通信基础知识

通信基础知识

中国电信维护岗位技能认证教材编写小组编制

目录

第1章 通信概述 .................................. 3

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1.1 通信基础概念 ...................................................... 3 1.2 通信系统模型 ...................................................... 5 1.3 通信系统的分类 .................................................... 7 1.4 通信法规和通信标准 ................................................ 8

第2章 通信网的组成 .............................. 9

2.1 通信网的概念 ...................................................... 9 2.2 通信网的分类 ...................................................... 9 2.3 电信网的组成 ...................................................... 9 2.4 通信网的组网结构 ................................................. 10

第3章 通信信道 ................................. 12

3.1 无线信道 ......................................................... 12 3.2 有线传输信道 ..................................................... 18 3.3 通信信道特性 ..................................................... 20

第4章 通信网基础技术 ........................... 23

4.1 信源编码 ......................................................... 23 4.2 信道复用 ......................................................... 26 4.3 数字信号的基带传输 ............................................... 30 4.4 调制技术 ......................................................... 37 4.5 差错控制技术 ..................................................... 52

第5章 网管基础知识 ............................. 55

5.1 网管基本功能 ..................................................... 55 5.2 性能管理 ......................................................... 57 5.3 故障管理 ......................................................... 58 5.4 配置管理 ......................................................... 59 5.5 安全管理 ......................................................... 60

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第1章 通信概述

1.1 通信基础概念

1．通信的定义

通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。以各种通信技术，如以长途和本地的有线电话网（包括光缆、同轴电缆网）、无线电话网（包括卫星通信、微波中继通信网）、有线电视网和计算机数据网为基础组成的现代通信网，通过多媒体技术，可为家庭、办公室、医院、学校等提供文化、娱乐、教育、卫生、金融等广泛的信息服务。可见，通信网络已成为支撑现代社会的最重要的基础结构之一。

2．信息、数据和信号

信息是客户事物的属性和相互联系特性的表现，它反映了客观事物的存在形式或运动状态。

数据是信息的载体，是信息的表现形式。

信号是数据在传输过程的具体物理表示形式，具有确定的物理描述。 传输介质是通信中传送信息的载体，又称为信道 3．模拟通信和数字通信

通信系统主要由5个基本系统元件构成，信源、转换器、信道、反转换器、信宿。 源系统将信源发出的信息转换成适合在传输系统中传输的信号形式，通过信道传输到目的系统，目的系统再将信号反变换为具体的信息。

通过系统的传输的信号一般有模拟信号和数字信号两种表达方式。 模拟信号是一个连续变化的物理量，即在时间特性上幅度（信号强度）的取值是连续的，一般用连续变化的电压表示。 数字信号是离散的，即在时间特性上幅度的取值是有限的离散值，一般用脉冲序列来表示。

数字信号比模拟信号可靠性高，数字信号比较容易存储、处理和传输。 4．数据通信的技术指标 1) 信道带宽：是描述信道传输能力的技术指标，它的大小是由信道的物理特性决定的。信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带度。 2) 数据传输速率：称为比特率，是指信道每秒钟所能传输的二进制比特数，记为bps，常见的单位有Kbps、Mpbs、Gbps等，数据传输速率的高低，由每位数据所占的时间决定，一位数据所占用的时间宽度越小，则传输速率越高。

3) 信道容量：信道的传输能力是有一定限制的，信道传输数据的速率的上限，称为信道容量，一般表示单位时间内最多可传输的二进制数据的位数。 C=Wlog2(1+S/N)

C为信道容量；W为信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。

S/N称为信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比高，信噪比S/N通常用10lg(S/N)来表示，其单位为分贝。

无噪声离散信道容量公式为C=2Wlog2L (L为传输二进制信号)。

4) 波特率：是传输的信号值每秒钟变化的次数，如果被传输的信号周期为T，则波特

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率Rb=1/T。Rb称为波形速率或调制速率。 R=Rblog2V

V表示所传输信号所包含的离散电平数。

5) 信道延迟：信号沿信道传输需要一定的时间,就是信道延迟,信道延迟时间的长短,主要受发送设备和接收设备的响应时间、通信设备的转发和等待时间、计算机的发送和接收处理时间、传输介质的延迟时间等的影响。

信道延迟=计算机的发送和接收处理时间+传输介质的延迟时间+发送设备和接收设备的响应时间+通信设备的转发和等待时间

6) 误码率：是指接收的错误码元数占传送总码元数的比例，即码元在传输系统中被传错的概率。 Pc=Ne/N

Ne表示单位时间内接收的错误码元数；N表示单位时间内系统接收的总码元数 误码率越低，通信系统的可靠性越高，通信质量越好。 5．数据的传输

数据的传输方式有串行通信和并行通信两种，并行通信用于较低距离的数据传输，串行通信用于较远距离的数据传输 1) 串行通信：

串行通信在传输数据时，数据是一位一位地在通信上传输的。USB指串行总线。网卡负责串行数据和并行数据的转换工作。 2) 并行通信：

并行通信是指要传输的数据中多个数据位同时在两个设备中传输，发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位校验位。接收设备可同时接收到这些数据，而且无需变换就可以直接使用。并行通信特点是传输速度快，处理简单。 6．通信线路的连接方式

1) 点对点连接方式：指在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路或交换线路。

2) 多点连接方式：指各个站点通过一条公共的通信线路或集线器连接起来。 7．信道的通信方式

1) 单工通信：在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向。

2) 半双工通信：信号可以双向传送，但必须交替进行，在任一时刻只能向一个方向传送。

3) 全双工通信：信号可以双向传送数据，通信效率高，适合于计算机与计算机之间的通信。

8．信号的传输方式

1) 基带传输：在数据通信信道上直接传输数据基带信号的通信方式称为基带传输。把矩形脉冲信号的固有频带称为基带，把矩形脉冲信号叫做基带信号。发送端通过编码器将信源的数据变换为直接传输的数字基带信号，在接收端通过译码进行解码，恢复发送端的原始数据。基带传输的优点是无需调制就可以传送数字信号，从而简化了通信处理过程，提高了传输速度。但是基带传输不适合远距离传输。

2) 频带传输：频带传输是利用它们调制载荷的高频载波信号进行传输。根据载波信号的不同又可分为模拟传输和数字传输。频带传输是在通信中把数字信息调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输技术。是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，信号调制的目的是为了更好的适应信号传输

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通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。但是调制后的信号在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加。远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。利用频带传输不仅解决了数字信号可利用电话系统传输的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。

3) 宽带传输：宽带是指比音频更宽的频带，包括大部分电磁波频谱，利用宽带进行的数据传输称为宽带传输。宽带传输可容纳全部的广播信号，可以把声音、图像及数据等信息综合到一个物理信道进行高速数据传输，采用频分多路复用的形式进行数据传输。宽带传输优点是传输距离远，可达几十千米，技术复杂，传输系统的成本相对较高。

9．数据传输的同步技术

常用的同步技术有两种:异步传输方式和同步传输方式

1) 异步传输：每传送一个字符，都要在字符前加1个起始位，表示字符的开始，在字符代码和检验码后面加1或2个停止位，表示字符的结束。接收方根据起始位或停止位判断一个字符开始或结束，从而起到通信双方的同步作用。 异步传输特点：

（1）每个字符作为一个独立的整体进行传送。 （2）字符之间的时间间隔是任意的。

（3）每传输一个字符都需要多使用2-3个二进制位，增加了通信的开销，适合于低速通信。

2) 同步传输：是数据块为单位进行传输，在数据块之前先发送一个或多个同步字符SYN，用于接收方进行同步检测，从而使通信双方进行同步状态。在同步字符之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送完毕，再使用同步字符来标识整个发送过程结束。 3) 同步传输特点：

传输效率高，对传输设备要求高。

1.2 通信系统模型

图1-1是一个基本的点到点通信系统的一般模型：

图1-1 通信系统的一般模型 其中，各部分的功能如下：

① 信息源：把各种可能消息转换成原始电信号； ② 发送设备：为了使原始电信号适合在信道中传输，对原始电

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信号变换成与传输信道相匹配的传输信号；

③ 信道：信号传输的通道；

④ 接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号； ⑤ 收信者：将复原的原始电信号转换成相应的消息；

要传送的信息（消息）是m（t），其表达形式可以是语言、文字、图像、数据等，经输入设备处理，将其变换成输入数据g（t），并传输到发送设备（发送机）。通常g（t）并不是适合传输的形式（波形和带宽），在发送机中，它被变换成与传输媒质特性，相匹配的传输信号S（t）经传输媒质一方面为信号传输提供通路，另一方面衰减信号并引入噪声n（t），r（t）是受到噪声干扰的S（t），是接收机恢复输入信号的依据，r（t）的质量决定了通信系统的性能，r（t）经接收设备转换成适合于输出的形式g’（t），它是输入数据g（t）的近似或估值。最后，输出设备将由g’（t）传出的信息m’（t）提交给终点的经办者，完成一次通信。事实上，噪声只对输出造成影响，可以将整个系统产生的噪声等同成一个噪声源。

根据所要研究的对象和所关心的问题的重点的不同，又可以使用形式不同的具体模型。通信系统也可以分为模拟通信系统与数字通信系统两大类。

模拟通信系统：模拟通信系统在信道中传输的是模拟信号(如：普通电话机收发的语音信号)，模型如图1-2所示。

图1-2 模拟通信系统模型 其中：

基带信号: 由消息转化而来的原始模拟信号，一般含有直流和低频成分，不宜直接传输；

已调信号: 由基带信号转化来的、频域特性适合信道传输的信号。又称频带信号;

对模拟通信系统进行研究的主要内容就是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。

数字通信系统：数字通信系统在信道中传输的是数字信号，模型如图1-3所示。

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图1-3数字通信系统模型

其中,各部分的功能如下：

① 信源编/译码器: 实现模拟信号与数字信号之间的转换； ② 加/解密器: 实现数字信号的保密传输；

③ 信道编/译码器: 实现差错控制功能，用以对抗由于信道条件造成的误码； ④ 调制/解调器: 实现数字信号的传输与复。 以上各个部分的功能可根据具体的通信需要进行设置，对数字通信系统进行研究的主要 内容就是研究这些功能的具体实现方法。

数字通信具有以下显著的特点：

① 数字电路易于集成化，因此数字通信设备功耗低、易于小型化；

② 再生中继无噪声累积，抗干扰能力强； ③ 信号易于进行加密处理，保密性强；

④ 可以通过信道编码和信源编码进行差错控制，改善传输质量； ⑤ 支持各种消息的传递；

⑥ 数字信号占用信道频带较宽，因此频带利用率较低。

1.3 通信系统的分类

通信系统有不同的分类方法。

① 按消息分：电报系统、电话系统、数据系统、图像系统。 ② 按调制方式分：基带传输、频带传输（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）。

③ 媒质上的信号分：模拟系统、数字系统。

④ 传输媒质（信道）分：有线系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线系统（长波、中波、短波、微波、卫星）。

⑤ 按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用。 ⑥ 按消息传送的方向和时间分：单工、半双工、全双工。 ⑦ 按数字信号的排列顺序分：串序、并序。 ⑧ 按连接形式分：专线直通（点对点）、交换网络（多点对多点）。

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1.4 通信法规和通信标准

任何行业的发展都必须遵循一定的标准、规章、制度等，通信行业也不例外，无论是业务的运营还是技术的研发，包括整个企业的运作，都要受到这些“条条框框”的限制。 这些限制主要包括政策法规和技术标准两个方面：

（1）通信行业中的政策法规：政策法规主要由各国的政府部门制订。这些政策规章对于通信运营最主要的影响就是“准入”。基本上，在任何国家电信业务都是受到管制的，也就是要经过政府部门的批准。以我国为例，骨干网和接入网的运营资格都是被严格控制的。未来的发展趋势是业务的运营、特别是增殖电信业务的运营将逐步放松管制，而以话音业务为代表、包括网络基础设施建设在内的基础电信业务运营仍将在各国受到严格的管制；

（2）通信行业中的技术标准：通信行业中的技术标准主要由各种技术标准化团体、以及相关的行业协会负责制订，典型的标准化组织包括国际电联（ITU）、电气和电子工程师协会（IEEE）、第三代移动通信伙伴项目（3GPP）等，主要由设备制造商与网络运营商组成。下面以IEEE 802系列标准的制订过程为例，对此通信技术标准的制订过程进行说明：

① 首先，一个新的标准必然会针对某个特定的市场，先行关注这一市场的公司一般也会是技术上的先行者，他们会向IEEE申请设立这一标准的研究机构； ② 这些研究机构会定期举行会议，以交流工作进展，参加这些研究机构的资格即通过参加这些会议来取得；

③ 标准的研究机构下设多个工作组与研究组，它们针对不同的技术主题，并接受各种研究提案，会提出很多草稿（draft）以供进一步的研究； ④ 完成以上研究之后即会进行表决，包括内部的表决和之后提交给IEEE的表决；

⑤ IEEE表决通过之后，即成为IEEE各系列的标准，这些标准又会经常被很多国家的标准化机构所引用，成为该国的国家标准。

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第2章 通信网的组成

2.1 通信网的概念

通信网是在分处异地的用户之间传递信息的系统。属于电磁系统的也称电信网。它是由 相互依存、相互制约的许多要素所组成的一个有机整体，以完成规定的功能。通信网的功能就是要适应用户呼叫的需要，以用户满意的程度沟通网中任意两个或多个用户之间的信息。 通信网是一种使用交换设备，传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信。也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。通信网由用户终端设备，交换设备和传输设备组成。交换设备间的传输设备称为中继线路（简称中继线），用户终端设备至交换设备的传输设备称为用户路线（简称用户线）。

2.2 通信网的分类

按照信源的内容可以分为：电话网、数据网、电视节目网和综合业务数字网（ISDN）等。其中，数据网又包括电报网、电传网、计算机网等；

按通信网络所覆盖的地域范围可以分为：局域网、城域网、广域网等； 按通信网络所使用的传输信道可以分为：有线（包括光纤）网、短波网、微波网、卫星网等。

2.3 电信网的组成

电信网由核心网、接入网(AN)和用户驻地网(CPN)三大部分组成。核心网和接入网属于公共电信网，CPN为用户自有通信网，传统CPN是单用户。接入网的一侧是核心网，核心网主要由各类业务网构成，另一侧是用户。接入网起到承上启下的作用，通过接入网将核心网的业务提供给用户。接入网是一种透明传输体系，本身不提供业务，由用户终端与核心网配合提供各类业务。

核心网的技术发展走势和用户分布特点及用户对业务需求的特点决定了接入网技术的选择。为了进一步认识接入网，下面首先对接入网的两端，即核心网和用户进行分析： 核心网的业务接口特点：

① 核心业务网目前主要分语音网和数据网两大类。语音网通常指公共电话网(PSTN)，是一种典型的电路型网络。接入网接入PSTN时多数采用V5.2接口，也有部分采用V5.1、Z、U等接口。

② 传统的数据通信网主要包括公用分组交换网(PSPDN)、数字数据网(DDN)、帧中继网(FR)三种，可以看到这三种数据网是通信网发展过中的过渡性网络。DDN是电路型网络，而PSPDN和FR是分组型网络。接入网在接入这些网络时，一般采用E1、V.24、V.35、2B1Q“U”接口，其余类型的接口使用较少。现有的综合类的接入网大多都有上述接口，运营企业在选择接口时应主要考虑各业务网接口的资源利用率和业务的灵活接入。

③ IP网是一种典型的计算机通信网，因其具有IP over everthing和开放网络特点，

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并与中国电信对通信网的垄断形成鲜明的对比，所以许多生产厂家和其它运营公司都看好IP市场的前景，目前已有运营公司在构筑自己的纯IP骨干网。

④ 接入网在接入INTERNE/IP网时，当前还以拨号上网方式接入为主。INTERNET/IP在综合接入网侧的业务分流，许多生产厂商的接入网设备提供了不同的解决方案，但其思路和方法各不相同。目前有关机构正在提出V5.2接口技术规范的扩展功能附件，该附件允许Internet业务在LE控制下，直接从接入网处选路至网络接入服务器或IP电话网关，从而支持IP业务的分流。应注意到这种IP业务分流可能对一些接入网局端设备的业务交叉能力提出考验。 综上所述，目前核心网中仍以电话业务和PSTN上的增值业务为主，传统的数据网在ATM与IP技术尚不成熟的今天，仍将发挥重要作用，另一方面应认识到传统的数据网是电信网发展过程中的过渡性网络。新兴的INTERNET业务将对传统的通信网格局发起冲击，ATM和IP形势还不明朗，因此运营企业应密切关注这方面的技术发展走势和相关技术标准的出台。

1) 用户的特点：

具有随机性，这种随机性包含两方面的含义，第一，用户的空间位置是随机的，也就是用户接入是随机的。第二，用户对业务需求的类型是随机的，也就是业务接入是随机的。

核心网是提供业务的网络，用户是业务的使用者，接入网所起的作用是将核心网各类业务接口适配和综合，然后OVER在不同的物理介质上传送分配给用户。 2) 接入网的结构分层：

接入网系统由接入系统，传输系统，物理介质三部分构成。接入系统负责业务的接入，承担接入网建设第二方面主题。传输系统负责业务的承载运送。物理介质负责用户的接入，承担接入网建设第一方面主题。接入网三部分的有机组合承担接入网建设第三方面主题。接入系统承载在有源传输系统上，传输系统承载在无源物理介质上，三者缺一不可，因此接入网在建设时应由下而上统筹考虑三层结构。 ① 接入系统: 接入系统具有设备属性，在接入网中负责业务的接入。通常接入设备分局端设备和远端设备。其主要功能是：局端设备负责核心业务网业务接口的接入，远端设备提供相应用户业务接口接入。 ② 传输系统 ③ 物理介质

接入网技术是电信市场化的产物，是满足用户环路网激烈的市场竞争而产生的新技术。接入网所采用的技术可以是不同接入系统、不同传输系统和不同网络介质的排列与组合，因而技术构成十分复杂。但不管怎样，电信运营企业所面临的是市场，是这些技术的使用者，因此就需对复杂的接入网技术的脉络按市场化要求进行梳理，综合分析选择一种适应当地接入网发展的新技术。

2.4 通信网的组网结构

通信网组网结构类型主要为星，网状，环，树，总线，复合型等。衡量通信网质量的三个目标：接通的任意性与快速性，信号传输的透明性与传输的一致性，网络的可靠性与经济合理性。

通信网络的组成从功能上可以划分为接入设备、交换设备、传输设备。

① 接入设备：包括电话机、传真机等各类用户终端，以及集团电话、用户小交换机、集群设备、接入网等；

② 交换设备：包括各类交换机和交叉连接设备；

③ 传输设备：包括用户线路、中继线路和信号转换设备，

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如：双绞线、电缆、光缆、无线基站收发设备、光电转换器、卫星、微波收发设备等。 此外，通信网络正常运作需要相应的支撑网络的存在。支撑网络主要包括数字同步网、信令网、电信管理网三种类型。

① 数字同步网：保证网络中的各节点同步工作；

② 信令网：可以看作是通信网的神经系统，利用各种信令完成保证通信网络正常运做所需的控制功能；

③ 电信管理网：完成电信网和电信业务的性能管理、配置管理、故障管理、计费管理、安全管理。

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第3章 通信信道

3.1 无线信道

1．无线信道的定义

无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。

与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高40000倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料与精心加工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。与此相对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。而且在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信的可靠性。在蜂窝移动环境中，同频干扰也是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。模拟移动通信多采用调频方式，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。而衰落现象会显著改变调频信号特性，削弱其捕获效应。对于数字传输来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。

无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂和多变的，这就使得无线信道特性也是十分复杂的。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。

2. 电磁波在无线信道中的传播

电磁波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。传播特性直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。不仅如此，对于移动通信系统的无线信道环境而言，其信道环境比固定无线通信的信道环境更复杂，因而不能简单地用固定无线通信的电波传播模式来分析，必须根据移动通信的特点按照不同的传播环境和地理特征进行分析。

对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。在陆地移动系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道越发多变而且难以控制。

1) 基本传播机制:

无线信号最基本的四种传播机制为直射、反射、绕射和散射。

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① 直射：即无线信号在自由空间中的传播；

② 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射，反射一般在地球表面，建筑物、墙壁表面发生；

③ 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的物体边缘阻挡时发生绕射；

④ 散射：当无线路径中存在小于波长的物体并且单位体积内这种障碍物体的数量较多的时候发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体上，一般树叶、灯柱等会引起散射。

2) 无线信道的指标: （1）传播损耗

多种传播机制的存在使得任何一点接收到的无线信号都极少是经过直线传播的原有信号。一般认为无线信号的损耗主要由以下三种构成。 ① 路径损耗：由于电波的弥散特性造成的，反映了在公里量级的空间距离内，接收信号电平的衰减，也称大尺度衰落； ② 阴影衰落：即慢衰落，是接收信号的场强在长时间内的缓慢变化，一般由于电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的； ③ 多径衰落：即快衰落，是接收信号场强在整个波长内迅速的随机变化，一般主要由于多径效应引起的。

（2）传播时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等；

（3）时延扩展：信号通过不同的路径沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述；

（4）多普勒扩展：是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落，是对信道时变效应的描述；

（5）干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。

3. 无线信道的传播模型

1) 构建无线信道模型的原因：

移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强、时延等参数的快速波动。因此在设计无线通信技术或进行移动通信网络建设之前，必须对信号传播特征、通信环境中可能受到的系统干扰等进行估计，这时的主要依据就是各种不同条件下的无线信道模型。举例来说，在移动网络规划中，如果话务量分布相同，但是建筑物、植被等情况不同，那么就必须应用不同的传播模型。

2)无线信道模型的分类：

无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型，后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。

（1）室内传播模型：室内传播模型的主要特点是覆盖范围小、环境变动较大、不受气候影响，但受建筑材料影响大。典型模型包括：对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型等；

（2）室外宏蜂窝模型：当基站天线架设较高、覆盖范围较大时所使用的一类模型。实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划；

（3）室外微蜂窝模型：当基站天线的架设高度在3~6m时，

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多使用室外微蜂窝模型；其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗。 需要指出的是，由于移动环境的复杂性，不可能建立单一的模型。不同的模型是从不同传播环境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的适用范围。进行系统工程设计时，模型的选择是很重要的，有时不同的模型会给出不同的结果。因此，传播环境对无线信道特性起着关键作用。

3) 如何构建传播模型：

信道模型建立的准确与否关系到无线通信技术设计的是否合理，移动网络的规划是否符合实际情况，但由于不同地点的传播环境千差万别，所以很难得到准确而通用的模型。对无线信道进行研究的基本方法有三种。

（1）理论分析：即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述无线信道。构建理论信道模型首先需要将无线传播环境进行大致分类（如大城市、中小城市、效外）之后，然后提出一些假设条件使信道数学模型简化，进行理论分析和推导，得出理论模型。因此，数学模型对信道的描述都是近似的。即便如此，信道的理论模型对人们认识和研究无线信道仍可起指导作用； （2）现场实测：建立在大量实测数据和经验公式的基础之上，选取典型环境，进行电波传播实测试验。测试参数包括接收信号幅度、延时以及其它反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果，建立经验模型。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究无线信道的重要方法。

（3）计算机模拟：是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方法。如前所述，任何理论分析，都要假设一些简化条件，而实际移动传播环境是干变万化的，这就限制了理论结果的应用范围。现场实测，较为费时、费力，并且也是针对某个特定环境进行的。而计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能灵活快速地模拟各种移动环境。因而，计算机模拟越来越成为研究无线信道的重要方法。 在实际的应用中经常将以上几种方法结合使用，例如使用第二种方法得到的模型对理论推导获得的模型进行修正。

4) 传播模型的输入参数：

传播模型的数学描述都比较复杂，一般给出的是损耗或场强的分布函数，模型的输入参数主要有：自然地形特征、植被特征、天气状况、电磁噪声状况、天线高度（包括接收机和发射机的天线高度）、建筑物的分布、建筑物的平均高度、载波频率、波长、收发天线之间的距离等。

4. 无线信道的特点

（1）频谱资源有限：虽然可供通信用的无线频谱从数十MHz到数十GHz，但由于无线频谱在各个国家都是一种被严格管制使用的资源，因此对于某个特定的通信系统来说，频谱资源是非常有限的。而且目前移动用户处于快速增长中，因此必须精心设计移动通信技术，以使用有限的频谱资源；

（2）传播环境复杂：前面已经说明了电磁波在无线信道中传播会存在多种传播机制，这会使得接收端的信号处于极不稳定的状态，接收信号的幅度、频率、相位等均可能处于不断变化之中；

（3）存在多种干扰：电磁波在空气中的传播处于一个开放环境之中，而很多的工业设备或民用设备都会产生电磁波，这就对相同频率的有用信号的传播形成了干扰。此外，由于射频器件的非线性还会引入互调干扰，同一通信系统内不同信道间的隔离度不够还会引入邻道干扰；

（4）网络拓扑处于不断的变化之中：无线通信产生的一个重要原

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因是可以使用户自由的移动。同一系统中处于不同位置的用户、以及同一用户的移动行为，都会使得在同一移动通信系统中存在着不同的传播路径，并进一步会产生信号在不同传播路径之间的干扰。此外，近年来兴起的自组织（ad-hoc）网络，更是具有接收机和发射机同时移动的特点，也会对无线信道的研究产生新的影响。

5. 无线信道的微波频段

1) 微波频段的定义：

微波频段被定义为1GHz到100GHz的范围，也有定义认为微波频段的上限为1000GHz。但实用的微波通信系统工作上限一般为50GHz。由于最常见的微波接力中继通信系统与一般的移动通信系统有很多不同之处。因此虽然两者都属于无线通信的范畴，但在此对微波频段的使用做单独介绍。

2) 微波频段的特点：

微波通信同样是利用电磁波来承载信息，但它具有以下显著特点： （1）工作频率高，可用带宽大：微波通信系统一般工作在数G或数十GHz的频率上。被分配的带宽在数十MHz左右，这在无线通信中已是非常可观；一个第三代移动通信的运营商在单方向也仅被分配5MHz的带宽； （2）波长短，易于设计高增益的天线：天线可以设计得比较复杂，增益可以达到数十分贝；

（3）受天电干扰小：天电干扰、工业干扰和太阳黑子活动基本不影响微波频段；

（4）视距传播：在微波通信的系统中必须保证电磁波传输路径的可视性，它无法像某些低频波那样沿着地球的曲面传播，也无法穿过建筑物，甚至树叶这样的物体也会显著的影响通信系统。在微波中继通信中还必须注意天线的指向性；

（5）容易受天气影响：雷雨、空气凝结物等都会引导起反射、影响通信效果。

3) 地面视距信道:

微波传输的信道也被称为地面视距信道，视距传播模型主要考虑的因素包括大气效应和地面效应。其中，大气效应主要包括吸收衰减、雨雾衰减和大气折射；地面效应主要包括费涅尔效应和地面反射。

（1）吸收衰减：主要发生在微波的高频段，不同的大气成分如水蒸汽、氧气具有不同的吸收衰减，对12GHz以下的低频段影响较小；

（2）雨雾衰减：在10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几dB；在10GHz以上频段，雨雾衰减则会大大增加。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素，在暴雨天气下出现的电视转播中断常是由此原因造成的；

（3）大气折射：是由于空气密度存在梯度而造成的微波传播方向的改变；

（4）费涅尔效应：描述了微波传播在遇到障碍物时产生的附加损耗；

（5）地面反射：是传播过程中产生电平衰落的主要原因； （6）频率选择性衰落。

4) 微波通信的主要应用：

微波通信兴起于二十世纪50年代。由于其通信的容量大而投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离、大

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容量地面干线无线传输的主要手段，也可以用于传输高质量的彩色电视信号，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与高阶调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。

国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例最高达50%以上。我国对于微波通信的应用也已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信技术中，微波通信仍然具有独特而重要的地位。以下是几种微波通信的典型应用。

（1）微波中继通信：微波中继通信系统一般包含终端站和中继站两大类设备。它的站与站之间要求具有视距传播条件，通过高度指向性天线来完成相互通信。中继站上的天线依次将信号传递给相邻的站点，这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输，如图3-1所示。由于这些站都是固定设置的，因此上述这些条件可以最大限度的保证通信的有限距离和信号质量，微波中继通信常用于电话通信网的补充，也用于在较长的距离上以中继接力的方式传输电视信号，主要是作为有线通信线路的补充，在难于铺设有线电缆或一些临时性应用的场合替代有线通信；

图3-1 微波中继通信系统

（2）多点分配业务（MDS）：这实际上是一种固定无线接入技术，它包括由运营商设置的主站和位于用户处的子站，可以提供数十MHz甚至数GHz的带宽，这些带宽由所有的用户共享。MDS系统主要为个人用户、宽带小区和写字楼等设施提供无线宽带接入，它的特点是建网迅速，但资源分配不够灵活。MDS包括覆盖范围较大的多信道多点分配业务（MMDS）和覆盖范围较小、但提供带宽更为充足的本地多点分配业务（LMDS）。图3-2是多点分配业务系统的示意图。MMDS 和LMDS 的系统构成相似，一般包括基站、远端站和网管系统，其中基站和远端站又分为室内单元（IDU） 和室外单元（ODU） 部分。IDU是与提供业务相关的部分，如业务的适配和汇聚、分发；ODU 提供基站和远端站之间的射频传输功能。MMDS 和LMDS 的实现技术也非常相似，都是通过无线调制与复用技术实现宽带业务的点对多点接入。二者主要区别在于工作的频段不同以及由此带来的可承载带宽和无线传

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输特性的不同。

图3-2 多点分配业务系统

MMDS/ LMDS 不同于传统的点到点微波传输和GSM移动通信系统，它采用蜂窝的形式，通过多扇区覆盖向所需地区提供业务服务，一个中心站可以根据系统容量和具体业务需求下带多个远端站，中心站与远端站之间的通信，下行大多使用TDM 方式，上行采用FDMA 或TDMA 方式，一个扇区可以提供多个载频，目前大多数产品可提供4 个90°扇区的覆盖，部分产品甚至可提供24个15°扇区覆盖。同时，因其远端站是固定的，MMDS/ LMDS 系统无需跨区切换和位置更新，这明显不同于GSM系统。以下分别说明MMDS/ LMDS的技术特点。

① 工作频段：MMDS的频率集中在2GHz～5GHz。它的优点是：雨衰可以忽略不计；器件成熟；设备成本低。本地多点分配业务LMDS工作在毫米波波段的20GHz～40GHz频段上，在20GHz～40GHz频段上，被许可的频率包括24GHz、28GHz、31GHz、38GHz等，其中以28GHz获得的许可较多，该频段具有较宽松的频谱范围，最有潜力提供多种业务。LMDS的信号传输距离很短，仅5km～6km，因此不得不采用多个小蜂窝结构来覆盖一个城市，造成多蜂窝系统复杂度较高；设备成本高；雨衰太大、降雨时很难工作； ② 多址方式：MMDS/ LMDS 下行主要采用FDMA 方式将信号向相应扇区广播。从中心站到终端站的下行信号采用点到多点的方式，每个用户终端在特定的频段内接收属于自己的信号。上行多址方式为TDMA或FDMA。如果采用TDMA 方式,则若干远端站可在相同频段的不同时隙向基站发射信号。这种方式对支持突发型的数据业务（如Internet 接入应用） 优势较明显。如果采用FDMA 方式，在相同扇区中，不同的远端在不同频段上向基站发射信号，彼此互不干扰。由于这种方式远端需长期占用频率资源,所以适合租用线业务；

③ 调制方式：MMDS/ LMDS 的调制方式主要采用QPSK、4QAM、16QAM和64QAM 等几种调制解调技术。调制阶数越高频率利用率越高，系统的容量也相应提高。但调制技术越复杂，相同条件下的覆盖范围越小，抗干扰的能力也随之下降； ④ 传输带宽：传输容量是衡量无线宽带接入设备的重要指标，

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主要包含中心站的单扇区容量和远端站的最大容量两部分。MMDS系统的带宽较为有限，总容量仅为200MHz；而LMDS的传输带宽甚至可以与光纤相比拟，实现无线“光纤”到楼，可用频率至少为1GHz，与其他接入技术相比，LMDS是最后一公里光纤的灵活替代技术，单一用户传输速率最高可达155Mbit/s；

⑤ 业务承载：MMDS/ LMDS可以承载的业务包括：话音业务，如POTS、ISDN 或E1；专线业务，如E1、N ×64K、30B +D、V.35、X.21等；高速数据业务。 （3）无线局域网：目前基于802.11系统标准的无线局域网也工作于微波频段，其中802.11b工作于2.4GHz；802.11a/g工作于5.8GHz；

（4）第4代移动通信系统：未来的移动通信系统要求达到数百MHz的带宽，这在频谱资源十分紧张的800MHz、900MHz、2GHz等频段是难以想象的。因此一个可行的解决方案即是使用目前频谱资源相对宽松的微波频段，特别是频率较高的微波频段。但由于微波频段的衰减较大，而且在非视距传播时的性能较差，因此这还是一个有待于进一步研究的难点；

（5）卫星通信：在卫星通信中使用的频谱资源主要有以下几个波段。

① C波段：上行链路工作于6GHz，下行链路工作于4GHz，C波段对于天气的适应性较好，但C波段的工作频率被地面微波系统所共享；

② Ku波段：上行链路工作于14GHz，下行链路工作于11GHz，它的频段并没有被其它系统所使用，能够提供一定的终端移动性支持，但更容易受到天气因素的干扰；

③ Ka波段：上行链路工作于30GHz，下行链路工作于20GHz，可以提供更宽的频谱供使用，Ka波段最容易受到天气因素（如雨衰）的影响；

④ L波段：工作于390MHz到1550MHz，受天气影响最小，但可提供的频带宽度不足。

3.2 有线传输信道

1) 有线传输信道的定义：

信道(information channels,通信专业术语)是信号的传输媒质，可分为有线信道和无线信道两类。有线信道是指传输媒介为明线有线信道示意图、对称电缆、同轴电缆、光缆及波导等一类能够看得见的媒介。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。

2) 有线信道的原理：

有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。

3) 有线信道的特点：

有线信道的传输媒体为导线（双绞线或者光纤等），信号沿导线传输，能量相对集中在导线附近，因此具有较高的传输效率。有线信道的信噪比高、频带资源窄、存在回波和非线

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性失真。

4) 有线信道的分类：

有线信道主要有四类。即明线（open wire）、对称电缆（Symmetrical cable）、同轴电缆（coaxial cable）和光纤。

① 明线

明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。虽然它的传输损耗低，但是由于易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰比较敏感，已经逐渐被电缆取代。

② 对称电缆

电缆有两类，即对称电缆和同轴电缆。对称电缆是由若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制成的，为了较小每对导线之间的干扰，每一对导线都做成扭绞形状，称为双绞线，同一根电缆中的各对线之间也按照一定的规律扭绞在一起，在电信网中，通常一根对称电缆中有25对双绞线，对称电缆的芯线直径在0.4mm~1.4mm，损耗比较大，但是性能比较稳定。对称电缆在有线电话网中广泛应用于用户接入电路，每个用户电话都是通过一对双绞线连接到电话交换机，通常采用的是22~26号线规的双绞线。双绞线在计算机局域网中也得到了广泛的应用，Ethernet中使用的超五类线就是由四对双绞线组成的。

③ 同轴电缆

同轴电缆是由内外两层同心圆柱体构成，在这两根导体之间用绝缘体隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层，在内外导体之间可以填充实心介质材料火绝缘支架，起到支撑和绝缘的作用。由于外导体通常接地，因此能够起到很好的屏蔽作用。随着光纤的广泛应用，远距离传输信号的干线线路多采用光纤替代同轴电缆，在有线电视广播（CATV：Cable Television）中还广泛地采用同轴电缆为用户提供电视信号，另外在很多程控电话交换机中PCM群路信号仍然采用同轴电缆传输信号，同轴电缆也作为通信设备内部中频和射频部分经常使用传输的介质，如连接无线通信收发设备和天线之间的馈线。

④ 光纤

传输光信号的有线信道是光导纤维，简称光纤。光纤是由华裔科学家高锟（Charles Kuen）发明的，他被认为是“光纤之父”。在1970年美国康宁（Corning）公司制造出了世界上第一根实用化的光纤，随着加工制造工艺的不断提高，光纤的衰减不断下降，世界各国干线传输网络主要是由光纤构成的。

光纤中光信号的传输是基于全反射原理，光纤可以分为多模光纤（MMF：Multi-Mode Fiber）和单模光纤（SMF：Single Mode Fiber），单模光纤中光信号具有多种传播模式，而单模光纤中只有一种传播模式。光纤的信号光源可以有发光二极管（LED：Light-Emitted Dioxide）和激光。实际应用中使用的光波长主要在1.31 和1.55 两个低损耗的波长窗口内，如Ethernet网中的1000Base-LX物理接口采用1.31 波长的光信号。计算机局域网中也出现了850nm波长的信号光源，如Ethernet网中的1000Base-SX物理接口就采用这样的光源。LED光源光谱纯度低，不同波长的光信号在光纤中传播速度不同，因此随着距离的增加，光信号传播会发生色散，造成信号的失真，限制了光纤传输的距离，因此对于长距离的传输，每隔一段距离都需要对信号进行中继。单模光纤的色散要比多模光纤要小得多（在多模光纤中还存

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在模式色散），因而无中继传输距离更长，采用光谱纯度高的激光源传输时引起的色散则更小。

3.3 通信信道特性

(一)时延扩展和相干带宽:

在移动通信中，由于多径效应的存在，使得接收端收到的信号与实际发送的信号相比在时间上被拉长了，这种现象称为时延扩展。在数字通信中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到相邻码元周期中而引起码间串扰。解决码元串扰的方法就是使码元周期大于时延扩展。

与时延扩展有关的一个重要的概念就是相干带宽。当在移动通信中存在两个频率间隔较小的衰落信号时，由于不同传播时延的存在，使得原来不相干的这两个信号变得相干起来。使此种情况发生的频率间隔被称为相干带宽（B）,它取决与时延扩展。

(二)信道衰落

根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。快衰落信道是指信道冲击响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号的信号周期要短。快衰落仅与由运动引起的信道变化率有关，实际上，它仅发生在数据率非常低的情况下。慢衰落信道是指信道冲击响应变化率比发送的基带信号S(t)变化率低得多，因此可以假设在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。对频域来说，慢衰落意味着信道的多普勒扩展要比基带信号的带宽小得多。显然，信号经历的是快衰落还是慢衰落取决于移动站的速度（或信道路径中物体的移动速度）和基带信号的发送速率。

根据相干带宽和信号带宽的比较，信道可以分为平坦衰落和频率选择性衰落。所谓

平坦衰落是指当信号带宽远小于信道的相干带宽时，信号通过该信道后各频率分量的变化是一致的，信号波形没有失真，也没有发生码间串扰。而当信号带宽大于信道相干带宽时，该信号中不同的频率分量在经过信道后遭受的衰落程度是不一样的，这就导致了信号波形失真，造成码间串扰，此时的衰落称为频率选择性衰落。不同的衰落类型之间的关系如图3-3所示。

C20

Ts 平坦慢衰落 平坦快衰落 频率选择性 快衰落 (时延扩展)

??Bs Bc 频率选择性 慢衰落 （相干时间）Tc （发送信号的符号周期）Ts 频率选择性 快衰落 频率选择性 慢衰落 (相干带宽)

平坦快衰落 平坦慢衰落 Bd(频移扩展)

(发送信号带宽)Bs

图3-3 信道衰落的分类

(三) 信道的统计特性

一阶统计特性:

设一随机过程R的概率密度函数为p(r),则其累计概率分布函数F(R)可以表示为

RF(R)?P(r?R)??P(r)dr0

概率密度函数和累计概率分布函数均属于一阶统计特性。

二阶统计特性:

概率密度函数和累计概率分布函数在反映接收信号包络电平低于某一门限的总概率（或总时间）是非常有用的。但是它们不能反映接收包络电平低于某一门限的次数和平均每次持续的时间，而这两个统计量对误差检测编码、空间分集和跳频等无线统计技术来说是非常重要的。因为它们不仅受到散射环境的影响还受到移动台速度的影响，所以它们是二阶统计量。

平通过率是指单位时间内接收信号包络一正的（或负的）斜率通过某一规定电平R的次数。LCR是由Lee于1967年推导出来的。为了求出LCR的表达式，假设包络电平为??|r| ，

??且设它们的联合概率密度函数为p(?,??)。?和包络斜率为??|r|，则对于给定的包络斜率?持续时间dt，在区间(R,R?d?)上要求的通过包络α的次数为

?p(R,?)d??dt ?21

???,在持续的时间段T内通过包络电平其中??d?/dt,r?dr/dt。当给定包络斜率?R的次数为

T?p(R,?)d??dt?T??p(R,?)d????0

?所以，以正斜率通过包络电平R的次数为

?p(R,?)d??NR?T??0

最后，每秒钟通过给定包络电平R的次数，即电平通过率LR 为

??p(R,?)d??LR???0

电平通过率的实际意义：如果用接收门限作为给定包络电平，这LCR就是单位时间内

信号包络低于门限的次数。由于信号包络的起伏变化是随机的，所以电平通过率也是随机的。

平均衰落持续时间是指信号包络电平保持在给定电平R以下的平均持续时间。尽管包络衰落持续时间的概率密度函数是不可知的，但是AFD还是可以计算出来的。若考虑一个时间段T，设i为第i次衰落到给定电平R以下的持续时间，则接收包络低于电平R的概率为

tp(??R)?1ti?Ti

所以平均衰落持续时间t为

t?1TLR?ti?ip(??R)LR

上式表示了累计概率分布函数、电平通过率和平均衰落持续时间之间的关系。在多数情况下，累计概率分布函数的表达式比较容易得到，而电平通过率和平均衰落持续时间的表达式不易得到，经常根据物理意义采用数值分析的方法得到它们的数值曲线。

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第4章 通信网基础技术

4.1 信源编码

1. 信源编码的定义

信源编码：对输入信息进行编码，优化信息和压缩信息并且打成符合标准的数据包。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩；作用之二是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。一般情况下，信源编码可分为离散信源编码、连续信源编码和相关信源编码。离散信源编码可做到无失真编码；而连续信源编码则只能做到限失真编码。

2. 信源编码的一般模型

图4-1信源编码的一般模型

信源编码的一般模型如图4-1所示。如果将编码器看作是一个网络，则它有2个输入和1个输出，分别是消息集合X、信道基本符号集合A和代码集合C。

设消息集合共有N个元素，信道基本符号共有2种，代码组集合的元素个数为N，则 X={x1，x2，?，xN } A={0，1 }

C={c1，c2，?，cN }

由信源编码器的数学模型可将信源编码器的作用归纳为

（1）用信道的基本符号按照规定的编码方法把信源发出的消息变换成相应的代码组； （2）建立消息集合X与代码组集合C之间的一一对应关系。

通常称具有上述映射规则的信源编码器为正规编码器，编出来的码称为非奇异码。 由于正规编码器一一对应的规则确保了编码过程不会造成信息量的损失，故等效信源的熵必定与初始信源的熵相等。 3. 最佳编码

通常称具有最短的代码组平均长度或编码效率接近于1的信源编码为最佳信源编码，亦简称为最佳编码。最佳编码的目的是提高信道传输消息的有效性。最佳编码的实质是减小每个符号所占用的时间长度，即让每个码元所携带的信息量最大。

1) 最佳编码的原则：

（1）把信源符号集合中出现概率大的符号编成长度较短的代码组，而把出现概率小的符号编成长度较长的代码组；

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（2）信源编码器输出的代码组为单义可译码组，即序列中不必使用间隔就能把序列逐个分成代码组（因为间隔不携带信息量，使用了间隔自然降低了编码效率）。

4. 常见信源编码

1) 香农编码：

在信源编码方面，1951年香农证明，当信源输出有冗余的消息时可通过编码改变信源的输出，使信息传输速率接近信道容量。1948年香农就提出能使信源与信道匹配的香农编码。香农编码编码步骤如下：

（1）将符号序列ai（i=1,2,?,Nn）按概率降序排列; （2）确定第i个码字的码长

li????logp(ai)?? i=1,2,?,N；

n（3）令P(a0)=0，计算第i-1个符号序列的累加概率

pa(ai)??p(aj)?pa(ai?1)?p(ai?1)j?0i?1 i= i=1,2,?,Nn；

（4）将Pa(ai)用二进制表示，取小数点后li位为符号序列ai的码字ci（i=1,2,?,N

n）；

香农编码方法特点：由于bi总是进一取整，香农编码方法不一定是最佳的；由于第一

个消息符号的累加概率总是为0，故它对应的码字总是0、00、000、0?0的式样；码字集合是唯一的，且为即时码；先有码长再有码字；对于一些信源，编码效率不高，多余度稍大，因此其实用性受到较大限制。

2) 费诺编码：

费诺编码是一种基于一组符号及及其或然率（估量或测量所得），从而构建前缀码的技术。在理想意义上， 它与哈夫曼编码一样，并未实现码词（code word）长度的最低预期。然而，与哈夫曼编码不同的是，它确保了所有的码词长度在一个理想的理论范围之内。这项技术是香农于1948年，在他介绍信息理论的文章“通信数学理论”中被提出的。这个方法归功于范诺，他在不久以后以技术报告发布了它。费诺编码不应该与香农编码混淆，后者的编码方法用于证明Shannon's noiseless coding theorem，或与

Shannon–Fano–Elias coding（又被称作Elias coding）一起，被看做算术编码的先驱。

费诺编码也是一种常见的信源编码方法。其步骤：

（1）将信源消息符号按其出现的概率大小依次排列，即p(x1) ? p(x2) ? ? p(xn)； （2） 将依次排列的信源符号按概率值分为两大组，使两个组的概率之和接近于相同，并对各组赋予一个二进制码元“0”和“1”；

（3）将每一大组的信源符号进一步再分成两个组，使分解后的两个组的概率之和接近于相同，并又赋予两个组一个二进制符号“0”和“1”；

（4）如此重复，直至每个组只剩下一个信源符号为止； 信源符号所对应的码字即为费诺编码。

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费诺编码特点为：概率大，则分解的次数小；概率小，则分解的次数多。这符合最佳编码原则。码字集合是唯一的。分解完了，码字出来了，码长也有了。因此，费诺编码方法又称为子集分解法。

3) 赫夫曼编码：

香农编码算法并非总能得到最优编码。1952年, David A. Huffman提出了一个不同的算法，这个算法可以为任何的可能性提供出一个理想的树。香农编码是从树的根节点到叶子节点所进行的的编码，赫夫曼编码算法却是从相反的方向，即从叶子节点到根节点的方向编码的。编码步骤如下：

（1）将符号序列ai( i=1,2,?,Nn)按概率降序排列；

（2）为概率最小的两个符号序列各自分配一个二进制码元； （3）将概率最小的两个符号序列合并成一个新的符号序列，用两者概率之和作为新符号序列的概率；

重复（1）（2）（3）步骤，直到合并出一个以1为概率的新符号序列。分配给符号序列ai的全部码元作为该符号序列的码字ci(i=1,2,?,Nn)。

赫夫曼码的特点：编码过程中先确定码字，后确定码长；用局部累加概率代替累加概率，多次重新排列合并累加的过程是优化过程；每次合并伴之分配码元保证大概率符号序列编为短码，小概率符号序列编为长码；不具有唯一性，但不同赫夫曼码的编码效率相同；码率不超过熵率1/n个比特，n越大码率越接近熵率。

尽管对同一信源存在着多种结果的赫夫曼编码，但它们的平均码长几乎都是相等的，因为每一种路径选择都是使用最小概率相加的方法，其实质都是遵循最佳编码的原则，因此赫夫曼编码是最佳编码。赫夫曼编码是一种最佳编码，实现也不困难，因此到目前为止它仍是应用最为广泛无失真信源编码之一。

4) 通用编码：

对于统计特性已知的平稳信源，有Huffman码和算术码等高效编码方法。但是，它们存在以下共同问题：a)在编码时必须知道信源的概率分布，这在许多情况下是不可能的；b)它们对无记忆信源较为合适，而实际应用中的信源一般都具有记忆性。因此如何利用信源的记忆性提高它的压缩率是信源编码所必需考虑的问题。因而在此简单介绍一下通用编码。通用编码是指在信源概率分布不知时，对其编码并使编码效率很高的一种码。他的基本原理是利用出现数据序列前后的相关性进行压缩。下面简单介绍一下通用码中的一种LZ码：

1965年苏联数学家Kolmogolov提出利用信源序列的结构特性来编码。而两位以色列研究者J.Ziv和A.Lempel独辟蹊径，完全脱离Huffman及算术编码的设计思路，创造出了一系列比Huffman编码更有效，比算术编码更快捷的通用压缩算法。将这些算法统称为LZ系列算法。LZ码的基本算法：

（1）将长度不同的符号串编成一个个新的短语(单词)，形成短语词典的索引表； （2）它是一种分段编码，其短语词典是由前面已见到的文本分段来定义的. LZ码的编码步骤为：

（1）取第一个符号x作为第一段（单词），记为（0，x）；

（2）从第二个符号y起，分段时先查看是否与前面的短语相同（匹配）：若没有匹配的，记为（0，y）；若有匹配的符号，就找从该符号开始与之匹配的最大长度L，并使得匹配开始的距离ρ最近，记为（1，L，ρ）；

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4.2 信道复用

1. 信道复用的定义

“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。比如，传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在同一信道上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。 2. 信道复用技术

信道复用技术分为频分复用，时分复用，波分复用，码分复用，空分复用，统计复用，极化波复用。

1) 频分复用：

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用（FDM）外，还有一种是正交频分复用（OFDM）。

（1）传统的频分复用

传统的频分复用典型的应用莫过于广电HFC网络电视信号的传输了，不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是如此，因为对于数字电视信号而言，尽管在每一个频道（8 MHz）以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。

（2）正交频分复用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）实际是一种多载波数字调制技术。OFDM全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。

OFDM系统比FDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。目前OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环线（ADSL）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）和第4代（4G）移动通信系统等。

2) 时分复用：

时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用，电话就是其中最经典的例子，此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛地应用，如SDH，ATM，IP和HFC网络中CM与CMTS的通信都是利用了时分复用的技术。

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3) 波分复用：

通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）其本质上也是频分复用而已。WDM是在1根光纤上承载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤，当然每条虚拟纤独立工作在不同波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。波分复用技术作为一种系统概念，通常有3种复用方式，即1 310 nm和1 550 nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）和密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）。

（1）1 310 nm和1 550 nm波长的波分复用

这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长：1 310 nm窗口一个波长，1 550 nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤双窗口传输，这是最初的波分复用的使用情况。

（2）粗波分复用

继在骨干网及长途网络中应用后，波分复用技术也开始在城域网中得到使用，主要指的是粗波分复用技术。CWDM使用1 200~1 700 nm的宽窗口，目前主要应用波长在1 550 nm的系统中，当然1 310 nm波长的波分复用器也在研制之中。粗波分复用（大波长间隔）器相邻信道的间距一般≥20 nm，它的波长数目一般为4波或8波，最多16波。当复用的信道数为16或者更少时，由于CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，在成本、功耗要求和设备尺寸方面，CWDM系统比DWDM系统更有优势，CWDM越来越广泛地被业界所接受。CWDM无需选择成本昂贵的密集波分解复用器和“光放”EDFA，只需采用便宜的多通道激光收发器作为中继，因而成本大大下降。如今，不少厂家已经能够提供具有2~8个波长的商用CWDM系统，它适合在地理范围不是特别大、数据业务发展不是非常快的城市使用。

（3）密集波分复用 密集波分复用技术（DWDM）可以承载8～160个波长，而且随着DWDM技术的不断发展，其分波波数的上限值仍在不断地增长，间隔一般≤1.6 nm，主要应用于长距离传输系统。在所有的DWDM系统中都需要色散补偿技术（克服多波长系统中的非线性失真——四波混频现象）。在16波DWDM系统中，一般采用常规色散补偿光纤来进行补偿，而在40波DWDM系统中，必须采用色散斜率补偿光纤补偿。DWDM能够在同一根光纤中把不同的波长同时进行组合和传输，为了保证有效传输，一根光纤转换为多根虚拟光纤。目前，采用DWDM技术，单根光纤可以传输的数据流量高达400 Gbit/s，随着厂商在每根光纤中加入更多信道，每秒太位的传输速度指日可待。

4) 码分复用：

码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳1个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。联通CDMA（Code Division Multiple Access）就是码分复用的一种方式，称为码分多址，此外还有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和同步码分多址（SCDMA）。

（1）FDMA

FDMA频分多址采用调频的多址技术，业务信道在不同的频段分配给不同的用户。FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网就是采用FDMA和TDMA两种方式的结合。

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（2）TDMA时分多址

TDMA时分多址采用了时分的多址技术，将业务信道在不同的时间段分配给不同的用户。TDMA的优点是频谱利用率高，适合支持多个突发性或低速率数据用户的接入。除中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广电HFC网中的CM与CMTS的通信中也采用了时分多址的接入方式（基于DOCSIS1.0或1.1和Eruo DOCSIS1.0或1.1）。

（3）CDMA码分多址

CDMA是采用数字技术的分支——扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDM和TDM的基础上发展起来的。FDM的特点是信道不独占，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；TDM的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠；CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的效率高，系统的容量大。CDMA的技术原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（PN）进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。

（4）同步码分多址技术

同步码分多址（SCDMA，Synchrnous Code Division Multiplexing Access）指伪随机码之间是同步正交的，既可以无线接入也可以有线接入，应用较广泛。广电HFC网中的CM与CMTS的通信中就用到该项技术，例如美国泰立洋公司（Terayon）和北京凯视通电缆电视宽带接入，结合ATDM（高级时分多址）和SCDMA上行信道通信（基于DOCSIS2.0或Eruo DOCSIS2.0）。

中国第3代移动通信系统也采用同步码分多址技术，它意味着代表所有用户的伪随机码在到达基站时是同步的，由于伪随机码之间的同步正交性，可以有效地消除码间干扰，系统容量方面将得到极大的改善，它的系统容量是其他第3代移动通信标准的4～5倍。

5) 空分复用：

空分复用（SDM，Space Division Multiplexing）即多对电线或光纤共用1条缆的复用方式。比如5类线就是4对双绞线共用1条缆，还有市话电缆（几十对）也是如此。能够实现空分复用的前提条件是光纤或电线的直径很小，可以将多条光纤或多对电线做在一条缆内，既节省外护套的材料又便于使用。

6) 统计复用：

统计复用（SDM，Statistical Division Multiplexing）有时也称为标记复用、统计时分多路复用或智能时分多路复用，实际上就是所谓的带宽动态分配。统计复用从本质上讲是异步时分复用，它能动态地将时隙按需分配，而不采用时分复用使用的固定时隙分配的形式，根据信号源是否需要发送数据信号和信号本身对带宽的需求情况来分配时隙，主要应用场合有数字电视节目复用器和分组交换网等，下面就以这两种主要应用分别叙述。

（1）数字电视节目复用器

数字电视节目复用器主要完成对MPEG-2传输流（TS）的再复用功能，形成多节目传送流（MPTS），用于数字电视节目的传输任务。所谓统计复用是指被复用的各个节目传送的码率不是恒定的，各个节目之间实行按图像复杂程度分配码率的原则。因为每个频道（标准或增补）能传多个节目，各个节目在同一时刻图像复杂程度不一样（一样的概率很小），所以我们可以在同一频道内各个节目之间按图像复杂程度分配码率，实现统计复用。

实现统计复用的关键因素：一是如何对图像序列随时进行复杂程度评估，有主观评估

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和客观评估两种方法；二是如何适时地进行视频业务的带宽动态分配。使用统计复用技术可以提高压缩效率，改进图像质量，便于在1个频道中传输多套节目，节约传输成本。

（2）分组交换网

分组交换网是继电路交换网和报文交换网之后的一种新型交换网络，它主要用于数据通信，如X.25，帧中继，DPT，SDH，GE和ATM都是分组交换的例子。分组交换是一种存储转发的交换方式，它将用户的报文划分成一定长度的分组（可以定长和不定长），以分组为存储转发。因此，它比电路交换的利用率高，比报文交换的时延小，具有实时通信的能力。分组交换利用统计时分复用原理，将1条数据链路复用成多个逻辑信道，最终构成1条主叫、被叫用户之间的信息传送通路，称之为虚电路（即VC，两个用户终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过网络建立逻辑上的连接），实现数据的分组传送。分组交换网中有的支持统计复用，有的不支持统计复用，例如SDH就不支持统计复用，其带宽是固定不变的，支持统计复用技术的主要有帧中继、ATM和IP，下面作分别介绍。

① 帧中继

帧中继是在X.25分组交换技术基础上发展起来的一种快速分组交换传输技术，用户信息以帧（可变长）为单位进行传输，并对用户信息流进行统计复用。

② ATM

ATM支持面向连接（非物理的逻辑连接）的业务，具有很大的灵活性，可按照多媒

体业务实际需要动态分配通信资源，对于特定业务，传送速率随信息到达的速率而变化，因此，ATM具有统计复用的能力，能够适应任何类型的业务。

③ DPT

DPT（Dynamic Packet Transport）是Sisco公司独创的新一代优化动态分组的传输

技术，吸收了SDH的优点而克服其缺点，将IP路由技术对宽带的高效利用以及丰富的业务融合能力，和光纤环路的高带宽及可靠的自愈功能紧密结合，由于所有节点都具有公平机制且支持带宽统计复用，可成倍提高网络可用带宽。

④ 吉位以太网

GE（Gigabit Ethernet）是以太网技术的延伸，是第3代以太网，它主要处理数据业务，是目前广电宽带城域骨干网采用的主流技术。以太网交换机端口（RJ45）所带的用户信道使用率通常是不相同的，经常会出现有的信道很忙，有的信道处于空闲状态，即便是以太网交换机所有的端口都处于通信状态下，还会涉及到带宽的不同需求问题，而数据交换的特性在于突发性，只有通过统计复用，即带宽动态分配才能降低忙闲不一的现象，从而最大限度地利用网络带宽。

⑤ 字节间插复用

在SDH（Synchronous Digital Hierarchy）中复用是指将低阶通道层信号适配进高阶通道，或将多个高阶通道层信号适配进复用段的过程。我们知道SDH复用有标准化的复用结构，但每个国家或地区仅有一种复用路线图，由硬件和软件结合来实现，灵活方便。而字节间插复用（BIDM，Byte Intertexture Division Multiplexing）是SDH中低级别的同步传送模块（STM, Synchronous Transport Module）向高级别同步传送模块复用的一种方式，高级别的STM是低级别STM的4倍。如图1所示的4个STM-1字节间插复用进STM-4的示意图，当然4个STM-4字节间插复用进STM-16也一样，其余等级的同步传送模块以此类推。这里的字节间插是指有规律地分别从4个STM-1中抽出1个字节放进STM-4中。进行字节间插复用，一是体现了SDH同步复用的设计思想；二是由AU-PTR（管理单元指针）的值，再通过字节间插的规律性，就可以定位低速信号在高速信号中的位置，使低速信号可以方便地分出或插入高速信号，这也是SDH与PDH相比较的优势之一，由于PDH低速信号在高速信号中位置的无规律性，从而高速信号插/分低速信号要一级一级进行复用/解复用，因为复用/

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解复用会增加信号的损伤，不利于大容量传输。

7) 极化波复用：

极化波复用（Polarization Wavelength Division Multiplexing）是卫星系统中采用的复用技术，即一个馈源能同时接收两种极化方式的波束，如垂直极化和水平极化，左旋圆极化和右旋圆极化。卫星系统中通常采用两种办法来实现频率复用：一种是同一频带采用不同极化，如垂直极化和水平极化，左旋圆极化和右旋圆极化等；另一种是不同波束内重复使用同一频带，此办法广泛使用于多波束系统中。

4.3 数字信号的基带传输

1. 数字基带传输概述

1) 数字基带传输系统：

来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，ΔM序列等等都是数字信号。这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，我们称之为数字基带传输。

目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输不如频带传输的应用那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的。一是因为在利用对称电缆构成的近距离数据通信系统广泛采用了这种传输方式，例如以太网；二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题，例如传输过程中的码型设计与波形设计；三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统均可以等效为基带传输系统来研究。

2) 数字基带传输系统的基本组成：

数字基带传输系统的基本结构如图4-2所示。它主要由编码器、信道发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器和解码器组成。此外为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。

图4-2 数字基带传输系统

其中，各部分的功能为： （1）编码器：将信源或信源编码输出的码型（通常为单极性不归零码NRZ）

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变为适合于信道传输的码型；

（2）信道发送滤波器：将编码之后的基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过波形变换来实现的，其目的是使信号波形与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决；

（3）信道：它是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信道还会额外引入噪声；

（4）接收滤波器：它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形无码间串扰，有利于抽样判决；

（5）抽样判决器：它是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定的时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号；

（6）解码器：对抽样判决器输出的信号进行译码，使输出码型符合收终端的要求；

（7）同步器：提取位同步信号，一般要求同步脉冲的频率等于码速率。

各阶段的码型与波形变化如图4-3所示。

图4-3数字基带传输过程的波形变化过程

其中， m( t )是输入的基带信号，这里是最常见的单极性非归零信号； m`( t )是进行码型变换后的波形； 是进行发送滤波成型之后的波形，m1( t )是一种适合在信道中传输的波形； m2( t ) 是信道输出信号，显然由于信道频率特性不理想，波形发生失真并叠加了噪声；r( t )为接收滤波器输出波形, 与 m2( t )相比，失真和噪声得到减弱； cp( t )是位定时同步脉冲； m3( t )为抽样判决之后恢复的信息； m0( t )

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是译码之后获得的接收信息，由于本例中的编码较简单，因此与 m3( t )相同。 由以上过程可以看出，接收端能否正确恢复出信息，主要在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。

3) 数字基带传输的基本波形：

数字基带信号的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。其中最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换，下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形。 （1）单极性不归零波形：这是一种最简单、最常用的基带信号形式。这种信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1，或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来对应表示0或1码。其特点是极性单一、有直流分量、脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中，而当出现连0序列时没有位同步信息。如图4-4中的（a）所示；

（2）双极性不归零波形：在双极性不归零波形中，脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0，由于它是幅度相等极性相反的双极性波形，故当0、1符号等概率出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强，故双极性波形有利于在信道中传输。如图4-4中的（b）所示；

（3）单极性归零波形：单极性归零波形与单极性不归零波形的区别是有电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，所以称为归零波形。单极性归零波形可以直接提取定时信息，而其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。如图4-4中的（c）所示；

（4）双极性归零波形：它是双极性波形的归零形式。图可见，每个码元内的脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。它除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。如图4-4中的（d）所示；

（5）差分波形：这种波形不是用码元本身的电平表示消息代码， 而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码。图中，以电平跳变表示1，以电平不变表示0，当然上述规定也可以反过来。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。如图4-4中的（e）所示； （6）多电平波形：上述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际上还存在多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形，这种波形统称为多电平波形或多值波形。如图4-4中的（f）所示；

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图4-4 常见的基带信号波形

（7）数字基带信号的一般表达式：消息代码的电信号波形并非一定是矩形的，还可以是其他形式。但无论采用什么形式的波形，数字基带信号都可用数学表达式表示出来。若假设数字基带信号中各码元的波形相同而取值不同，则数字基带信号的时域波形可以表示为：

其中， an是第 n个信息符号所对应的电平值（0、1或-1、+1等），由信息码和编码规律决定； Ts为码元间隔； g( t )为某种标准脉冲波形，对于二进制代码序列，若令g1( t )代表“0”， g2( t )代表“1”，则：

由于an是一个随机变量。因此，通常在实际中遇到的基带信号s( t ) 都是一个随机的脉冲序列。

2. 数字基带传输的码型设计

1) 码型设计的要求： 在实际的基带传输系统中，并不是所有信息码的电信号波形都能在信道中传输。例如，前面介绍的含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变。又如，当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。单极性归零码在传送连“0”时，存在同样的问题。因此，信息码在进行传输之前，必须经过码型变换，变换为适用于信道传输的码型。传输码型（或称线路码）的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码型的设计应具有下列主要特性： （1）相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；

（2）便于从信号中提取定时信息。为此，要求传输码型应含有（或者经变换后含有）时钟频率分量，且不能出现过多的连“0”码，否则提取的时钟信号就会很不稳定，引起同步偏移； （3）信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰； （4）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化； （5）具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测；

（6）编译码设备要尽可能的简单。 2) 常见的传输码型：

（1）传号反转交替码（AMI码）：AMI码的编码规则是将二进

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制消息代码“1”交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”保持不变。AMI码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列，而0电位持不变的规律。AMI码的优点是：由于+1与-1交替，AMI码的功率谱中不含直流成分，高、低频分量少。位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。此外，AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。鉴于这些优点，AMI码是CCITT建议采用的传输码性之一。AMI码的不足是，当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难，解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。AMI码的码型如图4-5中的（b）所示；

（2）三阶高密度双极性码（HDB3码）：HDB3码是AMI码的一种改进码型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下：

① 当信码的连“0”个数不超过3个时，仍按AMI码的规则，即传号极性交替；

② 当连“0”个数超过3个时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流分量；

③ 为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B；

④ 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内）。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。

HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型，A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。HDB3码的码型如图4-5中的（c）所示；

（3）传号反转码（CMI码）：CMI码的编码规则是：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示。CMI码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。 此外，由于10为禁用码组，不会出现3个以上的连码， 这个规律可用来进行检错。由于CMI码易于实现，且具有上述特点，因此是CCITT推荐的PCM高次群采用的接口码型，在速率低于8.448 Mb/s的光纤传输系统中有时也用作线路传输码型。CMI码的码型如图4-5中的（d）所示；

（4）数字双相码（曼彻斯特码）：曼彻斯特码与CMI码类似，它也是一种双极性二电平码。曼彻斯特码用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。曼彻斯特码只有极性相反的两个电平，而不像前面的三种码具有三个电平。因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息。又因为这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过程也很简单，但占用带宽是原信码的2倍。曼彻斯特码的码型如图4-5中的（e）所示。

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图4-5 常见的基带传输码型

可以看出，这些码型均不含有直流分量，且高频分量较小。有些码型虽然没有时钟

分量，但含有1/2时钟频率的分量，也可以通过一定的处理从而获得定时信息。另外，所有码型均具有一定的规律性，接收端可以据此进行误码检测。

3. 数字基带传输的波形设计

数字信号基带传输的要求与模拟信号传输的要求不同。模拟信号由于待传信息包含在信号的波形之中，因此要求接收端无波形失真；而数字信号的待传信息包含在码元的组合之中，因此要求接收端无差错的恢复出发送的码元流，可以允许一定的波形失真，只要失真程度不影响码元的恢复即可。

二进制数字基带波形都是矩形波，在画频谱时通常只画出了其中能量最集中的频率范围，但这些基带信号在频域内实际上是无穷延伸的。如果直接采

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用矩形脉冲的基带信号作为传输码型，由于实际信道的频带都是有限的，则传输系统接收端所得的信号频谱必定与发送端不同，这就会使接收端数字基带信号的波形失真。大多数有线传输的情况下，信号频带不是陡然截止的，而且基带频谱也是逐渐衰减的，采用一些相对来说比较简单的补偿措施（如简单的频域或时域均衡）可以将失真控制在比较小的范围内。较小的波形失真对于二进制基带信号影响不大，只是使其抗噪声性能稍有下降，但对于多进制信号，则可能造成严重的传输错误。当信道频带严格受限时（如数字基带信号经调制通过频分多路通信信道传输），波形失真问题就变得比较严重，尤其在传输多进制信号时更为突出。图4-6反映了在带宽受限的信道中信号波形的变化。

图4-6带宽受限的信道中信号波形的变化 基带脉冲序列通过系统时，系统的滤波作用使传输波形中出现的波形失真、拖尾等现象，接收端在按约定的时隙对各点进行抽样，并以抽样时刻测定的信号幅度为依据进行判决，来导出原脉冲的消息。若重叠到邻接时隙内的信号太强，就可能发生错误判决。若相邻脉冲的拖尾相加超过判决门限，则会使发送的“0”判为“1”。实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖尾叠加，这种脉冲重叠，并在接收端造成判决困难的现象叫做码间干扰。

因此可以看出，传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性。当然可以有意地加宽传输频带使这种干扰减小到任意程度。然而这会导致不必要地浪费带宽。如果信道带宽展宽得太多还会将过大的噪声引入系统。因此应该探索另外的代替途径，即通过设计信号波形，或采用合适的传输滤波器，设法使拖尾值在判决时刻为0，以便在最小传输带宽的条件下大大减小或消除这种干扰。

奈奎斯特第一准则解决了消除这种码间干扰的问题，并指出当传输信道具有理想低通滤波器的幅频特性时，信道带宽与码速率的基本关系。即：

式中 Rb为传码率，单位为比特/每秒（bps）。fn为理想信道的低通截止频率。上式说明了理想信道的频带利用率为：

图4-7给出了无码间干扰的基带信号波形。

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图4-7无码间干扰的基带信号波形

4.4 调制技术

1． 调制解调技术

在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以采用基带传输。当在长距离传输的有线信道，特别是无线信道中，为了抵抗信号的衰落，提高抗干扰能力，大多采用频带传输，频带传输的关键是调制解调技术。正如本书前面所谈到的，调制解调器是术语调制器和解调器的总称，它根据传输的是‘1’还是‘0’来改变载波信号。在频带传输中需要使用调制技术，有时我们也称它为信道编码技术。调制的作用是将数字信息转移到传输介质上。到目前为止，已经开发出很多调制方法，它们在工作速率、对线路质量的要求、抗噪声性能和复杂度方面各有不同，其中一些调制方式之间互不兼容。

调制解调器可以分别改变模拟波形的3种主要特征参数——幅度、频率和相位——来对信息进行编码。利用波形的这三个特征，调制解调器就可以在一个波形周期内对多个比特进行编码，它检测到的这些变化越多，产生的比特率就越高。采用不同的调制方法，相应的频谱利用率也不同。频谱利用率是指在单个波形周期内编码的比特数。我们称一个波形循环周期为“符号周期”。为了提高频谱利用率，可以采用增加电平级数的办法。例如，要在相同的符号周期内对k个比特编码，就需要 个电平级。随着速率的增加，接收端要区分这些电平级就越加困难。因此，如何在很高数据速率的情况下区分电平级成为目前的一个难点。 2． 调制技术的概念

由消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号大多不适宜直接传输。必须先经过在发送端调制才便于在信道中传输，而在接收端进行相应的解调操作。所谓调制，就是按原始信号的变化规律去改变载波信号的某些参数的过程。调制过程的目的是把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形。 从功能上看，调制技术主要实现了以下三个功能。

（1）频率变换：例如为了利用无线传输方式，将（0.3~3.4KHz）

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有效带宽内的语音信号调制到高频段上去；

（2）实现信道复用：通过调制可以将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输；

（3）提高抗干扰性：利用信号带宽和信噪比的互换性，提高通信系统的抗干扰性。调制系统的模型如图4-8所示。

图4-8调制系统模型

其中：

m(t)为源信号，通常用于调制载波 的幅度，频率、相位等； C(t)为载波信号；

S(t)为已调信号，可能是调幅信号，也可能是调频或调相信号等。

1) 调制技术的分类:

从不同的角度，调制技术可以按以下几个角度进行分类。 （1）按源信号的不同，可以分为：

① 模拟调制：是连续信号； ② 数字调制：是离散信号。 （2）按载波信号不同，可以分为：

① 连续波调制：是连续信号；

② 脉冲调制：是脉冲信号，如周期矩形脉冲序列。 （3）按调制器的功能，可以分为：

① 幅度调制：用改变的幅度，如AM、DSB、SSB、VSB、ASK； ② 频率调制：用改变的频率，如FM、FSK；

③ 相位调制：用改变的相位，如PM、PSK。频率调制与相位调制均属于角度调制技术。

（4）按调制器传输函数的性质，可以分为：

① 线性调制：调制前、后的频谱呈线性搬移关系；

② 非线性调制：无上述关系，且调制后的频谱产生许多新成份。

3．模拟信号的调制传输

1）基本概念：

当源信号是模拟信号且被改变的载波信号的参数也是连续变量时，即称为模拟调制。常见的模拟调制技术包括幅度调制、频率调制、相位调制，以及将以上调制方法结合的复合调制技术和多级调制技术。 2）幅度调制（AM）：

（1）幅度调制的时域特征

幅度调制是正弦载波信号的幅度随调制信号做线形变化的过程。设正弦载波信号为：

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为载波的初始相位、 A为载

其中wc为载波的角频率、

波的幅度。

幅度调制信号一般即可以表示为：

其中 m( t )为基带信号。可见，幅度调制信号的波形随基带信号变化而正比的变化。这一过程的信号波形变化如图4-8所示。

图4-8幅度调制过程中的时域波形变化

（2）幅度调制的频域特征

设基带信号m( t ) 的频谱为M( w ) ，则可以得到已调信号

Sm( t ) 的频谱 Sm( w ) 为：

可见，幅度调制信号的频谱是基带信号频谱在频域内的简单搬移。这一过程的频谱变化如图4-9所示。

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图4-9幅度调制过程中的频域波形变化 （3）幅度调制的一般模型

幅度调制器的一般模型如图4-10所示。

图4-10幅度调制器模型

它由一个相乘器和一个冲激响应为 的带通滤波器组成。此时输出信号的频域表达式为：

可见，通过适当的选取冲激响应h( t ) ，便可以为输出信号选择保留不同的边带信号，即得到各种幅度调制信号。例如：双边带信号、调幅信号（AM）、单边带信号、残留边带信号等。

（4）幅度调制信号

a) 双边带信号（DSB）

如果输入的基带信号没有直流分量，且h( t ) 是理想带通滤波器，则得到的输出信号就是无载波分量的双边带幅度调制信号。 b) 调幅信号（AM）

如果输入信号带有直流分量，即m( t ) 可以表示为

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