通信技术

通信技术•1.1信息与信号•在通信中，通常把语言和声音、音乐、文字和符号、数据、图像等统称为消息(Message)。这些消息所给予收信者的新知识称为信息（Information）。这些非电形式的消息可以变换成相应的电信号。电信号通常分为模拟信号和数字信号两大类。•1.1.1信息量•信息量可用它所表示事件的发生概率P(Probability)的倒数之对数来度量：•若对数以2为底，则信息量的单位为比特（bit）。•假设二进制码元序列中“1”和“0”出现的概率各为50%，那么码元“1”或“0”的信息量都是1比特（bit）。•1.1.2模拟信号•模拟信号是指某一电参量（如幅度、频率、相位）在一定的取值范围内连续变化的信号，如话筒产生的话音电压信号，摄像机产生的图像电流信号等。模拟信号通常是时间连续函数，也有时间离散函数（时间离散函数：关于时间域上取一系列不连续值的函数）的情况。无论时间上是否连续，模拟信号的取值一定是连续的，即在一定的取值范围内，可有无限多个取值。•连续模拟信号：离散模拟信号：•1.1.3数字信号•模拟信号的结构比较复杂，易受外界干扰，所占用的带宽较窄。数字信号是指某一电参量在一定的取值范围内跳跃变化，仅有有限个取值的信号，如电报信号、数据信号、遥测指令等。•二进制数字信号示意图：•数字信号结构简单，抗干扰性强，易整形和再生，所占用的带宽较宽。•1.2通信系统原理•任何一个通信系统都是将信息从信号源通过一个传输通道送到目的地。现代通信技术在发送端以发射端用户终端设备将作为信源的消息转换成电信号，并令其经信道传送到远方的接收端，接收端用户终端设备再从所接收信号中还原出受信消息（信宿）。•1.2.1移动通信系统组成•移动通信系统一般由发信机、收信机及与其相连接的天线(含馈线)构成：•发信机•主要作用是将所要传送的信号首先对载波信号进行调制，形成已调载波，已调载波信号经过变频(有的发射机不经过这一步骤)成为射频载波信号送至功率放大器，经功率放大器放大后送至天馈线。•天线•移动通信系统的重要组成部分，其主要作用是把射频载波信号变成电磁波或者把电磁波变成射频载波信号。•馈线•主要作用是把发射机输出的射频载波信号高效地送至天线，这一方面要求馈线的衰耗要小，另一方面其阻抗应尽可能与发射机的输出阻抗和天线的输入阻抗相匹配。•收信机•主要作用是把天线接收下来的射频载波信号首先进行低噪声放大，然后经过变频、中频放大和解调后还原出原始信号，最后经低频放大器放大输出。•1.2.2通信系统的分类•按传输媒介分有：有线通信系统（包括铜双绞线和电缆，光纤和光缆等）和无线通信系统（包括微波和卫星通信链路，无线本地环路WLL等）。•按信源的种类即业务类别分有：电话通信系统，计算机（数据）通信系统和图像或多媒体通信系统等。•按传输信号属性分有：电气通信系统，光通信系统等。•按信号的结构分有：模拟通信系统，数字通信系统和分组数据通信系统等。•按复用方式分有：频分复用（FDM）系统，时分复用（TDM）系统和码分复用（CDM）系统等。•按数字系列和技术体制分有：异步数字系列（PDH），同步数字系列（SDH）和异步转移模式（ATM），互连网（InternetorIP）等通信系统。•1.3模拟信号数字化•模拟信号结构比较复杂、易受外界干扰和占用带宽较窄等属性使模拟通信系统具有设备复杂，抗干扰性差，噪声沿线累积，复用方式落后等先天性缺点，但因其带宽利用率高而在带宽资源受限的铜缆传输时代，成为主要的通信系统。•数字信号结构简单，抗干扰性强，易整形、再生和占用带宽较宽等属性虽然使数据通信系统，特别是基于二进制的系统具有设备简单，抗干扰性好，噪声不沿线累积，复用方式先进和灵活多样，易加密，安全可靠等先天性优点，但因其带宽利用率低而在带宽资源受限的铜缆传输时代，难以成为主要的通信系统。•1.3.1信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码•抽样•话音信号是模拟信号，它不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使话音信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对话音信号进行离散化处理，这一过程叫抽样。•量化•抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化。•编码•量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值，且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等，正、负向的量化级对称分布。把量化的抽样信号变换成给定字长的二进制码流的过程称为编码。•1.4噪声与通信•噪声通常分为两类：内部噪声和外部噪声。内部噪声指包括通信设备在内所带来的噪声。外部噪声主要是指信号在信道中进行传输时所引入的噪声。•1.4.1外部噪声•设备噪声•是指一些产生电火花的设备所带来的噪声。比如汽车发动机或者电刷的电动机。任何电压或电流的瞬时增大都会产生干扰，电灯调光器和计算机所产生的噪声就属于这种类型。•大气噪声•大气噪声的主要因素──闪电是由静电造成的，因此大气噪声也常被称为静电。这样的干扰可以在空间传播很远的距离，其能力分布可以从低频到几兆赫，很显然，对于这种干扰不适合在噪声源采取措施。•宇宙噪声•太阳作为一个强大的辐射源，占有非常宽的频率范围，也包括无线电频率。其他恒星也具有辐射干扰，一般称为宇宙、星际或太空噪声。宇宙噪声对于较高频率的影响非常重要，这是因为对于较低频率的影响主要是大气噪声，而宇宙噪声的低频部分在穿越地球大气层时已经被上层大气吸收了。•1.4.2内部噪声•热噪声•热噪声是因为大量自由电子在导体中由于热能而随机运动（布朗运动）所产生的。热噪声由于在电子电路中随处可见，所以“噪声”这个词经常单指这种类型的噪声。根据热噪声的物理性质可以看出，它服从高斯分布，因为它满足中心极限定理的条件。根据分析和测量表明，在从直流到微波的频率范围内，电阻或导体的热噪声具有均匀的功率谱密度。•导体的噪声功率可以用一个温度函数表示，方程式如下：•Pn=KTB•PN是噪声功率，单位为瓦（W）；K是玻耳兹曼（Boltzmann）常数，数值为1.38×10-23（J/K）；T是热噪声源的绝对温度，单位为开（K）；B是噪声功率带宽，单位为赫（Hz）。只要是在绝对零度以上，所有导体和电阻器都存在热噪声功率，我们可以降低温度或减少电路带宽的方法对其进行抑制。•噪声电压•通常我们对噪声的研究更多的是电压而不是功率。前面已经介绍过，噪声功率仅与带宽和温度有关。一个带阻抗电路的功率方程如下：•散弹噪声•散弹噪声和热噪声的功率谱相类似，在带宽内的每一个频率都有相等的能量分布，频率范围从直流一直到GHz，但是它和热噪声的产生的物理过程却不相同。散弹噪声是由于诸如电子管、晶体管和半导体二极管等有源设备中的电流随机变化而引起的。•1.4.3信噪比•在模拟系统中，由于噪声的影响使我们无法收看或收听所接收到的信号，更为严重的时候，信号根本无法使用。在数字系统中，噪声的存在增加了误码率，在另外一些情况下，我们真正关心的不是噪声量的多少，而是噪声与有用信号之间的比例关系。换句话说就是信号与噪声功率的比值要远比噪声功率这个值重要。这就引出了信噪比的概念，缩写形式为S/N，常用分贝来表示，对于任何通信系统，信噪比都是一个最重要的性能参数。•1.4.4噪声系数•在前面的学习中，我们已经知道所有的导体都产生热噪声，而且有源的设备在通信过程中会加入自身噪声，因此可以说在通信系统的任何阶段都可能会有噪声引入。以放大器为例，会把输入的信号和噪声同时放大，而在这个过程中还会引入放大器的自身噪声，因此输出端的信噪比显然要小于输入端的信噪比。•噪声系数（简写NF，或者有时仅用F来表示）是一个品质因数，表明了信号在系统的一部分、一段或一系列传输过程中传输时信噪比的减少情况。噪声系数定义为：[公式1-1]•式中，（S/N）i是输入信号和噪声的功率比；(S/N)o是输出端信号和噪声的功率比。•通常信噪比和噪声系数都用分贝的形式表示，对于这种情况，有如下方程式：[公式1-2]•噪声系数有时候也称为噪声因子。为方便使用，对于公式1-1比值一般称为噪声比率（NR），而噪声系数这个术语则专门用来表示公式1-2中的分贝值。•1.5频带宽度表示法•1.5.1绝对带宽•在射频通信电路设计中，经常涉及频带宽度的问题。例如，在带通或带阻滤波电路的设计中，需要给出对频带宽度的描述。带宽BW（BandWidth）可以根据高端截止频率和低频截止频率定义为：•采用绝对带宽表示时，带宽BW的量纲为Hz。例如，某射频放大电路的工作频率范围为1～2GHz，则带宽为1GHz；PAL制式的电视广播的图像信号带宽为6MHz。通常以赫兹作为单位表示的带宽是指绝对带宽。•1.5.2相对带宽•采用绝对带宽表示时，不仅需要指出带宽的数值，还需要指出具体中心频率。例如，带宽同样为BW=100MHz，中心频率分别为fc1=3GHz和fc2=300MHz，在放大电路的设计上存在较大的差异。如果只给出带宽BW而不给出中心频率fc，则不能完全反映带宽的含义。因此在射频电路的设计中，使用相对带宽的概念较为方便。•相对带宽常用的表达式有两种，百分比法和倍数法。采用相对带宽表示时，带宽是无量纲的相对值。百分比法定义为绝对带宽占中心频率的百分数，用RBW（relativelybandwidth）表示为：•其中fc为中心频率。倍数法定义为高端截止频率fH与低端截止频率fL的比值。•1.6分贝表示方法•分贝就是用对数方法表示两个功率电平的比值。令P1和P2分别表示两个功率，两者之间的分贝差表示：•参考功率电平的使用：dBm，dBW，dBf•分贝表示了两个功率电平之间的比值，但从物理上并不需要实际存在两个信号。我们可以将电路中的功率与1mW进行比较，此时电路中并不是存在具体的1mW。这种表示功率的方法称为dBm形式。•1.7传输线理论•1.7.1同轴线•同轴线是一种常用的工作在TEM模式的传输线，其结构有些类似于低频电路使用的单芯屏蔽线，但是几何尺寸和材料的要求都更严格。同轴线通常由内导体、介质和外导体构成，典型的同轴线结构如图所示。同轴线通常外导体直接接地，电磁场被限制在内导体和外导体之间，可最大限度地降低传输线的电磁辐射，也屏蔽了外界电磁场的干扰。•由于同轴线良好的信号传输性能，因此得到了非常广泛应用。例如，射频信号源、射频功率计、频谱分析仪和网络分析仪等射频设备都使用同轴线作为连接装置。谢谢欣赏