1.通信系统概述
1.1基本概念
1）通信：发送者和接受者之间通过某种媒体进行的信息传递
2）消息：通信系统传输的对象，是信息的载体
连续消息：消息的状态连续变化或不可数，如语音、温度数据等
离散消息：消息具有可数的有限个状态，如符号、文字、数字数据等
3）信号：消息的传输载体，通信系统中传输的是电信号（光也是一种电磁波）
模拟（连续）信号：载荷消息的信号参量取值是连续变化的，在某一取值范围内可以取无穷多个值，如电话机送出的语音信号
数字信号：载荷消息的信号参量只有有限个取值，典型的是只有两种取值的信号，如电报机
4）注意：消息与电信号之间的转换通常由各种传感器来实现
消息是信息的物理形式
信息是消息的有效内容
信号是消息的传输载体
1.2通信系统的组成
通信系统：实现信息传递所需的一切技术设备和传输介质的总和。
通信目的：传输信息。
通信系统的作用：将信息从信源发送到一个或多个目的地。
1.2.1通信系统的一般模型
1）信源：把待传输的消息转换成原始电信号
模拟信源：输出连续的模拟信号，如话筒、摄像机
数字信源：输出离散的数字信号，如终端机
基带信号：信源输出的信号，频谱从零频附近开始，低通形式。语音信号：300~3400Hz 图像信号：0~6MHz
2)发送设备：将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合于在信道中传输的信号，使其具有抗信道干扰的能力和足够的功率满足远距离传输的需要
3）信道：物理介质，是信号传输的通道，能给信号以通路，也能对信号产生各种干扰和噪声。信道固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量
无线信道：信道是*空间
有线信道：明线，光纤和电缆
4）接受设备：将信号放大或者反变换，目的是从受到减损的接受信号中正常恢复出原始电信号
5）信宿：传送消息的目的地，把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器
1.2.2模拟通信系统
模拟通信系统常常把基带信号变换成适合在信道中传输的信号（调制器完成），并在接收端进行反变换（解调器完成）。
已调信号（带通信号，频带信号）：经过调制以后的信号，特征：携带有信息，适于在信道中传输
1.2.3数字通信系统
1）信源编码与译码
信源编码：一是提高信道传输的有效性，通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元速率，码元速率决定传输所占的带宽，传输带宽反映了通信的有效性；二是完成模/数（A/D）转换，当信源给出的是模拟信号是，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。
信源解码：信源编码的逆过程
2）信道编码与译码
信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力，提供通信系统的可靠性。
3）加密与解密
加密：在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为地将被传输的数字序列扰乱，即加上密码的处理过程。
解密：接受端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，可恢复原来的信息。
4）数字调制与解调
数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带宽信号。
5）同步
收发两端的信号在时间上保持步调一致，保证数字信号的有序、准确、可靠传输。
数字通信具有抗干扰能力强、差错可控、易加密等优点，已成为当代通信技术的主流
1.3通信系统分类与通信方式
1.3.1通信系统分类
1）按传输介质分类
有线通信系统：用导线作为传输介质完成通信，如市内电话、有线电视、海底电缆通信。
无线通信系统：依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的，如短波电离层传播、卫星中继
2）按信号特征分类
模拟信号—模拟通信系统
数字信号—数字通信系统
3）按工作波段分类
按通信设备的工作波率或波长不同，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信
4）按传送方式分类
根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和带通（频带，调制）传输系统
基带传输是将未经调制的信号直接传送，如市内电话、有限广播
带通传输是对各种信号调制后再送到信道中传输的总称
5）按信号复用方式分类
频分复用：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围
时分复用：用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区
码分复用：用正交的脉冲序列分别携带不同信号，多用于空间通信的扩频通信和移动通信系统
1.3.2通信方式
1）按消息传递的方向与时间分类
单工通信：消息只能单方向传输的工作方式，通信双方中只有一个可以发送，另一个只能接收，如广播，遥控
半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作模式，如对讲机
全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式，信道必须是双向通道，如电话
2）按数字信号排序分类
并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输
优：节省传输时间，速度快
缺：需要n条通信线路，成本高
串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输，如远距离数字传输
优：只需一条通信信道，所需的线路铺设费用只是并行传输的1/n
缺：速度慢，需要外加同步措施以解决收发双方码组或字符同步问题
1.4通信系统的性能指标（质量指标）
通信系统的性能指标主要涉及可靠性、有效性、适应性、经济性、保密性、标准性、可维护性。其中有效性和可靠性是只要的矛盾所在
有效性是指信息传输的“速率”问题，可靠性是指接受信息的准确程度，也就是传输的质量问题
1.4.1有效性指标的具体表述
1）模拟通信系统的有效性指标
可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度
2）数字通信系统的有效性指标
可用传输速率和频带利用率来衡量
①码分传输速率（码元速率，传码率）：单位时间每秒传送码元地数目，单位为波特（B）
②信息传输速率（信息速率，比特率）：单位时间内传送的平均信息量或比特数
③频带利用率：真正衡量数据通信系统的有效性指标，单位带宽内的传输速率，表示为：频带利用率=码元(信息)传输速率/信道传输带宽
1.4.2可靠性指标的具体表述
1）模拟通信系统的可靠性指标
常用接收端解调器输出信噪比来度量，输出信噪比越高，通信质量就越好
2）数字通信系统的可靠性指标
用信号在传输过程中出现错误的概率（差错率）来衡量，差错率用误码率和误信率来表示
误码率：错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例或码元在传输系统中被传错的概率
误码率=接收的错误码元数/系统传输的总码元数
误信率：错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例
误信率=系统传输中出错的比特数/系统传输的总比特数
2.信源编码
2.1信源的概念和特性
2.1.1信源的概念
信源就是信息的来源，可以是人、机器、自然界的物体，信源发出的信息，有不同的形式，可以是符号，如文字、语言，也可以是信号，如图像、声音。
在无线广播中，信源一般是一个语音源（语音或音乐），在有线广播中，信源主要是活动图像的视频信号源，这些信源的输出都是模拟信号，称之为模拟信源；数字信源输出离散的数字信号，如电传机、计算机等各种数字终端。
2.1.2信源的特性
信源是产生消息或消息序列的源泉，信息是抽象的，而消息是具体的，消息不是信息本身，但消息包含和携带着信息。
离散信源：输出的消息数是有限的或可数的，而且每次只输出其中一个消息，用一个离散型随机变量来描述这个信源输出的消息
连续信源：输出的是单个符号的消息，其可能出现的消息数是不可数的无限值，即输入消息的符号集的取值是连续的
离散平稳信源：每个随机变量的可能取值是有限的或可数的，而且随机矢量的各维分布都与时间起点无关，也就是在任意两个不同时刻随机矢量的各维概率分布都相同，如下
中文自然语言文字作为信源输出的消息时时间上离散的符号序列，每个符号的出现是不确定的，随机的
离散化的平面灰度图像信源，空间中每一点的符号都是随机的
连续平稳信源：若信源输入的消息可以用N维随机矢量来描述，其中每个随机分量都是取值为连续的连续型随机变量，并且满足矢量的各维密度函数与时间起点无关，也就是在任意两个不同时刻随机矢量的各维密度函数均相同，如语音信号、热噪声信号。
2.2信源编码概述
信源编码是一种以提高通信有效性为目的而对信源符号进行变换，或者为了减少或消除信源利余度而进行的信源符号变换。
基本功能：一是提高信道传输的有效性，二是完成模/数转换。
最原始的信源编码是莫尔斯电码，还有ASCII，电报码。
2.3抽样定理
描述抽样频率要求的定理即为抽样定理。
对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，若抽样频率足够大，则这些抽样值就能够完全代表元模拟信号，并且能够由这些抽样值准确地恢复出原模拟信号波形，因此不一定要传输模拟信号本身，只要传输满足一定抽样频率要求的离散抽样值，接受端就可以恢复出原模拟信号。
2.4脉冲编码调制
脉冲编码调制（脉码调制）是一种将模拟语言信号变换成数字信号的编码方式
PCM（脉冲编码调制）：模拟信号调制一个二进制脉冲序列，载波是脉冲序列，调制改变脉冲序列的有无或“1”，“0”。
PCM主要包括抽样、量化和编码。
抽样：把连续时间模拟信号转换成离散时，间连续幅度的抽样信号
量化：把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号
编码：将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出
抽样——信号在时间上的离散化
量化——信号在是幅度上的离散化
3.信道编码
3.1信道编码概述
信道编码是数字通信系统的重要组成部分，是将信息从信源可靠地传输到信宿的主要技术方法。对于不同类型的信道，应该采用不同的差错控制技术，常用的如下：
1）检错重发
在发送码元序列中加入差错控制码元，接收端利用这些码元检测到有错码时，利用反向信道通知发送端，要求发送端重发，直到正确接收为止。采用检错重发的通信系统通常称为自动要求重发系统。
优：只需要少量的冗余码，就可以得到极低的输出误码率
缺：采用检错重发技术时，通信系统需要有双向信道传送重发指令，当信道干扰较大时，整个系统有可能处于重发循环中，导致通信效率低
2）前向纠错
接收端利用发送端在发送码元序列中加入的差错控制码元，不但能够发现错码，还能将错码恢复其正确取值
3）混合纠错
前向纠错和检错重发结合，当接收端出现少量错码并有能力纠正时，采用前向纠错技术，当接收端出现较多错码没有能力纠正时，采用检错重发技术
3.2简单信道编码
1）分组码
将信息码分组，为每组信息码附加若干监督码的编码。在分组码中，监督码元仅监督码元组中的信息码元。分组码一般用符号(n,k)表示，n是码组的总位数，称为码组的长度（码长），k是码组中信息码元的数目，n-k=r为码组中的监督码元数目（监督位数目）
①线性分组码：当分组码的信息码元与监督码元之间的关系为线性关系时，在信道条件较好的有线通信系统中主要使用
②循环码：是线性分组码的一类，具有完整的代数结构编码和译码可以用具有反馈级联的移位寄存器来实现，满足循环移位特性
2）卷积码
一种非分组码，在编码过程中，卷积码充分利用各组织之间的相关性，存在编码记忆性，可以实现连续编码。
4.调制
调制就是把信号形式转换成适合在信道中传输的过程。
4.1调制的概念与功能
1）载波调制：用调制信号去控制载波的参数，是载波的某一位或几个参数按照调制信号的规律变化
调制信号：来自信源的基带信号，可以是模拟信号，也可以是数字信号
载波：未受调制的周期性振荡信号，以正弦波作为常见，也可以是周期性脉冲序列。载波受到调制后称为已调信号，它承载了调制信号的全部特征
解调是调制的逆过程，其作用是将调制信号从已调信号中恢复出来
2）调制的功能
①把基带调制信号的频谱搬移到较高的频段上
②实现信道的多路复用
③提高抗干扰能力
4.2模拟调制
连续载波的模拟调制是调制技术的基础，最常用的模拟调制方式是以正弦波作为载波的幅度调制和角度调制
正弦载波的表达式：c(t)=Acos(ωct+φ0)，其中A载波幅度，ωc为载波角频率，φ0为载波的初始相位
4.2.1幅度调制
幅度调制是用调制信号去控制载波的幅度，使之随调制信号线性变化
设调制信号为m(t)，用m(t)控制载波c(t)的幅度，即可得到府邸调制的已调信号：sm(t)=A*m(t)*cos(ωct)
设调制信号m(t)的频谱为M(ω),可得到已调信号sm(t)的频谱sm(ω)：sm(ω)=A/2[M(ω+ω0)+M(ω-ω0)]
1）标准调幅(AM)
假设调制信号m(t)的平均值为0，将其与一个直流信号A0叠加后再去对载波幅度进行调制，可到的标准调幅信号：sAM(t)=[A0+m(t)]cos(ω0t)
已调信号sAM(t)的频谱sAM(ω)=πA0[δ(ω+ω0)+δ(ω-ω0)]+1/2[M(ω+ω0)+M(ω-ω0)]
AM已调信号的频谱由载频分量、上边带、下边带3部分组成，其频带宽度是调制信号带宽的2倍，BAM=2?m，?m是调制信号m(t)的最高频率，且有ωm=2π?m
2）双边带调幅(DSB)
在AM信号中，调制信号的信息完全有边带信号传送，载波分量并不携带信息，因此载波分量可以去掉，形成抑制载波双边带调幅:sDSB(t)=m(t)*cos(ωct)
频谱表达式为sDSB(ω)=1/2[M(ω+ω0)+M(ω-ω0)]
DSB已调信号的频谱由上边带和下边带两部分组成，其频带宽度是调制信号带宽的2倍，BDSB=2?m，?m是调制信号m(t)的最高频率，且有ωm=2π?m
3）单边带调幅（SSB）
在AM和DSB中，已调信号的频谱都包含上下两个边带，且带宽是调制信号带宽的2倍，但实际上，上边带和下边带所传送的信息完全相同，因此只传送一个边带也能够传送调制信号的全部信息，由此产生单边带调幅。其频带宽度和调制信号带宽相同，BSSB=?m，在实现上有较大难度
4）残留边带调幅（VSB）
介于SSB和DSB的一种调制方式，目的是一方面能够获得高于DSB的频带使用效率，另一方面适度降低调制的实现难度。
VSB信号的带宽BVSB=?m+?v，为保证VSB信号在解调时能够通过频谱“拼接”而无失真地恢复原调制信号频谱，要求VSB信号频谱中残留的边带频谱与can边带频谱满足互补关系，即残留的边带频谱与残缺的边带频谱叠加能够合成一个完整的调制信号频谱。
4.2.2调幅信号的调制与解调
幅度调制中已调信号具有已调信号的幅度包络轨迹与调制信号的波形变化具有相关性，无论是双边带、单边带还是残留边带调制，已调信号的频谱都是利用调制信号频谱的线性搬移。
1）非相干解调：从已调信号的幅度包络中提取调制信号的信息，也成为波形解调
2）相关解调：从已调信号的频谱中提取调制信号的信息，也成为频域解调，利用频谱搬移实现解调
4.2.3角度调制
用调制信号去控制载波的频率或相位，使之随调制信号线性变化，由于载波的频率和相位发生变化时都会引起相角变化，所以角度调制具体又分频率调制和相位调制。
1）角度调制原理
设调制信号为m(t)，角度调制已调信号为Sm(t)=A*cos[ωct+φ(t)]，其中A为载波振幅，保持恒定不变；θ(t)=[ωct+φ(t)]为已调信号载波的瞬时相角；φ(t）是因角度调制而引起的载波瞬时相位增量
已调信号载波的瞬时角频率为ωi(t)=d[ωct+φ(t)]/dt，Δω(t)=dφ(t)/dt是因角度调制而引起的载波瞬时角频率增量
在频率调制中，强调已调信号的瞬时角频率增量dφ(t)/dt与调制信号m(t)成正比，即dφ(t)/dt=k?*m(t)，k?为调频灵敏度（调频系数）
已调信号的瞬时相位增量φ(t)=k?*∫m(t)dt 调频信号SFM(t)=Acos[ωct+k?*∫m(τ)dt]
在相位调制中，强调已调信号的瞬时相位增量φ(t)与调制信号m(t)成正比，即φ(t)=kp*m(t)，kp为调相灵敏度（调相系数）
已调信号的瞬时角频率增量dφ(t)/dt=kp*dm(t)/dt 调位信号SPM(t)=Acos[ωct+kp*m(t)]
2）角度调制信号特性参数
角度调制是以调制信号m(t)控制载波的相角，因此无论是FM(调频)还是PM(调相)，在已调信号中都会产生由m(t)引起的频率增量和相位，这两种增量的最大值是决定角度调制信号特性的重要参数。
在FM信号中，角偏移率ΔωFM=|dφ(t)/dt|max=k?*|m(t)|max 调频指数mf=k?*|∫m(t)dt|max
在PM信号中，角偏移率ΔωPM=|dφ(t)/dt|max=kp*|dm(t)/dt|max 调频指数mp=kp*|∫m(t)|max
单频调制FM信号，SFM(t)=A*cos{ωct+[(k?*Am)/ωm]*sinωmt} Am是调制信号幅度，ωm是调制信号角频率，?m是调制信号的频率
单频调制PM信号，SPM(t)=A*cos(ωct+kp*Amcosωmt)
综上可得：单频调制时FM信号和PM信号特性参数
FM调制信号：角频率偏移(Δω)：ΔωFM=k?*|m(t)|max=k?*Am 调制指数(m)：mf=(k?*Am)/ωm
PM调制信号：角频率偏移(Δω)：ΔωFP=kp*|dm(t)/dt|max=kp*Am*ωm 调制指数(m)：mp=kp*Am
两个参数的关系：m=Δω/ωm Δω=m*ωm 调制指数(m)，角频率偏移(Δω)，调制信号角频率(ωm)
4.2.4角调信号的调制与解调
1）调制：已调信号的相角函数与角频率函数之间存在着积分与微分关系，FM和PM信号之间在调制过程中可以相互转换
2）FM信号解调：先转换为一个幅度与FM信号的角频率成正比的AM信号，再采用AM信号解调方法提取出调制信号
4.3数字载波调制
当采用数字调制信号对载波进行调制时，产生的就是数字调制信号。用数字调制信号对载波的幅度，频率和相位进行调制，就可以相应地实现数字调幅，数字调频和数字调相。
4.3.1幅移键控(ASK)
用数字调制信号s(t)对载波c(t)的幅度进行调制，就可以得到幅移键控SASK(t)=Acosωct—发送消息为“1”，SASK(t)=0—发送消息为“0”
ASK调制系统中的乘法器（实现调制信号s(t)对载波c(t)的幅度调制)可以用一个键控开关来实现，当调制信号s(t)为“1”时，键控开关闭合，有载波信号输出，其幅度为A；当调制信号s(t)为“0”时，键控开关断开，就没有信号输出，就相当于输出一个幅度为“0”的载波。SASK(t)=s(t)*c(t)=s(t)*Acos(ωct) ASK信号的频带宽度BASK=2/TB
4.3.2频移键控(FSK)
用数字调制信号s(t)对载波c(t)的频率进行调制，就可以得到频移键控SFSK(t)=Acosω1t—发送消息为“1”，SASK(t)=Acosω2t—发送消息为“0”
FSK信号的频带宽度BFSK=|?1-?2|+2/TB
4.3.3相移键控(PSK)
用数字调制信号s(t)对载波c(t)的相位进行调制，就可以得到相移键控SPSK(t)=Acosωt—发送消息为“1”，SASK(t)=-Acosωt—发送消息为“0”
PSK信号的频带宽度BPSK=2/TB
差分相移键控(DPSK)是根据调制信号中相邻码元地电平变化来确定载波相位。DPSK有两种解调方式，一种是相干解调方式和差分相干解调。
4.4频分复用(FDM)
频分复用是将多个调制信号分别调制在不同的载波频率上，从而实现多个调制信号在不同的载波频率上同时传输。
频分复用在通信系统中广泛应用，如广播电台中播广播的不同节目电台分布在中波频段的不同频点上，有线电视的不同节目分布在不同频段上。
FDM的线路容量较小，为避免相邻频道的信号相互干扰，要求设备对临近频道的信号有足够的抑制，就对载波器的要求很高，使得载波器的实现难度大，成本高，在信道中同时存在多个载波分量，容易产生频率分量，形成频率干扰信号，是FDM的*缺点，大容量通信系统的骨干网已较少采用。
2021-08-08 18:42:31 记