（四）小白都能看懂的通信原理——信号变换

显示全部楼层 · 2023-10-30 18:14:35

信号变换承载信息的信号在发信机中要经过哪些处理才能转换成适合信道传输的信号形式，到了接收端，收信机要做哪些处理才能将信息恢复出来呢？
发信机和收信机对信号所做的处理如图所示。

发信机进行的信号处理：信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、调制。
收信机进行的信号处理：解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码。
一、信源编码
对于模拟信源，一般先进行模／数转换，将模拟信号数字化，再进行压缩编码，尽量剔除冗余信息，减少对传输带宽的占用，如图所示。

例如，GSM中先通过PCM编码将模拟语音信号转换成104kbps的二进制数字码流，再利用RPE-LPT算法对其进行压缩，最终输出13kbps的码流，压缩比为8:1。
二、信道编码和交织
通过添加冗余信息，以便在接收端进行纠错处理，解决信道的噪声和干扰导致的误码问题，这就是信道编码。一般的信道译码只能纠正零星的误码，对于连续的误码无能为力。
例如：
输入序列：11011，信道编码输出码元：11 01 01 00 01
通过信道传输，到达接收端时：如果有1个码元出错：11 01 01 10 01，信道译码时可以检测并纠正错误，如图所示。

如果连续3个码元出错：11 01 01 11 11，信道译码会出错，如图所示。

为了解决连续误码问题，需要将信道编码之后的数据顺序按照一定规律打乱，这就是交织。到了接收端，在信道译码之前先将数据顺序复原，这就是去交织，这样连续的误码到了接收端就变成了零星的误码，信道译码就可以正确纠错了，如图所示。

三、脉冲成形
数字信号要想在信道中传输，必须先转换成合适的脉冲波形，这就是脉冲成形。最容易想到的脉冲波形就是矩形脉冲了，其波形如图所示。

数字信号00010110对应的连续多个矩形脉冲波形，如图所示。

四、调制
将信息承载到满足信道要求的高频载波信号上的过程就是调制。
为什么要对信号进行调制呢？
1．无线通信
无线通信是用空间辐射的方式传送信号的，由电磁波理论可以知道：天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些，信号才能被有效地辐射。
以语音信号为例。人能听见的声音频率范围为20Hz~20kHz，假定我们要以无线通信方式直接发送一个频率为10kHz的单音信号出去。
该单音信号的波长为：

其中，
c：光速，一般认为电磁波在空间的传播速度等于光速。
f：信号的频率。
如果不经过调制直接在空间发送这个单音信号，需要的天线尺寸至少要几公里，显而易见，实际上根本不可能制造出这样的天线。
通过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围，如图所示，这样信号就很容易以电磁波形式辐射出去。

另外，还可以通过调制把多路信号频谱搬移到不同的频率范围内，实现多路频分复用（FDM），如图所示。

2．有线通信
与无线通信的原理类似，有线通信要通过调制将信号频谱搬移到合适的频率范围内，以满足有线信道的频率要求。
以电话通信为例。
电话线允许频率低于3 400Hz的信号直接通过。发送端的麦克风进行声电转换，只要转换后的音频信号最高频率不超过3 400Hz，就可以通过电话线传送给接收端，由喇叭进行电声转换把话音恢复出来，如图所示。

要想通过电话线传输010010111这样的二进制数据怎么办？在发送端，利用调制器将数据调制到音频载波上，通过电话线传送给接收端，由解调器将调制在音频载波上的数据恢复出来，如图所示。

但这样做存在一个问题：打电话时不能传数据，传数据时不能打电话。
有没有办法可以做到语音和数据两不误？答案是：可以利用电话线的低频部分传输话音，高频部分传输数据，如图所示。

实际上ADSL就是这么做的，其频谱分配情况如图所示。

0~4kHz：用于传输话音。
25~138kHz：用于传输上行数据。
138kHz~1.1MHz：用传输下行数据。
五、天线技术
无线通信系统中，调制得到的已调信号要转换成电磁波才能在空间中进行传输。
1．电磁波
电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，可以有效地传递能量，如图所示。