【文章內(nèi)容簡介】 物理信道的特征。信道的特征般會(huì)影響通信系統(tǒng)基本組成部分的設(shè)計(jì)。下面闡述一個(gè)通信系統(tǒng)的基本組成部分及其功能。 顯示了一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的功能性框圖和基本組成部分。輸出的可以是模擬信號(hào)，如音頻或視頻信號(hào)。也可以是數(shù)字信號(hào)，如電傳機(jī)的輸出，該信號(hào)在時(shí)間上是離散的，并且只有有限個(gè)輸出字符。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由信源產(chǎn)生的消息變換成二進(jìn)制數(shù)字序列。理論上，應(yīng)當(dāng)用盡可能少的二進(jìn)制數(shù)字表示信源輸出（消息）。,使其很少產(chǎn)生或不產(chǎn)生冗余。將模擬或數(shù)宇信源的輸出有效地變換成二進(jìn)制數(shù)字序列的處理過程稱為信源編碼或數(shù)據(jù)壓縮。由信源編碼器輸出的二進(jìn)制數(shù)字序列稱為信息序列，它被傳送到信道編碼器。信道編碼器的目的是在二進(jìn)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(jī)中用來克服信號(hào)在信道中傳輸時(shí)所遭受的噪聲和干擾的影響。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(hào)的逼真度的。實(shí)際上，信息序列中的冗余有助于接收機(jī)譯出期望的信息序列。例如,二進(jìn)制信息序列的一種(平凡的）。更復(fù)雜的（不平凡的）編碼涉及到一次取k個(gè)信息比特,并將毎個(gè)k比特序列映射成惟一的n比特序列，該序列稱為碼字。以這種方式對(duì)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。該比率的倒數(shù)，即k/n，稱為碼的速率或簡稱碼率。信道編碼器輸出的二進(jìn)制序列送至數(shù)宇調(diào)制器，它是通信信道的接口。因?yàn)樵趯?shí)際中遇到的幾乎所有的通信信道都能夠傳輸電信號(hào)（波形）,所以數(shù)字調(diào)制的主要目的是將二進(jìn)制信息序列映射成信號(hào)波形。為了詳細(xì)說明這一點(diǎn)，假定已編碼的信息序列以均勻速率R（b/s）―次一個(gè)比特傳輸,數(shù)字調(diào)制器可以簡單地將二進(jìn)制數(shù)字“0”映射成波形s0(t)而二進(jìn)制數(shù)字“1”映射成波形s1(t)。在這種方式中，信 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯）道編碼器輸出的毎一比特是分別傳輸?shù)摹Ｎ覀儼阉Q為二進(jìn)制調(diào)制。另一種方式，調(diào)制器目一次傳輸b個(gè)已編碼的信息比特，其方法是采用M = 2s個(gè)不同的波形ST(t)i=1,2，…，M,每一個(gè)波形用來傳輸2s個(gè)可能的b比特序列中的一個(gè)序列。我們稱這種方式為M元調(diào)制（M〉2）。注意，每b/R秒就有一個(gè)新的b比特序列進(jìn)入調(diào)制器。因此，當(dāng)信道比特率R固定,與一個(gè)b比特序列相應(yīng)的似個(gè)波形之一的傳輸時(shí)間量是二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)時(shí)間周期的b倍。 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(jī)的信號(hào)發(fā)送給接收機(jī)的物理媒質(zhì)。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。無論用什么物理媒質(zhì)來傳輸信息，其基本特點(diǎn)是發(fā)送信號(hào)隨機(jī)地受到各種可能機(jī)理的惡化，例如由電子器件產(chǎn)生的加性熱噪聲、人為噪聲（如汽車點(diǎn)火噪聲）及大氣噪聲（如在雷賽雨時(shí)的閃電）。在數(shù)字逋信系統(tǒng)的接收端,數(shù)字解調(diào)器對(duì)受到信道惡化的發(fā)送波形進(jìn)行處理，并將該波形還原成一個(gè)數(shù)的序列，該序列表示發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)的估計(jì)值〔二進(jìn)制或M元〕。這個(gè)數(shù)的序列披送至信道譯碼器，它根據(jù)信進(jìn)編碼器所用的關(guān)于碼的知識(shí)及接收數(shù)據(jù)所含的冗余度重構(gòu)初始的信息序列。解調(diào)器和譯碼器工作性能好壞的—個(gè)度量是譯碼序列中發(fā)生差錯(cuò)的頻度。更準(zhǔn)確地說，在譯碼器輸出端的平均比特錯(cuò)誤概率是解調(diào)器譯碼器組合性能的一個(gè)度量。一般 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯）地，錯(cuò)誤概率是下列各種因素的函數(shù):碼特征、用來在信道上傳輸信息的波形的類型、發(fā)送功率信道的特征（即噪聲的大小、干擾的性質(zhì)等)以及解調(diào)和譯碼的方法。在后續(xù)各章中將詳細(xì)討論這些因素及其對(duì)性能的影晌。作為最后一步，當(dāng)需要模擬輸出時(shí)，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(shí)重構(gòu)由信源發(fā)出的原始信號(hào)。由于信道譯碼的差錯(cuò)以及信源編碼器可能引入的失真,在信源譯碼器輸出端的信號(hào)只是原始信源輸出的—個(gè)近似。在原始信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)之間的信號(hào)差或信號(hào)差的函數(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)引入失真的一種度量。通信信道及其特征正如前面指出的，通信信道在發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間提供了連接。物理信道也許是攜帶電信號(hào)的一對(duì)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(hào)通過天線在空間輻射傳輸?？杀槐碚鳛橥ㄐ判诺赖钠渌劫|(zhì)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒質(zhì)如磁帶、磁盤和光盤。在信號(hào)通過任何信道傳輸中的一個(gè)共同的問題是加性噪聲。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。有時(shí)將這種噪聲稱為熱噪聲。其他噪聲和干擾源也許是系統(tǒng)外面引起的，例如來自信道上其他用戶的干擾。當(dāng)這樣的噪聲和干擾與期望信號(hào)占有同頻帶時(shí)，可通過對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收機(jī)中解調(diào)器的適當(dāng)設(shè)計(jì)來使它們的影響最小。信號(hào)在信道上傳輸時(shí)可能會(huì)遇到的其他類型損傷有信號(hào)衰減、幅度和相位失真、多徑失真等?？梢酝ㄟ^增加發(fā)送信號(hào)功率的方法使噪聲的影響最小。然而，設(shè)備和其他實(shí)際因素限制了發(fā)送信號(hào)的功率電平，另一個(gè)基本的限制是可用的信道帶寬。帶寬的限制通常是由于媒質(zhì)以及發(fā)送機(jī)和接牧機(jī)中組成器件和部件的物理限制產(chǎn)生的。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。下面描述幾種通信信道的重要特征。 有線信道電話網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了有線線路的應(yīng)用，如話音信號(hào)傳輸以及數(shù)據(jù)和視頻傳輸。雙絞線和同軸電纜是基本的導(dǎo)向電磁信道，它能提供比較適度的帶寬。通常用來連接用戶和中心 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯）機(jī)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）。信號(hào)在這樣的信道上傳輸時(shí)，其幅度和相位都會(huì)發(fā)生失真，還受到加性噪聲的惡化。雙絞線信道還易受到來自物理鄰近信道的串音干擾。因?yàn)樵谌珖腿澜缬芯€信道上通信在日常通信中占有相當(dāng)大的比例，因此,人們對(duì)傳輸特性的表征以及對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)的幅度和相位失真的減緩方法作了大量研究。在第9章中，我們將闡述最佳傳輸信號(hào)及其解調(diào)的設(shè)什方法。在笫10章和第11章中，我們將研究信道均衡器的設(shè)計(jì),它是用來補(bǔ)償信道的幅度和相位失真的。 光纖信道光纖提供的信道帶寬比同軸電纜信道大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在過去的20年中，已經(jīng)研發(fā)出具有較低倌號(hào)衰減的光纜，以及用于信號(hào)和信號(hào)檢測的可靠性光子器件。這些技術(shù)上的進(jìn)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。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。在光纖通信系統(tǒng)中，（LED）或者是激光。通過消息信號(hào)改變（調(diào)制）光源的強(qiáng)度來發(fā)送信息。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(bǔ)償信號(hào)衰減（在數(shù)宇傳輸中，光由中繼器檢測和再生）。在接收機(jī)中，光的強(qiáng)度由光電二極管檢測，它的輸出電信號(hào)的變化直接與照射到光電二極管上的光的功率成正比。光纖信道中的噪聲源是光電二極管和電子放大器。 無線電磁信道在無線通信系統(tǒng)中，電磁能是通過作為輻射器的天線耦合到傳播媒質(zhì)的。天線的物理尺寸和配置主要決定于運(yùn)行的頻率。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。因此,在調(diào)幅（AM）頻段發(fā)射的無線電臺(tái)，譬如說在f=1MHz時(shí)（相當(dāng)于波長= C/f=300m）要求天線至少為30m。無線傳輸天線的其他重要特征和屬性將在第5章闡述。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。在甚低頻（VLF）和音頻段，其波長超過10km，地球和電離層對(duì)電磁波傳播的作用如同波導(dǎo)。在這些頻段,通信信號(hào)實(shí)際上環(huán)繞地球傳播，由于這個(gè)原因，這些頻段主要用來在世界范圍內(nèi)提供從海洋到船舶的導(dǎo)航幫助。在此頻段中可用的帶寬 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯）較?。ㄍǔＪ侵行念l率的1% ~10%）因此通過這些信道傳輸?shù)男畔⑺俾瘦^低，且一般限于數(shù)字傳輸。在這些頻率上，最主要的一種噪聲是由地球上的雷暴活動(dòng)產(chǎn)生的，特別是在熱帶地區(qū)。干擾來自這些頻段上的用戶。在高頻（HF）頻段范圍內(nèi)，電磁波經(jīng)由天波傳播時(shí)經(jīng)常發(fā)生的問題是信號(hào)多徑。信號(hào)多徑發(fā)生在發(fā)送信號(hào)經(jīng)由多條傳播路徑以不同的延遲到達(dá)接收機(jī)的時(shí)侯，一般會(huì)引起數(shù)字通信系統(tǒng)中的符號(hào)間干擾。而且經(jīng)由不同傳播路徑到達(dá)的各信號(hào)分量會(huì)相互削弱。在夜晚，天波是主要的傳播模式。HF頻段的加性噪聲是大氣噪聲和熱噪聲的組合。在大約30MHZ之上的頻率,即頻段的邊緣，就不存在天波電離層傳播。然而，在30~60MHZ頻段有可能進(jìn)行電離層散射傳播，這是由較低電離層的信號(hào)散射引起的。也可利用在40~300MHZ頻率范圍內(nèi)的對(duì)流層散射在幾百英里的距離通信。對(duì)流層散射是由在10mile或更低高度大氣層中的粒子引起的信號(hào)散射造成的，一般地，電離層散射和對(duì)流層散射具有大的信號(hào)傳播損耗，要求發(fā)射機(jī)功率大和天線比較長。在30MHZ以上頻率通過電離層傳播具有較小的損耗,這使得衛(wèi)星和超陸地通信成為可能。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。對(duì)于陸地通信系統(tǒng)這意味著發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的天線必須是直達(dá)LOS,沒有什么障礙。由于這個(gè)原因VHF和特高頻(UHF)頻段發(fā)射的電視臺(tái)的天線安裝在髙塔上,以達(dá)到更寬的覆蓋區(qū)域。一般地LOS傳播所能覆蓋的區(qū)域受到地球曲度的限制。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，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。對(duì)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(jī)前端所產(chǎn)生的熱噪聲和天線接收到的宇宙噪聲。在10GHZ以上的超髙頻（SHF)頻段，大氣層環(huán)境在信號(hào)傳播中擔(dān)負(fù)主要角色。例如,在10GHZ頻率， dB/；在100GHZ,。因此，在此頻率范圍,大雨引起了很大的傳播損耗，這會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷(通信系統(tǒng)完全中斷)。黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯）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。到目前為止,這些頻段已經(jīng)用于實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng),例如，衛(wèi)星到衛(wèi)星的通信鏈路。 水聲信道。與這種增多相關(guān)的是對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的需求。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。除極低頻率外，電磁波在水下不能長距離傳播。在低頻率的信號(hào)傳輸?shù)难由焓艿较拗疲驗(yàn)樗枰蟮那夜β蕪?qiáng)的發(fā)送機(jī)。電磁波在水下的衰減可以用表面深度來表示,它是信號(hào)衰減l/e的距離。對(duì)于海水,表面深度 250/f，其中f以HZ為單位。例如，在10 khz上,。聲信號(hào)能在幾十甚至幾百千米距離上傳播。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(duì)信號(hào)反射的緣故。因?yàn)椴ǖ倪\(yùn)動(dòng),信號(hào)多徑分量的傳播延遲是時(shí)變的，這就導(dǎo)致了信號(hào)的衰落。此外,還存在與頻率相關(guān)的衰減，它與信號(hào)頻率的平方近似成正比。聲音速度通常大約為1 500m/s，實(shí)際值將在正常值上下變化,這取決于信號(hào)傳播的深度。海洋背景噪聲是由蝦、魚和各種哺乳動(dòng)物引起的。在靠近港口處，除了海洋背景噪聲外也有人為噪聲。盡管有這些不利的環(huán)境，還是可能設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)有效的且高可靠性的水聲通信系統(tǒng),以長距離地傳輸數(shù)字信號(hào)。 存儲(chǔ)信道信息存儲(chǔ)和恢復(fù)系統(tǒng)構(gòu)成了日常數(shù)據(jù)處理工作的非常重要的部分。磁帶（包括數(shù)字的聲帶和錄像帶）、用來存儲(chǔ)大量計(jì)箅機(jī)數(shù)據(jù)的磁盤、用作計(jì)箅機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的光盤以及只讀光盤都是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的例子,它們可以表征為通信信道。在磁帶或磁盤或光盤上存儲(chǔ)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)?；刈x過程以及在存儲(chǔ)系統(tǒng)中恢復(fù)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的信號(hào)處理等效于在電話和無線通信系統(tǒng)中恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。由電子元器件產(chǎn)生的加性噪聲和來自鄰近軌道的干擾一般會(huì)呈現(xiàn)在存儲(chǔ)系統(tǒng)的回讀信號(hào)中，這正如電話或無線通信系統(tǒng)中的情況。所能存儲(chǔ)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(chǔ)的比特?cái)?shù)）的限制，該密度是由寫/讀電系統(tǒng)和讀寫頭確定的。例如在磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)中，封裝密度可達(dá)每平方英寸比特(1 in=)。磁盤或磁帶上的數(shù)據(jù)的讀寫速度也受到組成信息存儲(chǔ)系 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯）統(tǒng)的機(jī)械和電子子系統(tǒng)的限制。信道編碼和調(diào)制是良好設(shè)計(jì)的數(shù)字磁或存儲(chǔ)系統(tǒng)的最重要的組成部分。在回讀過程中，信號(hào)被解調(diào)。由信道編碼器引入的附加冗余度用于糾正回讀信號(hào)中的差錯(cuò)。通信信道的數(shù)學(xué)模型在通過物理信道傳輸信息的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們發(fā)現(xiàn)，建立一個(gè)能反映傳輸媒質(zhì)最重要特征的數(shù)學(xué)模型是很方便的。信道的數(shù)學(xué)模型可以用于發(fā)送機(jī)中的信道編碼器和調(diào)制器，以及接收機(jī)中的解調(diào)器和信道譯碼器的設(shè)計(jì)。下面，我們將簡要的描述信道的模型，它們常用來表征實(shí)際的物理信道。 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。在這個(gè)模型中，發(fā)送信號(hào)s（t）被加性隨機(jī)噪聲過程n（t）惡化。在物理上，加性噪聲過程由通信系統(tǒng)接收機(jī)中的電子元部件和放大器引起，或者由傳輸中的干擾引起（正如在無線電信號(hào)傳輸中那樣）。如果噪聲主要是由接收機(jī)中的元部件和放大器引起，那么，它可以表征為熱噪聲。這種模型的噪聲統(tǒng)計(jì)地表征為高斯噪聲過程。因此，該信道的數(shù)學(xué)模型通常稱為加性高斯噪聲信道。因?yàn)檫@個(gè)信道模型適用于很廣的物理通信信道，并且因?yàn)樗跀?shù)學(xué)上易于處理，所以是在通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中所用的最主要的信道模型。信道的衰減很容易加入到該模型。信號(hào)通過信道傳輸而受到衰減時(shí)，接收信號(hào)是r(t)=as(t)+n(t)式中，是衰減因子。 加性噪聲信道 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)翻譯） 線性濾波器信道 在某些物理信道中，例如有線電話信道，采用濾波器來保證傳輸信號(hào)不超過規(guī)定的帶寬限制，從而不會(huì)引起相互干擾。這樣的信道通常在數(shù)學(xué)上表征為帶有加性噪聲的線性濾波器。因此，如果信道輸入信號(hào)為s（t），那么信道輸出信號(hào)是r(t)=s(t)*c(t)+n(t)= 242。+165。165。c(t)s(tt)dt+n(t)式中，是信道的沖激響應(yīng)，表示卷積。 帶有加性噪聲的線性濾波器信道 線性時(shí)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(huì)導(dǎo)致發(fā)送信號(hào)的時(shí)變多徑傳播，這類物理信道在教學(xué)上可以表征為時(shí)變線性濾波器。該線性濾波器可以表征為時(shí)變信道沖激響應(yīng)c（τ；t），這里c（τ；t）是信道在tτ時(shí)刻加入沖激而在τ時(shí)刻的響應(yīng)。因此，τ表示“歷時(shí)（經(jīng)歷時(shí)間）”變量。上面描述的三種數(shù)學(xué)模型適當(dāng)?shù)谋碚髁藢?shí)際中的絕大多