模拟通信技术

一引言通信实际上与传播、沟通、交往的概念是同一的，即凡属信息传递的所有内容和形式都可以看做广义的通信概念。在通信过程中,用于传递信息的电信号,有两种基本形式：一种是模拟信号,另一种是数字信号。传递模拟信号的通信方式称为模拟通信,而传递数字信号的通信方式称数字通信。下面主要对模拟通信进行介绍。二什么是模拟通信在实际的通信中，由于通信业务的多样性，消息的来源也是多种多样的，但基本可以分为两大类：连续的和离散的。连续的消息如话音，声波振动的幅度是随时间连续变化的。若把它转换为随时间连续变化的电压信号，信号幅度是时间连续函数。这样的信号称作模拟信号；而离散消息，如打字机产生的消息，输出的消息符号个数是有限的。如信号的参数与离散消息对应而离散取值，这就是数字信号。再比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。所以根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。例如电话通信中这种在用户线上传输模拟信号的通信方式即称为模拟通信。模拟通信，既利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或者利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，以达到通信的目的，称为模拟通信。可以把它定义为采用模拟信号传送信息的通信方式，也可以说是用模拟信号作为载体来传输信息，或用模拟信号对载波进行模拟调制后再传输的通信方式。而模拟信号在日常生活中是经常遇到的。例如语音信号、干扰信号、噪声、电视摄像管产生的图像电流信号等等。其共同特点为：幅度随时间作连续变化。三模拟通信的发展历史总览通信技术发展的历史，我们可以清晰地看到，通信技术的发展主要经历了三个阶段：（1）初级通信阶段（以1838年电报发明为标志）（2）近代通信阶段（以1948年香农提出信息论为标志）（3）现代通信阶段（以20世纪80年代以后出现的光纤通信应用、综合业务数字网崛起为标志）相应的，通信文化也经历了三波浪潮，即模拟通信文化浪潮、数字通信文化浪潮和宽带通信文化浪潮三个阶段。通信文化的三次浪潮：技术特征主要标志物通信文化浪潮模拟通信技术电话电报广播电视第一波次：模拟通信文化浪潮数字通信技术互联网、移动通信网第二波次：数字通信文化浪潮宽带通信技术全球一体化宽带网第三波次：宽带通信文化浪潮模拟通信文化阶段的典型特征是用电磁波作为介质进行信息传播，相对于文字通信而言，这又是一次质的飞跃。模拟通信阶段的主要载体是电报、电话、模拟电视、模拟广播等。借助电磁波瞬时的、能突破广泛时空传递的物理特性，人类传递信息的范围空前扩大，效率空前提高。但是，由于模拟通信技术投资浩大，因此，从一出现就被政府和财团所掌握，因此深受政治、经济和社会因素的影响，从而导致信息扭曲现象严重。传播学的批判学派对此问题进行了长期的批判。大量的人为因素往往造成模拟信息在传递的过程中熵值增大。围绕模拟通信技术，产生了模拟电话业、电报业、广播电视业等庞大的产业体系，对人类社会生活产生了巨大的影响。模拟通信文化由此形成。而中国通信发展史，既中国移动通信业的发展始于80年代。1987年11月，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成，并在广州投入商用，爱立信为供应商，在网用户150人。网络总投资为3730万元，其中引进设备900万美元。这就是我国的第一代移动电话。而第一代蜂窝移动通信系统，就是双工的FDMA模拟通信系统。四模拟通信涉及的技术1模拟通信系统通信系统一般可以分为信号的发送、信号的传输以及信号的接受3个组成部分。其目的是完成信号的无线电传输。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，常用的模拟通信系统包括中波/短波无线电广播、模拟电视广播、调频立体声广播等通信系统。虽然当前通信技术发展的主流是数字通信技术，但是在实际应用中还有大量的模拟通信系统，并且模拟通信系统是数字通信系统的基础。在模拟通信系统中，必须完成信号由低频段向高频段的搬移，也就是说要实现调制。在接收端还需要将信号进行混频、谐振放大、解调、低频放大等相关处理，最终完成通信系统的基本过程。常见的模拟通信系统的基本组成框图如图1：图1模拟通信系统的基本组成框图（1）发信源通常有电话通信系统、广播电视通信系统等等。以电话为例，作为发信者的人，将要发送的信息以声音的形式发出。（2）调制器发信源发出的是一个非电量信号，需将它用发送变换器进行非电量/电量的转换，将消息变为一个时变电量；并将电消息信号变换为适于在信道中传输的信息形式,以与传输媒介相匹配,其变换方式是多种多样的,在需要频谱迁移的场合,调制是最常见的变换方式。仍以电话为例,通常话音信号的频带为0.3~3.4KHz，这一频带称为话音信号的基带。为了充分利用信道,以提高其有效性,一般要在一条模拟信道中同时传输多个话路。我们将很多话路复合在一起的过程称为调制。调制的结果是：每一个话路占用的频带为3.4KHz–0.3KHz≈3KHz带宽,不同的话路占用不同的频带范围。即虽然每一个话路的带宽都是3KHz,但经过调制后,使各话路在传输过程中互不影响,从而实现了多路调制通信的目的。调制器是模拟通信系统中最重要的部分，它决定了通信系统的功能。模拟调制时使用调制信号控制载波的振幅、相位或频率，以达到信息传输的目的。如在中波广播中，音频节目信号经过常规双边带调幅后，载波的振幅就跟随音频节目信号的电平而发生变化，收音机从接收到的中波信号检测出这种幅度的变化，就能够重现音频信号。在多数模拟通信系统中，调制一般在中频进行，调制之后还需要经过上变频，将信号搬移到射频频段发送；接收端将从信道中接收的信号进行下变频，在中频实现信号的解调。（3）信道指传输信息的媒质,或信号的通道。一般有两种定义,即狭义信道和广义信道。狭义信道是指信号传输的媒质,如对有线通信系统而言,其信道常采用的是对称电缆、同轴电缆和光导纤维,由此可构成电缆通信系统、光纤通信系统。无线信道按所使用的频段和通信手段,有短波通信系统、微波中继通信系统、移动通信系统、卫星通信系统等。在广义信道中,如图2所示,常常提到调制信道和编码信道,调制信道是从研究调制与解调的基本问题出发来定义的,它是指从调制器的输出端到解调器的输人端的所有电路设备和传输媒质。调制信道可视为已调信号的一个整体,主要用来研究模拟通信系统的调制解调问题，它所关心的是信号变换（调制和解调）的最终结果,而不是形成这个最终结果的中间过程。图2广义信道传输在信号传输过程（包括通信系统内、外）中,必然会引人发送变换器、接收变换器和传输媒质的热噪声与各种干扰、衰落等,媒质的固有特性和干扰特性会直接影响变换方式的选取，如沿导体传播的有线信道和通过自由空间传播的无线信道,其信号变换方式是不同的；不同频段的无线电波在空间传播的途径、性能、衰减（衰落）也是不同的。（4）解调器简单讲,是调制的逆变换,将信道中传来的合成（已调）信号再分解成各话路的原来信号,经过电/非电变换器将电信号还原成声音等原来的信号,送给收信者。（5）收信者进行通信的另一端,进行信息交流的双方中的另一方。2模拟通信系统的指标通信的目的是传递信息，大家总是希望在给定的信道资源条件下，尽可能多地和可靠地传输信息。因此，用信息传输的有效性和可靠性来评价一个通信系统的质量。传输信息的有效性和可靠性是通信系统的主要衡量指标。有效性是指在给定的信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性是指接收信息的准确程度。模拟通信系统的有效性可以用有效频带来度量。同样的信息采用不同的调制方式，信号占据的频带宽度不同。传输相同的信息占用的系统频带宽度越窄，则有效性越高。如在双边带模拟调制系统中，一路标准语音信号带宽为8kHz的带宽，而采用单边带调制时已调信号的带宽为4kHz的带宽。后者占用信道的频率资源是前者的一半。因此能更有效地传递信息。即单边带系统比双边带系统的有效性要好。模拟通信系统的可靠性用接收端的输出信噪比来衡量。输出信噪比（SignaltoNoiseRatio，SNR）是指输出信号的平均功率S与输出的噪声的平均功率N之比，即S/N。输出的信噪比越高，系统传输信息就越可靠，表示通信质量越好。不同模拟通信系统对信噪比的要求有很大差异。例如，模拟电视传输系统要求信噪比大于55dB，而商用电话系统要求信噪比不低于30dB。又如，在电话业务中，4级话音质量要求信噪比29dB；电视图像信号则要求40~60dB。3模拟调制技术语音、音乐、图像等信息源直接转换得到的电信号，其频率是很低的。这类信号的频谱特点是低频成分非常丰富，有时还包含直流成分，如语音信号的频率为300~3400Hz，通常称这类信号为基带信号。模拟基带信号可以直接通过架空明线、电缆/光缆等有线信道传输，但不能直接在无线信道中传输。另外，即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，其信道利用率是非常低的，而且很不经济。解决这类问题的有效方法就是调制。所谓调制，就是把信号转换成适合在信道中传输形式的过程。调制是用一个信号去改变另一个信号的某一参数的控制，或者说是用基带信号的瞬时幅值去改变高频载波某些参数的信号控制。从频域上讲，调制是把基带信号的频谱搬移到载频附近的一类信号处理。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。载波调制，就是用基带信号去控制载波的参数过程，即使载波的某一个或某几个参数按照基带信号的规律而变化。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。载波调制后称为已调信号，它含有基带信号的全部特征。解调则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的基带信号恢复出来。基带信号对载波的调制可以达到以下目的：第一，在无线传输中，为了获得较高的辐射效率，天线的尺寸必须与发射信号的波长相比拟。而基带信号包含的较低频率分量的波长较长，致使天线过长而难以实现。若通过调制，把基带信号的频谱搬移到较高的载波频率上，使已调信号的频谱与信道的带通特性相匹配，这样就可以减小发射天线的尺寸，提高传输性能。如在GSM体制移动通信使用的950MHz频段，所需天线尺寸仅为8cm左右。第二是通过调制可以将多个基带信号搬移到不同载频处，易于实现信道的多路复用，提高信道利用率。第三通过调制可以扩展信号带宽，提高信号通过信道传输时的抗干扰能力。简而言之，调制的目的就是实现信号的频带迁移或频谱变换；改善通信系统的抗噪声功能；提高信道的传输效率。因此，调制对通信系统的有效性和可靠性有着很大的影响和作用，在通信系统的设计中调制体制至关重要。调制的方法很多，根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据载波的选择可分为以正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲序列作为载波的脉冲调制。对于正弦载波调制，按照所控制的载波的参数可分为振幅调制、频率调制、和相位调制。最常用且最重要的模拟信号的调制方式是基于正弦信号的调制，其载波是正弦波。调制方式按照传输特性，可分为线性调制和非线性调制。①线性调制，又称幅度调制。正弦载波的振幅随模拟基带信号成比例变化。线性调制的调制信号与载波信号之间符合线性系统的乘法运算法则，已调信号的频谱图中仍保持基带信号的频谱结构，只是将基带频谱搬移到载波频率附近。线性调制所产生的已调信号频谱为调制信号频谱的平移及线性变换。广义的线性调制，是指已调波中被调参数随调制信号成线性变化的调制过程。狭义的线性调制,是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。此时只改变频谱中各分量的频率，但不改变各分量振幅的相对比例，使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同，下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。狭义的线性调制有调幅（amplitudemodulation,AM）、双边带（doublesidebandmodulation,DSB）调制、单边带（singlesidebandmodulation,SSB）调制、残留边带（vestigialsidebandmodulation,VSB）调制均属此类。②非线性调制，又称角度调制或角调制。是调制技术的一种实现方式，与线性调制相对应。正弦载波的频率或相位随模拟基带信号成比例变化。已调信号的频谱图中不再保持原来基带频谱的结构，即调制器将基带信号进行了非线性变换，产生了新的频谱分量。非线性调制已调信号的频谱结构和调制信号的频谱之间不存在线性对应关系，已调信号中将出现与调制信号无限性对应关系的频率分量，非线性调制信号通常比线性调制信号占据更大的频带宽带。非线性调整与线性调制本质的区别在于：线性调制不改变信号的原始频谱结构，而非线性调制改变了信号的原始频谱结构。常见的非线性调制主要有：调频（frequencymodulation,FM），窄带调频（如民用对讲机）和宽带调频（FM广播）均属于非线性调制范畴；移频键控（FSK），常用于自动控制、无线数传；移相键控（PSK）和差分移相键控（DPSK），常用于自动控制、无线数传。如前所述，非线性调制通常占用较宽的带宽，而且其实际占用的带宽受其调制系数影响。由此可知，非线性调制有较高的抗干扰能力。另外，在接收端，可以通过限幅等手段滤除信道产生的干扰，使非线性调制能够获得更高的抗干扰能力。另外要说明的是，实际的模拟通信系统的设备构成并不是仅仅有调制解调器或放大器。事实上，它还包括其他许多的设备，即信号还包括其他的变换，如各种滤波器，以及使用无线信道所需的天线等。五模拟通信的应用模拟通信的应用领域包括电话、模拟电视、模拟广播，还有即时的、广泛的时空服务网点的局限高模拟电话业、电报业、广播电视业，还可以传递话音信息，传输电报、传真、低速数据、图像等“非话信息”。分析：模拟通信是一种以模拟信号传输信息的通信方式。非电的信号（如声、光等）输入到变换器（如送话器、光电管），使其输出连续的电信号，使电信号的频率或振幅等随输入的非电信号而变化。例如普通电话所传输的信号即为模拟信号。电话通信是最常用的一种模拟通信。模拟通信系统主要由用户设备、终端设备和传输设备等部分组成。其工作过程是：在发送端，先由用户设备将用户送出的非电信号转换成模拟电信号，再经终端设备将它调制成适合信道传输的模拟电信号，然后送往信道传输。到了接收端，经终端设备解调，然后由用户设备将模拟电信号还原成非电信号，送至用户。六模拟通信的优缺点模拟通信的优点是：直观且容易实现，占用频带窄。模拟通信的缺点是：1.保密性差模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。因为模拟信号本身的波形已经反映了话音信号的变化,只要得到模拟信号就可以获取其中的信息。2.抗干扰能力弱电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。 3.设备不易大规模集成化模拟通信中,为了调制解调要用到较多的电感器件和滤波器,这些器件都是不能集成的。 4.不适于飞速发展的计算机通信要求不能适应数字通信网的需要，如不能直接和计算机联网，只能采用数模兼容的方式。七模拟通信的前景分析1模拟通信与数字通信的比较1.数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。2.模拟通信用模拟信号，就是连续起