【正文】 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 信息傳輸和信道 傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 多路信號(hào)傳輸技術(shù) 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 信息傳輸和信道 信息傳輸?shù)幕靖拍? 1. 信道 信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?。從系統(tǒng)的角度看，通信系統(tǒng)一般由信源、信道、信宿、發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備和噪聲源組成，如圖 所示。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 發(fā)送設(shè)備 信道 接收設(shè)備 信息源 受信者 發(fā)送端 接收端 噪聲源 圖 通信系統(tǒng)的基本模型 信息源是產(chǎn)生消息的源。 發(fā)送設(shè)備是將信源端送出的信號(hào)變換或匹配成適合于特定信道介質(zhì) 傳輸信號(hào)的設(shè)備。 接收端的接收設(shè)備與發(fā)送設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能相反，是將從信道接收的信 號(hào)相應(yīng)地恢復(fù)、還原成終端設(shè)備能識(shí)別信號(hào)的設(shè)備。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 2. 信息容量 信息容量是在一個(gè)給定時(shí)間內(nèi)，通過一個(gè)通信系統(tǒng)可以傳輸多少信息的一種度量。簡而言之，信息容量可以是系統(tǒng)容納的用戶數(shù)目或系統(tǒng)交換、傳輸及處理的信息比特?cái)?shù)。 1920年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的哈特萊 (R． Hartley)推導(dǎo)出了帶寬、傳輸時(shí)間和信息容量之間的關(guān)系。哈特萊定律簡單地說明，帶寬愈寬，傳輸時(shí)間愈長，能夠通過該系統(tǒng)傳送的信息就愈多。數(shù)學(xué)上，哈特萊定律表達(dá)如下： tBC ?? 其中， C為信息容量， B為系統(tǒng)帶寬 (Hz)， t為傳輸時(shí)間 (s)。上式說明信 息容量是系統(tǒng)帶寬和傳輸時(shí)間的線性函數(shù)并與兩者直接成正比。 tBC ?? () 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 例 已知某系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬為 150MHz，分別在 1秒和 1分鐘時(shí)間內(nèi)的傳輸信息量。 解 根據(jù)哈特律公式，當(dāng) t = 1s時(shí)，系統(tǒng)信息容量為 C = 150?106?1 = ?108 b/s；當(dāng) t = 60s（ 1分鐘）時(shí)，系統(tǒng)信息容量為 C = 150?106?60 = 9?109 b/s。 那么如果增大帶寬 B，能否使 C一定線性增加呢？這實(shí)際上是不可能的，香農(nóng)公式回答了這一問題。數(shù)學(xué)上，香農(nóng)信息容量極限表述為 : )1(lo g 2 NSBC ??? （ ） 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 其中， C為信息容量 (b/s)， B為帶寬 (Hz)， S/N為信號(hào)與噪聲的功率之比，簡稱信噪比（無單位），其中 N = n0?B， n0為噪聲單邊功率譜密度?？梢?， C是信道帶寬和信噪比的函數(shù)， B增大的同時(shí)，噪聲功率 N也增大， S/N減小， C是有限的。信道容量受“三要素” — B、n0和 S的限制，只要這三要素確定，信道容量就確定。 例 已知某系統(tǒng)的信噪比為 1 000 (30 dB)，標(biāo)準(zhǔn)話音頻帶通信信道帶寬為 kHz，試求該系統(tǒng)的信息速率極限值。 解 根據(jù)信息容量的香農(nóng)極限公式， C = 3400?log2 (1+1000) = kb/s，這個(gè)值就是該信道傳輸信息的理論極限速率值 。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 3．信道傳輸特性 根據(jù)傳輸介質(zhì)是否有形，信道可以分為有線信道和無線信道。 （ 1） 有線信道的傳輸特性 1) 幅頻傳輸特性：是信道在各頻率下的衰耗與頻率的關(guān)系曲線，它將影響信號(hào)的幅度衰減量。信道的理想幅頻特性要求其通帶內(nèi)特性平穩(wěn)，否則將導(dǎo)致信號(hào)幅度失真。 2）相頻傳輸特性：是信道在各頻率下的相位移與頻率的關(guān)系曲線，它將影響被傳輸信號(hào)的相位移。 頻率 ( f ) 相位移 0 f a f b ( b) 理想信道相頻特性 頻率( f ) 衰耗（ dB ） 0 f a f b ( a ) 理想信道幅頻特性 圖 理想有線信道的傳輸特性 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) （ 2） 無線信道傳輸特性 無線信道的傳輸媒介是自由空間，由電磁波攜帶信號(hào)。常用無線信道的通信方式有：調(diào)幅、調(diào)頻廣播、無線電視、微波通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)電話、無線尋呼等。無線信道也以幅頻特性與相頻特性來描述信道對(duì)通過信號(hào)的影響，與有線信道類同。 無線通信所用的電磁波，根據(jù)頻率的高低，或波長的長短，頻段劃分如表 ，我們通常所說的微波是指頻率在 — 3GHz范圍的電磁波。 各波長段的頻率不同，波長不同，其空間傳播特性就不一樣，用途也就不同。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) （ 3）信道的衰減與失真 在信道中傳遞的信號(hào)，由于介質(zhì)的特性，信號(hào)傳輸中必然會(huì)產(chǎn)生能量的損失，這種能量的損失，我們稱之這衰減或衰耗 。 在通信工程中稱之為固有衰減，這種衰減隨信道種類不同而不同，傳輸信道距離越長衰減越大，其度量一般用 (dB)電平表示，其 dB的定義為：采用信號(hào)輸入輸出端功率比值取 10倍常用對(duì)數(shù)來表示，稱之為分貝。 dB=10 () Plg P入出《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 在通信系統(tǒng)中，信號(hào)其傳輸一般用相對(duì)電平來表示，如果上式中參考點(diǎn)為 Po，輸出點(diǎn)為 Pi，若 P0的單位用 mw表示，則電平為 dBm，稱dB毫瓦，如 P單位用 W表示，則電平為 dBW或稱為 dB瓦。 oid B mPPlg10)( ?? () 通信信道由于干擾和噪聲影響，常見的信號(hào)衰減與失真度量參數(shù) 有：幅度衰減、幅度突變、相位抖動(dòng)、群時(shí)延 — 頻率失真、頻率偏移 等。 幅度衰減是指信道對(duì)不同頻率信號(hào)的幅度衰減變化。 幅度突變是指接收信號(hào)幅度突然變化（增加或減小）的數(shù)值，一般 要求門限值在 1?6dB范圍內(nèi)選擇。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 相位抖動(dòng)也會(huì)引起信號(hào)的畸變和失真，是一種線性畸變，通信系統(tǒng)可以采用“均衡”措施補(bǔ)償。 信道的相位 — 頻率特性也經(jīng)常用群時(shí)延 — 頻率失真來衡量，所謂群時(shí)延 — 頻率失真是相位 — 頻率特性對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù)，若相位 — 頻率特性用 ?(?)表示，則群時(shí)延 — 頻率特性 ?（ ?）為： ?????dd )()( ? () 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) (4) 信道的損傷 1) 信道中的噪聲與干擾 信號(hào)在信道道傳輸中過程中，會(huì)遇到各種情況的干擾和噪聲，包括各種各樣來自系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲與外部的干擾。 ① 統(tǒng)內(nèi)部噪聲。系統(tǒng)內(nèi)部半導(dǎo)體器件中的少數(shù)載流子的隨機(jī)擴(kuò)散與電子 空穴對(duì)的隨機(jī)復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生散彈噪聲；通信設(shè)備中的元器件的熱運(yùn)動(dòng)（絕對(duì)溫度零度以上都有）產(chǎn)生白噪聲。以上兩種噪聲是不可避免的，只能通過改良通信設(shè)備的工藝來避免或改善。 ② 統(tǒng)外部的干擾。通信設(shè)備工作時(shí)，處于強(qiáng)電磁環(huán)境中，一方面受到自然界雷電、太陽黑子活動(dòng)等引起的電磁暴；另一方面受其它無線電設(shè)備發(fā)射電磁波，市電 50Hz信號(hào)的干擾。這種外界干擾，可通過降低外界干擾源的干擾和增強(qiáng)通信設(shè)備的屏蔽能力來改善。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 2) 數(shù)字傳輸系統(tǒng)性能指標(biāo) 從數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)慕嵌壬峡?，?shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)分為有效性和可靠性指標(biāo)，其中有效性指標(biāo)常用信息傳輸速率、碼元傳輸速率 (符號(hào)速率 )、頻帶利用率等表示，可靠性指標(biāo)常用誤碼率和抖動(dòng)容限表示。 ① 信息傳輸速率：是指在單位時(shí)間 (每秒 )傳送的信息量，也稱傳信率。 例 某數(shù)字通信系統(tǒng)，它每秒鐘傳輸 2048 103個(gè)二進(jìn)制碼元，則它的信息傳輸速率為多少？ 解 該系統(tǒng)信息佶速率為： fb=2048 103比特 /秒。 ② 碼元（符號(hào)）傳輸速率：也稱為符號(hào)傳輸速率，或碼元速率。它是指單位時(shí)間 (每秒 )所傳輸?shù)拇a元數(shù)目，其單位稱為波特。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 碼元速率可折合為信息速率進(jìn)行計(jì)算。其轉(zhuǎn)換公式為： Mff Bb 2lo g? () 式中， fb為信息傳輸速率 (二進(jìn)制傳輸速率 )； fB表示波特?cái)?shù) (消息速率 )， 其單位為波特（ Bd，或 Baud）； M為符號(hào)進(jìn)制數(shù) (碼元進(jìn)制數(shù) ) 例 已知某系統(tǒng)的碼元傳輸速率為 600 Baud，如果系統(tǒng)傳輸二進(jìn)制和 四進(jìn)制碼元時(shí)對(duì)應(yīng)的信息速率分別為多少？ 解 二進(jìn)制碼元時(shí)， M = 2，代入公式（ ）計(jì)算出信息傳輸速率 fb = 600 bit/s；四進(jìn)制碼元時(shí)， M = 4，信息傳輸速率 fb = 1200 b/s。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) ③ 頻帶利用率：是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速率。傳輸?shù)乃俾视?，所占用的信道頻帶愈寬。通常用 ?來表示數(shù)字信道頻帶的利用情況，即頻帶利用率為： 頻帶寬度傳輸速率?? () 當(dāng)傳輸速率是碼元傳輸速率時(shí)，其單位為波特 /赫茲 (Baud/Hz)；當(dāng)傳輸速 率是信息傳輸速率時(shí)，其單位為比特 /秒 /赫茲 (b/s/Hz)。 ④ 誤碼率。在數(shù)字通信中是用脈沖信號(hào)，即用“ 1”和“ 0”攜帶信息。由于通信系 統(tǒng)中噪聲、串音及碼間干擾以及其它突發(fā)因素的影響，當(dāng)干擾幅度超過脈 沖信號(hào)再 生判決的某一門限值時(shí)，將會(huì)造成誤判成為誤碼，如圖 。 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 圖 噪聲疊加在數(shù)字信號(hào)上的波形 誤碼用誤碼率來表征，其定義為： 數(shù)字通信系統(tǒng)中在一定統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中，發(fā)生錯(cuò)誤的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比，用符號(hào) Pe表示。 e nP l im? ? ??產(chǎn) 生 錯(cuò) 誤 碼 元 （ 個(gè) 數(shù) ）傳 輸 的 總 碼 元 （ 個(gè) 數(shù) ）() 《 通信技術(shù)基礎(chǔ) 》 第 4章 信息傳輸技術(shù)基礎(chǔ) 例 某數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸“ 1”和“ 0”等概率的碼元，則每碼元含有的信息量為 1bit?，F(xiàn)有一數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)每秒傳送 144kb的“ 1”和“ 0”碼元，則此系統(tǒng)傳信率多少比特 /秒？如果此系統(tǒng)在傳輸過程中每 5秒傳錯(cuò) 2碼元，則系統(tǒng)的誤碼率又為多少？ 解 在二進(jìn)制碼系統(tǒng)中，直接計(jì)算系統(tǒng)傳信率 fb = 144 Kbit/s；由于系統(tǒng) 5秒鐘內(nèi)傳送的信息比特?cái)?shù)為： 144Kb?5 = 720 kbits，則根據(jù)公式()計(jì)算系統(tǒng)誤碼率為：