Lecture 1 Introduction 电子通信导论
章节目录
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- 1-1 电子通信系统 Electronic Communication System
- 1-2 发射机、信道与接收机 Transmitter, Channel and Receiver
- 1-3 噪声 Noise
- 1-4 增益与衰减 Gain and Attenuation
- 1-5 分贝 Decibel
- 1-6 信噪比 Signal-to-Noise Ratio
- Summary
1-1 电子通信系统 Electronic Communication System
通信指信息的交换。电子通信中，信息先被转换为电信号，再通过某种媒介传输到接收端。
电子通信系统 Electronic Communication System
一个基本电子通信系统由发射机、信道或媒介、接收机三部分组成。信息信号由发射机处理后进入信道，接收机从信道中取回信号并恢复为可使用的信息。
通信过程可以写成
需要注意，信道和接收机都会引入噪声，因此接收端得到的信号通常不是原始信号的完全复制。
1-2 发射机、信道与接收机 Transmitter, Channel and Receiver
1-2-1 发射机 Transmitter
发射机负责把原始电信号变成适合信道传输的形式。常见功能包括：
- 振荡器 Oscillator：产生载波或本振信号；
- 放大器 Amplifier：提高信号幅度或功率；
- 滤波器 Filter：限制频带，去除不需要的分量；
- 调制器 Modulator：把基带信息加载到高频载波上；
- 混频器 Mixer：进行频率搬移；
- 频率合成器 Frequency Synthesizer：产生所需频率。
1-2-2 信道 Channel
信道是信号传播的媒介。常见类型如下。
| 信道类型 | 例子 | 说明 |
|---|---|---|
| 电导体 Electrical conductors | 双绞线、同轴线、电力线 | 直接传输电压或电流信号 |
| 光介质 Optical media | 光纤 | 将信息转换为光强变化后传输 |
| 自由空间 Free space | 无线电、红外、可见光通信 | 依靠电磁波传播 |
| 其他媒介 | 水、地面 | 声呐或低频通信中会出现 |
信道不只会让信号变小，也会改变信号形状。距离增加时，接收功率通常按平方关系下降；实际媒介还具有频率选择性，常表现为低通效应，高频分量被削弱后，数字脉冲边沿会变钝。
另外，信号在电缆、水或其他媒介中的传播速度低于真空光速。传输线越长，这个延迟越不能忽略。
1-2-3 接收机 Receiver
接收机负责从信道中取出信号，并恢复原始信息。接收机中也会用到放大器、振荡器、混频器、滤波器和解调器。
TIP
收发信机 Transceiver 指发射机和接收机做在同一设备中，例如手机、无线电对讲机和调制解调器。
1-3 噪声 Noise
噪声 Noise
噪声是出现在接收机输出端的非期望电压或电流。它会降低信息的可辨认程度，严重时会淹没有用信号。
噪声按来源可分为两类。
| 类型 | 来源 | 例子 |
|---|---|---|
| 外部噪声 External noise | 传输媒介或接收天线之前 | 人为噪声、大气噪声、空间噪声 |
| 内部噪声 Internal noise | 接收机内部器件 | 热噪声、晶体管噪声、频率相关噪声 |
热噪声常写为
其中
1-4 增益与衰减 Gain and Attenuation
增益 Gain
增益表示输出量与输入量之比。若输出幅度大于输入幅度，则电路具有增益。
电压增益和功率增益分别为
衰减 Attenuation
衰减表示信号经过电路或媒介后幅度减小。若仍用输出与输入之比表示，则衰减电路的
级联系统中，总增益或总衰减为各级比值的乘积：
例如三级衰减分别为
若输入为
需要注意，同一个字母
1-5 分贝 Decibel
分贝用于表示很大或很小的功率比、幅度比。乘法关系换成分贝后可直接相加，因此在通信系统中很常用。
功率比的分贝表示为
若两端阻抗相同，电压比和电流比可写为
TIP
电压和电流前面是 20，是因为功率与电压平方或电流平方成正比。若两端阻抗不同，不能直接用
常用绝对功率单位：
| 单位 | 参考功率 | 公式 |
|---|---|---|
| dBm | ||
| dBW |
由 dBm 反推功率：
例如
若负载为
1-6 信噪比 Signal-to-Noise Ratio
信噪比 SNR
信噪比为有用信号功率与噪声功率之比，用来衡量接收信号质量。
线性形式为
分贝形式为
SNR 越大，接收端越容易恢复原始信息。若系统中有多级放大，前级噪声通常影响更明显，因为后续级会把前级噪声一起放大。
PROBLEM
证明
SOLUTION
由 dBm 定义
代入
PROBLEM
求
SOLUTION
由
可得
Summary
| 内容 | 公式 / 结论 | 使用条件 |
|---|---|---|
| 基本通信系统 | Transmitter + Channel + Receiver | 所有电子通信系统的基本抽象 |
| 电压增益 | 幅度比 | |
| 功率增益 | 功率比 | |
| 级联系统 | 线性比值相乘 | |
| 功率分贝 | 功率比 | |
| 电压分贝 | 相同阻抗 | |
| 信噪比 | 信号与噪声功率比较 |