第1章緒論1.1通信技術的發展與信息社會1.2通信系統的組成和分類1.3數字通信系統的主要性能指標習題與思考題1.1通信技術的發展與信息社會

在人類社會實踐的歷史長河中，人與人之間進行思想、情感的交流離不開信息的傳遞。古代的烽火臺、驛站，現代的電報、電話、傳真、電子郵箱、廣播、電視、網絡等都是傳遞信息的手段和方式。自然界中，人們聽到的聲音、觀察到的現象，可用語言、文字、數據、圖像等信息來表達、存儲或傳遞。隨著人類社會生產力的發展、科學技術的進步、全球經濟一體化，信息被認為是人類社會重要的資源之一，在政治、軍事、生產乃至人們的日常生活中起著十分重要的作用。誰掌握了信息，誰就擁有了未來，信息是決策的基礎。圖1.1通信系統的一般模型

計算機的發明在現代通信技術發展過程中占有獨特的地位。計算機在當今社會不僅作為各種信息處理設備使用，而且它與通信相結合，使得電信業務更加豐富。可視圖文(videotext)、圖文電視(teletext)，電子郵件及新的實時型媒體，如電子會議(teleconferencing)、交互式電視等紛紛涌現，推動了信息社會的發展。1.2通信系統的組成和分類1.2.1通信系統的組成傳遞或交換信息所需的一切技術設備的總和稱為通信系統。通信系統的一般模型如圖1.1所示。通信系統一般由以下幾部分組成。1.信源和信宿信源是發出信息的源，信宿是傳輸信息的歸宿點。信源可以是離散的數字信源，也可以是連續的（或離散的）模擬信源。模擬信源（如電話機和電視攝像機）輸出連續幅度的模擬信號；離散數字信源（如電傳機、計算機）輸出離散的數字信號。數字信號與模擬信號的區別是根據幅度取值上是否離散而定。模擬信號與數字信號有明顯區別，但兩者之間在一定條件下是可以互相轉換的。2.發送設備發送設備的基本功能是使信源與傳輸媒介匹配起來，即將信源產生的信號變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。變換方式是多種多樣的。在需要頻譜搬移的場合，調制是最常見的變換方式。發送設備還包括為達到某些特殊要求而進行的種種處理，如多路復用、保密處理、糾錯編碼處理等等。3.信道

信道是指傳輸信號的通道，是從發送設備到接收設備之間信號傳遞所經過的媒介，可以是無線的，也可以是有線的，有線的和無線的均有多種傳輸媒介。信道既給信號以通路，也對信號產生各種干擾和噪聲。傳輸媒介的固有特性和干擾直接關系到通信的質量。4.接收設備接收設備的基本功能是完成發送設備的反變換，即進行解調、譯碼、解碼等等。它的任務是從帶有干擾的信號中正確地恢復出原始消息來，對于多路復用信號，還包括解除多路復用，實現正確分路。1.2.2通信系統的分類

1.按通信的業務和用途分類根據通信的業務和用途分類，有常規通信和控制通信等。其中常規通信又分為話務通信和非話務通信。話務通信主要是指電話信息服務業務、語音信箱業務和電話智能網業務。

根據不同的通信業務，通信系統可以分為多種類型：

(1)單媒體通信系統：如電話、傳真等；

(2)多媒體通信系統：如電視、可視電話、會議電話、遠程教學等；

(3)實時通信系統：如電話、電視等；

(4)非實時通信系統：如電報、傳真、數據通信等；

(5)單向通信系統：如廣播、電視等；

(6)交互傳輸系統：如電話、點播電視（VOD）等；

(7)窄帶傳輸系統：如電話、電報、低速數據等；

(8)寬帶通信系統：如點播電視、會議電視、遠程教學、遠程醫療、高速數據等。2.按調制方式分類根據是否采用調制,可將通信系統分為基帶傳輸和調制傳輸。基帶傳輸是將未經調制的信號直接傳送，如音頻市內電話、數字信號基帶傳輸等。調制傳輸是對信號經各種變換后傳輸的總稱。調制的目的有以下幾個方面。(1）便于信息的傳輸。調制過程可將信號頻譜搬移到任何需要的頻譜范圍，便于與信號傳輸特性匹配。如無線傳輸必須將信號載入在高頻上才能使其易于以電磁波的形式在自由空間輻射出去。又如在數字電話中將連續信號變換為脈沖編碼調制信號以便在數字系統中傳輸。(2）改變信號占據的帶寬。調制后的信號頻譜通常被搬移到某個載頻附近的頻帶內，其有效帶寬相對于載頻而言是一個窄帶信號，在此頻帶內引入的噪聲就減小了，從而提高了通信系統的抗干擾性。

(3）改善系統性能。由信息論的觀點可以證明，可用增加帶寬的方式來換取信噪比的提高，從而提高通信系統的可靠性。各種調制方式有不同的帶寬，它們是為了達到提高通信系統的可靠性而被發展起來的。調制方式很多，表1.1給出了一些常見的調制方式。表1.1常見調制方式及用途3.按傳送信號的特征分類按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字信號，可以相應地把通信系統分成兩類，即模擬通信系統和數字通信系統。

4.按信號的復用方式分類傳送多路信號有三種復用方式，即頻分復用、時分復用、碼分復用。頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻譜范圍；時分復用是用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間；碼分復用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。5.按傳輸媒介分類通信系統可為有線（包括光纖）通信和無線通信兩大類。表1.2中列出了常用的傳輸媒介及其主要用途。表1.2常用傳輸媒介1.2.3數字通信及主要技術數字通信系統就是利用數字信號來傳遞信息的通信系統。圖1.2給出了數字通信系統的原理結構模型。數字通信系統涉及的技術問題很多，其中有信源編碼、保密編碼、信道編碼、數字調制、信道、數字復接及多址、數字信息交換、同步問題等。下面對這些主要技術問題先作一簡要的介紹。圖1.2數字通信系統的組成

1.信源編碼與譯碼

模擬信號數字化是數字通信技術的基礎。將聲音或圖像信號變換為數字信號,并在數字通信系統中傳輸，要經過如下過程：首先對聲音或圖像信號進行時間上的離散化處理，這就是取樣；然后將樣值信號的幅度進行離散化處理，這就是量化。量化的目的是便于編碼。其中除采用最基本的模擬/數字變換脈沖編碼調制（PCM）外，為了提高數字編碼信號的有效性，還需要盡量減少原信息的冗余度，進行壓縮信號頻帶的編碼，稱之為信源編碼。信源譯碼是信源編碼的逆過程。由此可見，信源編碼有兩大主要任務：第一是將信源的模擬信號轉變成數字信號，即通常所說的模/數變換；第二是設法降低數字信號的數碼率，即通常所說的數據壓縮。編碼比特數在通信中直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸所占的帶寬又直接反映了通信的經濟性，因此，信源編碼技術在很大程度上是圍繞壓縮編碼及提高通信的有效性等問題而發展的。

2.加密與解密

為了保證數字信號與所傳信息的安全性，一般應采取加密措施。數字信號比模擬信號易于加密，且效果更好。這是數字通信突出的優點之一。在要求保密通信的系統中，可在信源與信道編碼之間加入加密器，同時在接收端加入解密器。加密器可以產生密碼，人為地將輸入明文數字序列擾亂。這種編碼可以采用周期非常長的偽隨機序列，甚至采用完全無規律的噪聲碼，這種處理過程稱為加密。在接收端對接收到的數字序列進行解密，恢復明文。3.信道編碼與解碼數字信號在信道中傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等將會引起差錯。信道編碼的目的就是提高通信抗干擾能力，盡可能地控制差錯，實現可靠通信。信道編碼的一類基本方法是波形編碼(或稱為信號設計)，它把原來的波形變換成新的較好的波形，以改善其檢測性能。

4.調制與解調

調制器的任務是把各種數字信息脈沖轉換成適于信道傳輸的調制信號波形。這些波形要根據信道特點來選擇。解調器的任務是將收到的信號轉換成原始數字信號脈沖。數字調制技術可分為幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、連續相位調制（CPM）以及它們的各種組合。對于這些調制信號，在接收端可以進行相干解調或非相干解調，前者需要知道載波的相位才能檢測，后者則不需要。對于高斯噪聲下信號的檢測，一般采用相關器接收機或抽樣匹配濾波器。各種不同的調制方式具有不同的檢測性能，其指標為比特差錯概率Pb，它是比特能量與噪聲功率譜密度之比（Eb/N0）的函數。

5.多路與多址

在一個多用戶系統中，為了充分利用通信資源和增加數據通信量，可以采用多路技術，滿足多用戶要求固定分配或慢變化地分享通信資源；還可采用多址技術，以滿足遠程或動態變化地共享通信資源。基本的方法有頻分、時分、碼分、空分和極化波分，其共同點在于各用戶信號間互不干擾，在接收端易于區分，利用了信號間互不重疊及在頻域、時域和空域中的正交性或準正交性等特征。其中頻分復用（FDM）、頻分多址（FDMA）、時分復用（TDM）和時分多址（TDMA）是經典的多路與多址技術，碼分則是利用了在時域、頻域及二者組合編碼的準正交性，空分復用和極化波分復用是指在不同空域中頻率的重用和同一空域中不同極化波的重用。在實際系統中采用的多為這些多路和多址技術的組合，如TDM/TDMA、FDM/FDMA等。隨著衛星通信網、信包無線通信網和計算機局域網的應用和發展，出現了多種隨機存取多址技術、多址技術及相應的算法和協議，它們適用于突發信息傳輸系統，其性能主要表現在系統傳輸的吞吐量和時延上，目前用于不同通信方式和網絡的多址技術的研究是十分重要的研究領域，總的設計原則是獲得最佳的通信資源共享方案。

6.信道與噪聲

信道指的是以傳輸媒質為基礎的信號通路，它是傳輸信號的物理基礎。不同的信道具有不同的特性。信道特性對整個系統及系統各部分的設計具有決定性的影響。因此設計的第一步就是要選擇合適的信道并詳細了解其特性。通常，數字信號可以在數字信道傳輸，也可以經過調制變成頻帶信號通過模擬信道傳輸，但從通信質量和經濟性來考慮，數字信號傳輸還是采用數字信道為好。信道既給傳輸數字信號以通路，又給傳輸的數字信號以限制和影響。由于實際因素的影響，信號提供的頻帶總是有限的，信道特性也是不完善的，因此當數字信號通過信道時其功率因損耗而下降，還會受到信道噪聲的損害。信道中的噪聲分為兩種：一種是高斯噪聲（也稱正態噪聲）,另一種是脈沖噪聲（也稱突發噪聲）。數字通信系統設計的主要目標，一方面是設法消除或補償信道引起的信號失真，另一方面是盡可能抑制和減小噪聲的不良影響。

7.同步與數字復接

同步問題是數字通信技術的核心問題之一，包括（比特）同步、幀同步、載波同步、網同步等。可以說，沒有同步就沒有數字通信。實現接收端對發送端的同步一般可采用鎖相環法。在時分多路復用系統中，網同步不僅要解決由中心站決定全網定時問題，同時由于各分站的位置和距離不同，還需要確定各分站至中心站及分站之間收、發信號的同步。在數字通信系統中，為了使終端設備標準化和系列化，同時適應不同傳輸媒介和不同業務容量的要求，通常將各種等級的終端設備組合配置，把若干個低速數碼流按一定格式合并為高速碼流。數字復接就是依據時分復用原理完成數碼流合并的技術,包括數字復接和分接兩部分功能。1.2.4數字通信的主要特點

從內因來看，數字通信相對于模擬通信具有如下優點。

(1)抗干擾能力強，無噪聲積累，通信質量較高。數字信號是取有限個離散幅度值的信號，在信道中傳輸時，在間隔適當的距離采用中繼再生的辦法消除噪聲積累以還原信號，使得傳輸質量幾乎與傳輸距離和網絡布局無關，在多跨距線路中多段連接，信號的再生和處理也不會降低通信質量。模擬信號在傳輸過程中的噪聲則不易消除，噪聲是積累的。此外，數字信號傳輸中的差錯可以通過差錯控制編碼來控制，從而進一步改善傳輸質量，提高通信的可靠性。

(2)便于加密處理。

為了保證數字信號與所傳信息的安全性，一般應采取加密措施。數字信號比模擬信號易于加密，且效果也好，這是數字通信突出的優點之一。模擬加密技術由于多方面的條件限制很難做到高強度保密，數字信號的加密算法允許設計復雜一些，保密強度受通信環境制約小，易于實現高保密強度。

(3)便于直接與計算機接口相連形成智能網。用現代計算機技術對數字信息進行處理，使得復雜的技術問題能以極低的代價來實現，形成智能網。由于它采用開放式結構和標準接口，增加或改變業務時，只需在計算機和數據庫中修改相關參數即可。

(4)高度的靈活性和通用性。

采用數字傳輸方式，可以采用先進的程控數字交換設備實現交換與綜合，便于構成綜合數字網（IDN）和綜合業務數字網（ISDN）。由于數字傳輸線路對各種信息都具有很好的透明性，使得數字通信系統靈活通用。所謂傳輸的透明性，是指在規定業務范圍內的信息都可以在網內傳輸，對用戶不加任何限制，即它可以傳輸圖像、傳真和電話等數字化的模擬信號，也可傳輸數字、符號、文字等離散的數字信號。由于可將各種信息都以數字脈沖的形式來處理，容易實現設備共享，在單一通信網上提供多種服務項目，根據某種規定，使設備容易識別和處理所有的信號和信息，而且可在時間軸上實現時分復用，在某個瞬間處理特定信息，以提供多種服務項目。

(5)設備便于集成化、微型化。

由于數字通信設備中大部分電路是數字的，可用大規模集成電路實現，使得功耗較低，設備容易微型化。但是，數字通信的許多優點都是用比模擬通信占據更寬的系統頻帶為代價而換取的。以電話為例，一路模擬電話通常只占據4kHz帶寬，但一路同樣語音質量的數字電話可能要占據20~60kHz的帶寬，因此數字通信的頻帶利用率不高，在系統頻帶緊張的場合，這一缺點尤為突出。數字通信的另一個缺點是對同步要求高，系統設備比較復雜。隨著社會生產力的發展，信息越來越寶貴，保密性要求越來越高，實際中寧可犧牲系統頻帶而采用保密性能高的數字通信。至于系統頻帶富裕的情況，如毫米波通信、光通信等，數字通信幾乎成了唯一的選擇。

從外因看，推動數字通信日臻完善的有下列主要因素：（1）信息化社會對數字通信技術的需求越來越迫切，許多領域采用來自計算機數據庫的遠程終端裝置的信息，特別是隨著多媒體通信技術發展，各種形式的數據傳輸的需求不斷增長，對傳輸的準確性的要求也不斷提高。

（2）一系列先進的通信系統發展迅速，盡管各系統（如衛星通信系統）在極高的數據傳輸速率條件下可完成全球通信，但由于極高的發射費用和由此引起的對功率和頻帶的限制，要求尋找有效利用信道資源的技術，如語音插控、按需分配、時分復用等，數字通信可以更好地滿足要求。

（3）要建立同時為不同速率和不同要求的用戶提供服務的通信網，由于理論的原因，最好采用有效的數據壓縮方法和多通路信道。

（4）隨著微電子技術的進步，超大規模集成電路、高速數字信號處理器、小型和微型計算機的迅速發展，擴大了數字通信的理論效益，使復雜的技術問題能以極低的代價來解決。數字通信設備便于生產和固化，從技術上帶動了數字通信的高速發展。

由于數字通信的一系列優點，短波通信、微波通信以及移動通信、衛星通信、光纖通信等都實現了全面數字化。隨著微電子技術和計算機技術的迅速發展和廣泛應用，數字通信將會更為全方位地取代模擬通信。1.3數字通信系統的主要性能指標1.3.1有效性指標

傳輸的有效性可用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。

1.傳輸速率

（1）碼元傳輸速率(RB)，

簡稱傳碼率，又叫符號速率。它表示單位時間（每秒）內傳輸的碼元（符號）個數。其單位為波特(Baud)，簡稱波特率，常用符號“B”表示。碼元傳輸速率僅僅表征單位時間內傳輸的碼元數目，而沒有限定碼是何種進制的碼元，即碼元可以是多進制的，也可以是二進制的。在多進制碼元傳輸時，每個碼元叫作1波特，在二進制傳輸時，由于一個二進制碼元叫作1比特，所以二進制傳輸時的傳輸速率單位寫成比特/秒（b/s）。

碼元傳輸速率又叫調制速率。它表示在信號調制過程中，1秒鐘內調制信號波（即碼元）的變換次數。如果一個單位調制信號波的時間長度為T秒，那么調制速率為（1.1）

例如二進制調制波，一個“1”或“0”符號的持續信號時間為T=833×10-6s，則調制速率為(2)信息傳輸速率（Rb）信息傳輸速率簡稱傳信率，又稱信息速率。它表示單位時間（每秒）內傳送數據信息的比特數，單位為比特/秒，可記為“b/s”。在信息論中已定義：信源發出信息量的度量單位是“比特”。一個二進制碼元，即一個“0”或“1”，在等概率（即P=1/2）發送條件下輸出1bit信息，所以信息速率的單位是b/s。

對二進制信息進行傳輸時，其傳輸速率和信息速率是一致的，這時傳輸速率可記為

RB=Rb=n0

(1.2)

其中，n0是每秒傳輸的二進制碼元數。對N進制信息進行傳輸時，RB和Rb可以通過下述公式來換算：

Rb=RBlbN

（1.3）

其中,N為符號的進制數（如N=2，為二進制；

N=4，為四進制），Rb為信息傳輸速率，RB為符號傳輸速率。換算時必須將N進制碼元折合為相應的二進制碼元。表1.3示出了四進制和二進制碼元的對應關系。表1.3四進制符號與二進制碼元的對應關系2.頻帶利用率在比較不同通信系統的效率時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應看在這樣的傳輸速率下所占的頻帶寬度。通信系統