通信基本原理

通信原理目錄通信原理概述調(diào)制模數(shù)轉(zhuǎn)換1.1通信的基本概念通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺…電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計算機通信等。電信發(fā)明史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報1876年：貝爾發(fā)明有線電話1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世1936年：商業(yè)電視廣播開播

……………后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｐ诺溃簩碜园l(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。接收設(shè)備：從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等。1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

(a)二進制信號

(b)2PSK信號模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)：兩種變換：

模擬消息原始電信號（基帶信號） 基帶信號已調(diào)信號（帶通信號）圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘柾侥康模菏故瞻l(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致圖1-5數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2.3數(shù)字通信的特點優(yōu)點抗干擾能力強，且噪聲不積累傳輸差錯可控便于處理、變換、存儲便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕易于加密處理，且保密性好缺點：需要較大的傳輸帶寬對同步要求高1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)……按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信……按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用1.3.2通信方式單工、半雙工和全雙工通信單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?/p>

半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸

優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施 缺點：需要n條通信線路，成本高串行傳輸：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸

優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用 缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式：同步通信和異步通信專線通信和網(wǎng)通信功率和增益的單位1.dB是功率的比值（增益等）以10為底的對數(shù)。例如，增益＝輸出功率（W）/輸入功率（W），將增益用對數(shù)形式表示：10lgA/B例如：A功率比B功率大一倍，那么10lgA/B=10lg2=3dB。也就是說，A的功率比B的功率大3dB；如果A的功率為46dBm，B的功率為40dBm，則可以說，A比B大6dB；dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值，但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線，dBd的參考基準為偶極子，所以兩者略有不同。一般認為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。對于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時，則為18.15dBi（一般忽略小數(shù)位，為18dBi）。dBm是一個表示功率絕對值的單位，計算公式為：

10lg功率值/1mW例如，信利用dBm表示時大小為1W等于30dBm，等于0dBW1.4信息及其度量信息：是消息中包含的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)

【例】“某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。

度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。設(shè)：P(x)－消息發(fā)生的概率，

I

－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)

，I；

P(x)=1時，I

＝0；P(x)=0時，I

＝；滿足上述3條件的關(guān)系式如下：

上式中對數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，可簡記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時有

若有M個等概率波形（P=1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即M=2k，則有 當M=4時，即4進制波形，I=2比特， 當M=8時，即8進制波形，I=3比特。對于非等概率情況

設(shè)：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即

則x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分別為

于是，每個符號所含平均信息量為

目錄通信原理概述調(diào)制模數(shù)轉(zhuǎn)換基本概念

調(diào)制－把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義調(diào)制－分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。狹義調(diào)制－僅指帶通調(diào)制。在無線通信和其他大多數(shù)場合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)制信號－指來自信源的基帶信號

載波調(diào)制－用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程。載波－未受調(diào)制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號－載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號。解調(diào)（檢波）－調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)信號中的調(diào)制信號恢復(fù)出來。

25調(diào)制的目的

提高無線通信時的天線輻射效率。把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。調(diào)制方式

模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制26雙邊帶調(diào)制的原理一般原理則根據(jù)調(diào)制定義，幅度調(diào)制信號（已調(diào)信號）一般可表示成

式中，m(t)為基帶調(diào)制信號，COSWc(t)為載波信號。頻譜設(shè)調(diào)制信號m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號的頻譜為27曲線：28相干解調(diào)相干解調(diào)器的一般模型相干解調(diào)器原理：為了無失真地恢復(fù)原基帶信號，接收端必須提供一個與接收的已調(diào)載波嚴格同步（同頻同相）的本地載波（稱為相干載波），它與接收的已調(diào)信號相乘后，經(jīng)低通濾波器取出低頻分量，即可得到原始的基帶調(diào)制信號。29相干解調(diào)器性能分析 與同頻同相的相干載波c(t)相乘后，得

經(jīng)低通濾波器后，得到 因為sI(t)是m(t)通過一個全通濾波器HI()后的結(jié)果，故上式中的sd(t)就是解調(diào)輸出，即30目錄通信原理概述調(diào)制模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬信號數(shù)字化要將模擬信號在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中進行傳遞，就必須用信源編碼器對話音信號進行模數(shù)變換。語音信號模數(shù)變換的方法很多，如脈沖編碼調(diào)制，增量調(diào)制和參數(shù)編碼等，其中用得較為廣泛的是脈沖編碼調(diào)制。話音信號（模擬信號）數(shù)字化的過程是：抽樣──量化──編碼。抽樣──信號在時間上的離散化將話音信號取樣后，所得取樣信號在信道上占用的時間被壓縮了，因而它為時分復(fù)用奠定了基礎(chǔ)，同時也為數(shù)字化提供了條件。但取樣信號中必須含有原始話音信號的信息，并要求在接收端能將取樣信號恢復(fù)成原始話音信號。為了達到上述要求，取樣的時間間隔T(取樣周期)不能太長，或者說取樣頻率不能太低。由取樣定理──奈奎斯特定理可知：取樣頻率(fs)應(yīng)大于傳輸信號中最高頻(fm)的兩倍。即fs＞2fm。在電話通信系統(tǒng)中，用3400赫作為最高頻率(fm)已能很好滿足用戶的要求。考慮到一定的冗余，目前PCM通信規(guī)定話音信號的取樣頻率fs為8000赫，即fs＝8000赫。取樣周期T＝1/fs＝1/8000＝125us(微秒)。量化──信號在幅值上的離散化取樣化所得到的取樣信號雖在時間上是離散的，但它在幅度取值上仍是連續(xù)的，即它可以是輸入模擬信號幅值中的任意幅值，或者說可有無限多種取值，它不能用有限個數(shù)字來表示，它仍屬模擬信號。要想使它成為數(shù)字信號，還需把它的取樣值進行離散化處理，將幅值為無限多的連續(xù)信號，變換成幅值為有限數(shù)目的離散信號，這一幅值上離散化處理的過程稱為量化。量化就是“分級”的意思，量化采用類似“四舍五入”的方法，使每一個取樣值用一個相