Introduction
章节目录
- 1-1 课程定位 Course Scope
- 1-2 通信系统的任务 Communication Task
- 1-3 通信系统的基本组成 Basic Elements
- 1-4 限制与分类 Limitations and Classification
- 1-5 模拟与数字通信 Analog and Digital Communication
- 1-6 基带、载波与调制 Baseband, Carrier and Modulation
- 1-7 通信设计折中 Communication Design Trade-offs
1-1 课程定位 Course Scope
1-1-1 学习目标 Learning Outcomes
通信原理与系统 Communications Principles and Systems 关注物理链路层附近的问题：信号如何表示、系统如何改变信号、频谱如何描述信号，以及调制如何把信息搬到适合传输的频段。
课程的第一部分主要服务后续模拟调制、频率调制和数字调制。需要掌握的工具包括：
- 傅里叶级数 Fourier Series：用于周期信号的频谱分解；
- 傅里叶变换 Fourier Transform：用于一般信号的时域 / 频域转换；
- 卷积 Convolution：用于描述输入、系统冲激响应和输出之间的关系；
- 滤波 Filtering：用于解释系统对不同频率分量的选择性。
这些工具会反复出现。后面看到 AM、FM、IQ 调制、信道带宽和噪声分析时，本质上都在操作同一套信号与系统语言。
1-1-2 Part 1 的位置 Position of Part 1
Part 1 覆盖 Lectures 1--4：
| Lecture | 主题 | 作用 |
|---|---|---|
| Lecture 1 | Introduction | 建立通信系统、信道、调制和设计折中的整体图景 |
| Lecture 2 | Review of Signals | 复习信号分类、复数表示、基本信号、能量与功率 |
| Lecture 3 | LTI Systems and Fourier Transform | 建立 LTI 系统、卷积、频率响应和滤波器模型 |
| Lecture 4 | Baseband and Passband Signals | 建立带宽、基带、通带、IQ 分量和复包络表示 |
这四讲的关系很紧。Lecture 2 给出信号对象，Lecture 3 给出系统工具，Lecture 4 把信号和系统放回通信频段中。
1-2 通信系统的任务 Communication Task
1-2-1 信息交换 Information Exchange
通信 Communication
通信 Communication 是两个实体之间的信息交换。两个实体可以相隔空间，例如电话和网页浏览；也可以相隔时间，例如录音、硬盘和其他存储介质。
通信系统的目标通常写成三个词：
- 高效 Efficient：用较少带宽、功率、时间或成本传输较多信息；
- 可靠 Reliable：在噪声、衰减、干扰和失真存在时仍能恢复信息；
- 安全 Secure：使未授权接收者难以获取或篡改信息。
通信不只发生在人与人之间。处理器总线、路由器之间的信令、传感器网络、卫星链路和蜂窝网络，都属于通信系统分析的对象。
1-2-2 通信系统 Communication System
通信系统 Communication System
通信系统 Communication System 是使信息从源端传到目的端的一组设备、算法和传输媒介。它通常包含信息源、发射机、信道、接收机和目的端。
通信过程可以按功能拆成六步：
- 产生消息信号，例如语音、图像、音乐、视频或数据；
- 用一组符号描述消息，例如电信号、声学符号或视觉符号；
- 将符号编码成适合传输的形式；
- 通过信道发送编码后的符号；
- 在接收端解码并恢复符号；
- 重建原始消息或其可接受近似。
通信系统中出现的“信号”，通常是信息的物理承载形式。例如电压、电流、电磁场、光强或空气压力。
1-2-3 电子通信 Electronic Communication
电子通信 Electronic Communication
电子通信 Electronic Communication 使用电信号或电磁场作为信息载体，将消息从一个位置传送到另一个位置。
现代电子通信的发展依赖几个关键技术节点：电能利用、无线电波、数字化、晶体管和集成电路。课程不考历史细节，但这些节点解释了后续为什么会同时关心模拟电路、数字处理和无线频谱。
对本课程更有用的抽象是：
其中
1-3 通信系统的基本组成 Basic Elements
1-3-1 总体链路 Overall Chain
一个基本通信链路可以写成：
其中：
- 信息源 Information Source：产生待传输的消息；
- 发射机 Transmitter：把消息信号改造成适合信道的发射信号；
- 信道 Channel：承载信号的媒介，同时引入衰减、失真、噪声和干扰；
- 接收机 Receiver：从接收信号中提取消息估计；
- 用户 User / Destination：最终使用恢复出来的信息。
1-3-2 发射机与接收机 Transmitter and Receiver
输入换能器 Input Transducer
输入换能器 Input Transducer 将非电形式的消息转换为电信号。例如麦克风把声压变化转换成电压变化。
发射机的核心任务是修改基带消息信号，使其适合远距离传输、频谱分配和抗噪声要求。常见子模块包括：
- 模数转换器 Analog-to-Digital Converter, ADC；
- 源编码器 Source Encoder；
- 信道编码器 Channel Encoder；
- 调制器 Modulator；
- 功率放大器 Power Amplifier。
接收机做相反方向的处理。它需要放大、滤波、同步、解调、均衡、信道解码和源解码。课程后面会把这些模块压缩成数学模型，例如滤波器、调制器和 LTI 信道。
输出换能器 Output Transducer
输出换能器 Output Transducer 将接收端电信号转换为用户需要的物理形式。例如扬声器、显示器、打印机和执行器。
1-3-3 信道 Channel
信道 Channel
信道 Channel 是连接发射端和接收端的传输媒介。它可以是双绞线、同轴电缆、光纤、波导、自由空间无线链路，也可以是网络中的一段逻辑连接。
信道可以分为两类：
| 类型 | 例子 | 特点 |
|---|---|---|
| 有线信道 Wired Channel | 铜线、同轴电缆、光纤、波导 | 方向性强，频谱可在不同线缆中复用，带宽高，但基础设施复杂 |
| 无线信道 Wireless Channel | 无线电、红外、自由空间光链路 | 便于移动接入，部署成本低，但更容易受干扰，频谱资源受限 |
有线和无线信道都存在非理想影响。工程设计的重点是建模、补偿，并在限制内取得足够性能。
1-4 限制与分类 Limitations and Classification
1-4-1 带宽与噪声 Bandwidth and Noise
通信系统有两个基本物理限制：带宽 Bandwidth 和 噪声 Noise。
带宽 Bandwidth
带宽 Bandwidth 描述信号或系统占用的频率范围。带宽越大，信号允许变化得越快，但频谱资源也消耗得越多。
噪声 Noise
噪声 Noise 是随机或不可预测的电信号扰动，来源可以是大气、电磁干扰、宇宙背景、热噪声、散粒噪声或电路内部器件。
带宽限制影响可传的数据速率，噪声限制影响可恢复的精度。模拟通信中常用 信噪比 Signal-to-Noise Ratio, SNR 衡量质量；数字通信中常用 误码率 Bit Error Rate, BER 衡量质量。
1-4-2 信道损伤 Channel Impairments
常见信道损伤包括：
- 传播损耗 Propagation Loss：距离越远，接收功率通常越低；
- 频率选择性 Frequency Selectivity：不同频率分量经历不同增益和相位变化；
- 时变性 Time Variation：温度、湿度、移动物体和传播环境变化会改变信道；
- 非线性 Nonlinearity：部分链路或器件在大信号下偏离线性模型；
- 共享使用 Shared Usage：多个用户竞争同一频段或媒介；
- 干扰 Interference：其他通信信号或设备辐射叠加到目标信号上。
这些因素共同决定发射机和接收机的结构。后续将用 LTI 系统、频率响应和滤波器描述其中一部分影响。
1-4-3 通信方式 Transmission Modes
按信息流方向，通信方式常分为：
| 方式 | 英文 | 信息流 |
|---|---|---|
| 单工 | Simplex | 只允许单向传输 |
| 半双工 | Half-duplex | 双向传输，但同一时刻只能一个方向 |
| 全双工 | Full-duplex | 两个方向可以同时传输 |
广播电台接收是单工的典型例子，对讲机是半双工，电话和蜂窝通信通常按全双工设计。
1-5 模拟与数字通信 Analog and Digital Communication
1-5-1 模拟信号与数字信号 Analog and Digital Signals
模拟信号 Analog Signal
模拟信号 Analog Signal 用连续变化的物理量表示信息，幅度可以在某个范围内取任意值。
数字信号 Digital Signal
数字信号 Digital Signal 用离散状态或数字序列表示信息。最常见的二进制信号只使用
物理波形本身仍然是连续世界中的电压、电流或电磁波。模拟和数字的区别在于波形所代表的信息结构：模拟信号用连续幅度承载信息，数字信号用离散符号承载信息。
数字通信的优点包括：
- 对噪声和干扰更稳健；
- 可使用再生中继器恢复符号；
- 可用信道编码获得很低误码率；
- 更适合复用、加密和存储；
- 可用 DSP 和 VLSI 实现复杂算法。
1-5-2 模拟通信链路 Analog Communication Chain
模拟通信直接处理连续消息信号。基本链路为：
其中：
：消息信号 Message Signal； ：发射信号 Transmitted Signal； ：接收信号 Received Signal； ：恢复消息的估计。
模拟链路中，信道噪声和失真会连续地影响波形幅度、相位或频率，因此常用 SNR 描述恢复质量。
1-5-3 数字通信链路 Digital Communication Chain
数字通信把消息转化为比特，再把比特映射为物理波形。一个较完整的链路为：
源编码 Source Coding 负责把语音、图像或数据压缩成比特；信道编码 Channel Coding 加入冗余，用于抵抗错误；调制 Modulation 把比特映射成适合信道传输的波形。
Shannon 理论给出两个重要结论：
- 给定允许失真，任意信息源都可以用比特表示；
- 给定信道容量，在容量以下可以用编码实现任意低的错误概率。
这两个结论解释了为什么现代通信系统大量使用数字链路。
1-6 基带、载波与调制 Baseband, Carrier and Modulation
1-6-1 基带信号 Baseband Signal
基带信号 Baseband Signal
基带信号 Baseband Signal 是原始消息信号，或用于调制载波的低频调制信号，其频率成分集中在接近
语音基带信号常取
1-6-2 基带传输的限制 Baseband Transmission Limitations
基带传输 Baseband Transmission
基带传输 Baseband Transmission 指把原始模拟或数字消息信号直接送入传输媒介，不进行频率搬移。
基带传输在远距离无线通信中不合适，主要有两个原因。
第一个原因是天线尺寸。若用频率
工程上天线长度常至少取波长的一个固定比例，例如
第二个原因是频谱重叠。多个语音或低频数据源使用相同低频范围时，接收机难以区分不同来源。调制把不同信号搬到不同载波频率附近，可以实现频分复用。
1-6-3 调制信号 Modulated Signal
调制 Modulation
调制 Modulation 是用基带消息信号控制高频载波的幅度、频率或相位，使消息适合指定信道传输的过程。
设载波为：
调制可以改变
调制的主要作用：
- 让信号适配无线信道或带通信道；
- 通过不同载波频率同时发送多个信号；
- 避开强噪声或强干扰频段；
- 减小天线尺寸；
- 支持后续的 AM、FM、PM、ASK、FSK、PSK 等调制方法。
1-6-4 调制类型 Types of Modulation
模拟调制面向模拟消息信号，典型类型为：
| 类型 | 英文 | 被控制的载波参数 |
|---|---|---|
| 幅度调制 | Amplitude Modulation, AM | 幅度 |
| 频率调制 | Frequency Modulation, FM | 频率 |
| 相位调制 | Phase Modulation, PM | 相位 |
数字调制面向数字符号，典型类型为：
| 类型 | 英文 | 被控制的载波参数 |
|---|---|---|
| 幅移键控 | Amplitude Shift Keying, ASK | 幅度 |
| 频移键控 | Frequency Shift Keying, FSK | 频率 |
| 相移键控 | Phase Shift Keying, PSK | 相位 |
这些调制方式的共同点是：消息从低频波形映射到高频载波附近的通带信号。
1-7 通信设计折中 Communication Design Trade-offs
1-7-1 性能指标 Performance Metrics
一个好的通信系统通常希望同时满足：
- 接收信号保真度高；
- 发射功率低；
- 信息速率高；
- 占用带宽小；
- 成本和复杂度低；
- 安全性和可靠性满足需求。
这些指标互相牵制。更高功率可以改善接收质量，但会增加能耗和干扰；更大带宽可以提高数据速率，但频谱资源受监管限制；更复杂的编码和 DSP 可以降低错误率，但会增加硬件成本和延迟。
1-7-2 典型场景 Typical Scenarios
不同通信场景的主导限制不同：
| 场景 | 主导限制 | 设计倾向 |
|---|---|---|
| 卫星和深空通信 | 发射功率昂贵、距离极远 | 能量效率优先 |
| 微波中继塔 | 可用带宽受监管限制 | 频谱效率优先 |
| 蜂窝手机 | 电池容量和频谱都受限 | 能量效率与频谱效率同时考虑 |
因此通信工程很少只优化单一指标。系统设计通常是在功率、带宽、复杂度、延迟、容量和可靠性之间取平衡。
1-7-3 复习重点 Review Checklist
本讲需要记住：
- 通信系统的基本链路：源、发射机、信道、接收机、用户；
- 信道的主要限制：带宽、噪声、损耗、频率选择性、时变性、干扰；
- 模拟信号与数字信号的区别在于信息表示方式；
- 数字通信链路中源编码、信道编码和调制的分工；
- 基带信号不适合远距离无线传输的原因；
- 调制通过高频载波完成频谱搬移；
- 通信系统设计总是在功率、带宽、复杂度和可靠性之间折中。