《通信系統原理》系統講述通信系統的基本原理，內容包括模擬通信和數字通信，側重數字通信原理，具體包括緒論、信號與噪音、模擬通信系統、模擬信號數字傳輸、數字信號基帶傳輸、數字信號頻帶傳輸、數字信號最佳接收、信道編碼、同步系統等。除必要的數學推導外，注重講述物理概念，各章均設有習題。全書內容豐富，突出側重物理概念和系統分析方法，可讀性強。
《通信系統原理》可用作通信與電子信息類專業的通信原理課程教材，也可供從事通信及相關工作的工程技術人員參考。
《通信系統原理》系統講述通信系統的基本原理，內容包括模擬通信和數字通信，側重數字通信原理，具體包括緒論、信號與噪音、模擬通信系統、模擬信號數字傳輸、數字信號基帶傳輸、數字信號頻帶傳輸、數字信號最佳接收、信道編碼、同步系統等。除必要的數學推導外，注重講述物理概念，各章均設有習題。全書內容豐富，突出側重物理概念和系統分析方法，可讀性強。《通信系統原理》可用作通信與電子信息類專業的通信原理課程教材，也可供從事通信及相關工作的工程技術人員參考。
前言
第1章 緒論
1.1 通信與信息的基本概念
1.1.1 通信與信號
1.1.2 信息與信息量
1.2 通信系統概述
1.2.1 通信系統模型
1.2.2 通信系統分類
1.3 通信系統性能指標
1.3.1 有效性指標
1.3.2 可靠性指標
1.4 信道與干擾
1.4.1 有線信道與無線信道
1.4.2 信道模型
1.4.3 信道干擾
1.4.4 信道容量
1.5 通信技術發展簡介
小結
第2章 信號與噪聲分析
2.1 引言
2.1.1 信號類型
2.1.2 系統表示法
2.2 確知信號分析
2.2.1 傅里葉級數與傅里葉變換
2.2.2 卷積與相關
2.2.3 能量譜與功率譜
2.2.4 確知信號通過線性時不變系統
2.2.5 希爾伯特(Hilbert)變換
2.3 概率與隨機變量概述
2.3.1 隨機事件的概率及隨機變量的定義
2.3.2 一維隨機變量及其統計特征
2.3.3 二維隨機變量及其統計特征
2.3.4 隨機變量的函數
2.3.5 隨機變量的關系
2.4 隨機過程的基本概念
2.4.1 隨機過程的定義
2.4.2 隨機過程的一維和二維統計特性
2.5 平穩隨機過程
2.5.1 平穩隨機過程的定義
2.5.2 平穩隨機過程的傳輸特性
2.5.3 遍歷性
2.6 高斯隨機過程與高斯白噪聲
2.6.1 高斯隨機過程
2.6.2 高斯白噪聲
2.6.3 限帶高斯噪聲
2.6.4 窄帶高斯噪聲
2.7 平穩隨機過程傳輸特性
2.7.1 平穩過程通過線性系統
2.7.2 平穩過程通過非線性系統
小結
習題
第3章 模擬調制系統
3.1 調制的功能和分類
3.1.1 基帶信號和載波
3.1.2 調制的功能
3.1.3 調制的分類
3.2 線性調制
3.2.1 常規調幅(AM)
3.2.2 雙邊帶調幅(DSB)
3.2.3 單邊帶調幅(SSB)
3.2.4 殘留邊帶調幅(VSB)
3.2.5 線性調制系統的通用模型
3.2.6 線性調制系統的噪聲性能分析
3.3 非線性調制(角度調制)
3.3.1 角度調制的基本概念
3.3.2 單音調角
3.3.3 窄帶調角
3.3.4 寬帶單音調角
3.3.5 調角波的解調及抗噪聲性能
3.4 頻分復用
3.4.1 頻分復用原理
3.4.2 復合調制
小結
習題
第4章 數字信號基帶傳輸
4.1 引言
4.2 數字基帶信號及其頻譜特性
4.2.1 數字基帶信號常用電信號表示
4.2.2 數字基帶信號頻譜特性
4.3 數字基帶傳輸的常用碼型
4.3.1 碼型選擇原則
4.3.2 常用的傳輸碼型
4.4 數字基帶傳輸系統的波形形成
4.4.1 符號間干擾和無碼間干擾條件
4.4.2 無碼間干擾的波形形成及奈奎斯特第一準則
4.4.3 部分響應波形形成系統及奈奎斯特第二準則
4.4.4 基帶傳輸的最佳化
4.5 數字基帶傳輸系統的誤碼性能
4.6 眼圖
4.7 數字基帶傳輸系統中的時鐘同步
4.7.1 自同步法
4.7.2 外同步法
4.8 時域均衡
4.9 數字基帶信號功率譜密度分析過程
小結
討論題
習題
第5章 二元數字頻帶傳輸
5.1 引言
5.2 頻帶傳輸系統
5.3 數字調幅
5.3.1 ASK信號分析
5.3.2 ASK信號接收
5.3.3 ASK其他傳輸方式
5.4 數字調頻
5.4.1 FSK信號分析
5.4.2 FSK信號接收
5.5 數字調相
5.5.1 PSK信號分析
5.5.2 PSK相干接收的噪聲性能
5.5.3 相對相移鍵控(DPSK)
5.6 數字頻帶傳輸系統中的載波提取和形成
5.6.1 從已調信號中提取接收載波
5.6.2 利用插入導頻提取接收載波
小結
習題
第6章 改進的數字調制
6.1 多元數字調幅
6.1.1 MASK信號的調制解調
6.1.2 MASK信號的誤碼性能
6.2 多元正交調幅(MQAM)
6.2.1 MQAM信號的產生及基本構成特點
6.2.2 MQAM信號的接收及誤碼性能
6.3 多元數字調相
6.3.1 MPSK信號的特點
6.3.2 MPSK信號與MQAM信號的比較
6.3.3 四相數字調相(QPSK)
6.3.4 交錯正交數字調相(OQPSK)
6.3.5 差分正交數字調相(QDPSK)
6.4 多元頻移鍵控
6.4.1 MFSK信號的調制解調
6.4.2 MFSK信號的誤碼性能
6.5 最小頻移鍵控(MSK)
6.5.1 MSK信號的相位特征
6.5.2 MSK信號頻率與碼元周期關系
6.5.3 MSK信號的正交調制方式
6.5.4 高斯最小頻移鍵控(GMSK)
6.6 擴頻調制
6.6.1 擴頻通信概述
6.6.2 PN序列
6.6.3 直接序列擴頻
6.6.4 跳頻擴頻
6.7 正交頻分復用(OFDM)
6.7.1 OFDM信號
6.7.2 OFDM的調制和解調系統
6.7.3 OFDM特點與應用
小結
習題
第7章 最佳接收方式
7.1 信號空間與信號幾何表示
7.1.1 矢量空間
7.1.2 信號空間
7.1.3 信號正交化
7.2 最佳接收問題與最佳接收準則
7.2.1 AWGN信道下接收信號的統計特性
7.2.2 最佳接收準則
7.3 相關接收機
7.3.1 觀察信號的正交表示與最小均方誤差準則
7.3.2 相關接收機
7.4 利用匹配濾波器的最佳接收
7.4.1 匹配濾波器的設計
7.4.2 匹配濾波法最佳接收
7.4.3 匹配濾波器與相關器的等價性
7.5 隨機相位信號的最佳接收
7.5.1 直接匹配發送載波
7.5.2 利用正交載波基信號
7.6 最佳接收性能分析
7.6.1 最佳接收誤比特率分析計算
7.6.2 最佳接收與相干接收的比較
小結
習題
第8章 模擬信號的脈沖調制
8.1 模擬信號的采樣
8.1.1 低通模擬信號的采樣定理
8.1.2 帶通信號的采樣定理
8.2 模擬信號的量化
8.2.1 最佳量化器
8.2.2 均勻量化
8.2.3 非均勻量化
8.3 PCM編碼原理
8.3.1 自然二進制碼和折疊二進制碼
8.3.2 系統的抗噪性能
8.4 自適應差分脈沖編碼調制
8.4.1 DPCM的基本原理
8.4.2 自適應預測
8.4.3 自適應量化
8.5 增量調制
8.5.1 簡單的增量調制(ΔM)原理
8.5.2 增量調制系統中的量化噪聲
小結
習題
第9章 信道編碼
9.1 概述
9.1.1 二元對稱信道
9.1.2 差錯控制編碼分類
9.1.3 常用的差錯控制碼
9.1.4 差錯控制原理
9.2 代數基礎
9.2.1 群
9.2.2 有限域
9.2.3 向量空間
9.2.4 圖
9.3 線性分組碼
9.3.1 線性與編碼
9.3.2 譯碼
9.3.3 最小漢明距離
9.3.4 漢明碼
9.4 循環碼
9.4.1 生成多項式和校驗多項式
9.4.2 編碼和譯碼
9.4.3 BCH碼
9.4.4 非二進制BCH碼—RS碼
9.5 卷積碼
9.5.1 基本結構
9.5.2 Viterbi算法
9.6 低密度奇偶校驗碼
9.6.1 背景
9.6.2 表示法
9.6.3 幾何構造法
9.6.4 譯碼算法
小結
習題
附錄
附錄1 常用傅里葉變換對及傅里葉變換性質
附錄2 互補誤差函數表
附錄3 格雷碼編碼示例
附錄4 常用三角變換
參考文獻
第1章 緒論
交流是人類生活中不可缺少的活動，除了面對面的交流，人們還利用電話、傳真、網絡及廣播電視多種方式與世界各地的人隨時進行通信、處理日常事務，了解天下大事和社會百態。實現信息交互，特別是遠程交互的通信技術的基本原理，是本書討論的主題。本章首先闡述通信與信息的基本概念，然后對通信系統的基本構成和性能指標進行介紹，對通信信道和干擾問題進行簡要討論，最后回顧通信技術的發展歷史。
1.1 通信與信息的基本概念
1.1.1 通信與信號
人類自出現起就有了原始的通信，手勢、聲音、烽火、狼煙、金鼓、旌旗、驛站傳書都是信息交流的方式。人與人之間進行的思想交流需要以語言、文字、聲音、圖像等各種媒體形式的消息作為承載體，從消息發布者即信源到消息接收者即信宿的消息傳遞過程就稱為通信。
人們認識到電與磁的現象后，開始利用電信號進行通信，可以實現快速、準確、可靠的遠距離通信，不受時間、地點、距離的限制。自然科學范疇中的“通信”一般指這種利用電信號（也包括光信號）實現的遠程通信（telecommunication），也稱電信。社會科學中的“通信”（communication）是指更廣泛意義的人際交流。前者關注技術實現，后者關注交流對人的影響。
通信系統中傳輸的具體對象是消息。消息指承載了信息的文字、數字、狀態等符號序列或者語音、圖像等隨時間連續變化的信號。信號是消息的物理載體。語音可轉換成為電信號，也可以轉換成光信號。利用電信號的通信，就是把消息轉換成電信號的形式并傳遞。在通信系統中，信號一般狹義地指電信號。
1.1.2 信息與信息量
通信的最終目的是傳遞信息，那么信息是什么？與消息有什么差別？又有什么聯系？在日常生活中，“信息”這個概念常常與情報、資料、情況、數據等概念混用。例如，發送手機短信，也有人會說發個信息，實際上發送的是文字、符號、圖片或者視頻組成的消息。那么這個消息的內容是接收者在收到這個短信之前就已經完全知道，這個消息對于接收者來說就沒有意義。而信息指消息中對接收者有意義的內容―――獲得對接收者來說事先不知道或者不確定的內容才是通信的意義所在。更嚴格地講，信息是消息中對接收者能消除不確定性的內容。
發送方可能發送的消息集合可能包含有限或無限個元素。從對于接收者有意義的角度看，發送方發送消息的行為是隨機的，通信過程才能使接收者獲得信息。發送不同消息的可能性可以用概率描述。假設發送的消息集合僅包含0和1兩個元素，是否可以比較度量哪個消息包含更多的信息？這就要對信息的大小進行度量。
度量信息的物理量稱為信息量。應該如何設計這個測度？設想發送1的概率為0.1，發送0的概率為0.9，對于接收者來說可以估計的是大多數情況下都會收到0碼，那么當接收者收到1
碼時，是更不確定的事件發生了，因而獲得的信息更多。考慮到通信過程可能傳遞的是一個消息序列，信息量的測度應該具備的以下特點：
（1）消息x的信息量I（x）是消息x出現概率P（x）的函數；
（2）概率越小的消息所包含的信息量越大；
（3）具有可加性，若某個消息包含若干個獨立消息，則該消息的信息量為每個獨立消息所含信息量之和。據此，可以定義信息量為
I（x）＝-logaP（x）（1-1）由式（1-1）可知，信息量I實際上是一個無量綱的物理量，信息量采用的單位與底數a的取值有關，a取2時信息量單位為bit（比特）；a取e時信息量單位為nat（奈特）；a取10時信息量單位為hatley（哈特萊）。二進制的數字通信中常用的是比特。在二進制通信系統中，傳送的消息只有兩種，分別以0，1表示，只需使用1個二進制位。如果0和1的出現概率都是1/2，那么每個消息所包含的信息量都是1比特。在實際應用中，通常也把一個二進制位（binarydigit）稱為1比特。
若信源符號集包含M個符號，每個符號xi，（i＝1，.，M）的平均信息量為
H（X）＝-∑MP（xi）log2P（xi） 單位bit（1-2）
i＝1
式中，P（xi）為符號xi的出現概率。當每個符號等概率出現時
H（X）＝-MM1log2M1＝-log221k＝k bit （M＝2k）（1-3）
平均信息量也稱為信息熵（entropy）。熵曾經是波爾茲曼在熱力學第二定律中引入的概念，用以描述分子運動的混亂度。信息熵也有類似的意義。信息熵大，意味著不確定性也大。
1.2 通信系統概述
利用電信號實現的通信可以是實時的，也可以是非實時的。實時通信指發送方產生的信號能夠經歷微小的幾乎可以忽略不計的傳播時間到達接收方，比如電話、傳真。非實時通信，如電報、錄像節目、Email、計算機批量數據傳輸等通信方式，需要通過對信息的緩存、處理、等待、轉發、顯示等環節實現信息的傳遞，存在較大的時延。另外，在采用磁盤、磁帶、光盤等存儲設備的系統中，可能經歷更長的信息存儲時間。在某種意義上，可以將這種存儲系統視為在較長時間尺度上的信息傳遞。因此，廣義的通信視為消息（或信息）在時間/空間上的傳遞。這種傳遞可以在點到點（如電話）、點到多點（如電視廣播）或者多點到多點之間進行。完成通信過程的全部設備和傳輸媒介構成通信系統（communicationsystem）。本書主要從系統的觀點來討論點到點通信的基本原理。
1.2.1 通信系統模型
通信系統的主要功能可以用通信系統模型來概括，如圖1-1所示。
信源（source）是消息的發送者，完成消息從原始可感知的媒介形式，如聲音、圖像等，到電信號的轉換，電話通信中的電話機可看成是信源。信源輸出的電信號稱為原始電信號，其頻譜從零頻附近開始，具有低通形式，所以也稱為基帶信號（basebandsignal）。
圖1-1 通信系統模型
發送設備（transmitter）的基本功能是將信源產生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸的信號，實現信源和信道的匹配。變換方式多種多樣，比如說，進行無線通信，需要把信源發出的信號通過調制技術從基帶頻段搬移到射頻頻段；如果需要對模擬信號采用數字傳輸方式，就需要把模擬信號轉換成數字信號；數字信號傳輸一般還要進行信源編碼和信道編碼等。
信道（channel）是指信號傳輸的通道，可以采用電纜或光纜等有線介質，也可以利用無線介質，如電磁波。
通信系統中的噪聲（noise）干擾無處不在，主要集中在信道上，因此集中在信道上進行模型化。圖1-1中的噪聲源是信道中所有噪聲及分散在通信系統中其他各處噪聲的集合。
在接收端，接收設備（receiver）的功能與發送設備相反，進行解調、譯碼等與發送設備所采用的信號變換相對應的各種信號反變換。它的任務是從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號。
信宿（destination）是信息的接收者，將復原的原始電信號轉換成相應的可感知媒介形式的消息，如電話機將接收設備輸出的話音電信號還原成聲音信號。
圖1-1給出的是通信系統的一般模型，按照通信系統中傳送信號不同的形式，通信系統可進一步分為模擬通信系統和數字通信系統。
模擬信號（analog）指信號參量（幅度、頻率或相位）隨時間連續變化，連續消息可以直接轉換為模擬信號，如語音。如果信號的幅度代表消息變化，則幅度值在實數域連續取值，但在時間上可以連續取值，也可以離散取值。數字（digital）信號則指信號只能從有限的數值集合中取值，并且時間上也是離散取值―――在一定的時間（一個符號周期）內只發送一個符號消息。如果原始消息離散，那么就可以直接轉換成數字信號。
根據信源輸出的原始電信號的形式，信源可分為數字信源和模擬信源。將信源發出的模擬信號轉換成數字信號，也可以進行數字傳輸。所以，區分通信系統是模擬還是數字，依據是信道中傳輸信號的形式，而非信源信號的形式。
信道中傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統，圖1-2給出了模擬通信系統模型。在這種系統中，信源一般為模擬信源，完成連續消息到原始電信號的轉換。由于原始電信號為基帶信號，不適應遠距離傳輸，因此需采用調制器，將原始基帶信號調制為適合在信道中傳輸的頻帶信號，即頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻的信號。
圖1-2 模擬通信系統框圖
接收端則需要采用解調器，進行相應的反變換，恢復基帶電信號，并且由信宿完成原始電信號到媒體信號的轉換。
對于模擬信號傳輸而言，調制和解調的作用最為重要，所以相比圖1-1的通信系統一般模型，這里只表示出調制器和解調器。實際上，常用的通信系統里可能還有濾波、放大、變頻等過程，但一般可以視為理想線性，并且合并在信道中考慮。
信道中傳輸數字信號的系統稱為數字通信系統。數字通信系統模型如圖1-3所示。數字通信系統可進一步細分為數字頻帶傳輸通信系統和數字基帶傳輸通信系統。
圖1-3 數字通信系統模型
數字通信系統中的信源可以是模擬信源，也可以是數字信源。信源編碼的目的主要在于去除信源信號自身某種程度的冗余部分，或者根據質量要求，去除次要信息，用更少的編碼位數來表示符合一定接收質量的信源符號，從而提高通信的有效程度。如果是模擬信源信號，信源編碼過程還需要完成模擬信號到數字信號的變換，即進行模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換；在接收端的信源譯碼過程則需完成相反的轉換，即進行數字/模擬（Digital/Analog，D/A）轉換。在需要進行保密通信的情況下，還可以在信源編碼中包含加密的功能，在壓縮后進行保密編碼。信源譯碼是信源編碼的逆過程。
信道編碼是按照一定的規則給信源編碼器輸出的信源碼字增加冗余碼元。如果接收端檢查接收碼字，發現這種規則遭到破壞，就能發現錯誤或者糾正錯誤，然后結合相應的差錯處理措施即提高通信的可靠程度。信道譯碼是信道編碼的逆過程。編碼器和譯碼器合稱編譯碼器（co-dec）。
同步器的作用是使接收端設備能夠與發送端步調一致地工作以正確接收信息。“同步”是通信系統，特別是數字通信系統的重要組成部分。在數字和模擬通信系統中，要保證相干或相關解調方式能正確地恢復原始信號，接收端提供的本地參考載波，也稱為相干載波（coherentcarri-er），應該與接收到的已調載波嚴格同步，稱為載波同步。時鐘同步是指數字通信系統中，收發端之間需要有共同的時間標準，這樣接收端才能知道接收序列中每個符號的起止時刻，從而實現正確接收。實現時鐘同步有兩種基本方式，一種方式是提供嚴格同步的時鐘標準，收發雙方嚴格遵守此時間標準，如同步數字系列（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）傳輸系統采用的就是這種方式實現同步；另一種方式是通信雙方沒有嚴格同步的時鐘源時，接收端采用同步電路，從接收的信號中提取碼元同步信號，也稱為位同步信號。另外，對于若干碼元組成的碼組，要保持同步，也需要從接收的信號中提取碼組同步信息。這種位同步和碼組同步信息可以包含在接收信號的結構特征中，也可以是發端在發送信號序列中獨立插入的同步信號。如果收發之間失去同步，則接收端無法正確識別接收信號所包含的消息。
調制器和解調器與模擬通信系統中的功能一致。需要指出的是，引入了調制解調環節的數字通信系統可以稱為數字頻帶傳輸系統。如果采用基帶傳輸，則不需要調制解調。
圖1-4給出了數字基帶傳輸系統的構成圖。基帶信號形成器對信源送出的原始數字碼元序列進行信號的碼型轉換和波形形成，以保證實現無碼間干擾的傳輸。基帶形成器還可以包括編碼器、加密器等功能。接收濾波器除了限制發送信號之外的噪聲，還與發送端波形形成濾波器配合以實現消除碼間干擾的作用。取樣判決從接收的連續信號中估計發送的數字序列。
圖1-4 數字基帶傳輸通信系統的組成框圖
相比于模擬通信，數字通信具有抗干擾能力強、差錯可控、易加密、易于與計算機等現代技術相結合等優點。
1.2.2 通信系統分類
實際的通信系統多種多樣，可以從不同角度進行分類。下面討論幾種常見的分類。
（1）根據信道傳輸的信號是模擬信號還是數字信號，通信系統可分為模擬通信系統和數字通信系統。
（2）根據通信的業務特征，通信系統可以分為電報通信系統、電話通信系統、數據通信系統、圖像通信系統。這些系統之間可以兼容或并存。電報通信系統出現最早。電話通信應用最為廣泛，現有的通信網大部分建立在電話通信系統基礎之上。數據通信系統發展迅速，現在的互聯網基于數據通信系統特別是計算機通信發展而成。
兩個需要注意區分的概念是數字通信系統與數據通信系統。前者指信道傳輸的信號為數字信號的系統，而后者則指信源發出的信號為文字、數字、符號等數字信號的通信系統。數據通信系統可以采用數字傳輸方式，也可以采用模擬傳輸方式。
傳輸介質（media）指傳輸系統發送和接收端之間傳輸信號的物理載體。通信系統采用電磁波來傳遞電信號。電磁波的傳播方式有兩種基本形式，一種是沿導體即導向（guided）介質傳播；另一種是在自由空間即非導向（unguided）介質中傳播，稱為無線電波傳播。采用前一種傳播方式的系統稱為有線通信系統，采用無線電波傳播方式的通信系統稱為無線通信系統。
（3）根據通信系統是否采用調制，可以將通信系統分為基帶傳輸系統和頻帶傳輸系統。基帶傳輸系統包括音頻市話、有線廣播、數字基帶通信系統等。頻帶傳輸系統則包括調幅廣播、立體聲調頻廣播、電視廣播、市話、衛星通信等。
“復用”指在同一信道上傳輸多路信號的通信方式。常用的復用方式包括頻分復用、時分復用、碼分復用和空分復用等。
前面討論的通信系統是單向通信系統。在實際應用中，多數情況需要進行雙向通信，即通信雙方都具有發送和接收設備，還需要雙向的傳輸介質。按照系統中消息傳送方向與時間的關系，雙向通信可以分為單工傳輸方式（simplextransmissionmode）、半雙工傳輸方式（half-duplextransmissionmode）和全雙工傳輸方式（full-duplextransmissionmode）。
在單工通信系統中，消息只能單向傳輸。廣播、遙測、遙控等系統就屬于單工方式的通信系
統。半雙工系統支持雙向通信，但是同一時間只能支持單向的通信。使用同一載頻工作的無線電對講機就屬于這種方式的系統。全雙工通信系統支持同時的雙向通信。普通的電話就是典型的全雙工通信方式。
1.3 通信系統性能指標
通信系統的性能可以從多方面衡量，從實現信號傳輸的角度看，最重要的是系統的有效性和可靠性。前者指系統能高效傳輸信息，后者指系統能準確地傳輸信息。通信系統實現通信需要消耗的資源主要包括信道帶寬和發送信號的功率。
通信系統的設計目標就是在通信資源一定的條件下，一方面如何最經濟地傳輸最大數量的消息；另一方面，針對噪聲干擾，保證接收到消息與發送的消息盡可能一致。這兩個要求往往相互矛盾，因此，系統在工程設計實踐中應根據實際情況折中處理。
由于模擬通信與數字通信的差異，在有效性和可靠性的定量衡量上，需要采用不同指標。
1.3.1 有效性指標
1.模擬通信系統的有效性指標
模擬通信系統的有效性一般采用有效傳輸帶寬來衡量。例如，對于最大頻率為fm的信號，采用常規調幅系統傳輸此信號需要的有效傳輸帶寬為2fm，而采用單邊帶調幅系統需要的帶寬則為fm那么后者比前者具有更高的有效性。引入多路復用技術和多址接入技術的目的就是提高系統有效，性。從信道的角度看，一條物理線路上信號復用度越高，總帶寬越大，有效性越高。從單路信號的角度看，一路信號自身占用的帶寬越小，則給定帶寬的信道中可以承載的信號越多，效率越高，有效性越好。
2.數字通信系統的有效性指標
數字通信系統的有效性體現在一個信道中通過的信息速率。定義每秒傳送的信息比特數為信息速率，單位比特/秒（bit/s），也稱為比特率。定義每秒傳送的碼元數量為碼元速率，簡稱傳碼率，單位波特（Baud，簡記為B或Bd）。碼元速率與信號使用的碼元進制無關。
傳碼率與傳信率均為衡量傳輸速率的指標，但有不同的概念，使用中不應混淆。二者之間在數值上可以換算。對于M進制的信號，若傳碼率為RB，相應的傳信率Rb，則
Rb＝RBH（1-4）其中，H為該M進制信號消息集的平均信息量。實際系統通常默認M個消息出現的概率相等，則由式（1-3）可知H＝log2M，則有Rb＝RBlog2M（1-5）
從系統資源消耗的角度看，具有同樣傳輸速率的系統可能需要不同的傳輸帶寬，頻帶利用率定義為單位頻帶內每秒傳輸比特數（信息量），單位為bit/s/Hz，即
Rb
η＝B（1-6）
其中，B為系統的有效傳輸帶寬。頻帶利用率是一個綜合帶寬占用情況的有效性指標。
1.3.2 可靠性指標
1.模擬通信系統的可靠性指標
采用通信系統的輸出信噪比衡量可靠性。輸出信噪比定義為輸出信號平均功率So與輸出
噪聲平均功率No之比，記為So/No。由于這個比值是個無量綱的數值，為了表示其物理意義，
采用分貝（dB）作為單位，即＝10lgSo（1-7）
So
NodBNo
顯然，輸出信噪比越高，可靠性質量越好。例如，商業電話以40dB為優良質量；電視節目至少要求50dB，優質的電視節目要達到60dB以上；公務通信的要求較低，需要20~25dB。各種系統的特性差異很大，還需要考慮調制方式的差異。
2.數字通信系統傳輸的可靠性指標
數字通信系統傳輸的可靠性指標可以用差錯率來衡量，主要有誤碼率和誤比特率兩個指標。誤碼率Pe定義為錯誤接收碼元在傳輸碼元總數中所占的比例，即傳輸每個碼元發生錯誤
接收的概率，
Pe＝錯誤碼元數（1-8）傳輸碼元總數誤比特率Pb定義為錯誤接收比特在傳輸比特總數中所占的比例，即傳輸每個比特發生錯
誤接收的概率，
Pb＝誤比特數（1-9）傳輸總比特數在二進制下兩種錯誤概率一樣，不再區分。誤碼率大小涉及信號設計、信號發送功率、傳輸信道特性及接收方式等諸多因素。系統誤比特率達到一定規定值所需的最低歸一化信噪比（即能量信噪比）定義為系統的功率
利用率，記為Eb/n0，其中Eb表示系統的每比特信息能量，n0為噪聲單邊功率譜密度。誤比特率
一定時，所需的能量信噪比越低，則系統的功率利用率越高，反之則越低。
1.4 信道與干擾
要提高通信系統的性能，首先需要了解通信信道的特性，以及通信系統在傳輸中所受到的干擾。信道指信號的傳輸媒介，即物理信道，可以是有線或無線信道，也可以是物理存儲介質，如光盤、磁盤等。
1.4.1 有線信道與無線信道
下面就有線信道和無線信道兩類傳輸介質進行討論。
1.有線信道
明線（openwire）是指平行架設在電線桿上的架空線路。它本身是導電裸線或帶絕緣層的導線。雖然它的傳輸損耗低，但由于易受天氣和環境的影響，對外界噪聲的干擾比較敏感，故逐
漸被電纜取代。
電纜包括對稱電纜和同軸電纜兩類。對稱電纜指置于同一保護套內的多對信號絕緣的導線，并且為了減小每對導線之間的干擾，每對導線相互扭絞，稱為雙絞線。同一根電纜中的各對線之間按照一定的規律扭絞在一起，在電信網中，一根對稱電纜中通常有25對雙絞線，對稱電纜的芯線直徑在0.4~1.4mm，由于線徑細相比明線損耗較大，但與外界的相互干擾較小，兩根線中電流大小相同，方向相反，產生的磁場相互抵消，反之亦然，傳輸性能較穩定。對稱電纜在有線電話網中廣泛應用于用戶接入電路，每個用戶電話都通過一對雙絞線連接到電話交換機，通常采用的是22~26號線規的雙絞線。雙絞線在計算機局域網中也得到了廣泛的應用，Ethernet中使用的超五類線就由四對雙絞線組成。
同軸電纜由同軸的兩根導體組成，其間填充絕緣介質。內導體多為實心導線，外導體是一根空心導電管或金屬編織網，在外導體外面有一層絕緣保護層，在內外導體之間可以填充實心介質材料火絕緣支架，起到支撐和絕緣的作用。由于外導體通常接地，因此能夠起到很好的屏蔽作用。同軸電纜與外界的相互干擾小，帶寬大，但相比對稱電纜成本較高。
有線電視廣播（CableTelevision，CATV）廣泛采用同軸電纜為用戶提供電視信號，同軸電纜也作為通信設備內部中頻和射頻部分經常使用傳輸的介質，如連接無線通信收發設備和天線之間的饋線和實驗儀器常用的50Ω信號電纜。
光導纖維，簡稱光纖，是一種極細的能傳導光波的介質，可由玻璃或塑料制成。在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層覆蓋，構成光通道。多數光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，防止環境對光纖的傷害和干擾，包覆后的纜線稱為光纜。光纖具有極寬的通頻帶，能提供極大的傳輸容量。光纖的質量輕，損耗低，耐腐蝕，抗電磁干擾強。利用光纖替代電纜能夠節省大量的有色金屬。
華裔科學家高錕（CharlesKuenKao）因其在纖維中傳送光以實現光通信的開拓成就而獲得諾貝爾物理獎，被譽為光纖之父。1970年，美國康寧（Corning）公司制造出了世界上第一根實用化的光纖。隨著加工制造工藝的不斷提高，光纖的衰減不斷下降。世界各國干線傳輸網絡主要由光纖構成。
2.無線信道
無線信道利用自由空間中的電磁波實現信號傳輸。
沿地面傳播的無線電波稱為地波，又稱為表面波。電波的波長越短，越容易被地面吸收，因此只有長波和中波能在地面傳播。地波不受氣候影響，傳播比較穩定可靠，但在傳播過程中，能量不斷被大地吸收，傳播距離不遠。地波適宜在較小范圍里的通信和廣播業務使用。在遠距離通信時，波長越長越有利。長波和中波的廣播、導航、對潛通信，以及短波乃至超短波的近距離通信仍廣泛使用地表面波。
天波傳播利用電離層的反射作用，在地面與電離層之間來回反射實現傳播，最長距離4000km。電離層是指分布在地球大氣層中距地面60km以上的電離區域，存在大量的自由電子與正離子、負離子，以及未被電離的中性離子。天波傳播的主要優點是傳輸損耗小，設備簡單，可以利用較小功率進行遠距離通信。但是，電離層對信號存在多徑效應、衰落、極化面旋轉等影響。長波、中波、短波都可以利用電離層傳播，短波是實現電離層遠距離通信和廣播最適當的波段。
電離層的電離子密度不均勻，對入射的超短波電波能產生散射作用，利用這種散射信號進行的超視距電離層散射通信基本上不受核爆炸和太陽耀斑的影響。流星散射就是一種電離層散射
通信方式，即利用流星經過的路徑上遺留下的由電離氣體和流星碎片組成的云霧狀電離氣體長帶―――流星余跡進行通信。一條余跡壽命為百分之幾秒到幾分鐘。流星余跡通信常用的波段為30~100MHz，通信距離可達2300km。不足之處是通信不連續，因此流星余跡通信系統的發射設備一般加裝發送和接收消息存儲器。
空間波傳播方式指在視線范圍內電磁波直接從發射天線傳播到接收天線，或經地面反射到達接收天線，這種方式也稱為視距傳播方式。地面反射波受到反射點地質地形的影響，直射波受到低空大氣層及地面障礙物的影響。空間波傳播距離受到地球曲率的影響，最大距離限制在視線范圍內。空間波通信應用廣泛，中繼通信、電視、廣播及地面移動通信屬于地面視距傳播；飛機、通信衛星與地面設備間的通信屬于地空視距通信；飛機之間、宇宙飛行器之間的電波傳播也是空間波傳播方式。
無線視距中繼是指當電磁波的工作頻率在超短波和微波波段時，由于直線視距一般在40~50km，因此需要中繼方式實現長距離通信。中繼站之間采用定向天線實現點對點的傳輸，距離很短，傳播條件比較穩定。這種中繼系統傳輸容量大，發射功率小，長途傳輸質量穩定，節約有色金屬，投資少，維護方便，廣泛用于傳輸多路電話及電視等。
衛星中繼信道是利用人造地球衛星作為中繼轉發站實現的通信。人造地球衛星運行軌道在赤道平面上且距離地面35860km時，24小時環繞地球一周，在地球上觀察衛星相對靜止，這樣的衛星稱為同步（或靜止）衛星。以三個同步衛星作為中繼站，就可以幾乎覆蓋全球通信（除南北兩極盲區外）。衛星中繼信道由通信衛星、地球站、上行線路及下行線路構成。其中，上行與下行線路分別是地球站至衛星及衛星至地球站的電波傳播路徑，而信道設備集中于地球站與衛星中繼站中。衛星通信是電磁波直線傳播，信道傳播性能穩定可靠，傳輸距離遠，容量大，覆蓋地域廣，廣泛應用于傳輸多路電話、電報、圖像數據和電視節目。
對流層是指離地面10~12km以下的大氣層。在對流層中，大氣湍流運動等原因導致不均勻氣團引起電磁波散射。利用對流層散射傳播機理可以實現超視距通信。對流層散射信道一跳的傳播距離為100~500km，可工作在超短波和微波波段，通信容量較高，可傳送高速數據和電視信號。對流層散射通信通常采用方向尖銳的拋物面天線，不易被截獲或干擾，保密性好，抗干擾能力強，在軍事和民用通信中得到越來越多的應用。
3.通信頻段劃分
為了充分利用頻譜資源，滿足有效性與可靠傳輸的要求，需要為各種通信系統合理選擇并分配工作頻段，表1-1給出了通信使用頻段、傳輸介質及主要用途。通信工作頻率與工作波長可以互換為
λ＝fc（1-10）
式中，c＝3×108m/s為電播在自由空間中的傳播速度；f為工作頻率；λ為工作波長。
對于有線信道，一般根據信道業務要求，考慮損耗、時延與相移特性等性能特征，以及最低與最高截頻等來確定頻段。海底通信適于極低頻段，模擬話音的低頻傳輸只利用300~3400Hz，優質聲音（音樂）適用50Hz至15kHz帶寬。比較復雜的問題是，各種無線通信根據空間電磁波傳播特點選擇分配工作頻段。ITU-R對頻譜分配進行了具體規則，各國有專門機構嚴格控制頻率使用。
表1-1 通信使用頻段劃分
頻 段符 號名 稱波 長主要用途
30~300HzELF特低頻104~103km海底通信、電報
0.3~3kHzULF音頻103~102km數據終端、實線電話
3~30kHzVLF甚低頻102~10km導航、電報電話、頻率標準
30~300kHzLF低頻10~1km導航、電力通信
0.3~3MHzMF中頻103~102m廣播、業余無線電通信、移動通信
3~30MHzHF高頻102~10m國際定點通信、軍用通信、廣播
30~300MHzVHF甚高頻10~1m電視、調頻廣播、移動通信
0.3~3GHzUHF超高頻102~10cm電視、雷達、遙控遙測
3~30GHzSHF極高頻10~1cm衛星和空間通信、微波接力
30~300GHzEHF特高頻10~1mm射電天文、科學研究
105~107Hz紫外、可見光、紅外30~3000μm光通信、激光空間傳播
1.4.2 信道模型
為了方便地表述信道的一般特性，衡量信道對信號傳輸的影響，此處引入“廣義信道”的概念。廣義信道是一種邏輯信道，與傳輸介質無關。廣義信道實際上是擴大信道范圍后的信道，常用于通信系統性能分析。廣義信道分為調制信道和編碼信道，如圖1-5所示。編碼器輸出的是一個數字序列，譯碼器輸入的也是一個數字序列，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端稱為編碼信道。從調制器輸出端到解調器輸入端，包括物理媒體和線路設備（如交換、放大、中繼等中間件）在內的部分稱為調制信道。這種廣義信道的定義有利于簡化分析，也可以根據分析的對象定義其他的廣義信道。
圖1-5 廣義信道模型
下面分別討論調制信道和編碼信道的數學模型。
1.調制信道模型
研究調制解調問題時，不關心信道究竟包括什么樣的轉換器，也不關心究竟采用什么傳輸介質，只關心從調制器輸出的信號到達接收端的解調器時中間經歷了怎樣的變化，即信道傳輸結果如何。因此，發送和接收端的轉換設備與傳輸介質合并為調制信道，模型化表示調制信道，考察已調信號通過調制信道后的最終結果。
對調制信道可以抽象出以下特性：
（1）有一對或多對輸入端口和輸出端口；
（2）信道多為線性，可疊加；
（3）信號通過信道具有一定傳輸時延，而且受到固定或可變的衰耗；
（4）零輸入時信道仍有一定輸出，即噪聲。因此，可用一個時變線性網絡來表示調制信道，如圖1-6所示。對于具有一對輸入輸出端口的信道模型而
言，它的輸入和輸出之間的關系式可表示為eo（t）＝f
ei（t）+n（t）（1-11）式中，ei（t）表示輸入的已調信號，eo（t）表示信道輸出信號，n（t）表示信道噪聲或稱信道干擾，圖1-6 調制信道模型f
ei（t）表示信道對輸入信號的影響。n（t）與ei（t）相互獨立，始終存在于系統中，因此n（t）稱為加性干擾。考慮線性網絡，f
ei（t）＝k（t）?ei（t），式（1-11）可寫成
eo（t）＝k（t）?ei（t）+n（t）（1-12）其中，k（t）取決于網絡特性，k（t）?ei（t）反映網絡特性對信號ei（t）的影響是線性的時變作用。k（t）對ei（t）來說是一種乘性干擾，對信號ei（t）影響較大。
由式（1-12）可以反映信道對信號的兩類影響，一是乘性干擾k（t）的影響，二是加性干擾n（t）的影響。不同特性的信道反映為不同的k（t）及n（t）。理想信道特性可以表示為eo（t）＝k?ei（t），即k（t）為常數，n（t）為零，即加性干擾不存在，乘性干擾只表現為對信號功率的衰耗。
實際上，乘性干擾k（t）一般是一個復雜函數，它可能包括各種線性、非線性畸變。根據乘性干擾k（t）對信號影響的差異，信道可分為兩大類，k（t）不隨時間變化或變化極為緩慢的一類信道稱為恒參信道，k（t）隨時間隨機變化的另一類信道則稱為隨參信道（或變參信道）。
有線信道通常可以視為恒參信道，而無線信道大部分為隨參信道。具體來說，由架空明線、電纜、波導、中長波地波、超短波及微波視距、衛星中繼、光導纖維及光波視距等傳輸介質構成的信道可以視為恒參信道，由其他介質構成的信道為隨參信道。
2.編碼信道模型
在考慮編碼、譯碼問題時，主要關心的是編碼后的數字信號在傳輸中受到的影響，因此調制信道與調制器、解調器合并為編碼信道。通過編碼信道的信號是數字信號編碼序列，編碼信道對信號的影響實際上是對數字序列的一種變換，因此編碼信道可稱為數字信道。由于衡量調制信道時，考慮的是對連續時變信號的影響，所以調制信道稱為模擬信道。
從編譯碼角度看，編碼后的數字序列經過編碼信道得到的輸出數字序列因為信道影響可能會與輸入序列不同，即以某種概率發生差錯。以二進制無記憶信道為例，當輸入符號為1時，信道的輸出可能錯變為0，反之亦然。因此，編碼信道模型可用數字信號的轉移概率來描述。
在常見的二進制數字傳輸系統中，一般可以認為當前碼元的差錯與其前后碼元的差錯沒有依賴關系，并且稱這樣的編碼信道為無記憶編碼信道；如果信道中的碼元發生錯誤前后有聯系，則稱為有記憶編碼信道。二進制無記憶編碼信道模型如圖1-7（a）所示，其中P（0/0）、P（1/0）、P（0/1）、P（1/1）為信道轉移概率，P（0/0）和P（1/1）為正確轉移概率，P（1/0）和P（0/1）為錯誤轉移概率。根據概率性質可知
P（0/0）+P（1/0）＝1（1-13）
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