1、第一章 绪论第一章第一章 绪论绪论1.1 信息技术信息技术1.2 通信系统通信系统1.3 信号信号1.4 带宽和信息容量带宽和信息容量第一章 绪论1.1-信信 息息 技技 术术信息技术概括起来包括两类:信息处理技术与信息传输技术。信息是一个抽象的概念。信息的具体形式有:语言、文字、符号、音乐、图形、图像和 数据。将表示声音和图像等的物理信号,经过传感器转换为电信号,就成为我们处理的对 象。人们从这些信号中获取信息。第一章 绪论通信的任务是传递信息,即将经过处理的信息从一个地方传递到另一个地方。对于信 息传输最主要的要求就是传输的可靠性和有效性。信息处理的目的就是更有效、更可靠地 传递信息。传递
2、信息可以通过有线方式,也可以通过无线方式。通信作为无线电技术最早 的应用,其系统组成和工作过程很典型地反映了无线电技术的基本问题。通信技术的发展 和现代化也充分反映了无线电技术的发展和现代化。第一章 绪论1.2 通通 信信 系系 统统一切能完成信息传输任务的系统都可以称为通信系统。高频电路是通信系统,是无线 通信系统的基础,是无线通信设备的重要组成部分。通信系统的基本任务是从一个地方向另一个地方传送信息。第一章 绪论1.2.1-无线通信系统的组成无线通信系统的组成 了解通信系统的构成,有利于掌握通信系统的基本原理及通信电子线路的组成原理。通信系统的核心部分是发送设备和接收设备。不同的通信系统的
3、发送设备和接收设备组成 不完全相同,但其基本结构有相似之处。通信系统通常分为有线通信系统和无线通信系 统,我们常见的无线通信系统有广播通信系统、移动通信系统等。一个完整的通信系统基 本组成框图如图1.1所示。第一章 绪论图1.1-通信系统基本组成框图第一章 绪论1.2.2 发射系统发射系统 信源是指需要传送的原始非电物理量信息源,如语音、音乐、图像、文字等。信源经输 入变换器后转换成电信号。输入变换器的主要任务是将要传递的语音、音乐、图像、文字等信息变换为电信号,该电信号包含了原始消息的全部信息(允许存在一定的误差,或者说信息损失)。这类信号 的频率一般比较低,称为“基带信号”。输入变换器输出
4、的基带信号作为通信系统的信号 源。基带信号不一定适合在信道上直接传输,可将其送入发送设备,变换成适合信道传输 的信号后再送入信道。第一章 绪论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。图1.2所示为无线通信发送设备组成框图。第一章 绪论图1.2 无线通信发送设备第一章 绪论1.2.3 接收系统接收系统 接收设备主要有三大任务:
5、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。图 1.3 所示是通信系统中调幅式无线电接收设备 的组成框图。第一章 绪论图1.3 无线通信接收设备第一章 绪论1.2.4 信道信道 信道是信号传输的通道,也就是传输媒介,不同的信道有不同的传输特性。信道包括 有线信道和无线信道。有线信道有架空明线、同轴电缆、波导管和光缆等,无线信道主要 第一章 绪 论 3 有大气层、海水或外层空间等。无线电波在空间传播的性能与大气结构、高空电离层结构、大地的衰减以及无线电波的频率、传播路径等因素密切相关,因此,不同频段无线电波的 传
6、播路径及其受上述各种因素的影响程度也不同。第一章 绪论无线电波在空间的传播速率与光速相同,约为 3108 m/s。无线电波的波长、频率和 传播速率的关系为式中,是波长,c是传播速率,f 是频率。由于电波的传播速率固定不变,所以信号频率 越高,波长越短。第一章 绪论电磁波在空间的传播途径有三种。第一种是沿地面传播,称为地波,如图1.4(a)所示。第二种是依靠电离层的反射传播,称为天波,如图1.4(b)所示。第三种是在空间直线传播,称为直线波或者空间波,如图1.4(c)所示。第一章 绪论图1.4 无线电波的传播方式第一章 绪论1.2.5 无线通信系统的类型无线通信系统的类型 通信系统的种类很多。按
7、照所用信道的不同,可以分为有线通信系统和无线通信系 4 高 频 电 子 线 路 统;按照业务(即所传输的信息种类)的不同,可以分为电话、电报、传真和数据通信系统 等;按照通信系统中信道传输的基带信号不同,可以分为模拟通信系统和数字通信系统。第一章 绪论无线通信系统也有不同的划分方法。(1)按照工作频段或传输手段分类,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和 卫星通信等。(2)按照通信方式分类,主要有(全)双工通信、半双工通信和单工通信。(3)按照调制方式的不同来划分,有调幅(AM)通信、调频(FM)通信、调相(PM)通信 以及混合调制通信等。调幅是指载波信号的幅度随基带信号变化;调频是指载
8、波信号的频 率随基带信号变化;调相是指载波信号的相位随基带信号变化。第一章 绪论(4)按照传送消息的类型分类,有模拟通信和数字通信,也可以分为话音通信、图像 通信、数据通信和多媒体通信等。各种不同类型的通信系统,其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同,但是组成设 备的基本电路及其原理都是相同的,遵从同样的规律。本书将以模拟通信为重点来研究这 些基本电路,认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统中。第一章 绪论1.3 信信 号号在高频电路中,我们要处理的无线电信号主要有三种:基带(消息)信号、高频载波信 号和已调信号。所谓基带信号,就是没有进行调制的原始信号,也称调制信号。
9、高频载波 信号主要指用于调制的高频振荡(载波)信号和用于解调的本地振荡信号(或称恢复载波),一般为单一频率的正弦(或余弦)信号或脉冲信号。已调信号是调制信号对载波信号进行调 制以后所得到的信号。基带信号通常为低频信号,后两者为高频信号。第一章 绪论1.3.1-信号的分类信号的分类 1.确定信号与随机信号确定信号与随机信号 确定信号可用一确定的时间函数来表示,对于指定的某一时刻,可以确定一个相应的 函数值。例如,正弦信号就是确定信号。实际传输中的信号往往是不确定的,这种信号称 为随机信号。第一章 绪论2.周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号 周期信号按一定的时间间隔重复出现,其函数表达式为满
10、足这个表达式的最小T 值称为信号的周期。若令 T 趋于无限大,则周期信号就成为非 周期信号。第一章 绪论3.连续信号与离散信号连续信号与离散信号 如果在某一时间间隔内,除了若干不连续点之外,信号的函数表达式对一切时间值都 给出确定的函数值,这种信号称为连续信号。图 1.5(a)所示的正弦波信号就是连续信号。时间和幅值都连续的信号又称为模拟信号。如果信号的函数表达式中,只在某些不连续的时间值上有给定函数值,则这种信号称 为离散信号。图 1.5(b)所示即为离散信号。时间变量取离散值的信号称为离散时间信号。第一章 绪论图1.5 连续信号和离散信号第一章 绪论如果离散时间信号的幅值是连续的,可称其为
11、抽样信号。若离散信号的幅值也被限定 为某些离散值,即时间与幅值都具有离散性,则称其为数字信号。第一章 绪论4.能量信号与功率信号能量信号与功率信号 在一定的时间间隔里,将信号加在负载上,负载中就消耗一定的信号能量。将这个能 量值对于时间间隔取平均值,即得在此时间间隔内的信号平均功率。若时间间隔趋于无限 大,则有两种情况:信号总能量为有限值,信号平均功率为零,这种信号称为能量信号;或 者信号平均功率为有限值,信号能量为无限大,这种信号称为功率信号。周期信号都是功 率信号;只存在于有限时间内的非周期信号是能量信号;存在于无限时间内的非周期信号 可以是能量信号,也可以是功率信号。第一章 绪论5.噪声
12、噪声 在信号处理过程中会遇到各种无用的干扰信号。信号处理过程所引入的有害的干扰统 称为噪声。噪声根据来源不同可分为:(1)人为噪声,亦称可消除噪声,如电器设备火花所产生的高频脉冲、电源因滤波器 不良而产生的交流噪声,由系统设计或结构不完善所引起的振荡等。这些噪声都是随机出 6 高 频 电 子 线 路 现的,通过恰当的设计可以消除。第一章 绪论(2)无规则的自然噪声,是由大气中的闪电、银河系的辐射、太阳黑子活动等所引起 的噪声,这种噪声随频率上升而渐弱。(3)起伏噪声,这是由系统内部的有源器件和实体电阻所产生的,如电阻或导体中的 电子热运动引起的热噪声、半导体器件中载流子的扩散复合产生的随机噪声
13、等。这种噪声 在各种物理系统中都存在。起伏噪声的存在,使由电阻、导线、电子器件所构成的设备测 量微弱信号的能力大大下降。就接收设备而言,噪声限制了它接收微弱信号的能力。第一章 绪论噪声根据其特性可分为四类:热噪声、互调噪声、串话噪声和脉冲噪声。(1)热噪声是由电子在导体中的热运动产生的,它存在于所有电子器件和传输信道 中。热噪声是温度的函数,温度越高,热噪声能量越大。热噪声的幅度服从正态分布,其功 率谱密度为常数,即其具有均匀频谱,故热噪声也称为白噪声。热噪声所产生的干扰是不 可能被消除的。第一章 绪论 (2)互调噪声的表现是,当不同频率的信号共用同一传输系统时,可以产生这些频率 之间或这些频
14、率的整倍数之间的和频或差频分量,它们的出现将干扰原频率处的信号。互 调噪声是由通信系统中的非线性产生的。(3)串话噪声的表现是当使用电话时,除通信方外,还可以听到其他通话的声音。串 话是由线路间的耦合产生的。一般情况下,它与热噪声的幅度相当。第一章 绪论(4)脉冲噪声是一种不连续的、持续时间比较短而幅度较大的干扰信号。脉冲噪声多 是来自传输系统外部的干扰,如工业干扰、天电干扰等。脉冲噪声对模拟信号的影响不严 重,可表现为声音传输中的“咔啦”声,但其对数字信号传输系统的影响比较严重,会造成 误码,特别是连续产生误码,从而破坏了传输数据的正确性。第一章 绪论1.3.2 信号的时间特性和频谱特性信号
15、的时间特性和频谱特性 1.时间特性时间特性 确定信号可以用包含信号全部信息量的时间函数表示。因此,信号的特性首先表现为 它的时间特性。信号的时间特性是指信号随时间变化的情况。这种变化有两重意义:一个 意义是同一形状的波形重复出现的周期长短;另一个意义是信号波形本身变化的速率。时 间函数可以用时间域方法来进行分析,最主要的时间域分析方法是卷积。第一章 绪论2.频谱特性频谱特性 对于较复杂的信号(如话音信号、图像信号等),用频谱分析法表示较为方便。为了分 析信号的频率特性,可采用傅里叶级数、傅里叶变换等变换域方法。这是因为任何形式的 信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和。如图1.6
16、所示,图中包括一 重复频率为F 的方波脉冲信号、直流分量、基波分量和三次谐波分量。谐波次数越高,幅 度越小,其影响就越小。第一章 绪论周期性信号可以表示为许多离散的频率分量,如图1.7即为图1.6所示信号的频谱图,水平轴表示频率,垂直轴表示幅度。对于非周期性信号,可以用傅里叶变换的方法将其分 解为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分,它们分别反映信号中各个 频率分量的振幅和相位分布情况。从频谱特性上看,各个正弦分量的振幅和相位分别按频 第一章 绪 论 7 率高低排列,此频谱图即包含了信号的全部信息量。从理论上说,复杂信号的频谱可以扩 展至无限,但实际上,由于原始信号的能量一般都集
17、中在频率较低的范围内,高于某一频 率的分量可以忽略不计,因此每一信号的频谱都有一个有效的频率范围,称为信号的频 带。第一章 绪论图1.6 信号分解第一章 绪论图1.7 信号频谱 第一章 绪论3.信号传输频率信号传输频率(频率特性频率特性)无线电波段可以按频率划分,也可以按波长划分。表1-1列出按波长划分的波段名 称、相应的波长范围及相应的频段名称。不过,波段的划分是粗略的,各波段之间并没有 明显的分界线,所以各波段的衔接处,无线电波的特性也无明显差异。第一章 绪论第一章 绪论 话音频率(VoiceFrequencies,VF):包含与人类语音相关的频率,多用于标准电话 信道,通称话音频率或话音
18、频带信道。甚低频(VeryLowFrequencies,VLF):包括人类听觉范围的高端,多用于某些特 殊的政府或军事系统,比如潜艇通信。低频(LowFrequencies,LF):主要用于船舶和航空导航。中频(MediumFrequencies,MF):主要用于商业 AM 无线电广播(5351605kHz)。高频(HighFrequencies,HF):常称为短波(ShortWave)。大多数双向无线电通信 使用这个频段,业余无线电和民用波段(CB)无线电也使用 HF范围内的信号。第一章 绪论 甚高频(VeryHighFrequencies,VHF):常用于移动通信、船舶和航空通信、商业 F
19、M 广播(88108MHz)及部分商业电视广播(54216MHz)。特高频(UltraHighFrequencies,UHF):由商业电视广播的频道、陆地移动通信 业务、蜂窝电话、某些雷达和导航系统、微波及卫星无线电系统所使用。一般说来,1GHz 以上的频率被认为是微波频率,它包含 UHF范围的高端。超高频(SuperHighFrequencies,SHF):主要用于微波及卫星无线电通信系统。第一章 绪论 极高频(ExtremelyHighFrequencies,EHF):除了十分复杂、昂贵及特殊的应用 外,很少用于无线电通信。红外光(Infrared):0.3300THz范围内的信号,通常不
20、认为是无线电波。红外光 归入电磁辐射,通常与热有关系。可见光(VisibleLight):包括落入人类视觉可见范围(0.33PHz)内的电磁频率,可用于光波通信。光波通信常与光纤系统一起使用,近年来它已成为电子通信系统的一种 主要传输介质。第一章 绪论全部电磁频谱显示了各种业务的大概频段,如图1.8所示。图1.8 电磁频谱第一章 绪论当涉及无线电波时,通常使用波长而不是频率为单位。波长是电磁波的一个周期在空 间占用的长度(即在一个重复的波形中类似点之间的距离)。波长与波的频率成反比,且直 接与波传播的速度(电磁能量在自由空间中的传播速度被认为是光速,即3108 m/s)成正 比。频率、速度及波
21、长之间的关系:即第一章 绪论第一章 绪论图1.9 电磁波长谱第一章 绪论1.3.3 信号的传输特性信号的传输特性 在通信设备中,属于线性系统的电路有线性放大器、滤波器、均衡器、相加(减)器、微 分(积分)电路以及工作于线性状态下的反馈控制电路等。属于非线性系统的电路有谐振功 率放大器、倍频器、振荡器、相乘器及各种调制解调器等。信第一章 绪论1.信号通过线性系统信号通过线性系统 信号通过线性系统时,系统的特性可以用单位冲激响应h(t)表示,其系统框图示于 图 1.10。图1.10 线性系统第一章 绪论利用单位冲激响应h(t)可以分析信号通过线性系统的时域特性,系统输出和输入间 的关系可以用卷积积
22、分式表示:式中,ui(t)是系统的输入信号,uo(t)是系统的输出信号。第一章 绪论当信号通过非理想线性系统时,输出信号的频率特性或者幅频特性不是常数,或者相 频特性不是频率的线性函数;输出信号波形与输入信号波形相比,产生了失真。这是由于 信号通过线性系统时,改变了输入信号各频率分量之间的相对关系,它只会表现为信号波 形畸变,而不会增加新的频率分量,称这种失真为线性失真。第一章 绪论2.信号通过非线性系统信号通过非线性系统 信号通过非线性系统后,非线性系统的输出信号中将产生新的频率分量,这是非线性 系统最主要的特点。第一章 绪论第一章 绪论1.3.4 混合信号的传输特性混合信号的传输特性 混合
23、是组合两个或多个信号的过程,是电子通信中的一个基本过程。大体上有两种办 法组合成混合信号:线性的和非线性的。1.线性相加线性相加 当两个或多个信号在一个线性器件(如无源网络或小信号放大器)中组合时会出现信号 的线性相加,信号以这种方式组合没有新的频率产生,组合的波形只是各个信号的线性相 加。在录音领域中,线性相加有时称为线性混音,但是在无线电通信领域中,混频几乎总 是指非线性过程。第一章 绪论图1.11(a)显示了两个输入频率在一个小信号放大器中的组合。每个输入信号由增益(A)放大,因此输出为其中 第一章 绪论uout是包含两个输入频率的一个复杂波形且等于ua和ub 的代数和。图1.11(b)
24、显示了 ua 和ub 在时域中的线性相加,而图1.11(c)显示了其在频域中的线性相加。如果另一些输 入频率加到该电路上,它们同样与ua 和ub线性相加。在高保真音频系统中,输出谱只包 含原始的输入频率,因此要进行线性运算。但是在无线电通信中,调制经常需要进行非线 性混频。第一章 绪论图1.11-线性混合第一章 绪论 2.非线性混频非线性混频 当两个或多个信号在一个非线性器件(如一个二极管或大信号放大器)中组合时,会出 现非线性混频。非线性混频时,输入信号以非线性方式组合并产生额外的频率分量。下面 分析单频率输入信号通过非线性放大器的特性。第一章 绪论图1.12(a)显示了一个单频率输入信号由
25、一个非线性放大器放大。输入单频率信号时,其中,因此,第一章 绪论第一章 绪论图1.12 单输入频率的非线性放大第一章 绪论1.4 带宽和信息容量带宽和信息容量通信系统性能的两个最重要的限制是噪声和带宽。信号的带宽就是该信号中包含的最 高和最低频率之差,通信信道的带宽就是该信道允许通过的最高频率和最低频率之差(即 它的通带)。通信信道的带宽必须足够大(宽),以通过所有重要的信号频率。第一章 绪论信息论(InformationTheory)是研究有效利用带宽,通过电子通信系统传输信息的理 论。信息论可用来确定通信系统的信息容量(InformationCapacity)。信息容量是对给定时 间内通过
26、一个通信系统可以传输多少信息的一种度量。通过一个传输系统可以传输的信息 量是系统带宽和传输时间的函数。第一章 绪论 1920年贝尔实验室的哈特莱(R.Hartlev)导出了带宽、传输时间和信息容量之间的关系。哈特莱定律简单地说明:带宽愈宽,传输时间愈长,能 够通过该系统传送的信息就愈多。数学上,哈特莱定律表达为其中:I 为信息容量;B 为系统带宽(Hz);t为传输时间(s)。第一章 绪论 1948年,香农(C.E.Shannon,也是贝尔实验室的成员)在贝尔系统技术杂志上发表了 一篇论文,论述了通信信道的信息容量(单位为比特每秒)与带宽和信噪比的关系。数学 上,香农信息容量极限表述为 或第一章 绪论对于信噪功率比为 1000(30dB),带宽为 2.7kHz的标准话音频带通信信道,信息容 量的香农极限为第一章 绪论公式(1-13)可以改写,用来确定通过一个系统传送给定数据量需要多少带宽:
