通信系统的基本概念1,1延时扩展都会影响接收信号的质量，如果是在高速移动情况下接收，还要考虑多小勒频率的影响，因而可以说，在城市环境中，移动情况下的无线传输信道的传输特性是十分恶劣的，但这又是移动通信和声音图像广播的实际工作情况，因而在设计通信系统时，如何能保证在这样的传输环境中保证接收质量是人们重点研究的问题。0000000000000福图1.1.5多径传播示意图105IH(F)I10095908580-20kHz图1.1.6选择性衰落示意图一原信号扩展后信号图1.1.7延时扩展示意图
8第1章绪论1.1.4通信系统中的信号信号可以分为确定性信号和随机信号两类。当信号可以表示为一个确定的时间函数，即对于指定的时刻可以确定相应的函数值时，称其为确定性信号。随机信号则不然，对于指定的时刻它不能给出确切的函数值，只能用统计规律描述它的取值，即用取某一数值的概率来表示。在通信系统中被传输的信号，一般情况下都是随机信号。因为含有信息的信号通常都具有不可预知的不确定性。如果通信系统中传输的是确定性信号，那么除去知道系统在工作以外，人们得不到任何新的信息。但是，对随机信号的分析比较复杂，所得结果又只能是统计意义上的特性，所以，在说明通信系统的工作过程和其中电路的工作原理与特性时，主要是采用确定性信号进行研究。但对于那些必须用随机信号才能研究的特性，则采用随机信号。对于确定性信号和随机信号都可用它们的时域特性和频域特性表示。时域特性表示信号电压或电流随时间变化的关系：频域特性表示信号的频谱结构。这两种表示方法描述了信号在两个方面的重要特性，以后将经常应用。在通信系统中被传输的信号，一般情况下都不是单一频率的信号，而是占有一定的频率范围。通常称这个频率范围为信号的频带，称这类信号为频带信号，而它所占有频率范围的大小，则称为这个信号所占有的频带宽度。例如，声音信号是声音通过微音器变换成的一种电信号。一般认为它所占的频带是20Hz～20kHz。但对于电话来说，它强调可懂度，面不要求音色等。因此，国际规定电话信号的频带是300～3400Hz。在通信系统中，规定一路电话信号所占的带宽（包括两路电话信号之间的隔离带）为4kHz。又例如，我国采用的电视图像信号的频带是06MHz等。通常，称这种直接表示原始信息的电信号为基带信号。喜直接传送基带信号称为基带信号传输，为了实现基带信号沿信道的传输，就要求信道的频率特性满足通过基带信号的要求。例如，传送电话基带信号可以用电话电缆，而传送电视基带信号，则需用视频电缆。当所使用信道的频率特性不适于基带信号传输时，可以利用调制技术将基带信号的频谱搬移到信道的工作频率范围内。例如，为了实现中波广接，可以利用调幅技术将声音基带信号搬移到中波波段的某一频率附近。所谓调幅就是用基带信号改变一个正弦信号的幅度，并使该正弦信号幅度的变化与基带信号变化规律相同。分析表明，一个调幅信号的数学表示式为fAm(t)=[A+f(t)]coswot(1.1.1)式中，f.（t)=A。coswot是被调正弦信号，通常称其为载波，A。为其幅度，w为其角频率。f（t)为被传送的基带信号。从式中可以看出，载波正弦信号的幅
1.1通信系统的基本概念9度确是按基带信号的规律变化。若基带信号f（t)的频谱函数为F（w），则根据傅里叶变换的关系式，可以求得调幅信号faM（t）的频谱函数faM（@）为fAM(w)=A[(w-W)+8(w+W))+(1.1.2)I[F(w-w) + F( + w)2式中等号右边第一项为载波信号的频谱，第二项是由于调幅的作用将基带信号搬移至载波附近后的频谱。图1.1.8所示是调幅过程的示意图。其中，图（a）所示是基带信号ft）的波形和频谱，图（b）所示是载波f（t）的波形和频谱，图（c）所示是调幅信号的波形和频谱。由于基带信号的频谱被搬移到了载波频率的附近，从而可以利用适于传送载波信号的信道传送基带信号。通常将调幅信号频谱中|>。|的部分称为调幅波的上边带，而将「|<「。|的部分称为下边带。在通信系统中应用的信号，有许多于调制信号。它不限于调幅信号，还有调频信号、调相信号等，这些内容将在以后讨论。F()2m02m(a)$F,(o)$fo(t)$Ao元AgrAnC0-0e0oFAM(a)上边带(b)LANA0元AoA下边带0(c)图1.1.8调幅过程示意图由于一个实际信道可用的通频带往往比一路基带信号所占有的频带宽得多，例如一个微波信道的可用频带宽度相当于上千路电话信号的带宽，为了充分利用信道，需要将多路基带信号合成群路信号在信道中传输。在接收端再将群
10第1章绪论路信号分解为各基带信号。在这个处理过程中，各路基带信号之间不能有串扰。实现这一处理过程的方法称为多路复用技术。根据复用方式不同，可分为频率复用、时简复用、电平复用和近年来提出的码分复用等。前二者复用方式的示意图分别如图1.1.9（a）和（b)所示。频分多路复用是将不同基带信号的频谱分别搬移到频率轴上的不同位置，如图1.1.9（a）所示。只要各路基带信号频谱之间不交叠，彼此之间就不会产生串扰。时分多路复用是使各路基带信号周期性地轮流使用信道，如图1.1.9（b)所示。在t1、t1、时间间隔内传送一路基带信号，在2、t2、时间间隔内传送另一路基带信号，等等，这些间隔呈周期性重复。上述复用技术是充分利用信道传输能力的重要方法，多路复用信号也是通信系统中常用的信号。(α)O0203w0405(a)u(t)t(+tgtgag+tt-t-t 00(b)图1.1.9频分与时分多路复用示意图以上讨论了通信系统中常用的信号。但实际的基带信号、已调制信号和多路信号都是复杂信号。用这些实际信号进行电路或系统的分析，将使分析工作变得非常复杂。所以在分析电路的工作原理时，经常用一个正弦信号或几个正弦信号之和代替基带信号，这样可以使分析过程简化，而不失结果的一般性。1.1.5通信系统中的发送与接收设备通信系统中的发送与接收设备是系统的核心，其中所用的信号处理技术和电路技术都在迅速发展。从总体上说，发送与接收设备是为了使基带信号在信道中有效和可靠地传输而设置的。它的主要任务是对基带信号进行处理，使之适宜于所采用信道的传输特性。不同通信系统的发送、接收设备的组成是不同的。图1.1.10所示是一种典型发送、接收设备的组成框图。在发送设备中，基带信号经放大器放大，然后经变换电路变换成适于信道传
111.1通信系统的基本概念功率耦合变换放大器电路放大器电路信道帮合变换放大器放大器电路电路图 1,1.10 一种发送、接收设备的组成框图输的形式，再经功率放大器，送人耦合电路。耦合电路视所用信道的不同而不同，当使用无线信道时，耦合电路是天线：当使用光缆时，耦合电路是光电变换器。在接收设备中，与传输信道相适应的耦合电路将信号接收，送人放大器放大，再经变换电路变换为基带信号，经放大后送给受信装置。接收设备接收的信号往往有以下一些特点：（1）信号频率高。特别是现代通信事业迅速发展，在较低的频段内已显得十分拥挤。人们大量应用频率较高的频段，因此，接收设备接收的信号一般都是频率较高的。（2）信号功率微弱。发送端发出的信号经信道长距离传输后，一般都有较大的衰减，使到达接收端的信号很微弱，必须放大后才能进行各种处理。（3）多个信号同时出现在接收端。为了能选择出需要的信号，抑制不需要的信号，接收设备要有很好的选择能力。针对上述接收设备接收信号的特点，为了得到较高的接收质量，目前广泛采用超外差接收方式。超外差原理如图1.1.11(a)所示。它是利用本地振荡器产生的正弦信号fi（t)（频率为f)与输人信号f.（t)载波频率为f.)在混频器中混频，得到中频信号f（t），中频频率是预先确定的，通常取中频频率f二f.-f.。如果输人信号载波频率改变，则相应改变本地振荡频率，使之仍能保持混频后的中频频率不变。图1.1.11(b)所示为当输入信号f。（t)为调幅波时，超外差变换的波形图和频谱图。从图中可以看出，输出的中频信号除载波频率从f。变化为f=f一f。以外，其频谱结构与输入信号相同，因此中频信号保留了输人信号中全部有用信息。超外差接收机的方框图如图1.1.12所示。从天线接收的信号经高频放大器放大后，与本地振荡器产生的信号一起加人混频器，混频器输出的中频信号经