【導讀】題目差錯控制編碼解決加性噪聲的仿真。專業(yè)班級通信工程05-2. 院（系）計算機與通信工程學院。完成時間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、時分多路及時分多址。 移動通信 ： GSM、 CDMA。 數(shù)字移動通信關(guān)鍵技術(shù)：調(diào)制技術(shù)、糾錯編碼和數(shù)字話音編碼。 五種基本的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)： （ 1） 脫機數(shù)據(jù)傳輸是簡單地利用電話或類似的鏈路來傳輸數(shù)據(jù)，不包括計算機系統(tǒng)。這樣一條鏈路兩端所使用的設備不是計算機的部件，或至少不是立刻把數(shù)據(jù)提供給計算機處理，即數(shù)據(jù)在發(fā)送或接收時是脫機的。這種數(shù)據(jù)通信相對來說比較便宜 12 和簡單。 （ 2） 遠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)來使數(shù)據(jù)的輸入和輸出在地理上遠離按批處理模式處理處理它們的計算機。 （ 3） 聯(lián)機數(shù)據(jù)收集指的是用數(shù)據(jù)通信技術(shù)來向計算機即時提供剛產(chǎn)生的輸入數(shù)據(jù)這種方法。數(shù)據(jù)于是存儲在計算機里（比如磁盤上），并按預定時間間隔或者根據(jù)需要進行處理。 （ 4） 詢問 —— 應答系統(tǒng)，顧名思義，是為用戶提供從計算機提取信息的功能。詢問功能是被動的。也就是說，它不修改所存儲的信息。提問可以很簡單，例如： 檢索雇員號碼為 1234的記錄 也可以是復雜的。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） 實時系統(tǒng)是這樣一類系統(tǒng)，其中計算機系統(tǒng)是在動態(tài)情況下取得和處理信息，以便可使計算機采取動作 來影響正在發(fā)生的事件（比如在過程控制應用中）或者可通過存儲在計算機里的準確且不斷更新的信息來影響人（操作員），比如在預售系統(tǒng)中。 基礎理論 ： 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，主要內(nèi)容包括信號的頻譜與帶寬、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 信號的頻譜與帶寬 信號是數(shù)據(jù)的電磁編碼，信號中包含了所要傳遞的數(shù)據(jù)。信號一般以時間為自變量，以表示消息（或數(shù)據(jù)）的某個參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號按其自變量時間的取值是否連續(xù)，可分為連續(xù)信號和離散信號；按其因變量的取值是否連續(xù)，又可分為模擬信號和數(shù)字信號。 信號具有時域和頻域兩種最基本的表現(xiàn)形式和特性。時域特性反映信號隨時間變化的情況。頻域特性不僅含有信號時域中相同的信息量，而且通過對信號的頻譜分析，還可以清楚地了解該信號的頻譜分布情況及所占有的頻帶寬度。為了得到所傳輸?shù)男盘枌邮赵O備及信道的要求，只了解信 號的時域特性是不夠的，還必須知道信號的頻譜分布情況。信號的時域特性表示出信號隨時間變化的情況。由于信號中的大部分能量都集中在一個相對較窄的頻帶范圍之內(nèi)，因此我們將信號大部分能量集中的那頻帶稱為有效帶寬，簡稱帶寬。任何信號都有帶寬。一般來說，信號的帶寬越大，利用這種信號傳送數(shù)據(jù)的速率就越高，要求傳輸介質(zhì)的帶寬也越大。下面我們將簡單介紹常 13 見信號的頻譜和帶寬。 聲音信號的頻譜大致在 20 Hz～ 2020 kHz的范圍（低于 20 Hz的信號為次聲波，高于 2020 KHz的信號為超聲波），但用一個窄得多的帶寬就能產(chǎn) 生可接受話音的重現(xiàn)，因而話音信號的標準頻譜為 300 Hz～ 3400 Hz，其帶寬為 3 kHz。電視信號的頻譜為 0～4MHz，因此其帶寬為 4MHz。 作為一個特殊的例子，單穩(wěn)脈沖信號的帶寬為無窮大。而對于二進制信號，其帶寬一般依賴于信號波形的確切形狀以及 0、 1的次序。信號的帶寬越大，它就越忠實地表示著數(shù)字序列。 3 信道的截止頻率與帶寬 根據(jù)傅立葉級數(shù)我們知道，如果一個信號的所有頻率分量都能完全不變地通過信道傳輸?shù)浇邮斩耍敲丛诮邮斩擞蛇@些頻率分量疊加起來而形成的信號則和發(fā)送端的信號是完全一樣的，即接 收端完全恢復了發(fā)送端發(fā)出的信號。但現(xiàn)實世界上，沒有任何信道能毫無損耗地通過所有頻率分量。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雖然在振幅上有所衰減，但并沒有發(fā)生畸變。然而所有的傳輸信道和設備對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有衰減，而有些頻率分量被衰減了一些，這就是說，信道也具有一定的振幅頻率特性，因而導致輸出信號發(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程中不發(fā)生衰減（或其衰減是一個非常小的常量），而在此 fc頻率之上的所有諧波在傳輸過程中衰減很大， 我們把信號在信道傳輸過程中某個分量的振幅衰減到原來的 （即輸出信號的功率降低了一半）時所對應的那個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，則是因為人們有意地在線路中安裝了濾波器以限制每個用戶使用的帶寬。有些時候，由于在信道中加入雙通濾波器，因而信道對應著兩個截止頻率 f 1和 f 2，它們分別被稱為下截止頻率和上截止頻率。而這兩個截止頻率之差 f 2f 1被稱作信道的帶寬 .如果輸入信號的帶寬小于信道的帶寬，則輸入信號的 全部頻率分量都能通過信道，因而信道輸出端得到的輸出波形將是不失真的。但如果輸入信號的帶寬大于信道的帶寬，則信號中某些頻率分量就不能通過信道，這樣輸出得到的信號將與發(fā)送端發(fā)送的信號有些不同，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)傳輸率單位時間內(nèi)能傳輸?shù)亩M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間的減小，即二進制數(shù)字脈沖序列的周期時間會減小，當然脈沖寬度也會減小。 前一節(jié)里我們已經(jīng)知道，即使二進制數(shù)字脈沖信號通過帶寬有限的理想信道時 也會產(chǎn)生波形失真，而且當輸入信號的帶寬一定時，信道的帶寬越小，輸出的波形失真就會越大。換個角度說，當信道的帶寬一定時，輸入信號的帶寬越大，輸出信號的失真就越大，因此當數(shù)據(jù)傳輸率提高到一定程度時（信號帶寬增大到一定程度），在信道輸出端上的信號接收器根本無法從已失真的輸出信號中恢復出所發(fā)送的數(shù)字序列。這就是說，即使對于理想信道，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）就認識到這個基本限制的存在，并推導出表示無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一步擴展到了信道受到隨機噪聲干擾的情況。這里我們不加證明地簡述這些現(xiàn)在視為經(jīng)典的結(jié)果。 Nyquist證明，任意連續(xù)信號 f（ t）通過一個無噪聲的帶寬為 B的信道后，其輸出信號為一個帶寬為 B的時間連續(xù)信號 g（ t）。如果要輸出數(shù)字信號，還必須以一定的速率對 g（ t）進行等間隔的抽樣。抽樣速度高于每秒 2B次是無意義的，因為信號中高于信道帶寬 B以外的高頻分量已被信道衰減掉。如果 g（ t） 由 V個離散化的電平組成，即每次抽樣的可能結(jié)果為 V個離散化電平之一，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，一個無噪聲帶寬為 3000 Hz的信道不能傳送速率超過 6000比特 /秒的二進制數(shù)字信號。 前面我們僅僅考慮了無噪聲的理想信道。對于有噪聲的信道，情況將會迅速變壞。信道中熱噪聲用信號功率與噪聲功率之比來度量，信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（ Signalto Noise Ratio）。如果我們用 S表示信號功率，用 N表示噪聲功率，則信噪比應被表示為 S/N。但人們通常不使用信噪比的絕對值，而是使用 10log10S/N來表示，單位是分貝 （ dB）。對于 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，對于一個帶寬為 3 kHz，信噪比為 30 dB的信道，無論其使用多少個量化電平，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)信息論推導出來的，適 用的范圍非常廣，要想超越這一結(jié)論就好比想要發(fā)明永動機一樣，幾乎是不可能的。 值得注意的是， Shanno的結(jié)論僅僅給出了一個理論 極限，而實際上，要接近這個極限也是相當困難的。 總 結(jié) 信號是消息（或數(shù)據(jù)）的一種電磁編碼，信號中包含了所要傳遞的消息。信號按其因變量的取值是否連續(xù)，可分為模擬信號和數(shù)字信號，相應的也可將通信 分為模擬通信和數(shù)字通信。 傅立葉已經(jīng)證明：任何信號（不管是模擬信號還是數(shù)字信號）都是由各種不同頻率的諧波組成的，任何信號都有相應的帶寬。而且任何信道在傳輸信號時都會對信號產(chǎn)生衰減 ，因此，任何信道在傳輸信號時都存在一個數(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)是計算機網(wǎng)絡與通信的最基本的組成部分，它在整個計算機網(wǎng)絡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用技術(shù)。多路復用技術(shù)有頻分多路復用、波分多路復用和時分多路復用三種，它們用在不同的場合。 數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括電路交換、報文交換和分組交換三種，它們各自有優(yōu)缺點。 M o d e m是用于在模擬電話網(wǎng)上傳 輸計算機的二進制數(shù)據(jù)的設備。 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還支持數(shù)據(jù)壓縮和差錯控制。 數(shù)據(jù)通信的概念 ： 數(shù)據(jù)通信是以 “數(shù)據(jù) ”為業(yè)務的通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)是預先約定好的具有某種含義的數(shù)字、字母或符號以及它們的組合。 16 參考文獻 [1] and ,“Two small SNR classification rules for CPM,”in Mil,San Diego,CA,USA,–1240. 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