光纤是将电信号变为光信号(电/光转换)后进行光信号传输的物理媒体。光缆是由包 层覆盖光纤芯线而构成。光信号是以电磁场形式在光纤芯中传播。光纤自70年代投用 后,很快显示出很多突出的优点,诸如,它带宽极宽(2×10Hz以上),通过目前可达 到的技术,密集波分复用(DWDM),一条光纤中可以支持1600Gb/s的传输速率;实验 表明,基于单波160b/s速率的1024个波,可达约160Tb/s的点到点传输流量(lTb/s =102b/s);光纤传输损耗极低,小于0.2dB/km,不受电磁干扰,重量极轻(一条光纤 芯27g/km),抗弯曲,耐湿热和腐蚀,敷设方便、灵活,可架设到电杆上,光纤价格极 低,目前国内生产供大于求 3.移动无线信道 无线移动通信起初是为了延伸电信网的覆盖范围和通信能力而逐步发展起来的。迄今 移动网的发展令人惊异,已从城市扩展到乡村与边远地区。我国移动用户已达1.5亿以 上,很快就与传统的固定电话(PSTN)相匹敌。下一代的移动通信将以宽带方式接入, 并与现行GSM系统相比,传输速率增加10倍、上百倍,可支持多媒体业务,并广泛实 施个人通信系统(PCS)。 移动通信以蜂窝方式组网,信道具有多径衰落与时变特征。目前GSM移动通信利用900Hz 频段,双向频谱为2×25Hz,各提供125个载波,每载波包括8个时分多址(TDMA)信 道。于是各载波200kz带宽,包含8个25kHz信道,用户数字电话速率为13kb/s,具 有高纠错能力的差错保护位时,净速率高达9.8kb/s。移动网在每个蜂窝小区设有一个 基站,转发小区内多达上千个用户同时通信。移动通信每个信道的辐射功率应控制在它 的25kHz带宽内,带外辐射衰减应至少为-40dB,优质系统应达-70dB,才不至于明显干 扰相邻话路。隔离1至2个小区可以重复利用频率,因此整个移动网可支持极大量用户 相互通信。通过越区切换和跨网漫游可以实现全国性、世界范围内的移动通信 4.卫星信道 卫星信道是一种特殊的无线信道。在地球赤道上空35978km(近似称3.6万公里)均匀 分布着三个同步卫星,就可以通过它们的转发器( Transponders)地球上任两处的地球 站间可进行通信。自60年代初(1962年)问世以来,至今稳定使用的上行6GHz、下行 4GHz频点的系统,总带宽500MHz,并提供带宽各为36MHz的12个转发器,各又能容纳 1200路数字电话或25150个窄带会议电视。一个转发器可支持五、六个行将推广的HTV (高清晰度数字电视)。由于跨洋卫星通信(如中美两国间)需经由两个卫星的转发器 与双方地球站沟通信息,因此远达15万km的距离,通信延迟则高达将近0.5秒,双方 对话均有明显延时的感觉。目前国内卫星通信已开办大量业务,如,卫星电视节目,远 程教育等 1.3通信频段的划分 上面介绍了通信信道分类与特征,并例举了几种常用信道基本性能及适用情况。各种通信系 统对使用信道的频段还有一个选择性与合理性分配问题,以便合理利用并尽量节省频谱资源, 足有效与可靠传输的要求
光纤是将电信号变为光信号（电/光转换）后进行光信号传输的物理媒体。光缆是由包 层覆盖光纤芯线而构成。光信号是以电磁场形式在光纤芯中传播。光纤自 70 年代投用 后，很快显示出很多突出的优点，诸如，它带宽极宽（2×1014Hz 以上），通过目前可达 到的技术，密集波分复用（DWDM），一条光纤中可以支持 1600Gb/s 的传输速率；实验 表明，基于单波 160Gb/s 速率的 1024 个波，可达约 160Tb/s 的点到点传输流量（1Tb/s ＝1012b/s）；光纤传输损耗极低，小于 0.2dB/km，不受电磁干扰，重量极轻（一条光纤 芯 27g/km），抗弯曲，耐湿热和腐蚀，敷设方便、灵活，可架设到电杆上，光纤价格极 低，目前国内生产供大于求。 3. 移动无线信道 无线移动通信起初是为了延伸电信网的覆盖范围和通信能力而逐步发展起来的。迄今， 移动网的发展令人惊异，已从城市扩展到乡村与边远地区。我国移动用户已达 1.5 亿以 上，很快就与传统的固定电话（PSTN）相匹敌。下一代的移动通信将以宽带方式接入， 并与现行 GSM 系统相比，传输速率增加 10 倍、上百倍，可支持多媒体业务，并广泛实 施个人通信系统（PCS）。 移动通信以蜂窝方式组网，信道具有多径衰落与时变特征。目前 GSM移动通信利用 900MHz 频段，双向频谱为 2×25MHz，各提供 125 个载波，每载波包括 8 个时分多址（TDMA）信 道。于是各载波 200kHz 带宽，包含 8 个 25kHz 信道，用户数字电话速率为 13kb/s，具 有高纠错能力的差错保护位时，净速率高达 9.8kb/s。移动网在每个蜂窝小区设有一个 基站，转发小区内多达上千个用户同时通信。移动通信每个信道的辐射功率应控制在它 的 25kHz 带宽内，带外辐射衰减应至少为-40dB，优质系统应达-70dB，才不至于明显干 扰相邻话路。隔离 1 至 2 个小区可以重复利用频率，因此整个移动网可支持极大量用户 相互通信。通过越区切换和跨网漫游可以实现全国性、世界范围内的移动通信。 4. 卫星信道 卫星信道是一种特殊的无线信道。在地球赤道上空 35978km（近似称 3.6 万公里）均匀 分布着三个同步卫星，就可以通过它们的转发器（Transponders）地球上任两处的地球 站间可进行通信。自 60 年代初（1962 年）问世以来，至今稳定使用的上行 6GHz、下行 4GHz 频点的系统，总带宽 500MHz，并提供带宽各为 36MHz 的 12 个转发器，各又能容纳 1200 路数字电话或 25~150 个窄带会议电视。一个转发器可支持五、六个行将推广的 HDTV （高清晰度数字电视）。由于跨洋卫星通信（如中美两国间）需经由两个卫星的转发器 与双方地球站沟通信息，因此远达 15 万 km 的距离，通信延迟则高达将近 0.5 秒，双方 对话均有明显延时的感觉。目前国内卫星通信已开办大量业务，如，卫星电视节目，远 程教育等。 1.3 通信频段的划分 上面介绍了通信信道分类与特征，并例举了几种常用信道基本性能及适用情况。各种通信系 统对使用信道的频段还有一个选择性与合理性分配问题，以便合理利用并尽量节省频谱资源，满 足有效与可靠传输的要求
对于有线信道,重要的是选择不同的传输媒体和宽带媒体的信道频率复用。一般根据信道业 务要求,考虑它们各所要求的前述有线信道(恒参)的性能特征,如损耗、延时与相移特性,以 及最低与最高截频等,来确定频段。 海底通信适于极低频段,则有很好的传输性能:任何基带信号传输采用基带信号带宽为截频 的全部低频段,模拟话音的低频传输只利用300~3400Hz或优质声音(音乐)从50Hz至15kHz 带宽。 比较复杂的问题是,各种无线通信要根据空间电磁波传播特点,来选择与适当分配工作频段 ITU-R对频谱分配进行了具体规则,各国各部门均科学而严格控制频点使用 电磁波由发射到接收的途径大体分为三种:一是靠地面传播的称为“地波”:二是靠空间两 点间直线传播的称为“空间波”:三是靠地球上空的电离层反射到地面的单跳或多跳方式传播, 称为“天波”。 沿地表传播的地波,因沿地面电磁波跳跃性传播产生感应电流,会受到地面这种非良导体衰 减,且频率越高集肤效应越大,损耗就越大。因此地波适于中长波和中波(即几百千赫到数兆赫) 如民用广播从535kHz至1605kHz频段(每10kHz一个节目)就是一例 数兆赫到数十兆赫的短波(高频段)适于天波传播,收发间距离远大于地波,可达数百公里 到上千公里,这决定于天线入射角大小。上面已经提到,电离层会对反射的电磁波进行吸收、衰 减,电离浓度越大则损耗越大,而这种因电离层随机变化导致的电磁波起伏衰减就是衰落现象。 如果波长更短,即更高频段,如数百兆赫到数个吉赫(10Hz)以上,则进入微波波段。这一 频段的电磁波,电离层的吸收很少,且不再被反射回地面。如卫星通信, 可穿透电离层传 播到卫星。这种空间波传播与光有类似性,不但直线传播,而且电磁波也有绕射(衍射)作用, 可以绕过一些局部障碍物。例如,微波接力属地面点与点之间直线传播,除了要受地面环境(沼 泽、山、林等)一定影响外,天线不便架设过高,因此接力(中继)段不过四、五十公里,通常 称为“视距”通信。 无线通信均需收发天线长度与波长匹配的天线尺寸为4,因此利用全向天线的民用广播 的电台天线不可能稳定架设100多米。利用900MHz频段的GSM手机天线,可以短至几厘米长, 为移动手机小型化便携带来很大方便。 全部无线通信均通过自由空间传播,为了合理使用频段,各地区各种通信又不致互相干扰 ITU科学地分配了各种通信系统所适用的频段,各频段频率与其波长对应值及其名称,由国际电 信联盟无线委员会(ITU-R)颁布,各国、各地区、城市均设有相应无线电管理委员会,负责本 国、本地区无线频点的合理协调。 1.4通信系统质量指标
对于有线信道，重要的是选择不同的传输媒体和宽带媒体的信道频率复用。一般根据信道业 务要求，考虑它们各所要求的前述有线信道（恒参）的性能特征，如损耗、延时与相移特性，以 及最低与最高截频等，来确定频段。 海底通信适于极低频段，则有很好的传输性能；任何基带信号传输采用基带信号带宽为截频 的全部低频段，模拟话音的低频传输只利用 300~3400Hz 或优质声音（音乐）从 50Hz 至 15kHz 带宽。 比较复杂的问题是，各种无线通信要根据空间电磁波传播特点，来选择与适当分配工作频段。 ITU-R 对频谱分配进行了具体规则，各国各部门均科学而严格控制频点使用。 电磁波由发射到接收的途径大体分为三种：一是靠地面传播的称为“地波”；二是靠空间两 点间直线传播的称为“空间波”；三是靠地球上空的电离层反射到地面的单跳或多跳方式传播， 称为“天波”。 沿地表传播的地波，因沿地面电磁波跳跃性传播产生感应电流，会受到地面这种非良导体衰 减，且频率越高集肤效应越大，损耗就越大。因此地波适于中长波和中波（即几百千赫到数兆赫）， 如民用广播从 535kHz 至 1605kHz 频段（每 10kHz 一个节目）就是一例。 数兆赫到数十兆赫的短波（高频段）适于天波传播，收发间距离远大于地波，可达数百公里 到上千公里，这决定于天线入射角大小。上面已经提到，电离层会对反射的电磁波进行吸收、衰 减，电离浓度越大则损耗越大，而这种因电离层随机变化导致的电磁波起伏衰减就是衰落现象。 如果波长更短，即更高频段，如数百兆赫到数个吉赫（109 Hz）以上，则进入微波波段。这一 频段的电磁波，电离层的吸收很少，且不再被反射回地面。如卫星通信，电磁波可穿透电离层传 播到卫星。这种空间波传播与光有类似性，不但直线传播，而且电磁波也有绕射（衍射）作用， 可以绕过一些局部障碍物。例如，微波接力属地面点与点之间直线传播，除了要受地面环境（沼 泽、山、林等）一定影响外，天线不便架设过高，因此接力（中继）段不过四、五十公里，通常 称为“视距”通信。 无线通信均需收发天线长度与波长 匹配的天线尺寸为 ，因此利用全向天线的民用广播 的电台天线不可能稳定架设 100 多米。利用 900MHz 频段的 GSM 手机天线，可以短至几厘米长， 为移动手机小型化便携带来很大方便。 全部无线通信均通过自由空间传播，为了合理使用频段，各地区各种通信又不致互相干扰， ITU 科学地分配了各种通信系统所适用的频段，各频段频率与其波长对应值及其名称，由国际电 信联盟无线委员会（ITU-R）颁布，各国、各地区、城市均设有相应无线电管理委员会，负责本 国、本地区无线频点的合理协调。 1.4 通信系统质量指标
1.4.1通信质量概述 影响通信质量的因素可分为两个方面。一是前面已经介绍过的广义信道的特征及种种限制因 素,二是表示信息本身的信号或编码方式和传输(调制解调)方式。 有效性与可靠性是相辅相承的两个质量指标体系,模拟与数字通信又有所不同。 1.4.2通信系统有效性技术 模拟通信系统中,每一路模拟信号需占用一定信道带宽,如何在信道具有一定带宽时充分利 用它的传输能力,可有几个方面的措施,一是多路信号通过频率分割复用,即频分复用(FDM), 以复用路数多少来体现其有效性,如同轴电缆最髙可容纳10800路4kz模拟话音信号。目前使 用的无线频段从10°10Hz范围的自由空间,更是利用多种频分复用方式实现各种无线通信。 另一方面提高模拟通信有效性是根据业务性质减少信号带宽,如话音信号的调幅单边带 (SSB)为4kHz,就比调频信号带宽小数倍,但可靠性较差。 数字通信的有效性主要体现在一个信道通过的信息速率。对于基带数字信号可以采用时分复 用(TDM)以充分利用信道带宽。其它复用方式还有前面提到的空分复用(SDM)、码分复用(CDM) 极化复用(PDM)和波分复用(WDM)以及相应的“多址”方式。数字信号频带传输,可以采用多 元调制提高有效性。如M进制信号是二进制信号信息量的(1g2M)倍,它们的信息量单位 分别为波特(Baud-Bd)和比特(bit),因此 1Bd -(og 2 M)bit -kbit 另外,为了利用有限的信道带宽支持信源信息量大的通信业务传输,根据信息理论可以采用 信源压缩编码,即消除源信息中冗余部分,如电视信号中只含有大约4%的有效信息,采用无失 真压缩编码,可能达到30多倍的压缩率。更进一步,根据不同应用要求的精度,由仙农率失真 理论,还可以去掉一些次要信息,这种有损压缩编码,往往可以压缩上百倍以上,如多媒体会议 电视及可视电话可以分别利用2Mb/s速率及PCM系统和3kHz带宽的PSTN(公用交换电话网)进 行传输,便满足一般需要 1.4.3通信系统可靠性技术 对于模拟通信系统,可靠性通常以整个系统的输岀信噪比来衡量。一般通信系统特别是卫 星通信,发送信号功率总是有一定限量,而信道噪声(主要是热噪声)则随传输距离而增长,其 功率不断累积,并以相加的形式来干扰信号,这种干扰称为加性干扰。信号加噪声的混合波形与 原信号相比则具有一定程度失真。模拟通信的输出信噪比越髙,通信质量就越好。诸如,公共电 话(商用)以40dB为优良质量,电视节目信噪比至少应为50dB,优质电视接收应在60dB以上 公务通信可以降低质量要求,也需20dB以上。当然,信噪比并非唯一的衡量质量的指标。 在实际中,常用折衷办法来改善可靠性,即以带宽(有效性)为代价换取可靠性,可提高输 出信噪比涉及信号的调制方式。例如,宽带调频(FM)比调幅多占几倍或更大带宽,解调输出信
1.4.1 通信质量概述 影响通信质量的因素可分为两个方面。一是前面已经介绍过的广义信道的特征及种种限制因 素，二是表示信息本身的信号或编码方式和传输（调制解调）方式。 有效性与可靠性是相辅相承的两个质量指标体系，模拟与数字通信又有所不同。 1.4.2 通信系统有效性技术 模拟通信系统中，每一路模拟信号需占用一定信道带宽，如何在信道具有一定带宽时充分利 用它的传输能力，可有几个方面的措施，一是多路信号通过频率分割复用，即频分复用（FDM）， 以复用路数多少来体现其有效性，如同轴电缆最高可容纳 10800 路 4kHz 模拟话音信号。目前使 用的无线频段从 105 ~1012Hz 范围的自由空间，更是利用多种频分复用方式实现各种无线通信。 另一方面提高模拟通信有效性是根据业务性质减少信号带宽，如话音信号的调幅单边带 （SSB）为 4kHz，就比调频信号带宽小数倍，但可靠性较差。 数字通信的有效性主要体现在一个信道通过的信息速率。对于基带数字信号可以采用时分复 用（TDM）以充分利用信道带宽。其它复用方式还有前面提到的空分复用（SDM）、码分复用（CDM）、 极化复用（PDM）和波分复用（WDM）以及相应的“多址”方式。数字信号频带传输，可以采用多 元调制提高有效性。如 进制信号是二进制信号信息量的（ ）倍，它们的信息量单位 分别为波特（Baud－Bd）和比特（bit），因此 另外，为了利用有限的信道带宽支持信源信息量大的通信业务传输，根据信息理论可以采用 信源压缩编码，即消除源信息中冗余部分，如电视信号中只含有大约 4%的有效信息，采用无失 真压缩编码，可能达到 30 多倍的压缩率。更进一步，根据不同应用要求的精度，由仙农率失真 理论，还可以去掉一些次要信息，这种有损压缩编码，往往可以压缩上百倍以上，如多媒体会议 电视及可视电话可以分别利用 2Mb/s 速率及 PCM 系统和 3kHz 带宽的 PSTN（公用交换电话网）进 行传输，便满足一般需要。 1.4.3 通信系统可靠性技术 对于模拟通信系统，可靠性通常以整个系统的输出信噪比来衡量。一般通信系统特别是卫 星通信，发送信号功率总是有一定限量，而信道噪声（主要是热噪声）则随传输距离而增长，其 功率不断累积，并以相加的形式来干扰信号，这种干扰称为加性干扰。信号加噪声的混合波形与 原信号相比则具有一定程度失真。模拟通信的输出信噪比越高，通信质量就越好。诸如，公共电 话（商用）以 40dB 为优良质量，电视节目信噪比至少应为 50dB，优质电视接收应在 60dB 以上， 公务通信可以降低质量要求，也需 20dB 以上。当然，信噪比并非唯一的衡量质量的指标。 在实际中，常用折衷办法来改善可靠性，即以带宽（有效性）为代价换取可靠性，可提高输 出信噪比涉及信号的调制方式。例如，宽带调频（FM）比调幅多占几倍或更大带宽，解调输出信
噪比改善量与带宽増加倍数的平方成正比。如民用调幅广播,每台节目10kz带宽,而调频台节 目带宽为180kHz,但信噪比增大十几倍,因此音质极好。 首先,数字通信可靠性因素就主要地、本质地说,主要还是信噪比问题,另一因素是设计的 信号本身抗扰能力。但数字信号传输最终反映在判决输出的码元符号是否正确,因此其可靠性指 标均为码元或码字的差错概率ˉ·,即一定时间内的平均差错率。一般通信系统,差错率主要决 定于信噪比输出大小。 提高数字系统的可靠性,减少误差率的措施,首先从仙农信道容量公式来奠定一个基本思路, 该著名的公式为 4 c=f Ct=B. 2(1+c) 上列公式的概念表明,当通过信道传输的信息总量不超过信道容量c时,信号本身的带 宽,传输时间5和信号动态范围 者的量值可以互换,则信号可以无失真通过 该信道。 例如,B3=2kHz,S/M=2。倍,而信号参量为B,=kHx,S/NV=2倍,则信 道容量 l=20070g2(1+260)=6004g2(1+20)=12×107(bt) 即信号信息量等于信道容量,满足无失真传输条件。这时,通过信号带宽2与信号动态范 国0g2(1+20)互换为B,=2kHx及1g21+20),则无问题 总结提高数字通信可靠性的技术可有 1.以付出带宽换取可靠性如无线扩频调制CDMA,以扩展带宽成百上千倍,甚至当信噪比 小于1,即0dB以下时,仍可有较强抗干扰性,正确接收信号. 2.降低传输速率,即在同样信息量,延长传输时间可以提高可靠性。如一幅信息量很大的 精细画面,利用了3kHz带宽电话信道,几分钟可以无失真传输完毕 3.采用适当的信号波形及均衡措施,可消除信号码元波形间干扰,提高正确判决概率。第 五章基带数字信号传输理论的奈奎斯特三个准则,有效地解决了消除“符号间干扰”(S) 问题
噪比改善量与带宽增加倍数的平方成正比。如民用调幅广播，每台节目 10kHz 带宽，而调频台节 目带宽为 180kHz，但信噪比增大十几倍，因此音质极好。 首先，数字通信可靠性因素就主要地、本质地说，主要还是信噪比问题，另一因素是设计的 信号本身抗扰能力。但数字信号传输最终反映在判决输出的码元符号是否正确，因此其可靠性指 标均为码元或码字的差错概率 ，即一定时间内的平均差错率。一般通信系统，差错率主要决 定于信噪比输出大小。 提高数字系统的可靠性，减少误差率的措施，首先从仙农信道容量公式来奠定一个基本思路， 该著名的公式为 上列公式的概念表明，当通过信道传输的信息总量 不超过信道容量 时，信号本身的带 宽 ，传输时间 和信号动态范围 三者的量值可以互换，则信号可以无失真通过 该信道。 例如， ， 倍，而信号参量为 ， 倍，则信 道容量 即信号信息量等于信道容量，满足无失真传输条件。这时，通过信号带宽 与信号动态范 围 互换为 及 ，则无问题。 总结提高数字通信可靠性的技术可有： 1. 以付出带宽换取可靠性如无线扩频调制 CDMA，以扩展带宽成百上千倍，甚至当信噪比 小于 1，即 0dB 以下时，仍可有较强抗干扰性，正确接收信号。 2. 降低传输速率，即在同样信息量，延长传输时间可以提高可靠性。如一幅信息量很大的 精细画面，利用了 3kHz 带宽电话信道，几分钟可以无失真传输完毕。 3. 采用适当的信号波形及均衡措施，可消除信号码元波形间干扰，提高正确判决概率。第 五章基带数字信号传输理论的奈奎斯特三个准则，有效地解决了消除“符号间干扰”(ISI) 问题
4.选用调制与解调方式提高可靠性。如采用数字调频较调幅有较好的接收质量。最佳接收 的解调方式优于包络解调效果。 5.优良的信号设计可提高抗干扰能力。第6章将重点介绍,发送信号序列中表示不同信号 的码字或波形函数之间相关性的情况 6.提高抗干扰能力,减少差错最有效、也最常用的方法是 相用线老在 编码。前面已经提 到,它是以增加冗余而实施自动纠错或检错重发的技术 要求的误码率不变 时,采用纠错码可以降低对信噪比的要求。本书第9章将具体讨论各种差错控制原理与 编码方法
4. 选用调制与解调方式提高可靠性。如采用数字调频较调幅有较好的接收质量。最佳接收 的解调方式优于包络解调效果。 5. 优良的信号设计可提高抗干扰能力。第 6 章将重点介绍，发送信号序列中表示不同信号 的码字或波形函数之间相关性的情况。 6. 提高抗干扰能力，减少差错最有效、也最常用的方法是利用差错控制编码。前面已经提 到，它是以增加冗余而实施自动纠错或检错重发的技术措施，或者在要求的误码率不变 时，采用纠错码可以降低对信噪比的要求。本书第 9 章将具体讨论各种差错控制原理与 编码方法