参考资料：王丽娜 主编《现代通信技术》国防工业出版社

通信基础

绪论

通信是什么

• 通信：发送者通过某种媒体以某种格式来传递信息到接收者以达致某个目的。

通信发展历程

• 法拉第：电磁感应 => 电气通信
• 电报（摩尔斯，Morse，电磁感应的最早应用）=> 电话（贝尔，Bell）=> 无线电（马可尼） => 电视（贝尔德） => 卫星通信（1957，苏联） => 光纤（1966，高锟） => 移动通信（1973、摩托罗拉） => 互联网（1983，阿帕网） => 大融合时代（未来）

发展历程

未来通信趋势

• 通信理想目标-5W
  实现任何人（whoever）在任何时间（whenever）、任何地点（wherever）与任何人（whomever）进行任何种类（whatever）的信息交换。

1.1 通信的基本概念

信号

信息：各个事物运动的状态及其存在方式的不确定性的描述
消息：包含信息的语言、文字、如此昂等
信号：承载信息的物理量
消息包含信息，是信息的载体，但不是物理性的；信号包含信息，是信息的载体，是物理性的。

• 通信系统传送的是消息
• 信息只有依附在某种物理形式的载体上才能够作为信号得以传输

信号分类

• 按取值分：模拟信号（连续值）、数字信号（离散值）
  • 模拟信号 ： 指取值连续的信号
    • 模拟信号可以再分为：连续的模拟信号、离散的模拟信号（即模拟信号的数字化过程）
  • 数字信号 ： 指信号取值 只能 是分立的逻辑值。

思考：
为什么将模拟传输转化为数字传输 ？（特点、优劣势）信噪比的程度会降低、提高信道的利用率

为什么逐步会由数字传输替代 ？保密性、抗干扰能力

当数字信号经过多次转换、中继、远距离传输后信噪比的程度会降低，而模拟信号经过多次中继后会产生比较严重的信噪比恶化，严重降低传输信号的质量。
模拟信号数字化以后可以很方便地进行时分或码分多路传输，从而可有效地提高信道的利用率。
模拟信号的数字传输技术已广泛应用于现代通信的各个领域，从有线的程控交换机到无线的GSM、CDMA手机，从卫星数字电视广播到长途光纤通信到处都有数字化的信号存在。

信号的特性

• 信号时域特性：表达的是信号幅度A、频率f、相位 φ随时间变化的规律。
• 信号频域特性：表达的是信号 幅度、 相位随 频率 变化的规律。

信号是由各种频率的波混合在一起组成的

• 信号带宽 (Hz)
  • 信号频谱的宽度（也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差），表示该信号所拥有的频谱范围。
  • 单位：赫兹（Hz）

信道

• 通信信道： 指信号传输的通道，也就是信号从发送者到接收者之间所经过的传输媒介。

按媒介实体分类

• 有线信道：可以引导电磁波传输的线缆，包括双绞线、同轴线、光纤。
• 无线信道： 以自由空间辐射无线电磁波为传输方式信道

  • 无线电波传播途径
    

    -地波（中长波）、天波（中短波）、视线（超短波、微波）、对流层（400-600MHz）
• 存储信道：磁带、光盘、U盘、磁盘等数据存储媒质也可以被看作是一种通信信道

存储所对应的通信是不同时间的两个对象之间的通信过程，存储也是通信！

按传输特性分类

• 信道传输特性：描述包含不同频率分量的信号经过信道传输后的幅度和相位变化情况。

• 相频特性-群延迟-频率特性（不同频率传播的速度不同）

  
  
• 信道传输特性随时间变化的快慢进行分类：
  • 恒参信道 ：信道传输特性不随时间变化or变化缓慢。如有线信道、卫星链路、某些视距传输链路。
  • 随参信道 ：时变信道，传输特性随时间随机变化。如天波、地波传输信道、各种散射信道。

工作方式

• 单工通信（广播电台、传统电视台）：信息只能单向传送
• 半双工通信：信息可以双向通信，但是必需轮流而不能同时进行
• 全双工通信：信息可以同时进行双向通信

传输方式

按照收发端时钟一致性分类 ：

同步传输 与 异步传输

在通信系统中，特别是数字通信系统中，要求收发双方保持步调一致才能实现消息的正确传输。

按照消息传输时的排列方式分类：

并行传输 与 串行传输

• 串行通信采用1路通道，每次传输一个符号
• 并行通信采用多路通道，每次可同时传输多个符号

1.2 通信系统

基本模型

信源、信宿和信道构成了通信系统的 三个基本要素

• 狭义信道： 具有不同物理性质的各种传输媒介，如电缆，光缆，大气等。
• 广义信道： 包括了信源和信宿之间的所有传输物质，包括编码译码、调制解调以及收发机不理想特性等。

分类

• 按照通信业务的分类
  单媒体通信系统、多媒体通信系统
  实时通信系统、非实时通信系统
  单向传输系统、交互传输系统
  窄带通信系统、宽带通信系统
  ……
• 按照传输媒介分类
  有线通信系统
  无线通信系统
• 按照信号特征分类
  模拟通信系统
  数字通信系统
• 按照调制方式分类
  基带传输系统: 对于原始信号不进行加工（调制）而直接传输。
  频带传输系统: 对原始信号进行调制后传输。

• 模拟信号的调制：

  
  

• 数字信号的调制：

  
  

载波频率>>信号频率

衡量指标

• 信息传输的角度 ：
  • 有效性: 衡量通信系统传输信息的能力。
  • 可靠性: 衡量通信内容传输的准确性。
• 传输速率 ： 单位时间内通过信道的通信数据量。
  • 比特速率： 每秒单位时间内通过的 比特个数，单位 bit/s
  • 符号速率/ 波特率/ 码元速率 ：每秒单位时间内通过的 码元个数， 单位Baud
  • 比特率 R_b 与符号率 R_B 的关系： R_b = R_B · lg₂ N ，这里，N为调制级数，可以理解为调制状态数。
• 频带利用率 ：单位带宽内的系统比特传输速率。
  • 其计算公式有：η = R_b/B (bit/s/Hz)
• 差错率：通过最终的符号或比特错误传输的数量，来衡量通信系统传输准确性。
  • 误符号率（SER：Symbol Error Ratio）：SER = 错误符号个数/总符号个数
  • 误比特率/ 误码率（BER：Bit Error Ratio）：BER = 错误bit个数/总bit个数
• 信噪比 (Signal-to-noise ratio，缩写为 SNR 或 S/N)：指有用信号功率与噪声功率的比例

  • 相当于信号幅度和噪声幅度比的平方：

    
    
  • 信噪比的计量单位通常采用dB，那么有：
    

BER 和 SNR 之间存在相对应的关系, 同时与信号调制格式相关，在相同的BER下，高阶调制需要更多的SNR。

容量

• 香农公式：计算信号平均功率受限于高斯白噪声时的信道容量
  

  
  B为信道带宽(Hz), C为该信道无差错传输的最大速率(bit/s)
  无限制增大带宽B，可以无限制增大信道容量C吗？不能，用无穷的那个公式化简，得到C ≈ 1.44·P_s/n₀

• bit 是信息，是消息中所包含的有效内容，信息量的多少与出现的概率有关。

  
  
  
  

  P(x)表示消息发生的概率，I(x)表示消息中所含信息量

  • 等概率出现的离散消息的度量：负对数

  • 非等概率出现的离散消息的度量：平均信息量/ 熵