通信原理速查指南

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通信原理 - 引言

单词“communication”（通信）源于拉丁语“commūnicāre”，意思是“分享”。通信是信息交换的基本步骤。

例如，摇篮中的婴儿通过哭声来表达她需要母亲。牛在危险时会大声哞叫。人借助语言进行沟通。沟通是分享的桥梁。

**通信**可以定义为通过单词、行为、标志等方式在两个或多个个体之间交换信息的过程。

通信的必要性

对于任何生物来说，在共同存在的情况下，都会产生交换信息的必要性。每当需要交换信息时，就必须存在某种通信方式。虽然通信方式可以是任何东西，例如手势、标志、符号或语言，但对通信的需求是不可避免的。

语言和手势在人类交流中起着重要作用，而声音和行为对动物交流很重要。但是，当需要传达某些信息时，就必须建立沟通。

通信系统的组成部分

任何提供通信的系统都包含三个重要的基本部分，如下图所示。

• **发送者**是发送消息的人。它可以是信号从其传输的发射站。

• **信道**是消息信号传输以到达目的地的媒介。

• **接收者**是接收消息的人。它可以是接收传输信号的接收站。

什么是信号？

通过手势、声音、行为等方式传达信息可以被称为**信号传递**。因此，信号可以是**传输某些信息的能量源**。此信号有助于在发送者和接收者之间建立通信。

在通信系统中，传播一定距离以传达消息的电脉冲或电磁波可以称为**信号**。

根据其特性，信号主要分为两种类型：模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号进一步分类，如下图所示。

模拟信号

表示时变量的连续时变信号可以称为**模拟信号**。此信号会根据表示它的量的瞬时值随时间变化。

示例

让我们考虑一个水龙头，它在一个小时内（早上6点到7点）注满100升容量的水箱。注满水箱的部分由变化的时间决定。这意味着，15分钟后（早上6:15），水箱的四分之一被注满，而在早上6:45，水箱的四分之三被注满。

如果您尝试根据变化的时间绘制水箱中水量的变化部分，它看起来如下图所示。

由于此图像中显示的结果会随时间变化（增加），因此此**时变量**可以理解为模拟量。图中用倾斜线表示此状态的信号是**模拟信号**。基于模拟信号和模拟值的通信称为**模拟通信**。

数字信号

本质上是离散的或形式上不连续的信号可以称为**数字信号**。此信号具有单独表示的单个值，这些值不基于先前值，就好像它们是在该特定时刻导出的。

示例

让我们考虑一个有20名学生的教室。如果绘制他们一周的出勤情况，它看起来如下图所示。

在此图中，值是单独说明的。例如，星期三的课堂出勤率为20，而星期六为15。这些值可以单独或离散地单独考虑，因此它们被称为**离散值**。

只有1和0的二进制数字大多称为**数字值**。因此，表示1和0的信号也称为**数字信号**。基于数字信号和数字值的通信称为**数字通信**。

周期信号

任何模拟或数字信号，其模式在一个时间段内重复出现，都称为**周期信号**。此信号的模式会重复继续，并且易于假设或计算。

示例

如果我们考虑工业中的机器，则一个接一个发生的流程是一个连续且重复的过程。例如，采购和分级原材料、分批加工材料、一个接一个地包装产品等，会重复遵循一定的程序。

无论考虑模拟还是数字，这样的过程都可以用图形表示如下。

非周期信号

任何模拟或数字信号，其模式在一个时间段内不重复出现，都称为**非周期信号**。此信号的模式会继续，但模式不会重复，因此不容易假设或计算。

示例

如果考虑一个人的日常生活，它包括许多类型的需要不同时间间隔才能完成的工作。时间间隔或工作不会连续重复。例如，一个人不会从早到晚连续刷牙，而且时间间隔也相同。

无论考虑模拟还是数字，这样的过程都可以用图形表示如下。

一般来说，通信系统中使用的信号本质上是模拟的，根据需要，它们以模拟方式传输或转换为数字后传输。

但是，为了使信号在不受到任何外部干扰或噪声叠加的影响并且不会衰减的情况下传输到远处，它必须经历一个称为**调制**的过程，这将在下一章中讨论。

通信原理 - 调制

信号可以是任何东西，例如你喊叫时发出的声波。这种喊叫只能传到一定距离。但是，为了使相同的波传播更远的距离，你需要一种技术来增强此信号的强度，而不会干扰原始信号的参数。

什么是信号调制？

携带消息的信号必须传输到一定距离，为了建立可靠的通信，它需要借助高频信号，该信号不应影响消息信号的原始特性。

如果消息信号的特性发生变化，其中包含的消息也会改变。因此，必须注意消息信号。高频信号可以在不受到外部干扰的情况下传播到更远的距离。我们借助这种称为**载波信号**的高频信号来传输我们的消息信号。这样一个过程简单地称为调制。

**调制**是根据调制信号的瞬时值改变载波信号参数的过程。

调制的必要性

基带信号与直接传输不兼容。对于这样的信号，为了传播更远的距离，必须通过使用不会影响调制信号参数的高频载波进行调制来增加其强度。

调制的优点

如果没有引入调制，用于传输的天线必须非常大。通信范围受到限制，因为波无法传播到一定距离而不会失真。

以下是通信系统中实现调制的一些优点。

• 天线尺寸减小。
• 不会发生信号混合。
• 通信范围增加。
• 发生信号多路复用。
• 允许调整带宽。
• 接收质量提高。

调制过程中的信号

以下是调制过程中的三种类型的信号。

消息信号或调制信号

包含要传输的消息的信号称为**消息信号**。它是一个基带信号，必须经过调制过程才能进行传输。因此，它也称为**调制信号**。

载波信号

具有特定相位、频率和幅度但不包含任何信息的信号称为**载波信号**。它是一个空信号。它仅用于在调制后将信号携带到接收器。

调制信号

调制过程后的结果信号称为**调制信号**。此信号是调制信号和载波信号的组合。

调制类型

有许多类型的调制。根据所使用的调制技术，它们被分类如下。

调制类型主要分为连续波调制和脉冲调制。

连续波调制

在连续波调制中，高频正弦波用作载波。这进一步分为幅度调制和角调制。

• 如果高频载波的幅度根据调制信号的瞬时幅度变化，则这种技术称为**幅度调制**。

• 如果载波的角度根据调制信号的瞬时值变化，则这种技术称为**角调制**。

  调幅进一步分为调频和调相。

  • 如果载波的频率根据调制信号的瞬时值变化，则这种技术称为调频 (Frequency Modulation)。

  • 如果高频载波的相位根据调制信号的瞬时值变化，则这种技术称为调相 (Phase Modulation)。

脉冲调制

在脉冲调制中，使用周期性的矩形脉冲序列作为载波。这进一步分为模拟调制和数字调制。

在模拟调制 (analog modulation)技术中，如果脉冲的幅度、持续时间或位置根据基带调制信号的瞬时值变化，则这种技术称为脉冲幅度调制 (Pulse Amplitude Modulation, PAM)或脉冲持续时间/宽度调制 (Pulse Duration/Width Modulation, PDM/PWM)或脉冲位置调制 (Pulse Position Modulation, PPM)。

在数字调制 (digital modulation)中，使用的调制技术是脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation, PCM)，其中模拟信号被转换为1和0的数字形式。由于结果是编码脉冲序列，因此称为PCM。这进一步发展为增量调制 (Delta Modulation, DM)，将在后续章节中讨论。因此，PCM是一种将模拟信号转换为数字形式的技术。

通信原理 - 噪声

在任何通信系统中，在信号传输过程中或接收信号时，都会有一些不需要的信号进入通信，这使得接收者感到不愉快，从而质疑通信质量。这种干扰称为噪声 (Noise)。

什么是噪声？

噪声是不需要的信号，它会干扰原始消息信号并破坏消息信号的参数。通信过程中的这种改变导致消息被更改。它最有可能在信道或接收器处进入。

可以通过以下示例来理解噪声信号。

因此，可以理解噪声是没有模式且没有恒定频率或幅度的某些信号。它相当随机且不可预测。通常会采取措施来减少它，尽管它无法完全消除。

噪声最常见的例子是：

• 无线电接收机中的嘶嘶声 (Hiss)

• 电话交谈中的嗡嗡声 (Buzz)

• 电视接收机中的闪烁 (Flicker)等。

噪声的影响

噪声是一个影响系统性能的不便因素。以下是噪声的影响。

噪声限制了系统的运行范围

噪声间接地限制了放大器可以放大的最弱信号。混频器电路中的振荡器可能会由于噪声而限制其频率。系统的运行取决于其电路的运行。噪声限制了接收器能够处理的最小信号。

噪声影响接收机的灵敏度

灵敏度是获得指定质量输出所需的最小输入信号量。噪声会影响接收器系统的灵敏度，最终影响输出。

噪声类型

噪声的分类取决于噪声的来源类型、它所表现出的影响或它与接收器之间的关系等。

噪声产生的主要途径有两种。一种是通过一些外部来源 (external source)，另一种是由接收器部分内的内部来源 (internal source)产生的。

外部来源

这种噪声是由外部来源产生的，通常发生在通信介质或信道中。这种噪声无法完全消除。最好的方法是避免噪声影响信号。

示例

这种类型噪声最常见的例子是：

• 大气噪声（由于大气不规则性）。

• 地外噪声，例如太阳噪声和宇宙噪声。

• 工业噪声。

内部来源

这种噪声是由接收器组件在运行时产生的。电路中的组件由于持续运行，可能会产生几种类型的噪声。这种噪声是可以量化的。适当的接收器设计可以降低这种内部噪声的影响。

示例

这种类型噪声最常见的例子是：

• 热骚动噪声（约翰逊噪声或电噪声）。

• 散粒噪声（由于电子和空穴的随机运动）。

• 传输时间噪声（在传输期间）。

• 杂散噪声是另一种噪声，包括闪烁噪声、电阻效应和混频器产生的噪声等。

信噪比

信噪比 (Signal-to-Noise Ratio, SNR)是信号功率与噪声功率之比。SNR值越高，接收到的输出质量越高。

可以使用以下公式计算不同点的信噪比：

$$输入信噪比 = (SNR)_I = \frac{调制信号的平均功率}{输入噪声的平均功率}$$

$$输出信噪比 = (SNR)_O = \frac{解调信号的平均功率}{输出噪声的平均功率}$$

$$信道信噪比 = (SNR)_C = \frac{调制信号的平均功率}{消息带宽中的噪声平均功率}$$

品质因数

输出SNR与输入SNR之比可以称为品质因数 (Figure of merit, F)。它用F表示。它描述了设备的性能。

$$F = \frac{(SNR)_O}{(SNR)_I}$$

接收器的品质因数为：

$$F = \frac{(SNR)_O}{(SNR)_C}$$

这是因为对于接收器，信道是输入。

信号分析

要分析信号，必须对其进行表示。在通信系统中，这种表示有两种类型：

• 频域表示，以及
• 时域表示。

考虑两个频率分别为1 kHz和2 kHz的信号。它们都在时域和频域中表示，如下面的图所示。（此处应插入示意图）

时域分析给出了信号在一定时间段内的行为。在频域中，信号被分析为关于频率的数学函数。

在进行信号处理（例如滤波、放大和混频）时，需要频域表示。

例如，如果考虑以下信号，可以理解其中存在噪声。（此处应插入示意图）

原始信号的频率可能是1 kHz，但破坏此信号的某种频率的噪声是未知的。但是，当使用频谱分析仪在频域中表示相同的信号时，它将绘制如下面的图所示。（此处应插入示意图）

在这里，我们可以观察到一些谐波，它们代表了引入原始信号中的噪声。因此，信号表示有助于分析信号。

频域分析有助于创建所需的波形。例如，计算机中的二进制位模式，示波器中的利萨如图形等。时域分析有助于理解这些位模式。

幅度调制

在各种调制技术中，主要的分类是连续波调制和脉冲调制。连续波调制技术进一步分为调幅 (Amplitude Modulation)和角调制 (Angle Modulation)。

连续波持续不断地进行，没有任何间隔，它是包含信息的基带消息信号。这个波必须进行调制。

根据标准定义，“载波信号的幅度根据调制信号的瞬时幅度变化。”这意味着，不包含信息的载波信号的幅度会根据包含信息的信号在每个时刻的幅度而变化。这可以通过下图很好地解释。（此处应插入示意图）

首先显示的调制波是消息信号。下一个是载波，它只是一个高频信号，不包含任何信息。最后一个是生成的调制波。

可以观察到，载波的正峰值和负峰值用一条假想线连接在一起。这条线有助于重建调制信号的精确形状。载波上的这条假想线称为包络 (Envelope)。它与消息信号相同。

数学表达式

以下是这些波的数学表达式。

波的时域表示

设调制信号为：

$$m(t) = A_mcos(2\pi f_mt)$$

设载波信号为：

$$c(t) = A_ccos(2\pi f_ct)$$

其中A_m = 调制信号的最大幅度

A_c = 载波信号的最大幅度

调幅波的标准形式定义为：

$$S(t) = A_c[1+K_am(t)]cos(2\pi f_ct)$$

$$S(t) = A_c[1+\mu cos(2\pi f_mt)]cos(2\pi f_ct)$$

$$其中，\mu = K_aA_m$$

调制指数

载波波经调制后，如果计算调制电平，则这种尝试称为调制指数 (Modulation Index)或调制深度 (Modulation Depth)。它表示载波波所经历的调制电平。

调制波包络的最大值和最小值分别用A_max和A_min表示。

让我们尝试为调制指数推导一个方程。

$$A_{max} = A_c(1+\mu )$$

因为在A_max处，cos θ的值为1

$$A_{min} = A_c(1-\mu )$$

因为在A_min处，cos θ的值为-1

$$\frac{A_{max}}{A_{min}} = \frac{1+\mu }{1-\mu }$$

$$A_{max}-\mu A_{max} = A_{min}+\mu A_{min}$$

$$-\mu (A_{max}+A_{min}) = A_{min}-A_{max}$$

$$\mu = \frac{A_{max}-A_{min}}{A_{max}+A_{min}}$$

因此，获得了调制指数的方程。µ表示调制指数或调制深度。这通常以百分比表示，称为调制百分比 (Percentage Modulation)。它是以百分比表示的调制程度，用m表示。

对于完美的调制，调制指数的值应为1，这意味着调制深度应为100%。

例如，如果此值小于1，即调制指数为0.5，则调制输出将如下图所示。这称为欠调制。这种波称为欠调波 (under-modulated wave)。（此处应插入示意图）

如果调制指数的值大于1，例如1.5左右，则该波将为过调波 (over-modulated wave)。它将如下图所示。（此处应插入示意图）

随着调制指数值的增加，载波经历180°相位反转，这会导致额外的边带，因此波形会失真。这种过调波会造成干扰，无法消除。

调幅带宽

带宽是信号的最低频率和最高频率之间的差值。

对于调幅波，带宽由下式给出

$$BW = f_{USB}-f_{LSB}$$

$$(f_c+f_m)-(f_c-f_m)$$

$$ = 2f_m = 2W$$

其中W是消息带宽

因此，我们了解到调幅波所需的带宽是调制信号频率的两倍。

边带调制

在调幅或调相过程中，调制波由载波和两个边带组成。调制信号在整个频带中都包含信息，载波频率除外。

边带

边带 (Sideband)是包含功率的频带，它们是载波频率的较低和较高频率。两个边带包含相同的信息。调幅波在频域中的表示如下图所示。（此处应插入示意图）

图像中的两个边带包含相同的信息。这种传输包含载波和两个边带的信号可以称为双边带全载波系统，或简称为DSB-FC。其曲线图如下所示。

然而，这种传输效率低下。载波浪费了三分之二的功率，而载波不携带任何信息。

如果抑制此载波并将节省的功率分配给两个边带，则此过程称为双边带抑制载波系统，或简称为DSBSC。其曲线图如下所示。

现在，我们了解到，由于两个边带重复携带相同的信息，为什么我们不能抑制一个边带呢？是的，这是可能的。

抑制一个边带以及载波并传输单个边带的过程称为单边带抑制载波系统，或简称为SSB-SC或SSB。其曲线图如下所示。

这种SSB-SC或SSB系统传输单个边带，功率较高，因为分配给载波和另一个边带的功率都用于传输此单边带 (SSB)。

因此，使用这种SSB技术进行的调制称为SSB调制。

边带调制——优点

SSB调制的优点包括：

• 带宽或占用的频谱空间小于AM和DSB信号。

• 允许传输更多数量的信号。

• 节省功率。

• 可以传输高功率信号。

• 噪声较少。

• 信号衰落不太可能发生。

边带调制——缺点

SSB调制的缺点包括：

• SSB信号的产生和检测是一个复杂的过程。

• 除非SSB发射机和接收机具有优异的频率稳定性，否则信号质量会受到影响。

边带调制——应用

SSB调制的应用包括：

• 用于节能和低带宽要求。

• 用于陆地、空中和海上移动通信。

• 用于点对点通信。

• 用于无线电通信。

• 用于电视、遥测和雷达通信。

• 用于军事通信，例如业余无线电等。

残留边带调制(VSB)

在SSB调制的情况下，当边带通过滤波器时，带通滤波器在实践中可能无法完美工作。结果，一些信息可能会丢失。

因此，为了避免这种损失，选择了一种介于DSB-SC和SSB之间的技术，称为残留边带 (VSB)技术。“残留”一词意为“一部分”，名称由此而来。

残留边带

传输不需要两个边带，因为这是浪费。但是，如果只传输一个边带，会导致信息丢失。因此，这种技术应运而生。

残留边带调制或VSB调制是调制信号的一部分（称为残留部分）以及一个边带的过程。VSB信号曲线图如下所示。

在此技术中，除了上边带外，还传输一部分下边带。为了避免干扰，在VSB的两侧都设置了一个非常窄的保护带。VSB调制主要用于电视传输。

传输带宽

VSB调制波的传输带宽表示为：

$$B=( f_{m}+ f_{v}) Hz$$

其中，

f_m = 消息带宽

f_v = 残留边带的宽度

VSB调制——优点

VSB的优点如下：

• 效率高。

• 减少带宽。

• 滤波器设计容易，因为不需要高精度。

• 可以轻松传输低频分量。

• 具有良好的相位特性。

VSB调制——缺点

VSB的缺点如下：

• 与SSB相比，带宽更大。

• 解调复杂。

VSB调制——应用

VSB最突出和标准的应用是传输电视信号。此外，在考虑带宽使用时，这也是最方便和高效的技术。

角调制

连续波调制中的另一种调制方式是角度调制。角度调制是载波的频率或相位根据消息信号变化的过程。这进一步分为频率调制和相位调制。

• 频率调制是载波频率随消息信号线性变化的过程。

• 相位调制是载波相位随消息信号线性变化的过程。

现在让我们更详细地讨论这些主题。

频率调制

在调幅中，载波的幅度变化。但在频率调制 (FM) 中，载波的频率根据调制信号的瞬时幅度变化。

载波信号的幅度和相位保持不变，而载波的频率发生变化。通过观察下图可以更好地理解这一点。

当消息信号为零时，调制波的频率保持与载波频率一致。当消息信号达到最大幅度时，频率增加。

这意味着，随着调制信号或消息信号幅度的增加，载波频率增加。同样，随着调制信号幅度的减小，频率也减小。

数学表示

设载波频率为f_c

消息信号最大幅度下的频率 = f_c + Δf

消息信号最小幅度下的频率 = f_c − Δf

调频频率与正常频率之间的差值称为频率偏差，用Δf表示。

载波信号频率从高到低或从低到高的偏差可以称为载波摆动。

载波摆动 = 2 × 频率偏差

= 2 × Δf

调频波方程

调频波方程为：

$$s(t) = A_ccos[W_ct + 2\pi k_fm(t)]$$

其中，

A_c = 载波的幅度

w_c = 载波的角频率 = 2πf_c

m(t) = 消息信号

调频可分为窄带调频和宽带调频。

窄带调频

窄带调频的特点如下：

• 这种频率调制具有较小的带宽。

• 调制指数较小。

• 其频谱由载波、USB和LSB组成。

• 它用于移动通信，例如警用无线电、救护车、出租车等。

宽带调频

宽带调频的特点如下：

• 这种频率调制具有无限带宽。

• 调制指数较大，即大于1。

• 其频谱由载波和无限数量的边带组成，这些边带位于其周围。

• 它用于娱乐广播应用，例如调频广播、电视等。

相位调制

在频率调制中，载波的频率变化。但在相位调制 (PM)中，载波的相位根据调制信号的瞬时幅度变化。

载波信号的幅度和频率保持不变，而载波的相位发生变化。通过观察下图可以更好地理解这一点。

调制波的相位具有无限个点，波中的相移可以在这些点发生。调制信号的瞬时幅度改变载波的相位。当幅度为正时，相位在一个方向上变化；如果幅度为负，相位在相反方向上变化。

PM和FM之间的关系

相位的变化会改变调制波的频率。波的频率也会改变波的相位。虽然它们是相关的，但它们的关系不是线性的。相位调制是产生调频的一种间接方法。相位调制器产生的频率偏移量随着调制频率的增加而增加。均衡器用于补偿这一点。

PM波方程

PM波方程为：

$$s(t) = A_ccos[W_ct + k_pm(t)]$$

其中，

A_c = 载波的幅度

w_c = 载波的角频率 = 2πf_c

m(t) = 消息信号

相位调制用于移动通信系统，而频率调制主要用于调频广播。

通信原理 - 多路复用

多路复用是在共享介质上将多个信号组合成一个信号的过程。

• 如果这些信号本质上是模拟的，则该过程称为模拟多路复用。

• 如果对数字信号进行多路复用，则称为数字多路复用。

多路复用最初是在电话中开发的。多个信号被组合起来通过一根电缆发送。多路复用的过程将通信通道划分为多个逻辑通道，为每个通道分配不同的消息信号或要传输的数据流。进行多路复用的设备可以称为MUX。

反向过程，即从一个信号中提取多个通道（在接收端进行），称为多路分解。进行多路分解的设备称为DEMUX。

下图说明了MUX和DEMUX的概念。它们主要用于通信领域。

多路复用器的类型

多路复用器主要有两种类型：模拟和数字。它们进一步分为FDM、WDM和TDM。下图详细说明了这种分类。

有多种多路复用技术。在所有这些技术中，我们有上面图中提到的主要类型和一般分类。让我们分别来看一下它们。

模拟多路复用

模拟多路复用技术涉及本质上是模拟的信号。模拟信号根据其频率 (FDM) 或波长 (WDM) 进行多路复用。

频分多路复用

在模拟多路复用中，最常用的技术是频分多路复用 (FDM)。此技术使用各种频率来组合数据流，以便将它们作为单个信号发送到通信介质上。

示例 - 通过单根电缆发送多个频道的传统电视发射机使用FDM。

波分多路复用

波分复用 (WDM) 是一种模拟技术，其中许多不同波长的数据流在光谱中传输。如果波长增加，信号频率降低。可以在MUX的输出和DEMUX的输入处使用棱镜，将不同波长转换为单一线。

示例 − 光纤通信使用WDM技术，将不同波长合并成单束光进行通信。

数字复用

术语“数字”代表离散的信息位。因此，可用数据以帧或数据包的形式存在，这些都是离散的。

时分复用 (TDM)

在TDM中，时间帧被分成时隙。该技术用于通过为每条消息分配一个时隙，在单个通信信道上传输信号。

在所有类型的TDM中，主要类型是同步TDM和异步TDM。

同步TDM

在同步TDM中，输入连接到一个帧。如果有“n”个连接，则该帧被分成“n”个时隙。每个输入线分配一个时隙。

在这种技术中，所有信号的采样率都是相同的，因此给出相同的时钟输入。MUX始终为每个设备分配相同的时隙。

异步TDM

在异步TDM中，每个信号的采样率不同，不需要公共时钟。如果为某个时隙分配的设备没有传输任何内容而处于空闲状态，则该时隙将分配给另一个设备，这与同步TDM不同。

这种类型的TDM用于异步传输模式网络。

解复用器

解复用器用于将单个源连接到多个目的地。此过程是复用的反向过程。如前所述，它主要用于接收器。DEMUX有很多应用。它用于通信系统中的接收器。它用于计算机中的算术逻辑单元以提供电源和传递通信等。

解复用器用作串行到并行转换器。串行数据以规律的间隔作为输入提供给DEMUX，并连接一个计数器来控制解复用器的输出。

复用器和解复用器在通信系统中都扮演着重要的角色，无论是在发射机部分还是接收机部分。

通信原理 - 调频广播

频分复用用于无线电和电视接收器。调频的主要用途是无线电通信。让我们看一下调频发射机和调频接收机的结构及其框图和工作原理。

调频发射机

调频发射机是整个单元，它以音频信号作为输入，并将调频调制波传递到天线作为输出进行传输。调频发射机包含6个主要阶段。它们如下图所示。

调频发射机的工作原理如下所示。

• 来自麦克风输出的音频信号被送到前置放大器，前置放大器提升调制信号的电平。

• 然后将此信号传递到高通滤波器，该滤波器充当预加重网络以滤除噪声并提高信噪比。

• 此信号进一步传递到调频调制电路。

• 振荡器电路产生高频载波，该载波与调制信号一起提供给调制器。

• 使用几个频率倍增器级来增加工作频率。即便如此，信号的功率仍然不足以传输。因此，最后使用射频功率放大器来增加调制信号的功率。此调频调制输出最终传递到天线以进行传输。

接收机的要求

无线电接收机用于接收调幅和调频信号。AM 的检测采用称为包络检波的方法，FM 的检测采用称为频率鉴别的方法。

这样的无线电接收机具有以下要求。

• 它应该具有成本效益。

• 它应该接收调幅和调频信号。

• 接收机应该能够调谐和放大所需的电台。

• 它应该能够拒绝不需要的电台。

• 必须对所有电台信号进行解调，无论载波频率是多少。

为了满足这些要求，调谐电路和混频器电路应该非常有效。射频混频的过程是一个有趣的现象。

射频混频

射频混频单元产生一个中频 (IF)，任何接收到的信号都被转换为该频率，以便有效地处理信号。

射频混频器是接收器中的一个重要阶段。采用两个不同频率的信号，其中一个信号电平影响另一个信号的电平，以产生最终的混合输出。输入信号和最终的混频器输出如下图所示。

当两个信号进入射频混频器时，

• 第一个信号频率 = F₁

• 第二个信号频率 = F₂

则结果信号频率 = (F₁ + F₂) 和 (F₁ - F₂)

在输出端产生两个不同频率信号的混合。

如果在频域中观察到这一点，则模式看起来如下图所示。

射频混频器的符号如下图所示。

将两个信号混合以产生结果信号，其中一个信号的影响会影响另一个信号，并且两者都会产生如前所见不同的模式。

调频接收机

调频接收机是整个单元，它以调制信号作为输入，并产生原始音频信号作为输出。业余无线电爱好者是最初的无线电接收机。但是，它们具有灵敏度和选择性差等缺点。

选择性是在拒绝其他信号的同时选择特定信号。灵敏度是在最低功率电平下检测射频信号并对其进行解调的能力。

为了克服这些缺点，发明了超外差接收机。该调频接收机包含5个主要阶段。它们如下图所示。

射频调谐器部分

天线接收到的调制信号首先通过变压器传递到调谐器电路。调谐器电路只不过是一个LC电路，也称为谐振或谐振电路。它选择无线电接收机所需的频率。它还同时调谐本地振荡器和射频滤波器。

射频混频器

来自调谐器输出的信号被提供给射频-中频转换器，该转换器充当混频器。它有一个本地振荡器，产生一个恒定频率。在此处进行混合过程，将接收到的信号作为一种输入，将本地振荡器频率作为另一种输入。结果输出是混频器产生的两个频率的混合 [(f₁ + f₂),(f₁ − f₂)]，称为中频 (IF)。

中频的产生有助于解调任何具有任何载波频率的电台信号。因此，所有信号都被转换为固定的载波频率以获得足够的选频性。

中频滤波器

中频滤波器是一个带通滤波器，它通过所需的频率。它还消除了其中存在的任何不需要的较高频率分量以及噪声。中频滤波器有助于提高信噪比 (SNR)。

解调器

接收到的调制信号现在使用发射机侧使用的相同过程进行解调。频率鉴别通常用于调频检测。

音频放大器

这是一个功率放大器级，用于放大检测到的音频信号。处理后的信号得到增强以使其有效。此信号传递到扬声器以获得原始声音信号。

这种超外差接收机因其更好的信噪比、灵敏度和选择性等优点而被广泛使用。

调频中的噪声

噪声的存在也是调频中的一个问题。每当频率与所需信号更接近的强干扰信号到达时，接收机就会锁定该干扰信号。这种现象称为捕获效应。

为了提高较高调制频率下的信噪比，在发射机中使用称为预加重的高通电路。另一个称为去加重的电路是预加重的反向过程，用于接收机，它是一个低通电路。预加重和去加重电路广泛用于调频发射机和接收机，以有效地提高输出信噪比。

脉冲调制

到目前为止，我们已经讨论了连续波调制。现在是离散信号的时候了。脉冲调制技术处理离散信号。让我们看看如何将连续信号转换为离散信号。称为采样的过程可以帮助我们做到这一点。

采样

将连续时间信号转换为等效离散时间信号的过程可以称为采样。在采样过程中连续采样数据的某个时刻。

下图表示连续时间信号x(t)和采样信号x_s(t)。当x(t)乘以周期性脉冲序列时，得到采样信号x_s(t)。

采样信号是周期性脉冲序列，具有单位幅度，以相等的时间间隔T_s采样，称为采样时间。此数据在时间点T_s传输，载波信号在剩余时间传输。

采样率

为了使信号离散化，样本之间的间隙应该固定。该间隙可以称为采样周期T_s。

$$采样频率 = \frac{1}{T_s} = f_s$$

其中，

T_s = 采样时间

f_s = 采样频率或采样率

采样定理

在考虑采样率时，一个重要的问题是如何确定合适的采样率。**采样率**应确保消息信号中的数据既不会丢失，也不会发生重叠。

**采样定理**指出：“如果以大于或等于最大频率W两倍的速率f_s对信号进行采样，则可以精确地重现该信号。”

简单来说，为了有效地重现原始信号，采样率应为最高频率的两倍。

这意味着：

$$f_s \geq 2W$$

其中，

f_s = 采样频率

W 是最高频率

这种采样率称为**奈奎斯特率**。

采样定理，也称为**奈奎斯特定理**，为带宽受限的函数类别提供了关于足够采样率的理论。

对于连续时间信号x(t)，频域中的带宽受限信号可以表示如下（此处应插入图示）。

如果信号的采样率高于奈奎斯特率，则可以恢复原始信号。下图说明了在频域中以高于2W的速率采样的信号。（此处应插入图示）

如果以低于2W的速率对同一信号进行采样，则采样信号将如下图所示。（此处应插入图示）

从上图可以看出，发生了信息重叠，导致信息混淆和丢失。这种不需要的重叠现象称为**混叠**。

混叠可以定义为：“信号频谱中高频分量在采样版本的频谱中呈现为低频分量的现象。”

因此，根据采样定理，选择以奈奎斯特率对信号进行采样。如果采样率等于最高频率的两倍 (2W)。

这意味着：

$$f_s = 2W$$

其中，

f_s = 采样频率

W 是最高频率

结果将如上图所示（此处应指代之前的图示）。信息被完整地重现，没有损失。因此，这是一个良好的采样率。

模拟脉冲调制

在连续波调制之后，下一个阶段是脉冲调制。脉冲调制进一步分为模拟调制和数字调制。模拟调制技术主要分为脉冲幅度调制、脉冲宽度调制和脉冲位置调制。

脉冲幅度调制

**脉冲幅度调制 (PAM)** 是一种模拟调制方案，其中脉冲载波的幅度与消息信号的瞬时幅度成比例变化。

脉冲幅度调制信号将遵循原始信号的幅度，因为信号描绘了整个波形的路径。在自然PAM中，通过以精确截止频率的有效**低通滤波器 (LPF)** 传输，可以重建以奈奎斯特率采样的信号。

下图说明了脉冲幅度调制。（此处应插入图示）

尽管PAM信号通过了低通滤波器，但它无法无失真地恢复信号。因此，为了避免这种噪声，采用平顶采样，如下图所示。（此处应插入图示）

**平顶采样**是一种采样信号可以用脉冲表示的过程，其中信号的幅度相对于要采样的模拟信号不能改变。幅度的顶部保持平坦。此过程简化了电路设计。

脉冲宽度调制

**脉冲宽度调制 (PWM)** 或**脉冲持续时间调制 (PDM)** 或**脉冲时间调制 (PTM)** 是一种模拟调制方案，其中脉冲载波的持续时间、宽度或时间与消息信号的瞬时幅度成比例变化。

在这种方法中，脉冲的宽度变化，但信号的幅度保持不变。幅度限制器用于使信号幅度保持恒定。这些电路将幅度限制到所需水平，因此噪声受到限制。

下图说明了脉冲宽度调制的类型。（此处应插入图示）

PWM 有三种变体：它们是：

• 脉冲的前沿保持恒定，后沿根据消息信号变化。

• 脉冲的后沿保持恒定，前沿根据消息信号变化。

• 脉冲的中心保持恒定，前沿和后沿根据消息信号变化。

这三种类型在上图中用定时槽显示。（此处应指代之前的图示）

脉冲位置调制

**脉冲位置调制 (PPM)** 是一种模拟调制方案，其中脉冲的幅度和宽度保持恒定，而每个脉冲相对于参考脉冲的位置根据消息信号的瞬时采样值变化。

发射机必须发送同步脉冲（或简称同步脉冲）以保持发射机和接收机的同步。这些同步脉冲有助于保持脉冲的位置。下图说明了脉冲位置调制。（此处应插入图示）

脉冲位置调制是根据脉冲宽度调制信号进行的。脉冲宽度调制信号的每个后沿都成为PPM信号中脉冲的起始点。因此，这些脉冲的位置与PWM脉冲的宽度成比例。

优点

由于幅度和宽度恒定，因此处理的功率也恒定。

缺点

发射机和接收机之间必须同步。

PAM、PWM和PPM的比较

以下表格列出了上述调制方法的比较。（此处应插入表格）

数字调制

到目前为止，我们已经学习了不同的调制技术。剩下的是**数字调制**，它属于脉冲调制的分类。数字调制的主要分类是脉冲编码调制 (PCM)。它进一步处理成增量调制和自适应增量调制。

脉冲编码调制

对信号进行脉冲编码调制是为了将其模拟信息转换为二进制序列，即 1 和 0。**脉冲编码调制 (PCM)** 的输出将类似于二进制序列。下图显示了关于给定正弦波的瞬时值的PCM输出示例。（此处应插入图示）

PCM产生一系列数字而不是脉冲序列，因此此过程称为数字过程。尽管每个数字都采用二进制代码，但它们都代表该时刻信号样本的近似幅度。

在脉冲编码调制中，消息信号由一系列编码脉冲表示。通过在时间和幅度上以离散形式表示信号来实现此消息信号。

PCM的基本元件

脉冲编码调制器电路的发射机部分由**采样、量化**和**编码**组成，这些操作在**模数转换器**部分执行。采样之前的低通滤波器可防止消息信号混叠。

接收机部分的基本操作是**受损信号的再生、解码**和量化脉冲序列的**重建**。下图是PCM的框图，它表示发射机和接收机部分的基本元件。（此处应插入图示）

低通滤波器 (LPF)

该滤波器消除输入模拟信号中高于消息信号最高频率的高频分量，以避免消息信号混叠。

采样器

这是一个使用技术的电路，该技术有助于在消息信号的瞬时值处收集样本数据，以便重建原始信号。根据采样定理，采样率必须大于消息信号最高频率分量W的两倍。

量化器

量化是减少冗余位和限制数据的过程。当将采样输出提供给量化器时，它会减少冗余位并压缩值。

编码器

编码器进行模拟信号的数字化。它用二进制代码指定每个量化级别。此处进行的采样是采样保持过程。这三个部分将充当模数转换器。编码使带宽最小化。

再生中继器

信道输出有一个再生中继器电路来补偿信号损失并重建信号。它还可以增强信号。

解码器

解码器电路解码脉冲编码波形以重现原始信号。该电路充当**解调器**。

重建滤波器

在再生电路和解码器完成数模转换后，采用低通滤波器，称为重建滤波器，以获得原始信号。

因此，脉冲编码调制器电路对给定的模拟信号进行数字化、编码和采样。然后以模拟形式传输。整个过程以反向模式重复以获得原始信号。

调制技术

构成PCM信号采用几种调制技术。这些技术，例如**抽样、量化**和**压扩**，有助于创建有效的PCM信号，可以精确地再现原始信号。

量化

模拟信号的数字化涉及对近似等于模拟值的值进行四舍五入。抽样方法选择模拟信号上的几个点，然后将这些点连接起来，将值四舍五入到一个接近稳定的值。这种过程称为**量化**。

模拟信号的量化是通过用多个量化级别对信号进行离散化来完成的。量化是用有限的电平表示幅度的采样值，这意味着将**连续幅度样本**转换为**离散时间信号**。

下图显示了模拟信号如何被量化。蓝线代表模拟信号，红线代表量化信号。

抽样和量化都会导致信息丢失。量化器输出的质量取决于使用的量化级别数。量化输出的离散幅度称为**表示电平**或**重建电平**。两个相邻表示电平之间的间距称为**量子**或**步长**。

PCM中的压扩

**压扩**一词是**压**缩和扩**展**的组合，这意味着它同时执行这两项操作。这是一种用于PCM的非线性技术，它在发射机处压缩数据，并在接收机处扩展相同的数据。使用此技术可以降低噪声和串扰的影响。

有两种压扩技术。

A律压扩技术

• 当**A = 1**时，实现均匀量化，其中特性曲线是线性的，并且没有压缩。

• A律在原点具有中间上升。因此，它包含一个非零值。

• A律压扩用于PCM电话系统。

• A律被世界许多地区使用。

μ律压扩技术

• 当**μ = 0**时，实现均匀量化，其中特性曲线是线性的，并且没有压缩。

• μ律在原点具有中间踏阶。因此，它包含一个零值。

• μ律压扩用于语音和音乐信号。

• μ律用于北美和日本。

差分脉冲编码调制(DPCM)

当使用PCM技术编码时，高度相关的样本会留下冗余信息。为了处理这些冗余信息并获得更好的输出，明智的做法是从之前的输出中假设预测的采样值，并将它们与量化值汇总。

这种过程称为**差分脉冲编码调制(DPCM)**技术。

增量调制(Delta Modulation)

为了获得更好的采样，信号的采样率应高于奈奎斯特率。如果差分脉冲编码调制(DPCM)中的采样间隔大大减少，则样本间的幅度差非常小，如果差为**1位量化**，则步长非常小，即**Δ**(增量)。

什么是增量调制？

采样率高得多且量化后步长值为较小值**Δ**的调制类型，这种调制称为**增量调制**。

增量调制的特点

• 采用过采样输入以充分利用信号相关性。

• 量化设计简单。

• 输入序列远高于奈奎斯特率。

• 质量中等。

• 调制器和解调器的设计简单。

• 输出波形的阶梯近似。

• 步长非常小，即**Δ**(增量)。

• 比特率可由用户决定。

• 它需要更简单的实现。

增量调制是DPCM技术的简化形式，也被视为1位DPCM方案。随着采样间隔的减小，信号相关性将更高。

增量调制器

**增量调制器**包含一个1位量化器和一个延时电路以及两个加法器电路。以下是增量调制器的框图。

阶梯近似波形将是增量调制器的输出，步长为增量( **Δ** )。波形的输出质量中等。

增量解调器

增量解调器包含一个低通滤波器、一个加法器和一个延时电路。此处消除了预测电路，因此没有假定的输入提供给解调器。

以下是增量解调器的框图。

低通滤波器用于多种原因，但最主要的原因是消除带外信号的噪声。发射机可能出现的步长误差称为**颗粒噪声**，此处将其消除。如果不存在噪声，则调制器输出等于解调器输入。

DM优于DPCM的优点

• 1位量化器
• 调制器和解调器的设计非常简单

但是，DM中存在一些**噪声**，以下是噪声的类型。

• 斜率过载失真（当Δ较小时）
• 颗粒噪声（当Δ较大时）

自适应增量调制

在数字调制中，我们在确定步长时遇到某些问题，这会影响输出波形的质量。

在调制信号的陡峭斜率处需要较大的步长，而在消息斜率较小的地方需要较小的步长。结果，细微的细节会被遗漏。因此，如果我们可以根据我们的要求控制步长的调整，以便以所需的方式获得采样，将会更好。这就是**自适应增量调制(ADM)**的概念。

数字调制技术

数字调制提供更大的信息容量、高数据安全性、更快的系统可用性和高质量的通信。因此，数字调制技术因其比模拟调制技术能够传输更大数据量而需求更大。

有许多类型的数字调制技术，我们甚至可以使用这些技术的组合。在本章中，我们将讨论最突出的数字调制技术。

幅移键控

结果输出的幅度取决于输入数据，它应该是零电平还是正负变化，这取决于载波频率。

**幅移键控(ASK)**是一种幅度调制，它以信号幅度的变化形式表示二进制数据。

以下是ASK调制波形及其输入的示意图。

任何调制信号都具有高频载波。当ASK调制时，二进制信号对于低输入给出零值，对于高输入给出载波输出。

频移键控

输出信号的频率将是高或低，这取决于所施加的输入数据。

**频移键控(FSK)**是一种数字调制技术，其中载波信号的频率根据离散数字变化而变化。FSK是频移键控的一种方案。

以下是FSK调制波形及其输入的示意图。

FSK调制波的输出在二进制高输入时频率高，在二进制低输入时频率低。二进制1和0分别称为**标记**和**空格频率**。

相移键控

输出信号的相位会根据输入进行移动。根据相移的数量，它们主要分为两种类型，即BPSK和QPSK。另一种是DPSK，它根据前一个值更改相位。

**相移键控(PSK)**是一种数字调制技术，其中通过在特定时间改变正弦和余弦输入来改变载波信号的相位。PSK技术广泛用于无线局域网、生物识别、非接触式操作以及RFID和蓝牙通信。

PSK根据信号移动的相位分为两种类型。它们是：

二进制相移键控(BPSK)

这也称为**2相PSK**(或) **相位反转键控**。在这种技术中，正弦波载波进行两次相位反转，例如0°和180°。

BPSK基本上是一种DSB-SC（双边带抑制载波）调制方案，消息是数字信息。

以下是BPSK调制输出波及其输入的图像。

正交相移键控(QPSK)

这是一种相移键控技术，其中正弦波载波进行四次相位反转，例如0°、90°、180°和270°。

如果进一步扩展这种技术，则PSK也可以通过八个或十六个值来完成，这取决于需求。下图表示针对两位输入的QPSK波形，它显示了不同二进制输入实例的调制结果。

QPSK是BPSK的一种变体，它也是一种DSB-SC（双边带抑制载波）调制方案，一次发送两位数字信息，称为**双比特**。

它不是将数字位转换为一系列数字流，而是将其转换为位对。这将数据比特率降低了一半，从而为其他用户留出空间。

差分相移键控(DPSK)

在DPSK（差分相移键控）中，调制信号的相位相对于前一个信号元素进行偏移。此处不考虑参考信号。信号相位遵循前一个元素的高或低状态。这种DPSK技术不需要参考振荡器。

下图表示DPSK的模型波形。

从上图可以看出，如果数据位为低，即0，则信号相位不会反转，而是继续保持不变。如果数据位为高，即1，则信号相位将反转，如同NRZI一样，在1时反转（一种差分编码）。

如果我们观察上面的波形，我们可以说高状态在调制信号中表示**M**，低状态在调制信号中表示**W**。

M进制编码

二进制表示两位。**M**只是表示对于给定数量的二进制变量，可能存在的条件、级别或组合的数量的数字。

这是一种用于数据传输的数字调制技术，其中不是一次传输一位，而是**一次传输两位或更多位**。由于单个信号用于多位传输，因此信道带宽减小。

M进制方程

如果数字信号在四种条件下给出，例如电压电平、频率、相位和幅度，则**M = 4**。

产生给定数量的条件所需的位数用数学表示为

$$N = \log_{2}M$$

其中，

**N**是所需的位数。

**M**是使用**N**位可能存在的条件、级别或组合的数量。

上述方程可以重新排列为：

$$2^{N} = M$$

例如，使用两位，**2² = 4**种条件是可能的。

M进制技术的类型

通常，（**M进制**）多电平调制技术用于数字通信，因为发射机输入允许超过两个调制电平的数字输入。因此，这些技术具有带宽效率。

有许多不同的M进制调制技术。其中一些技术调制载波信号的一个参数，例如幅度、相位和频率。

M进制ASK

这称为**M进制幅移键控**(M-ASK)或**M进制脉冲幅度调制(PAM)**。

载波信号的幅度取**M**个不同的电平。

M进制ASK的表示

$$S_m(t) = A_mcos(2\pi f_ct)\:\:\:\:\:\:A_m\epsilon {(2m-1-M)\Delta ,m = 1,2....M}\:\:\:and\:\:\:0\leq t\leq T_s$$

此方法也用于PAM。它的实现很简单。然而，M进制ASK容易受到噪声和失真的影响。

M进制FSK

这称为**M进制频移键控**。

载波信号的频率具有M个不同的电平。

M进制频移键控(M-ary FSK)的表示

$$S_{i} (t) = \sqrt{\frac{2E_{s}}{T_{S}}} \cos\lgroup\frac{\Pi} {T_{s}}(n_{c} + i)t\rgroup \:\:\:\:0\leq t\leq T_{s}\:\:\:且\:\:\:i = 1,2.....M$$

其中 $f_{c} = \frac{n_{c}}{2T_{s}}$，n 为某个固定的整数。

与调幅键控(ASK)相比，它不易受噪声影响。传输的M个信号能量和持续时间相等。信号间隔为$\frac{1}{2T_s}$ Hz，使信号彼此正交。

由于M个信号正交，信号空间中没有拥挤现象。M进制FSK的带宽效率随着M的增加而降低，功率效率随着M的增加而提高。

M进制相移键控(M-ary PSK)

这称为M进制相移键控。

载波信号的相位具有M个不同的电平。

M进制PSK的表示

$$S_{i}(t) = \sqrt{\frac{2E}{T}} \cos(w_{0}t + \emptyset_{i}t)\:\:\:\:0\leq t\leq T_{s}\:\:\:且\:\:\:i = 1,2.....M$$

$$\emptyset_{i}t = \frac{2\Pi i} {M}\:\:\:其中\:\:i = 1,2,3...\:...M$$

这里，包络线恒定，相位可能性更多。这种方法在早期空间通信中使用。它的性能优于ASK和FSK。接收端的最小相位估计误差。

M进制PSK的带宽效率随着M的增加而降低，功率效率随着M的增加而提高。到目前为止，我们已经讨论了不同的调制技术。所有这些技术的输出都是一个二进制序列，表示为1和0。这种二进制或数字信息具有多种类型和形式，将在后面讨论。

信息论

信息是通信系统的源头，无论是模拟的还是数字的。信息论是对信息编码以及信息的量化、存储和通信的研究的数学方法。

事件发生的条件

如果我们考虑一个事件，那么它有三种发生的条件。

• 如果事件没有发生，则存在不确定性的条件。

• 如果事件刚刚发生，则存在意外性的条件。

• 如果事件在一段时间前已经发生，则存在一些信息的条件。

因此，这三种情况发生在不同的时间。这些条件的差异有助于我们了解事件发生概率的知识。

熵

当我们观察事件发生的可能性时，无论它有多么意外或不确定，这意味着我们试图了解事件源的平均信息量。

熵可以定义为每个信源符号的平均信息量的度量。“信息论之父”克劳德·香农给出了它的公式：

$$H = -\sum_{i} p_i\log_{b}p_i$$

其中$p_i$是给定字符流中字符号i出现的概率，b是所用算法的底数。因此，这也称为香农熵。

观察到信道输出后，关于信道输入仍然存在的不确定性量称为条件熵。用$H(x \arrowvert y)$表示。

离散无记忆信源

一个信源，其数据在连续间隔发出，且与先前值无关，可以称为离散无记忆信源。

该信源是离散的，因为它不被认为是在连续的时间间隔内，而是在离散的时间间隔内。该信源是无记忆的，因为它在每个时刻都是新的，而不考虑先前值。

信源编码

根据定义，“给定一个熵为$H(\delta)$的离散无记忆信源，任何信源编码的平均码字长度$\bar{L}$都受限于$\bar{L}\geq H(\delta)$”。

简单来说，码字（例如：QUEUE的莫尔斯电码是 -.- ..- . ..- .）总是大于或等于信源码（例如QUEUE）。这意味着码字中的符号大于或等于信源码中的字母。

信道编码

通信系统中的信道编码引入了具有控制功能的冗余，以提高系统的可靠性。信源编码减少冗余以提高系统的效率。

信道编码包括两个部分。

• 映射：将输入数据序列映射到信道输入序列。

• 逆映射：将信道输出序列逆映射到输出数据序列。

最终目标是最小化信道噪声的整体影响。

映射由发射机在编码器的帮助下完成，而逆映射由接收机中的解码器完成。

扩频调制

一类集合的信号技术在传输信号之前被使用以提供安全的通信，称为扩频调制。扩频通信技术的主要优点是防止“干扰”，无论是故意还是无意的。

用这些技术调制的信号很难干扰，也无法被干扰。未经授权的入侵者永远不允许破解它们。因此，这些技术用于军事目的。这些扩频信号以低功率密度传输，并具有广泛的信号。

伪噪声序列

具有某些自相关特性的1和0的编码序列，称为伪噪声编码序列，用于扩频技术。它是一个最大长度序列，是一种循环码。

窄带信号

窄带信号的信号强度集中在以下频谱图中所示。

以下是窄带信号的特性：

• 信号带宽占用窄频范围。
• 功率密度高。
• 能量扩散低且集中。

虽然特性良好，但这些信号容易受到干扰。

扩频信号

扩频信号的信号强度分布在以下频谱图中所示。

以下是扩频信号的特性：

• 信号带宽占用宽频范围。
• 功率密度非常低。
• 能量分散。

凭借这些特性，扩频信号具有很强的抗干扰能力。由于多个用户可以共享相同的扩频带宽而不会相互干扰，因此这些可以被称为多址技术。

扩频多址技术使用传输带宽大小大于最小所需射频带宽的信号。

扩频信号可分为两类：

• 跳频扩频(FHSS)
• 直接序列扩频(DSSS)

跳频扩频

这是一种跳频技术，用户被要求在指定的时间间隔内将使用频率从一个频率更改为另一个频率，因此称为跳频。

例如，在特定时间段内为发送方1分配了一个频率。一段时间后，发送方1跳到另一个频率，而发送方2使用发送方1先前使用的第一个频率。这称为频率复用。

数据的频率从一个跳到另一个，以提供安全的传输。在每个频率跳跃上花费的时间量称为驻留时间。

直接序列扩频

每当用户想要使用此DSSS技术发送数据时，用户的每个比特数据都将乘以一个秘密代码，称为跳码。此跳码不过是与原始消息相乘并传输的扩频码。接收机使用相同的代码来检索原始消息。

此DSSS也称为码分多址(CDMA)。

FHSS和DSSS/CDMA的比较

两种扩频技术都以其特性而闻名。为了更好地理解，让我们来看一下它们的比较。

扩频的优点

以下是扩频的优点。

• 消除串扰
• 具有数据完整性的更好的输出
• 减少多径衰落的影响
• 更好的安全性
• 降低噪声
• 与其他系统共存
• 更长的工作距离
• 难以检测
• 难以解调/解码
• 更难以干扰信号

虽然扩频技术最初是为军事用途设计的，但现在它们已被广泛用于商业用途。

光纤通信原理

到目前为止讨论的数字通信技术已经促进了光通信和卫星通信研究的进步。让我们来看看它们。

光纤

光纤可以理解为一种在光频下工作的介质波导。该器件或管子，如果弯曲或终止以辐射能量，通常称为波导。下图显示了一束光纤电缆。

电磁能量以光波的形式通过它传播。沿波导的光传播可以用一组导波电磁波来描述，称为波导的模式。

工作原理

在学习光纤时，应该了解的一个基本光学参数是折射率。根据定义，“真空中光速与物质中光速之比是材料的折射率 n。”它表示为：

$$n = \frac{c}{v}$$

其中，

c = 自由空间中的光速 = 3 × 10⁸ m/s

v = 电介质或非导电材料中的光速

一般来说，对于一条传播的光线，当n₂ < n₁ 时会发生反射。光线在界面处的弯曲是由于两种具有不同折射率的材料中光速差异造成的。界面处这些角度之间的关系被称为斯涅尔定律，其表示为：

$$n_1sin\phi _1 = n_2sin\phi _2$$

其中，

$\phi _1$ 为入射角

$\phi _2$ 为折射角

n₁和n₂是两种材料的折射率

对于光学密度较大的材料，如果反射发生在同一材料内部，则这种现象称为全内反射。入射角和折射角如下图所示。

如果入射角$\phi _1$足够大，则某点的折射角$\phi _2$将变为Π/2。超过此点，则无法继续发生折射。因此，这个点被称为临界角$\phi _c$。当入射角$\phi _1$大于临界角时，满足全内反射的条件。

下图清晰地显示了这些术语。

如果光线在这种情况下进入玻璃，它将被完全反射回玻璃内部，没有光线从玻璃表面逸出。

光纤的组成部分

最常用的光纤是半径为a、折射率为n₁的单模实心介质圆柱体。下图解释了光纤的组成部分。

该圆柱体称为光纤的纤芯。纤芯周围包裹着一层实心介质材料，称为包层。包层的折射率n₂小于n₁。

包层有助于：

• 减少散射损耗。
• 增加光纤的机械强度。
• 保护纤芯免受不需要的表面污染物的侵蚀。

光纤的类型

根据纤芯的材料组成，常用的光纤主要分为两种：

• 阶跃型光纤——纤芯的折射率在整个截面上是均匀的，在包层边界处发生突变（或阶跃）。

• 渐变型光纤——纤芯的折射率随距光纤中心径向距离的变化而变化。

这两种光纤又进一步细分为：

• 单模光纤——用激光激发。

• 多模光纤——用LED激发。

光纤通信

通过研究光纤通信系统的各个部件和部分，可以更好地理解其工作原理。下图显示了光纤通信系统的主要元件。

基本组件包括光信号发射器、光纤和光电检测接收器。为了提高通信系统的性能，还采用了光纤和电缆熔接器和连接器、再生器、分束器和光放大器等附加元件。

功能优势

光纤的功能优势包括：

• 光缆的传输带宽高于金属电缆。

• 光缆的数据传输量更大。

• 功率损耗非常低，因此有利于长距离传输。

• 光缆具有高安全性，无法被窃听。

• 光缆是数据传输最安全的方式。

• 光缆不受电磁干扰的影响。

• 它们不受电噪声的影响。

物理优势

光缆的物理优势包括：

• 这些电缆的容量远高于铜线电缆。

• 虽然容量更高，但电缆的尺寸并没有像铜线布线系统那样增加。

• 这些电缆占用的空间更小。

• 这些光缆的重量比铜线电缆轻得多。

• 由于这些电缆是介质的，因此不存在火花危险。

• 这些电缆比铜缆更耐腐蚀，因为它们易于弯曲且灵活。

• 光缆的原材料是玻璃，比铜便宜。

• 光缆的使用寿命比铜缆长。

缺点

虽然光纤具有许多优点，但它们也有一些缺点：

• 虽然光缆使用寿命更长，但安装成本较高。

• 随着距离的增加，需要增加中继器的数量。

• 如果不在塑料护套中，它们很脆弱。因此，比铜缆需要更多的保护。

光纤的应用

光纤有很多应用。其中一些如下：

• 用于电话系统

• 用于海底电缆网络

• 用于计算机网络、有线电视系统的数据链路

• 用于闭路电视监控摄像机

• 用于连接消防、警察和其他紧急服务。

• 用于医院、学校和交通管理系统。

• 它们在工业上有许多用途，也用于重型建筑中。

卫星通信原理

卫星是一个围绕另一个天体以可预测的数学路径（称为轨道）运行的天体。通信卫星只不过是一个太空中的微波中继站，有助于电信、广播和电视以及互联网应用。

中继器是一个电路，它会增强接收到的信号并重新传输。但在这里，此中继器充当转发器，它将传输信号的频段从接收到的频段更改。

将信号发送到太空的频率称为上行链路频率，而转发器发送信号的频率称为下行链路频率。

下图清楚地说明了这个概念。

现在，让我们来看看卫星通信的优点、缺点和应用。

卫星通信——优点

卫星通信有很多优点，例如：

• 灵活性

• 安装新电路容易

• 轻松覆盖距离，成本无关紧要

• 广播可能性

• 覆盖地球的每一个角落

• 用户可以控制网络

卫星通信——缺点

卫星通信具有以下缺点：

• 初始成本（例如分段和发射成本）过高。

• 频率拥塞

• 干扰和传播

卫星通信——应用

卫星通信在以下领域得到应用：

• 在广播中。

• 在电视广播中，如DTH。

• 在互联网应用中，例如为数据传输、GPS应用、互联网浏览等提供互联网连接。

• 用于语音通信。

• 用于许多领域的研发部门。

• 用于军事应用和导航。

卫星在其轨道上的方向取决于三个定律，称为开普勒定律。

开普勒定律

天文学家约翰内斯·开普勒 (1571-1630) 提出了关于卫星运动的三个革命性定律。卫星围绕其主星（地球）运行的路径是椭圆。椭圆有两个焦点——F1和F2，地球是其中一个。

如果考虑从物体中心到其椭圆路径上某一点的距离，则椭圆离中心最远的一点称为远地点，椭圆离中心最近的一点称为近地点。

开普勒第一定律

开普勒第一定律指出：“每个行星都以椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于其一个焦点上。”因此，卫星以地球作为其一个焦点的椭圆路径运行。

椭圆的长半轴表示为“a”，短半轴表示为b。因此，该系统的偏心率e可以写成：

$$e = \frac{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$$

• 偏心率 (e)——它是定义椭圆形状差异而不是圆形形状差异的参数。

• 长半轴 (a)——它是沿中心连接两个焦点的最长直径，它接触两个远地点（椭圆离中心最远的两点）。

• 短半轴 (b)——它是穿过中心连接两个近地点（椭圆离中心最近的两点）的最短直径。

下图对这些进行了很好的描述。

对于椭圆路径，总是希望偏心率介于 0 和 1 之间，即 0 < e < 1，因为如果e变为零，路径将不再是椭圆形，而是会变成圆形路径。

开普勒第二定律

开普勒第二定律指出：“在相等的时间间隔内，卫星覆盖的面积相对于地球中心是相等的。”

通过查看下图可以理解这一点。

假设卫星在相同的时间间隔内覆盖p1和p2距离，则两种情况下分别覆盖的面积B1和B2相等。

开普勒第三定律

开普勒第三定律指出：“轨道的周期时间的平方与两个天体之间平均距离的立方成正比。”

这可以用数学表达式表示为

$$T^{2}\:\alpha\:\:a^{3}$$

这意味着

$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$

其中$\frac{4\pi ^{2}}{GM}$是比例常数（根据牛顿力学）

$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3} $$

其中 μ = 地球的地球中心引力常数，即 Μ = 3.986005 × 10¹⁴ m³/sec²

$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$

$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}{\mu}\:\:\:\Rightarrow \:\:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$$

其中n = 卫星的平均运动角速度（弧度/秒）

利用开普勒定律可以计算卫星的轨道运行。

除此之外，还有一点需要注意。卫星绕地球运行时，会受到地球的引力作用，同时也会受到太阳和月球的引力作用。因此，卫星会受到两种力的作用：

• 向心力——将沿轨迹运动的物体拉向自身的力称为向心力。

• 离心力——将沿轨迹运动的物体推离其位置的力称为离心力。

因此，卫星必须平衡这两种力才能保持在轨道上。

地球轨道

发射到太空的卫星需要放置在特定的轨道上，以实现特定的运行方式，从而保持可及性并实现其科学、军事或商业目的。这些分配给卫星的相对于地球的轨道称为地球轨道。这些轨道上的卫星称为地球轨道卫星。

重要的地球轨道类型包括：

• 地球同步轨道

• 中地球轨道

• 近地轨道

地球同步轨道卫星

地球同步轨道 (GEO) 卫星位于地球上方 22,300 英里（约35,786公里）的高度。该轨道与恒星日（即 23 小时 56 分钟）同步。该轨道可能具有倾角和偏心率，它可能不是圆形的。该轨道可以相对于地球两极倾斜，但从地球上观察则看起来是静止的。

如果地球同步轨道是圆形的并且在赤道平面上，则称为地球静止轨道。这些卫星位于地球赤道上方 35,900 公里（与地球同步轨道相同）处，它们相对于地球的方向（自西向东）旋转。这些卫星相对于地球被认为是静止的，因此得名。

地球静止轨道卫星用于天气预报、卫星电视、卫星广播和其他类型的全球通信。

下图显示了地球同步轨道和地球静止轨道之间的区别。旋转轴表示地球的运动。

注意——每个地球静止轨道都是地球同步轨道，但并非每个地球同步轨道都是地球静止轨道。

中地球轨道卫星

中地球轨道 (MEO) 卫星网络将在地球表面上方约 8000 英里（约12,875公里）的高度运行。从 MEO 卫星传输的信号传播距离较短，这转化为接收端信号强度得到改善，这意味着接收端可以使用更小、更轻的接收终端。

由于信号到卫星和从卫星返回的距离较短，因此传输延迟较小。传输延迟可以定义为信号到达卫星并返回接收站所需的时间。

对于实时通信，传输延迟越短，通信系统越好。例如，如果 GEO 卫星往返需要 0.25 秒，则 MEO 卫星完成相同行程所需时间不到 0.1 秒。MEO 卫星的工作频率范围为 2 GHz 及以上。

近地轨道卫星

近地轨道 (LEO) 卫星主要分为三类：小型 LEO、大型 LEO 和巨型 LEO。LEO 卫星将在距离地球表面 500 至 1000 英里（约805至1610公里）的高度运行。

这个相对较短的距离将传输延迟减少到仅 0.05 秒。这进一步减少了对灵敏且笨重的接收设备的需求。小型 LEO 卫星的工作频率范围为 800 MHz（0.8 GHz）。大型 LEO 卫星的工作频率范围为 2 GHz 及以上，巨型 LEO 卫星的工作频率范围为 20-30 GHz。

与巨型 LEO 相关的更高频率转化为更大的信息承载能力，并能够实现实时、低延迟的视频传输方案。

下图显示了 LEO、MEO 和 GEO 的运行轨道。