)字複接體制PDH(PlesiochronousDigitalHierarchy)。隨著數(shù)字速率的進一步提高，這種複接體制暴露出越來越多的缺點。圖1.16PDH數(shù)字複接體制 20世紀80年代，一種新的標準體制出現(xiàn)了，並很快被業(yè)務提供商所採用。這就是同步數(shù)字體制SDH，它更加適合高速光纖線路傳輸。SDH在光纖傳輸鏈路上承載數(shù)字同步STM-N(N=1,4,16,…)信號，這些同步信號在從STM-1(155.520Mb/s)～STM-16(2.48832Gb/s)或更高的標準速率範圍內(nèi)速率級次上傳輸，其速率等級如表1.2所示。最基本的STM-1信號承載在一個125μs的幀結(jié)構(gòu)上。表1.2SDH的標稱速率SONETOC等級ITU-TSDH等級線路速率(Mb/s)簡稱OC-1

51.84

OC-3STM-1155.520155MOC-12STM-4622.08622MOC-24

1244.16

OC-48STM-162488.322.5GOC-192STM-649953.2810.0G 1.2.4數(shù)字傳輸 數(shù)字傳輸是指在通信系統(tǒng)中進行數(shù)字脈衝的直接傳輸，如電纜等有線通道的傳輸，它屬於基帶傳輸。由於所有的通道實際上都是有限帶寬媒介，因此數(shù)字脈衝經(jīng)過傳輸後其脈衝波形發(fā)生了畸變(失真)，即窄脈衝的寬度展寬了。圖1.17給出了典型的帶限通道在窄脈衝輸入情況下的輸出波形。由圖可知，脈衝之間會產(chǎn)生相互影響，這是數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼的主要原因。圖1.17帶限濾波器的典型脈衝回應

通常採用均衡濾波器來對通道進行均衡，因而它的波形好壞直接影響數(shù)字脈衝的識別判決。在選擇均衡方式時應考慮以下幾個方面：

(1)必須做到使碼間干擾最小；

(2)具有較好的抗串話和抗干擾能力；

(3)均衡電路簡單，易於實現(xiàn)。 根據(jù)以上條件，現(xiàn)暫不考慮通道雜訊干擾影響，僅從碼間干擾的角度來研究最佳