[网络协议]《通信原理与应用》小结

通信系统的组成

1. 信源：消息的来源，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为基带信号
   $$信源\{\begin{array}{l}模拟信源：连续的模拟信号\\ 数字信源：连续的数字信号\end{array}$$

2. 发送设备：基本功能是将信源和信道进行有效的匹配，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号

3. 信道：传输信号的物理媒质
   $$信道\{\begin{array}{l}有线信道：双绞线、同轴电缆、光纤\\ 无线信道：无线电波、微波、红外线\end{array}$$

4. 噪声源：不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备固有的以及信道中随机产生的
   噪声来源于3个方面：①通信设备内部由于电子作不规则运动而产生的热噪声 ②来自外部的噪声 ③由于信道特性不理想，使得传输的信号失真而产生的干扰
   前两种噪声与信号存在与否无关，是以叠加的形式对信号形成干扰，称之为"加性噪声"，第3种干扰只有信号出现时才表现出来，称之为"乘性干扰"

5. 接收设备：基本功能是完成发送设备的逆变换

6. 信宿：传输信息的归宿点，其作用是将复原后的原始信号转换成相应的消息

模拟通信系统

• 信源发出的原始信号是基带信号，其频谱具有低通形式，直流或低频分量丰富，一般不宜直接传输，通常需要把基带信号变换成适合在信道中传输的信号，并可在接收端再进行反变换。实现这种变换和反变换功能的部件称为调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号或频带信号。
• 频带信号有3个基本特征：携带信息，适合在信道中传输，信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频

模拟通信的优缺点：

数字通信系统

1. 信源编码与译码
   信源编译码有两个功能：①完成模/数、数/模转换以及实现模拟信号的数字化传输 ②提高信息传输的有效性，即通过某种压缩技术设法减少码元数目以提高信道的利用率
2. 信道编码与译码
   信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力，即提高数字信号传输的可靠性
3. 数字调制与解调
   数字调制是将数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号，在接收端解调出原来的数字基带信号
4. 同步
   为了使收发两端的信号在时间上保持步调一致，保证数字通信系统有序、准确、可靠工作，数字通信系统还应有一个非常重要的控制单元，即同步系统

与模拟通信相比，数字通信的优点如下：
①抗干扰能力强，且噪声不积累
②传输差错可控
③便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储
④易于集成，使通信设备微型化
⑤易于加密处理，且保密性好
缺点：它是以增加信号带宽为代价的，且对同步要求高，设备较复杂

通信系统的分类与通信方式

$$通信系统的分类?\begin{array}{l}按通信业务分类?\begin{array}{l}电报通信系统\\ 电话通信系统\\ 广播通信系统\\ 数据通信系统\\ 图像通信系统\end{array}\\ 按传输媒质分类\{\begin{array}{l}无线通信系统：短波电离层传播、卫星中继\\ 有线通信系统：市话系统、有线点视\end{array}\\ 按信号特征分类\{\begin{array}{l}模拟通信系统\\ 数字通信系统\end{array}\\ 按调制方式分类\{\begin{array}{l}基带传输系统：未经调制的信号直接传送\\ 频带传输系统：对各种信号调制后传输的总称\end{array}\\ 按复用方式分类?\begin{array}{l}频分复用系统：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围\\ 时分复用系统：用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间\\ 码分复用系统：用正交的脉冲序列分别携带不同信号\end{array}\\ 按工作频率分类?\begin{array}{l}长波通信\\ 中波通信\\ 短波通信\\ 远红外线通信\end{array}\end{array}$$

$$通信方式?\begin{array}{l}按消息传递的方向与时间关系分类?\begin{array}{l}单工通信：消息只能单方向传输的工作方式\\ 半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行\\ 双工通信：通信双方能同时收发消息的工作方式\end{array}\\ 按数字信号排列顺序分类\{\begin{array}{l}并行传输：将代表信息的数字码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输\\ 串行传输：将数字码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输\end{array}\\ 按同步方式分类\{\begin{array}{l}同步通信：在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率始终保持一致\\ 异步通信：通信中两个字符之间的时间间隔是不固定的，而在一个字符内各位的时间间隔是固定的\end{array}\\ 按网络结构分类?\begin{array}{l}线形\\ 星形\\ 树形\\ 环形\\ 网孔形\end{array}\end{array}$$

通信系统的主要性能指标

• 有效性：在给定信道内所传输的信息内容的多少，要求系统高效率地传输消息，是传输的"速度"问题
  模拟通信系统的有效性用有效传输带宽来度量；数字通信系统的有效性用传输速率和频带利用率来表征

1. 传输速率
   (1). 码元传输速率$R_B$
   码元传输速率又称码元速率，简称传码率。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特，记为Baud
   (2). 信息传输速率$R_b$
   信息传输速率又称信息速率，简称传信率。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，记为bit/s

2. 频带利用率
   (1)码元频带利用率：单位频带内的码元传输速率，即$\eta =\frac{R_B}{B}$
   (2)信息频带利用率：每秒钟在单位频带上传输的信息量，即$\eta =\frac{R_b}{B}$

• 可靠性：接受信息的准确程度，要求系统可靠地传输消息，是传输的"质量"问题
  模拟通信系统的可靠性用接收端最终输出信噪比来度量(信噪比越高，通信质量就越好)；数字通信系统的可靠性用差错率来衡量，常用误码率和误比特率表示
  (1)误码率：发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，即在传输中出现错误码元的概率，记为$P_e=\frac{错误码元数}{传输总码元数}$
  (2)误比特率：发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即在传输中出现错误信息量的概率，记为$P_b=\frac{错误比特数}{传输总比特数}$

调制方式

$$调制方式?\begin{array}{l}按调制信号的形式分类?\begin{array}{l}模拟调制\\ 数字调制?\begin{array}{l}按基带信号的状态数不同分类?\begin{array}{l}二进制数字调制?\begin{array}{l}2ASK\\ 2FSK\\ 2PSK\end{array}\\ 多进制数字调制?\begin{array}{l}MASK\\ MFSK\\ MPSK\end{array}\end{array}\\ 按载波携带信息的参数不同分类?\begin{array}{l}幅移键控(ASK)\\ 频移键控(FSK)\\ 相移键控(PSK)\end{array}\end{array}\end{array}\\ 按载波的选择分类\{\begin{array}{l}以正弦波作为载波的连续波调制\\ 以脉冲串作为载波的脉冲调制\end{array}\\ 按调制器搬移频谱特性的不同分类\{\begin{array}{l}线性调制\\ 非线性调制\end{array}\end{array}$$

• 在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种：
  (一)对于模拟调制而言，主要有幅度调制(调幅，双边带调制)和角度调制(调频，调相)两种
  (二)对于数字调制而言，主要有脉冲调制(脉幅调制，脉宽调制等)以及增量调制等等

幅度调制系统的调制与解调

1. 标准双边带调幅
   双边带调制是一种利用均值为零的模拟基带信号m(t)与正弦载波c(t)相乘，从而将正弦波抑制在m(t)与-m(t)之间的载波线性调制技术

AM信号的调制与解调

• AM信号解调方法通常有两种：相干解调和非相干解调(包络检波)
  相干解调：接收端必须有一个与已调载波同频同相位的相干载波【载波：未受调制的周期性振荡信号称为载波，载波可以是正弦波，也可以是非正弦波】
  包络检波：接收端解调信号时不需要本地载波，而是利用已调信号中的包络信息来恢复原基带信号
  

2. 抑制载波双边带调幅

DSB信号的调制与解调

• 在AM信号中，如果将载波抑制，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带调幅
• DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，不能采用包络检波方法恢复调制信号，必须采用相干解调
  

3. 单边带调幅

SSB信号的调制与解调

• DSB信号虽节省了载波功率，调制效率提高了，但仍有两个边带，频带宽度与普通调制AM信号相同。由于两个边带所携带信息相同，传输其中一个边带即可，该方式是单边带调制。
• 与DSB信号一样，SSB信号的包络不再与调制信号m(t)成正比，也不能采用简单的包络检波，需采用相干解调

4. 残留边带调幅
   VSB信号的调制与解调

• 残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的问题。
• 残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波，而必须采用相干解调

角度调制系统的调制与解调
$$角度调制\{\begin{array}{l}频率调制(FM)：载波的振幅不变，载波的瞬时角频率偏移d\phi (t)/dt按照调制信号m(t)的规律变化\\ 相位调制(PM)：载波的振幅不变，载波的相位随基带信号变化\end{array}$$

• 将调制信号先积分，而后进行调相，得到的是调频信号；将调制信号先微分，而后进行调频，得到的是调相信号
  $$根据调制后载波瞬时相位偏移的大小分类\{\begin{array}{l}窄带调频(WBFM)\\ 宽带调频(NBFM)\end{array}$$
• 宽带与窄带调制的区分并无严格的界限，但通常认为由调频所引起的最大瞬时相位偏移远小于30°称为窄带调频

各种模拟调制方式的性能主要从抗噪性能和频带利用率两个方面进行比较
(1)抗噪性能：WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM与AM接近。
(2)频带利用率：SSB最好，VSB与SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

• 2ASK信号的解调：非相干解调法(包络检波法)和相干解调法
  
• 2FSK信号的解调：包络检波法、相干检测法和过零检测法
• 2PSK和2DPSK信号的解调：相干解调法(极性比较法)和差分相干解调法(相位比较法)【2DPSK与2PSK相比，只是多了一个码变换器，其作用是将绝对码变换为相对码】
  

信源编码

$$模拟信号转换为数字信号的三个步骤?\begin{array}{l}抽样\{\begin{array}{l}低通信号的抽样定理\\ 带通信号的抽样定理\end{array}\\ 量化\{\begin{array}{l}均匀量化\\ 非均匀量化\end{array}\\ 编码\end{array}$$

传输线路码型

1. 二元码
   (1)单极性不归零码
   (2)双极性不归零码
   (3)单极性归零码
   (4)双极性归零码
   (5)双相码
   (6)CMI码
   (7)DMI码
   (8)密勒码

2. 三元码
   (1)AMI码
   (2)HDB?码

码间串扰

• 码间串扰：数字基带信号通过基带传输系统时，由于传输特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前个码元波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元判决造成的干扰。
• 消除码间串扰的方法就是要基带传输系统的冲激响应波形h(t)仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0。也就是说，若h(t)的抽样值除在t=0时刻不为零外，在其他所有抽样点上均为零，就不存在码间串扰。

眼图

• 在实际系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
• 眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形，它包含了丰富的信息，从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而估计系统优劣程度，因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。
  
  (1)最佳抽样时刻应在"眼睛"张开最大的时刻。
  (2)对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏
  (3)在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。
  (4)眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平
  (5)在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决
  (6)对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响

复用技术

• 复用是指将多路信号复合在一起进行传输的专门技术。
  $$复用技术?\begin{array}{l}按照频率参量的差别来分割信号的多路复用——频分复用(FDM)\\ 按照时间参量的差别来分割信号的多路复用——时分复用(TDM)\\ 按照码型(波形)结构的差别来分割信号的多路复用——码分复用(CDM)\\ 按照光纤传输波长的差别实现多路复用——波分复用(WDM)\end{array}$$
• 在卫星通信系统、移动通信系统、计算机通信网等通信系统中，通信台(站)的地理位置分布较广，而且有可能在大范围移动。因此，需要采用不同的地址(多址方式)实现任意点、任意时间及任意对象之间的信息交换。
  $$多址技术?\begin{array}{l}按地球站分配的射频不同来区分地球站的站址——频分多址(FDMA)\\ 按分配的时隙不同来区分站址——时分多址(TDMA)\\ 按相互正交的码字来区分站址——码分多址(CDMA)\\ 按卫星天线指向地球站的波束不同来区分站址——空分多址(SDMA)\end{array}$$
• 多址技术和复用技术都是为了共享通信资源，它们均源于信号正交分割的原理，使各路信号具有不同的特征，相当于赋予各路信号不同的地址，根据特征的差异来实现互不干扰的通信。

同步技术

• 在数字通信系统中，同步是一个非常重要的问题。为了保证整个通信系统正常工作，收发双方必须有个统一的时间标准。这个时间标准就是靠定时系统完成收发双方时间的一致性，即同步。
  $$同步技术?\begin{array}{l}异步传输和同步传输\\ 载波同步、位同步、群同步和网同步\\ 外同步和自同步\end{array}$$

在数字频带传输系统中，采用相干解调时，接收端需要产生一个与接收信号中的调制载波同频的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。
位同步又称码元同步：在接收端提取定时脉冲序列的过程
接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号，则称获得这些定时序列的过程为群(或帧)同步
为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和交换数据，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。
由发送端发送专门的同步信息(常被称为导频)，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法称为外同步；发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法称为自同步。