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1、第八章 通信系统,通信（Communication）就是在信息系统之间传递信息。按照所传递的信息来分类，一般可分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统(analog communication system)传递的是连续时间信号，数字通信系统(digital communication system)传递的是数字信号。然而随着数字通信技术的日益普及，这个界限也越来越模糊。因为，在一个方面，许多环节都已经数字化了，而一般的技术人员并不需要了解里面的细节；另一个方面，数字通信系统的物理层也还是模拟通讯。,一般而言，模拟通信系统由以下环节组成：,信源,信道,调制,解调,接受端,数字通信系统由以下
2、环节组成：,信源,信源编码,信道编码,调制,解调,信道,信道解码,信源解码,接受端,按照信息传输的媒介来分类，通信又分为有线通信( wireline communication )和无线通信(wireless communication)。有线通信包括：明线通信、同轴电缆通信、光纤通信、波导通信等；无线通信包括：卫星通信、微波通信、短波通信等。信道(Channel)并不等同于传输媒介。传输媒介只是信道的最底层的形式，而信道有着更加广泛的含义。信道除了包含传输媒介以外还可以包含各种转换器、发送设备、接受设备、天线系统等等，信道广泛的程度取决于我们所关注的问题。例如：如果我们关注光纤内部的信息传输
3、模式，那么光纤就是信道；如果我们只关注光纤通信，那么信道包含了光纤和光端机；如果我们只关注数字通信，那么信道包含光纤、光端机、路由器等等；如果我们只在应用层面关注通信，那么信道包含光纤、光端机、路由器、防火墙、交换机、计算机等等。,本章我们主要讨论模拟通信。信息源所发出的信号往往是不适合于传输媒介的，例如，人类的声音的频率范围是10Hz20000Hz，这种频率的电磁波在大气层中将很快地衰减，因此必须将信号调制到比较高的频率上去。调制（Modulation）就是对载有信息的信号进行变换，使之适应于传递。解调（Demodulation）就是将载有信息的信号从已经调制的信号中提取出来的过程。在本章的
4、范围内，狭义地讲，调制就是用一个信号（原信号）去控制另一个信号（载波信号）的某个参数的过程。调制的目的主要是：1、适合于传输，如，发射天线的尺寸、电离层发射等因素；2、多路复用。,8.1正弦幅度调制,幅度调制（简称AM Amplitude Modulation）就是用一个信号去控制另一个信号的振幅。幅度调制是通过一个乘法器来实现的，,调制信号,载波信号,已调信号,AM信号,为正弦信号，则这个过程称为正弦幅度调制，这是因为正弦,的幅度随着信号,变化；,为脉冲信号，则这个过程称为脉冲幅度调制。,载波信号,如果,被称为载波频率,8.2正弦幅度调制的解调,本小节我们讨论AM信号的解调。AM信号的解调的
5、方法分为同步解调和非同步解调。需要与载波信号同频同相位的信号参与解调的解调方式称为同步(Synchronous)解调，否则称为非同步(Asynchronous)解调。,乘法器不但可以做调制器，也可以做解调器。将已调信号再乘以载波信号就可以解调AM信号。,8.2.1 同步解调,高频项,低通滤波器,低通滤波器,同步解调要求参与解调的信号,与调制信号的载波,在频率和相位上都保持一致。下面分析一下，两者相位不一致和频率不一致所造成的解调输出信号的失真。,相位不一致,衰减因子,频率不一致,和,频谱上的错位，从而产生频率失真(frequency distortion)。,的频率不一致，会导致AM解调输出信
6、号,有一种所谓的锁相环(phase-locked loop)电路能够检测出两个正弦信,其中一个正弦信号的振荡频率，从而使两个正弦信号的相角保持一致。,和,都必然导致相角的不同，因此，锁相环电路既能保证两个信号同频率，又能保证两个信号同相位。,号的相角,的差异，并且用这个差异去控制,两个不同相位的信号，或者两个不同频率的信号，,8.2.2 非同步解调,同步解调使得接收机的电路变得复杂而且昂贵，这种解调方式对于一对多的通信方式，例如对公众的无线电广播，尤其显得不经济。一种被称为包络检波器(envelope detector)的非同步解调电路可以使得AM信号的解调变得十分简单，从而得到了广泛使用。这
7、种包络检波器是由一个二极管和一个电容组成的。,D,C,R,包络检波器是一个非线性电路，它的输出随着输入信号的包络变化。,当输入的AM信号处于正半周时，二极管导通，负载R上充电到输入信号的峰值电压，当输入信号的幅度低于电容器C所充到的峰值电压时，二极管截止，由于载波频率很高，电还没有放完，下一个正半周就到了，二极管再次导通，周而复始，在负载R上可以得到一个跟随输入信号包络变化的电压信号。,调制信号,要大于零，即，,2、,的变化比载波要慢得多，即,其中,是调制信号,的带宽。,在采用包络检波方式的情况，为了信号不失真，AM信号须要两个条件：,第二个条件比较容易满足，关键是第一个条件。自然的信号总是有
8、正有负的。那么，为了满足第一条件，可以采用加直流分量的方式，,如果第一个条件不能满足，就会出现交越失真，,交越失真,如果,，也就是说，,是信号,则,包络检测器的非同步解调方式，因为在已调信号的频谱上，具有一个载波频谱，因此，要求发射功率大。但是因为接收机简单，这种包络检测器的非同步解调方式在无线电广播中被广泛使用；同步解调方式，虽然接收机复杂，但是发射功率小，广泛应用于发射功率比较宝贵的场合，例如：军用无线电，卫星通讯，移动通讯等等。两种方式各有取舍。,的峰值，,称为调制百分比(modulation percentage)。,8.3 频分复用,通讯系统中，往往要求在一个信道里面传输多路信号，这
9、就是多路复用技术（Multiplexing）。多路复用技术是通讯领域应用最为广泛的技术之一， 例如：有线电视(CATV)可以在一条物理通道上传输多路电视信号； ADSL可以与普通电话共用一条电话线，打电话和上网可以同时进行； 无线电通讯；海底光缆也是可以同时传递海量的不同信号。 正弦幅度调制能够将不同的信号调制到不同的频率附近，如果让这些信号在频谱上不重叠，就能够实现多路复用，图8.14反映了这种情况，这种方式称为频分多路复用（FDM Frequency-division multiplexing）。简称频分复用。,为了从FDM信号里面提取所需要的信号，我们一般使用选频电路。所谓的选频电路(f
10、requency selection circuit)，实际上就是一个带通滤波器，收音机的调谐电路和电视机的高频头都属于选频电路。,8.4 单边带幅度调制,上边带,上边带,下边带,下边带,无论是上边带还是下边带，都保留了调制信号,或者说，无论是上边带还是下边带都可以恢复调制信号,8.1小节的正弦幅度调制将两个边带一起传递，这种方式称为双边带调制（DSB Double Side-Band）。显然在双边带调制中，有一半的带宽和功率是冗余的。可以通过一定的技术手段，抑制掉上边带（或者下边带），仅保留下边带（或者上边带），这样的调制方式称为单边带调制（SSB Single Side-Band）,的全部
11、信息。,上边带,上边带,下边带,下边带,单边带调制节省了带宽和发射功率，代价是增加了发射机的复杂性。在移动通讯的场合，电池的容量是一个重要的指标，如果能够大幅度降低发射功率，以增加发射机的复杂性为代价是值得的。60年代的军用步话机采用的就是单边带通讯技术。 滤波器和移相技术都是获得单边带信号的方法。,8.5 频率调制,AM信号的抗干扰能力是有限的。一些尖峰干扰会直接加在AM信号的幅度上，检波后这些信号仍然留在输出信号上，因此AM信号的信噪比不高。我们可以体会到，日常的AM广播的音质不高。于是人们开始尝试在无线电广播中，使用不同于AM的调制方式。频率调制就是其中一种，所谓频率调制（FM freq
12、uency modulation）简称调频。就是用调制信号来控制正弦载波的频率。FM信号的幅度是恒定的，信息被蕴含在频率里面，这样抗干扰能力比较强，比AM信号有更高的信噪比。,我们通过正弦信号来进一步来分析什么是频率，,被称为相角,相角对时间的导数就是频率。,我们将相角看成时间的函数：,角调制就是用调制信号去控制相角,相位调制,频率调制,频率调制和相位调制有着密切的关系。如果用调制信号,按照(8-15)式的方式去对载波信号进行相位调制，则有：,也就是说，相当于用调制信号,的导数,对载波信号进行频率调制。,类似地，如果用调制信号,信号进行频率调制，则有：,也就是说，相当于用调制信号,的积分,在电
13、路里面，电信号的微分和积分是很容易得到的。,按照(8-18)式的方式去对载波,对载波信号进行相位调制。,8.6 脉冲幅度调制,在幅度调制中，如果载波信号是脉冲串，那么这种类型的幅度调制称为脉冲幅度调制（PAM Pulse Amplitude Modulation）。,如果对于不同的信号，用不同相位的脉冲串来调制，这些脉冲串在时域里面是错开的。这样就可以在时域里面将这些脉冲串加起来再传输。这种方式称为时分多路复用（TDM Time-division multiplexing），简称时分复用。时分复用的概念还超出了通信的范围，许多计算机系统里面的多用户机制，就是按照时分复用的方式来实现的。,在数字
14、通信系统里面有一类被广泛应用的特殊的PAM信号，被称为脉冲编码调制（PCM Pulse Code Modulation）。PCM信号中，调制信号的数值只有0和1。,8.7 离散时间信号的调制,为了实现一些诸如多路复用之类的通信目的，离散时间信号也需要进行调制。本节我们讨论为了实现频分复用所采用的调制手段，以及时分复用信号和频分复用信号的互换。,为了在一个通道里面传输多路离散时间信号，需要对离散时间信号进行正弦幅度调制。考虑离散正弦载波信号,8.7.1 离散信号的正弦幅度调制,同步解调对于正弦调制的离散时间信号同样有效，,通过一个低通滤波器就可以恢复,通过正弦调制同样可以实现离散时间信号的频分多路复用,在离散的频分多路复用系统里面，各个信号的带宽是在,的范围内进行分配的。,在离散信号的通信系统里面，因为信道、接收机或者发射机的特殊性，往往需要进行调制方式的转换。下面介绍一种TDM信号转换为FDM信号的方式：,8.7.2 离散信号的调制转换,为了TDM的传输效率，一般来说这四路信号在时域里面比较紧凑的，反映在频域上有很宽的带宽，几乎占据了,显然这样的信号是不适合于做FDM的。,增采样就是以时域的冗余为代价换取频域的窄带宽,将增采样以后的信号按照不同的载波频率进行正弦调制，然后各信号相加就成了FDM信号。,
