通信系统的基础知识

1 通信及通信系统

通信（Communication）是实现信息和消息传输的过程

通信系统（Communication System）的组成：

实现通信的所有硬件和软件设备、传输媒介以及各种通信协议等

消息（Message）、信息（Information）、信号（Signal）的区别：

消息通常指人的感官能够感受到的语音、图形、文字符号、图形图像、数据等

用户从通信系统中接收消息，从中提取出对自己有用的东西，称为信息

在电子、光通信系统中实际传输的都是电、光信号

1.1 通信系统的基本组成模型

信源：

消息->基带信号（Baseband Signal）

发送设备：

基带信号->射频信号、已调信号（Modulated Signal）

信道：

噪声、传输特性

接收设备：

解调、过滤噪声、波形整形、幅度功率放大

1.2 通信系统的分类

通信业务：

电话通信系统、广播电视系统、多媒体通信系统、数据通信系统、……

传输媒介：

有线通信系统、无线通信系统

信号类型：

模拟通信系统、数字通信系统、模拟信号的数字化传输系统

调制解调：

基带传输系统、频带传输系统（调幅传输系统、调频传输系统、… ）

1.3 模拟通信和数字通信系统

数字消息和连续消息

文字符号和数据等消息的状态个数（符号和数据的个数）是有限的，取值是离散的，称为数字消息

语音、图像消息的状态取值连续变化，称为连续消息

数字信号和模拟信号

为了实现消息的传输和交换，需要将消息转换为电信号，将消息的各种状态转换为信号某个参量（幅度、频率或者相位等）的取值。 因此，与消息的状态取值相对应，电信号的指定参量在各时刻的取值也就可能是连续的或者离散的，分别称为模拟信号和数字信号

2 调制和解调

模拟调幅信号（AM信号）

数字调幅信号（ASK信号）

2.1 调制解调的基本概念

所谓调制（Modulation），是在发送端将需要传送的原始基带信号变换为适合于信道传输的信号

一般是将基带信号用于控制高频载波的某个参数，例如幅度、频率、相位等，使其随基带信号的幅度变化规律而变化

解调（Demodulation）是与调制完全相反的过程，通过解调，接收端从接收到的已调信号中恢复出原始基带信号，再送到接收者

扩展：

调制器（Modulator）、解调器（Demodulator）

m(t)：基带信号、调制信号、Modulating Sig.

sm(t)：已调信号、Modulated Sig.

c(t)：调制载波、Carrier

解调器中的载波c(t)又称为解调载波，根据实际解调器的原理，不一定需要

2.2 调制解调的分类

调制器分类：

解调器分类：

相干解调适用于所有的线性调制，并且不具有门限效应，但是需要专门电路自动提取出相干解调载波，因此解调器和接收机都比较复杂

包络检波非相干解调电路结构简单，易于实现，接收机成本低，在早期的中波调幅广播中大量应用

2.3 调制解调的作用

实现有效传输

通过调制，使信号特性与信道特性相匹配，便于通过信道实现无失真传输，便于通过天线实现有效辐射

实现信道复用

通过同一信道同时传送多路信号，提高信道利用率

增强抗噪声性能

通过选择合适的调制方式以及设置合适的调制参数可以减少噪声对传输质量的影响

3 通信系统的质量指标

从信息传输的角度考虑，通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性。 其中有效性指的是传输信息所需占用的信道资源（例如带宽或者时间），可靠性指的是接收信息的准确程度

扩展：

有效性和可靠性的相互矛盾：

提高有效性通常会造成可靠性的下降。 在实际系统中，只能根据需要及技术发展水平尽可能做到适当的统一例如，在满足可靠性要求的前提下，尽可能提高传输速度； 或者在满足有效性的前提下，采用各种技术尽可能保证传输的准确度

3.1 模拟通信系统的质量指标

有效性——信号的带宽

待传输的信号带宽越小，传输时需要占用系统和信道的带宽就越小。 因此，当信道带宽给定后，能够传输的信号路数越多，有效性也就越好。

对同样的消息信号，采用不同的调制传输方式，得到的已调信号带宽也不一样

例如，语音信号的调幅传输，需要占用8kHz带宽，而单边带调制传输，只需要4kHz带宽，因此采用单边带传输的有效性优于调幅传输。

可靠性——输出信噪比

所谓信噪比（SNR，Signal-Noise Rate)，指的是信号与噪声的功率之比。

实际数据、分贝值

在接收端的输出信号中，有用信号和噪声的功率之比，称为接收机的输出信噪比

对用户来说，输出信噪比越大，传输质量和可靠性就越好

不同的调制传输方式，在同样的信道条件下，输出信噪比是不同的。 例如，调频传输系统的可靠性要优于调幅传输系统

3.2 数字通信系统的质量指标

有效性——传输速率

传码率（码元速率）Rs、传信率（信息速率）Rb

码元（符号，symbol）、信息（bit）

两种速率之间的关系：

采用多进制传输，可以在相同的码元速率下，获得更高的信息速率；

反之，为达到相同的信息速率，采用多进制传输，可以降低传输的码元速率。

有效性——频带利用率

频带利用率反映了信号带宽与传输速率的关系，更全面地描述了数字通信系统的有效性。

频带利用率取决于进制数与传输波形。 为获得足够高的频带利用率，必须采用特殊的电脉冲传输波形。

带宽只与码元速率和信号波形有关，与信号的幅度和进制无关，因此两种频带利用率之间的关系为

采用多进制传输，可以提高信息频带利用率

可靠性——差错率

在接收到的总的码元和信息量中，错误的码元和错误的信息量有多少。 误码率Ps、误信率Pb

误码率或者误信率越小，则接收到的错误码元和错误信息量越少，传输的可靠性越高。

对0、1等概的二进制传输，Ps = Pb； 对多进制传输，关系较复杂，不一定是log2M 倍的关系。

不同的传输方式，具有不同的差错率。

不同系统对差错率的要求也不同。 例如，数字电话通信系统要求不超过10-3，而计算机数据传输系统要求不超过10-9。

4 总结

系统原理组成、信号传输过程、传输性能