通信原理

通信原理簡介

　　通信，指人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進(jìn)行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下采用任意方法，任意媒質(zhì)，將信息從某方準(zhǔn)確安全地傳送到另方

通信原理百科

　　通信，指人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進(jìn)行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下采用任意方法，任意媒質(zhì)，將信息從某方準(zhǔn)確安全地傳送到另方。

　　想起了多年前我剛上大一的時(shí)候，也是同樣迷茫，不明白通信到底是什么；學(xué)了各種數(shù)學(xué)課，卻對通信一無所知。我說一下我的理解好了，有問題我再修改。

　　通信到底是什么呢？其實(shí)每一本有關(guān)通信的書里，一般都會(huì)介紹類似下面的三個(gè)：

　　一、通信的目的：將信息從發(fā)端”搬運(yùn)“到收端。

　　二、衡量通信過程的指標(biāo)：有效性和可靠性。

　　三、完成通信的手段：和具體信道和收發(fā)端有關(guān)系。其實(shí)這也是題主問題里所問的一切，那一切的東西，都是手段。

　　一切通信都離不開這三個(gè)方面。就如同你和其他人交流的時(shí)候可以通過聲音，你想表達(dá)的是你的信息，通過的信道是空氣。那么你的通信手段就是： 首先將你想說的內(nèi)容調(diào)制到聲音頻率上，然后發(fā)送你想說的話給你的聽眾，然后你的聽眾接收到了你的發(fā)送信號（聲音），然后理解（解調(diào)和譯碼）了你的意思。你看這就是一個(gè)通信過程。

　　那么考慮這樣或那樣的問題，面對不同的信道，不同的人群，如何能有效并可靠的將你的信息給別人呢？那就要考慮各種實(shí)際的問題了。如果你在太空中，沒有任何聲音可以傳播的介質(zhì)，你能通過大聲喊（就認(rèn)為這是一種編碼、調(diào)制并發(fā)送的過程好了）讓別人聽見嗎？答案當(dāng)然是否啦。不過近距離的話你可以通過手勢，眼神等其他（編碼、調(diào)制）方式來完成交流，這就是面對不同信道的一種解決方案了。那么再考慮另外一種情況，如果你和一個(gè)略通中文歪果仁用中文對話，你當(dāng)然不可能用很快的語速來交流了，那么降低你的說話頻率（碼率或者速率）就是一種不錯(cuò)的解決方案了。這個(gè)過程你可以看做是一個(gè)面對條件不好的接收機(jī)，所作出的次優(yōu)選擇了。

　　回過頭來，題主所問的隨機(jī)信號呀，信道呀，編碼呀，這些都是面對實(shí)際中的具體問題而出現(xiàn)的。我們最常用的地面無線信道，發(fā)送的是電磁波，發(fā)送端和接收端是天線，介質(zhì)是空氣。因?yàn)樗ヂ浜吞炀€尺寸的關(guān)系，我們只能選取高頻的電磁波作為載體，那么就需要調(diào)制。經(jīng)過的信道由隨機(jī)的衰落和噪聲（噪聲的來源有機(jī)器的電子噪聲，也有其他信號的干擾混疊），那么想研究這個(gè)通信過程，就必須考慮隨機(jī)的噪聲，那么這就到了隨機(jī)信號分析。調(diào)制過的信號帶寬并不是無窮的（這個(gè)你通過高數(shù)里的傅里葉變換就可以看出），因此這個(gè)信號是在一定頻帶內(nèi)傳輸?shù)?，那么我們設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，只考慮信號頻帶內(nèi)的傳輸就可以，這就是帶通系統(tǒng)。等你學(xué)了信息論之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，模擬信號的熵是正無窮，也就是說，你無法通過有限長度的有限進(jìn)制的數(shù)組表示任意一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。換句話說，當(dāng)信息是模擬信號，在通過一個(gè)有噪信道之后，無法完完全全的恢復(fù)原始信號。并且為了便于實(shí)際數(shù)字電路和運(yùn)算處理，二進(jìn)制表述的信號，是最容易處理的一種方式（當(dāng)然不是最優(yōu)方式）；因此現(xiàn)代的通信系統(tǒng)，都是數(shù)字系統(tǒng)。在將原始信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，同時(shí)希望數(shù)字信號越短越好（信源編碼：采樣和壓縮）

　　按照剛才討論的那一通，現(xiàn)代通信的過程，就是講原始信息模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和信源壓縮（降低冗余），然后做一些信道編碼（增加冗余，以降低錯(cuò)誤），然后調(diào)制成傳輸符號（BPSK，QPSK， 64-QAM，OFDM.。。），經(jīng)過信道傳輸，然后接收機(jī)解調(diào)，信道譯碼，解壓縮，數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號，最后生成一個(gè)很接近原始信息的信號。這個(gè)過程就是香農(nóng)給出的通信系統(tǒng)模型。

　　關(guān)于通信原理的一點(diǎn)總結(jié)

　　學(xué)了通信原理這門課，一開始覺得很難，而且聽學(xué)長們也總是告誡我們，通信原理是很難的課程，平時(shí)一定要好好學(xué)，不然自己復(fù)習(xí)的日子根本就抓不到要點(diǎn)了。事實(shí)上好像也是如此，在周圍，這門主課的掛課率總是算前排的。當(dāng)然對于我這樣的人，總是上課時(shí)算是比較認(rèn)真的，但是半期的時(shí)候還是沒有搞懂它是干什么的，甚至到期末了，也只有零星的一點(diǎn)編碼呀，帶寬呀，調(diào)制啦，這樣一些概念，但這些技術(shù)在一個(gè)通信系統(tǒng)中又是出于什么樣的位置，該怎樣應(yīng)用這些技術(shù)組成一個(gè)通信系統(tǒng)，對此我還是一概不知。然而經(jīng)過期末前的復(fù)習(xí)，我感覺自己對通信系統(tǒng)總算有個(gè)印象了，所以想把那些零碎的名詞做一些解釋，并且用我自己的學(xué)習(xí)過程以及對通信系統(tǒng)的了解來說明這些技術(shù)的應(yīng)用。

　　下面是我畫的認(rèn)為比較完整的通信系統(tǒng)的簡單流程圖，對此我做一翻解釋。

　　首先日常生活中的信號總是模擬的，我們把這些信號通過濾波等處理，得到帶限的信號，這里以基帶信號singnal為例子，signal 經(jīng)過采樣保持電路，我們就得到PAM信號，如圖，這樣的信號就是離散信號了。

　　離散信號經(jīng)過量化歸屬到個(gè)檔次的幅度中比如我們有2V，4V，6，V，8V四個(gè)檔次的歸類，并且規(guī)定1V～3V之間的PAM離散信號就歸類到2V的檔次中去，一次類推，通過比較給每個(gè)PAM信號進(jìn)行歸類，這就是量化。

　　之后將量化了的信號進(jìn)行編碼，編碼是一種認(rèn)為規(guī)定的過程比如我們規(guī)定2V用00表示，4V用01表示，6V用10表示，而8V用11來表示，這樣就把階梯信號和二進(jìn)制信號有了一種對應(yīng)關(guān)系，順著這種對應(yīng)關(guān)系，我們可以得到剛才量化了的信號的二進(jìn)制代碼，這就是PCM編碼得到了可以在存儲器中存儲的數(shù)字信號。

　　以上從模擬到數(shù)字信號的一種轉(zhuǎn)變就是我們常說的A/D轉(zhuǎn)換。至于我們平時(shí)要求的轉(zhuǎn)換比特率的求法可以從它的轉(zhuǎn)換過程得出計(jì)算方法。一個(gè)PAM信號對應(yīng)一個(gè)檔次，而一個(gè)檔次對應(yīng)幾個(gè)比特的數(shù)字是在編碼中體現(xiàn)的，例子中就是一個(gè)檔次對應(yīng)兩個(gè)比特，假設(shè)這種對應(yīng)關(guān)系是1對N個(gè)比特，對模擬信號的采樣率是F，也就是1秒鐘有F個(gè)PAM信號，這F個(gè)PAM信號就要被轉(zhuǎn)換成F*N個(gè)比特，所以比特率就是F*N了。

　　對于完成轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，我們?nèi)绾翁幚砟?？有的是被放進(jìn)存儲器中存儲了，有的是到CPU中進(jìn)行計(jì)算，加密等處理了。

　　通常為了達(dá)到通信目的，我們就要將數(shù)字信號傳遞并且轉(zhuǎn)換成模擬信號，畢竟在生活中模擬信號才是我們可以識別的。

　　所以我們從存儲器中讀取數(shù)字信號，這些信號是基帶信號，不容易傳輸，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)就可以轉(zhuǎn)換成高頻信號而被發(fā)送設(shè)備以各種形式比如微波，光信號傳播出去。發(fā)送這些高頻信號的速度關(guān)系到發(fā)送的比特率注意與前面的轉(zhuǎn)換的比特率有不同。假如整個(gè)發(fā)送端可以發(fā)送四中波形A，B，C，D，它們可以分別表示發(fā)送了00，01，10，11信號，那么我們就說發(fā)送一個(gè)符號（即波形）就是發(fā)送了兩個(gè)比特了。由此得到符號率與比特率的關(guān)系B=N*D.D是符號率baud/s， B是比特率bit/s， N表示一個(gè)符號與N個(gè)比特對應(yīng)。

　　接收設(shè)備將這些信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過解調(diào)器，就可以還原基帶信號，同樣可以將它們放進(jìn)存儲器存儲，這可以理解成網(wǎng)絡(luò)視頻在我們的電腦上的緩存。緩存中的信號通過解碼器，也就是與編碼器功能相反的器件將數(shù)字序列轉(zhuǎn)換成各種量化的臺階（檔次）信號。

　　最后將臺階信號進(jìn)行填充恢復(fù)，我們就又可以原來的輸入的模擬波形了，由此我們完成一次通信。

　　如果模擬信號不需要數(shù)字化，那么我們可以進(jìn)行模擬調(diào)制，同樣可以發(fā)送出去，這個(gè)過程要簡單很多。

　　當(dāng)然，這里所講的只是我們學(xué)習(xí)中所涉及的一些概念，完整的通信系統(tǒng)還有更多要考慮的，這只是我覺得通信過程的關(guān)鍵的骨架問題。

　　還有幾個(gè)概念是對它們的理解和總結(jié)，希望可以和大家分享。

　　1.二進(jìn)制比特率與信息量中的比特率。

　　因?yàn)槲覀兗俣ǘM(jìn)制信號是等概率發(fā)生的，也就是P=0.5，而信息量的定義是這樣的I=-log2（p）bit，通過此式，我們可以計(jì)算發(fā)送的一個(gè)二進(jìn)制符號的信息量I=-log2（0.5）bit=1 bit，所以我們通常說一個(gè)0或者1就是一個(gè)比特了。

　　2.方波的帶寬問題。

　　由上圖我們可以注意到，一個(gè)持續(xù)時(shí)間為T的方波，它的頻譜是一個(gè)SINC函數(shù)，零點(diǎn)帶寬是1/T，即時(shí)間的倒數(shù)。當(dāng)然，方波的帶寬是無限大的，因此這樣的波形在現(xiàn)實(shí)中是很難實(shí)現(xiàn)的，我們只能給方波提供一定的帶寬，就是說得到的肯定只能是經(jīng)過了過濾的波形。

　　在這里我們可以聯(lián)系到吉布斯現(xiàn)象。我們可以這樣理解：頻率越大，就說明變化越快，而方波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處就是一個(gè)極快的變化也就是有頻帶的高頻部分構(gòu)成，而經(jīng)過帶限的濾波之后，高頻被濾去，得到的波形在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處就變化慢下來，于是在需要變化快的地方（如方波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）變化慢，由此產(chǎn)生吉布斯現(xiàn)象。

　　3.升余弦滾降濾波器。

　　我們知道升余弦滾降濾波器是防止碼間串?dāng)_而設(shè)計(jì)的。碼間串?dāng)_是指各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)送的符號并非準(zhǔn)確的方波，而是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍有余波，于是對下一個(gè)時(shí)刻發(fā)送的符號產(chǎn)生影響，最后可能因?yàn)橛绊懙寞B加效果而使后果嚴(yán)重，得到相反的采樣結(jié)果。注意我們這里講的碼間串?dāng)_都是發(fā)生在基帶頻率上的。因此升余弦滾降濾波器也是在基帶上的應(yīng)用。

　　下圖是升余弦滾降濾波器的原理圖，上半部分是濾波器的頻譜相應(yīng)圖，下半部分是濾波結(jié)果在時(shí)間域上的波形圖。

　　我們可以這樣思考，發(fā)送的基帶波形是在一定的帶限內(nèi)的，假如說要求發(fā)送的符號率是D，那么圖下半部分中可知1/2f0=1/D，所以f0=1/（2*D），或者說D=2* f0，由下半圖我們可以看出我們發(fā)送的符號的頻率是2* f0，這串符號在頻譜上的表示（上半圖）是個(gè)帶寬為f0的信號，這個(gè)就是采樣定理中說的當(dāng)波形用SINC函數(shù)來表示時(shí)，符號率是該波形的帶寬的兩倍，也就是升余弦滾降濾波器在r=0的時(shí)候的特性。

　　當(dāng)然，我們這里表示的只是發(fā)送一個(gè)符號的波形的帶寬，但是我們可以這樣想象，一個(gè)系統(tǒng)在任何時(shí)候發(fā)送符號是使用的帶寬f0都是固定的，在1時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的波形的帶寬在f0以內(nèi)，那么我們完全有理由相信在2時(shí)間段內(nèi)發(fā)送的波形的帶寬必然在f0以內(nèi)，所以這樣可以理解多個(gè)符號組成的波形的帶寬是在f0以內(nèi)的。

　　從下半圖我們可以看到，隨著r的增加，符號波形在一個(gè)周期段以外的衰減就會(huì)加快，這里我們就可以看到它對碼間串?dāng)_的影響會(huì)減小，這個(gè)就是升余弦滾降濾波器的作用，但是我們必須清楚的看到，符號率是不變的2* f0，而系統(tǒng)的絕對帶寬在增加。根據(jù)升余弦滾降濾波器的定義我們得到這樣一個(gè)關(guān)系D=2* f0/（1+r）。從以上的分析過程我們可以認(rèn)為1/2*f0就是發(fā)送的數(shù)字信號的周期，也就是對于同樣周期的信號我們需要不同的帶寬，這個(gè)帶寬就是發(fā)送的數(shù)字信號的帶寬，而與原始的模擬波的帶寬無關(guān)。

　　4.調(diào)制的一些想法。

　　在學(xué)習(xí)調(diào)制的過程中，我一直搞不清什么是調(diào)制信號，什么是載波。最后總算明白，原來（一般來講）調(diào)制就是將低頻信號（調(diào)制信號）攜帶的信息在另外一個(gè)高頻的信號（載波）上表現(xiàn)出來，表現(xiàn)的方法可以是改變載波的幅度或者相位或者頻率等。當(dāng)我們看到調(diào)制完成的波形是，發(fā)現(xiàn)它與載波有不同的幅度或者相位或者頻率，從這里的變化我們極可以判斷處調(diào)制信號有那些信息。載波就是用來攜帶低頻信號要表達(dá)的意思的高頻信號。之所以用高頻是因?yàn)樵谝话闱闆r下高頻信號便于傳輸。

　　以上是我在學(xué)習(xí)通信原理中覺得關(guān)鍵要明白的只是點(diǎn)，這樣知識才可以融會(huì)貫通。