MATLAB 数字通信 （中文 第四版）-电子书

数字通信    (第四版)

Digital Communications   (Fourth  Edition)

〔 美 〕John G. Proakis 著    张力军    张宗橙  郑宝玉  等译

国外电子信息科学经典教材系列

●无线通信原理与应用

●高性能通信网络

●多媒体数字压缩原理与标准

●计算机控制系统——原理与设计(第三版)

●现代控制工程(第三版)

●第三代移动通信系统原理与工程设计 IS-95 CDMA和cdma2000

●现代无线通信系统电波传播

●信息系统管理、控制和维护

●数字通信(第四版)

责任编辑沈艳波 封面制作张昱

本书贴有激光防伪标志，凡没有防内标患者，属监版园书

内 容 简 介

本书是数字通信领域的一本经典教材，通过对概率论及随机过程的复习，详细介绍了数字和模拟信源编 码、数字调制信号和窄带信号与系统的特征、加性高斯白噪声中数字通信的调制和最佳调制与检测方法、基于 最大似然准则的载波相位估计和定时同步的方法、不同信道模型的信道容量及随机编码、带限信道的信号设 计、受到符号间干扰恶化信号的解调与检测问题、自适应信道均衡、多信道与多载波调制、扩展频谱信号和系  统、衰落信道上的数字通信。本书适合与通信工程相关专业的高年级本科生、研究生及工程技术人员阅读。

John    G.Proakis

Digital  Communications,Fourth  edition ISBN:0-07-232111-3

Copyright         2001  by  the  MeGraw-Hill  Companies,Ine.

Original  language  published  by  The  McGraw-Hill   Companies,Inc.All  rights  reserved.No  part   of  this  publication may be reproduced or distributed in any means,or stored in a database or retrieval system,without the prior written permission of the publisher.

Simplified  Chinese  translation  edition  jointly  published  by  McGraw-Hil  Edueation(Asia)Co,and  Publishing  House of  Electronics  Industry

本书中文简本字翻译版由电子工业出版社和美国麦格劳-希尔教育(亚洲)出版公司合作出版。未经出版者预 先书面许可，不得以任何方式复 制 或抄袭本书的任何部分。

本书封底贴有 McGraw-Hill 公司防伪标签，无标签者不得销售。

版权贸易合同登记号：图字01-2000-4292

图书在版编目(CIP) 数据

数字通信(第四版)/(美)普罗基斯(Proakis,J. G.)著;张力军译.一北京：电子工业出版社，2003.1 (国外电子信息科学经典教材系列)

书名原文：Digital Communications

ISBN     7-5053-8368-X

1.  数 . . . Ⅱ ①普 . . .②张 . . . Ⅲ .数字通信-教材  V.T N914.3 中国版本图书馆CIP 数据核字(2002)第102812号

责任编辑：沈艳波

印刷者：北京天竺颖华印刷厂

出版发行：电子工业出版社  http://www.phei.com.cn

北京市海淀区万寿路173信箱  邮编：100036 经    销：各地新华书店

开    本：787×10921/16    印张：47.5 字数：1200千字

版    次：2003年1月第2版2003年1月第1次印刷

译 者 的 话

在人类社会发展的近十多年间，信息科学技术迅猛发展，在社会各个领域得到越来越广泛的 应用，成为21世纪国际社会和世界经济发展的新的强大推动力。信息技术快速发展的动因和显  著的特点之一是计算机技术和数字通信技术的快速发展以及计算机网络与通信网的相互融合， 使得因特网迅速发展，遍布世界各地，延伸到各个角落，并从有线扩展到无线，延伸到个人的手  中。各种类型的数字通信网是因特网的载体。有关数字通信的研究主要是从网络的物理层研究  数字信号的传输机理及其可靠性和有效性，为建立可靠和高效的因特网提供坚实的物理基础。

我们翻译的约翰 ·G · 普罗基斯的《数字通信》(第四版)一书是著者多年教学和科研的总 结，它全面而系统地论述了数字通信的基本理论，包括信源编码、数字调制信号特征、信道的模 型、数字调制与解调、符号与定时同步、自适应均衡技术、多信道与多载波系统、扩频通信、衰落 信道上的数字通信以及多用户通信。正如作者在前言中指出的，本书第四版比第三版增添了 一些新的内容，如串行和并行级联码、删余级联码、Turbo 网格编码调制(TCM)  与 Turbo 均衡 以及空间复用，及时地反映了数字通信技术发展的新成果。本书在内容上既论述了数字通信  的基本理论，又对数字通信新技术进行了比较深入的分析。本书采用信号空间和等效低通分  析方法，根据最佳接收准则，先后讨论并分析了在加性高斯白噪声(AWGN)  信道、带限线性滤  波器(有符号间干扰和加性噪声)信道以及多径衰落信道等3种基本的典型信道条件下的数字  信号传输的最佳接收问题。本书讨论问题系统、全面，内容逐步深入，概念清晰，理论分析严  谨，逻辑性强，习题和参考资料丰富。本书是一本比较全面、系统、深人论述数字通信理论的经  典著作，在学术界很有影响，被许多学术论文引用。同时，它也是一本优秀的研究生教材，目前  在国内外有许多高等院校采用本书作为信息和通信专业的研究生教材。本书对于相关专业的  教师、学生以及科技工作者来说，也是一本很好的参考书。

译者自1986年以来一直采用本书作为研究生数字通信课程的教材。从教学实践中，我们 感到本书作为教材理论性较强，其性质相当于“高等通信原理”,也就是说，要求学习本课程的 学生应当具备良好的本科“通信原理”基础。研究生通过本课程的学习可在通信理论方面打下 比较好的基础，为深人研究创造良好的条件。

本书的前言、第1,2,4,5,6,9,10,11,12章由张力军翻译(其中的习题由曹士坷翻译),第 3,7,8章由张宗橙翻译，第13,14,15章及附录由郑宝玉翻译，张力军负责统稿全书。在本书  的翻译过程中，保留了原著的部分书写规则，电子工业出版社文宏武副社长、通信与电子事业  部主任竺南直博士和责任编辑沈艳波为本书的出版付出了辛勤的劳动。南京邮电学院2000  级和2001级研究生单方骥、曹常义、彭伟刚、徐彬辉、何雪云、周克琴、丁世杰、陈杰、梁景原、徐  颖、陈敏、刘芳、赵宏亮、徐啸涛、李晓飞等协助做了大量的工作。借此机会，表示诚挚的谢意。 本书第四版译稿是在译者第三版的基础上进行的，对第三版中译本的错漏作了更正。限于水  平，译文倘有疏漏不当之处，敬请读者不吝指正。

                                                                                                                                                      译  者

著 者 简 介

约翰 ·G ·普罗基斯(John G.Proakis)自1969年9月以来任职于美国东北大学(Northeast- ern   University)。在1982～1997年期间，他历任电气与计算机工程系系主任、研究生院副院 长、院长；同时也在美国通用电话电子公司(GTE)  实验室和麻省理工学院(MIT)  林肯实验室 (Lincoln   Laboratory)任职。

普罗基斯博士在Cincinnati 大学获得学士学位(BSEE),   在 MIT  获得硕士学位(MSEE),    在哈佛大学(Harvard   University)获得工程领域博士学位。他的专业方向和研究兴趣主要是数 字通信和数字信号处理，在这些领域里他已发表了许多论文并出版了多本著作。

前     言

《数字通信(第四版)》在《数字通信》(第三版)基础上迸行了一些修改，增添了几个新的论 题，包括串行和并行级联码、删余级联码、Turbo 网格编码调制(TCM)  与 Turbo 均衡以及空间 复用。因为这是一本导论性质的教科书，所以对这些论题的论述及处理的范围有限。

这本书适合作为电子工程系一年级研究生的教科书，也适合从事数字通信系统设计的工 程师作为自学课本和参考书。为阅读本书，读者应具备基本的微积分、线性系统理论以及概率 论和随机过程的预备知识等背景知识。

第1章是本书主题的导引，包括回顾与展望、信道特征的描述和信道模型。

第2章是对概率论和随机过程基本内容的复习。它涉及本书要用到的一些概率分布函数 和矩阵，包括契尔诺夫边界的推导。边界在求数字通信系统性能边界中是很有用的。

第3章论述数字和模拟信源编码，重点是标量和矢量量化技术，并比较速率失真理论的基 本结果。

第4章介绍数字调制信号和窄带信号与系统的特征，还论述了数字调制信号的频谱特征。 添加了关于CPM 信号线性表示法的新材料。

第5章论述了在加性高斯白噪声信道中，数字通信的调制和最佳调制与检测方法。重点 是各种数字信号传输的差错率性能和相应的信号对信道带宽的要求。

第6章专门论述基于最大似然准则的载波相位估计和定时同步的方法，描述面向判决和 非面向判决的两种方法。

第7章论述几种不同信道模型的信道容量及随机编码。

第8章论述线性分组码和卷积码。这章添加的新论题有串行和并行交织卷积码、软输出 维特比算法(SOVA)  和 Turbo TCM。

第9章着重于带限信道的信号设计。本章的论题包括部分响应信号及频谱成形的游程长 度受限码。

第10章论述受到符号间干扰恶化信号的解调与检测问题，重点是最佳与准最佳均衡方法 及其性能 。本章添加的新论题包括 Tomlinson-Harashima   预编码、降低复杂性的最大似然检测 器和 Turbo 均衡。

第11章论述自适应信道均衡，描述 LMS 及递归最小二乘算法及其性能特征。本章还论 述了盲均衡的算法。添加的新论题有抽头泄漏算法和加速 LMS 初始收敛的方法。

第12章论述了多信道和多载波调制。鉴了过去20年中已研发了几个重要的应用，所以 后一论题尤为实用。

第13章专门阐述扩展频谱信号和系统。本章着重介绍在扩频信号设计中编码的益处。

第14章论述在衰落信道上的数字通信。研究了几种信道衰落的统计模型，重点在于瑞利 (Rayleigh)  衰落和Nakagami 衰落。这章还包括衰落信道的网格编码。添加的新内容包括：关 于移动无线信道衰落和多径的简要论述、有符号间干扰衰落多径信道的接收机结构以及采用多个发送和接收天线的空间复用。

第15章论述多用户通信问题，重点是码分多址(CDMA) 、信号检测和随机接人方式，例如 AL(HA   和载波侦听多址(CSMA)。

使用本书授课的教师可以将这15章内容和相关论题灵活地设计成一学期或者两学期的 课程。第3章～第6章提供关于数字调制/解调和检测的方法的基本论述。第7和第8章论 述的信道编码可与调制和解调 ·起作为一学期课程的内容。信道均衡、衰落信道、扩展频谱和 多用户通信可以作为第二学期课程的内容。

在我研究、写作过程中，有机会同许多知名学者一起工作并向他们学习，在此对他们表示 感谢。这些学者包括 R. 普赖斯(R.Price)   博上、P.R.   德罗依尔汉(P.R.Drouilhet)     先生和P.E.    格林(P.E.Green)    博士。我在麻省理工学院林肯实验室工作期间，上述学者在衰落信道中的 数字通信和多信道信号传输等方面给了我许多指导。我也要感谢D.W.  塔夫茨(D.W.Tufts)

教授，他审查了我在哈佛大学做的博士论文，并指导我对带限信道的信号设计和均衡问题的研  究。我曾在通用电话和电子公司以及斯坦协会组参加过各种研究项目，与许多同事愉快地共  事多年，包括斯坦(S.Stein)   博士、巴罗(B.Barrow)   博士、A.A.   焦尔达诺(A.A.Giordano)     博士、 A.H.  莱韦斯克(A.H.Levesque)     博士、R.  格林斯潘(R.Greenspan)     博士、D.  弗里曼(D.Frec-      man) 博士和 P.H.   安德森(P.H.Anderson) 、D.     古德因(D.Gooding)   及 J.  林德霍尔姆(J.Lind-      holm) 先生。在东北大学，我与M. 塞尔海(M.Salehi)    博上、M. 斯多吉诺维克(H.Stojanovic)    博  士和 D.布雷迪(D.Brady)   博士合作，从中受益匪浅。 T.  舍恩霍夫(T.Schonhoff)    博士提供了  CPFSK  频谱特性曲线图，H.  吉本斯(H.Gibbons)   提供了第14章中的曲线图的数据，这些数据  表示了在分集情况下 PSK 和 DPSK 的性能。我非常感激同事们给予的帮助。

麦格劳-希尔(McGraw-Hill)  教育出版集团和我衷心感谢该版审阅者提出了许多有价值的 建议，他们的亚利桑那大学(University of Arizona)的威廉 ·E ·里杨(Willian   E.Ryan),佛罗里 达大学(University   of  Florida)的黄唐(Tan    Wong)和乔治华盛顿大学(George   Washington   Uni- versity) 的雷蒙德 ·皮克霍尔茨(Raymond     Pickholtz)。

最后，感谢格洛丽亚 · 多卡基斯(Gloria   Doukakis)打印了这一版的手稿，感谢阿波斯托斯， 里佐斯(Apostolos   Rizos)准备了习题解答。

                                                                                                                                                       著  者

第 1 章  引     言

在本书中，我们将介绍作为数字通信系统分析和设计基础的基本原理。数字通信的研究 主题包括数字形式的信息从产生该信息的信源到-个或多个目的地的传输问题。在通信系统 的分析和设计中，特别重要的是信息传输所通过的物理信道的特征。信道的特征一般会影响 通信系统基本组成部分的设计。下面阐述一个通信系统的基本组成部分及其功能。

1.1  数字通信系统的基本组成部分

图1-1-1显示了一个数字通信系统的功能性框图和基本组成部分。信源输出的可以是模  拟信号，如音频或视频信号；也可以是数字信号，如电传机的输出，该信号在时间上是离散的， 并且具有有限个输出字符。在数字通信系统中，由信源产生的消息变换成二进制数字序列。 理论上，应当用尽可能少的二进制数字表示信源输出(消息)。换句话说，我们要寻求一种信源  输出的有效的表示方法，使其很少产生或不产生冗余。将模拟或数字信源的输出有效地变换成二进制数字序列的处理过程称为信源编码或数据压缩。

由信源编码器输出的二进制数字序列称为信息序列 ， 它被传送到信道编码器 。 信道编码 器的目的是在二进制信息序列中以受控的方式引人 一 些冗余，以便于在接收机中用来克服信 号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响 。 因此 ， 所增加的冗余是用来提高接收数据的 可靠性以及改善接收信号的逼真度的。实际上，信息序列中的冗余有助于接收机译出期望的 信息序列。例如，二进制信息序列的一种(平凡的)形式的编码就是将每个二进制数字简单重 复 m  次，这里 m  为 一 个正整数。更复杂的(不平凡的)编码涉及到 一 次取 k  个信息比特，并将 每 个 k 比 特 序 列 映 射 成 惟 一 的n 比特序列，该序列称为码字。以这种方式对数据编码所引入 的 冗 余 度 的 大 小 是 由 比 率 n/k  来度量的。该比率的倒数，即 k/n, 称 为 码 的 速 率 或 简 称 码 率 。

信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是通信信道的接口。因为在实际中遇 到 的 几 乎 所 有 的 通 信 信 道 都 能 够 传 输 电 信 号 ( 波 形 ) , 所 以 数 字 调 制 的 主 要 目 的 是 将 二 进 制 信 息序列映射成信号波形。为了详细说明这 一 点，假定已编码的信息序列以均匀速率 R(b/s)  一次一个比特传输，数字调制器可以简单地将二进制数字“0”映射成波形 so(t), 而二进制数字 “1”映射成波形 s₁(t) 。  在这种方式中，信道编码器输出的每一比特是分别传输的。我们把它 称为二进制调制。另一种方式，调制器一次传输 b 个已编码的信息比特，其方法是采用 M=2h 个不同的波形s,(t),i=0.1,2, … ,M,每一个波形用来传输2⁶个可能的 b 比特序列中的一个序列。我们称这种方式为 M 元调制(M>2)。   注意，每 b/R 秒就有一个新的b 比特序列进人调制器。因此，当信道比特率 R  固定，与一个b 比特序列相应的M  个波形之一的传输时间 量是二进制调制系统时间周期的b 倍。

通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质。在无线传输中，信道可以是 大气(自由空间)。另一方面，电话信道通常使用各种各样的物理媒质，包括有线线路、光缆和 无线(微波)等。无论用什么物理媒质来传输信息，其基本特点是发送信号随机地受到各种可 能机理的恶化，例如由电子器件产生的加性热噪声、人为噪声(如汽车点火噪声)及大气噪声 (如在雷暴雨时的闪电)。

在数字通信系统的接收端，数字解调器对受到信道恶化的发送波形进行处理，并将该波形 还原成一个数的序列，该序列表示发送数据符号的估计值(二进制或 M  元)。这个数的序列 被送至信道译码器，它根据信道编码器所用的关于码的知识及接收数据所含的冗余度重构初 始的信息序列。

解调器和译码器工作性能好坏的一个度量是译码序列中发生差错的频度。更准确地说， 在译码器输出端的平均比特错误概率是解调器-译码器组合性能的一个度量。 一般地，错误概 率是下列各种因素的函数：码特征、用来在信道上传输信息的波形的类型、发送功率、信道的特  征(即噪声的大小、干扰的性质等)以及解调和译码的方法。在后续各章中将详细讨论这些因 素及其对性能的影响。

作为最后一步，当需要模拟输出时，信源译码器从信道译码器接收其输出序列，并根据所 采用的信源编码方法的有关知识重构由信源发出的原始信号。由于信道译码的差错以及信源 编码器可能引入的失真，在信源译码器输出端的信号只是原始信源输出的一个近似。在原始 信号与重构信号之间的信号差或信号差的函数是数字通信系统引人失真的一种度量。

1.2  通信信道及其特征

正如前面指出的，通信信道在发送机与接收机之间提供了连接。物理信道也许是携带电 信号的一对明线；或是在已调光波束上携带信息的光纤；或是水下海洋信道，其中信息以声波 形式传输；或是自由空间，携带信息的信号通过天线在空间辐射传输。可被表征为通信信道的 其他媒质是数据存储媒质，例如磁带、磁盘和光盘。

在信号通过任何信道传输中的一个共同的问题是加性噪声。 一般地，加性噪声是由通信 系统内部组成元器件所引起的，例如电阻和固态器件。有时将这种噪声称为热噪声。其他噪 声和干扰源也许是系统外面引起的，例如来自信道上其他用户的干扰。当这样的噪声和干扰 与期望信号占有同频带时，可通过对发送信号和接收机中解调器的适当设计来使它们的影响 最小。信号在信道上传输时可能会遇到的其他类型损伤有信号衰减、幅度和相位失真、多径失 真等。

可以通过增加发送信号功率的方法使噪声的影响最小。然而，设备和其他实际因素限制了发送信号的功率电平，另一个基本的限制是可用的信道带宽。带宽的限制通常是由于媒质 以及发送机和接收机中组成器件和部件的物理限制产生的。这两种限制因素限制了在任何通 信信道上能可靠传输的数据量，我们将在以后各章中讨论这种情况。下面描述几种通信信道 的 重 要 特 征 。

1. 有线信道

电话网络扩大了有线线路的应用，如话音信号传输以及数据和视频传输。双绞线和同轴 电缆是基本的导向电磁信道，它能提供比较适度的带宽。通常用来连接用户和中心机房的电 话线的带宽为几百千赫(kHz) 。 另一方面，同轴电缆的可用带宽是几兆赫(MHz) 。 图1-2-1示出了导向电磁信道的频率范围，其中包含波导和光纤。

信号在这样的信道上传输时，其幅度和相位 都会发生失真，还受到加性噪声的恶化。双绞线 信道还易受到来自物理邻近信道的串音干扰。因 为在全国和全世界有线信道上通信在日常通信中 占有相当大的比例，因此，人们对传输特性的表征 以及对信号传输时的幅度和相位失真的减缓方法 作了大量研究。在第9章中，我们将阐述最佳传 输信号及其解调的设计方法。在第10章和第11 章中，我们将研究信道均衡器的设计，它是用来补 偿信道的幅度和相位失真的。

2. 光纤信道

光纤提供的信道带宽比同轴电缆信道大几个 数量级。在过去的20年中，已经研发出具有较低 信号衰减的光缆，以及用于信号和信号检测的可  靠性光子器件。这些技术上的进展导致了光纤信 道应用的快速发展，不仅应用在国内通信系统中， 也应用于跨大西洋和跨太平洋的通信中。由于光 纤信道具有大的可用带宽，因此有可能使电话公  司为用户提供宽系列电话业务，包括话音、数据、传真和视频等。

在光纤通信系统中，发送机或调制器是一个 光源，或者是发光二极管(LED)  或者是激光。通 过消息信号改变(调制)光源的强度来发送信息。

光像光波一样通过光纤传播，并沿着传输路径被周期性地放大以补偿信号衰减(在数字传输中，光由中继器检测和再生)。在接收机中，光的强 度由光电二极管检测 ， 它的输出电信号的变化直接与照射到光电二极管上的光的功率成正比 。 光纤信道中的噪声源是光电二极管和电子放大器。

3. 无线电磁信道

在无线通信系统中，电磁能是通过作为辐射器的天线耦合到传播媒质的。天线的物理尺 寸和配置主要决定于运行的频率。为了获得有效的电磁能量的辐射，天线必须比波长的1/10 更长、因此，在调幅(AM) 频段发射的无线电台，譬如说在 f.=1   MHz时(相当于波长λ= C/  J.=300m),     要求天线至少为30m 。无线传输天线的其他重要特征和属性将在第5章阐述。

图1-2-2示出了不同频段的电磁频谱。在大气和自由空间中，电磁波传播的模式可以划 分为3种类型，即地波传播、天波传播和视线传播。在甚低频(VLF)  和音频段，其波长超过10 km, 地球和电离层对电磁波传播的作用如同波导。在这些频段，通信信号实际上环绕地球传 播。由于这个原因，这些频段主要用来在世界范围内提供从海洋到船舶的导航帮助。在此频 段中可用的带宽较小(通常是中心频率的1%～10%),因此通过这些信道传输的信息速率较 低，且一般限于数字传输。在这些频率上，最主要的一种噪声是由地球上的雷暴活动产生的， 特别是在热带地区。干扰来自这些频段上的用户。

如图1-2-3所示，地波传播是中频(MF)  频段(0.3~3 MHz)的最主要传播模式，是用于 AM 广播和海岸无线电广播的频段。在 AM 广播中，甚至大功率的地波传播范围都限于150 km 左右。在MF 频段中，大气噪声、人为噪声和接收机的电子器件的热噪声是对信号传输的 最主要干扰。

如图1-2-4所示，天波传播是电离层对发送信号的反射(弯曲或折射)形成的，电离层由位 于地球表面之上高度50~400km 范围中的几层带电粒子组成。在白昼，太阳使较低大气层加 热，引起高度在120km 以下的电离层的形成。这些较低的层，特别是 D 层，吸收2 MHz 以下 的频率，因此严重地限制了AM 无线电广播的天波传播。然而，在夜晚，较低层的电离层中的 电子密度急剧下降，而且白天发生的频率吸收现象明显减少。因此，功率强大的 AM 无线电 广播电台能够通过天波经F 层电离层传播很远的距离，F 层电离层位于地球表面之上140~400km 范围之内。

在高频(HF) 频段范围内，电磁波经由大 波传播时经常发生的问题是信号多径。信号多径 发生在发送信号经由多条传播路径以不同的延迟到达接收机的时候， 一般会引起数字通信系 统中的符号间干扰。而且，经由不同传播路径到达的各信号分量会相互削弱，导致信号衰落的 现象，许多人在夜晚收听远地无线电台广播时会对此有体验。在夜晚，天波是主要的传播模 式 。HF 频段的加性噪声是大气噪声和热噪声的组合。

在大约30 MHz 之上的频率，即 HF 频段的边缘，就不存在天波电离层传播。然而，在30~ 60 MHz频段，有可能进行电离层散射传播，这是由较低电离层的信号散射引起的。也可利用 在40～300 MHz 频率范围内的对流层散射在几百英里(1mile=1609.344m)      的距离通信。对 流层散射是由在10 mile 或更低高度大气层中的粒子引起的信号散射造成的。一般地，电离层 散射和对流层散射具有大的信号传播损耗，要求发射机功率大和天线比较长。

在30 MHz以上频率通过电离层传播具有较小的损耗，这使得卫星和超陆地通信成为可能。 因此，在甚高频(VHF) 频段和更高的频率，电磁传播的最主要模式是LOS传播。对于陆地通信  系统，这意味着发送机和接收机的天线必须是直达 LOS,没有什么障碍。由于这个原因，在VHF   和特高频(UHF) 频段发射的电视台的天线安装在高塔上，以达到更宽的覆盖区域。

一般地，LOS 传播所能覆盖的区域受到地球曲度的限制。如果发射天线安装在地表面之  上 h 米的高度，并假定没有物理障碍(如山),那么到无线地平线的距离近似为 d=√15h   km。 例如，电视天线安装在300m 高的塔上，它的覆盖范围大约67km 。另一个例子，工作在1GHz   以上频率、用来延伸电话和视频传输的微波中继系统将天线安装在高塔上或高的建筑物顶部。

对工作在 VHF 和 UHF 频率范围的通信系统，限制性能的最主要噪声是接收机前端所产生 的热噪声和天线接收到的宇宙噪声。在10 GHz以上的超高频(SHF) 频段，大气层环境在信号传播中担负主要角色。例如，在10 GHz 频率，衰减范围从小雨时的0.003 dB/km  左右到大雨时的 0.3dB/km; 在100 GHz 时，衰减范围从小雨时的0.1dB/km 左右到大雨时的6dB/km 左右。因 此，在此频率范围，大雨引起了很大的传播损耗，这会导致业务中断(通信系统完全中断)。

在极高频(EHF)  频段以上的频率是电磁频谱的红外区和可见光区，它们可用来提供自由 空间的LOS 光通信。到目前为至，这些频段已经用于实验通信系统，例如，卫星到卫星的通信 链路。

4. 水声信道

在过去的几十年中，海洋探险活动不断增多。与这种增多相关的是对传输数据的需求。 数据是由位于水下的传感器传送到海洋表面的，从那里可能将数据经由卫星转发给数据采集 中心。

除极低频率外，电磁波在水下不能长距离传播。在低频率的信号传输的延伸受到限制，因 为它需要大的且功率强的发送机。电磁波在水下的衰减可以用表面深度来表示，它是信号衰 减 L/e  的距离。对于海水，表面深度δ=250 √f,   其 中f  以 H2 为单位，8以m 为单位。例如， 在10 kHz 上，表面深度是2.5m 。声信号能在几十甚至几百千米距离上传播。

水声信道可以表征为多径信道，这是由于海洋表面和底部对信号反射的缘故。因为波的 运动，信号多径分量的传播延迟是时变的，这就导致了信号的衰落。此外，还存在与频率相关 的衰减，它与信号频率的平方近似成正比。声音速度通常大约为1500m/s, 实际值将在正常 值上下变化，这取决于信号传播的深度。

海洋背景噪声是由虾、鱼和各种哺乳动物引起的。在靠近港口处，除了海洋背景噪声外， 也有人为噪声。尽管有这些不利的环境，还是可能设计并实现有效的且高可靠性的水声通信  系统，以长距离地传输数字信号。

5. 存储信道

信息存储和恢复系统构成了日常数据处理工作的非常重要的部分。磁带(包括数字的声 带和录像带)、用来存储大量计算机数据的磁盘、用作计算机数据存储器的光盘以及只读光盘 都是数据存储系统的例子，它们可以表征为通信信道。在磁带或磁盘或光盘上存储数据的过 程，等效于在电话或在无线信道上发送数据。回读过程以及在存储系统中恢复所存储的数据 的信号处理，等效于在电话和无线通信系统中恢复发送信号。

由电子元器件产生的加性噪声和来自邻近轨道的千扰一般会呈现在存储系统的回读信号 中，这正如电话或无线通信系统中的情况。

所能存储的数据量一般受到磁盘或磁带尺寸及密度(每平方英寸存储的比特数)的限制， 该密度是由写/读电系统和读写头确定的。例如，在磁盘存储系统中，封装密度可达每平方英  寸10⁹比特(1 in=2.54cm) 。  磁盘或磁带上的数据的读写速度也受到组成信息存储系统的机  械和电子子系统的限制。

信道编码和调制是良好设计的数字磁或光存储系统的最重要的组成部分。在回读过程 中，信号被解调。由信道编码器引人的附加冗余度用于纠正回读信号中的差错。

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