【導(dǎo)讀】題目差錯(cuò)控制編碼解決加性噪聲的仿真。專業(yè)班級(jí)通信工程05-2. 院（系）計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院。完成時(shí)間2020年4月26日

　　

【正文】 擬調(diào)制、頻分多路及頻分多址。 數(shù)字衛(wèi)星通信采用數(shù)字調(diào) 制、時(shí)分多路及時(shí)分多址。 移動(dòng)通信 ： GSM、 CDMA。 數(shù)字移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)：調(diào)制技術(shù)、糾錯(cuò)編碼和數(shù)字話音編碼。 五種基本的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)： （ 1） 脫機(jī)數(shù)據(jù)傳輸是簡(jiǎn)單地利用電話或類似的鏈路來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，不包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這樣一條鏈路兩端所使用的設(shè)備不是計(jì)算機(jī)的部件，或至少不是立刻把數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)處理，即數(shù)據(jù)在發(fā)送或接收時(shí)是脫機(jī)的。這種數(shù)據(jù)通信相對(duì)來(lái)說(shuō)比較便宜 12 和簡(jiǎn)單。 （ 2） 遠(yuǎn)程批處理一詞適用于這樣一種方法：采用數(shù)據(jù)通信技術(shù)來(lái)使數(shù)據(jù)的輸入和輸出在地理上遠(yuǎn)離按批處理模式處理處理它們的計(jì)算機(jī)。 （ 3） 聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)收集指的是用數(shù)據(jù)通信技術(shù)來(lái)向計(jì)算機(jī)即時(shí)提供剛產(chǎn)生的輸入數(shù)據(jù)這種方法。數(shù)據(jù)于是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里（比如磁盤上），并按預(yù)定時(shí)間間隔或者根據(jù)需要進(jìn)行處理。 （ 4） 詢問(wèn) —— 應(yīng)答系統(tǒng)，顧名思義，是為用戶提供從計(jì)算機(jī)提取信息的功能。詢問(wèn)功能是被動(dòng)的。也就是說(shuō)，它不修改所存儲(chǔ)的信息。提問(wèn)可以很簡(jiǎn)單，例如： 檢索雇員號(hào)碼為 1234的記錄 也可以是復(fù)雜的。這類系統(tǒng)可能要使用能產(chǎn)生硬拷貝和（或）可視顯示的終端。 （ 5） 實(shí)時(shí)系統(tǒng)是這樣一類系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是在動(dòng)態(tài)情況下取得和處理信息，以便可使計(jì)算機(jī)采取動(dòng)作 來(lái)影響正在發(fā)生的事件（比如在過(guò)程控制應(yīng)用中）或者可通過(guò)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里的準(zhǔn)確且不斷更新的信息來(lái)影響人（操作員），比如在預(yù)售系統(tǒng)中。 基礎(chǔ)理論 ： 這一節(jié)的主要目的是討論數(shù)據(jù)通信涉及的理論基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括信號(hào)的頻譜與帶寬、信道的截止頻率與帶寬以及信道所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸率。 2 信號(hào)的頻譜與帶寬 信號(hào)是數(shù)據(jù)的電磁編碼，信號(hào)中包含了所要傳遞的數(shù)據(jù)。信號(hào)一般以時(shí)間為自變量，以表示消息（或數(shù)據(jù)）的某個(gè)參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號(hào)按其自變量時(shí)間的取值是否連續(xù)，可分為連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)；按其因變量的取值是否連續(xù)，又可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 信號(hào)具有時(shí)域和頻域兩種最基本的表現(xiàn)形式和特性。時(shí)域特性反映信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。頻域特性不僅含有信號(hào)時(shí)域中相同的信息量，而且通過(guò)對(duì)信號(hào)的頻譜分析，還可以清楚地了解該信號(hào)的頻譜分布情況及所占有的頻帶寬度。為了得到所傳輸?shù)男盘?hào)對(duì)接收設(shè)備及信道的要求，只了解信 號(hào)的時(shí)域特性是不夠的，還必須知道信號(hào)的頻譜分布情況。信號(hào)的時(shí)域特性表示出信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。由于信號(hào)中的大部分能量都集中在一個(gè)相對(duì)較窄的頻帶范圍之內(nèi)，因此我們將信號(hào)大部分能量集中的那頻帶稱為有效帶寬，簡(jiǎn)稱帶寬。任何信號(hào)都有帶寬。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)的帶寬越大，利用這種信號(hào)傳送數(shù)據(jù)的速率就越高，要求傳輸介質(zhì)的帶寬也越大。下面我們將簡(jiǎn)單介紹常 13 見(jiàn)信號(hào)的頻譜和帶寬。 聲音信號(hào)的頻譜大致在 20 Hz～ 2020 kHz的范圍（低于 20 Hz的信號(hào)為次聲波，高于 2020 KHz的信號(hào)為超聲波），但用一個(gè)窄得多的帶寬就能產(chǎn) 生可接受話音的重現(xiàn)，因而話音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜為 300 Hz～ 3400 Hz，其帶寬為 3 kHz。電視信號(hào)的頻譜為 0～4MHz，因此其帶寬為 4MHz。 作為一個(gè)特殊的例子，單穩(wěn)脈沖信號(hào)的帶寬為無(wú)窮大。而對(duì)于二進(jìn)制信號(hào)，其帶寬一般依賴于信號(hào)波形的確切形狀以及 0、 1的次序。信號(hào)的帶寬越大，它就越忠實(shí)地表示著數(shù)字序列。 3 信道的截止頻率與帶寬 根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)我們知道，如果一個(gè)信號(hào)的所有頻率分量都能完全不變地通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩耍敲丛诮邮斩擞蛇@些頻率分量疊加起來(lái)而形成的信號(hào)則和發(fā)送端的信號(hào)是完全一樣的，即接 收端完全恢復(fù)了發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)。但現(xiàn)實(shí)世界上，沒(méi)有任何信道能毫無(wú)損耗地通過(guò)所有頻率分量。如果所有的傅立葉分量都被等量衰減，那么接收端接收到的信號(hào)雖然在振幅上有所衰減，但并沒(méi)有發(fā)生畸變。然而所有的傳輸信道和設(shè)備對(duì)不同的頻率分量的衰減程度是不同的，有些頻率分量幾乎沒(méi)有衰減，而有些頻率分量被衰減了一些，這就是說(shuō)，信道也具有一定的振幅頻率特性，因而導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生畸變。通常情況是頻率為 0到 fc赫茲范圍內(nèi)的諧波在信道傳輸過(guò)程中不發(fā)生衰減（或其衰減是一個(gè)非常小的常量），而在此 fc頻率之上的所有諧波在傳輸過(guò)程中衰減很大， 我們把信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中某個(gè)分量的振幅衰減到原來(lái)的 （即輸出信號(hào)的功率降低了一半）時(shí)所對(duì)應(yīng)的那個(gè)頻率稱為信道的截止頻率（ cutoff frequency）。 截止頻率反映了傳輸介質(zhì)本身所固有的物理特性。另一些情況下，則是因?yàn)槿藗冇幸獾卦诰€路中安裝了濾波器以限制每個(gè)用戶使用的帶寬。有些時(shí)候，由于在信道中加入雙通濾波器，因而信道對(duì)應(yīng)著兩個(gè)截止頻率 f 1和 f 2，它們分別被稱為下截止頻率和上截止頻率。而這兩個(gè)截止頻率之差 f 2f 1被稱作信道的帶寬 .如果輸入信號(hào)的帶寬小于信道的帶寬，則輸入信號(hào)的 全部頻率分量都能通過(guò)信道，因而信道輸出端得到的輸出波形將是不失真的。但如果輸入信號(hào)的帶寬大于信道的帶寬，則信號(hào)中某些頻率分量就不能通過(guò)信道，這樣輸出得到的信號(hào)將與發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)有些不同，即產(chǎn)生了失真。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，必須限制信號(hào)的帶寬。 14 4 數(shù)據(jù)傳輸率 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)稱為數(shù)據(jù)傳輸率。數(shù)據(jù)傳輸率的提高意味著每一位所占用的時(shí)間的減小，即二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列的周期時(shí)間會(huì)減小，當(dāng)然脈沖寬度也會(huì)減小。 前一節(jié)里我們已經(jīng)知道，即使二進(jìn)制數(shù)字脈沖信號(hào)通過(guò)帶寬有限的理想信道時(shí) 也會(huì)產(chǎn)生波形失真，而且當(dāng)輸入信號(hào)的帶寬一定時(shí)，信道的帶寬越小，輸出的波形失真就會(huì)越大。換個(gè)角度說(shuō)，當(dāng)信道的帶寬一定時(shí)，輸入信號(hào)的帶寬越大，輸出信號(hào)的失真就越大，因此當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率提高到一定程度時(shí)（信號(hào)帶寬增大到一定程度），在信道輸出端上的信號(hào)接收器根本無(wú)法從已失真的輸出信號(hào)中恢復(fù)出所發(fā)送的數(shù)字序列。這就是說(shuō)，即使對(duì)于理想信道，有限的帶寬也限制了信道數(shù)據(jù)傳輸率。 早在 1924年， H. Nyquist（奈奎斯特）就認(rèn)識(shí)到這個(gè)基本限制的存在，并推導(dǎo)出表示無(wú)噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率的公式。在 1948年， C. Shannon（香農(nóng)）把奈奎斯特的工作進(jìn)一步擴(kuò)展到了信道受到隨機(jī)噪聲干擾的情況。這里我們不加證明地簡(jiǎn)述這些現(xiàn)在視為經(jīng)典的結(jié)果。 Nyquist證明，任意連續(xù)信號(hào) f（ t）通過(guò)一個(gè)無(wú)噪聲的帶寬為 B的信道后，其輸出信號(hào)為一個(gè)帶寬為 B的時(shí)間連續(xù)信號(hào) g（ t）。如果要輸出數(shù)字信號(hào)，還必須以一定的速率對(duì) g（ t）進(jìn)行等間隔的抽樣。抽樣速度高于每秒 2B次是無(wú)意義的，因?yàn)樾盘?hào)中高于信道帶寬 B以外的高頻分量已被信道衰減掉。如果 g（ t） 由 V個(gè)離散化的電平組成，即每次抽樣的可能結(jié)果為 V個(gè)離散化電平之一，則該信道的最 大的數(shù)據(jù)傳 輸率 Rmax 為： Rmax = 2Blog 2V（ 比特 /秒 ） 例如，一個(gè)無(wú)噪聲帶寬為 3000 Hz的信道不能傳送速率超過(guò) 6000比特 /秒的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。 前面我們僅僅考慮了無(wú)噪聲的理想信道。對(duì)于有噪聲的信道，情況將會(huì)迅速變壞。信道中熱噪聲用信號(hào)功率與噪聲功率之比來(lái)度量，信號(hào)功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（ Signalto Noise Ratio）。如果我們用 S表示信號(hào)功率，用 N表示噪聲功率，則信噪比應(yīng)被表示為 S/N。但人們通常不使用信噪比的絕對(duì)值，而是使用 10log10S/N來(lái)表示，單位是分貝 （ dB）。對(duì)于 S/N等于 10的信道，則稱其信噪比為 10dB；同樣的道理，如果信道的 S/N等于 100，則稱其信噪比為 20dB； 以此類推。 Shanno關(guān)于有噪聲信道最大數(shù)據(jù)傳輸率的結(jié)論是：對(duì)于 帶寬為 BHz，信噪比為 S/N的信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸 15 率 Rm a x為： Rmax = Blog 2 (1 + S/N）（ 比特 /秒 ） 例如，對(duì)于一個(gè)帶寬為 3 kHz，信噪比為 30 dB的信道，無(wú)論其使用多少個(gè)量化電平，也不管采樣速度多快，其數(shù)據(jù)傳輸率不可能大于 30000比特 /秒。 Shanno的結(jié)論是根據(jù)信息論推導(dǎo)出來(lái)的，適 用的范圍非常廣，要想超越這一結(jié)論就好比想要發(fā)明永動(dòng)機(jī)一樣，幾乎是不可能的。 值得注意的是， Shanno的結(jié)論僅僅給出了一個(gè)理論 極限，而實(shí)際上，要接近這個(gè)極限也是相當(dāng)困難的。 總 結(jié) 信號(hào)是消息（或數(shù)據(jù)）的一種電磁編碼，信號(hào)中包含了所要傳遞的消息。信號(hào)按其因變量的取值是否連續(xù)，可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)的也可將通信 分為模擬通信和數(shù)字通信。 傅立葉已經(jīng)證明：任何信號(hào)（不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)）都是由各種不同頻率的諧波組成的，任何信號(hào)都有相應(yīng)的帶寬。而且任何信道在傳輸信號(hào)時(shí)都會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減 ，因此，任何信道在傳輸信號(hào)時(shí)都存在一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率的限制，這就是奎 N y q u i s t（奈奎斯特）定理和 S h a n n o n（香農(nóng)）定理所要告訴我們的結(jié)論。 傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信的最基本的組成部分，它在整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的成本中占有很大的比重。為了提高傳輸介質(zhì)的利用率，我們可以使用多路復(fù)用技術(shù)。多路復(fù)用技術(shù)有頻分多路復(fù)用、波分多路復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用三種，它們用在不同的場(chǎng)合。 數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括電路交換、報(bào)文交換和分組交換三種，它們各自有優(yōu)缺點(diǎn)。 M o d e m是用于在模擬電話網(wǎng)上傳 輸計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的設(shè)備。 M o d e m的調(diào)制方式有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及正交幅度調(diào)制，而且 M o d e m還支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮和差錯(cuò)控制。 數(shù)據(jù)通信的概念 ： 數(shù)據(jù)通信是以 “數(shù)據(jù) ”為業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)是預(yù)先約定好的具有某種含義的數(shù)字、字母或符號(hào)以及它們的組合。 16 參考文獻(xiàn) [1] and ,“Two small SNR classification rules for CPM,”in Mil,San Diego,CA,USA,–1240. 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