1 通信系统模型

一般通信系统模型包含5个环节：信源、发送设备、信道、接收设备、信宿。如下图所示。

信源：信息源，将各种消息转换成原始电信号。例如将电话机话筒的声音信号转换成音频电信号。
发送设备：将电信号通过编码、调制，转换成能在信道中传输的信号（例如电磁波信号）
信道：能传输信号的各种物理媒介，例如空气。
接收设备：功能与发送设备相反，进行解调、译码。
信宿：将电信号还原成消息，例如扬声器将电信号转换成声音信号

2 信道

信道是通信系统中的关键环节，设备之间连接的桥梁。信道根据传输媒介分为无线信道和有线信道。无线信道包括电磁波这种，例如目前5G基站和手机之间的通信是电磁波；有线信道包括光纤这种，例如承载网里的波分产品和分组产品通过光纤传输。

2.1 无线信道

无线信道利用电磁波进行传输，根据传输频率和通信距离，电磁波传输分为地波、天波和视波三种方式。
地波传输的频率较低，所以波长大，绕射能力强，可沿着弯曲的地球表面传播。如下图所示。

天波的频率较高（大约2M-30M），能够被大气层中的电离层反射，如下图所示。

视波传输的频率很高，这是目前主要的应用方式，像5G基站的传输方式就是视波传输。视波的频率高，绕射能力较小，所以只能作为直线视线传播，如下图所示。

从上图可知视波传输距离是与天线高度有关的，天线位置越高，能够直线传输的距离越远，所以我们日常看到的基站都是在很高的铁塔上。

上图中r为地球半径，h为天线高度，s为传播距离。

2.2.1 视波

视波在三者中目前应用最广泛。相对于地波和天波传输，视波的传输距离小得多，为了实现远距离传输，一般会进行视距扩展，常用方法有：无线电中继、卫星中继和平流层通信。
无线电中继通信即每间隔一定距离（一般为一个视距）放置一个中继站，将信号进行转发一起，经过多个中继站的信号转发实现远距离通信，这类似现在玩的击鼓传花游戏，一个接一个传递下去。
卫星中继是利用人造卫星传递信号。卫星的位置很高，卫星与发射接收设备之间可看做直线，发射设备将信号传输给卫星，卫星再将信号传输给接收设备。如下图所示。

上图就是三卫星系统实现全覆盖，但这种方式有个缺点，卫星与发射接收设备之间距离较远，导致传输信号的时延较大。
平流台通信是对卫星通信的改善，将转发站挂载在大气球或者飞艇上面，大大减少中间的传输距离，减少时延。不过这种方式目前应用就少，原因可能是飞艇在平流层不太稳定。
目前的民用无线电通信主要采用的是蜂窝煤通信和卫星通信。

2.3 有线信道

有线信道利用光纤、电缆、明线等媒介传输信号，目前使用最多的是光纤。
明线是早期的通信方式。双轴对称电缆，也即双绞线，常见于早期的电话线。
上面两种通信方式的特点是传输距离短，易受到干扰。看谍战剧时会经常看到这种电话被窃听的场景。之后出现了同轴电缆，同轴电缆传输距离更远，抗干扰能力更强，速率也较快，现在的应用也很广泛，多用于有线电视的通信。
但同轴电缆由于结构的原因，造价成本很高。光纤的出现解决了这个问题，光纤通信相对成本低，抗干扰能力强，传输距离远，带宽和通信容量大。像现在海底光缆用的就是光纤技术。光纤传输是目前应用最广泛的有线传输方式，目前通信设备承载网的产品基本都采用光纤传输。光纤传输图如下图所示。

3 调制与解调

调制是把有用信号搭载到载波上。解调是调制的逆过程，从已调信号中回复消息信号。载波是一种高频周期震荡信号，例如正弦波。需要传输的信号称为调制信号。调制与解调的过程好比是货物运输过程，调制就是把货物装上货车，货车运送到目的地后，解调就是把货物从货车上卸载下来。
调制与解调的数学模型如下图所示。

最终的输出信号里包含有用信号和噪声，信噪比（输出信号中有用信号平均功率和噪声平均功率之比）是衡量调制解调器的一个重要指标。

4 模拟调制系统

需要传输的信号称为调制信号，根据调制信号是模拟信号还是数字信号，分为模拟调制系统和数字调制系统。
对于目前的通信系统来说模拟调制系统已经很少，1G时代大量应用模拟调制系统，2G以后主要采用数字调制系统。
模拟调制系统最常用的调制方式是以正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。

4.1 幅度调制

幅度调制是用调制信号去调制高频载波信号的幅度。下图为常规条幅AM调制信号、载波、已调信号的波形。

已调信号和载波信号的频率是相同的，幅度有了较大变化，幅度包含调制信号的特征信息。
常见的幅度调制有常规条幅AM、双边带调制DSB、单边带调制SSB等调制方式。其中AM优势在于接收机简单，广泛用于广播。
调幅调制的综合数学模型如下图所示。

s(t)为调制信号，coswt为载波信号，二者相乘，h(t)为滤波器，r(t)为已调信号。

4.2 解调

关于幅调的解调方式有两种：包络检波和相干检波。
相干解调时,为了无失真地恢复原基带信号,接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步(同频同相)的本地载波(称为相干载波),它与接收的已调信号相乘后,经低通滤波器取出低频分量,即可得到原始的基带调制信号。实现相干解调的关键是接收端要提供一个与载波信号严格同步的相干载波。否则,相干解调后将会使原始基带信号减弱,甚至带来严重失真,这在传输数字信号时尤为严重。
包络解调是将已调信号整流后再经过低通滤波器，检测幅值大小，即外包络大小。

4.3 角度调制

正弦载波有三个参量：幅度、频率和相位。我们不仅可以把调制信号的信息载荷于载波的幅度变化中，还可以载荷于载波的频率或相位变化中。在调制时，若载波的频率随调制信号变化，称为频率调制或调频(FM)；若载波的相位随调制信号而变称为相位调制或调相(PM)。
在这两种调制过程中，载波的幅度都保持恒定不变，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化，故把调频和调相统称为角度调制。
角度调制的抗噪声性能优于幅度调制。其中FM应用较为广泛，像英语四六级考试收音耳机就是FM调制方式。
调频的方法主要有两种：直接调频和间接调频。
调频就是用调制信号控制载波的频率变化。直接调频就是用调制信号直接去控制载波振荡器的频率,使其按调制信号的规律线性地变化。如下图为FM调频调制信号和载波信号的波形图。

图中m(t)为调制信号，S(t)为已调信号。载波的频率大小包含调制信号的特征信息。

4.4 模拟调制系统综述

相对于数字调制系统，模拟调制系统目前应用场景较少，主要应用在一些广播收音机上。模拟调制系统主要有AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM等几种调制方式，具选用哪种调制方式时参考以下几个参数：抗噪声性能、频谱利用率、功率利用率、设备简便性等。一般来说没有哪种调制方式能够同时满足这些参数要求，根据实际使用场景综合考虑选用其中一种调制方式。

5 信号多路复用技术

当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时,该信道就可以被多路信号共享，例如电话系统的干线通常有数千路信号在一根光纤中传输。复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源,提高信道的利用率。
信号多路复用有两种常用的方法:频分复用(FDM)和时分复用(TDM)。时分复用通常用于数字信号的多路传输。频分复用主要用于模拟信号的多路传输。由于模拟传输在通信领域日渐减少，频分复用技术也应用较少了。目前广泛使用的是数字信号的分时复用。
频分复用是一种按频率来划分信道的复用方式。在FDM中,信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段(子通道),每路信号占据其中一个子通道,并且各路之间必须留有未被使用的频带(防护频带)进行分隔,以防止信号重叠。在接收端,采用适当的带通滤波器将多路信号分开,从而恢复出所需要的信号。
时分复用是一种分时使用信道的复用方式，各个子通道分时刻轮流使用信道资源，例如同一时刻只有一个子通道在使用信道资源。就像在学校借用会议室，你们班用完了，我们班再接着用，用完后再给下个班级使用。

6 数字基带传输系统

在实际应用情况中，数字传输系统的使用更广泛，数字传输系统相对模拟传输系统来说有很多优点。
数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输,但在实际传输中,视系统的要求和信道情况，一般需要进行不同形式的编码,并且选用一组取值有限的离散波形来表示。这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号,也可以是调制后的信号。
未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始,称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中,特别是在传输距离不太远的情况下,基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。例如,在计算机局域网中直接传输基带脉冲。这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统,称为数字基带传输系统。而把包括调制和解调过程的传输系统称为数字带通传输系统。
数字基带传输系统相对数字带通传输系统来说应用广泛度较小，目前的5G基站的信号传输基本都是数字带通传输，因为数字基带信号的频谱带宽太大，使得频谱利用率太小，由于频率小，没法使用天线通过电磁波传输。所以数字基带传输主要应用在一些近距离的电缆通信场景，像我们常见的串口通信。

6.1 数字基带信号

数字基带信号是数字信息的电波形的表示。常见数字基带信号有如下几种：单极性、双极性、单极性归零、双极性归零等，分别如下图所示。

其中单极性波形就是数电中常见的高低电平波形。

6.2 基带传输码型

基带信号一般不能直接用于传输，例如单极性波形功率谱的带宽大、多个1出现时无法同步等问题。因此原始基带信号要编成合适的传输码型才能传输。实际使用时要根据信道的特性选择合适的传输码。
以单极性波形基带信号为例介绍常用传输码，常见的传输码有如下几种：AMI码、HDB3码、双相码等，分别如下图所示。

6.3 数字基带系统组成

数字基带系统由以下几个部分组成：传输码编码器、信道信号发生器、信道、接收滤波器、抽样判决器，如下图所示。

编码器是将基带信号编成传输码。由于传输码也是数字信号，也无法在信道中传输，需要通过信道信号发生器变换成模拟信号在信道中传输。接收滤波器是为了过滤信道引入的噪声和码间干扰噪声。抽样判决器是为了恢复基带信号。同步提取是为了给抽样判决器提供定时信息。
信号在数字基带系统中的波形变化如下图所示。

( a)图是原始的单极性基带信号；(b)是进行传输码变换后的波形;©是一种适合在信道中传输的波形;(d)是信道输出信号,显然由于信道传输特性的不理想,使波形产生了失真并叠加上了噪声;(e)为接收滤波器输出波形(f)是位定时同步脉冲;(g)为恢复的信息。
数字基带传输系统也会产生误码，产生的原因有两个：信道噪声和码间串扰。需要选择合适的码型和通过后期设计滤波器消除这两个干扰。

7 数字带通传输系统

在目前通信系统中应用最广泛的是数字带通传输系统。数字带通系统跟数字基带系统的最大区别是数字带通系统传输过程中加上了调制和解调。
用数字基带信号控制载波,把数字基带信号变换为数字带通信号(已调信号)的过程称为数字调制。在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。
数字带通系统主要通过键控法进行调制和解调，利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现数字调制。对载波的振幅﹑频率和相位进行键控,便可获得振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控( PSK)。三者波形如下图所示。

除此之外，数字带通系统也可以利用模拟调制的方法实现数字调制。
数字带通传输系统的组成框图如下图所示。

7.1 振幅键控ASK

振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中,载波的幅度只有两种变化状态,分别对应二进制信息“0”或“1”。键控法原理图如下图所示。

经过键控法调制后，信号的波形变化如下图所示。

关于带通数字信号的解调，和模拟调制方法一样，也有两种解调方法：包络解调和相干解调。
包络解调的原理图如下图所示。

对应的各点波形如下图所示。

a对应带通滤波器输出波形，b对应整流后的波形，c为低通滤波器输出波形，d为最后检测到的数字信号。

7.2 频移键控FSK

频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在FSK中,载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。两个频率点分别代表着二进制的1和0 。FSK的原理图如下图所示。

基带信号为1时，f1选通；基带信号为0时，f2选通。经过FSK调制后的波形如下图所示。

FSK信号的常用解调方法也是包络检波和相干解调。其解调原理是将FSK信号分解为上下两路ASK信号分别进行解调,然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小,可以不专门设置门限。

7.3 相移键控PSK

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变。在2PSK中,通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。PSK的原理图如下图所示。

经过PSK调制后的波形如下图所示。

PSK解调方法通常采用相干解调法。
由于相移键控存在倒π现象，实际使用时一般采用差分相移键控DPSK。

7.4 抗噪声性能

在选择键控法调制方式时，抗噪声性能是一个关键参数。在数字通信系统中,信道噪声有可能使传输码元产生错误,错误程度通常用误码率来衡量。
数字带通传输系统的抗噪声性能不仅与采用的键控法调制方式有关，还与解调方法有关，包络解调和相干解调对应的误码率不一样。通过计算分析，同一制式下，相干解调比包络解调的的误码率低。
除此之外，带宽也是选择调制方式时参考的一个重要指标

7.5 多进制键控

上面讲述的都是针对二进制键控调制，在实际使用时为了提高频带利用率，会采用多进制键控调制，及一个码元传输多个比特的信息，像现在手机里的基带通信都是采用多进制传输。多进制调制系统也有ASK、FSK、PSK三种主要调制方法。下图a为一种4进制单极性码元，即一个码元传输2比特信息，b为对应的ASK波形。

8 新型数字带通调制技术

上一章节提到的三种键控调制技术，属于经典调制技术。随着通信技术的发展，为了不断提高传输性能，诞生了很多新型调制技术。随着计算机技术和集成电路技术的发展，各种调制技术逐渐软件化，在各种SOC（片上系统，例如单片机系统）上搭载调制算法实现调制解调功能。常见的新型调制技术有：正交振幅调制QAM、最小频移键控MSK、正交频分复用OFDM。

9 数字信号的最佳接收

研究最佳接收的目的是在噪声干扰下，如何最佳地接收有用信号，使接收性能达到最优。所谓接收性能最优，就是通过研究各种传输方式的功率谱密度，概率函数等，使得差错概率最小，输出信噪比最大，也即误码率最小。
数字带通传输系统的信道特性差异很大，因此调制方式的选择、解调方式、滤波器等都会影响接收端的误码率。所以研究信道特性，选择合适的调制方式、解调方式、滤波器使得系统为最佳接收。

10 信源编码

所谓信源编码就是把要传输的数据变成比特流的过程。因为信道传输的的数据是二进制的比特，而原始数据一般不是比特流数据。例如要传输一幅图片，先把图片数据编码，再传输出去。
下面第11章的差错控制编码是属于信道编码，信道编码的目的是使数据流具有纠错能力和抗干扰能力。信道编码是在源比特数据流中按照一定规则加入一些冗余比特，接收端可以用来判断或纠错。信道编码的目的是增加无线通信可靠性，但它增加了冗余比特，使有用信息数据传输比例减少。
信源编码和信道编码统称为无线传输的编码。与编码相对的过程就是译码，编码在发送端，译码在接收端。

11 差错控制编码

在前面数字传输系统中，如果接收到了错误码，系统没有纠错功能。通信系统中检测和纠正错误码是靠增加冗余编码实现的，例如学习单片机的UART串口通信时，传输字节里总有奇偶校验位，增加的这一奇偶校验位就是用来误码检测。
差错控制编码的目的是检测并纠正传输过程的错误码，降低误码率，提高通信质量。通过在发送的信号码元中增加冗余的监督码来实现这个功能，提高通信系统可靠性，降低了有效性。这些监督码元与信息码元之间存在某种数学约束关系，接收时利用这些关系检测并发现传输过程产生的误码。
例如用2bit来表示天气，00代表晴、01代表阴、10代表雨、11代表雪。如果传输过程中出现误码，00变成了01，就传输出错，但是系统不会发现，会误以为传输的就是01阴天。
这时可以增加1bit作为奇偶校验，例如采用偶校验，000代表晴、011代表阴、101代表雨、110代表雪。如果000晴出现误码变成了010，而010是无效码，系统就能检测出来，要求发送端重新发送。
常用的差错控制编码有：奇偶监督码、恒比码、正反码、汉明码、循环码、卷积码等。

12 同步原理

在之前章节中解调过程需要载波同步，同步对于数字通信系统来说非常关键。
载波同步又称载波恢复,即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡 ,供给解调器作相干解调用。当接收信号中包含离散的载频分量时,在接收端需要从信号中分离出信号载波作为本地相干载波;这样分离出的本地相干载波频率必然和接收信号载波频率相同。在这些接收设备中需要有载波同步电路。
解决同步问题原则上有两类方法。第一种是采用插人辅助同步信息方法,即在频域或时域中插人同步信号。例如,按照频分复用原理,发送端在空闲频谱处插人一个或几个连续正弦波作为导频信号，接收端则提取出此导频信号,由其产生相干载波。又如,可以按照时分复用原理,在不同时隙周期性地轮流发送同步信息和用户信息。这类方法建立同步的时间快,但是占用了通信系统的频率资源和功率资源。第二种方法是不用辅助同步信息,直接从接收信号中提取同步信息。这类方法的同步建立时间较长,但是节省了系统占用的频率资源和功率资源。目前广泛使用的是第二种方法。

13 随机过程

翻开不少通信原理的书，都在前面章节中都设置了随机过程这个章节。
通信系统中要传输的信号和信道引入的噪声都具有一定的随机性，所以随机过程这个数学工具就是用来对二者进行描述，分析二者特性，从而设置滤波器过滤噪声，保留有用信号。
噪声是在信道这个环节引入的，噪声和信号之间一般满足线性叠加关系。信道的数学模型如下图所示。

上图中s为已调输入信号，C为信道的放大增益，n为信道引入的噪声，r为叠加后的输出。
这一章节内容大多是数学推导和概率论公式，以及一些数学模型的研究，主要作为一个工具研究信号功率谱，概率函数，冲击函数的内容。对于有些证明过程有些复杂，可暂时跳过，后期出一个专题文章研究随机过程。

综述

本文为观看樊昌信第七版通信原理及其配套视频后笔记，视频链接：通信原理学习视频
全书围绕三大传输系统展开：模拟传输系统、数字基带传输系统和数字带通传输系统。模拟传输系统主要应用场景是收音机、FM耳机、广播等。数字基带传输系统主要应用于计算机内部或者一些近距离通信场景，主要通过电缆传输。数字带通系统是目前应用最广泛的，主要通过电磁波无线传输和光纤传输，像5G通信、手机打电话、物联网通信等。
全书的章节安排十分合理巧妙。第五至九章为研究各种通信传输系统；第三章的随机过程是后面的研究工具；第四章研究信道特性；第十章研究数字系统如何设计达到误码率最小，最佳接收；第十一章及第十二章研究传输过程如何纠错，介绍相关编码技术；第十三章研究传输过程的同步问题。

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