電力系統(tǒng)通信技術(shù) 第2章 通信基礎(chǔ)知識

第二章第二章 通信基礎(chǔ)知識通信基礎(chǔ)知識n通信的基本概念與基本問題通信的基本概念與基本問題n信號分析基礎(chǔ)信號分析基礎(chǔ)n通信中的調(diào)制技術(shù)通信中的調(diào)制技術(shù)n通信中的編碼技術(shù)通信中的編碼技術(shù)n數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)n通信中的復(fù)用和多址技術(shù)通信中的復(fù)用和多址技術(shù)n通信中的同步通信中的同步第一節(jié)第一節(jié) 通信的基本概念與基本問題通信的基本概念與基本問題 一、通信系統(tǒng)模型一、通信系統(tǒng)模型 圖1-1給出的是通信系統(tǒng)的一般模型，反映了通信系統(tǒng)的共性，根據(jù)研究的對象和關(guān)注的問題不同，各方框的內(nèi)容和作用有所不同。按照信道中傳輸?shù)男盘柺悄M信號還是數(shù)字信號，可將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)。圖1-11.模擬通信系統(tǒng)模型n凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號，如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)，如抽樣信號。信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)的模型如圖2-1所示。圖2-12.數(shù)字通信系統(tǒng)模型n凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報信號、計算機輸入/輸出信號、PCM信號等。數(shù)字信號有時也稱離散信號，這個離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時間上也離散。信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的模型如圖2-2所示。圖2-2數(shù)字通信的優(yōu)點對兩種通信系統(tǒng)來說，數(shù)字通信是發(fā)展的主流，因為數(shù)字通信具有很多優(yōu)點：（1）抗干擾能力強，數(shù)字信號可以再生從而消除噪聲累積。（2）便于進(jìn)行各種數(shù)字信號處理。（3）便于實現(xiàn)集成化。（4）便于加密處理。（5）便于綜合傳遞各種信息，實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。3信息、消息與信號（1）信息 信息是一種不確定度的描述，是語言、文字、數(shù)據(jù)或圖像中所包含的人們想知道的內(nèi)容，是內(nèi)在的實質(zhì)的東西。（2）消息 消息是具體的，有不同的形式。消息中包含了信息，如符號、文字、語音、數(shù)據(jù)、圖象等，根據(jù)所傳輸?shù)南⒉煌纬闪四壳暗母鞣N通信業(yè)務(wù)，我們可以從消息中提取信息。因此，通信的根本目的在于傳輸含有信息的消息，否則，就失去了通信的意義。基于這種認(rèn)識，“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。（3）信號 信號為消息的表示形式，在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膶嶋H是表現(xiàn)為各種消息形式的電信號。二、通信系統(tǒng)的分類（一）按通信業(yè)務(wù)不同分類n按照目前通信業(yè)務(wù)的不同可將通信系統(tǒng)分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、傳真通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、可視電話系統(tǒng)、無線尋呼系統(tǒng)等。n另外從廣義的角度來看，廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、遙測等也應(yīng)列入通信的范疇，因為它們都滿足通信的定義。由于廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等的不斷發(fā)展，目前它們已從通信中派生出來，形成了獨立的學(xué)科。（二）按調(diào)制方式不同分類n根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)（或稱載波傳輸）基帶傳輸系統(tǒng)指不經(jīng)過調(diào)制直接傳輸，而頻帶傳輸系統(tǒng)可以采用表2-1所示的各種調(diào)制方式。（三）按傳輸信號的特征分類n按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。（四）按傳送信號的復(fù)用方式分類n傳輸多路信號有頻分復(fù)用（FDM）、時分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用（CDM）、波分復(fù)用（WDM）和空分復(fù)用（SDM）。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍；時分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間；碼分復(fù)用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用，隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛，碼分復(fù)用主要用于移動通信系統(tǒng)，波分復(fù)用主要用于光纖通信，衛(wèi)星通信中還有空分復(fù)用（SDM）。（五）按傳輸媒質(zhì)分類n按傳輸媒質(zhì)，通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。有線通信是用導(dǎo)線（如架空明線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等）作為傳輸媒質(zhì)完成通信的，如市內(nèi)電話、有線電視、海底電纜通信等。無線通信是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消息的目的的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。各種傳輸媒質(zhì)有其特定的工作頻率，常用傳輸媒介的頻率范圍及用途如表2-2所示。三、通信方式三、通信方式（一）單工、半雙工及全雙工通信1單工通信單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑虼酥徽加靡粋€信道，如圖2-3(a)所示。2半雙工通信半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如圖 2-3(b)所示。3全雙工通信全雙工通信是指通信雙方可同時進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道，如圖2-3(c)所示。單工、半雙工、全雙工通信方式圖2-3(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工（二）并行傳輸和串行傳輸在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列順序不同分為并行傳輸和串行傳輸。1并行傳輸 并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸，如圖2-4（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點是節(jié)省傳輸時間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。2串行傳輸 串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸，如圖 2-4(b)所示。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。四、信息及其度量通信的目的在于傳輸信息，為了衡量通信系統(tǒng)傳輸信息的能力，需要對被傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行定量的描述，這就涉及信息量的定義。（一）信息量離散消息xi攜帶的信息量為：單位由對數(shù)的底來確定：（1）對數(shù)以2為底時，單位為比特(bit)。（2）對數(shù)以e為底時，單位為奈特(nit)。（3）對數(shù)以10為底時，單位為哈特萊(Hartley)。其中比特使用較多。（二）平均信息量(也稱信源熵)離散信源的平均信息量為：對于連續(xù)信源，其信源熵為：五、通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 在設(shè)計或評價通信系統(tǒng)時，往往以具體指標(biāo)衡量其性能的優(yōu)劣，性能指標(biāo)也稱質(zhì)量指標(biāo)。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)涉及有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟性、維護使用等。但從研究信息傳輸?shù)慕嵌葋碚f，主要性能指標(biāo)有兩個，即有效性和可靠性。其中有效性指傳輸?shù)乃俣葐栴},即給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容多少；可靠性指傳輸?shù)馁|(zhì)量問題，即接收信息的準(zhǔn)確程度。二者是一對矛盾，通常根據(jù)實際應(yīng)用求得相對的統(tǒng)一，即在滿足一定可靠性指標(biāo)下，盡量提高傳輸速度；或在維持一定有效性指標(biāo)時，使消息傳輸質(zhì)量盡可能提高。兩個主要性能指標(biāo)對于不同通信系統(tǒng)，具體表現(xiàn)也不同。（一）模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1有效性 模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸頻帶衡量，不同調(diào)制方式需要的頻帶寬度(簡稱帶寬B)也不同，信號的帶寬B越小，占用信道帶寬越少，在給定信道時容納的傳輸路數(shù)越多，有效性越好。2可靠性 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用接收端的最終輸出信號噪聲功率比(簡稱信噪比S/N或SNRSignal Noise Ratio)衡量，不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)輸出信噪比也不同，如調(diào)頻系統(tǒng)的輸出信噪比大于調(diào)幅系統(tǒng)，故可靠性比調(diào)幅系統(tǒng)好，但調(diào)頻信號所需傳輸帶寬高于調(diào)幅。（二）數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1有效性 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸速率衡量，傳輸速率又分為碼元傳輸速率和信息傳輸速率。（1）碼元傳輸速率(RB)。簡稱傳碼率，又稱符號速率，指單位時間能夠傳送的碼元數(shù)，單位為波特（Baud）。若TB（秒，S）為每個碼元傳輸所占用的時間，則 RB=1/TB(波特，Baud)。若碼元為二進(jìn)制，則RB 對應(yīng) RB2，碼元為M 進(jìn)制，則RB 對應(yīng) RBM，RB2=RBMlog2 M（2）信息傳輸速率(Rb)。簡稱傳信率，又稱比特率，指單位時間能夠傳送的平均信息量，單位為bit/s。傳碼率和傳信率的關(guān)系：Rb=RBlog2M 比特/秒，RB=Rb/log2M 波特2可靠性 數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用差錯概率衡量，差錯概率又分為誤碼率和誤信率。（1）誤碼率（碼元差錯概率）Pe。誤碼率指接收的錯誤碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，即碼元在通信系統(tǒng)中被傳錯的概率，；（2）誤信率（信息差錯概率）Pb。誤信率指發(fā)生差錯的比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例，六、信道容量與香農(nóng)公式六、信道容量與香農(nóng)公式信道容量C指信道中無差錯傳輸信息的最大速率，分為連續(xù)信道的信道容量和離散信道的信道容量。對于連續(xù)信道的信道容量，有著名的香農(nóng)公式2-1：（2-1）式中：S為信號的功率；B為信道帶寬；S/N為信道信噪比；no為噪聲功率譜密度。關(guān)于香農(nóng)公式的說明第二節(jié) 信號分析基礎(chǔ)n通信系統(tǒng)中要傳輸?shù)氖前畔⒌男盘枺虼藢νㄐ磐ㄐ畔到y(tǒng)中要傳輸?shù)氖前畔⒌男盘?，因此對通信系統(tǒng)分析離不開信號分析。系統(tǒng)分析離不開信號分析。n描述信號的基本方法是寫出它的數(shù)學(xué)表達(dá)式（一般為描述信號的基本方法是寫出它的數(shù)學(xué)表達(dá)式（一般為時間的函數(shù)），繪出函數(shù)的圖形（稱為信號的波形），時間的函數(shù)），繪出函數(shù)的圖形（稱為信號的波形），這種方法稱為時域分析法，時域分析法對于計算信號這種方法稱為時域分析法，時域分析法對于計算信號某時刻的值很方便；某時刻的值很方便；n有時還關(guān)心信號在頻域的分布，以確定信號的帶寬，有時還關(guān)心信號在頻域的分布，以確定信號的帶寬，用合適的信道來傳輸信息，這種方法稱為頻域分析法用合適的信道來傳輸信息，這種方法稱為頻域分析法。一、信號分類一、信號分類 自然界中有很多信號，可以從不同的角度對信號進(jìn)行分類。在信號分析中，常以信號所具有的時間函數(shù)特性來加以分類。這樣，信號可以分為確知信號與隨機信號(如圖2-6所示)、連續(xù)時間信號與離散時間信號(如圖2-7所示)、非周期信號(如圖2-8所示)與周期信號(如圖2-9所示)、能量信號與功率信號等。二、付里葉變換與頻譜n分析信號的頻域分布，可以確定信號的帶寬，以合理分配傳輸信道，這種方法稱為頻域分析法。付里葉變換可以使信號的時域與頻域間建立對應(yīng)關(guān)系。（一）付里葉變換與頻譜傅立葉變換定義為：傅立葉反變換定義為：記作：其中 稱為f(t)的頻譜密度函數(shù)或頻譜函數(shù)，簡稱頻譜，對應(yīng)的 曲線稱為頻譜圖。（二）常用信號的傅立葉變換1.沖激信號及頻譜時域沖激信號：(t)1頻域沖激信號：12()圖2-10 波形及頻譜2.矩形脈沖信號及頻譜n矩形脈沖信號(即門函數(shù)G(t)n頻域門函數(shù)為：圖2-11 波形及頻譜3周期信號及頻譜分析n周期信號的傅里葉級數(shù)表示為：n其中cn為傅立葉系數(shù)，寫為：n相應(yīng)周期信號的頻譜為：圖2-12 波形與頻譜4正弦信號和余弦信號的頻譜分析n余弦信號s(t)=Acos ct，正弦信號s(t)=Asin ct，c為載波角頻率，圖2-13 波形和頻譜三、信號通過線性系統(tǒng)信號通過通信系統(tǒng)傳輸時，系統(tǒng)的特性及信道中的噪聲特性會影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。系統(tǒng)可看作產(chǎn)生信號變換的任何過程，系統(tǒng)可用傳遞函數(shù)H()和沖激響應(yīng)h(t)表示(對應(yīng)圖2-14)。（一）信號通過線性系統(tǒng)后輸出與輸入之間的各種關(guān)系n時域關(guān)系：n頻域關(guān)系：（二）無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)特性無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)滿足下列條件：H()=K，()e-jt0四、系統(tǒng)的帶寬指一個系統(tǒng)的幅頻特性|H()|在給定數(shù)值范圍內(nèi)分布的那段正頻率區(qū)間。1低通系統(tǒng)帶寬對于圖2-16所示的理想低通系統(tǒng)，其帶寬 B=fm，單位為赫茲（Hz）。2帶通系統(tǒng)帶寬n對于圖2-17所示的理想帶通系統(tǒng)，其帶寬 B=2 fm3.3dB帶寬n對于圖2-18所示的系統(tǒng)，其帶寬B定義為幅頻特性在頻帶中心處取值的0.707倍以內(nèi)（即-3dB內(nèi)或半功率點內(nèi)）的頻率范圍，也稱作3dB帶寬，B3dB=f2-f1（其中1=2f1,2=2f2）。第三節(jié) 通信中的調(diào)制技術(shù)一、調(diào)制的概念一、調(diào)制的概念 調(diào)制技術(shù)是通信理論中的重要部分，信息傳輸多數(shù)情況下需要經(jīng)過調(diào)制。所謂調(diào)制，就是按調(diào)制信號的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程。一般在通信系統(tǒng)的發(fā)送端有調(diào)制過程，而在接收端則需要調(diào)制的反過程解調(diào)過程。調(diào)制涉及兩個輸入信號和一個輸出信號:輸入信號為調(diào)制信號（基帶信號）和載波信號。其中調(diào)制信號m(t)為包含信息的原始信號，具有較低的頻譜分量，在許多信道中不適宜直接傳輸；載波信號c(t)為參數(shù)受調(diào)制信號控制、用來承載信息的特定信號。一個輸出信號為在信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號sm(t)。（一）調(diào)制的作用（1）進(jìn)行頻譜搬移。把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號（2）實現(xiàn)信道多路復(fù)用，提高信道的頻帶利用率。（3）通過選擇不同的調(diào)制方式改善系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴＃ǘ┱{(diào)制的分類1.按照調(diào)制信號m(t)分類（1）模擬調(diào)制。在模擬調(diào)制中，調(diào)制信號的取值是連續(xù)的，如 AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM。（2）數(shù)字調(diào)制。數(shù)字調(diào)制中，調(diào)制信號的取值為離散的，如ASK、FSK、PSK等。2.按照載波信號c(t)分類（1）連續(xù)波調(diào)制。C(t)為連續(xù)正弦波，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。（2）脈沖調(diào)制。C(t)為周期性脈沖串，如PCM、PAM、PDM、PPM等。3按照 m(t)對c(t)不同參數(shù)的控制分類（1）幅度調(diào)制。載波的幅度隨調(diào)制信號線性變化，如AM、DSB、SSB、VSB、ASK。（2）頻率調(diào)制。如FM、FSK。（3）相位調(diào)制。如PM、PSK、DPSK。另外還有同時改變兩種載波參數(shù)的調(diào)制方式，如QAM等。二、模擬調(diào)制二、模擬調(diào)制模擬調(diào)制又分成線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種類型。（一）線性調(diào)制線性調(diào)制有AM、DSB、SSB和VSB四種方式，它們的共同特點是調(diào)制前后信號頻譜只有位置變化。1.調(diào)幅（Amplitude Modulation,AM）表達(dá)式與波形 SAM(t)=A0+m(t)cosct，要求 A0+m(t)0（包絡(luò)檢波不失真條件）圖2-19 調(diào)幅過程的波形及頻譜 帶寬 BAM=2fm調(diào)制框圖 m(t)A0cosctSAM(t)包絡(luò)檢波BPF SAM(t)m0(t)特點：實現(xiàn)簡單解調(diào)框圖（1）包絡(luò)檢波法-要求 A0+m(t)0，否則會失真包絡(luò)檢波電路及工作過程：包絡(luò)檢波電路及工作過程：（2）相干解調(diào)(同步檢測）要求：解調(diào)用的載波要與調(diào)制用的載波同頻同相，否則會產(chǎn)生失真。m0(t)cosct LPF sAM(t)BPF特點：實現(xiàn)復(fù)雜AM小結(jié)nAM的優(yōu)點是接收設(shè)備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差，在傳輸中如果載波受到信道的選擇性衰落，則在包絡(luò)檢波時會出現(xiàn)過調(diào)失真，信號頻帶較寬，頻帶利用率不高。因此AM制式用于通信質(zhì)量要求不高的場合，目前主要用在中波和短波的調(diào)幅廣播中。2抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB-SC）雙邊帶調(diào)制信號對應(yīng)表達(dá)式為sDSB(t)=m(t)cosct雙邊帶調(diào)制信號的波形及頻譜如圖2-21所示。帶寬B2fm 3.單邊帶調(diào)制（SSB）讓DSB信號分別通過圖2-22所示的邊帶濾波器，保留所需要的一個邊帶，濾除不要的邊帶。就可分別取出下邊帶信號頻譜SLSB()或上邊帶信號頻譜SUSB()，如圖 2-23所示。圖 2-23圖2-22帶寬Bfm 單邊帶調(diào)制相移法解調(diào)4殘留邊帶調(diào)制（VSB）殘留邊帶調(diào)制是介于雙邊帶與單邊帶之間的一種線性調(diào)制，即克服了DSB占雙倍帶寬的缺點，又解決了SSB實現(xiàn)的難題。VSB不是將一個邊帶完全抑制，而是部分抑制，使其仍保留一小部分，VSB信號的頻譜如圖2-25（d）所示。（二）非線性特制 非線性特制又稱角度調(diào)制，包含調(diào)頻FM和調(diào)相PM兩種，實際中FM方式最為常用。調(diào)頻波比調(diào)幅波要占用的帶寬大 BFM=2(mf+1)fm=2(f+fm)，其中mf 為調(diào)頻指數(shù)。在高調(diào)頻指數(shù)時，調(diào)頻系統(tǒng)的輸出信噪比（即抗干擾能力）遠(yuǎn)大于調(diào)幅系統(tǒng)。例如，mf=5 時，寬帶調(diào)頻的輸出信噪比So/No是調(diào)幅時的112.5倍。這也可理解成當(dāng)兩者輸出信噪比相等時，調(diào)頻信號的發(fā)射功率可減小到調(diào)幅信號的1/112.5。應(yīng)當(dāng)指出，調(diào)頻系統(tǒng)的這一優(yōu)越性是以增加傳輸帶寬來換取的。寬帶FM廣泛應(yīng)用于長距離高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中，如空間和衛(wèi)星通信、調(diào)頻立體聲廣播、超短波電臺等。寬帶FM的缺點是頻帶利用率低，存在門限效應(yīng)，因此在接收信號弱，干擾大的情況下宜采用窄帶FM，這就是小型通信機常采用窄帶調(diào)頻的原因。另外，窄帶FM采用相干解調(diào)時不存在門限效應(yīng)。三、數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制類似，也有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相三種基本形式，并派生出多種其它形式。但由于調(diào)制信號為數(shù)字形式，為離散狀態(tài)，在狀態(tài)切換時，類似于對載波進(jìn)行開關(guān)控制，故稱作鍵控。可分為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制和多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。（一）二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 根據(jù)調(diào)制信號對載波控制的參數(shù)不同，又分為四種情況：1二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，則為二進(jìn)制振幅鍵控。二進(jìn)制振幅鍵控信號可表示為 二進(jìn)制振幅鍵控信號的時間波形如圖2-28所示。帶寬B2ASK=2Rb 2二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）n正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號（2FSK信號）。二進(jìn)制移頻鍵控信號的時間波形如圖2-29 所示，若二進(jìn)制基帶信號的1符號對應(yīng)于載波頻率f1，0符號對應(yīng)于載波頻率f2，則二進(jìn)制移頻鍵控信號的時域表達(dá)式為帶寬B2FSK=2Rb+|f2-f1|3二進(jìn)制移相鍵控2PSKn當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號。通常用已調(diào)信號載波的 0和 180分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的 1 和 0。二進(jìn)制移相鍵控信號的時域表達(dá)式為 4二進(jìn)制差分相位鍵控（2DPSK）n在2PSK信號中，信號相位的變化是以未調(diào)正弦載波的相位作為參考，用載波相位的絕對數(shù)值表示數(shù)字信息的，所以稱為絕對移相。由于2PSK信號解調(diào)出的二進(jìn)制基帶信號出現(xiàn)反向現(xiàn)象，從而難以實際應(yīng)用。為了解決2PSK信號解調(diào)過程的反向工作問題，提出了二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)。（二）多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)n二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)最基本的方式，具有較好的抗干擾能力。由于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率較低，使其在實際應(yīng)用中受到一些限制。在信道頻帶受限時，為了提高頻帶利用率，通常采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。其代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復(fù)雜性。與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相類似，若用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位，則可相應(yīng)地產(chǎn)生多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制和多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制。n 由信息傳輸速率Rb、碼元傳輸速率RB和進(jìn)制數(shù)M之間的關(guān)系RB=Rb/log2M 可知，在信息傳輸速率不變的情況下，通過增加進(jìn)制數(shù)M，可以降低碼元傳輸速率，從而減小信號帶寬，節(jié)約頻帶資源，提高系統(tǒng)頻帶利用率。由關(guān)系式可以看出，在碼元傳輸速率不變的情況下，通過增加進(jìn)制數(shù)M，可以增大信息傳輸速率，從而在相同的帶寬中傳輸更多的信息量，有效性提高。n但是隨著M增大，接收端判決時信號之間距離變小，誤判可能性大，誤碼率Pe增大，可靠性變差；（三）其它數(shù)字調(diào)制方式1正交振幅調(diào)制(QAM)正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起人們的重視。正交振幅調(diào)制是用兩個獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。MQAM系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于MPSK。2最小移頻鍵控(MSK)n數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制，由于已調(diào)信號包絡(luò)恒定，因此有利于在非線性特性的信道中傳輸。由于一般移頻鍵控信號相位不連續(xù)、頻偏較大等原因，使其頻譜利用率較低。最小移頻鍵控MSK(Minimum Frequency Shift Keying，有時也稱為快速移頻鍵控FFSK)是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式，它比2PSK有更高的頻譜利用率，并且有更強的抗噪聲性能，從而得到了廣泛的應(yīng)用。3高斯最小移頻鍵控(GMSK)n由上面分析可知，MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點是已調(diào)信號具有恒定包絡(luò)，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格，一般要求必須衰減70dB以上。從MSK信號的功率譜可以看出，MSK信號仍不能滿足這樣的要求。高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對上述要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴(yán)格要求，它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(GSM)所采用。4正交頻分復(fù)用（OFDM）n前面所討論的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式都是屬于串行體制，和串行體制相對應(yīng)的一種體制是并行體制。它是將高速率的信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換，分割為若干路低速率并行數(shù)據(jù)流，然后每路低速率數(shù)據(jù)采用一個獨立的載波調(diào)制并疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號，這種系統(tǒng)也稱為多載波傳輸系統(tǒng)。n在并行體制中，正交頻分復(fù)用OFDM方式是一種高效調(diào)制技術(shù)，它具有較強的抗多徑傳播和頻率選擇性衰落的能力以及較高的頻譜利用率，因此得到了深入的研究。nOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于接入網(wǎng)中的高速數(shù)字環(huán)路HDSL、非對稱數(shù)字環(huán)路ADSL，高清晰度電視HDTV的地面廣播系統(tǒng)。在移動通信領(lǐng)域，OFDM是第三代、第四代移動通信系統(tǒng)準(zhǔn)備采用的技術(shù)之一。nOFDM是一種高效調(diào)制技術(shù)，其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而能夠提高抗多徑和抗衰落的能力。為了提高頻譜利用率，OFDM方式中各子載波頻譜有重疊，但保持相互正交，在接收端通過相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出各子載波，同時消除碼間干擾的影響。5擴頻調(diào)制n擴頻系統(tǒng)是將發(fā)送的信息擴展到一個很寬的頻帶上，通常要比發(fā)送的信息帶寬寬很多。在接收端，通過相關(guān)檢測恢復(fù)出發(fā)送的信息。擴頻系統(tǒng)對于單個用戶來說頻譜利用率很低，但是擴頻系統(tǒng)允許很多用戶在同一個頻帶中同時工作，而不會相互產(chǎn)生明顯的干擾。當(dāng)采用碼分多址(CDMA)技術(shù)，實現(xiàn)多用戶工作時，擴頻系統(tǒng)的頻譜效率就變得較高。擴頻系統(tǒng)具有以下主要特點：（1）抗干擾和抗衰落、抗阻塞能力強。（2）多址通信時頻譜利用率高。（3）信號的功率譜密度很低，有利于信號的隱蔽。擴頻通信系統(tǒng)的工作方式有：直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)、跳變頻率擴頻(Frequency Hopping Spread Spectrum)、跳變時間擴頻(Time HoppingSpread Spectrum)和混合擴頻。以擴頻技術(shù)為基礎(chǔ)的碼分多址(CDMA)方式已得到廣泛應(yīng)用，并確定為第三代移動通信系統(tǒng)的多址方式。第四節(jié)第四節(jié) 通信中的編碼技術(shù)通信中的編碼技術(shù)通信中的編碼技術(shù)主要有信源編碼和信道編碼。n信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用之二是，當(dāng)信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)姆绞接忻}沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(M)、ADPCM等。信源譯碼是信源編碼的逆過程。n信道編碼是為了提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。數(shù)字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實現(xiàn)可靠通信。一、信源編碼一、信源編碼 因數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點而成為當(dāng)今通信的發(fā)展方向。然而自然界的許多信號經(jīng)各種傳感器感知后都是模擬量，例如電話、電視等通信業(yè)務(wù)，其信源輸出的都是模擬信號。若要利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，一般需三個步驟：（1）把模擬信號數(shù)字化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）；（2）進(jìn)行數(shù)字方式傳輸；（3）把數(shù)字信號還原為模擬信號，即數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）。模擬信號數(shù)字化的方法分為波形編碼和參數(shù)編碼兩類。波形編碼，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范圍內(nèi)，接收端重建信號的質(zhì)量好，典型方法有如脈沖編碼調(diào)制（PCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、增量調(diào)制（M）；參數(shù)編碼是利用信號處理技術(shù)，提取語音信號的特征參數(shù)，再變換成數(shù)字代碼，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢復(fù))信號的質(zhì)量不夠好，如線性預(yù)測編碼LP。n目前應(yīng)用最普遍的波形編碼方法有PCM和M。采用PCM的模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)如圖2-34所示，（一）PCM原理n脈沖編碼調(diào)制PCM（簡稱脈碼調(diào)制）是一種用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，從而實現(xiàn)通信的方式。由于這種通信方式抗干擾能力強，它在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中均獲得了極為廣泛的應(yīng)用。nPCM是一種最典型的語音信號數(shù)字化的波形編碼方式，其系統(tǒng)原理框圖如圖2-35 所示。1.抽樣n抽樣是按抽樣定理把時間上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成一系列時間上離散的抽樣值的過程，能否由此樣值序列重建原信號，是抽樣定理要回答的問題。n 抽樣定理的大意是，如果對一個頻帶有限的時間連續(xù)的模擬信號抽樣，當(dāng)抽樣速率達(dá)到一定數(shù)值時，則根據(jù)它的抽樣值就能重建原信號。也就是說，若要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬信號本身，只需傳輸按抽樣定理得到的抽樣值即可。因此，抽樣定理是模擬信號數(shù)字化的理論依據(jù)。n根據(jù)信號是低通型的還是帶通型的，抽樣定理分低通抽樣定理和帶通抽樣定理；根據(jù)抽樣的脈沖序列是沖激序列還是非沖激序列，抽樣可分理想抽樣和實際抽樣。（1）低通抽樣定理。一個頻帶限制在(0,fH)赫茲內(nèi)的時間連續(xù)信號m(t)，如果以Ts1/(2fH)秒的間隔對它進(jìn)行等間隔（均勻）抽樣，則m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。抽樣定理告訴我們：若m(t)的頻譜在某一角頻率H以上為零，則m(t)中的全部信息完全包含在其間隔不大于1/(2fH)秒的均勻抽樣序列里。換句話說，在信號最高頻率分量的每一個周期內(nèi)起碼應(yīng)抽樣兩次?；蛘哒f，抽樣速率fs（每秒內(nèi)的抽樣點數(shù)）應(yīng)不小于2fH，即 fs2fH。其中Ts=1/2fH 是最大允許抽樣間隔，稱為奈奎斯特間隔，相對應(yīng)的最低抽樣速率fs=2fH稱為奈奎斯特速率。若抽樣速率fs2fH，則會產(chǎn)生失真，這種失真稱作混疊失真。（2）帶通抽樣定理一個帶通信號m(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fH-fL，若最高頻率fH為帶寬的整數(shù)倍，即fH=nB，則抽樣速率fs=2B；若最高頻率fH不為帶寬的整數(shù)倍，即fH=nB+kB式中：n是一個不超過fH/B的最大整數(shù)；0k1。此時，最小抽樣速率為:當(dāng)fLB時，fs趨近于2B。所以當(dāng)fLB時，不論fH是否為帶寬的整數(shù)倍，都可簡化為 fs2B2.量化n量化是把幅度上仍連續(xù)（無窮多個取值）的抽樣信號進(jìn)行幅度離散，即利用預(yù)先規(guī)定的有限個電平來表示模擬信號抽樣值的過程。量化信噪比隨量化電平數(shù)M的增加而提高，系統(tǒng)質(zhì)量越好。通常量化電平數(shù)應(yīng)根據(jù)對量化信噪比的要求來確定，量化方法有兩種。（1）均勻量化。把輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。在均勻量化中，每個量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點，其量化間隔i取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。均勻量化器廣泛應(yīng)用于線性A/D變換接口，例如在計算機的A/D變換中，另外，在遙測遙控系統(tǒng)、儀表、圖像信號的數(shù)字化接口等中，也都使用均勻量化器。（2）非均勻量化n非均勻量化是一種在整個動態(tài)范圍內(nèi)量化間隔不相等的量化。換言之，非均勻量化是根據(jù)輸入信號的概率密度函數(shù)來分布量化電平，以改善量化性能。在實際中常采用的方法有兩種：一種是采用13折線近似A律壓縮特性，另一種是采用15折線近似律壓縮特性。A律13折線主要用于英、法、德等歐洲各國的PCM 30/32路基群中，我國的PCM30/32路基群也采用A律13折線壓縮特性。律15折線主要用于美國、加拿大和日本等國的PCM 24路基群中。CCITT建議G.711規(guī)定上述兩種折線近似壓縮律為國際標(biāo)準(zhǔn)，且在國際間數(shù)字系統(tǒng)相互連接時，要以A律為標(biāo)準(zhǔn)。A律13折線的形成如圖2-37所示。3編碼和譯碼 把量化后的信號電平值變換成二進(jìn)制碼組的過程稱為編碼，其逆過程稱為解碼或譯碼。編碼需要考慮以下幾個問題。（1）碼字和碼型的選擇?？紤]到二進(jìn)制碼具有抗干擾能力強，易于產(chǎn)生等優(yōu)點，因此PCM中一般采用二進(jìn)制碼。對于M個量化電平，可以用N位二進(jìn)制碼來表示，其中的每一個碼組稱為一個碼字。為保證通信質(zhì)量，目前國際上多采用8位編碼的PCM系統(tǒng)。碼型指的是代碼的編碼規(guī)律，其含義是把量化后的所有量化級，按其量化電平的大小次序排列起來，并列出各對應(yīng)的碼字，這種對應(yīng)關(guān)系的整體就稱為碼型。常用的二進(jìn)制碼型有三種：自然二進(jìn)碼、折疊二進(jìn)碼和格雷二進(jìn)碼，在PCM通信編碼中，折疊二進(jìn)碼比自然二進(jìn)碼和格雷二進(jìn)碼優(yōu)越，它是A律13折線PCM 30/32路基群設(shè)備中所采用的碼型。（2）碼位的選擇與安排n碼位數(shù)的選擇，它不僅關(guān)系到通信質(zhì)量的好壞，而且還涉及到設(shè)備的復(fù)雜程度。碼位數(shù)的多少，決定了量化分層的多少，反之，若信號量化分層數(shù)一定，則編碼位數(shù)也被確定。在信號變化范圍一定時，用的碼位數(shù)越多，量化分層越細(xì)，量化誤差就越小，通信質(zhì)量當(dāng)然就更好。但碼位數(shù)越多，設(shè)備越復(fù)雜，同時還會使總的傳碼率增加，傳輸帶寬加大。一般從話音信號的可懂度來說，采用34位非線性編碼即可，若增至78位時，通信質(zhì)量就比較理想了。8位碼的安排分為極性碼、段落碼、段內(nèi)碼三部分。極性碼 段落碼 段內(nèi)碼 C1 C2C3C4 C5C6C7C8（二）增量調(diào)制（M）n增量調(diào)制簡稱M或DM，它是繼PCM后出現(xiàn)的又一種模擬信號數(shù)字傳輸?shù)姆椒?，其目的在于簡化語音編碼方法。nM與PCM雖然都是用二進(jìn)制代碼去表示模擬信號的編碼方式。但是，在PCM中，代碼表示樣值本身的大小，所需碼位數(shù)較多，從而導(dǎo)致編譯碼設(shè)備復(fù)雜；而在M中，它只用一位編碼表示相鄰樣值的相對大小，從而反映出抽樣時刻波形的變化趨勢，與樣值本身的大小無關(guān)。M系統(tǒng)框圖如圖2-38所示。n M與PCM編碼方式相比具有編譯碼設(shè)備簡單，低比特率時的量化信噪比高，抗誤碼特性好等優(yōu)點。在軍事和工業(yè)部門的專用通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用，近年來在高速超大規(guī)模集成電路中用作A/D轉(zhuǎn)換器。nM一般適于小容量支線通信，話路上、下方便靈活。目前，隨著集成電路的發(fā)展，M的優(yōu)點已不再那么顯著。在傳輸語音信號時，M話音清晰度和自然度方面都不如PCM。因此目前在通用多路系統(tǒng)中很少用或不用M。M一般用在通信容量小和質(zhì)量要求不十分高的場合以及軍事通信和一些特殊通信中。（三）自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 （ADPCM）n以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，一直是語音編碼追求的目標(biāo)。通常，人們把話路速率低于64kb/s的語音編碼方法，稱為語音壓縮編碼技術(shù)。語音壓縮編碼方法很多，其中，自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制是語音壓縮中復(fù)雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s的比特率上達(dá)到64kb/s的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。近年來，ADPCM已成為長途傳輸中一種新型的國際通用的語音編碼方法。在長途傳輸系統(tǒng)中，ADPCM有著遠(yuǎn)大的前景。相應(yīng)地，CCITT也形成了關(guān)于ADPCM系統(tǒng)的規(guī)范建議G.721、G.726等。二、信道編碼二、信道編碼（一）概述 數(shù)字信號在傳輸過程中，加性噪聲、碼間串?dāng)_等都會產(chǎn)生誤碼。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，可以加大發(fā)射功率，降低接收設(shè)備本身的噪聲，以及合理選擇調(diào)制、解調(diào)方法等。此外，還可以采用信道編碼技術(shù)。信道編碼技術(shù)的基本思想是通過對信息序列作某種變換，使原來彼此獨立，相關(guān)性極小的信息碼元產(chǎn)生某種相關(guān)性，從而在接收端利用這種規(guī)律檢查或糾正信息碼元在信道傳輸中所造成的差錯。1差錯類型差錯類型可分為隨機差錯和突發(fā)差錯。其中隨機差錯由隨機噪聲的干擾引起，差錯互相獨立、互不相關(guān)，恒參高斯白噪聲信道是典型的隨機信道；突發(fā)差錯由突發(fā)噪聲的干擾引起，錯誤通常成串出現(xiàn)，錯誤之間具有相關(guān)性，具有脈沖干擾的信道是典型的突發(fā)信道。2差錯控制方式 差錯控制方式一般分為三種，對于不同類型的信道，應(yīng)采用不同的差錯控制方式。（1）檢錯重發(fā)方式。檢錯重發(fā)又稱自動請求重傳方式，記作ARQ(Automatic Repeat Request)。（2）前向糾錯方式。前向糾錯方式記作FEC(Forword Error Correction)。（3）混合糾錯方式?；旌霞m錯方式記作HEC(Hybrid Error Correction)是FEC和ARQ方式的結(jié)合。3糾錯碼的分類（1）線性碼和非線性碼。根據(jù)糾錯碼各碼組信息元和監(jiān)督元的函數(shù)關(guān)系，可分為線性碼和非線性碼。如果函數(shù)關(guān)系是線性的，即滿足一組線性方程式，則稱為線性碼，否則為非線性碼。（2）分組碼和卷積碼。根據(jù)碼組信息元和監(jiān)督元的函數(shù)關(guān)系涉及的范圍，可分為分組碼和卷積碼。分組碼的各碼元僅與本組的信息元有關(guān)；卷積碼中的碼元不僅與本組的信息元有關(guān)，而且還與前面若干組的信息元有關(guān)。（3）檢錯碼和糾錯碼。根據(jù)碼的用途，可分為檢錯碼和糾錯碼。檢錯碼以檢錯為目的，不一定能糾錯；而糾錯碼以糾錯為目的，一定能檢錯。4糾錯編碼的基本原理（1）碼距與最小碼距。分組碼一般可用(n,k)表示。其中，k是每組二進(jìn)制信息碼元的數(shù)目，n是碼組的碼元總位數(shù)，又稱為碼組長度，簡稱碼長。n-k=r為每個碼組中的監(jiān)督碼元數(shù)目。簡單地說，分組碼是對每段k位長的信息組以一定的規(guī)則增加r個監(jiān)督元，組成長為n的碼字。在二進(jìn)制情況下，共有2k個不同的信息組，相應(yīng)地可得到2k個不同的碼字，稱為許用碼組。其余 2n-2k個碼字未被選用，稱為禁用碼組。在分組碼中，非零碼元的數(shù)目稱為碼字的漢明重量，簡稱碼重。例如，碼字 10110，碼重w=3。兩個等長碼組之間相應(yīng)位取值不同的數(shù)目稱為這兩個碼組的漢明(Hamming)距離，簡稱碼距。例如 11000 與 10011之間的距離d=3。碼組集中任意兩個碼字之間距離的最小值稱為碼的最小距離，用d表示。最小碼距是碼的一個重要參數(shù)，它是衡量碼檢錯、糾錯能力的依據(jù)。（2）檢錯和糾錯能力 碼的最小距離d0直接關(guān)系著碼的檢錯和糾錯能力；任一(n，k)分組碼，若要在碼字內(nèi)滿足：1)檢測e個隨機錯誤，則要求碼的最小距離d0e+1；2)糾正t個隨機錯誤，則要求碼的最小距離d02t+1；3)糾正t個同時檢測e(t)個隨機錯誤，則要求碼的最小距離d0t+e+1。5編碼效率用差錯控制編碼提高通信系統(tǒng)的可靠性，是以降低有效性為代價換來的。我們定義編碼效率R來衡量有效性：R=k/n其中，k是信息元的個數(shù)，n為碼長。對糾錯碼的基本要求是:檢錯和糾錯能力盡量強，編碼效率盡量高，編碼規(guī)律盡量簡單。實際中要根據(jù)具體指標(biāo)要求，保證有一定糾、檢錯能力和編碼效率，并且易于實現(xiàn)。（二）常用的幾種簡單編碼1奇偶監(jiān)督碼 奇偶監(jiān)督碼是在原信息碼后面附加一個監(jiān)督元，使得碼組中“1”的個數(shù)是奇數(shù)或偶數(shù)?；蛘哒f，它是含一個監(jiān)督元，碼重為奇數(shù)或偶數(shù)的(n，n-1)系統(tǒng)分組碼。奇偶監(jiān)督碼又分為奇監(jiān)督碼和偶監(jiān)督碼。2恒比碼 碼字中 1 的數(shù)目與 0 的數(shù)目保持恒定比例的碼稱為恒比碼。由于恒比碼中，每個碼組均含有相同數(shù)目的1和0，因此恒比碼又稱為等重碼，定 1 碼。這種碼在檢測時，只要計算接收碼元中 1 的數(shù)目是否正確，就知道有無錯誤。目前我國電傳通信中普遍采用 32 碼，又稱“5 中取 3”的恒比碼，即每個碼組的長度為 5，其中 3 個“1”。這時可能編成的不同碼組數(shù)目等于從 5 中取 3 的組合數(shù)。實踐證明，采用這種碼后，我國漢字電報的差錯率大為降低。（三）主要的信道編碼方法n信息位和監(jiān)督位由線性方程聯(lián)系，構(gòu)成線性碼，若線性碼的各碼元僅與本組的信息元有關(guān)，則稱為線性分組碼。n線性分組碼中循環(huán)碼的編碼和解碼設(shè)備都不太復(fù)雜，且糾錯能力較強，目前在理論和實踐上都有了較大發(fā)展。n另外一種信道編碼為卷積碼。關(guān)于循環(huán)碼與卷積碼的原理在此不在介紹，讀者可參考相關(guān)文獻(xiàn)。（四）網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)n網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制(Trellis Coded Modulation,縮寫為TCM)是利用卷積碼，并將每一碼段映射為調(diào)制信號集中的一個信號。在收端信號解調(diào)后經(jīng)反映射變換為卷積碼，再送入維特比譯碼器譯碼。這種編碼與調(diào)制一起考慮的方式可以提高抗干擾能力而得到廣泛應(yīng)用。第五節(jié) 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)n一、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)與數(shù)字基帶信號一、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)與數(shù)字基帶信號 來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號，如計算機輸出的二進(jìn)制序列，電傳機輸出的代碼，或者是來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的PCM碼組，M序列等等都是數(shù)字信號。這些信號往往包含豐富的低頻分量，甚至直流分量，因而稱之為數(shù)字基帶信號。在某些具有低通特性的有線信道中，特別是傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號可以直接傳輸，我們稱之為數(shù)字基帶傳輸。而大多數(shù)信道，如各種無線信道和光信道，則是帶通型的，數(shù)字基帶信號必須經(jīng)過載波調(diào)制，把頻譜搬移到高載處才能在信道中傳輸，我們把這種傳輸稱為數(shù)字頻帶傳輸（也稱調(diào)制傳輸或載波傳輸，數(shù)字頻帶傳輸原理已在數(shù)字調(diào)制部分做過介紹）。（一）數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)構(gòu)成n數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-39 所示。它主要由信道信號形成器、信道、接收濾波器和抽樣判決器組成。為了保證系統(tǒng)可靠有序地工作，還應(yīng)有同步系統(tǒng)。（二）數(shù)字基帶信號n數(shù)字基帶信號是指消息代碼的電波形，它是用不同的電平或脈沖來表示相應(yīng)的消息代碼。數(shù)字基帶信號(以下簡稱為基帶信號)的類型有很多，常見的有矩形脈沖、三角波、高斯脈沖和升余弦脈沖等。最常用的是矩形脈沖，因為矩形脈沖易于形成和變換。常見的基帶信號波形（三）數(shù)字基帶信號的頻譜特性n研究基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)是十分必要的，通過譜分析，我們可以了解信號需要占據(jù)的頻帶寬度，所包含的頻譜分量，有無直流分量，有無定時分量等。這樣，我們才能針對信號譜的特點來選擇相匹配的信道，以及確定是否可從信號中提取定時信號。n二進(jìn)制基帶信號的功率譜密度可表示為：二進(jìn)制基帶信號的功率譜 由圖2-41可以看出，數(shù)字基帶信號功率譜集中在低頻部分。二、數(shù)字基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型二、數(shù)字基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型n在實際的基帶傳輸系統(tǒng)中，并不是所有代碼的電波形都能在信道中傳輸。例如，前面介紹的含有直流分量和較豐富低頻分量的單極性基帶波形就不適宜在低頻傳輸特性差的信道中傳輸，因為它有可能造成信號嚴(yán)重畸變。又如，當(dāng)消息代碼中包含長串的連續(xù)“1”或“0”符號時，非歸零波形呈現(xiàn)出連續(xù)的固定電平，因而無法獲取定時信息。單極性歸零碼在傳送連“0”時，存在同樣的問題?；鶐鬏斝盘栔饕囊螅海?）對代碼的要求。原始消息代碼必須適合于傳輸用的碼型。（2）對碼型的電波形要求。電波形應(yīng)適合于基帶系統(tǒng)傳輸。碼型的選擇問題，通?？紤]下列主要因素：(1)相應(yīng)的基帶信號無直流分量，且低頻分量少。(2)便于從信號中提取定時信息。(3)信號中高頻分量盡量少，以節(jié)省傳輸頻帶并減少碼間串 擾。(4)具有內(nèi)在的檢錯能力，傳輸碼型應(yīng)具有一定規(guī)律性，以 便利用這一規(guī)律性進(jìn)行宏觀監(jiān)測。(5)編譯碼設(shè)備要盡可能簡單等。目前常見的的傳輸碼型（一一）AMI碼AMI碼是傳號交替反轉(zhuǎn)碼。其編碼規(guī)則是將二進(jìn)制消息代碼“1”(傳號)交替地變換為傳輸碼的“+1”和“-1”，而“0”(空號)保持不變。例如：消息代碼 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI碼：+1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0-1 +1 0 0 -1 +1（二）HDB3碼HDB3碼的全稱是3階高密度雙極性碼，它是AMI碼的一種改進(jìn)型，其目的是為了保持AMI碼的優(yōu)點而克服其缺點，使連“0”個數(shù)不超過3個。其編碼規(guī)則如下：（1）當(dāng)信碼的連“0”個數(shù)不超過3時，仍按AMI碼的規(guī)則編，即傳號極性交替。（2）當(dāng)連“0”個數(shù)超過3時，則將第4個“0”改為非“0”脈沖，記為+V或-V，稱之為破壞脈沖。相鄰V碼的極性必須交替出現(xiàn)，以確保編好的碼中無直流。（3）為了便于識別，V碼的極性應(yīng)與其前一個非“0”脈沖的極性相同，否則，將四連“0”的第一個“0”更改為與該破壞脈沖相同極性的脈沖，并記為+B或-B；（4）破壞脈沖之后的傳號碼極性也要交替。代碼：1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI碼：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3碼：-1000 -V +1000 +V -1 +1 B00 -V +1 -1 其中的V脈沖和B脈沖與1脈沖波形相同，用V或B符號的目的是為了示意是將原信碼的“0”變換成“1”碼。雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從上述原理看出，每一個破壞符號V總是與前一非0符號同極性(包括B在內(nèi))。HDB3碼保持了AMI碼的優(yōu)點外，同時還將連“0”碼限制在3個以內(nèi)，故有利于位定時信號的提取。HDB3碼是應(yīng)用最為廣泛的碼型，A律PCM四次群以下的接口碼型均為HDB3碼。（三）數(shù)字雙相碼 數(shù)字雙相碼又稱曼徹斯特（Manchester）碼。它用一個周期的正負(fù)對稱方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。編碼規(guī)則之一是：“0”碼用“01”兩位碼表示，“1”碼用“10”兩位碼表示，例如：代碼：1 1 0 0 1 0 1 雙相碼：10 10 01 01 10 01 10 雙相碼只有極性相反的兩個電平，而不像前面的三種碼具有三個電平。因為雙相碼在每個碼元周期的中心點都存在電平跳變，所以富含位定時信息。又因為這種碼的正、負(fù)電平各半，所以無直流分量，編碼過程也簡單。但帶寬比原信碼大1倍。計算機以太網(wǎng)中常采用這種碼型。（四）CMI碼nCMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，與數(shù)字雙相碼類似，它也是一種雙極性二電平碼。編碼規(guī)則是：“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。n CMI碼有較多的電平躍變，因此含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現(xiàn)3個以上的連碼，這個規(guī)律可用來宏觀檢錯。n由于CMI碼易于實現(xiàn)，且具有上述特點，因此是CCITT推薦的PCM高次群采用的接口碼型，在速率低于8.448 Mb/s的光纖傳輸系統(tǒng)中有時也用作線路傳輸碼型。n 在數(shù)字雙相碼、密勒碼和CMI碼中，每個原二進(jìn)制信碼都用一組2位的二進(jìn)碼表示，因此這類碼又稱為1B2B碼。（五）nBmB碼nnBmB碼是把原信息碼流的n位二進(jìn)制碼作為一組，編成m位二進(jìn)制碼的新碼組。n 由于mn，新碼組可能有2m種組合，故多出(2m-2n)種組合。從中選擇一部分有利碼組作為可用碼組，其余為禁用碼組，以獲得好的特性。在光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，通常選擇mn+1，有1B2B碼、2B3B、3B4B碼以及5B6B碼等，其中，5B6B碼型已實用化，用作三次群和四次群以上的線路傳輸碼型。三、無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性n數(shù)字信號的基帶傳輸還要考慮形成合適的基帶傳輸波形，保證抽樣時刻無碼間干擾。因此，基帶傳輸特性應(yīng)滿足的頻域條件 為奈奎斯特第一準(zhǔn)則。它提供了檢驗一個給定的系統(tǒng)特性H()是否產(chǎn)生碼間串?dāng)_的一種方法。n輸入序列若以1/Ts波特的速率進(jìn)行傳輸時，所需的最小傳輸帶寬為1/2Ts，這是在抽樣時刻無碼間串?dāng)_條件下，基帶系統(tǒng)能達(dá)到的極限情況。此時基帶系統(tǒng)所能提供的最高頻帶利用率為=2波特赫。通常，我們把12Ts稱為奈奎斯特帶寬，記為W1，則該系統(tǒng)無碼間串?dāng)_的最高傳輸速率為2W1波特，稱為奈奎斯特速率。四、無碼間串?dāng)_基帶系統(tǒng)的抗噪性能n 碼間串?dāng)_和信道噪聲是影響接收端正確判決而造成誤碼的兩個因素。在無碼間串?dāng)_的條件下，噪聲對基帶信號傳輸?shù)挠绊懀丛肼曇鸬恼`碼率為：雙極性信號：單極性信號：n可見誤碼率僅依賴于信號峰值A(chǔ)與噪聲均方根值n的比值，而與采用什么樣的信號波形無關(guān)(當(dāng)然，這里的信號波形必須是能夠消除碼間干擾的)。若比值A(chǔ)/n越大，則Pe就越小。n在單極性與雙極性基帶信號的峰值A(chǔ)相等、噪聲均方根值n也相同時，單極性基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能不如雙極性基帶系統(tǒng)。此外，在等概條件下，單極性的最佳判決門限電平為A/2，當(dāng)信道特性發(fā)生變化時，信號幅度A將隨著變化，故判決門限電平也隨之改變，而不能保持最佳狀態(tài)，從而導(dǎo)致誤碼率增大。而雙極性的最佳判決門限電平為0，與信號幅度無關(guān)，因而不隨信道特性變化而變，故能保持最佳狀態(tài)。因此，基帶系統(tǒng)多采用雙極性信號進(jìn)行傳輸。第六節(jié) 通信中的復(fù)用和多址技術(shù)一、復(fù)用技術(shù)一、復(fù)用技術(shù) 為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)?！皬?fù)用”是一種將若干個彼此獨立的信號合并為一個可以在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。為了提高頻譜利用率，充分利用信道資源，需要采用多路復(fù)用技術(shù)，即在同一信道中同時傳輸多路信號。目前采用的復(fù)用方法有頻分復(fù)用（FDM）、時分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用（CDM）和波分復(fù)用（WDM）。其中頻分復(fù)用主要用于傳統(tǒng)的模擬通信，時分復(fù)用廣泛用于數(shù)字微波通信等，碼分復(fù)用主要用于移動通信，波分復(fù)用主要用于光纖通信，衛(wèi)星通信中還有空分復(fù)用（SDM）（一）頻分復(fù)用n頻分復(fù)用(Frequency division Multiplexing-FDM)是指按照頻率的不同來復(fù)用多路信號的方法。在頻分復(fù)用中，信道的帶寬被分成若干相互不重疊的頻段，每路信號占用其中一個頻段，因而在接收端可以采用適當(dāng)?shù)膸V波器將多路信號分開，從而恢復(fù)出所需要的信號。n頻分復(fù)用系統(tǒng)組成原理如圖2-43所示。圖中，各路基帶信號首先通過低通濾波器(LPF)限制基帶信號的帶寬，避免它們的頻譜出現(xiàn)混疊。然后，各路信號分別對各自的載波進(jìn)行調(diào)制、合成后送入信道傳輸。在接收端，分別采用不同中心頻率的帶通濾波器分離出各路已調(diào)信號，解調(diào)后恢復(fù)出基帶信號。n頻分復(fù)用是利用各路信號在頻率域不相互重疊來區(qū)分的。若相鄰信號之間產(chǎn)生相互干擾，將會使輸出信號產(chǎn)生失真。為了防止相鄰信號之間產(chǎn)生相互干擾，應(yīng)合理選擇載波頻率fc1,fc2,fcn，并使各路已調(diào)信號頻譜之間留有一定的保護間隔。若基帶信號是模擬信號，則調(diào)制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、VSB或FM等，其中SSB方式頻帶利用率最高。若基帶信號是數(shù)字信號，則調(diào)制方式可以是ASK、FSK、PSK等各種數(shù)字調(diào)制。復(fù)用信號的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-44所示。Oc1c2c3c n（二）時分復(fù)用n時分復(fù)用(Time division Multiplexing-TDM)是利用各信號的抽樣值在時間上不相互重疊來達(dá)到在同一信道中傳輸多路信號的一種方法。在FDM系統(tǒng)中，各信號在頻域上是分開的而在時域上是混疊在一起的；在TDM系統(tǒng)中，各信號在時域上是分開的，而在頻域上是混疊在一起的。圖 2-45給出了兩個基帶信號進(jìn)行時分復(fù)用的原理圖。圖中，對m1(t)和m2(t)按相同的時間周期進(jìn)行采樣，只要采樣脈沖寬度足夠窄，在兩個采樣值之間就會留有一定的時間空隙。時分復(fù)用（TDM）是將時間幀劃分成若干時隙和各路信號占有各自時隙，在數(shù)字通信中經(jīng)常采用。與FDM方式相比，TDM方式主要有以下兩個突出優(yōu)點：（1）多路信號的復(fù)接和分路都是采用數(shù)字處理方式實現(xiàn)的，通用性和一致性好，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。(2)信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真和高次諧波，引起路間串話，因此，要求信道的線性特性要好，而TDM系統(tǒng)對信道的非線性失真要求可降低。1時分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)n目前國際有兩大標(biāo)準(zhǔn)時分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)，即PDH（準(zhǔn)同步數(shù)字系列）和SDH（同步數(shù)字系列）。而PDH又分成歐洲、中國和北美、日本兩個數(shù)字復(fù)接系列，不同標(biāo)準(zhǔn)在路數(shù)和速率上規(guī)定不同，見表2-3。2PCM基群幀結(jié)構(gòu)n 目前國際上推薦的PCM基群有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即PCM30/32路(A律壓擴特性)制式和PCM24路(律壓擴特性)制式。并規(guī)定，國際通信時，以A律壓擴特性為標(biāo)準(zhǔn)。我國也規(guī)定采用PCM30/32路制式。n PCM30/32路制式基群幀結(jié)構(gòu)如圖2-46所示，共由32路組成，其中30路用來傳輸用戶話語，2路用作同步和信令。每路話音信號抽樣速率fs=8000Hz，故對應(yīng)的每幀時間間隔為125s。一幀共有32個時間間隔，稱為時隙。各個時隙從0到31