Lecture 2 Electronic Communications 电子通信基础
章节目录
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- 2-1 通信方式 Simplex, Full Duplex and Half Duplex
- 2-2 模拟信号与数字信号 Analog and Digital Signals
- 2-3 采样 Sampling
- 2-4 基带与宽带传输 Baseband and Broadband Transmission
- 2-5 调制与解调 Modulation and Demodulation
- 2-6 复用 Multiplexing
- 2-7 电磁频谱与带宽 Spectrum and Bandwidth
- Summary
2-1 通信方式 Simplex, Full Duplex and Half Duplex
电子通信可按传输方向分类。
| 类型 | 中文 | 特点 | 例子 |
|---|---|---|---|
| Simplex | 单工 | 只允许单方向传输 | 广播、电视、遥控 |
| Full duplex | 全双工 | 双方可同时发送和接收 | 电话通话 |
| Half duplex | 半双工 | 双方都能通信，但同一时刻只有一方发送 | 对讲机、部分无线电系统 |
需要注意，duplex 只说明通信方向，不直接说明信号是模拟还是数字。
2-2 模拟信号与数字信号 Analog and Digital Signals
模拟信号 Analog Signal
模拟信号是随时间连续变化的电压或电流。正弦波、语音电压、视频信号都属于模拟信号。
数字信号 Digital Signal
数字信号在幅度上取离散值，常用二进制两状态表示信息。
模拟与数字信号的对比如下。
| 项目 | 模拟信号 | 数字信号 |
|---|---|---|
| 幅度 | 连续变化 | 离散变化 |
| 典型来源 | 语音、图像、传感器 | 计算机数据、编码信息 |
| 处理方式 | 模拟电路处理 | 数字电路或 DSP 处理 |
| 优点 | 延迟小，形式直接 | 易存储、易复制、抗噪声能力较强 |
| 限制 | 易受噪声累积影响 | 带宽大时需要很高采样率 |
2-3 采样 Sampling
连续时间信号
其中
采样过程可写成连续信号与冲激串相乘：
Shannon Sampling Theorem
若连续时间信号最高频率不超过
Nyquist rate 与 Nyquist frequency 分别为
TIP
Nyquist rate 是最低采样率；Nyquist frequency 是给定采样率下可表示的最高频率。两个量容易混用。
2-4 基带与宽带传输 Baseband and Broadband Transmission
基带信号 Baseband Signal
原始语音、视频或数字数据在调制前称为基带信号。基带信号可直接传输，也可用于调制高频载波。
| 传输方式 | 说明 | 典型场景 |
|---|---|---|
| Baseband transmission | 原始信号直接进入媒介 | 电话线中的语音、局域网中的数字脉冲 |
| Broadband transmission | 基带信号调制到高频载波后传输 | 无线电、广播、蜂窝通信 |
基带信号直接无线传输通常效率较低，因此实际无线通信多使用高频载波。高频载波更容易通过天线辐射，也便于频分复用。
2-5 调制与解调 Modulation and Demodulation
调制 Modulation
调制是用基带信息信号改变高频载波参数的过程。被改变的参数可以是幅度、频率或相位。
正弦载波可写为
或
因此常见调制方式为：
| 调制方式 | 改变的载波参数 | 英文 |
|---|---|---|
| 幅度调制 | AM | |
| 频率调制 | FM | |
| 相位调制 | PM |
解调 Demodulation
解调是在接收端从已调载波中恢复基带信息信号的过程，也称 detection。
2-6 复用 Multiplexing
复用 Multiplexing
复用允许两个或多个信号共享同一信道或媒介。发送端将多个基带信号组合为复合信号，接收端再通过解复用恢复各路信号。
常见复用方式：
| 类型 | 英文 | 基本想法 |
|---|---|---|
| 频分复用 | FDM | 不同信号占用不同频段 |
| 时分复用 | TDM | 不同信号占用不同时隙 |
| 码分复用 | CDM / CDMA | 不同信号使用不同扩频码 |
2-7 电磁频谱与带宽 Spectrum and Bandwidth
电磁波在自由空间中的传播速度近似为
频率与波长关系为
常用通信频段如下。
| 名称 | 频率范围 | 波长数量级 |
|---|---|---|
| VLF | ||
| LF | ||
| MF | ||
| HF | ||
| VHF | ||
| UHF | ||
| SHF | ||
| EHF |
带宽 Bandwidth
带宽是信号或系统所占用的频率范围。若最高频率为
调制后信号会在载波频率附近产生边带。若 AM 载波为
因此该 AM 信号占用约
PROBLEM
比较一个
SOLUTION
在
在
故同样的绝对带宽放到更高频率处，占频谱的相对比例更小，频谱划分更方便。
Summary
| 内容 | 公式 / 结论 | 备注 |
|---|---|---|
| 单工 | 单方向通信 | 广播、遥控 |
| 全双工 | 双方同时通信 | 电话 |
| 半双工 | 双方轮流通信 | 对讲机 |
| 采样 | ||
| 采样定理 | 避免混叠 | |
| 载波 | AM/FM/PM 分别改变幅度、频率、相位 | |
| 波速关系 | 自由空间中 | |
| 带宽 | 信号占用的频率范围 |