2第1章绪论1.1.2通信系统的基本特性通信系统的种类很多。按所用信道的不同可分为有线通信系统和无线通信系统；按通信业务（即所传输的消息种类）的不同可分为电话、电报、传真和数据通信系统等，近年来多种业务综合为多媒体通信系统。广义地说，广播、电视、雷达及导航系统等，也属于通信系统。当通信系统中传输的基带信号是模拟信号时，称为模拟通信系统：当基带信号是数字信号时，则称为数字通信系统。尽管它们的种类很多，但有一些基本要求，或者说通信系统应具备的一些基本特性是共同的。下面对几个主要特性做简要的说明。1、传输距离传输距离是指信号从发送端到达接收端并能被可靠接收的最大距离。一般情况下，总希望传输距离足够远，但不论有线通信还是无线通信，当信号通过信道时，总要产生损耗，使到达接收端的信号能量随距离增加面减少，如果再考虑干扰和噪声的影响，则系统的传输距离还将进一步缩短。因此，在设计通信系统时，要注意选择合适的信道，合理的通信体制，并要考虑发送端能提供足够的信号功率和接收端有较高的接收灵敏度等。2.通信容量通常，建立一个信道，需要较多的投资和较长的时间。例如，要建立一个卫星通信信道，除了耗资于星体及星上通信设备的研制和发射外，还需要建立一系列地而收发站与转接站，配备必要的维护人员等。所以，总是希望所建立的信道能同时传送尽可能多的信源信息数量，以提高通信系统的经济效益，减少信道的拥挤状况。3信号失真度信号失真度指的是接收设备输出信号fz（）不同（失真）于发送端基带信号f（t）的程度。由于信号是消息的表现形式，消息包含在信号之中，因此f（t）与f（t）之间的不同将意味着消息的损失和破坏。而在实际通信系统中，由于信道特性的不理想和对信号进行处理的电路特性的不理想，失真总是难免的。为了减小失真，就需要注意信道的状况并选择合理的电路形式及工作状态。4.抗干扰能力信号通过信道时，总要混入各种形式的于扰和噪声，使接收机输出信号的质量下降。为提高通信系统的抗干扰能力，带要选择合适的通信体制并选用高质量的调制、解调电路。1.1.3.通信系统的信道通信系统中，发送设备和接收设备的总体设计，包括电路设计都与所使用的
31.1通信系统的基本概念信道有关。为此，在本节中简介常用信道的传输特性。目前，通信系统中应用的信道可分为两大类，即有线信道和无线信道。有线信道包括双绞线、同轴电缆、波导管和光纤光缆等。无线信道包括地球表面、地下、水下、地球大气层（如对流层、电离层等）及宇宙空间等。信道的基本特性有：1.衰减特性信道的衰减特性是指信号经信道传输时，信号能量被衰减的程度。对于不同信道，引起信号能量衰减的原因是不同的。例如，电缆中引起衰减的原因主要是导线电阻和屏蔽损耗；光缆中则主要是光纤对光波的散射、吸收所形成的损耗。而对无线信道，由于其组成成分复杂，又受多种自然条件的影响，因此其衰减特性也受多种因素影响。由于不同信道引起衰减的原因不同，所以它们的衰减特性也不同。2.工作频率范围不同的信道具有不同的工作频率范围。表1.1.1列出了通信系统中使用的波段名称及其相应的波段和频段，同时列出了不同的有线和无线信道所使用的频段。表1.1.1频段划分与常用信道的工作频率范圈传输媒介波长波段名称频段有线信道无线信道甚长波架1000~100km0.3~3kHz海空对地自超长波萌称100~10km3~30kHz水线电长波10~1 km30~300kHz球电中波1000~200m0.3~1.5MHz缆同轴表离短波200~10 m1.5~30MHz层层由电超短波米波10~1 m30~300MHz缆分米波100~10cm0.3~3GHz厘米波10~1cm3~30GHz微波空毫米波10~1mm30~300 GHz波导管…亚毫米波1~0.1mm300~3000GHz间长波长1.251.6 μm光光波短波长0.80.9μm缆注：在雷达和常规微波技术中，常对微波波段中的部分做更细的划分，并用不同的拉丁字母表示它们，现附表如下：
论4第1章绪波段代号频率范围/GHzL1~2S2~4c4~8x8~12Ku12~18K18~27Ka27~403.频率特性信道的频率特性指的是在信道的工作频率范围内，当不同频率的信号通过时，信道引起的幅度衰减和附加相移。从这个意义上说，信道的特性类似于一个滤波器，并可用幅度频率特性和相位频率特性来描述。4.时变与时不变特性在某些信道中，信道的传输特性是随时间变化的，例如无线信道。而在另一些信道中，这种变化很小，例如电缆信道。通常称前者为时变信道，后者为时不变信道。时不变信道的基本特性比较稳定，因而通信系统设计比较简单。由于时变信道的特性随时间变化，通信系统要适应这种变化，才能保证信号传输质量，所以比较复杂。5.干扰特性不同信道受外来干扰影响的程度不同。一般来说，有线信道比无线信道受的影响要小些，所以有线信道的抗干扰特性优于无线信道。以上对通信系统中信道的一般特性做了简单说明。信道的特性主要与信号在其中的传播方式有关。下面对无线信道中的信号传播方式做进一步的讨论。电信号在无线信道中的传播也称电波传播，其传播方式大体上可分为三种：第一种称为直射传播，其示意图如图1.1.2(a)所示。电波从发射天线甲发出，沿直线传播到接收天线乙。由于地球表面是一个曲面，因此发射和接收天线发射天线甲接收天线乙82(a)发射天线甲接收天线乙7女(b)图1.1.2电波的直射传播
1.1通信系统的基本概念5的高度将影响这种直射传播的距离。分析和实践表明，当发射和接收天线的高度各为50m时，直射传播距离为50km。目前正在迅速发展的卫星通信，是用一个离地面几万公里的卫星作为地面信号的转发器，其示意图如图1.1.2（b）所示。显然，其传输距离可以大大增加。第二种传播方式是绕射。具体地说，是电波沿着地球的弯曲表面传播，其示意图如图1.1.3所示。由于地面不是理想的导体，当电波沿其表面传播时，将有能量的损耗。这种损耗随电波波长的增大而减小。因此，通常只有中，长波范围的信号才采用绕射方式传播。另外，由于地面的电特性不会在短时间内有很大的变化，所以电波沿地面的传播比较稳定，面且距离可以远大于两天线之间的直线距离。图1.1.3电波的绕射第三种传播方式是利用电离层的折射和反射。在地球表面存在着具有一定厚度的大气层，由于受到太阳的照射，大气层上部的气体将发生电离而产生自由电子和离子，波电离了的这一部分大气层叫做电离层。由于太阳辐射强度、大气密度及大气成分在空间分布是不均勾的，整个电离层形成层状结构，其中对电磁波传播作用显著的有两层，E层和F层。E层距离地面90130km，F层距地面高于130km。电离层的高度以及电子和离于的浓度与太阳有密切的关系。白天、夏天及太阳活动较强期间，电离层中的电于浓度较大，因而电离层的作用较强。当由发射天线发出的电波照射到电离层时，电波将产生折射和反射，同时电波的一部分能量被电离层吸收。电离层的电离程度越强，对电波的折射、反射和吸收的作用越强。此外，波长较长的电波容易从电离层反射到地而，波长较短的则比较容易穿过电离层传播到宇宙空间。利用电离层反射可以实现信号的远距离传输。特别是可以利用地面与电离层之间的多次反射，实现距离上于公里的通信。但电离层的特性受多种因素的影响，所以这种通信稳定性较差。另外，参见图1.1.4，如果假定入射角小于α，电波将不能反射，那么从发射天线到B点之间是不能用电离层反射实现通信的。若假设从发射天线到A点之间可以利用直射传播或绕射传播实现通信，则在A点到B点间收不到发射天线发出的信号，称这个区域为静区
第1绪论6tnaA.发射天线十一静区Y图1.1.4电离层的反射作用从以上简述的电波的三种主要传播方式及其特点中可以看出，为了有效地传输信号，不同波段的信号所采用的主要传播方式也不同。长波的主要传播方式是绕射和利用电离层与地面之间的多次反射，它可以用于远距离通信；但长波通信系统需要很大的天线，面且频带宽度很窄，故多用于导航和播送标准时间信号。中波受电离层的吸收和地面的吸收都比长波严重，所以在白天中波的传播距离仅100km左右。在晚间，电离层的作用减弱，中波可以利用反射传播到较远的距离。中波波段主要用于中、短距离的无线电广播。常用的中波广播频率范围是5351605kHzc由于地面对短波吸收严重，所以远距离的短波通信都是利用电离层的反射或电离层与地面之间的多次反射实现的。短波通信常用于国际无线电广播，远距离无线电话与电报通信以及中、近距离小型移动电台等。当对电离层人射角比较小时，短波能够穿过电离层，所以也可用来实现宇宙通信。超短波和微波在电离层中反射很小，它们的绕射能力也不强，主要靠直线传播，所以它们的传播距离限于视距范围以内。目前主要应用于卫星通信、中继通信、移动通信、调频和电视广播以及雷达、导航系统。在城市环境中，树林和建筑物等会对电磁波产生反射和散射，从面使到达接收点的信号，除直射波外还有多个反射波和散射波，如图1.1.5所示。使接收信号产生选择性衰落和延时扩展。所谓选择性衰落是指在传输信号频带内，不同频率分量的传输衰减不同，图1.1.6所示为其示意图，产生选择性衰落的原因是直射和反射波到达接收点的传路径不同，因面不同频率分量的相移不同，使得在接收点处有的频率分量直射和反射波互相抵消，有的互相增强，从而形成不同频率分量传输衰减不同的特性。所调延时扩展是由于反射波的存在，使得到达接收点的信号有多个延时不同的信号，形成接收信号在直射波信号之后还要延时一段，其示意如图1.1.7所示，这种现象称为延时扩展。显然，选择性衰落和