展通信原理第二章通信系统概述

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电影画面是连续的吗？
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如何让人觉得电影画面是连续的？
电影每秒播放24帧，即采样频率是24即可，人眼通过“
视觉停留”，相当于通过样本信号的“内插”来还原
信号，所谓“内插”类似于数学中把描的点用线连起来， 形成一个函数图形。 “内插”或“视觉停留”用信号与系统的话来说就是“零 阶保持”。
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数字通信系统架构
模拟信源的输出还可以转化成数字形式，消息可以通过数字 调制后发送，并在接收端解调成数字信号，然后对数字信号 进行译码，还原成模拟信号。
即增加“模拟——数字”转换模块 例：数字机顶盒 数字电视终端不支持数字信号，故通过机顶盒完成模数转换。
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的速度。
怎么保证通信安全？
① 对信息进行加密，即“阴符”
② 将信息分为几份，通过不同人采用不同路径送出，到 目的地汇合
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阴符
存在的问题
阴符只能传递8种消息，且很不详细
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阴书
将一封书信分为3份，由3个人通过不同路径传递，3人互相 不知内情，最后传到一个将领手里，即阴书。
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量化
采样的意义：是“离散时间信号”，而不是真正意义上的 “数字信号”。
如左图所示： 采样值还是随信号幅 度连续变化的，即采 样值m（kT）可以 取无穷多个可能值。
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怎样能让无穷多个电平值变成有限个？
假设用一个N位二进制位组来表示该数值的大小，以便对 该信号进行数字化处理，即N位二进制数只能表示M=2N 个电平值，故采样值必须被M个离散电平，即量化电平。
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作业2
1. 列举古代几种常见的通信方式及优缺点。 2. 画出模拟通信系统的框图 3. 画出数字通信系统的框图
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2.3信号的基础知识
信号：通信系统承载的信息流就是信号。 电磁信号：是时间的函数，也是频率的函数。
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信号的时域概念
从时域的观点来看： 如果一段时间信号的强度变化时平滑的，没有中断或不
量化的好处是方便进行数字处理，代价是产生了失真，即 量化噪声。
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量化噪声的度量
量化噪声由量 化前的连续随 机变量与量化 后的离散随机 变量的均方差 来衡量。
× 设想：利用电磁开关形成一开
一闭的脉冲信号
原因：机械开关难以达到 3400Hz的频率
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亚历山大·格雷厄姆·贝尔
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电话的诞生
一次试验中，贝尔将金属片连接在电磁开关上，声音变 成了电流。原理：金属片因声音而振动，在于其相连的 电磁开关线圈中感生了电流。
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爱迪生发明了炭精式送话器
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傅里叶级数的由来
傅里叶猜想： 任何周期信号都可以用成谐波关系的正弦函数级数来表示
。 非周期信号可以表示为不全成谐波关系的正弦信号的加权
积分。 狄里赫利：给出完整的证明
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周期信号的数学表达——傅里叶级数
满足狄里赫利条件下，周期信号可以用成谐波关系的正弦函 数表示。
造成轮子反着转的错觉，术语称之为“混叠”。
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奈奎斯特采样定理的应用
人发出的声音一般为85~1100Hz，1~4kHz是人耳非常 敏感的频率范围。
想一想，根据奈奎斯特采样定理，手机采样频率应该是多 少，基本可满足其通话需求？
GSM规范规定GSM手机采样频率是8kHz。
第2章 通信系统概述
展召敏
先了解几个概念
信源：信息的源头 信宿：信息传达的目的地 信道：信源与信宿通信的媒介，空气、电 缆、光缆、水等 通信：信源向信宿传递信息的过程 信息：有价值的消息
人之间的对话和现代无线通信系统的异同
相同之处
说话方：相当于发射机（或信源） 听话方：相当于接收机（或信宿） 沟通语言：相当于信源编码 空气：是物理媒介
Байду номын сангаас
个过程被称为“采样”。
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奈奎斯特采样定理
究竟取多少个点，原有的连续时间信号所含的信息才不会 丢失，才能完整的保留下来，然后被还原？
× 无穷多个？
奈奎斯特证明了，如果一个信号是带限的（即它的傅里叶 变换在某一限频带宽以外均为零），如果采样样本大于信 号带宽的两倍，则可以无失真的还原信号。该结论即奈奎 斯特采样定理。
信号衰减了怎么办？
中继
为什么网线一般不超过100m？
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烽火台通信中存在哪些问题？
成本高昂 路径固定且单一 能够传递的信息量有限
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中国古代最主流的远距离通信系统 ——驿站
以驿站为基础的“邮局”系统。 即骑马疯狂地赶路送信，遇着驿站就换马以保持行进
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分析员：统计他每秒多了多少个动作。
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模拟信号如何转变为数字信号
采样
量化
编码
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声音是如何变成比特流的？
想一想：中学的时候是如何画
的函数曲线的？
描点，如：
连线
“模数转换”过程与之类似：
从时间轴上等间隔地抽取N个时间点，然后取N个值，这
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模拟通信系统架构
具有连续随时间变化的波形信号称为模拟信号。
语音信号 影像信号 贝尔挑战——如何把它转化成相应的电信号。 输入信号转换器
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模拟通信系统功能框图
• 低频信号不利于传输，因此要将其调制到高频信号上去。 上图未考虑信道乃至发射机接收机本身所产生的噪声。
采样的作用，把一个时间连续的信号变成时间离散的信号 ，量化是将取值连续的采样信号变成取值离散的采样。
量化分为均匀量化和非均匀量化。
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均匀量化
把输入信号的取值等距离分隔的量化称为均匀量化。
区间中值 量化电平 量化间隔
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量化间隔
输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示，量化电平数 为M，则：
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例
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+
周 期 信 号 分 解 成 基 波 信 号 谐 波 信 号
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非周期信号的数学阐述——傅里叶分析
思想：把非周期信号看作周期无限长的周期信号。 周期无穷大，即频率分量之间变得无限小，将傅里叶级数
的求和变成积分。 傅里叶分析：
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周期复指数信号： 是周期性的，基波频率为ω0，基波周期为T=2π/ ω0 。 与它成谐波关系，即周期是ω0 的k倍，即谐波信号的集合：
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周期信号的数学表达——傅里叶级数
傅里叶级数：
=0.就是欧拉所说的加权系数，0. ω0 t是谐波信号。 一般而言k=±N的分量称为第N次谐波分量。
连续，则为模拟信号。 如果信号在某一段时间内信号强度保持某个常量值，然
后在下一时段有变化成另一个常数值，则为数字信号。
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周期信号
最简单的信号为周期信号：
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正弦波
幅度：A 频率：f 相位：θ
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信号的频域概念
通常一个电磁信号会由多种频率组成 如：
分数：对部队进行整编，即编号。 形名：指旗语，用旗语指挥部队变阵和进行战斗。 鼓点和旌旗放大了声音的音量和视觉标的的大小，延展了 通信距离。
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烽火台
古代大的战役都发生在很小的区域——受指挥系统限制
像长安和雁门这种超长距离的信息传输，应该采用哪种 方式呢？
烽火台
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欠采样
24帧的采样频率是否足够用？ 一般情况下没有问题 特例：如马车轮子转动的飞快，一秒转动不只12圈，则
24帧的采样频率就不够用了，甚至可以看到轮子朝反向转 动的情况，这种情况称之为“欠采样”。
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欠采样
摄像机每秒拍摄24帧，马车每秒转动18圈。 算一算，两次采样之间轮子转动了多少圈？ 两次采样之间，顺时针转270°，人眼觉得逆时针转了90°，
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人之间的对话和现代无线通信系统的异同
区别
传递的信号是声波而非电磁波 无需调制 不需要进行信道编码
注：因为一般都能听清对方的说话，即使“解码”出现问 题（没听清对方说话），人脑比接收机聪明很多，无需进 行CRC校验，就知道信息接收不完全，难以理解，大脑就 丢弃这个信息包，要求重发（让对方再说一遍）。
类似GSM中的跳频加密，GSM跳频技术1秒跳217次，即把 1秒的内容分成217份，通过不同频率发出。
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飞鸽传书
主要问题
单向传输
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2.2通信系统的架构
电话之父——贝尔 模拟通信系统架构 数字通信系统架构 数字通信的优点
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如果我们给予每一个谐波分量一个合 适的系数，然后把这些谐波分量叠加 起来，那么叠加的图形会越来越接近 于一个方波。
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2.4傅里叶级数和傅里叶分析
无论是电磁波还是声波，都不会是一个简单的正弦函数。 对于如下所示，较复杂的信号应该如何分析？
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信号分析
从基础的开始，分析“周期信号”
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模拟系统的优缺点
光学摄影机是典型的模拟通信系统，原理是通过凸透镜 将光信号在胶片上成像。
胶片能够更加细腻的体现场景细节和氛围，对色彩、光 线变化、影调等各方面都比数码能包容的程度更高。
缺点：价格十分高昂
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数字通信相对模拟通信的优势
对噪声的处理： 信道噪声或者干扰噪声造成的差错，原则上都可以通过 差错编码来控制。 便于加密： 成本比较低
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数字通信系统雏形
数字编码器的作用：
尽量使信息简洁，减少冗余，称之为“信源编码”。
接收端可以根据编码所包含的一些内容，对信息完整性做 出判断，尽量恢复原来的信息，称之为“信道编码”。
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数字通信的优点
“通信的世界，过去是属于模拟的，现在和将来是属 于数字的，但未来的未来必定还将是属于模拟的。“
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2.1 中国古代的通信
想一想：古代通信都有哪些方式？
烽火台 旗语 驿站 飞鸽传书 …
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对话交流存在的问题
通信基本靠吼存在的主要问题是什么？
人的发声系统能发出的声波能量有限，通信距离受限。
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古人的解决方案
“孙子曰：凡制众如制寡，分数是也；斗众如斗寡，形 名是也。” ——《孙子兵法》
以抖绳子为例: 对周期信号的分析源于1748年欧拉对振动弦进
行的研究工作。
欧拉发现，所有的振荡模式都是x的正弦函数，并成谐 波关系。
结论：如果某一时刻振动弦的形状是其谐波的组合， 那么在其后任何时刻，振动弦的形状也都是这些振荡 谐波的组合。
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欧拉
简单来说：
绳子上滚动的信号，总可以 表示为右图所示的一堆正弦 波的叠加，只是每个正弦波 所占的比重不同，即加权系 数不同。
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基石
1844年，莫尔斯（美）发明了电报：用电磁波传递信号。 1854年，鲍萨尔（法）设想出电话原理：将两块薄金属片用
电线相连，一方发出声音，金属片振动，变成电传给对方。 问题 如何构造送话器和受话器，怎样把机械能转换成电能，并进行 传送？
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贝尔面临的挑战
怎样把声波转化成电信号？
傅里叶分析带给我们的思考
以往我们通过时域的角度来看待信号，把信号理解为时间 上电平高高低低的连续变化，维度是时间和电平值；
频域的角度来看信号，把信号理解为不同频率的复指数信 号的叠加，即基波分量和谐波分量的叠加，不同频率权重 系数不同，两个维度是频率和权重系数。
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观众关注他这秒干了什么，下一秒又做了哪 些精彩动作。
模拟信号变为数字信号的步骤：采样、量化、编码。 ① 采样： 奈奎斯特定理证明了，当采样频率大于两倍带限信号带 宽时，信号可以完全由其采样样本恢复。 但采样无可避免的存在失真
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② 量化：数字通信系统无法处理无限多个电平值，必须 将其按区间划分，变成有限多个值。
量化环节，同样存在失真。 ③ 编码