通信系統中能量的演算法

1. 通信系統中雜訊的能量一般是多少就是個經驗值

通信系統的雜訊功率能量單獨表達無意義,一般指某一信道功率為X值時其對應的雜訊功率,廣泛應用於模擬信道的表達(不在數字信道中出現),在實際應用中當模擬功率為X(db)值時,雜訊功率應小於(X-50)db!

2. 如何判斷能量信號和功率信號

1. 信號可分為能量有限信號和功率有限信號。如果信號的功率是有限的，則稱為功率有限信號，簡稱功率信號。功率信號的能量為無限大。它對通信系統的性能有很大影響，決定了無線系統中發射機的電壓和電磁場強度。

2. 連續時間信號f（t）的能量E和功率P分別定義為：

   。

知識拓展：

1. 能量信號是一個脈沖式信號，它通常只存在於有限的時間間隔內。在實際應用中發送的信號總是能量有限的。一般地，非周期的確定性信號為能量有限信號。

2. 能量有限信號和功率有限信號是不相容的。

3. 通信系統的性能依賴於接收信號的能量。大能量信號可以比小能量信號獲得更可靠的檢測（產生較少的錯誤）

4. 對於功率信號，由於具有無窮大能量，所以不能計算功率信號的能量譜密度，但可以求功率譜密度，將信號s(t)截斷為長度等於T的一個截簡訊號，這個截簡訊號就成為一個能量信號了，對於這個能量信號，用傅立葉變換可求出其能量譜密度。於是，可以求出信號的功率譜密度。

5. 功率是能量傳遞的速率，它決定著發射機的電壓和無線系統中必須考慮的電磁場強度（例如連接發射機和天線的波導中的電磁場，天線發射元件周圍的電磁場）。

6. 例如在無線通訊系統中發射機的射頻輸出功率就很重要，發射功率越大，通信距離越大；從理論上說發射功率可無限制地增加，但實際上由於受成本或技規的限制，發射機的輸出功率也是有限的。

3. gsm有幾種基本的通信演算法大體的流程是什麼

ETSI關於GSM的規范，主要是：GSM0408，GSM0808，GSM0902。

GSM MoU組(Memoranm ofUnderstanding Group)認為，安全的技術特性只是安全要求的一小部分，最大的威脅來自較簡單的攻擊如加密密鑰的泄漏、不安全的計費系統或貪污腐敗。

(3)通信系統中能量的演算法擴展閱讀：

系統組成：

GSM系統主要由移動台（MS）、移動網子系統（NSS）、基站子系統（BSS）和操作維護中心（OMC）四部分組成。

移動台的類型不僅包括手持台，還包括車載台和攜帶型台。隨著GSM標準的數字式手持台進一步小型、輕巧和增加功能的發展趨勢，手持台的用戶將占整個用戶的極大部分。

4. 簡述通信系統中雙傳輸線是如何傳播電磁能量的

電磁波在空中是自然傳播也就是說是隨自然環境不斷變化的 ，不受人為控制的。而我們有時是需要控制其方向，角度和強度的，為此就要用到傳輸線，傳輸線實際是一種波導，和矩形波導、圓形波導屬於一類，此外還有同軸線，基帶傳輸線等。

5. 數字通信中 怎樣計算發送信號的能量

(1)抗干擾能力強、無雜訊積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程
中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的雜訊也被同時放
大，如圖2－1(a)所示。隨著傳輸距離的增加，雜訊累積越來越多，以致使傳輸質量嚴重惡化。

對於數字通信，由於數字信號的幅值為有限個離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中雖
然也受到雜訊的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時，即在適當的距離採用判決再生的方法
，再生成沒有雜訊干擾的和原發送端一樣的數字信號，見圖2－1(b)，所以可實現長距離高 質量的傳輸。

(2)便於加密處理。信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換後的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密 、解密處理。

 (3)便於存儲、處理和交換。數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼 ，因此便於與計算機聯網，也便於用計算機對數字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化。

(4)設備便於集成化、微型化。數字通信採用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。 設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實現，因此體積小、功耗低 。

(5)便於構成綜合數字網和綜合業務數字網。採用數字傳輸方式，可以通過程式控制數字交換設 備進行數字交換，以實現傳輸和交換的綜合。另外，電話業務和各種非話業務都可以實現數字化，構成綜合業務數字網。

(6)佔用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約占
64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道(光纜、數字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數字信號處理技術的發
展(可將一路數字電話的數碼率由64kb/s壓 縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話的帶寬問題已不是主要問題了。

 以上介紹可知，數字通信具有很多優點，所以各國都在積極發展數字通信。近年來，我國數字通信得到迅速發展，正朝著高速化、智能化、寬頻化和綜合化方向邁進。

2 數字信號的產生

2.1 模擬信號和數字信號

(1)模擬信號

信號波形模擬著信息的變化而變化，如圖2－2所示的信號稱為模擬信號。其特點是幅度連
續( 連續的含義是在某一取值范圍內可以取無限多個數值)。圖2－2(a)所示的信號是模擬信號，
其信號波形在時間上也是連續的，因此它又是連續信號。圖2－2(b)所示的信號是對圖(a)所
示的模擬信號按一定的時間間隔T抽樣後的抽樣信號，由於其波形在時間上是離散的，
它又叫離散信號。但此信號的幅度仍然是連續的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電 視信號都是模擬信號。

(2)數字信號

 (2)數字信圖2－3是數字信號，其特點是幅值被限制在有限個數值之內，它不是連續的而是離散的。 圖2－3(a)是二進碼，每一個碼元只取兩個幅值(0，A)：圖(b)是四進碼，每個碼元取四 (3、1、－1、－3)中的一個。這種幅度是離散的信號稱數字信號。

2.2 信號的數字化過程

信號的數字化需要三個步驟：抽樣、、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序
列來代替原來在時間上連續的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變為有限數量的
有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規律，把量化後的值用二進制數字表示，然後轉換成二值或多值的數字信號流。這樣得到的數字信號可以通過電纜、微波
干線、衛星通道等數字線路傳 輸 。在接收端則與上述模擬信號數字化過程相反，再經過後置濾波又恢復成原來的模擬信號。
上述數字化的過程又稱為脈沖編碼調制

2.2.1 抽樣

話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續的，而且在時間上也是連續的。要使話音
信號數字化並實現時分多路復用，首先要在時間上對話音信號進行離散化處理，這一過程叫
抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時間間隔T，抽取話音信號的一個瞬時幅度值(抽樣值)，抽
樣後所得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為樣值序列，如圖2－4所示。抽樣後的樣值序 列在時間上是離散的，可進行時分多路復用，
也可將各個抽樣值經過量化、編碼變換成二 進制數字信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈沖的間隔T≤12fm(或≥2fm)(fm是話音信號的
最高頻率)，則抽樣後的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號。

例如，一路電話信號的頻帶為300～3400Hz，fm=3400Hz，則抽樣頻率
fs≥2×3400=6800Hz。 如 按6800Hz的抽樣頻率對300～3400Hz的電話信號抽樣，則抽樣後的樣值序列可不失真地還原
成原來的話音信號，話音信號的抽樣頻率通常取8000Hz/s。
對於PAL制電視信號。視頻帶寬為6MHz，按照CCIR601建議，亮度信號的抽樣頻率為13.5MHz ，色度信號為6.75MHz。

2.2.2 量化 抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進行離
散化處理，才能最終用數碼來表示。這就要對幅值進行舍零取整的處理，這個過程稱為量
化。量化有兩種方式，示於圖2－5中。圖2－5(a)所示的量化方式中，取整時只舍不入，即0 ～
1伏間的所有輸入電壓都輸出0伏，1～2伏間所有輸入電壓都輸出1伏等。採用這種量化方 式，輸入電壓總是大於輸出電壓，因此產生
的量化誤差總是正的，最大量化誤差等於兩個相鄰量化級的間隔Δ。圖(b)所示的量化
方式在取整時有舍有入，即0～0.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0.5～15伏間的輸出電
壓都輸出1伏等等。採用這種量化方式量化誤差有正有負，量化誤差的絕對值最大為Δ/2 。因此，採用有舍有入法進行量化，誤差較小。

實際信號可以看成量化輸出信號與量化誤差之和，因此只用量化輸出信號來代替原信號就會
有失真。一般說來，可以把量化誤差的幅度概率分布看成在-Δ/2～+Δ/2之間的均勻分布。
可以證明，量化失真功率，即與最小量化間隔的平方成正比。最小量化 間隔越
小，失真就越小。最小量化間隔越小，用來表示一定幅度的模擬信號時所需要的量化級數就
越多，因此處理和傳輸就越復雜。所以，量化既要盡量減少量化級數，又要使量化失真看
不出來。一般都用一個二進制數來表示某一量化級數，經過傳輸在接收端再按照這個二進制
數來恢復原信號的幅值。所謂量化比特數是指要區分所有量化級所需幾位二進制數。例如 ，有8個量化級，那麼可用三位二進制數來區分，因為，稱8個量化
級的量化為3比特量化。8比特量化則是指共有個量化級的量化。

量化誤差與雜訊是有本質的區別的。因為任一時刻的量化誤差是可以從輸入信號求出，而雜訊與信號之間就沒有這種關系。可以證明，量化誤差是高階非線性失真的產物。但量化失真在信號中的表現類似於雜訊，也有很寬的頻譜，所以也被稱為量化雜訊並用信噪比來衡量。 

上面所述的採用均勻間隔量化級進行量化的方法稱為均勻量化或線性量化，這種量化方式會
造成大信號時信噪比有餘而小信號時信噪比不足的缺點。如果使小信號時量化級間寬度小些
，而大信號時量化級間寬度大些，就可以使小信號時和大信號時的信噪比趨於一致。這種非 均勻量化
級的安排稱為非均勻量化或非線性量化。數字電視信號大多採用非均勻量化方式
，這是由於模擬視頻信號要經過校正，而校正類似於非線性量化特性，可減輕小信號時誤 差的影響。

對於音頻信號的非均勻量化也是採用壓縮、擴張的方法，即在發送端對輸入的信號進行壓縮 處理再均勻量化，在接收端再進行相應的擴張處理，如圖2－6所示。

目前國際上普遍採用容易實現的A律13折線壓擴特性和μ律15折線的壓擴特性。我國規 定採用A律13折線壓擴特性。

採用13折線壓擴特性後小信號時量化信噪比的改善量可達24dB，而這是靠犧牲大信號量化信 噪比(虧損12dB)換來的。

2.2.3 編碼

抽樣、量化後的信號還不是數字信號，需要把它轉換成數字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。

最簡單的編碼方式是二進制編碼。具體說來，就是用n比特二進制碼來表示已經量化了的樣值，每個二進制數對應一個量化值，然後把它們排列，得到由二值脈沖組
成的數字信息流
，整個過程見圖2－7。編碼過程在接收端，可以按所收到的信息重新組成原來的樣值，再經過低通濾波器恢復原信號。用這樣方式組成的脈沖串的頻率等於抽樣頻
率與量化比特數的積 ，稱為所傳輸數字信號的數碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特數越大，數碼率就越高， 所需要的傳輸帶寬就越寬。

除了上述的自然二進制碼，還有其他形式的二進制碼，如格雷碼和折疊二進制碼等，表
2－1
示出了這三種二進制碼。這三種碼各有優缺點：(1)自然二進制碼和二進制數一一對應，簡單易行，它是權重碼，每一位都有確定的大小，從最高位到最低位依次
為，可以直接進行大小比較和算術運算。自然二進制碼可以直接由數/模轉換器轉換成模擬信號，但在某些情況，例如從十進制的3轉換為4時二進制碼的每一位都
要變，使數字電路產生很大的尖峰電流脈沖。(2)格雷碼則沒有這一缺點，它在相鄰電平間轉換時，只有一位生變化，格雷碼不是權重碼，每一位碼沒有確定的大
小，不能直接進行比較大小和算術運算，也不能直接轉換成模擬信號，要經過一次碼變換，變成自然二進制碼。(3)折疊二進制碼沿中心電平上下對稱，適於表示
正負對稱的雙極性信號。它的最高位用來區分信號幅值的正負 。折疊碼的抗誤碼能力強。

表2－1 各種二進制碼量化電平

量化電平
自然 二進制碼
格雷碼
折疊二進制碼

0
000
000
011

1
001
001
010

2
010
011
001

3
011
010
000

4
100
110
100

5
101
111
101

6
110
101
110

7
111
100
111

在通信理論中，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。所謂信源編碼是指將信號源中多餘的
信息除去，形成一個適合用來傳輸的信號 。為了抑制信道雜訊對信號的干擾，往往還需要
對信號進行再編碼，編成在接收端不易為干擾所弄錯的形式，這稱為信道編碼。為了對付干擾，必須花費更多的時間，傳送一些多餘的重復信號，從而佔用了更多頻
帶，這是通信理論中的一條基本原理。

2.2.4 數字視頻信號的編碼方式和格式

(1)復合編碼和分量編碼

視頻信號有兩種編碼方式，即復合編碼和分量編碼。復合編碼是將復合彩色信號直接編碼成

PCM形式。復合彩色信號是指彩色全電視信號，它包含有亮度信號和以不同方式編碼的色度信號。分量編碼是將三基色信號R、G、B分量或亮度和色差信號Y、
(B－Y)、(R－Y)分別編碼 成PCM形式。

復合編碼的優點是碼率低些，設備較簡單，適用於在模擬系統中插入單個數字設備的情況。

它的缺點是由於數字電視的抽樣頻率必須與彩色副載頻保持一定的關系，而各種制式的副載頻各不相同，難以統一。採用復合編碼時由抽樣頻率和副載頻間的差拍造
成的干擾將影響圖像的質量。

分量編碼的優點是編碼與制式無關，只要抽樣頻率與行頻有一定的關系，便於制式轉換和統

一，而且由於Y、(R－Y)、(B－Y)分別編碼，可採用時分復用方式，避免亮色互串，可獲得高質量的圖像。在分量編碼中，亮度信號用較高的碼率傳送，兩
個色差信號的碼率可低一些 ，但總的碼率比較高，設備價格相應較貴。

(2)數字視頻信號的抽樣頻率和格式現行的掃描制式主要有625行／50場和525行
／60場兩種，它們的行頻分別為15625赫和15734.265赫。ITU－R建議的分量編碼標準的亮度抽樣頻率為13.5兆赫，這恰好是上述兩種行頻
的整數倍，對於625行／50場，每行的抽樣點數為個，對於525行／
60場，每行的抽樣點數為個，按照國際現行電視制式，亮度信號最大帶寬是6兆赫。根據奈奎斯特抽樣定理，抽樣頻率至少要大於2×6＝12兆赫，因此取
13.5兆赫也是合適的。

由於色差信號的帶寬比亮度信號窄得多，所以在分量編碼時兩個色差信號的抽樣頻率可以低
一些，同時也考慮到抽樣的樣點結構滿足正交結構的要求，ITU－R建議兩個色差信號的抽樣
頻率均為亮度信號抽樣頻率的一半，即6.75兆赫，每行的樣值點數也是亮度信號樣值點數
的一半，即分別為432個／行和429個／行。因此，對演播室數字電視設備進行分量編碼的標
準是：亮度信號的抽樣頻率是13.5兆赫，兩個色差信號的抽樣頻率是6.75兆赫，其抽樣頻
率之比為4∶2∶2，因此也稱為4∶2∶2格式。對於用於信號源信號處理的質量要求更高的設 備，還可以採用4∶4∶4的抽樣關系。

3 數字通信系統的主要性能指標

(1)信道傳輸速率

信道的傳輸速率通常是以每秒所傳輸的信息量多少來衡量。資訊理論中定義信源發生信息量的度量單位是「比特」(bit)。一個二進制碼元所含的信息量是一個
「比特」，所以信息傳輸
速率的單位是比特/秒(bit/s)。例如一個數字通信系統，它每秒傳輸600個二進制碼元，它的信息傳輸速率是600比特/秒(600bit/s)。

(2)符號傳輸速率

它是指單位時間(秒)內傳輸的碼元數目，其單位為波特。這里的碼元可以是二進制的，也
可以是多進制的。符號傳輸速率M和信息傳輸速率R的關系為R=Nlog2M
當碼元為二進制時M為2；碼元為四進制時M為4……如果符號速率為600波特，在二進制時，
信息傳輸速率為600比特/秒，在四進制時為1200比特/秒。

(3)誤碼率

信碼在傳輸過程中，由於信道不理想以及雜訊的干擾，以致在接收端判決再生後的碼元可能出現錯誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來衡量，誤碼率是數字通信系統中單位時間內錯誤碼元數與發送總碼元數之比。誤碼越多，誤碼率越大。

4 傳輸速率和帶寬的關系

數字信號的傳輸要求與模擬信號的要求不同，模擬信號的傳輸要求接收端無波形失真，而數字信號的傳輸是要求接收端無差錯地恢復成原來的二進數碼(可以允許接收波形失真，只要不影響正確恢復信碼即可)。



由於數字信號的頻帶非常寬(從直流一直到無限高的頻率)，但其主要能量則集中在低頻段， 而電纜傳輸信道是只允許比較低的頻率成分通過的低通信道。當一系列數字脈沖信號通過帶 限的電纜信由於高頻成分被濾去，使輸出波形出現了失真，如圖2－8(b)所示。

這種波形頂部變圓，底部展寬。一個碼元的波形展寬到其他碼元位置，影響到其他碼元
，這種影響稱碼間干擾，如圖2－8(d)所示。由於波形的拖尾很長，碼間干擾將影響到數
個碼元。波形的拖尾可以是正的也可能是負的。如果所有的拖尾相加後是正值，而且達到門
限判決電平就可能將「0」誤判為「1」碼；反之，如果所有的拖尾相加後在某個碼元位置
的值是負的，就可能將「1」碼誤判為「0」碼。為了減少碼間干擾，數字信號傳輸的基本 理
論——奈奎斯特第一準則規定帶限信道的理想低道截止頻率為fH時，最高的無碼間干擾傳 輸
的極限速度為2fH，無碼間干擾的波形如圖2－8(f)所示。例如，信道帶寬為2000Hz時，每
秒最多可傳送4000個二進制碼元。一路數字電話速率為 64kbit/s，則無碼間干擾的信道 帶寬為32kHz。

6. 分析光纖通信系統誤碼率的大小與接收機接收光能量大小的關系

分析光纖通信系統誤碼率的大小與接收機接收光能量大小的關系如下：

光纖中的誤碼主要是由於光纖對光信號的展寬作用，比如色散和非線性效應，導致相鄰的信號之間發生重疊，從而最後在接收端的判決時無法正確判斷，即無法判斷0還是1。誤碼的形態就是光信號被展寬了。誤碼影響就是導致誤碼率的上升，使傳輸速率減慢。

(6)通信系統中能量的演算法擴展閱讀：

光纖通信系統特點：

①在單位時間內能傳輸的信息量大。90年代初光纖通信的實用水平的信息率為2.488Gbit/s，即一對單模光纖可同時開通35000個電話，而且它還在飛速發展。

②經濟。光纖通信的建設費用隨著使用數量的增大而降低。

③體積小、重量輕，施工和維護等都比較方便。

④使用金屬少，抗電磁干擾、抗輻射性強，保密性好等。

基本構成：常規的光纖通信系統的主要組成部分是光纖、光源和光檢測器。光纖包括單模和多模光纖，光源包括半導體激光器和發光二極體。中、長距離系統採用單模光纖和半導體激光器，新開發的高速系統用分布反饋（DFB）激光器，短距離系統可以採用多模光纖和發光二極體。