通信原理学习笔记1：模拟与数字通信系统、通信系统性能指标

通信系统的演变

1. 有线模拟模拟通信系统：最早的有线电话，话音直接由话筒到电流信号再到听筒

有线电话，线路架设不便，引入无线信道，传输空间电磁波

2. 无线模拟通信系统：无线电话通信系统，加入了调制器/解调器和收发天线

模拟系统，底层由模拟电路实现，传输模拟信号，抗干扰能力很差，且传输中继会放大噪声

3. 无线数字通信系统：进一步加入模数转换器，调制器变为数字调制器

最终，我们用数字电路处理数字信号，有许多优点

数字电路的优点：

• 大量晶体管而非模拟元件组成电路，集成度高；
• 电路可靠性高，小幅度的电流电压波动不影响电路，基本不受外部环境影响，电路处理的结果可重复、可复>现；
• 电路功耗低
• 设计过程自动化，无需手工运算

数字通信系统的优点：

• 通过中继器可以再生出“干净”的信号，抗干扰能力强
• 各种消息都可变成统一的数字信号，通用性强
• 可应用信源/信道编码等，提高有效性和可靠性
• 便于加密、复用传输、存储
• 缺点：显然数字信号承载信息的能力不如模拟信号，故占用带宽更大

通信系统的模型

一般通信系统的模型为：

• 对于无线模拟通信系统，信源的模拟信号经过模拟调制（主要就是一个“上变频”的过程）后发射

• 对于无线数字通信系统，信源模拟信号先模数转换（即PCM的采样+量化+编码），并对数字信号进行数字调制（数字序列转化为模拟波形，即比特映射+脉冲成形+上变频），最后发射

数字通信系统的模型

接收机对应的处理流程为：

• 信源编码：用于去冗余，只传输必要的信息
• 信道编码：增加冗余，减少噪声和干扰导致的误码（但是在连续误码时，很可能无法纠错）
• 交织：按照一定规律打乱数据，从而将信道的连续误码变为解交织后的零星的误码（以便信道编码的纠错）
• 脉冲成形：数字序列转换为实际电路中的脉冲波形，如矩形脉冲
• 调制：控制信号传输时占用的频段范围。即按照一定处理（如ASK/PSK/QAM），将基带信号承载到高频载波信号上，从而满足信道的要求，另外调制还能让我们实现频分复用

什么是信道的要求呢？
对于无线通信，电磁波频率高，波长小，才能用较短的天线来发射信号；
对于有线通信，我们必须将二进制数据调制在电话线允许的3400Hz以内，才能用电话线传输数字信号，但传数据时不能打电话；
如果要数话同传，就要控制话音信号占用频段和数字信号占用频段不冲突，于是有出现了ADSL（4kHz以下传话音，25kHz~1.1MHz传输上下行数据）

• 天线：将电信号转换为电磁波，发射到空间中传播

电磁波的频率与波长成反比$\lambda =\frac{\upsilon }{f}$
频率越高，波长小（接近分子原子尺寸），穿透力越强，但能量易丢失，即电磁波振幅衰减越快，从而无线基站的覆盖性越差；
频率越低，波长大，穿透力弱，但是绕射能力强，能量不易丢失，从而覆盖性好，可用于远距离通信

通信系统性能指标

衡量通信系统的优劣，从有效性和可靠性两方面考虑

• 有效性：信息传输效率，传输相同信息，所用时间短、占用频谱带宽小，则有效性好
• 可靠性：信息传输质量，传输时信息失真程度小，则可靠性高

具体到模拟通信系统：

• 有效性：占用带宽越小，有效性越好（AM有效性比FM好）
• 可靠性：信噪比越高，可靠性越好（FM可靠性比AM好）

具体到数字通信系统：

• 有效性：频谱利用率
• 可靠性：误比特率

最后

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