第1章绪论1.1通信系统模型通信是将信息（消息）由一地传向另一地，现代通信通常是用电信号来完成这一传递过程。因此，现代通信实质上就是电通信。电通信（以下简称通信）中所传递的消息，有各种不同的形式，例如：符号、文字、语声，音乐、数据、图片、活动画面等等。因而，根据所传递消息的不同，在目前通信业务上可分为电报、电话、传真、数据传输、可视电话等。如果从广义的角度来看，则广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也可列人通信的范畴。根据电信号传递的媒质不同，通信可分为有线通信和无线通信两大类。所谓有线通信，是指电信号通过导线、电缆线、光缆线等有线媒质传递的，例如：电话系统、有线电视、光纤通信等均属有线通信。所谓无线通信，是指电信号利用空间电磁波的传播来作为媒质传递的，例如：无线电广播、无线电电视、移动通信、卫星通信等均属无线通信。实际上，无论何种通信，都是把一地一发信息源发送设备信道楼收设备受信者送端的信息传送到另一地一一接收端，因而通-发送端接收端信系统可以用如图1.1所示的模型来表示。图噪声源中，发送端的信息源的作用是把各种各样的消息变换成原始的电信号，为了能使这些原始电图1.1通信系统的模型信号适合在信道中传输，由发送端的发送设备对原始电信号再实现某种变换，变换成适合在信道中传输的电信号，然后将这电信号送入信道。信道就是传递电信号的媒质，对有线通信是指传输导线，电缆线，光纤电缆等，对无线通信是指空间传播电磁波。图中接收端的接收设备是将信道送来的电信号变换成原始电信号，送给受信者。受信者的作用是将原始电信号变换成消息，这样就完成了消息的传递过程。图中噪声源是信道中的噪声和分散在发送、接收系统中的噪声的集中表示。图1.1所示通信系统的模型概括地反映了通信系统的共性。通常根据研究对象及所关心的问题不同，将会出现不同形式的较具体的通信系统模型。通信原理和通信电子线路的讨论就是围绕通信系统的模型展开的。1.2通信的发展简史作为有实用意义的通信是从19世纪30年代出现的低级有线电报后才开始的。由于电磁感应理论的形成和发展，于19世纪70年代又开始有了低级的电话机。这就是以金属导线为传输媒质的简单的有线通信方式。1873年麦克斯韦发表了电磁辐射理论，为无线电通信奠定了理论基础。1895年马可尼试验无线电通信获得成功，从而开辟了无线电通信的广阔发展道路。1:
1901年开始出现真空管电子器件，从而使通信设备有了飞速的发展，相继出现有较高水平的有线通信和长波、中波及短波类的较高水平的无线电通信。20世纪30年代出现半导体器件，从而使通信设备的发展又踏上一个新的里程碑。1955年皮尔斯提出了利用人造卫星实现全球通信的设想，1960年美国用ATLAS卫星首次实现了卫星广播，从而开辟了卫星通信的新领域。20世纪60、70年代又出现了“光纤通信”和“计算机通信”，使通信更加快速，内容更加丰富。大规模集成电路的出现和计算机的迅速发展都对通信技术的发展起着极其重要的推动作用，它不仅使通信设备更小型化，而且寿命长，可靠性高，从而又进一步推动个人移动通信和宇宙空间通信的发展。由于人们对通信技术的需求越来越迫切、从而又大大推动了通信学科的发展。从20世纪30年代开始，人们逐步对通信实践中遇到的问题展开了深人的理论研究，先后形成了“过滤和预测理论”、“香农信息论”、“纠错码理论”、“信源统计特性理论”“信号与噪声的理论”、“调制解调理论”、“信号检测理论”等等。在通信体制上，由于半导体和集成电路的发展，不仅促进了像电话那样的模拟通信高速发展，而且出现了像电报那样的具有更广泛前景的数字通信。由于计算机技术和微处理器的发展，使通信突破了人与人之间进行通信的范畴，开始实现人与机器、机器与机器之间的通信。现代通信正朝着更高的水平发展。1.3模拟通信与数字通信按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以把通信系统分为两类，即模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统可以用如图1.1所示的通信系统模型表示。但由于传送的是模拟信号，因此发送端的信息源是将要传送的话音、音乐、图像等连续变化的模拟信息，转变成连续变化的原始电信号。这种原始电信号是具有频率较低的频谱分量，而且是不能直接在信道中传输的。我们把这种频率较低携带信息的原始电信号称之基带信号。为了实现信息的传输，必须把基带信号变换成频率较高，适合在信道中传输的电信号。这种变换过程通常称之调制，实现调制功能信息源同制器信道调器的电路称之调制器。调制后的电信号称之已调信二楼技终端号，已调信号是携带信息且适合在信道中传输的电深声源信号。而且在接收端，为了获取所传输的信息，必须将信道送来的已调信号，再变换成基带信号。这种图1.2模拟通信系统模型变换与发送端的变换相反，是一种信号的反变换，我们称这一变换过程为解调，实现解调功能的电路称之解调器。解调输出的基带信号，还必须由模拟终端重新恢复成连续变化的模拟信息（话音、音乐和图像等）。这类模拟终端器件往往是喇叭和显象管等。由此可见，模拟通信系统模型可以用如图1.2所示框图表示。数字通信系统是传输数字信号的，因此在发送端必须把由信息源产生的连续变化的模拟基带信号，变换成离散的数字基带脉冲信号。完成这种采样数字变换功能的电路称之A/D变换器，即ADC。为了提高数字信号的传输效果，增强抗干扰能力和便于计算机处理，必须对ADC输出的数字基带信号进行编码处理。同时，为了使通信具有保密性，可以再对编码前的数字基带信号先进行加密处理。经过这些处理以后形成的数字基带信号m（t），就可以送人数字调制器中进行数字调制了。数字调制器输出的，带有数字信息的已调信号，是可以在信道中传输的。接收端收到数字已调信号后，送人解调器解出原数字基带信号m（t）。再经译码、解密处.2
理后恢复出原始数字信号。然后，再由D/A变换器，即DAC变换成连续的原始模拟电信号。模拟电信号由模拟终端恢复出所要获取的模拟信息。值得指出的是数字通信中有时往往所要获取的仅仅是数字信息，因而其终端也由数字终端一一计算机或传真机等所取代。有时其信息源也常常是数字设备计算机或传真机。仅仅考虑传输数字信息的数字通信系统模型如图1.3中所示。警家加密编码调制信道解调评码解密数噪声源图1.3数字通信系统模型数字信号可以再生，因而可以消除噪声的积累，因此数字通信具有很强的抗噪声、抗干扰能力。数字传输可以实现差错控制，从而提高传输效果。数字通信可以更方便地实现保密通信。而且便于与计算机接口，实现计算机数字信息处理。数字通信可同时传输多种信息，话音、音乐、数据和图像等，从而可方便地实现多媒体功能。可见，数字通信能适应现代通信的高要求，是现代通信技术的主要方法。目前的民用移动通信和国防军用通信都已普遍采用数字通信方法。1.4通信方式通常，如果通信仅在点与点之间进行，那么，按消发端信道收端息传送的方向与时间，通信的方式可分为单工通信、半(a)双工通信及全双工通信三种。发端发端所谓单工通信，即是指消息只能单方向进行传输中信道的工作方式，如图1.4（a）所示，例如广播、遥控，就是收端收端一种单工通信方式。(b)所谓半双工通信方式，即是指通信双方都能收发发端一收端消息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图1.4信道（b）所示。例如，使用同一载频工作的普通无线电收发信道收端报话机，就是按这种通信方式工作的发端(c)所谓全双工通信，即是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式，如图1.4（c）所示。例如，普通图1.4通信方式示意图电话就是最简单的一种全双工通信方式。1.5通信的频段有线通信和无线通信在实现多路通信时，目前基本上都是采用不同频率的载频一一频道来实现的。根据不同频率的电磁波传播规律的特点，人们把整个频率范围划分为多个通信频段，如表1.1中所示。根据不同通信技术的要求，选用合适的通信频段。通常，民用广播占用MF和HF两个频段.而且均采用调幅（AM）制。调频广播由于调频（FM)制占据带宽较宽，所以使用VHF频段。.3
电视占用VHF和UHF两个频段，VHF有12个频道，UHF有70～100多个频道。远距离无线通信（包括国际通信）采用HF频段，即所谓的短波通信，但它的通信质量一直是技术难题，目前已改用卫星通信。卫星通信占用SHF频段。移动通信早先采用调幅制，占用MF频段。随着移动通信技术的发展，现代已改用调频制，占用VHF和UHF频段。现代的移动通信已同有线通信连网，因此所要求传播的无线距离不远。海洋通信由于是利用电磁波在水中传播的有利条件，故它用的频率最低，占用ELF频段。尽管频率低，但仍然可以远距离传输。表1.1通信的频段(30~300)HzELF极低频(10+~10°)km海底通信、电报(0.3~3)kHzAF首频(108~102)km数据终端，电话(3~~30)kHzALF甚低频(102~10)km导航、载波电报和电话、频率标准(3~300)kHz低频LF(10~1)km导航、电力通信(0.3~3)MHzMF(103~102)m中频广播、业务通信、移动通信(3~30)MHzH高频(102~10)m广播、军用通信、国际通信(30~300)MHz甚高频VHF(10~1)m电视、调频广播、移动通信（模拟）(0.3~3)GHzUHF超高频(102~10)cm电视、雷达、移动通信(3~30)GHzSHF特高频(10~1cm卫星通信、微波通信EHF(30~300)GHz极高频(10~1)mm射电天文、科学研究早期的有线直流电报频率很低，也占用ELF频段。目前使用的有线电话直接在电话线上传输音频基带信号，即原始电信号。因此，它必然是占用AF音频频段。另外，数据传输业务通常也使用AF音频段来传输300～9600bit/s的数据信号。随着数据通信业务需求量的日益增长，目前已采用频分多路复用和时分脉冲编码多路复用技术，其载波频率范围已从ALF频段扩展到VHF频段，甚至还有占用UHF频段的。电力通信是利用电力高压输电线实现有线通信，目前占用LF频段。甚低频（ALF）信号的频率稳定度容易做得很高，因此这个频段适宜作导航或频率标准用。军用通信通常采用单边带调制（SSB），因此占用短波段HF频段。现代用于军事方面的通信已采用扩频和跳频技术，因此使用频段也开始扩展到VHF和UHF频段。雷达要求方向性好，占用UHF频段。在这个频段内的波长尺寸适合做方向性很强的雷达天线。光通信所占用的频段已超出EHF频段了，表中没有列出。1.6通信设备的小型化和通信电路的大规模集成通信技术发展到移动通信和个人通信，就必然要求通信电台和通信设备的小型化和轻便化，而这种小型化和轻便化是基于通信电路的大规模集成技术发展基础上的。目前大量使用的车载移动台和个人便携式移动电台都是由大规模集成电路或集成组件装配成的。例如，图1.5所示框图就是汽车电话移动台的原理框图，这是个多信道选取功能的双工电台，它是由多块大规模集成电路组合成的。:4:
天线第接收基带电路第故大频带通频带通低放混频混频检波器（滤波器、积分电路等）滤波器滤波器战体振荡器频率合成器控制电路收发压控前置可变拨号( CPU、ROM、双工器振荡器分频器分频器显示等RAM、1/0等）相位温补1比较器晶振:1发射功率带通发送基带电路（滤调制器送话器混频器放大器滤波器波器，微分电路等图1.5具有多信道选取功能的移动台方框图表1.2移动台小型化的基本技术元器件少的电路结构电路构成法易于大规模集成的电路结构电路的大规模集成化（参照表1.3)电高频、中频滤波器的小型化路的电路器件、部件结构、音响部件（话简、扬声器、拨号盘、连接件、小型化的小型化开关等)的小型化天线小型化采用片状元件、小型封装件多层布线基板等高密度组装技术散热设计电池的小型化、高效率化锰、碱性、镍镉、锂等电池电路的低功耗LSI的低功耗化采用CMOS，GaAs.BiCMOSSiGe，LSI等功率放大器的高效率化采用GaAsFET，工作点的最佳化VOX（声控发射）省电技术化间歇接收表1.2示出了小型化的基本技术。要实现小型化，首要的问题是研究电路构成方法，必须采用元器件少，易于大规模集成化的电路结构。例如汽车电话移动台的频率合成器经过改进，采用800MHz频段直接起振，直接分频方式，实现了分频器等部件的大规模集成化，使元器件数减少到原来的1/20，体积减小到1/9，这是小型化成功的实例。可见实现小型的关键课题是电路的大规模集成化，设计出LSI器件。目前，将中频电路的第一、二混频器、第一、二本振源、中频限幅放大器，检波电路等作为一体的LSI器件得到了广泛的应用，使接收通道电路实现了小型化。基带电路中的语言和数字信号压缩电路，滤波器电路，限幅器和调制器、相位同步电路等采用开关电容滤波器（SCF)技术和CMOSLSI化，使电路体积只有过去混合IC的1/8，也实现了小型化。另外，控制电路中将微处理器设计为移动台专用的处理器，使其功耗降低到通用处理器的1/10以下，并可实现单片IC控制，这又是移动台小型化的又一个重要措施。移动台的VHF和UHF射频电路目前集成规模还比较小，射频模拟电路虽已有2.5GHz，功耗低于20mW的GaAsFET单片IC放大器，但集成规模还较小，目前仍以混合集成电路为主。射频数字电路、目前已有2GHz～5GHz的单片集成频率合成器IC、功耗也低于20mW。表1.3示出了. 5: