關(guān)于通信原理的一點總結(jié)

　　學(xué)了通信原理這門課，一開始覺得很難，而且聽學(xué)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(xué)，不然自己復(fù)習(xí)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(dāng)然對于我這樣的人，總是上課時算是比較認(rèn)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(diào)制啦，這樣一些概念，但這些技術(shù)在一個通信系統(tǒng)中又是出于什么樣的位置，該怎樣應(yīng)用這些技術(shù)組成一個通信系統(tǒng)，對此我還是一概不知。然而經(jīng)過期末前的復(fù)習(xí)，我感覺自己對通信系統(tǒng)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(xué)習(xí)過程以及對通信系統(tǒng)的了解來說明這些技術(shù)的應(yīng)用。

　　下面是我畫的認(rèn)為比較完整的通信系統(tǒng)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(jīng)過采樣保持電路，我們就得到PAM信號，如圖

　　離散信號經(jīng)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(guī)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(jìn)行歸類，這就是量化。

　　之后將量化了的信號進(jìn)行編碼，編碼是一種認(rèn)為規(guī)定的過程比如我們規(guī)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(jìn)制信號有了一種對應(yīng)關(guān)系，順著這種對應(yīng)關(guān)系，我們可以得到剛才量化了的信號的二進(jìn)制代碼，這就是PCM編碼得到了可以在存儲器中存儲的數(shù)字信號。

　　以上從模擬到數(shù)字信號的一種轉(zhuǎn)變就是我們常說的A/D轉(zhuǎn)換。至于我們平時要求的轉(zhuǎn)換比特率的求法可以從它的轉(zhuǎn)換過程得出計算方法。一個PAM信號對應(yīng)一個檔次，而一個檔次對應(yīng)幾個比特的數(shù)字是在編碼中體現(xiàn)的，例子中就是一個檔次對應(yīng)兩個比特，假設(shè)這種對應(yīng)關(guān)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(zhuǎn)換成F*N個比特，所以比特率就是F*N了。

　　對于完成轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，我們?nèi)绾翁幚砟?有的是被放進(jìn)存儲器中存儲了，有的是到CPU中進(jìn)行計算，加密等處理了。

　　通常為了達(dá)到通信目的，我們就要將數(shù)字信號傳遞并且轉(zhuǎn)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(shù)字信號，這些信號是基帶信號，不容易傳輸，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)就可以轉(zhuǎn)換成高頻信號而被發(fā)送設(shè)備以各種形式比如微波，光信號傳播出去。發(fā)送這些高頻信號的速度關(guān)系到發(fā)送的比特率注意與前面的轉(zhuǎn)換的比特率有不同。假如整個發(fā)送端可以發(fā)送四中波形A，B，C，D，它們可以分別表示發(fā)送了00，01，10，11信號，那么我們就說發(fā)送一個符號(即波形)就是發(fā)送了兩個比特了。由此得到符號率與比特率的關(guān)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(yīng)。

　　接收設(shè)備將這些信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過解調(diào)器，就可以還原基帶信號，同樣可以將它們放進(jìn)存儲器存儲，這可以理解成網(wǎng)絡(luò)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(shù)字序列轉(zhuǎn)換成各種量化的臺階(檔次)信號。

　　最后將臺階信號進(jìn)行填充恢復(fù)，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(shù)字化，那么我們可以進(jìn)行模擬調(diào)制，同樣可以發(fā)送出去，這個過程要簡單很多。

　　當(dāng)然，這里所講的只是我們學(xué)習(xí)中所涉及的一些概念，完整的通信系統(tǒng)還有更多要考慮的，這只是我覺得通信過程的關(guān)鍵的骨架問題。

　　還有幾個概念是對它們的理解和總結(jié)，希望可以和大家分享。

　　1.二進(jìn)制比特率與信息量中的比特率。

　　因為我們假定二進(jìn)制信號是等概率發(fā)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(fā)送的一個二進(jìn)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(xù)時間為T的方波，它的頻譜是一個SINC函數(shù)，零點帶寬是1/T，即時間的倒數(shù)。當(dāng)然，方波的帶寬是無限大的，因此這樣的波形在現(xiàn)實中是很難實現(xiàn)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(jīng)過了過濾的波形。

　　在這里我們可以聯(lián)系到吉布斯現(xiàn)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(zhuǎn)折點處就是一個極快的變化也就是有頻帶的高頻部分構(gòu)成，而經(jīng)過帶限的濾波之后，高頻被濾去，得到的波形在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折點)變化慢，由此產(chǎn)生吉布斯現(xiàn)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?dāng)_而設(shè)計的。碼間串?dāng)_是指各個時間點上發(fā)送的符號并非準(zhǔn)確的方波，而是在規(guī)定的時間內(nèi)仍有余波，于是對下一個時刻發(fā)送的符號產(chǎn)生影響，最后可能因為影響的疊加效果而使后果嚴(yán)重，得到相反的采樣結(jié)果。注意我們這里講的碼間串?dāng)_都是發(fā)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(yīng)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(yīng)圖，下半部分是濾波結(jié)果在時間域上的波形圖。

　　我們可以這樣思考，發(fā)送的基帶波形是在一定的帶限內(nèi)的，假如說要求發(fā)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(fā)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(dāng)波形用SINC函數(shù)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(dāng)然，我們這里表示的只是發(fā)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(tǒng)在任何時候發(fā)送符號是使用的帶寬f0都是固定的，在1時間段內(nèi)發(fā)送的波形的帶寬在f0以內(nèi)，那么我們完全有理由相信在2時間段內(nèi)發(fā)送的波形的帶寬必然在f0以內(nèi)，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(nèi)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?dāng)_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(tǒng)的絕對帶寬在增加。根據(jù)升余弦滾降濾波器的定義我們得到這樣一個關(guān)系D=2* f0/(1+r)。從以上的分析過程我們可以認(rèn)為1/2*f0就是發(fā)送的數(shù)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(fā)送的數(shù)字信號的帶寬，而與原始的模擬波的帶寬無關(guān)。

　　4.調(diào)制的一些想法。

　　在學(xué)習(xí)調(diào)制的過程中，我一直搞不清什么是調(diào)制信號，什么是載波。最后總算明白，原來(一般來講)調(diào)制就是將低頻信號(調(diào)制信號)攜帶的信息在另外一個高頻的信號(載波)上表現(xiàn)出來，表現(xiàn)的方法可以是改變載波的幅度或者相位或者頻率等。當(dāng)我們看到調(diào)制完成的波形是，發(fā)現(xiàn)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(diào)制信號有那些信息。載波就是用來攜帶低頻信號要表達(dá)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(xué)習(xí)通信原理中覺得關(guān)鍵要明白的只是點，這樣知識才可以融會貫通。