【正文】 ponents undergo timevarying propagation delays that result in signal fading. In addition, there is frequencydependent attenuation, which is approximately proportional to the square of the signal frequency. The sound velocity is nominally about 1500 m/s, but the actual value will vary either above or below the nominal value depending on the depth at which the signal propagates. Ambient ocean acoustic noise is caused by shrimp, fish, and various mammals. Near harbors, there is also manmade acoustic noise in addition to the ambient noise. In spite of this hostile environment, it is possible to design and implement efficient and highly reliable underwater acoustic munication systems for transmitting digital signals over large distances. Storage Channels Information storage and retrieval systems constitute a very significant part of datahandling activities on a daily basis. Magic (ape, including digital audio tape and video tape, magic disks used for storing large amounts of puter data, optical disks used for puter data storage, and pact disks are examples of data storage systems that can be characterized as munication channels. The process of storing data on a magic tape or a magic or optical disk is equivalent to transmitting a signal over a telephone or a radio channel. The rcadback process and the signal processing involved in storage systems to recover the stored information are equivalent to the functions performed by a receiver in a telephone or radio munication system to recover the transmitted information. Additive noise generated by the electronic ponents and interference from adjacent tracks is generally present in the readback signal of a storage system, just as is the case in a telephone or a radio munication system. The amount of data that can be stored is generally limited by the size of the disk or tape and the density (number of bits stored per square inch) that can be achieved by the write/read electronic systems and heads. For example, a packing 。 )無符號間干擾的條件下的最大比特率。 雖然莫爾斯在研制第一個點的數(shù)字通信系統(tǒng)（電報）中起了重要的作用，但是現(xiàn)在我們所指的現(xiàn)代數(shù)字 通信系統(tǒng)起源于奈奎斯特的研究。在這種碼中，較頻繁發(fā)生的字母用短碼字表示，不常發(fā)生的字母用較長的碼字表示。本書將這3 種模型用于通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計。 圖 132 帶有加性噪聲的線性濾波器信道 3. 線性 時變?yōu)V波器信道 像水聲信道和電離層無線電信道這樣的物理信道，它們會導(dǎo)致發(fā)送信號的時變多徑傳播，這類物理信道在教學(xué)上可以表征為時變線性濾波器。信號通過信道傳輸而受到衰減時，接收信號是 )()()( tntstr ??? 式中， ? 是衰減因子。 這種模型的噪聲統(tǒng)計地表征為高斯噪聲過程。 1. 加性噪聲信道 通信信道最簡單的數(shù)學(xué)模型是加性噪聲信道，如圖 131 所示。由信道編碼器引入的附加冗余度用于糾正回讀信號中的差錯。例如在磁盤存儲系統(tǒng)中，封裝密度可達每平方英寸比特 (1 in=)。在磁帶或磁盤或光盤上存儲數(shù)據(jù)的過程，等效于在電話或在無線信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。在靠近港口處，除了海洋背景噪聲 外也有人為噪聲。因為波的運動 ,信號多徑分量的傳播延遲是時變的，這就導(dǎo)致了信號的衰落。對于海水 ,表面深度 250/f，其中 f 以 HZ 為單位。數(shù)據(jù)是由位于水下的傳感器傳送到海洋表面的 ,從那里可能將數(shù)據(jù)經(jīng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集中心。 在極高頻 (EHF)頻段以上的頻率是電磁頻譜的紅外區(qū)和可見光區(qū)，它們可用來提供自由空間的 LOS光通信。 對工作在 VHF和 UHF頻率范圍的通信系統(tǒng)限制性能的最主要噪聲是接收機前端所產(chǎn)生的熱噪聲和天線接收到的宇宙噪聲。對于陸地通信系統(tǒng)這意味著發(fā)送機和接收機的天線必須是直達 LOS,沒有什么障 礙。也可利用在 40~300MHZ 頻率范圍內(nèi)的對流層散射在幾百英里的距離通信。在夜晚，天波是主要的傳播模式。干擾來自這些頻段上的用戶。在甚低頻（ VLF）和音頻段，其波長超過 10km，地球和電離層對電磁波傳播的作用如同波導(dǎo)。為了獲得有效的電磁能量的輻射，天 線必須比波長的 1/10 更長。在接收機中，光的強度由 光電 二 極管檢測， 它的輸出電信 號的變化直接與照射到光電二極管上的光的功率成正比。由于光纖信道具有大的可用帶寬，因此有可能使電話公司為用戶提供寬系列電店業(yè)務(wù)，包括話音、數(shù)據(jù)、傳真和視頻等。在笫 10章和第 11章中，我們將研究信道均衡器的設(shè)計 ,它是用來補償信道的幅度和相位失真的。 信號 在 這樣的信 道上傳輸時，其幅 度 和相位都會發(fā)生失真，還受到加性噪聲的惡化。下面描述幾 種通信信道的重要特征。 可以通過增加發(fā)送信號功率的方法使噪聲的影響最小。有時將這種噪聲 稱為熱噪聲。物理信道也許是攜帶電信號的一對明線；或是在已調(diào)光波束上攜帶信息的光纖；或是水下海洋信道其中信息以聲波形式傳輸；或是自由空間，攜帶信息的信號通過天線在空間輻射傳輸。 作為最后一步，當需要模擬輸出時，信源譯碼器從信道譯碼器接收其輸出序列并根據(jù)所采 用的信源編碼方法的有關(guān)知識重構(gòu)由信源發(fā)出的原始信號。 解調(diào)器和譯碼器工作性能好壞的 —個度量是譯碼序列中發(fā)生差錯的頻度。在無線傳輸中，信道可以是大氣（自由空間） 另一方面，電話信道通常使用 各種各樣的物理媒質(zhì)，包括有線線路、光纜和無 線 (微波 )等。我們稱這種方式為 M 元調(diào)制（ M〉 2）。為了詳細說明這一點，假定已編碼的信 息序列以均勻速率 R（ b/s） ―次一個比特傳輸 ,數(shù)字調(diào)制器可以簡單地將二進制數(shù)字 “0”映射成波形 s0(t)而二進制數(shù)字 “1”映射成波形 s1(t)。以這種方式對數(shù)據(jù)編碼所引人 的冗余度的大小是由比率 n/k 作來度擻的。因此，所增加的冗余是用 來提高接收數(shù)據(jù)的可靠性以及改善接收信號的逼 真度的。換句話說 .我們要尋求一種信 源輸出的有效的表示方法 ,使其很少產(chǎn)生或不產(chǎn)生冗余。 輸出的可以是模擬信號，如音頻或視頻 信號 。在通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，特別重要的是信息傳輸所通過的物理信道的特征。數(shù)字通信的研究主題包括數(shù)字 形式的信息從產(chǎn)生該信息的信源到一個或多個目的地的傳輸問題。 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分 圖 111 顯 示了一個數(shù)字通信系統(tǒng)的功能性框圖和基本組成部分。理論上，應(yīng)當用盡可能少的二進制數(shù)字表示信源輸出（消息） 。信道編碼器的目的是在二進制信 息序列中以受控的方式引人一些冗余，以便于在接收機中用來克服信 號在信道中傳輸時所遭 受的噪聲和干擾的影響。更復(fù)雜的（不平凡的）編碼涉及到一次取 k 個信息比特 ,并將 毎個 k 比特序 列映射成惟一的 n比特序列，該序列稱為碼字。因為在實際中遇到的幾乎所有的通信信道都能夠傳輸電信號（波形） ,所以數(shù)字 調(diào)制的主要目的是將二進制信 息序列映射成信號波形。另一種方式，調(diào)制器目一 次傳輸 b個已編碼的信息比特，其方法是采用 M = 2s個不同的波形 ST(t)i=1,2， …， M,每一個波形用來傳輸 2s個可能的 b比特序列中的一 個序列。 圖 111 數(shù)字通信系統(tǒng) 的基本模型 通信 信道是用來將發(fā)送機的信號發(fā)送給接收機的物理媒質(zhì)。這個數(shù)的序列披送至 信道譯碼器，它根據(jù)信進編碼器所用的關(guān)于碼的知識及接收數(shù)據(jù)所含的冗余度重構(gòu)初始的信息序列。在后續(xù)各章中將詳細討論這些因素及其對性能的影晌。 正如前面指出的，通信信道在發(fā)送機與接收機之間提供了連接。一般地，加性噪聲是由通信系統(tǒng)內(nèi)部組成元器件 所引起的，例如電阻和固態(tài)器件。信號在信道上傳輸時可能會遇到的其他類型損傷有信號衰減、 幅 度和相位失真、多徑失 真等。這兩種限制因素限制了在任何通信信道上能可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量 ,我們將在以后各章中討論這種情況。通常用來連接用戶和中心機房的電話線的帶寬為幾百千赫 (khz)另一方面同軸電纜的可用寬帶是幾兆赫（ Mhz）。在第 9章中，我們將闡述最佳傳輸信號及其解調(diào)的設(shè)什方法。這些技術(shù)上的進展導(dǎo)致了光纖信道應(yīng)用的快速發(fā)展，不僅應(yīng)用在 國 內(nèi)通信系統(tǒng)中，也應(yīng)用 于跨大西洋和跨太平洋的通信中 。光像光波一樣通過光纖傳播，并沿著傳輸路徑被周期性地放大以補償信號衰減（在數(shù)宇傳輸中，光由中繼器檢測 和再生） 。天線的物理 尺寸和配置主要決定于運行的頻率。 在大氣和自由空間中，電磁波 傳播的模式可以劃分為 3 種類型，即地波傳播、天波傳播和視線傳播。在這些頻率上，最主要的一種噪聲是由地球上的雷暴活動產(chǎn)生的，特別是在熱帶地區(qū)。而且經(jīng)由不同傳播路徑到達的各信號分量會相互削弱，導(dǎo)致信號衰落的現(xiàn)象 .許多人在夜晚收聽遠地無線電臺廣播時會對此有體驗。然而，在30~60MHZ頻段有可能進行電離層散射傳播，這是由較低電離層的信號散射引起的。因此 ,在甚高頻 (VHF)頻段和更高的頻 率，電磁傳播的最主要模式是 LOS傳播。如果發(fā)射天線安裝在地表面之上 H 米的高度 ,并假定沒有物理障礙 (如山 )那么到無線地平線的距離近似為d=15H KM，例如電視天線安裝在 300m 高的塔上 .它的覆蓋范圍大約 67km 另一個例子，工作在 1GHZ以上頻率，用來延伸電話和視頻傳輸?shù)奈⒉ㄖ欣^系統(tǒng)將天線安裝在離塔上或高 的建筑物頂部。因此，在此頻率范圍 ,大雨引起了很大的傳播損耗，這會導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷 (通信系統(tǒng)完全中斷 )。與這種增多相關(guān)的是對傳輸數(shù)據(jù)的需求。電磁波在水下的衰 減可以用表面深度來表示 ,它是信號衰 減 l/e 的距離。 水聲信道可以表征為多徑信道 ,這是由于海洋表面和底部對信號反射 的緣故。 海洋背景噪聲是由蝦、魚和各種哺乳動物引起的。磁帶（包括數(shù)字的聲帶和 錄像帶）、用來存儲大量計箅機數(shù)據(jù)的磁盤、用作計箅機數(shù)據(jù)存儲器的光盤以及只讀光盤都是數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的例子 ,它們可以表征為通信信道。 所能存儲的數(shù)據(jù)量一般受到磁盤或磁帶 尺寸及密度（每平方英寸存儲的比特數(shù)）的限制，該密度是由寫 /讀電系統(tǒng)和讀寫頭確定的。在回讀過程中，信號被解調(diào)。下面，我們將簡要的描述信道的模型，它們常用來表征實際的物理信道。 如果噪聲主要是由接收機中的元部件和放大器引起， 那么，它可以表征為熱噪聲。信道的衰減很容易加入到該模型。因此，如果信道輸入信號為 s（ t），那么信道輸出信號是 )()()()( tntctstr ??? ? ????? ?? )()()( tndtsc ??? 式中， )(?c 是信道的沖激響應(yīng)， ?表示卷積。 上面描述的三種數(shù)學(xué)模型適當?shù)谋碚髁藢嶋H中的絕大多數(shù)物理信道。莫爾斯設(shè)計出一種可變長度的二進制碼，其中英文字母用點劃線的序列（碼字）表示。在博多碼中，二進制碼的元素是等長度的，且指定為傳號和空號。奈奎斯特提出了帶寬限于 W Hz的最佳脈沖形狀，并且在脈沖抽樣時刻 Kt(k=0，? 1， ? 2