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通信原理课件通信原理课件1第一章第一章绪论绪论1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.3 1.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量1.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 1.6 1.6 信道及其容量信道及其容量 通信原理课件通信原理课件2通信原理课件通信原理课件3通信原理课件通信原理课件4通信原理课件通信原理课件51.2通信系统的组成通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型通信系统的一般模型我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，通信系统的一般模型如图通信系统的一般模型如图1-1所示。所示。通信原理课件通信原理课件6图1-1通信系统的一般模型通信原理课件通信原理课件7图图1-1中中，发发送送设设备备的的作作用用一一方方面面是是把把信信息息转转换换成成原原始始电电信信号号，该该原原始始电电信信号号称称为为基基带带信信号号；另另一一方方面面将将原原始始电电信信号号处处理理成成适适合合在在信信道道中中传传输输的的信信号号。它它所所要要完完成成的的功功能能很很多多，例例如如调调制制、放放大大、滤滤波波和和发发射射等等，在在数数字字通通信信系系统统中中发发送送设设备备又又常常常包含信源编码和信道编码等。常包含信源编码和信道编码等。信信道道是是指指信信号号传传输输通通道道，按按传传输输媒媒介介的的不不同同，可分为有线信道和无线信道两大类。可分为有线信道和无线信道两大类。图图中中的的噪噪声声源源，是是信信道道中中的的所所有有噪噪声声以以及及分分散散在通信系统中其它各处噪声的集合。在通信系统中其它各处噪声的集合。通信原理课件通信原理课件8在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始电信号转换成相应的信息，提供给受信者。电信号转换成相应的信息，提供给受信者。通信原理课件通信原理课件9通信原理课件通信原理课件10我我们们以以语语音音信信号号为为例例来来说说明明图图1-2模模拟拟通通信信系系统统模型各部分的作用。模型各部分的作用。发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。换器还原成语音信息。通信原理课件通信原理课件111.2.3数字通信系统模型数字通信系统模型数数字字通通信信系系统统是是利利用用数数字字信信号号来来传传递递信信息息的的通通信信系系统统。数数字字通通信信系系统统可可进进一一步步细细分分为为数数字字频频带带传传输输通信系统和数字基带传输通信系统。通信系统和数字基带传输通信系统。一、数字频带传输通信系统一、数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统如图数字频带传输通信系统如图1-3所示。所示。图图1-3中中，变变换换器器的的作作用用是是把把信信息息转转换换成成数数字字基基带带信信号号。信信源源编编码码的的主主要要任任务务是是提提高高数数字字信信号号传传输输的的有有效效性性。信信源源编编码码器器的的输输出出就就是是信信息息码码元元,此此外外，话话音音和和图图像像压压缩缩编编码码等等都都是是在在信信源源编编码码器器内内完完成成。接接收端信源译码则是信源编码的逆过程收端信源译码则是信源编码的逆过程通信原理课件通信原理课件12图图1-3数字通信系统模型数字通信系统模型通信原理课件通信原理课件13信信道道编编码码的的任任务务是是提提高高数数字字信信号号传传输输的的可可靠靠性性。其其基基本本做做法法是是在在信信息息码码组组中中按按一一定定的的规规则则附附加加一一些些监监督督码码元元，以以使使接接收收端端根根据据相相应应的的规规则则进进行行检检错错和和纠纠错错，信信道道编编码码也也称称纠纠错错编编码码。接接收收端端信信道道译码是其相反的过程。译码是其相反的过程。数数字字通通信信系系统统还还有有一一个个非非常常重重要要的的控控制制单单元元，即即同同步步系系统统（图图1-3没没有有画画出出）。它它可可以以使使通通信信系系统统的的收收、发发两两端端或或整整个个通通信信系系统统，以以精精度度很很高高的的时时钟钟提提供供定定时时，以以使使系系统统的的数数据据流流能能与与发发送送端端同同步、有序而准确地接收与恢复原信息。步、有序而准确地接收与恢复原信息。通信原理课件通信原理课件14二、数字基带传输通信系统二、数字基带传输通信系统与与频频带带传传输输系系统统相相对对应应，我我们们把把没没有有调调制制器器/解解调调器器的的数数字字通通信信系系统统称称为为数数字字基基带带传传输输通通信信系系统统，如图如图1-4所示。所示。图图1-4数字基带传输系统模型数字基带传输系统模型通信原理课件通信原理课件15图图1-4中中基基带带信信号号形形成成器器可可能能包包括括编编码码器器、加加密密器器以以及及波波形形变变换换等等，接接收收滤滤波波器器亦亦可可能能包包括括译译码码器、解密器等。器、解密器等。三、三、数字通信的主要特点数字通信的主要特点目目前前，无无论论是是模模拟拟通通信信还还是是数数字字通通信信，在在不不同同的的通通信信业业务务中中都都得得到到了了广广泛泛的的应应用用。但但是是，数数字字通通信信更更能能适适应应现现代代社社会会对对通通信信技技术术越越来来越越高高的的要要求求，数数字字通通信信技技术术已已成成为为当当代代通通信信技技术术的的主主流流。与模拟通信相比，它有如下优点：与模拟通信相比，它有如下优点：1、抗干扰、抗噪声性能好、抗干扰、抗噪声性能好通信原理课件通信原理课件16在数字通信系统中，传输的信号是数字信号。在数字通信系统中，传输的信号是数字信号。以二进制为例，信号的取值只有两个，这样发端以二进制为例，信号的取值只有两个，这样发端传输的和收端接收和判决的电平也只有两个值，传输的和收端接收和判决的电平也只有两个值，若若“1”码时取值为码时取值为A，“0”码时取值为码时取值为0，传输，传输过程中由于信道噪声的影响，必然会使波形失真，过程中由于信道噪声的影响，必然会使波形失真，在接收端恢复信号时，首先对其进行抽样判决，在接收端恢复信号时，首先对其进行抽样判决，才能确定是才能确定是“1”码还是码还是“0”码，并再生码，并再生“1”，“0”码的波形。因此只要不影响判决的正确性，码的波形。因此只要不影响判决的正确性，即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形。即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形。而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声后，而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。即使噪声很小，也很难消除它。通信原理课件通信原理课件172、差错可控、差错可控数数字字信信号号在在传传输输过过程程中中出出现现的的错错误误（差差错错），可通过纠错编码技术来控制。可通过纠错编码技术来控制。3、易加密、易加密数数字字信信号号与与模模拟拟信信号号相相比比，容容易易加加密密和和解解密密。因此，数字通信保密性好。因此，数字通信保密性好。4、数数字字通通信信设设备备和和模模拟拟通通信信设设备备相相比比，设设计计和和制造更容易，体积更小，重量更轻。制造更容易，体积更小，重量更轻。5、数数字字信信号号可可以以通通过过信信源源编编码码进进行行压压缩缩，以以减减少冗余度，提高信道利用率。少冗余度，提高信道利用率。6、易于与现代技术相结合。、易于与现代技术相结合。通信原理课件通信原理课件181.3通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式通信原理课件通信原理课件19通信原理课件通信原理课件20表表1.3-1通信频段通信频段、常用传输媒质及主要用途常用传输媒质及主要用途通信原理课件通信原理课件214、按调制方式分类、按调制方式分类根根据据信信道道中中传传输输的的信信号号是是否否经经过过调调制制，可可将将通通信信系系统统分分为为基基带带传传输输系系统统和和频频带带（调调制制）传传输输系系统统。基基带带传传输输是是将将没没有有经经过过调调制制的的信信号号直直接接传传送送，如如音音频频市市内内电电话话；频频带带传传输输是是对对基基带带信信号号调调制制后后再再送送到到信信道道中中传传输输。常常用用的的调调制制方方式及相关理论将在本书第式及相关理论将在本书第3章、第章、第6章和第章和第8章中详细介绍。章中详细介绍。5、按通信业务类型分类、按通信业务类型分类根根据据通通信信业业务务类类型型的的不不同同，通通信信系系统统可可分分为为电电报报通通信信系系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等.6、按信号复用方式分类、按信号复用方式分类按按信信号号复复用用方方式式，通通信信系系统统又又可可分分为为频频分分复复用用（FDM）通通信信系系统统、时时分分复复用用（TDM）通通信信系系统统和和码码分分复复用用（CDM）通信系统等。通信系统等。通信原理课件通信原理课件221.3.2通信方式通信方式1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式对对于于点点对对点点之之间间的的通通信信，按按信信息息传传送送的的方方向向与与时时间间关关系系，通通信信方方式式可可分分为为单单工工通通信信、半半双双工工通通信信及及全全双双工工通通信信三种。三种。单单工工通通信信是是指指信信息息只只能能单单方方向向进进行行传传输输的的一一种种通通信信工工作作方方式式，如如图图1-5（a）所所示示。单单工工通通信信的的例例子子很很多多，如如广广播播、遥遥控控、无无线线寻寻呼呼等等。这这里里，信信号号只只从从广广播播发发射射台台、遥遥控控器器和和无无线线寻寻呼呼中中心心分分别别传传到到收收音音机机、遥遥控控对对象象和和BP机上。机上。半半双双工工通通信信方方式式是是指指通通信信双双方方都都能能收收发发信信息息，但但不不能能同同时时进进行行收收和和发发的的工工作作方方式式，如如图图1-5（b）所所示示。例例如如无无线对讲机、收发报机等都是这种通信方式。线对讲机、收发报机等都是这种通信方式。通信原理课件通信原理课件23全全双双工工通通信信是是指指通通信信双双方方可可同同时时进进行行双双向向传传输输信信息息的的工工作作方方式式，如如图图1-5（c）所所示示。例例如如普普通通电电话话、计计算算机机通通信信网络等采用的就是全双工通信方式。网络等采用的就是全双工通信方式。图图1-5通信方式示意图通信方式示意图通信原理课件通信原理课件242、按数字信号码元排列方式划分通信方式、按数字信号码元排列方式划分通信方式在在数数字字通通信信中中按按照照数数字字码码元元排排列列顺顺序序的的方方式式不不同同，可可将将通信方式分为串行传输和并行传输。通信方式分为串行传输和并行传输。并并行行传传输输是是将将代代表表信信息息的的数数字字信信号号码码元元序序列列分分割割成成两两路路或或两两路路以以上上的的数数字字信信号号序序列列同同时时在在信信道道上上传传输输，则则称称为为并并行行传传输输通通信信方方式式，如如图图1-6（a）所所示示。并并行行传传输输的的优优点点是是速速度度快快、节节省省传传输输时时间间，但但需需占占用用频频带带宽宽，设设备备复复杂杂，成成本本高高，故故较较少少采采用用，一一般般适适用用于于计计算算机机和和其其他他高高速速数数字字系系统，特别适用于设备之间的近距离通信。统，特别适用于设备之间的近距离通信。串串行行传传输输是是将将代代表表信信息息的的数数字字信信号号码码元元序序列列按按时时间间顺顺序序一一个个接接一一个个地地在在信信道道中中传传输输，如如图图1-6（b）所所示示。通通常常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。通信原理课件通信原理课件25图图1-6并行和串行通信方式并行和串行通信方式通信原理课件通信原理课件263、按照网络结构划分通信方式、按照网络结构划分通信方式通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论点对点通信的原理。点通信。因此，本书重点讨论点对点通信的原理。通信原理课件通信原理课件271.4信息及其度量信息及其度量通通信信的的目目的的在在于于信信息息的的传传递递和和交交换换。人人们们常常将将语语言言、文文字字、图图像像和和数数据据等等信信息息的的传传递递俗俗称称消消息息的的传传递递。信信息息与与消消息息在在概概念念上上相相近近，但但信信息息一一词词对对通通信信来来说说，更更贴贴切切、更更具具普普遍遍性性，信信息息可可理理解解为为消消息息中中所所含含有有的的特特定定内内容容。各各种种各各样样的的消消息息，其其中中有有意意义义的的特特定定内内容容，均均可可用用信信息息一一词词来来表表述述。如如铁铁路路系系统统运运送送货货物物量量多多少少采采用用“货货运运量量”（不不管管运运送送什什么么货货物物）来来度度量量，通通信信系系统统中中传传输输信信息息的的多多少少采采用用“信信息息量量”来来度度量量。当当人人们们在在通通信信中中获获得得消消息息之之前前，对对它它的的特特定定内内容容有有一一种种“不不确确定定性性”，事事件件的的不不确确定定程程度度只只能能就其出现的概率来描述。就其出现的概率来描述。通信原理课件通信原理课件28信信息息量量与与消消息息的的种种类类、特特定定内内容容及及重重要要程程度度无无关关，它它仅仅与与消消息息中中包包含含的的不不确确定定度度有有关关。也也就就是是说说消消息息中中所所含含信信息息量量与与消消息息发发生生的的概概率率密密切切相相关关。消消息息发发生生概概率率愈愈小小，愈愈使使人人感感到到意意外外和和惊惊奇奇，则则此此消消息息所所含含的的信信息息量量愈愈大大。例例如如，一一方方告告诉诉另另一一方方一一件件几几乎乎不不可可能能发发生生的的消消息息包包含含的的信信息息量量比比可可能能发发生生的的消消息息包包含含的的信信息息量量大大。如如果果消消息息发发生生的的概概率率趋趋于于零零（不不可可能能事事件件），则则它它的的信信息息量量趋趋于于无无穷穷大大；如如果果消消息息发发生生的的概概率率为为1（必必然然事事件件），则则此此消消息息所所含含的的信信息息量为零。量为零。在在信信息息论论中中，消消息息所所含含的的信信息息量量I与与消消息息x出出现现的的概概率率P(x)的关系式为的关系式为（1.4-1）通信原理课件通信原理课件29I代代表表两两种种含含义义：当当事事件件x发发生生以以前前，表表示示事事件件x发发生生的的不不确确定定性性；当当事事件件x发发生生以以后后，表表示示事事件件x所所含含有有（或或所所提提供供）的信息量。的信息量。信信息息量量的的单单位位由由对对数数底底的的取取值值决决定定。若若对对数数以以2为为底底时时单单位位是是“比比特特”（bitbinaryunit的的缩缩写写）；若若以以e为为底底时时单单位位是是“奈奈特特”（natnatureunit的的缩缩写写）；若若以以10为为底底时时单单位位是是“哈哈特特”（Hart Hartley的的缩缩写写）。通常采用通常采用“比特比特”作为信息量的实用单位。作为信息量的实用单位。通信原理课件通信原理课件30通信原理课件通信原理课件31以以上上我我们们讨讨论论了了离离散散消消息息的的度度量量。类类似似，关关于于连连续续消消息息的的信信息息量量可可用用概概率率密密度度来来描描述述。可可以以证证明明，连连续续消消息息的的平平均信息量（相对熵）为均信息量（相对熵）为（1.4-3）式式中中,f(x)是是连连续续消消息息出出现现的的概概率率密密度度。有有兴兴趣趣的的读读者者，可可参考信息论有关专著。参考信息论有关专著。通信原理课件通信原理课件321.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标设设计计和和评评价价一一个个通通信信系系统统，往往往往要要涉涉及及到到许许多多性性能能指指标标，如如系系统统的的有有效效性性、可可靠靠性性、适适应应性性、经经济济性性及及使使用用维维护护方方便便性性等等。这这些些指指标标可可从从各各个个方方面面评评价价通通信信系系统统的的性性能能，但但从从研研究究信信息息传传输输方方面面考考虑虑，通通信信的的有有效效性性和和可可靠靠性性是是通通信系统中最主要的性能指标。信系统中最主要的性能指标。所所谓谓有有效效性性，是是指指消消息息传传输输的的“速速度度”问问题题，而而可可靠靠性性主主要要是是指指消消息息传传输输的的“质质量量”问问题题。在在实实际际通通信信系系统统中中，对对有有效效性性和和可可靠靠性性这这两两个个指指标标的的要要求求经经常常是是矛矛盾盾的的，提提高高系系统统的的有有效效性性会会降降低低可可靠靠性性，反反之之亦亦然然。因因此此在在设设计计通通信信系统时，对两者应统筹考虑。系统时，对两者应统筹考虑。通信原理课件通信原理课件331.5.1模拟通信系统的主要性能指标模拟通信系统的主要性能指标模模拟拟通通信信系系统统的的有有效效性性指指标标用用所所传传信信号号的的有有效效传传输输带带宽宽来来表表征征。当当信信道道容容许许传传输输带带宽宽一一定定，而而进进行行多多路路频频分分复复用用时时，每每路路信信号号所所需需的的有有效效带带宽宽越越窄窄，信信道道内内复复用用的的路路数数就就越越多多。显显然然，信信道道复复用用的的程程度度越越高高，信信号号传传输输的的有有效效性性就就越越好好。信信号号的的有有效效传传输输带带宽宽与与系系统统采采用用的的调调制制方方法法有有关关。同同样样的的信信号号用用不不同同的的方方法法调调制制得得到到的的有有效效传传输输带带宽宽是是不不一一样的。样的。模模拟拟通通信信系系统统的的可可靠靠性性指指标标用用整整个个通通信信系系统统的的输输出出信信噪噪比比来来衡衡量量。信信噪噪比比是是信信号号的的平平均均功功率率S与与噪噪声声的的平平均均功功率率N之之比比。信信噪噪比比越越高高，说说明明噪噪声声对对信信号号的的影影响响越越小小。显显然然，信信噪噪比比越越高高，通通信信质质量量就就越越好好。输输出出信信噪噪比比一一方方面面与与信信道道内内噪噪声声的的大大小小和和信信号号的的功功率率有有关关，同同时时又又和和调调制制方方式式有有很很大大关关系系。例例如如宽宽带带调调频频系系统统的的有有效效性性不不如如调调幅幅系系统统，但但是是调频系统的可靠性往往比调幅系统好。调频系统的可靠性往往比调幅系统好。通信原理课件通信原理课件341.5.2数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标一、有效性指标一、有效性指标数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。表征。1、传输速率、传输速率传输速率有两种表示方法：码元传输速率传输速率有两种表示方法：码元传输速率RB和信息传输和信息传输速率速率Rb。码元传输速率码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），），记为记为B。信息传输速率信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它是指系简称传信率，又称比特率等。它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号秒，常用符号“bit/s”表示。表示。通信原理课件通信原理课件35通信原理课件通信原理课件36通信原理课件通信原理课件37通信原理课件通信原理课件38通信原理课件通信原理课件39解：解：依题意依题意则则由式（由式（1.5-6）得系统的误码率）得系统的误码率通信原理课件通信原理课件401.6信道及其容量信道及其容量任任何何一一个个通通信信系系统统，均均可可视视为为由由发发送送端端、信信道道和和接接收收端端三三大大部部分分组组成成。因因此此，信信道道是是通通信信系系统统必必不不可可少少的的组组成成部部分分，信信道道特特性性的的好好坏坏直直接接影影响响到到系系统统的的总总特特性性。本本节节将将重重点点讨讨论论信信道道特特性性及及其其对对信信号号传传输输的的影影响响，并并介介绍绍信道中加性噪声的一般特性及信道容量的概念。信道中加性噪声的一般特性及信道容量的概念。1.6.1信道的定义和分类信道的定义和分类通通常常对对信信道道的的定定义义有有两两种种理理解解：一一种种是是指指信信号号的的传传输输媒媒质质，如如对对称称电电缆缆、同同轴轴电电缆缆、超超短短波波及及微微波波视视距距传传播播路路径径、短短波波电电离离层层反反射射路路径径、对对流流层层散散射射路路径径以以及及光光纤纤等等，称称此此种种类类型型的的信信道道为为狭狭义义信信道道。另另一一种种是是将将传传输输媒媒质质和和各各种种信信号号形形式式的的转转换换、耦耦合合等等设设备备都都归归纳纳在在一一起起，包包括括发发送送设设备备、接接收收设设备备，馈馈线线与与天天线线、调调制制器器等等部部件件和和电电路路在在内内的的传传输输路路径径或或传传输输通通路路，这这种种范范围围扩扩大大了了的的信道称为广义信道。信道称为广义信道。通信原理课件通信原理课件41广广义义信信道道按按照照它它包包含含的的功功能能，可可以以划划分分为为调调制制信信道道与与编编码信道。码信道。在模拟通信系统中，主要是研究调制和解调的基本原理，在模拟通信系统中，主要是研究调制和解调的基本原理，其传输信道可以用调制信道来定义。所谓调制信道是指图其传输信道可以用调制信道来定义。所谓调制信道是指图1-7中调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解中调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制和解调的角度来看，调制器输出到解调器输入端的所有变换装调的角度来看，调制器输出到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不管其中间过程如何，只是对已调信号进置及传输媒质，不管其中间过程如何，只是对已调信号进行某种变换，因此可以将其视为一个整体。在研究调制、行某种变换，因此可以将其视为一个整体。在研究调制、解调问题时，定义一个调制信道是非常方便的。解调问题时，定义一个调制信道是非常方便的。通信原理课件通信原理课件42图图1-7调制信道和编码信道调制信道和编码信道通信原理课件通信原理课件43在在数数字字通通信信系系统统中中，如如果果我我们们只只关关心心编编码码和和译译码码问问题题，可可以以定定义义编编码码信信道道来来突突出出研研究究的的重重点点。所所谓谓编编码码信信道道是是指指图图1-7中中编编码码器器输输出出端端到到译译码码器器输输入入端端的的部部分分。因因为为从从编编码码和和译译码码的的角角度度来来看看，编编码码器器是是把把信信源源所所产产生生的的消消息息信信号号变变换换为为数数字字信信号号，译译码码器器则则是是将将数数字字信信号号恢恢复复成成原原来来的的消消息息信信号号，而而编编码码器器输输出出端端至至译译码码器器输输入入端端之之间间的的一一切切环环节节只只是是起起到到了了传传输输数数字字信信号号的的作作用用，所所以以可可以以将将其其归归为为一一体体来讨论。图来讨论。图1-7为调制信道与编码信道的示意图。为调制信道与编码信道的示意图。通信原理课件通信原理课件441.6.2信道数学模型信道数学模型信信道道的的数数学学模模型型用用来来表表征征实实际际物物理理信信道道的的特特性性，它它反反映映信信道道输输出出和和输输入入之之间间的的关关系系。下下面面我我们们简简要要描描述述调调制制信信道道和和编编码信道这两种广义信道的数学模型。码信道这两种广义信道的数学模型。1、调制信道模型、调制信道模型调调制制信信道道属属于于模模拟拟信信道道，通通过过对对调调制制信信道道进进行行大大量量的的分分析析研究，发现它具有如下共性：研究，发现它具有如下共性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端；（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；（3）信信号号通通过过信信道道具具有有一一定定的的延延迟迟时时间间，而而且且它它还还会会受受到（固定的或时变的）损耗；到（固定的或时变的）损耗；通信原理课件通信原理课件45图图1-8调制信道模型调制信道模型（4）即使没有信号输入，即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）。的输出（噪声）。根据以上几条性质，调制信道可以用一个线性时变网络来根据以上几条性质，调制信道可以用一个线性时变网络来表示，如图表示，如图1-8所示。所示。通信原理课件通信原理课件46通信原理课件通信原理课件47由由以以上上分分析析可可见见，信信道道对对信信号号的的影影响响可可归归纳纳为为两两点点：一一是是乘乘性性干干扰扰k(t)；二二是是加加性性干干扰扰n(t)。如如果果了了解解和和的的特特性性，则则信信道道对对信信号号的的具具体体影影响响就就能能确确定定。信信道道的的不不同同特特性性反反映映在信道模型上有不同的在信道模型上有不同的k(t)和和n(t)。通通常常，把把前前面面提提到到的的架架空空明明线线、电电缆缆、波波导导、中中长长波波地地波波传传播播、超超短短波波及及微微波波视视距距传传播播、卫卫星星中中继继、光光导导纤纤维维以以及及光光波波视视距距传传播播等等传传输输媒媒质质构构成成的的信信道道称称为为恒恒参参信信道道；而而将将短短波波电电离离层层反反射射，超超短短波波流流星星余余迹迹散散射射，超超短短波波及及微微波波对对流流层层散散射射，超超短短波波电电离离层层散散射射以以及及超超短短波波视视距距绕绕射射等等传传输媒质所分别构成的信道称为随参信道。输媒质所分别构成的信道称为随参信道。通信原理课件通信原理课件482、编码信道模型、编码信道模型编编码码信信道道是是包包括括调调制制信信道道及及调调制制器器、解解调调器器在在内内的的信信道道。它它与与调调制制信信道道模模型型有有明明显显的的不不同同：调调制制信信道道对对信信号号的的影影响响是是通通过过和和使使信信号号的的模模拟拟波波形形发发生生变变化化。而而编编码码信信道道对对信信号号的的影影响响则则是是一一种种数数字字序序列列的的变变换换，即即把把一一种种数数字字序序列列变变成成另另一一种种数数字字序序列列。故故有有时时把把调调制制信信道道看看成成是是一一种种模模拟拟信信道道，而把编码信道看成是一种数字信道。而把编码信道看成是一种数字信道。在常见的二进制数字传输系统中，编码信道的简单模型如图在常见的二进制数字传输系统中，编码信道的简单模型如图1-9所示。所示。通信原理课件通信原理课件49图图1-9二进制编码信道模型二进制编码信道模型通信原理课件通信原理课件50图图1-9的的模模型型中中，P(0)和和P(1)分分别别表表示示发发送送“0”符符号号和和“1”符符号号的的先先验验概概率率，P(0/0)与与P(1/1)是是正正确确转转移移的的概概率率，而而P(1/0)与与P(0/1)是是错错误误转转移移的的概概率率。信信道道噪噪声声越越大大将将导导致致输输出出数数字字序序列列发发生生错错误误越越多多，错错误误转转移移条条件件概概率率P(1/0)与与P(0/1)也也就就越越大大；反反之之，错错误误转转移移条条件件概概率率P(1/0)与与P(0/1)就越小。信道输出总的错误概率为就越小。信道输出总的错误概率为Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1)（1.6-3）由概率论的性质可知由概率论的性质可知P(0/0)+P(1/0)=1P(1/1)+P(0/1)=1转转移移概概率率完完全全由由编编码码信信道道的的特特性性决决定定，一一个个特特定定的的编编码码信信道道就就会会有有其其相相应应确确定定的的转转移移概概率率关关系系。而而编编码码信信道道的的转转移移概概率率一一般般需要对实际信道做大量的统计分析才能得到。需要对实际信道做大量的统计分析才能得到。通信原理课件通信原理课件51由由无无记记忆忆二二进进制制编编码码信信道道模模型型可可以以容容易易地地推推广广到到多多进进制制无无记记忆忆编编码码信信道道模模型型。图图1-10给给出出了了一一个个多多进进制制无无记记忆忆编编码信道模型。码信道模型。图图1-10多进制无记忆编码信道模型多进制无记忆编码信道模型通信原理课件通信原理课件52由于编码信道包含调制信道，且它的特性也紧密地依赖由于编码信道包含调制信道，且它的特性也紧密地依赖于调制信道，故下面我们主要讨论调制信道特性对信号传于调制信道，故下面我们主要讨论调制信道特性对信号传输的影响。输的影响。1.6.3调制信道特性对信号传输的影响调制信道特性对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响一、恒参信道对信号传输的影响由由于于恒恒参参信信道道对对信信号号传传输输的的影影响响是是确确定定的的或或者者是是变变化化极极其其缓缓慢慢的的。因因此此，其其传传输输特特性性可可以以等等效效为为一一个个线线性性时时不不变变网网络络，该该线线性性网网络络的的传传输输特特性性可可以以用用幅幅度度频频率率特特性性和和相相位位频率特性来表征。频率特性来表征。1、信号不失真传输的条件、信号不失真传输的条件对于信号传输而言，通常追求的是信号通过信道时不产对于信号传输而言，通常追求的是信号通过信道时不产生失真或者失真小到不易察觉的程度。由生失真或者失真小到不易察觉的程度。由信号与系统信号与系统课程可知，线性网络传输特性课程可知，线性网络传输特性H()通常可用幅度频率特通常可用幅度频率特通信原理课件通信原理课件53通信原理课件通信原理课件54可可见见，对对于于理理想想的的无无失失真真信信道道，如如果果相相频频特特性性是是线线性性的的，则则群群时时延延频频率率特特性性是是条条水水平平直直线线，如如图图1-11（c）所所示。示。图图1-11理想的幅频特性、相频特性、群时延频率特性理想的幅频特性、相频特性、群时延频率特性通信原理课件通信原理课件552、信号两种主要失真及其影响、信号两种主要失真及其影响信信号号经经过过恒恒参参信信道道时时，若若信信道道的的幅幅度度特特性性在在信信号号频频带带内内不不是是常常数数，则则信信号号的的各各频频率率分分量量通通过过信信道道后后将将产产生生不不同同的的幅幅度度衰衰减减，从从而而引引起起信信号号波波形形的的失失真真，我我们们称称这这种种失失真真为为幅幅频频失失真真；幅幅频频失失真真对对模模拟拟通通信信影影响响较较大大，导导致致信信噪噪比下降。比下降。若若信信道道的的相相频频特特性性在在信信号号频频带带内内不不是是频频率率的的线线性性函函数数，则则信信号号的的各各频频率率分分量量通通过过信信道道后后将将产产生生不不同同的的时时延延，从从而而引引起起波波形形的的群群时时延延失失真真，我我们们称称这这种种失失真真为为相相频频失失真真。相相频频失失真真对对语语音音通通信信影影响响不不大大，但但对对数数字字通通信信影影响响较较大大，会引起严重的码间干扰，造成误码。会引起严重的码间干扰，造成误码。通信原理课件通信原理课件56通信原理课件通信原理课件57通信原理课件通信原理课件58通信原理课件通信原理课件59通信原理课件通信原理课件60通信原理课件通信原理课件61通信原理课件通信原理课件62通信原理课件通信原理课件63多多径径传传播播使使包包络络产产生生的的起起伏伏虽虽然然比比信信号号的的周周期期缓缓慢慢，但但是是其其周周期期仍仍然然可可能能是是在在秒秒的的数数量量级级。故故通通常常将将由由多多径径效效应应引起的衰落称为引起的衰落称为“快衰落快衰落”。多径传播不仅会造成上述的衰落和频率弥散，同时还可多径传播不仅会造成上述的衰落和频率弥散，同时还可能发生频率选择性衰落。在多径传播时，由于各条路径的能发生频率选择性衰落。在多径传播时，由于各条路径的等效网络传输函数不同，于是各网络对不同频率的信号衰等效网络传输函数不同，于是各网络对不同频率的信号衰减也就不同，这就使接收点合成信号的频谱中某些分量衰减也就不同，这就使接收点合成信号的频谱中某些分量衰减特别严重，这种现象称为频率选择性衰落。下面通过一减特别严重，这种现象称为频率选择性衰落。下面通过一个例子来建立这个概念。个例子来建立这个概念。通信原理课件通信原理课件64通信原理课件通信原理课件65通信原理课件通信原理课件66相关带宽表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间相关带宽表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。隔。如如果果信信号号的的带带宽宽比比相相关关带带宽宽宽宽，则则将将产产生生严严重重的的频频率率选选择择性性衰衰落落。为为了了减减小小频频率率选选择择性性衰衰落落，就就应应使使信信号号的的带带宽宽小小于于相相关关带带宽宽。在在工工程程设设计计中中，为为了了保保证证接接收收信信号号质质量量，通常选择信号带宽为相关带宽的通常选择信号带宽为相关带宽的1/51/3。当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，小码间干扰的影响，就必须限制数字信号传输速率。就必须限制数字信号传输速率。通信原理课件通信原理课件67图图1-14选择性衰落特性选择性衰落特性通信原理课件通信原理课件68随随参参信信道道的的衰衰落落，将将会会严严重重地地影影响响系系统统的的性性能能。为为了了抗抗快快衰衰落落，通通常常可可采采用用多多种种措措施施，例例如如，各各种种抗抗衰衰落落的的调调制制解解调调技技术术、抗抗衰衰落落接接收收技技术术及及扩扩频频技技术术等等，其其中中较较为为有有效效且常用的抗衰落措施是分集接收技术。且常用的抗衰落措施是分集接收技术。按广义信道的含义，分集接收可看作是随参信道中的一按广义信道的含义，分集接收可看作是随参信道中的一个组成部分或一种改造形式，改造后的随参信道的衰落特个组成部分或一种改造形式，改造后的随参信道的衰落特性将得到改善。性将得到改善。通信原理课件通信原理课件69衰衰落落信信道道中中接接收收的的信信号号是是到到达达接接收收机机的的各各路路径径分分量量的的合合成成，如如果果在在接接收收端端同同时时获获得得几几个个不不同同路路径径的的信信号号，把把这这些些信信号号适适当当合合并并构构成成总总的的接接收收信信号号，这这样样就就能能大大大大减减小小衰衰落落的的影影响响，这这就就是是分分集集接接收收的的基基本本思思想想。“分分集集”两两字字就就是是把把代代表表同同一一信信息息的的信信号号分分散散传传输输，以以求求在在接接收收端端获获得得若若干干衰衰落落样样式式不不相相关关的的复复制制品品，然然后后用用适适当当的的方方法法加加以以集集中中合合并并，从从而而达达到到