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，將信息從某方準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，將信息從某方準確安全地傳送到另方。

　　想起了多年前我剛上大一的時候，也是同樣迷茫，不明白通信到底是什么；學了各種數學課，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？其實每一本有關通信的書里，一般都會介紹類似下面的三個：

　　一、通信的目的：將信息從發端”搬運“到收端。

　　二、衡量通信過程的指標：有效性和可靠性。

　　三、完成通信的手段：和具體信道和收發端有關系。其實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方面。就如同你和其他人交流的時候可以通過聲音，你想表達的是你的信息，通過的信道是空氣。那么你的通信手段就是： 首先將你想說的內容調制到聲音頻率上，然后發送你想說的話給你的聽眾，然后你的聽眾接收到了你的發送信號（聲音），然后理解（解調和譯碼）了你的意思。你看這就是一個通信過程。

　　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，你能通過大聲喊（就認為這是一種編碼、調制并發送的過程好了）讓別人聽見嗎？答案當然是否啦。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，如果你和一個略通中文歪果仁用中文對話，你當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）就是一種不錯的解決方案了。這個過程你可以看做是一個面對條件不好的接收機，所作出的次優選擇了。

　　回過頭來，題主所問的隨機信號呀，信道呀，編碼呀，這些都是面對實際中的具體問題而出現的。我們最常用的地面無線信道，發送的是電磁波，發送端和接收端是天線，介質是空氣。因為衰落和天線尺寸的關系，我們只能選取高頻的電磁波作為載體，那么就需要調制。經過的信道由隨機的衰落和噪聲（噪聲的來源有機器的電子噪聲，也有其他信號的干擾混疊），那么想研究這個通信過程，就必須考慮隨機的噪聲，那么這就到了隨機信號分析。調制過的信號帶寬并不是無窮的（這個你通過高數里的傅里葉變換就可以看出），因此這個信號是在一定頻帶內傳輸的，那么我們設計濾波器的時候，只考慮信號頻帶內的傳輸就可以，這就是帶通系統。等你學了信息論之后，你會發現，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制的數組表示任意一個浮點數。換句話說，當信息是模擬信號，在通過一個有噪信道之后，無法完完全全的恢復原始信號。并且為了便于實際數字電路和運算處理，二進制表述的信號，是最容易處理的一種方式（當然不是最優方式）；因此現代的通信系統，都是數字系統。在將原始信號轉化成數字信號，同時希望數字信號越短越好（信源編碼：采樣和壓縮）

　　按照剛才討論的那一通，現代通信的過程，就是講原始信息模擬數字轉換和信源壓縮（降低冗余），然后做一些信道編碼（增加冗余，以降低錯誤），然后調制成傳輸符號（BPSK，QPSK， 64-QAM，OFDM.。。），經過信道傳輸，然后接收機解調，信道譯碼，解壓縮，數字信號轉模擬信號，最后生成一個很接近原始信息的信號。這個過程就是香農給出的通信系統模型。

　　關于通信原理的一點總結

　　學了通信原理這門課，一開始覺得很難，而且聽學長們也總是告誡我們，通信原理是很難的課程，平時一定要好好學，不然自己復習的日子根本就抓不到要點了。事實上好像也是如此，在周圍，這門主課的掛課率總是算前排的。當然對于我這樣的人，總是上課時算是比較認真的，但是半期的時候還是沒有搞懂它是干什么的，甚至到期末了，也只有零星的一點編碼呀，帶寬呀，調制啦，這樣一些概念，但這些技術在一個通信系統中又是出于什么樣的位置，該怎樣應用這些技術組成一個通信系統，對此我還是一概不知。然而經過期末前的復習，我感覺自己對通信系統總算有個印象了，所以想把那些零碎的名詞做一些解釋，并且用我自己的學習過程以及對通信系統的了解來說明這些技術的應用。

　　下面是我畫的認為比較完整的通信系統的簡單流程圖，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。

　　離散信號經過量化歸屬到個檔次的幅度中比如我們有2V，4V，6，V，8V四個檔次的歸類，并且規定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PAM信號進行歸類，這就是量化。

　　之后將量化了的信號進行編碼，編碼是一種認為規定的過程比如我們規定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制信號有了一種對應關系，順著這種對應關系，我們可以得到剛才量化了的信號的二進制代碼，這就是PCM編碼得到了可以在存儲器中存儲的數字信號。

　　以上從模擬到數字信號的一種轉變就是我們常說的A/D轉換。至于我們平時要求的轉換比特率的求法可以從它的轉換過程得出計算方法。一個PAM信號對應一個檔次，而一個檔次對應幾個比特的數字是在編碼中體現的，例子中就是一個檔次對應兩個比特，假設這種對應關系是1對N個比特，對模擬信號的采樣率是F，也就是1秒鐘有F個PAM信號，這F個PAM信號就要被轉換成F*N個比特，所以比特率就是F*N了。

　　對于完成轉換的數字信號，我們如何處理呢？有的是被放進存儲器中存儲了，有的是到CPU中進行計算，加密等處理了。

　　通常為了達到通信目的，我們就要將數字信號傳遞并且轉換成模擬信號，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字信號，這些信號是基帶信號，不容易傳輸，經過數字調制系統就可以轉換成高頻信號而被發送設備以各種形式比如微波，光信號傳播出去。發送這些高頻信號的速度關系到發送的比特率注意與前面的轉換的比特率有不同。假如整個發送端可以發送四中波形A，B，C，D，它們可以分別表示發送了00，01，10，11信號，那么我們就說發送一個符號（即波形）就是發送了兩個比特了。由此得到符號率與比特率的關系B=N*D.D是符號率baud/s， B是比特率bit/s， N表示一個符號與N個比特對應。

　　接收設備將這些信號轉換成電信號，通過解調器，就可以還原基帶信號，同樣可以將它們放進存儲器存儲，這可以理解成網絡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字序列轉換成各種量化的臺階（檔次）信號。

　　最后將臺階信號進行填充恢復，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字化，那么我們可以進行模擬調制，同樣可以發送出去，這個過程要簡單很多。

　　當然，這里所講的只是我們學習中所涉及的一些概念，完整的通信系統還有更多要考慮的，這只是我覺得通信過程的關鍵的骨架問題。

　　還有幾個概念是對它們的理解和總結，希望可以和大家分享。

　　1.二進制比特率與信息量中的比特率。

　　因為我們假定二進制信號是等概率發生的，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，我們可以計算發送的一個二進制符號的信息量I=-log2（0.5）bit=1 bit，所以我們通常說一個0或者1就是一個比特了。

　　2.方波的帶寬問題。

　　由上圖我們可以注意到，一個持續時間為T的方波，它的頻譜是一個SINC函數，零點帶寬是1/T，即時間的倒數。當然，方波的帶寬是無限大的，因此這樣的波形在現實中是很難實現的，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過了過濾的波形。

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

　　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擾而設計的。碼間串擾是指各個時間點上發送的符號并非準確的方波，而是在規定的時間內仍有余波，于是對下一個時刻發送的符號產生影響，最后可能因為影響的疊加效果而使后果嚴重，得到相反的采樣結果。注意我們這里講的碼間串擾都是發生在基帶頻率上的。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圖，下半部分是濾波結果在時間域上的波形圖。

　　我們可以這樣思考，發送的基帶波形是在一定的帶限內的，假如說要求發送的符號率是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）是個帶寬為f0的信號，這個就是采樣定理中說的當波形用SINC函數來表示時，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的時候的特性。

　　當然，我們這里表示的只是發送一個符號的波形的帶寬，但是我們可以這樣想象，一個系統在任何時候發送符號是使用的帶寬f0都是固定的，在1時間段內發送的波形的帶寬在f0以內，那么我們完全有理由相信在2時間段內發送的波形的帶寬必然在f0以內，所以這樣可以理解多個符號組成的波形的帶寬是在f0以內的。

　　從下半圖我們可以看到，隨著r的增加，符號波形在一個周期段以外的衰減就會加快，這里我們就可以看到它對碼間串擾的影響會減小，這個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，而系統的絕對帶寬在增加。根據升余弦滾降濾波器的定義我們得到這樣一個關系D=2* f0/（1+r）。從以上的分析過程我們可以認為1/2*f0就是發送的數字信號的周期，也就是對于同樣周期的信號我們需要不同的帶寬，這個帶寬就是發送的數字信號的帶寬，而與原始的模擬波的帶寬無關。

　　4.調制的一些想法。

　　在學習調制的過程中，我一直搞不清什么是調制信號，什么是載波。最后總算明白，原來（一般來講）調制就是將低頻信號（調制信號）攜帶的信息在另外一個高頻的信號（載波）上表現出來，表現的方法可以是改變載波的幅度或者相位或者頻率等。當我們看到調制完成的波形是，發現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制信號有那些信息。載波就是用來攜帶低頻信號要表達的意思的高頻信號。之所以用高頻是因為在一般情況下高頻信號便于傳輸。

　　以上是我在學習通信原理中覺得關鍵要明白的只是點，這樣知識才可以融會貫通。