展-通信原理-第二章-通信系統(tǒng)概述

第2章通信系統(tǒng)概述展召敏先了解幾個概念信源：信息的源頭信宿：信息傳達的目的地信道：信源與信宿通信的媒介，空氣、電纜、光纜、水等通信：信源向信宿傳遞信息的過程信息：有價值的消息人之間的對話和現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的異同相同之處說話方：相當于發(fā)射機（或信源）聽話方：相當于接收機（或信宿）溝通語言：相當于信源編碼空氣：是物理媒介2023/2/43人之間的對話和現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的異同區(qū)別傳遞的信號是聲波而非電磁波無需調制不需要進行信道編碼2023/2/44注：因為一般都能聽清對方的說話，即使“解碼”出現(xiàn)問題（沒聽清對方說話），人腦比接收機聰明很多，無需進行CRC校驗，就知道信息接收不完全，難以理解，大腦就丟棄這個信息包，要求重發(fā)（讓對方再說一遍）。2.1中國古代的通信想一想：古代通信都有哪些方式？烽火臺旗語驛站飛鴿傳書…2023/2/45對話交流存在的問題通信基本靠吼存在的主要問題是什么？人的發(fā)聲系統(tǒng)能發(fā)出的聲波能量有限，通信距離受限。2023/2/46古人的解決方案“孫子曰：凡制眾如制寡，分數(shù)是也；斗眾如斗寡，形名是也?！薄秾O子兵法》分數(shù)：對部隊進行整編，即編號。形名：指旗語，用旗語指揮部隊變陣和進行戰(zhàn)斗。鼓點和旌旗放大了聲音的音量和視覺標的的大小，延展了通信距離。2023/2/47烽火臺古代大的戰(zhàn)役都發(fā)生在很小的區(qū)域——受指揮系統(tǒng)限制像長安和雁門這種超長距離的信息傳輸，應該采用哪種方式呢？烽火臺信號衰減了怎么辦？中繼為什么網線一般不超過100m？2023/2/48烽火臺通信中存在哪些問題？成本高昂路徑固定且單一能夠傳遞的信息量有限2023/2/49中國古代最主流的遠距離通信系統(tǒng)

——驛站以驛站為基礎的“郵局”系統(tǒng)。即騎馬瘋狂地趕路送信，遇著驛站就換馬以保持行進的速度。怎么保證通信安全？對信息進行加密，即“陰符”將信息分為幾份，通過不同人采用不同路徑送出，到目的地匯合2023/2/410陰符2023/2/411存在的問題陰符只能傳遞8種消息，且很不詳細陰書2023/2/412將一封書信分為3份，由3個人通過不同路徑傳遞，3人互相不知內情，最后傳到一個將領手里，即陰書。類似GSM中的跳頻加密，GSM跳頻技術1秒跳217次，即把1秒的內容分成217份，通過不同頻率發(fā)出。飛鴿傳書主要問題單向傳輸2023/2/4132.2通信系統(tǒng)的架構電話之父——貝爾模擬通信系統(tǒng)架構數(shù)字通信系統(tǒng)架構數(shù)字通信的優(yōu)點2023/2/414基石1844年，莫爾斯（美）發(fā)明了電報：用電磁波傳遞信號。1854年，鮑薩爾（法）設想出電話原理：將兩塊薄金屬片用電線相連，一方發(fā)出聲音，金屬片振動，變成電傳給對方。問題如何構造送話器和受話器，怎樣把機械能轉換成電能，并進行傳送？2023/2/415貝爾面臨的挑戰(zhàn)怎樣把聲波轉化成電信號？設想：利用電磁開關形成一開一閉的脈沖信號原因：機械開關難以達到3400Hz的頻率2023/2/416亞歷山大·格雷厄姆·貝爾×電話的誕生一次試驗中，貝爾將金屬片連接在電磁開關上，聲音變成了電流。原理：金屬片因聲音而振動，在于其相連的電磁開關線圈中感生了電流。2023/2/417愛迪生發(fā)明了炭精式送話器模擬通信系統(tǒng)架構具有連續(xù)隨時間變化的波形信號稱為模擬信號。語音信號影像信號貝爾挑戰(zhàn)——如何把它轉化成相應的電信號。輸入信號轉換器2023/2/418模擬通信系統(tǒng)功能框圖2023/2/419低頻信號不利于傳輸，因此要將其調制到高頻信號上去。上圖未考慮信道乃至發(fā)射機接收機本身所產生的噪聲。數(shù)字通信系統(tǒng)架構模擬信源的輸出還可以轉化成數(shù)字形式，消息可以通過數(shù)字調制后發(fā)送，并在接收端解調成數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進行譯碼，還原成模擬信號。即增加“模擬——數(shù)字”轉換模塊例：數(shù)字機頂盒數(shù)字電視終端不支持數(shù)字信號，故通過機頂盒完成模數(shù)轉換。2023/2/420數(shù)字通信系統(tǒng)雛形數(shù)字編碼器的作用：盡量使信息簡潔，減少冗余，稱之為“信源編碼”。接收端可以根據(jù)編碼所包含的一些內容，對信息完整性做出判斷，盡量恢復原來的信息，稱之為“信道編碼”。2023/2/421數(shù)字通信的優(yōu)點“通信的世界，過去是屬于模擬的，現(xiàn)在和將來是屬于數(shù)字的，但未來的未來必定還將是屬于模擬的。“模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號的步驟：采樣、量化、編碼。采樣：奈奎斯特定理證明了，當采樣頻率大于兩倍帶限信號帶寬時，信號可以完全由其采樣樣本恢復。但采樣無可避免的存在失真2023/2/422量化：數(shù)字通信系統(tǒng)無法處理無限多個電平值，必須將其按區(qū)間劃分，變成有限多個值。量化環(huán)節(jié)，同樣存在失真。編碼2023/2/423模擬系統(tǒng)的優(yōu)缺點光學攝影機是典型的模擬通信系統(tǒng)，原理是通過凸透鏡將光信號在膠片上成像。膠片能夠更加細膩的體現(xiàn)場景細節(jié)和氛圍，對色彩、光線變化、影調等各方面都比數(shù)碼能包容的程度更高。缺點：價格十分高昂2023/2/424數(shù)字通信相對模擬通信的優(yōu)勢對噪聲的處理：信道噪聲或者干擾噪聲造成的差錯，原則上都可以通過差錯編碼來控制。便于加密：成本比較低2023/2/425作業(yè)2列舉古代幾種常見的通信方式及優(yōu)缺點。畫出模擬通信系統(tǒng)的框圖畫出數(shù)字通信系統(tǒng)的框圖2023/2/4262.3信號的基礎知識信號：通信系統(tǒng)承載的信息流就是信號。電磁信號：是時間的函數(shù)，也是頻率的函數(shù)。2023/2/427信號的時域概念從時域的觀點來看：如果一段時間信號的強度變化時平滑的，沒有中斷或不連續(xù)，則為模擬信號。如果信號在某一段時間內信號強度保持某個常量值，然后在下一時段有變化成另一個常數(shù)值，則為數(shù)字信號。2023/2/428周期信號最簡單的信號為周期信號：2023/2/429正弦波幅度：A頻率：f相位：θ2023/2/4302023/2/431信號的頻域概念通常一個電磁信號會由多種頻率組成如：如果我們給予每一個諧波分量一個合適的系數(shù)，然后把這些諧波分量疊加起來，那么疊加的圖形會越來越接近于一個方波。2.4傅里葉級數(shù)和傅里葉分析無論是電磁波還是聲波，都不會是一個簡單的正弦函數(shù)。對于如下所示，較復雜的信號應該如何分析？2023/2/432信號分析從基礎的開始，分析“周期信號”以抖繩子為例:歐拉發(fā)現(xiàn)，所有的振蕩模式都是x的正弦函數(shù)，并成諧波關系。結論：如果某一時刻振動弦的形狀是其諧波的組合，那么在其后任何時刻，振動弦的形狀也都是這些振蕩諧波的組合。2023/2/433對周期信號的分析源于1748年歐拉對振動弦進行的研究工作。2023/2/434歐拉簡單來說：繩子上滾動的信號，總可以表示為右圖所示的一堆正弦波的疊加，只是每個正弦波所占的比重不同，即加權系數(shù)不同。傅里葉級數(shù)的由來傅里葉猜想：任何周期信號都可以用成諧波關系的正弦函數(shù)級數(shù)來表示。非周期信號可以表示為不全成諧波關系的正弦信號的加權積分。狄里赫利：給出完整的證明2023/2/435周期信號的數(shù)學表達——傅里葉級數(shù)滿足狄里赫利條件下，周期信號可以用成諧波關系的正弦函數(shù)表示。周期復指數(shù)信號：是周期性的，基波頻率為ω0，基波周期為T=2π/ω0

。與它成諧波關系，即周期是ω0

的k倍，即諧波信號的集合：2023/2/436周期信號的數(shù)學表達——傅里葉級數(shù)傅里葉級數(shù)：=0.就是歐拉所說的加權系數(shù)，0.

ω0t是諧波信號。一般而言k=±N的分量稱為第N次諧波分量。2023/2/437例2023/2/438周期信號分解成基波信號+諧波信號ak怎么來的？2023/2/439非周期信號的數(shù)學闡述——傅里葉分析思想：把非周期信號看作周期無限長的周期信號。周期無窮大，即頻率分量之間變得無限小，將傅里葉級數(shù)的求和變成積分。傅里葉分析：2023/2/440傅里葉分析帶給我們的思考以往我們通過時域的角度來看待信號，把信號理解為時間上電平高高低低的連續(xù)變化，維度是時間和電平值；頻域的角度來看信號，把信號理解為不同頻率的復指數(shù)信號的疊加，即基波分量和諧波分量的疊加，不同頻率權重系數(shù)不同，兩個維度是頻率和權重系數(shù)。2023/2/441觀眾關注他這秒干了什么，下一秒又做了哪些精彩動作。2023/2/442分析員：統(tǒng)計他每秒多了多少個動作。2023/2/443模擬信號如何轉變?yōu)閿?shù)字信號采樣

量化

編碼2023/2/444聲音是如何變成比特流的？想一想：中學的時候是如何畫的函數(shù)曲線的？描點，如：連線“模數(shù)轉換”過程與之類似：從時間軸上等間隔地抽取N個時間點，然后取N個值，這個過程被稱為“采樣”。2023/2/445奈奎斯特采樣定理究竟取多少個點，原有的連續(xù)時間信號所含的信息才不會丟失，才能完整的保留下來，然后被還原？無窮多個？奈奎斯特證明了，如果一個信號是帶限的（即它的傅里葉變換在某一限頻帶寬以外均為零），如果采樣樣本大于信號帶寬的兩倍，則可以無失真的還原信號。該結論即奈奎斯特采樣定理。2023/2/446×電影畫面是連續(xù)的嗎？2023/2/447如何讓人覺得電影畫面是連續(xù)的？電影每秒播放24幀，即采樣頻率是24即可，人眼通過“視覺停留”，相當于通過樣本信號的“內插”來還原信號，所謂“內插”類似于數(shù)學中把描的點用線連起來，形成一個函數(shù)圖形。“內插”或“視覺停留”用信號與系統(tǒng)的話來說就是“零階保持”。2023/2/448欠采樣24幀的采樣頻率是否足夠用？一般情況下沒有問題特例：如馬車輪子轉動的飛快，一秒轉動不只12圈，則24幀的采樣頻率就不夠用了，甚至可以看到輪子朝反向轉動的情況，這種情況稱之為“欠采樣”。2023/2/449欠采樣攝像機每秒拍攝24幀，馬車每秒轉動18圈。算一算，兩次采樣之間輪子轉動了多少圈？兩次采樣之間，順時針轉270°，人眼覺得逆時針轉了90°，造成輪子反著轉的錯覺，術語稱之為“混疊”。2023/2/450奈奎斯特采樣定理的應用人發(fā)出的聲音一般為85~1100Hz，1~4kHz是人耳非常敏感的頻率范圍。想一想，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，手機采樣頻率應該是多少，基本可滿足其通話需求？GSM規(guī)范規(guī)定GSM手機采樣頻率是8kHz。2023/2/451量化采樣的意義：是“離散時間信號”，而不是真正意義上的“數(shù)字信號”。2023/2/452如左圖所示：采樣值還是隨信號幅度連續(xù)變化的，即采樣值m（kT）可以取無窮多個可能值。怎樣能讓無窮多個電平值變成有限個？假設用一個N位二進制位組來表示該數(shù)值的大小，以便對該信號進行數(shù)字化處理，即N位二進制數(shù)只能表示M=2N個電平值，故采樣值必須被M個離散電平，即量化電平。采樣的作用，把一個時間連續(xù)的信號變成時間離散的信號，量化是將取值連續(xù)的采樣信號變成取值離散的采樣。量化分為均勻量化和非均勻量化。2023/2/453均勻量化54把輸入信號的取值等距離分隔的量化稱為均勻量化。量化間隔區(qū)間中值量化電平量化間隔輸入信號的最小值和最大值分別用a和b表示，量化電平數(shù)為M，則：量化的好處是方便進行數(shù)字處理，代價是產生了失真，即量化噪聲。2023/2/455量化噪聲的度量2023/2/456量化噪聲由量化前的連續(xù)隨機變量與量化后的離散隨機變量的均方差來衡量。非均勻量化均勻量化存在的問題，對小信號而言誤差比較大，信噪比非常低。2023/2/457例一個信號的變化范圍為[0,10]，量化電平數(shù)為10，取每個區(qū)間的中值為量化電平，即0.5,1.5,2.5，…，9.5。對于小信號0.9，信號功率和噪聲功率各是多少？解：在第1個區(qū)間里，量化電平為0.5，信號功率為

（0.9）2=0.81，量化噪聲功率為N0=(0.9-0.5)2=0.16，信號量化噪聲功率比為：2023/2/458算一算對于大信號9.9，信號與量化噪聲功率比為多少？解：在第10個區(qū)間里，量化電平為9.5，信號功率為

（9.9）2=98.01，量化噪聲功率為N0=(9.9-9.5)2=0.16，信號量化噪聲功率比為：2023/2/459均勻量化的缺點小信號0.9，信噪比約為7dB大信號9.9，信噪比約為27dB相差100倍！可見，均勻量化對于小信號而言，信噪比太低，遠低于大信號的信噪比，對于語音信號而言，一般是小信號居多，故而導致了非均勻量化的誕生。2023/2/460非均勻量化非均勻量化的實現(xiàn)方法，即將采樣值經過壓縮后再進行均勻量化。所謂壓縮，即通過一個非線性變換電路將輸入變量x變化成另一個變量y，即y=f(x)。通常使用壓縮器中，大多采用對數(shù)式壓縮，即y=ln(x),目前，美國采用的是μ律壓縮，我國和歐洲采用的是A律壓縮。2023/2/461A律壓縮A律壓縮即壓縮器具有如下特性的壓縮律：

式中，x為歸一化壓縮器輸入電壓；y為歸一化壓縮器輸出電壓；A為壓擴參數(shù)，表示壓縮程度，實際使用中，一般A=87.6。2023/2/462

函數(shù)規(guī)律極其復雜13折線2023/2/463實際應用中通常采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線（A=87.6）的壓擴特性。通過y軸的均勻量化，實現(xiàn)x軸的非均勻量化。所述為發(fā)射端的壓縮，接收端對信號的擴張與之相反。編碼經過奈奎斯特采樣和非均勻量化后，就得到我們想要的比特流了嗎？不是。還需對量化電平值進行編碼，使其變成比特流。廣義上講，語言就是對人類的事物和情感進行編碼。類似的，對同一個量化電平，也有很多種編碼方式，如PCM、△M、DPCM，它們用各自不同的方式來闡述同一個量化電平。2023/2/464編碼效率通信系統(tǒng)資源寶貴，希望對一個量化電平的闡述能夠盡量節(jié)約一點，占用少一點的電平。2023/2/465哪個編碼效率高？脈沖編碼調制(PulseCodeModulation,PCM）真正的通信系統(tǒng)中應用的PCM編碼是采用A律13折線法，用8bit位來表征。有多少種電平？28=256例：用4bit表征16個量化電平，最高位設置為極性碼，電平值為正取“1”，反之取“0”。2023/2/466PCM量化與編碼67你能寫出0~11T對應的編碼嗎？練習2023/2/468對應圖2.27，把表2.1中的量化電平和二進制編碼補充完整。差分編碼調制

DPCM(DifferentialPulseCodeModulation)在PCM體系中，每一個采樣都是獨立量化的，即前一個采樣值的量化與后一個采樣值的量化沒有什么關系。問題：像語音這種非突變信號，若前一個采樣值很小，后一個采樣值也很小的概率就很大。用PCM編碼，浪費較大。解決方案：對差值而非絕對值進行編碼。2023/2/469DM（也稱ΔM或增量脈碼調制方式）DM是DPCM的一種。增量調制中，量化器采用幅度為±Δ的1比特量化器。2023/2/4702023/2/471有啥規(guī)律？信源編碼剛剛講到的PCM和DPCM編碼都是信源編碼中最簡單的編碼，什么是信源編碼？信源編碼有何作用？信源編碼追求的是相同信息量的最少比特位。但通信系統(tǒng)中僅有信源編碼還不夠，如何保證接收端無差錯地收到發(fā)送端發(fā)出的信號？2023/2/472信道編碼安排一些冗余的比特傳給接收端，讓接收端自行驗證信息是不是都收對了，這些“冗余信息”，即信道編碼。信道編碼是以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a。信源編碼和信道編碼看似相悖，其實都是追求信息最有效的傳輸。2023/2/473信道編碼的實現(xiàn)檢錯重發(fā)法：接收端在收到的信碼中檢測出錯誤時，立即設法通知發(fā)送端。向前糾錯法：接收端不僅能在收到的信碼中發(fā)現(xiàn)錯碼，還能夠糾正錯碼。反饋矯正法：接收端將收到的信碼原封不動地轉發(fā)回發(fā)送端，并與原發(fā)信碼相比較。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則發(fā)送端再進行重發(fā)。2023/2/474信道編碼線性碼卷積碼Turbo碼奇偶校驗碼信道編碼原理：假如有一個3bit的編碼，那么是可以表示23=8種編碼。用兩bit表征信息，另一個bit作為校驗碼，那么可以表示22=4個信息。

000=風011=雨101=雷110=電任意兩個碼元都有兩位是不同的如果“000”風，出錯，變成了“001”，能發(fā)現(xiàn)錯誤，但是，不能糾錯001

為了糾錯，增加冗余比特，使用兩個比特作為監(jiān)督位，可以實現(xiàn)對一個比特錯誤的糾錯。000=風111=電1001113位各不相同，“000”出錯為“100”，可以判斷最高位出錯*認識其他幾種格式的編碼2023/2/478調制調制，即頻譜的搬移。如把說話時20~3400Hz的信號搬遷到900MHz上去，這個頻譜搬移過程就稱為調制?；鶐盘枺盒旁窗l(fā)出的沒有經過調制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是頻率較低，信號頻譜從零頻附近開始，具有低通形式。頻帶信號：由于基帶信號具有頻率很低的頻譜分量,出于抗干擾和提高傳輸率考慮一般不宜直接傳輸,需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，變換后的信號就是頻帶信號。2023/2/479調制的意義把基帶信號（4kHz以下的語音信號）轉變?yōu)轭l帶信號（900MHz）有什么好處呢？（1）與信道匹配無線通信的介質是空氣，此間低頻信號（如音頻信號）傳輸將急劇衰減，而較高頻率范圍的信號可以傳播很遠的距離。因此，發(fā)射機需將音頻信號嵌入到另一個較高頻率的信號中去。2023/2/480調制的意義（2）電磁波頻率與天線尺寸要匹配一般天線尺寸為電磁信號的1/4波長為佳，調制可以提高頻率，減小天線的尺寸。算一算，4kHz的語音信號合適的天線尺寸應該為多少：2023/2/481調制的意義（3）高頻段更易于采用頻分復用如一路語音信號就要占用64kHz，低頻段沒有那么多資源供浪費。2023/2/482如何調制經過“采樣——量化——信源編碼——信道編碼”得到了比特流，如何把這串比特流嵌入一個電磁波中，從而在空中發(fā)送出去呢？電磁信號用正弦波來表達，涉及3個參數(shù)：振幅、頻率和相位。相應的調制技術為：幅移鍵控（ASK，AmplitudeShiftKeying）頻移鍵控（FSK，F(xiàn)requencyShiftKeying）相移鍵控（PSK，PhaseShiftKeying）2023/2/483幅移鍵控（ASK）84用振幅來表示“0”和“1”，信號表達式為：缺點：易受突發(fā)脈沖的影響頻移鍵控（FSK）GSM采用的調制方式MSK就是FSK的一種。頻移鍵控最常見的是二進制頻移鍵控（2FSK），它使用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值。信號表達式為：2023/2/4852FSK的抗干擾能力要比ASK強。相移鍵控（PSK）相移鍵控是無線通信中采用的比較多的，數(shù)據(jù)通過載波信號的相位偏移來表示。最簡單的是兩相相移鍵控（BPSK），用兩個相差180°的相位來表示兩個二進制數(shù)，表達形式如下：2023/2/486練習題設發(fā)送數(shù)字信息為二元序列{ak} =0110,試畫出ASK、2FSK、BPSK的信號波形圖。2023/2/487信道信道指信號傳送的通道。分為：有線信道，包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜等。無線信道，包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼等。廣義上來說，信道不僅包括傳輸介質，還包括變換裝置（如發(fā)送接收設備、調制解調器）2023/2/488信道容量信道上是有噪聲的，我們把信道上可以被傳輸?shù)淖畲笏俾史Q為信道容量（ChannelCapacity）。對信道容量而言，通常有以下幾個概念：數(shù)據(jù)率（datarate）：數(shù)據(jù)能夠進行通信的速率，用bit/s來表示。帶寬（bandwidth）：指傳輸信號所占的頻帶寬度，用Hz表示。2023/2/489例以GSM為例，它的某一個頻道的中心頻率是890.2MHz，則，它的頻率范圍是[890.1MHz，

890.3MHz]，共200kHz，這200kHz就是“帶寬”，指頻帶寬度，即頻譜寬度。在這個頻帶上，若傳送的是TCH語音信號，則調制速率為33.8kbit/s，即GSM傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率（datarate）。2023/2/490噪聲（noise）：關心的是通信線路上的平均噪聲電平，是統(tǒng)計學上的意義，而非單個突發(fā)噪聲。誤碼率（errorrate）：即差錯發(fā)生率，即發(fā)送“0”，接到“1”或發(fā)送“1”，接到“0”。2023/2/491無噪聲的完美信道

——奈奎斯特帶寬數(shù)據(jù)率通常小于信道容量，一個信道的容量在沒有噪聲的理想狀態(tài)下可由奈奎斯特定理測算出來。奈奎斯特帶寬可描述為：如果帶寬為B,那么可被傳輸?shù)淖畲笮盘査俾示褪?B，反之亦然。這一限制來自碼間干擾。例：對于GSM