通信原理（1）

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FDM,TDM,CDM:

信息熵：

密勒码：

DSB/SSB/VSB:

PAM（脉冲幅度调制）:

• 定义：PAM是一种调制技术，通过改变一系列脉冲的幅度来表示模拟信号的振幅。
• 工作原理：原始模拟信号的振幅值在每个采样时刻被用来调制脉冲的幅度。结果是一系列具有不同幅度的脉冲序列。
• 类型：
  • 单极性PAM：脉冲仅为正值，幅度从零到最大值变化。
  • 双极性PAM：脉冲可以为正值或负值，幅度在正负最大值之间变化。

特点与应用

• 特点：
  • 带宽需求：PAM信号的带宽需求取决于脉冲的宽度和采样率。一般来说，较高的采样率和较窄的脉冲宽度会增加带宽需求。
  • 易受噪声影响：PAM信号的幅度信息容易受到噪声干扰，从而影响信号质量。
  • 实现简单：PAM调制和解调电路相对简单，易于实现。
• 应用：
  • 数字通信：PAM是许多数字调制技术的基础，例如脉冲编码调制（PCM）和多级脉冲幅度调制（M-PAM）。
  • 光通信：PAM广泛用于光纤通信系统，尤其是PAM-4（四电平脉冲幅度调制）在高速光通信中应用广泛。

PAM信号的示例

为了帮助理解，这里举一个简单的PAM信号示例：

假设我们有一个模拟信号，如正弦波，通过PAM调制后，每个采样点的信号幅度被转换为对应的脉冲幅度：

• 原始模拟信号：一个正弦波， x(t)=Asin(2πft)。

  x(t)=Asin⁡(2πft)x(t) = A \sin(2\pi f t)

• PAM调制信号：在每个采样点 tn，生成一个脉冲，其幅度为 x(tn)。

PCM（脉冲编码调制）:

• 定义：PCM是一种将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的方法。它通过对信号进行采样、量化和编码，实现模拟信号到数字信号的转换。
• 工作原理：
  1. 采样：对模拟信号按固定时间间隔进行采样，生成一系列离散的样本。
  2. 量化：将每个样本的幅度值近似为最接近的离散值（量化级）。
  3. 编码：将量化后的离散值转换为二进制数，形成PCM码字。

详细步骤

1. 采样：
   • 根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍，以避免混叠。
   • 例如，对于音频信号（20 Hz 到 20 kHz），常用的采样频率是44.1 kHz（CD质量）。
2. 量化：
   • 将每个采样点的振幅值映射到预定义的量化级别。
   • 量化级别的数量由量化位数决定。例如，8位量化有256个级别，16位量化有65536个级别。
3. 编码：
   • 将量化后的振幅值转换为二进制数。
   • 每个采样点被表示为固定长度的二进制数，形成PCM码字。

特点与应用

• 特点：
  • 高保真：PCM可以提供高质量的信号重建，只要采样率和量化位数足够高。
  • 带宽需求：PCM信号的带宽取决于采样率和量化位数。
  • 抗噪性：数字信号的抗噪性优于模拟信号，在传输过程中不易受噪声干扰。
• 应用：
  • 数字音频：如CD、DVD、蓝光音频、数字电话系统。
  • 数字视频：如数字电视、视频压缩标准（例如H.264中的音频部分）。
  • 数据通信：如电话网、计算机网络中的语音和视频传输。

PCM的优缺点

• 优点：
  • 高质量的信号重建，适合高保真音频和视频应用。
  • 数字信号处理方便，可以利用现有的数字电路技术。
  • 良好的抗噪性，适合长距离传输。
• 缺点：
  • 带宽需求较高，尤其是在高采样率和高量化位数情况下。
  • 需要复杂的编码和解码设备。

DM（增量调制）:

• 定义：DM是一种将模拟信号转换为数字信号的调制方法，通过记录每个采样点相对于前一个采样点的变化（增量）来表示信号。
• 工作原理：
  1. 采样：对模拟信号按固定时间间隔进行采样。
  2. 量化：每个采样点与前一个采样点进行比较，根据差值的符号（增大或减小）生成一个单比特的输出信号（1或0）。
  3. 编码：将每个采样点的变化表示为二进制码。

详细步骤

1. 采样：
   • 以固定频率对模拟信号进行采样。
2. 量化：
   • 比较当前采样值与前一个采样值的大小。
   • 如果当前采样值大于前一个采样值，输出1；否则输出0。
3. 编码：
   • 将比较结果（1或0）编码成数字信号。

分集技术：

分集技术是一种在无线通信中用来对抗信道衰落和提高信号接收质量的方法。由于无线信号在传播过程中会受到多路径效应、干扰和衰落的影响，分集技术通过利用多个独立的信号路径来增强信号强度和可靠性。以下是分集技术的详细介绍：

分集技术的分类

1. 空间分集（天线分集）
   • 定义：利用多个天线来接收或发送信号，每个天线位置相对独立，以确保接收到的信号路径尽可能独立。
   • 方法：
     • 接收分集：多个接收天线接收同一信号，然后将信号进行合并处理。
     • 发射分集：多个发射天线发送相同的信号。
   • 优点：能够显著改善信号质量和可靠性，常用于MIMO（多输入多输出）系统中。
2. 时间分集
   • 定义：通过在不同的时间点传输相同的信号，利用时间间隔来对抗快速衰落。
   • 方法：
     • 重复发送：同一信号在不同时间点重复发送。
     • 交织和编码：通过交织和编码技术，使得数据在时间上分散。
   • 优点：能够减少由于快速衰落引起的误码率，但会增加延迟。
3. 频率分集
   • 定义：通过在不同的频率上同时传输相同的信号，利用频率的不同来对抗频率选择性衰落。
   • 方法：
     • 载波分集：同一信号在多个载波频率上同时发送。
     • OFDM（正交频分复用）：将信号分成多个子载波，每个子载波在不同的频率上传输。
   • 优点：能够有效对抗频率选择性衰落，提高信号传输的稳定性。
4. 极化分集
   • 定义：利用不同极化方式的天线（如垂直极化和水平极化）来接收或发送信号。
   • 方法：
     • 双极化天线：使用两个极化方向不同的天线进行信号传输和接收。
   • 优点：可以增加系统容量和减少干扰。

分集技术的工作原理

分集技术通过多种途径接收同一信号，然后结合这些独立接收到的信号，以提高信号的整体质量。常用的分集技术合并方法包括：

1. 选择合并（SC）：选择信噪比最高的信号进行解调。
2. 最大比合并（MRC）：将各个信号按照其信噪比的权重进行加权合并，最大化接收信号的信噪比。
3. 等增益合并（EGC）：对各个信号进行相位调整后进行等增益合并。

分集技术的应用

• 蜂窝网络：在蜂窝基站和用户设备中广泛应用，提高通话质量和数据传输速率。
• Wi-Fi网络：在Wi-Fi接入点和客户端设备中使用，提高信号覆盖范围和稳定性。
• 卫星通信：利用空间分集和频率分集技术，提高信号接收的可靠性和抗干扰能力。
• 物联网（IoT）：在物联网设备中使用分集技术，提高设备间通信的稳定性和效率。

优缺点

• 优点：
  • 显著提高信号接收质量和可靠性。
  • 减少多路径衰落和干扰的影响。
  • 增强系统的整体性能和容量。
• 缺点：
  • 需要额外的硬件，如多个天线和接收器，增加成本和复杂度。
  • 增加了系统的功耗和处理负担。

分集技术是现代无线通信系统中的关键技术，能够有效对抗信道衰落和干扰，提高通信系统的性能和可靠性。通过合理应用不同的分集技术，可以在各种通信环境中实现稳定的信号传输。

合并方式（diversity combining）：

在无线通信系统中，合并方式（diversity combining）是利用多个独立的信号路径接收相同信号，并通过特定的方法将这些信号合并，以提高信号的质量和可靠性。以下是常用的几种合并方式：

1. 选择合并（Selection Combining, SC）

• 原理：从多个接收到的信号中选择信噪比（SNR）最高的信号进行解调。
• 优点：
  • 实现简单。
  • 硬件开销低。
• 缺点：
  • 不能充分利用所有接收到的信号，仅依赖于一个最好的信号。
• 应用场景：适用于对成本和复杂度敏感的场合。

2. 最大比合并（Maximum Ratio Combining, MRC）

• 原理：将各个接收到的信号按照其信噪比的权重进行加权合并，以最大化接收信号的信噪比。
• 步骤：
  1. 测量每个接收信号的信噪比。
  2. 对每个信号进行加权处理，权重与信噪比成正比。
  3. 将加权后的信号进行相加，得到合并后的信号。
• 优点：
  • 能充分利用所有接收到的信号，提高接收质量。
  • 最佳的性能，最小化误码率。
• 缺点：
  • 实现复杂，需要更多的硬件和计算资源。
  • 增加功耗。
• 应用场景：高性能通信系统，如卫星通信和蜂窝基站。

3. 等增益合并（Equal Gain Combining, EGC）

• 原理：对所有接收信号进行相位调整后进行等增益合并，不考虑信噪比的差异。
• 步骤：
  1. 对每个接收信号进行相位调整，使其相位与参考信号一致。
  2. 对所有相位调整后的信号进行简单相加，得到合并后的信号。
• 优点：
  • 比选择合并复杂度低，但性能优于选择合并。
  • 不需要精确测量信噪比，只需相位信息。
• 缺点：
  • 性能不如最大比合并，但复杂度也较低。
• 应用场景：中等性能要求且对硬件复杂度有一定限制的场合。

4. 分布式合并（Distributed Combining）

• 原理：利用网络中分布的多个接收节点进行信号合并。
• 步骤：
  1. 各接收节点接收信号并进行初步处理。
  2. 通过网络传输部分或全部处理结果到中心节点。
  3. 中心节点将所有接收到的结果进行合并。
• 优点：
  • 能利用现有的分布式网络资源，提高系统的覆盖范围和可靠性。
  • 适用于大规模网络，如传感器网络和物联网。
• 缺点：
  • 需要网络基础设施支持，复杂度较高。
• 应用场景：大规模分布式系统，如物联网、传感器网络和智能城市应用。

合并方式的比较

每种合并方式都有其优缺点，选择合适的合并方式需要综合考虑系统的性能要求、硬件资源、功耗限制和应用场景等因素。通过合理应用合并技术，可以显著提高无线通信系统的信号质量和可靠性。

高进制调制技术:

高进制调制技术通过使用更多的符号来表示数据，从而在相同的时间内传输更多的比特。这种技术通过在频域、相位域或振幅域中对信号进行调制来实现，以下是高进制调制的主要原理及一些常见类型：

高进制调制的基本原理

高进制调制的核心思想是将比特流分组，每组包含多个比特，然后使用这些比特组合来选择一个唯一的符号进行传输。这样，每个符号可以表示多个比特，从而提高频谱效率。

1. 星座图

• 定义：星座图是用于表示调制信号的图形，它在二维平面上显示不同符号的相位和幅度。
• 作用：通过星座图可以直观地看到不同符号的分布和间距。
• 示例：
  • QPSK（四相相移键控）：星座图上有4个点，每个点表示2比特（00, 01, 10, 11）。
  • 16-QAM（16阶正交振幅调制）：星座图上有16个点，每个点表示4比特。

2. 符号表示

• 定义：每个符号对应一组比特。
• 作用：通过符号传输多个比特来提高数据速率。
• 示例：
  • QPSK：每个符号表示2比特。
  • 16-QAM：每个符号表示4比特。

常见的高进制调制技术

1. QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，四相相移键控）

• 原理：通过改变载波信号的相位来表示数据。QPSK使用四个相位，每个相位表示2比特。
• 星座图：四个点，分别位于0度、90度、180度和270度。
• 优点：相对于BPSK（双相相移键控），QPSK在相同带宽内可以传输更多的数据。

2. 16-QAM（16-level Quadrature Amplitude Modulation，16阶正交振幅调制）

• 原理：通过同时改变载波信号的振幅和相位来表示数据。16-QAM使用16个不同的符号，每个符号表示4比特。
• 星座图：16个点，分布在一个4×4的网格上，每个点的位置由其幅度和相位决定。
• 优点：在相同带宽内，16-QAM比QPSK可以传输更多的数据，但需要更高的信噪比。

3. 64-QAM（64-level Quadrature Amplitude Modulation，64阶正交振幅调制）

• 原理：类似于16-QAM，但使用64个符号，每个符号表示6比特。
• 星座图：64个点，分布在一个8×8的网格上。
• 优点：在相同带宽内，64-QAM比16-QAM可以传输更多的数据，但需要更高的信噪比。

实现步骤

1. 比特分组：
   • 将输入的比特流分成固定长度的组，每组表示一个符号。例如，对于16-QAM，每组包含4个比特。
2. 符号映射：
   • 将每组比特映射到星座图上的一个符号。每个符号对应特定的振幅和相位。
3. 信号生成：
   • 根据符号的振幅和相位生成相应的调制信号。
4. 信号传输：
   • 通过无线信道或有线信道传输调制信号。
5. 信号接收与解调：
   • 接收端接收到调制信号后，通过解调将其转换回符号，再通过符号映射恢复原始比特流。

优缺点

优点

• 提高频谱效率：在相同的带宽内传输更多的数据。
• 适应高速数据传输：适合现代通信系统的高速数据传输需求，如LTE和5G。

缺点

• 对信噪比要求更高：高进制数的调制需要更高的信噪比来正确解调信号。
• 实现复杂度增加：需要更复杂的硬件和算法进行调制和解调。

结论

高进制调制技术通过使用更多的符号来提高数据传输速率和频谱效率，但也增加了对信噪比的要求和系统的实现复杂度。在实际应用中，需要权衡这些因素，以选择最适合的调制方式。

符号：

在数字调制技术中，符号是表示特定比特组的信号状态。符号可以通过改变载波的特性，如幅度、相位或频率来实现。具体的符号形式取决于所采用的调制技术。以下是一些常见调制技术中的符号表示方式：

1. 幅度调制（AM）

• 原理：通过改变载波信号的幅度来表示符号。
• 符号表示：不同的幅度值表示不同的比特组。
• 示例：
  • 2-ASK（2-level Amplitude Shift Keying）：使用两种不同的幅度值表示两个符号（0和1）。
  • 4-ASK（4-level Amplitude Shift Keying）：使用四种不同的幅度值表示四个符号（00、01、10、11）。

2. 相位调制（PM）

• 原理：通过改变载波信号的相位来表示符号。
• 符号表示：不同的相位值表示不同的比特组。
• 示例：
  • BPSK（Binary Phase Shift Keying）：使用两种相位（0度和180度）表示两个符号（0和1）。
  • QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）：使用四种相位（0度、90度、180度、270度）表示四个符号（00、01、10、11）。

3. 频率调制（FM）

• 原理：通过改变载波信号的频率来表示符号。
• 符号表示：不同的频率值表示不同的比特组。
• 示例：
  • 2-FSK（2-level Frequency Shift Keying）：使用两个频率表示两个符号（0和1）。
  • 4-FSK（4-level Frequency Shift Keying）：使用四个频率表示四个符号（00、01、10、11）。

4. 正交振幅调制（QAM）

• 原理：通过同时改变载波信号的幅度和相位来表示符号。
• 符号表示：不同的幅度和相位组合表示不同的比特组。
• 示例：
  • 16-QAM：使用16种不同的幅度和相位组合表示16个符号（每个符号表示4个比特）。
  • 64-QAM：使用64种不同的幅度和相位组合表示64个符号（每个符号表示6个比特）。

5. 差分相位调制（DPSK）

• 原理：通过符号间相位变化来表示比特，而不是绝对相位。
• 符号表示：相位变化表示不同的比特组。
• 示例：
  • DPSK（Differential Phase Shift Keying）：基于相邻符号的相位差来表示数据。

符号在星座图中的表示

星座图是一种直观的方式来表示调制符号，其中每个点代表一个符号。以下是一些调制技术的星座图示例：

1. BPSK：两个点分别位于0度和180度。
2. QPSK：四个点分别位于0度、90度、180度和270度。
3. 16-QAM：16个点在二维平面上排列成4×4的网格，每个点的幅度和相位不同。
4. 64-QAM：64个点在二维平面上排列成8×8的网格。

具体例子

1. BPSK

• 比特组合：0和1。
• 符号：0对应相位0度，1对应相位180度。

2. QPSK

• 比特组合：00、01、10、11。
• 符号：
  • 00：相位0度
  • 01：相位90度
  • 10：相位180度
  • 11：相位270度

3. 16-QAM

• 比特组合：0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111。
• 符号：不同的幅度和相位组合，例如：
  • 0000：低幅度、相位0度
  • 1111：高幅度、相位270度

总结

符号在数字调制技术中可以通过改变载波的幅度、相位或频率来表示。每个符号对应一组比特，通过这种方式可以在相同的带宽内传输更多的数据。高进制数的调制技术（如QAM、QPSK等）利用更多的符号来提高数据传输速率，但也增加了对信噪比的要求和系统复杂度。