第 1 章 通信与通信系统的基本概念

1. 第1章 通信与通信系统的基本概念 • 1.1 通信的概念 • 1.2 通信系统 • 1.3 通信方式 • 1.4 信道和传输介质 • 1.5 信号与噪声 • 1.6 信号频谱与信道通频带 通信技术基础 • 王钧铭

2. 1、模拟调制 • 让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。

3. 调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。 • 那么为什么要对信号进行调制处理？什么是调制呢？我们先看看下面的例子。 • 我们知道，通信的目的是为了把信息向远处传递（传播）,那么在传播人声时，我们可以用话筒把人声变成电信号，通过扩音机放大后再用喇叭（扬声器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此声音可以传得比较远。

5. 但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低，人们是无法接受的；二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为：但如果我们还想将声音再传得更远一些，比如几十千米、几百千米，那该怎么办？大家自然会想到用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题，一是铺设一条几十千米甚至上百千米的电缆只传一路声音信号，其传输成本之高、线路利用率之低，人们是无法接受的；二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸可比拟，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。而音频信号的频率范围是20Hz～20kHz，最小的波长为： 式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速）（m/s）；f为音频（Hz）。

6. 可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。可见，要将音频信号直接用天线发射出去，其天线几何尺寸即便按波长的百分之一取也要150米高（不包括天线底座或塔座）。因此，要想把音频信号通过可接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率（频率越高波长越短）。 • 第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬”到高频载波上去（或者说把低频信号“变”成高频信号）。 • 两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。

7. 1.1 调制的功能与分类 • （1）调制的功能（Function） • 对消息信号进行频谱搬移，使之适合信道传输的要求； • 把基带信号调制到较高的频率(一般调制到几百kHz到几百MHz甚至更高的频率)，使天线容易辐射； • 便于频率分配：为使无线电台发出的信号互不干扰，每个发射台都被分配给不同的频率； • 有利于实现信道多路复用，提高系统的传输有效性 Internet技术的广泛应用； • 可以减小噪声和干扰的影响，提高系统的传输可靠性。

8. （2）调制的分类（Classification） • 根据调制信号分类 • 模拟调制：调制信号是模拟信号的调制； • 数字调制：调制信号是数字信号的调制。 • 根据载波分类 • 连续载波调制：以正弦信号作载波的调制； • 脉冲载波调制：以脉冲序列作载波的调制。载波信号是时间间隔均匀的矩形脉冲。

9. 根据调制器的功能分类 • 幅度调制：调制信号改变载波信号的振幅参数，即利用的幅度变化来传送的信息。如调幅(AM)、脉冲振幅调制(PAM)和振幅键控(ASK)等。 • 频率调制：调制信号改变载波信号的频率参数，即利用的频率变化来传送的信息。如调频(FM)、脉冲频率调制(PFM)和频率键控(FSK)等。 • 相位调制：调制信号改变载波信号的相位参数，即利用的相位变化来传送的信息。如调相(PM)、脉冲位置调制(PPM)、相位键控(PSK)等。

10. 根据调制前后信号的频谱结构关系分类 • 线性调制：输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间呈线性关系，如(AM)、双边带调制(DSB)、单边带调制(SSB)等。 • 非线性调制：输出已调信号的频谱和调制信号的频谱之间没有线性对应关系，即已调信号的频谱中含有与调制信号频谱无线性对应关系的频谱成分，如FM（Frequency Modulation ）、PM（Phase Modulation）等。

11. （1）常规双边带调制（AM，Amplitude Modulation）系统 常规双边带调制(AM)信号的时域表示为： 信号调制过程中的波形及频谱变化如图所示。 1.2 线性调制系统

13. AM的调制电路框图如下所示：

14. AM的解调通常有两种方式: • 直接采用包络检波法：用非线性器件和滤波器分离提取出调制信号的包络，获得所需的信息，也称之为信号的非相干检波，其原理框图如图（a）所示。 • 相干解调：通过相乘器将收到的信号与接收机产生的、与调制信号中的载波同频同相的本地载波信号相乘，然后再经过低通滤波，即可恢复出原来的调制信号，如图（b）所示。

16. （2）抑制载波的双边带调制(DSB，Double Sideband Modulation) • 常规双边带调制的最大缺点就是调制效率低，其功率中的大部分都消耗在本身并不携带有用信息的直流分量上，如果将这个直流成分完全取消，则效率可以提高到100%，这种调制方式就是抑制载波双边带调制，简称DSB。其已调信号的时域表达式为： • 信号调制过程中的波形及频谱变化如图所示。

18. 其调制电路框图如图所示: • 由于输出信号的包络不再具有调制信号的形状，它只能使用相干解调方式，才能恢复出原来的调制信号，如图所示：

19. 从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上下两个边带是完全对称的，即两个边带所包含的信息完全一样。那么在传输时，实际上只传输一个边带就可以了，而双边带传输显然浪费了一个边带所占用的频段，降低了频带利用率。对于通信而言，频率或频带是非常宝贵的资源。因此，为了克服双边带调制这个缺点，人们又提出了单边带调制的概念。从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上下两个边带是完全对称的，即两个边带所包含的信息完全一样。那么在传输时，实际上只传输一个边带就可以了，而双边带传输显然浪费了一个边带所占用的频段，降低了频带利用率。对于通信而言，频率或频带是非常宝贵的资源。因此，为了克服双边带调制这个缺点，人们又提出了单边带调制的概念。 从结果上看，单边带调制就是只传送双边带信号中的一个边带（上边带或下边带）。所以，产生单边带信号最直接的方法就是从双边带信号中滤出一个边带信号即可。这种方法称为滤波法，是最简单、最常用的方法。下图是滤波法模型的示意图。 （3）单边带调制（ SSB，Single Sideband Modulation ）

20. 我们用单边带信号的频谱图来说明滤波法的原理（见下图）。我们用单边带信号的频谱图来说明滤波法的原理（见下图）。

22. 单边带调制的优点： • （1）受多径传播引起的选择性衰落的影响比DSB调制小； • （2）频带利用率比DSB调制高； • （3）所需发射功率也比DSB调制小； • （3）保密性强，普通调幅接收机不能接收SSB信号。 • 主要缺点： • （1）接收机需要复杂且精度高的自动频率控制系统来稳定本地载波的频率和相位； • （2）对于低通型调制信号（含有直流或低频分量的信号）用滤波法的时候，要求滤波器的边缘必须很陡峭。

23. （4）残留边带调制( VSB-AM，Vestigial Sideband-Amplitude Modulation) • 低通型调制信号由于上下边带的频谱靠得很近甚至连在一起，因此用滤波器很难干净彻底地分离出单边带信号，甚至得不到单边带信号。而在现实生活中，有很多情况需要传送低通型调制信号，比如电视的图像信号（频带为0～6MHz）。那么如何解决SSB中滤波器的难度问题和DSB的频带利用率低的矛盾呢？人们想了一个折衷的方法，既不用DSB那么宽的频带，也不用SSB那么窄的频带传输调制信号，而在它们之间取一个中间值。使得传输频带既包含一个完整的边带（上边带或下边带）,又有另一个边带的一部分，从而形成一种新的调制方法——残留边带调制。残留边带调制在原理上可以采用移相法或滤波法，通常多采用滤波法，如图所示。

24. 从图可看出VSB和SSB在原理上差不多。但为了接收端能够无失真地恢复出调制信号，对残留边带滤波器有一个要求，即残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称特性。从图可看出VSB和SSB在原理上差不多。但为了接收端能够无失真地恢复出调制信号，对残留边带滤波器有一个要求，即残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称特性。

25. VSB滤波器互补特性示意图

26. VSB信号频谱示意图

27. 1.3 非线性调制系统 • 前面讲的DSB、AM、SSB和VSB都是幅度调制，即把欲传送的信号调制到载波的幅值上。而我们知道一个正弦型信号由幅度、频率和相位（初相）三要素构成，既然幅度可以作为调制信号的载体，那么其它两个要素（参量）是否也可以承载调制信号呢？回答是肯定的，这就是我们将要介绍的频率调制和相位调制，统称为角调制。 • 调相信号和调频信号不满足线性关系，所以它们都属于非线性调制。不管是调频还是调相，调制信号的变化最终都反映在瞬时相位φ(t)的变化上。所以，从已调信号的波形上分不出是调相信号还是调频信号。

28. 下面以调制信号为一单频余弦波的特殊情况为例，给出调相信号和调频信号的示意图。设下面以调制信号为一单频余弦波的特殊情况为例，给出调相信号和调频信号的示意图。设 • f(t)=Amcosωmt • 则有 • sPM(t)=Acos(ωct+KpAmcosωmt) • =Acos(ωct+βpcosωmt) • sFM(t)=Acos(ωct+KfAm∫cosωmtdt) • =Acos(ωct+βfsinωmt) • 式中,βp=KpAm称为调相指数;βf=KfA m/ωm称为调频指数。因为KfAm实际上就是调频信号的最大频偏Δωmax，所以有Δωmax=KfAm

29. 角调制信号示意图

30. 窄带角调制和宽带角调制 • 角调制根据已调信号瞬时相位偏移的大小，划分为两种调制即窄带角调制和宽带角调制。通常把调制指数（βp=KpAm和βf=KfAm/ωm）远远小于1的调制称为窄带调制;反之，称为宽带角调制。而调制指数远远小于1与最大瞬时相位偏移小于30度等价，所以，窄带、宽带之分也可用最大瞬时相位偏移做标准。即

31. 窄带调频 • 窄带调频的频谱与AM的频谱的相似性： • （1）有载波分量和载频两边的边带； • （2）其带宽也是调制信号最高频率分量的两倍。 • 窄带调频的频谱与AM频谱的主要不同之处： • （1）下边频的相位与上边频相反（正、负频率分量相差180°）； • （2）正、负频率分量分别乘有因式1/(ω-ωc)和1/(ω+ωc)。频谱示意图见下图。

32. 调幅信号与窄带调频信号频谱示意图

33. 宽带调频 • 单频宽带调频的频谱包含有载波、各次边带谐波及各种交叉调制谐波，它形成一个无限宽的频谱结构且频谱对称分布于载频两侧；尽管宽带调频信号的频谱为无限宽，但其频谱的主要成分集中于载频附近的有限带宽内。所以，单频宽带调频同样具有有限的带宽，计算公式为 式中,BFM是调频信号频带宽度，fm是调制信号的频率，Δfmax是最大频偏，该式叫做卡森公式。

34. 2 模拟通信系统应用举例 2.1 模拟电话多路复用系统 目前，多路载波电话系统是按照CCITT建议，采用单边带调制频分复用方式。北美多路载波电话系统的典型组成如下图 所示。图 (a)是其分层结构，由12路电话复用为一个基群(Basic Group)；5个基群复用为一个超群(Super Group)，共60路电话；由 10 个超群复用为一个主群(Master Group)，共600路电话。如果需要传输更多路电话， 可以将多个主群进行复用，组成超主群。每路电话信号的频带限制在 300～3400Hz，为了在各路已调信号间留有保护间隔，每路电话信号取4000 Hz作为标准带宽。

35. 北美多路载波电话系统的典型组成

36. 一个基群(Basic Group)由12路电话复用组成， 其频谱配置如上图(c)所示。每路电话占4kHz带宽，采用单边带下边带调制(LSB)，12路电话共48kHz带宽，频带范围为 60～108 kHz。或采用单边带上边带调制(USB)，频带范围为148 ～196 kHz。  一个基本超群(Basic Supergroup)由5个基群复用组成，共60路电话，其频谱配置如上图(d)所示。5个基群采用单边带下边带合成，频率范围为312～552kHz，共240kHz带宽。 或采用单边带上边带合成，频率范围为60～300kHz。 一个基本主群(Basic Mastergroup)由10个超群复用组成， 共600路电话。主群频率配置方式共有两种标准：L600和U600，其频谱配置如下图所示。L600的频率范围为60~2788kHz，U600的频率范围为564~3084kHz。

37. 主群频率配置

38. 2.2 调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting) 调频立体声广播系统占用频段为88~108 MHz，采用FDM方式。在调频之前，首先采用抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差(L-R)与左右两个声道信号之和(L+R)实行频分复用。立体声广播信号频谱结构如图 10 - 5所示。 图中，0~15 kHz用于传送(L+R)信号，23~53 kHz用于传送(L-R)信号， 59~75 kHz用作辅助通道。在19 kHz处发送一个单频信号，用于接收端提取相干载波和立体声指示。调频立体声广播系统发送与接收原理图如下图 所示。 

39. 立体声广播信号频谱结构

40. 调频立体声广播系统发送与接收原理图 (a) 发送端; (b) 接收端

41. 2.3 广播电视 • 地面广播是相对于卫星广播而言的， 地面广播的发射天线常置于广播区域的制高点上， 例如山顶或高楼顶上， 以扩大电视广播的覆盖区域。

43. 图像信号的最高频率为6 MHz， 调幅波频谱宽度为12 MHz。 频带越宽， 电视设备越复杂， 在固定频段内电视频道数目越少， 所以必须压缩频带宽度。 由于载频不含信息， 上、 下边带携带的信息相等， 因此可以考虑单边带发送， 但为了便于图像传输， 地面广播采用残留边带发送方式， 即对0～0.75 MHz图像信号采用双边带发送， 0.75～6 MHz图像信号采用单边带发送。

45. 2.4 模拟移动通信系统 • 模拟蜂窝网移动通信系统采用频率再用技术，它是小区制大容量公用移动电话系统。模拟蜂窝系统正式投入商业运行是在20世纪80年代，其后得到了迅速发展。目前，在国际上有多种系统运行，我国900MHz频段的模拟蜂窝移动通信系统采用 TACS制式，即频段为 890～915 MHz与935～960 MHz，双工频率间隔 45 MHz。由于数字移动通信系统的迅速发展，我国已于2002年1月1日停止使用模拟蜂窝移动通信系统。

47. 蜂窝网移动电话系统本身由三大部分组成，即移动电话交换局（MTSO） 、基站（BS）和移动台（MS）。 • 移动电话交换局MTSO（或MSC）是基站与市话网之间的接口，是蜂窝网控制中心。它不仅具有一般程控交换机所具有的交换、控制功能，还具有适应移动通信特点的移动性管理功能，例如对移动台的识别和登记、频道指配、过境切换处理、漫游和呼叫处理等，以完成移动用户主呼或被呼所必须的控制。根据服务区域及移动用户的多少，在一个MTSO所管辖范围内建立几十个甚至几百个基站，通常以7个小区（采用扇区天线）或12个小区（采用全向天线）组成一个区群，区群之间互相邻接，并实现频率再用，提高频率利用率。

48. 基站通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理。同时基站与移动交换中心MTSO相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。每个基站主要由基站控制器和多部信道机等组成，基站控制器用于与移动电话局、移动台进行信令交换和控制。信道机的数量取决于基站同时与移动台通话的用户数目。它们以频分多址方式工作，对每个用户使用一对不同的双工频率进行发射和接收信号。基站信道机主要由发射机、接收机组成。此外，每个基站还配有定位接收机，监测移动台位置，以便为过境切换服务。为了确定是否需要进行频道切换，通常每隔几秒钟对每一个工作的话音信道进行跟踪定位测量。

49. 移动台是用户终端设备，可以是装载在汽车上的车载式无线电话机，也可以是手持式无线电话机。它们都由发射机、接收机、逻辑控制单元、按键式电话拨号盘和送受话器等组成，其主要差异在于发射机功率大小和天线尺寸。

50. 本节内容总结： • 模拟调制：AM、DSB、SSB、非线性调制； • 模拟通信系统：模拟电话多路复用系统、调频立体声广播、广播电视、模拟移动通信系统。