《大话移动通信》第2章

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1、 第 2 章 通信基础理论 本章首先对通信涉及的信号理论基础做一个通俗的解读，接着介绍通信相关的数学理 论，特别是概率论与随机过程，最后介绍模拟与数字两种通信系统以及移动通信信道中的 三大损耗和四大效应。第 3 章，将深入讨论信号与系统的基本概念。 本章主要涉及的知识点如下所示。 信号与系统：信号与系统的概念及傅里叶变换。 概率论与随机过程：马尔科夫链与排队论。 通信系统简介：模拟通信与数字通信系统。 移动通信信道：三大损耗与四大效应。 2.1 信号与系统 本节将简介通信中的两个基本概念信号与系统，无论模拟通信、数字通信、有线 通信还是无线通信，都要涉及信号与系统的概念。下面就来看看什么是信号

2、，什么是系 统吧。 2.1.1 何为信号？何为系统 电子信息和通信系统类专业的学生，对于信号与系统这门课绝对不会陌生，信号与系 统基本上是专业课中最难学的一门重要的专业基础课。有的人当时学完了，即使分数考的 很高，但是对信号与系统的理解也不一定会很透彻。对于这门课的学习，笔者也是感触颇 深，虽然考试分数不低，但是直到近几年经过科研项目的磨炼和学习的深入，才对信号与 系统的概念的理解有了稍微深入的认识。 1信号是个啥东东 教科书上说信号是消息的表现形式和传输载体，消息是信号的具体内容。 教科书上的话一般都有些抽象，在这里，形象地看看日常生活中能切身感受到的信 号吧。 第 1 章讲到古代的烽火台通

3、信，那就先来看看烽火通信中的信号，敌人来袭，某士兵 给附近的同伴传递一个消息：敌人来了，兄弟们，快来救救哥们啊！ 但是这个消息怎么传出去呢？想来想去先来个常规武器烽火台！于是命令手下兵 丁点燃狼粪，狼烟又直又高，冲向天空，这里的狼烟就是一种信号，它要传达的信息是敌 军进犯，速来救援！ 大话移第 1 篇 大话移动通信基础知识 外面的援军来了，内外呼应，守军和援军一起上。一时鼓声大作，内外夹击，来犯之 敌被消灭大半。 关键时候还得靠科学啊，求援信号守军发的清楚，援军收的及时。 这里的信号只是众多信号的一种，下面随便看几个其他信号的例子吧。 杀敌时的鼓声就是一个信号，它要传达的信息是冲锋陷阵、奋勇杀

4、敌。 仗打得差不多的时候的锣声也是一个信号，传达的信息是鸣金收兵，咱不打了。 灯塔上的灯光是信号，它要传达的信息可能是此处有暗礁，请绕行！ 航海用的旗语是信号，它要传达的信息因旗语的不同而异。 无线电报用嘀嗒的代码传递消息，无线电传输的是无线电信号。 电话将声音信号转换为电信号在电缆中传送。 如今生活中常用的手机更是可以传送语音、图像、视频及其他各种数据的信号；人与 人直接的对话是用声波的信号来传递信息的。 无论是烽火通信中的光（烟）信号、人们交流对话时的声音信号还是电话、电报中的 电信号，如图 2.1 所示，只要经过接收端正确的解码，就能接收到正确的信息，从而实现 通信和交流的目的。 图 2

5、.1 各类信号 在通信过程中，要对信号进行处理或者加工以方便信息的采集、传输和接收。这个过 程就是信号处理的过程。 常见的信号处理的过程有： （1）剔除信号中没用的冗余的部分。 （2）采取措施过滤掉混合在有用信号中的干扰和噪声。 （3）将信号进行变换以利于信号的分析识别等。 生活中的光电信号很多由大脑来进行信号的处理，人眼看见了狼烟，大脑就要将信号 按照事先规定好的规则将其解码为人类明白的信息有敌情，继续支援；在现代通信过24 第 2 章 通信基础理论前世今生 程中，人很少直接参与信号（特别是光、电等信号）的解码，包括调制、编码、加扰、滤 波、除噪等在内的信号处理过程都由计算机来实现。 注意：

6、信号与信息的关系。 2系统又是怎么回事呢 在通信这行混，少不了和系统打交道，很多课程和课本里有“系统”，信号与系统、 线性系统、离散系统、连续系统等，连很多研究生专业课程的名称都与系统相关，例如电 路与系统、通信与信息系统、系统工程等。 既然在电子和通信中有这么多的系统，那系统到底是个什么东西呢？教科书曰：系统 是由若干相关作用和相互依赖的事物组合成的，具有特定功能的整体。 好复杂的定义啊，首先系统是由很多事物组成的，那么由什么事物组成的整体是系统 呢？答案是相互作用和依赖的事物，换句话说就是相互间有特定关系的事物。 在电子工程领域中，这样的事物很多，比如导线、电阻、电源模块、电容等，这些经

7、常在实验室里看见的耳熟能详的电子元件就是组成系统的事物，它们可以组成什么系统 呢？最简单的，由导线、电阻和电源搭成的电路就是一个简单的系统，或者叫电路系统。 注意：单独的电子元件并不能叫系统。 广义上说，世界上有如此多的系统，以至于让人不能一一列举，由众多部件组成的计 算机系统、由每个人组成的人类社会系统、由人类、动物、土地、水资源等构成的生态系 统如此种种，不胜枚举。 在航天领域，一个航天飞船就是一个系统，而且还是一个复杂的系统，比如嫦娥一号， 这个系统中飞船的每个部件的相互作用构成了这个系统的整体。飞船中这个系统中还有着 很多的子系统，每个子系统又由很多部件组成。比如飞船和地面的视频通话子

8、系统就包含 了摄像头、图像采集、图像处理、图像传输、图像接收等部分，这些部分的互相作用实现 了飞船和地面视频通话这个子系统，诸多这样的子系统构成了飞船这个大系统。 在通信领域，也存在着各种各样的通信系统，如图 2.2 所示，比如移动通信系统。一 个普通的移动通信系统包含基站、终端、传输子系统、计费子系统、鉴权子系统等，这些 子系统相互协作、互相配合才构成了一个完整的移动通信系统。 图 2.2 一个简单的通信系统 在一个移动通信系统中，它的每个子系统又是由各自的部件组成的。以基站为例，基 站包含着信号发送模块、信号接收模块、无线资源管理模块、移动性管理模块等，这些模 块相互协作构成了一个完整的基

9、站子系统。 同时，信号与系统有着密切的关系，在一个系统中没有信号就没有系统的概念，系统 的每个组成部分之间是靠信号来沟通的，信号还是系统消息输入输出的具体体现。 电子和通信中的信号与系统的关系尤其如此，很多通信或电子的系统本身就是为了传 递这些承载着某种消息的信号而建立的。 25大话移第 1 篇 大话移动通信基础知识 没有了信号，系统的存在也就失去了意义。电话系统中，电信号就是为了传播声音信 息的，电话系统要是没有电信号，这个系统就失去了存在的价值。视频通话系统，没有了 信号，视频信息就无法传递，整个系统也就失去了意义。 当然信号在系统的传递过程中会经过很多的处理过程，也就是前面提到过的信号处

10、 理。信号要在系统中很好地传输，顺利地完成它的任务，就要被系统修理修理，杀杀锐气， 系统觉得这个信号用得很顺手了，处理的就差不多了。 为了更好地说明信号处理的作用，还是以数字语音信号处理系统为例。如图 2.3 所示， 在一个电话系统中，声音信号与电话系统的关系是这样的：电话系统为了更好地把声音传 递到接收端，同时也为了更好地处理信号，声音信号首先被转换成电信号，模拟的声音信 号被采样、量化、编码成数字信号。 图 2.3 一个声音信号的处理过程 之所以转换成数字信号是因为数字信号比模拟信号更好传输和处理，经过通信网中的 各个节点的处理和传输后，信道被接收端收到，接收端把收到的信号滤除噪声和干扰、

11、解 码后，电信号在接收端再被转换成声音信号。 这就是一个数字电话系统中的信号处理的例子。可以看出，电话的信号处理还是比较 简单的，但是在复杂的现代移动通信系统或者航天系统中，信号的处理比电话信号处理的 过程要复杂得多。 信号经过处理后，能够在系统中顺利传输，被系统中的接收子系统顺利解码。而在信 号与系统的课程上学习的系统，多数分为两种情况：一种是系统已知，求的是一个已知信 号经过这个系统的传输后，在接收端收到的信号表达式。第二种是已知输入和输出的信号 表达式，求系统。 在生活和生产实践中常见的是第一种情况。 2.1.2 信号与系统的分类 前面讲到了旗语、烽火台、击鼓鸣金中的种种信号，以及通信、

12、航天、计算机中的种 种系统，现实世界中这么多的信号和系统，那么它们如何分类呢？ 1信号的分类 信号的表达有很多的方式，比如画图、表达式、频谱分析等，同时，信号还有很多的 特性，比如周期性、线性与非线性等。下面将根据这些特性对信号进行分类。 根据信号的确定性与否来划分，信号可以分为：确定性信号和随机信号，简单地 说，确定性信号就是任何时间的信号值都已知的信号，比如指数信号与正余弦信 号；随机信号是信号值不可知的信号，比如通信中常见的热噪声信号。 根据信号是否会周期反复来划分，信号可以分为：周期信号与非周期信号。周期26 第 2 章 通信基础理论前世今生 信号过一段时间（周期）会重复出现，非周期信

13、号则不会重复出现。周期性信号 中还有一种特殊的伪随机信号，这种信号的周期比较长，它总是装作随机信号的 样子，过了较长的一段时间，仔细一看，信号开始重复出现了，囧，这小子还真 的是周期信号。 根据信号的连续性，信号可以分为：连续信号与离散信号，模拟通信的话音信号 是连续信号的典型，数字通信系统的信号就属于离散信号。 注意：计算机系统中处理的信号都是离散的。 除了上面的分类外，还有很多信号的分类办法，这里就不一一枚举了。 2系统的分类 信号可以分类，那系统也可以分类，根据不同系统从属的行业不同，可以把系统分为 航天系统、通信系统、计算机系统等，这是按照行业来分。下面将介绍一些从自然属性的 角度对系

14、统划分的内容。 根据系统是否具有齐次性，系统可以分为：线性系统与非线性系统。简单地说， 线性系统就是满足“加法”和“乘法”的系统，两个信号之和经过一个线性系统 所产生的输出，等于这两个信号分别经过这个系统得到的输出，这就是加法；乘 法就是一个信号乘以一个常数经过线性系统的输出，等于这个信号经过此系统的 输出乘以这个常数；而非线性系统就是不满足“加法”和“乘法”的系统。 现实生活中线性系统的例子很多，地铁里的自动售票机就是一个线性系统的例子， 投两个一元的硬币，出一张地铁票，一次投 4 个一元的硬币，出两张地铁票，如图 2.4 所示。 图 2.4 地铁自动售票系统 而非线性系统的例子就更多了，将

15、最近在播的电视剧新三国里的战争看做一个系 统的话，那么这个系统就是非线性的：如果把兵力因素看作战争这个大系统的信号的话， 单纯的兵力翻倍的军队战力有时未必比兵力没翻倍时的战力强大。 以曹操的军队为例，官渡之战，不具备兵力优势的曹操率领军队 3 万余人抗击袁绍 1027大话移第 1 篇 大话移动通信基础知识 余万大军，大败袁绍；而在赤壁之战中，兵力占据绝对优势的曹操率领精兵 20 多万（号称 80 万）对阵刘备孙权的 5 万联军，结果被孙刘联军打败，铩羽而归，要不是关羽念着旧情 义释曹操，恐怕曹操的性命都难以保全。 根据系统的模型参数是否恒定，系统可以分为：时变系统与时不变系统。时变系 统的函数

16、随时间发生而变化，时不变系统的函数是恒定的，不因时间的变化而变 化。还是以售票系统为例，这个系统的参数设定，一般就不会随时间的变化而变 化了，因此是时不变系统；人类生存的生态环境就是一个时变系统，每一时刻都 有动植物在灭绝，如图 2.5 所示。 图 2.5 生态系统 根据系统的连续性，系统可以分为：连续时间系统与离散时间系统，模拟通信系 统是连续系统的典型代表，比如广播系统；数字移动通信系统就属于离散信时间 系统，比如 2G、3G、4G 的移动通信系统。 和信号的分类相同，系统的分类也有多种方式，这里不再一一赘述。 2.1.3 卷积的概念 在系统的时域分析中，特别是求冲激响应的时候，卷积的作用是不可替代的。而学习 卷积就不能不提冲激函数(t)。 冲激函数不是数学界提出来的，而是由物理界、工程界