展-通信原理-第二章-通信系统概述

第2章通信系统概述展召敏先了解几个概念信源：信息的源头信宿：信息传达的目的地信道：信源与信宿通信的媒介，空气、电缆、光缆、水等通信：信源向信宿传递信息的过程信息：有价值的消息人之间的对话和现代无线通信系统的异同相同之处说话方：相当于发射机（或信源）听话方：相当于接收机（或信宿）沟通语言：相当于信源编码空气：是物理媒介2023/2/43人之间的对话和现代无线通信系统的异同区别传递的信号是声波而非电磁波无需调制不需要进行信道编码2023/2/44注：因为一般都能听清对方的说话，即使“解码”出现问题（没听清对方说话），人脑比接收机聪明很多，无需进行CRC校验，就知道信息接收不完全，难以理解，大脑就丢弃这个信息包，要求重发（让对方再说一遍）。2.1中国古代的通信想一想：古代通信都有哪些方式？烽火台旗语驿站飞鸽传书…2023/2/45对话交流存在的问题通信基本靠吼存在的主要问题是什么？人的发声系统能发出的声波能量有限，通信距离受限。2023/2/46古人的解决方案“孙子曰：凡制众如制寡，分数是也；斗众如斗寡，形名是也。”——《孙子兵法》分数：对部队进行整编，即编号。形名：指旗语，用旗语指挥部队变阵和进行战斗。鼓点和旌旗放大了声音的音量和视觉标的的大小，延展了通信距离。2023/2/47烽火台古代大的战役都发生在很小的区域——受指挥系统限制像长安和雁门这种超长距离的信息传输，应该采用哪种方式呢？烽火台信号衰减了怎么办？中继为什么网线一般不超过100m？2023/2/48烽火台通信中存在哪些问题？成本高昂路径固定且单一能够传递的信息量有限2023/2/49中国古代最主流的远距离通信系统

——驿站以驿站为基础的“邮局”系统。即骑马疯狂地赶路送信，遇着驿站就换马以保持行进的速度。怎么保证通信安全？对信息进行加密，即“阴符”将信息分为几份，通过不同人采用不同路径送出，到目的地汇合2023/2/410阴符2023/2/411存在的问题阴符只能传递8种消息，且很不详细阴书2023/2/412将一封书信分为3份，由3个人通过不同路径传递，3人互相不知内情，最后传到一个将领手里，即阴书。类似GSM中的跳频加密，GSM跳频技术1秒跳217次，即把1秒的内容分成217份，通过不同频率发出。飞鸽传书主要问题单向传输2023/2/4132.2通信系统的架构电话之父——贝尔模拟通信系统架构数字通信系统架构数字通信的优点2023/2/414基石1844年，莫尔斯（美）发明了电报：用电磁波传递信号。1854年，鲍萨尔（法）设想出电话原理：将两块薄金属片用电线相连，一方发出声音，金属片振动，变成电传给对方。问题如何构造送话器和受话器，怎样把机械能转换成电能，并进行传送？2023/2/415贝尔面临的挑战怎样把声波转化成电信号？设想：利用电磁开关形成一开一闭的脉冲信号原因：机械开关难以达到3400Hz的频率2023/2/416亚历山大·格雷厄姆·贝尔×电话的诞生一次试验中，贝尔将金属片连接在电磁开关上，声音变成了电流。原理：金属片因声音而振动，在于其相连的电磁开关线圈中感生了电流。2023/2/417爱迪生发明了炭精式送话器模拟通信系统架构具有连续随时间变化的波形信号称为模拟信号。语音信号影像信号贝尔挑战——如何把它转化成相应的电信号。输入信号转换器2023/2/418模拟通信系统功能框图2023/2/419低频信号不利于传输，因此要将其调制到高频信号上去。上图未考虑信道乃至发射机接收机本身所产生的噪声。数字通信系统架构模拟信源的输出还可以转化成数字形式，消息可以通过数字调制后发送，并在接收端解调成数字信号，然后对数字信号进行译码，还原成模拟信号。即增加“模拟——数字”转换模块例：数字机顶盒数字电视终端不支持数字信号，故通过机顶盒完成模数转换。2023/2/420数字通信系统雏形数字编码器的作用：尽量使信息简洁，减少冗余，称之为“信源编码”。接收端可以根据编码所包含的一些内容，对信息完整性做出判断，尽量恢复原来的信息，称之为“信道编码”。2023/2/421数字通信的优点“通信的世界，过去是属于模拟的，现在和将来是属于数字的，但未来的未来必定还将是属于模拟的。“模拟信号变为数字信号的步骤：采样、量化、编码。采样：奈奎斯特定理证明了，当采样频率大于两倍带限信号带宽时，信号可以完全由其采样样本恢复。但采样无可避免的存在失真2023/2/422量化：数字通信系统无法处理无限多个电平值，必须将其按区间划分，变成有限多个值。量化环节，同样存在失真。编码2023/2/423模拟系统的优缺点光学摄影机是典型的模拟通信系统，原理是通过凸透镜将光信号在胶片上成像。胶片能够更加细腻的体现场景细节和氛围，对色彩、光线变化、影调等各方面都比数码能包容的程度更高。缺点：价格十分高昂2023/2/424数字通信相对模拟通信的优势对噪声的处理：信道噪声或者干扰噪声造成的差错，原则上都可以通过差错编码来控制。便于加密：成本比较低2023/2/425作业2列举古代几种常见的通信方式及优缺点。画出模拟通信系统的框图画出数字通信系统的框图2023/2/4262.3信号的基础知识信号：通信系统承载的信息流就是信号。电磁信号：是时间的函数，也是频率的函数。2023/2/427信号的时域概念从时域的观点来看：如果一段时间信号的强度变化时平滑的，没有中断或不连续，则为模拟信号。如果信号在某一段时间内信号强度保持某个常量值，然后在下一时段有变化成另一个常数值，则为数字信号。2023/2/428周期信号最简单的信号为周期信号：2023/2/429正弦波幅度：A频率：f相位：θ2023/2/4302023/2/431信号的频域概念通常一个电磁信号会由多种频率组成如：如果我们给予每一个谐波分量一个合适的系数，然后把这些谐波分量叠加起来，那么叠加的图形会越来越接近于一个方波。2.4傅里叶级数和傅里叶分析无论是电磁波还是声波，都不会是一个简单的正弦函数。对于如下所示，较复杂的信号应该如何分析？2023/2/432信号分析从基础的开始，分析“周期信号”以抖绳子为例:欧拉发现，所有的振荡模式都是x的正弦函数，并成谐波关系。结论：如果某一时刻振动弦的形状是其谐波的组合，那么在其后任何时刻，振动弦的形状也都是这些振荡谐波的组合。2023/2/433对周期信号的分析源于1748年欧拉对振动弦进行的研究工作。2023/2/434欧拉简单来说：绳子上滚动的信号，总可以表示为右图所示的一堆正弦波的叠加，只是每个正弦波所占的比重不同，即加权系数不同。傅里叶级数的由来傅里叶猜想：任何周期信号都可以用成谐波关系的正弦函数级数来表示。非周期信号可以表示为不全成谐波关系的正弦信号的加权积分。狄里赫利：给出完整的证明2023/2/435周期信号的数学表达——傅里叶级数满足狄里赫利条件下，周期信号可以用成谐波关系的正弦函数表示。周期复指数信号：是周期性的，基波频率为ω0，基波周期为T=2π/ω0

。与它成谐波关系，即周期是ω0

的k倍，即谐波信号的集合：2023/2/436周期信号的数学表达——傅里叶级数傅里叶级数：=0.就是欧拉所说的加权系数，0.

ω0t是谐波信号。一般而言k=±N的分量称为第N次谐波分量。2023/2/437例2023/2/438周期信号分解成基波信号+谐波信号ak怎么来的？2023/2/439非周期信号的数学阐述——傅里叶分析思想：把非周期信号看作周期无限长的周期信号。周期无穷大，即频率分量之间变得无限小，将傅里叶级数的求和变成积分。傅里叶分析：2023/2/440傅里叶分析带给我们的思考以往我们通过时域的角度来看待信号，把信号理解为时间上电平高高低低的连续变化，维度是时间和电平值；频域的角度来看信号，把信号理解为不同频率的复指数信号的叠加，即基波分量和谐波分量的叠加，不同频率权重系数不同，两个维度是频率和权重系数。2023/2/441观众关注他这秒干了什么，下一秒又做了哪些精彩动作。2023/2/442分析员：统计他每秒多了多少个动作。2023/2/443模拟信号如何转变为数字信号采样

量化

编码2023/2/444声音是如何变成比特流的？想一想：中学的时候是如何画的函数曲线的？描点，如：连线“模数转换”过程与之类似：从时间轴上等间隔地抽取N个时间点，然后取N个值，这个过程被称为“采样”。2023/2/445奈奎斯特采样定理究竟取多少个点，原有的连续时间信号所含的信息才不会丢失，才能完整的保留下来，然后被还原？无穷多个？奈奎斯特证明了，如果一个信号是带限的（即它的傅里叶变换在某一限频带宽以外均为零），如果采样样本大于信号带宽的两倍，则可以无失真的还原信号。该结论即奈奎斯特采样定理。2023/2/446×电影画面是连续的吗？2023/2/447如何让人觉得电影画面是连续的？电影每秒播放24帧，即采样频率是24即可，人眼通过“视觉停留”，相当于通过样本信号的“内插”来还原信号，所谓“内插”类似于数学中把描的点用线连起来，形成一个函数图形。“内插”或“视觉停留”用信号与系统的话来说就是“零阶保持”。2023/2/448欠采样24帧的采样频率是否足够用？一般情况下没有问题特例：如马车轮子转动的飞快，一秒转动不只12圈，则24帧的采样频率就不够用了，甚至可以看到轮子朝反向转动的情况，这种情况称之为“欠采样”。2023/2/449欠采样摄像机每秒拍摄24帧，马车每秒转动18圈。算一算，两次采样之间轮子转动了多少圈？两次采样之间，顺时针转270°，人眼觉得逆时针转了90°，造成轮子反着转的错觉，术语称之为“混叠”。2023/2/450奈奎斯特采样定理的应用人发出的声音一般为85~1100Hz，1~4kHz是人耳非常敏感的频率范围。想一想，根据奈奎斯特采样定理，手机采样频率应该是多少，基本可满足其通话需求？GSM规范规定GSM手机采样频率是8kHz。2023/2/451量化采样的意义：是“离散时间信号”，而不是真正意义上的“数字信号”。2023/2/452如左图所示：采样值还是随信号幅度连续变化的，即采样值m（kT）可以取无穷多个可能值。怎样能让无穷多个电平值变成有限个？假设用一个N位二进制位组来表示该数值的大小，以便对该信号进行数字化处理，即N位二进制数只能表示M=2N个电平值，故采样值必须被M个离散电平，即量化电平。采样的作用，把一个时间连续的信号变成时间离散的信号，量化是将取值连续的采样信号变成取值离散的采样。量化分为均匀量化和非均匀量化。2023/2/453均匀量化54把输入信号的取值等距离分隔的量化称为均匀量化。量化间隔区间中值量化电平量化间隔输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示，量化电平数为M，则：量化的好处是方便进行数字处理，代价是产生了失真，即量化噪声。2023/2/455量化噪声的度量2023/2/456量化噪声由量化前的连续随机变量与量化后的离散随机变量的均方差来衡量。非均匀量化均匀量化存在的问题，对小信号而言误差比较大，信噪比非常低。2023/2/457例一个信号的变化范围为[0,10]，量化电平数为10，取每个区间的中值为量化电平，即0.5,1.5,2.5，…，9.5。对于小信号0.9，信号功率和噪声功率各是多少？解：在第1个区间里，量化电平为0.5，信号功率为

（0.9）2=0.81，量化噪声功率为N0=(0.9-0.5)2=0.16，信号量化噪声功率比为：2023/2/458算一算对于大信号9.9，信号与量化噪声功率比为多少？解：在第10个区间里，量化电平为9.5，信号功率为

（9.9）2=98.01，量化噪声功率为N0=(9.9-9.5)2=0.16，信号量化噪声功率比为：2023/2/459均匀量化的缺点小信号0.9，信噪比约为7dB大信号9.9，信噪比约为27dB相差100倍！可见，均匀量化对于小信号而言，信噪比太低，远低于大信号的信噪比，对于语音信号而言，一般是小信号居多，故而导致了非均匀量化的诞生。2023/2/460非均匀量化非均匀量化的实现方法，即将采样值经过压缩后再进行均匀量化。所谓压缩，即通过一个非线性变换电路将输入变量x变化成另一个变量y，即y=f(x)。通常使用压缩器中，大多采用对数式压缩，即y=ln(x),目前，美国采用的是μ律压缩，我国和欧洲采用的是A律压缩。2023/2/461A律压缩A律压缩即压缩器具有如下特性的压缩律：

式中，x为归一化压缩器输入电压；y为归一化压缩器输出电压；A为压扩参数，表示压缩程度，实际使用中，一般A=87.6。2023/2/462

函数规律极其复杂13折线2023/2/463实际应用中通常采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。通过y轴的均匀量化，实现x轴的非均匀量化。所述为发射端的压缩，接收端对信号的扩张与之相反。编码经过奈奎斯特采样和非均匀量化后，就得到我们想要的比特流了吗？不是。还需对量化电平值进行编码，使其变成比特流。广义上讲，语言就是对人类的事物和情感进行编码。类似的，对同一个量化电平，也有很多种编码方式，如PCM、△M、DPCM，它们用各自不同的方式来阐述同一个量化电平。2023/2/464编码效率通信系统资源宝贵，希望对一个量化电平的阐述能够尽量节约一点，占用少一点的电平。2023/2/465哪个编码效率高？脉冲编码调制(PulseCodeModulation,PCM）真正的通信系统中应用的PCM编码是采用A律13折线法，用8bit位来表征。有多少种电平？28=256例：用4bit表征16个量化电平，最高位设置为极性码，电平值为正取“1”，反之取“0”。2023/2/466PCM量化与编码67你能写出0~11T对应的编码吗？练习2023/2/468对应图2.27，把表2.1中的量化电平和二进制编码补充完整。差分编码调制

DPCM(DifferentialPulseCodeModulation)在PCM体系中，每一个采样都是独立量化的，即前一个采样值的量化与后一个采样值的量化没有什么关系。问题：像语音这种非突变信号，若前一个采样值很小，后一个采样值也很小的概率就很大。用PCM编码，浪费较大。解决方案：对差值而非绝对值进行编码。2023/2/469DM（也称ΔM或增量脉码调制方式）DM是DPCM的一种。增量调制中，量化器采用幅度为±Δ的1比特量化器。2023/2/4702023/2/471有啥规律？信源编码刚刚讲到的PCM和DPCM编码都是信源编码中最简单的编码，什么是信源编码？信源编码有何作用？信源编码追求的是相同信息量的最少比特位。但通信系统中仅有信源编码还不够，如何保证接收端无差错地收到发送端发出的信号？2023/2/472信道编码安排一些冗余的比特传给接收端，让接收端自行验证信息是不是都收对了，这些“冗余信息”，即信道编码。信道编码是以提高信息传输的可靠性为目的的编码。信源编码和信道编码看似相悖，其实都是追求信息最有效的传输。2023/2/473信道编码的实现检错重发法：接收端在收到的信码中检测出错误时，立即设法通知发送端。向前纠错法：接收端不仅能在收到的信码中发现错码，还能够纠正错码。反馈矫正法：接收端将收到的信码原封不动地转发回发送端，并与原发信码相比较。如果发现错误，则发送端再进行重发。2023/2/474信道编码线性码卷积码Turbo码奇偶校验码信道编码原理：假如有一个3bit的编码，那么是可以表示23=8种编码。用两bit表征信息，另一个bit作为校验码，那么可以表示22=4个信息。

000=风011=雨101=雷110=电任意两个码元都有两位是不同的如果“000”风，出错，变成了“001”，能发现错误，但是，不能纠错001

为了纠错，增加冗余比特，使用两个比特作为监督位，可以实现对一个比特错误的纠错。000=风111=电1001113位各不相同，“000”出错为“100”，可以判断最高位出错*认识其他几种格式的编码2023/2/478调制调制，即频谱的搬移。如把说话时20~3400Hz的信号搬迁到900MHz上去，这个频谱搬移过程就称为调制。基带信号：信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。频带信号：由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输,需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号。2023/2/479调制的意义把基带信号（4kHz以下的语音信号）转变为频带信号（900MHz）有什么好处呢？（1）与信道匹配无线通信的介质是空气，此间低频信号（如音频信号）传输将急剧衰减，而较高频率范围的信号可以传播很远的距离。因此，发射机需将音频信号嵌入到另一个较高频率的信号中去。2023/2/480调制的意义（2）电磁波频率与天线尺寸要匹配一般天线尺寸为电磁信号的1/4波长为佳，调制可以提高频率，减小天线的尺寸。算一算，4kHz的语音信号合适的天线尺寸应该为多少：2023/2/481调制的意义（3）高频段更易于采用频分复用如一路语音信号就要占用64kHz，低频段没有那么多资源供浪费。2023/2/482如何调制经过“采样——量化——信源编码——信道编码”得到了比特流，如何把这串比特流嵌入一个电磁波中，从而在空中发送出去呢？电磁信号用正弦波来表达，涉及3个参数：振幅、频率和相位。相应的调制技术为：幅移键控（ASK，AmplitudeShiftKeying）频移键控（FSK，FrequencyShiftKeying）相移键控（PSK，PhaseShiftKeying）2023/2/483幅移键控（ASK）84用振幅来表示“0”和“1”，信号表达式为：缺点：易受突发脉冲的影响频移键控（FSK）GSM采用的调制方式MSK就是FSK的一种。频移键控最常见的是二进制频移键控（2FSK），它使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。信号表达式为：2023/2/4852FSK的抗干扰能力要比ASK强。相移键控（PSK）相移键控是无线通信中采用的比较多的，数据通过载波信号的相位偏移来表示。最简单的是两相相移键控（BPSK），用两个相差180°的相位来表示两个二进制数，表达形式如下：2023/2/486练习题设发送数字信息为二元序列{ak} =0110,试画出ASK、2FSK、BPSK的信号波形图。2023/2/487信道信道指信号传送的通道。分为：有线信道，包括明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。无线信道，包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继等。广义上来说，信道不仅包括传输介质，还包括变换装置（如发送接收设备、调制解调器）2023/2/488信道容量信道上是有噪声的，我们把信道上可以被传输的最大速率称为信道容量（ChannelCapacity）。对信道容量而言，通常有以下几个概念：数据率（datarate）：数据能够进行通信的速率，用bit/s来表示。带宽（bandwidth）：指传输信号所占的频带宽度，用Hz表示。2023/2/489例以GSM为例，它的某一个频道的中心频率是890.2MHz，则，它的频率范围是[890.1MHz，

890.3MHz]，共200kHz，这200kHz就是“带宽”，指频带宽度，即频谱宽度。在这个频带上，若传送的是TCH语音信号，则调制速率为33.8kbit/s，即GSM传输的数据率（datarate）。2023/2/490噪声（noise）：关心的是通信线路上的平均噪声电平，是统计学上的意义，而非单个突发噪声。误码率（errorrate）：即差错发生率，即发送“0”，接到“1”或发送“1”，接到“0”。2023/2/491无噪声的完美信道

——奈奎斯特带宽数据率通常小于信道容量，一个信道的容量在没有噪声的理想状态下可由奈奎斯特定理测算出来。奈奎斯特带宽可描述为：如果带宽为B,那么可被传输的最大信号速率就是2B，反之亦然。这一限制来自码间干扰。例：对于GSM