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(yǔ)音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái)…電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。電信發(fā)明史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)1876年：貝爾發(fā)明有線電話1918年：調(diào)幅無(wú)線電廣播、超外差接收機(jī)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(yǔ)是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí)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(jiǎn)稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，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?hào)。信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)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(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)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(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，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(jìn)制信號(hào)

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

模擬消息原始電信號(hào)（基帶信號(hào)） 基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）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(hào)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(qiáng)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?hào)同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累傳輸差錯(cuò)可控便于處理、變換、存儲(chǔ)便于將來自不同信源的信號(hào)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(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬對(duì)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(bào)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(hào)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(wú)線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信……按信號(hào)復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)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(shí)收發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)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(hào)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(shí)傳輸

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

優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用 缺點(diǎn)：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(duì)數(shù)。例如，增益＝輸出功率（W）/輸入功率（W），將增益用對(duì)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(gè)相對(duì)值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線，dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一般認(rèn)為，表示同一個(gè)增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。對(duì)于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時(shí)，則為18.15dBi（一般忽略小數(shù)位，為18dBi）。dBm是一個(gè)表示功率絕對(duì)值的單位，計(jì)算公式為：

10lg功率值/1mW例如，信利用dBm表示時(shí)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(wú)關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)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(jī)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(dá)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(shí)，I

＝0；P(x)=0時(shí)，I

＝；滿足上述3條件的關(guān)系式如下：

上式中對(duì)數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，可簡(jiǎn)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(shí)有

若有M個(gè)等概率波形（P=1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即M=2k，則有 當(dāng)M=4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I=2比特， 當(dāng)M=8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I=3比特。對(duì)于非等概率情況

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

則x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分別為

于是，每個(gè)符號(hào)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(hào)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(wú)線通信和其他大多數(shù)場(chǎng)合，調(diào)制一詞均指載波調(diào)制。調(diào)制信號(hào)－指來自信源的基帶信號(hào)

載波調(diào)制－用調(diào)制信號(hào)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(hào)，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號(hào)－載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號(hào)。解調(diào)（檢波）－調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來。

25調(diào)制的目的

提高無(wú)線通信時(shí)的天線輻射效率。把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力，還可實(shí)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(hào)（已調(diào)信號(hào)）一般可表示成

式中，m(t)為基帶調(diào)制信號(hào)，COSWc(t)為載波信號(hào)。頻譜設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為M()，則已調(diào)信號(hào)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(wú)失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，接收端必須提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)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(hào)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(hào)。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?yàn)閟I(t)是m(t)通過一個(gè)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(hào)數(shù)字化要將模擬信號(hào)在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳遞，就必須用信源編碼器對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換。語(yǔ)音信號(hào)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(hào)（模擬信號(hào)）數(shù)字化的過程是：抽樣──量化──編碼。抽樣──信號(hào)在時(shí)間上的離散化將話音信號(hào)取樣后，所得取樣信號(hào)在信道上占用的時(shí)間被壓縮了，因而它為時(shí)分復(fù)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為數(shù)字化提供了條件。但取樣信號(hào)中必須含有原始話音信號(hào)的信息，并要求在接收端能將取樣信號(hào)恢復(fù)成原始話音信號(hào)。為了達(dá)到上述要求，取樣的時(shí)間間隔T(取樣周期)不能太長(zhǎng)，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(hào)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?？紤]到一定的冗余，目前PCM通信規(guī)定話音信號(hào)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(hào)在幅值上的離散化取樣化所得到的取樣信號(hào)雖在時(shí)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(hào)幅值中的任意幅值，或者說可有無(wú)限多種取值，它不能用有限個(gè)數(shù)字來表示，它仍屬模擬信號(hào)。要想使它成為數(shù)字信號(hào)，還需把它的取樣值進(jìn)行離散化處理，將幅值為無(wú)限多的連續(xù)信號(hào)，變換成幅值為有限數(shù)目的離散信號(hào)，這一幅值上離散化處理的過程稱為量化。量化就是“分級(jí)”的意思，量化采用類似“四舍五入”的方法，使每一個(gè)取樣值用一個(gè)相