物联网无线通信技术第二章--通信原理
作者：互联网
通信是人与人之间、人与机器之间、机器与机器之间的信息传输、处理和再现信息的过程。它涉及信息的发送者、接收者和传输媒体。
模拟信号： 信号参量取值连续
数字信号：信号参量取值离散
信息是消息的 [内涵]，消息是信息的 [表现形式]，信号是消息的 [传输载体] 。
模拟信号：代表消息的某一电参量（幅度、频率、 相位等）在一定取值范围内连续变化的信号。
数字信号：代表消息的某一电参量（幅度、频率、相位等）在一定取值范围内跳跃变化，仅有有限个取值的信号。
区分原则：看卸携载消息的信号参量取值
通信系统的一般模型：
无线发送设备
发送设备主要有两大任务： 调制与放大。
调制就是将基带信号变换成适合信道传输的高频信号。在连续波调制中，是指用原始电信号(调制信号)去控制高频振荡信号(载波信号)的某一参数，使之随着调制信号的变化规律而变化。经过调制的高频信号称为已调信号。无线通信发送设备的任务就是将基带信号变换成适合在空间信道传输的高频信号。
基带信号： 是指来自信源的消息信号（原始电信号，也称调制信号）。可以是模拟，也可以是数字。
基带 — 信号的频谱从零频附近开始。如语音信号的频率范围为300-3400Hz，图像信号的频谱为0~6MHZ。
载波信号：未受调制的高频振荡信号。可以是正弦波，方波，三角波等。
已调信号 ：
- 是指受到调制后的已调载波信号。由于已调信号的频谱通常具有带通形式，所以已调信号也称带通信号。
- 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
- 由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段上，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做可以在一条线路中同时传送许多路的数字信号，因而提高了线路的利用率。
带宽(bandwidth, BW)表示一个电路能够处理的频率或信号所包含/占有的频率范围。
调制的目的：
- 将基带信号转换为适合信道传输的信号
- 便于电磁波辐射接收
天线长度至少为电磁波波长的1/10。那么如声音信号的低频信号就不能直接作为电波在空中发射,为了把需要传送的信号发送出去,就需使用某种方法将声音信号搬移到频率比声音信号高、适合在空中发射的信号上去。 - 便于多路频分复用
进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到不同的位置上，从而提高系统信息传输的信道容量。 - 提高抗干扰能力
根据香农定理，C=B*log2（1+S/N），B是带宽，S/N是信噪比，已调信号的带宽比基带信号的带宽大，故在C不变的情况下，信噪比提升，提高了抗干扰能力。
发送设备的另一个任务是放大，即对已调波信号的电压和功率进行放大、滤波等处理，使已调波信号具有足够大的功率以便送入信道。
在无线通信中，天线的作用是很重要的，它将已调信号转换成电磁波送入信道。由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射出去，天线的长度必须和电信号的波长为同一数量级。例如，音频信号的频率一般在 20 KHz 以下，对应波长为 15 Km 以上，直接传输时需要的天线约4 Km，但使用如此巨大的天线是不可能的。
此外，即使这样的天线制造出来，由于各个发射台发射的均为同一频段的低频信号，各信号在信道中会互相重叠、干扰，导致接收设备无法选择出所要接收的信号。因此，为了有效地进行传输，必须采用几百千赫以上的高频信号作为载体，将低频的基带信号“装载”到高频信号上(调制)，然后经天线发射出去。采用调制方式以后，由于传送的是高频信号，所需天线尺寸大大下降。同时，不同的发射台可以采用不同频率的载波信号，这样各种信号在频谱上就可以互相区分开了。
接收设备主要有三大任务： 选频、放大、解调。
接收设备将信道传送过来的已调信号从众多信号和噪声中选取出来，并对其进行处理，以恢复出与发送端一致的基带信号。接收设备的第一级是高频放大器。发送设备发出的信号经过长距离传播会受到很大的衰减，能量损失较大，同时，信号还受到传输过程中来自各方面的干扰和噪声。当达到接收设备时，信号是很微弱的，需要经过放大器进行放大。并且，高频放大器的窄带特性可以同时滤除一部分带外的噪声和干扰。高频放大器的输出是载频为fs的已调信号，经过混频器与本地振荡器提供的频率为fL的信号混频，产生频率为fI的中频信号。中频信号经中频放大器放大，送到解调器，恢复原基带信号，再经低频放大器放大后输出。
模拟通信系统
数字通信与模拟通信区别：
模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，如数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的。数字信号经过模拟调制也可以在模拟通信系统中传输，计算机数据基带信号经过调制解调器（Modem）进行正弦调制，就可以通过模拟电话线路传输。
数字通信的特点
优点
（1）抗干扰能力强，无噪声积累
（2）便于加密处理
（3）易于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低
（4）利于采用时分复用实现多路通信
（5）传输差错可控
（6）便于处理、变换、存储
缺点：
（1）需要较大的传输带宽
（2）对同步要求高
通信系统的分类 ：
按复用方式划分：频分、时分、码分复用。
按数字码元传输时序分：
并行传输：在并行信道上同时传输 n 个比特信息。
优点：节省传输时间，速度快; 不需要字符同步措施
缺点：需要 n 条通信线路，成本高
串行传输：数字码元序列按时间顺序一个接一个地在一条信道中传输。
优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用
缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施
随着技术的发展，以USB技术为代表串行传输速度已经超过了并行传输。
设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I (0) = I (1) =㏒2 2 =1 bit 可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1／2 ）的信息量为1比特。
通信系统的主要性能指标
- 可靠性(质量) 2. 有效性（速度）
模拟通信系统的性能指标：
有效性：可用有效传输频带来度量。
可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。
数字通信系统的性能指标
有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。
可靠性：常用误码率和误信率表示。
香农公式的意义 ：
- 提高信号与噪声功率比（简称信噪比）S/N，能增加信道容量；
- 当噪声功率N趋向０时，信道容量C趋向∞，这意味着无干扰信道容量为无限大；
- 增加信道带宽（也就是信号频带）B，并不能无限地使信道容量增大。
一、信道容量一定时，带宽与信噪比S/N之间可以彼此互换。
二、信道容量C是信道能传输的极限信息速率，通常把实现上述速率的通信系统称为理想通信系统。
三、香农公式只证明了理想系统的“存在性”，却没有给出这种通信系统的实现方法。因此，理想系统只能作为实际系统的理论极限。
四、上述公式都在信道噪声为高斯白噪声下得到的,对于其他类型的噪声,香农公式需要修正。
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