通信基础理论
目录
1.通信的基础理论——信号与系统
1.1信号是什么
1.2系统是什么
2.通信中的数学理论——概率论与随机过程
3.模拟通信与数字通信
3.1 模拟通信
3.1.1 如何把声波转化为电信号
3.1.2 调制与解调
3.1.3 噪声
3.2 数字通信
3.2.1“模拟-数字”转换模块
3.2.2 信源编码和信道编码
3.2.3 数字通信和模拟通信比较
4.移动通信中的三大损耗
4.1路径损耗——俗称路损
4.2慢衰落损耗——俗称慢衰
4.3快衰落损耗——俗称快衰
5. 移动通信中的四大效应
5.1 阴影效应——阳光不能普照
5.2 远近效应——CDMA特有的效应
5.3 多径效应——余音绕梁
5.4 多普勒效应——你跑得太快了，我跟不上
1.通信的基础理论——信号与系统
1.1信号是什么
信号是消息的表现形式和传输载体，消息是信号的具体内容。
比如：
杀敌时的鼓声就是一个信号，它要传达的信息是冲锋陷阵、奋勇杀 敌。
仗打得差不多的时候的锣声也是一个信号，传达的信息是鸣金收 兵，咱不打了。
灯塔上的灯光是信号，它要传达的信息可能是此处有暗礁，请绕 行！
航海用的旗语是信号，它要传达的信息因旗语的不同而异。
无线电报用嘀嗒的代码传递消息，无线电传输的是无线电信号。
电话将声音信号转换为电信号在电缆中传送。
如今生活中常用的手机更是可以传送语音、图像、视频及其他各种数据的信 号；人与人直接的对话是用声波的
信号来传递信息的。
在通信过程中，要对信号进行处理或者加工以方便信息的采集、传输和接收。 这个过程就是信号处理的过程。
常见的信号处理的过程有：
（1）剔除信号中没用的冗余的部分。
（2）采取措施过滤掉混合在有用信号中的干扰和噪声。
（3）将信号进行变换以利于信号的分析识别等。
生活中的光电信号很多由大脑来进行信号的处理，人眼看见了狼烟，大脑就要 将信号按照事先规定好的规则将其解码为人类明白的信息——有敌情，继续支援； 在现代通信过程中，人很少直接参与信号（特别是光、电等信号）的解码，包括调 制、编码、加扰、滤波、除噪等在内的信号处理过程都由计算机来实现。
1.2系统是什么
系统是由若干相关作用和相互依赖的事物组合成的，具有特定功能的整体。
比如：
在电子工程领域中，这样的事物很多，比如导线、电阻、电源模块、电容等， 这些经常在实验室里看见的耳熟能详的电子元件就是组成系统的事物，它们可以组 成什么系统呢？最简单的，由导线、电阻和电源搭成的电路
就是一个简单的系统， 或者叫电路系统。 注意：单独的电子元件并不能叫系统。
在通信领域，也存在着各种各样的通信系统，如图2.2所示，比如移动通信系 统。一个普通的移动通信系统包含基站、终端、传输子系统、计费子系统、鉴权子 系统等，这些子系统相互协作、互相配合才构成了一个完整的
移动通信系统。
2.通信中的数学理论——概率论与随机过程
排队论：通信中排队论的应用很广泛，众所周知，通信中的资源具有稀缺性，无论是码 资源、频率资源等都很稀缺，而多个用户如果都要接入系统的时候，资源的分配显 得尤为重要，排队论这里就会发挥其作用了。
随机过程：通信过程中的随机过程极为常见，比如通信中经常用到的高斯白噪声就可以理 解成一个随机对象。 通常人们研究的都是平稳随机过程，而在通信中的大部分随机过程也都是宽平 稳随机过程。在移动通信过程中，无线信道衰落的建模、噪声的建模、掉话的建模 都用到了随机过程。简单地说，随机过程可以理解为随机
发生的过程。
3.模拟通信与数字通信
3.1 模拟通信
从时间函数的观念上来看一个信号或者是模拟的或者是数字的。
如果一段时间内，信号的强度变化是平滑的，没有中断或者不连续，那么这种信号就称为模拟信号（analong signal）
如果一个信号在某一段时间内信号强度保持某个常量值，然后在下一时段又变化为另一常量值，这种信号就成为数字信号（digital signal）
3.1.1 如何把声波转化为电信号
首先需要一个输入信号变换器，将模拟信号转换为电信号，就如电话的话筒一样，话筒把话音信号转换为电流信号；通过中间的信号（比如电话线）传输到接收端，又需要把电信号转化为模拟信号，以便于人理解，就如电话的听筒一样，听筒把电磁信号转变为声波信号，因此我们在接收端还需要一个变化器。因此可以勾勒出一个模拟通信系统的基础框架，模型源于贝尔电话的雏形。
3.1.2 调制与解调
低频信号并不利于传输，需要将其调制到高频信号上去，所以将图修正为以下图：
3.1.3 噪声
3.1.2图未考虑到信道与乃至发射机，接收机本身产生的噪声，噪声是一个通信系统不得不考虑的因素。加上噪声因素后，就形成了一个相对完整的通信系统架构
3.2 数字通信
3.2.1“模拟-数字”转换模块
模拟的消息可以通过数字调制后再进行发送的，所谓调制，就是把一段连续的波形映射成一个或几个数字，比如说把一段一定幅度和相位的正弦波樱色合成比特“0”，接收端收到这段信号后，需要对其进行解调，所谓解调，就是另一个映射的过程，也就是收到的“0”映射成上面那段有一定幅度和相位的正弦波，这样就还原成了模拟信号。
比如说数字机顶盒，“模拟-数字”转换模块是独立的
所以我们给模拟通信系统增加一个“模拟-数字”转换模块，也是就俗称的“编码模块”，这成了数字通信系统的雏形。
3.2.2 信源编码和信道编码
在数字编码器这个功能模块上，我们希望编码尽量简洁不罗嗦，尽量减少冗余信息，对这块内容的研究，我们称之为“信源编码”
然后，我们发出去的编码一路上会受到噪声的干扰，也许会丢失不少信息。到了目的地后，我们希望接收端可以根据编码所含的一些内容，对信息的完整新作出一个判断，尽量恢复还原原来的信息，对这一块内容的探讨，我们称之为信道编码
所以将数字编码器拆成了信源编码和信道编码两个功能模块，如图所示：
3.2.3 数字通信和模拟通信比较
数字通信相对于模拟通信，其最大的一个有点在于噪声的处理。数字信号的码流只有高低两个电平，容易进行区分，同时可以在信道编码的过程中插入很多荣誉的信息来提高信道传输的可靠性，二模拟通信技术由于不具备信道编码技术，在差错控制方面和数字技术差距很大
数字系统的另一大有点是保密。我们可以对基带信号进行人为的扰乱以实现加密。比如说面对“001101001100001”这么一长串二进制比特，我们可以对其和一串伪随机序列“01011100101001”进行逻辑运算，如果第三方要知道原来的信息，他就必须知道所采用的算法和伪随机序列，这个难度是很大的
4.移动通信中的三大损耗
4.1路径损耗——俗称路损
路径传播损耗，一般也称衰耗，指的是无线电磁波在传输过程中由于传输介质 的因素而造成的损耗。在固定电话通信等有线通信的过程中也有路径损耗，它们的 路损是由于传输过程中，传输介质所引起的衰耗。
这些损耗中既有自由空间损耗也有散射、绕射等引起的。在日常生活中，经常 会遇到这类的损耗，因为生活中有着如此多的“通信障碍物”，以至于建筑物、花 花草草、树木森林等都会产生损耗，甚至连打电话的时候贴近人体都会造成损耗。
4.2慢衰落损耗——俗称慢衰
是由于电磁波在传播路径上，遇到障碍物的阻碍 产生阴影效应造成的损耗，反映了中等范围内的接收信号电平平均值起伏变化的趋 势。之所以叫慢衰是因为它的变化率比传送信息率慢。 类似于慢衰的例子在生活中比比皆是，当上午太阳光照向大地的时候，在一幢 高楼的背光面往往产生阴影，阳光遇到了大楼的阻碍，产生了衰 落，这就是慢衰。而光也是一种电磁波，既然光这种电磁波能产生慢衰，那么和光 类似的不同波长的其他的电磁波也会产生类似的慢衰，只不过肉眼看不到罢了。
4.3快衰落损耗——俗称快衰
快衰落消耗主要是反映小范围移动的接收电平平均值的起伏变化趋势。。快衰引 起的电平起伏变化服从瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布，它的起伏变化速率比 慢衰落要快，所以称为快衰。 研究无线通信接触最多的几个“域”是时域、频域和空域；在快衰中根据不同 的成因、现象和机理，快衰也可以相应地分成：时间选择性衰落、空间衰落性衰落 与频率选择性衰落。
5. 移动通信中的四大效应
5.1 阴影效应——阳光不能普照
阴影效应和慢衰落损耗有着扯不断理还乱的联系，正是由于移动通信中建筑物 等的阻挡所引起的阴影效应才造成了移动信道的慢衰落损耗。
由于波长的原因，太阳公公的光波是可见波， 移动通信的电磁波是不可见波，因此电磁波的阴影才不可见。
5.2 远近效应——CDMA特有的效应
率先登顶者一时兴起，登高一呼爬到半山腰的人听得很清楚，还在山脚的人听 的就不是特别的清晰，在学校没来爬上的人可能根本就听不见他的喊声；同理，山 脚的人喊话，山顶的人也听不清楚，半山腰的人喊话，山顶的人听的也能就更清晰 一些。
在移动通信中，有一个与登高一呼极其类似的效应，就是远近效应。移动通信过程中，一个小区中有一个基站，多个用户，离基站距离较近的小 区中心用户接收到的基站信号就较强，离基站较远的小区边缘用户的接收信号就较 弱。同理，如果用户的手机发射功率一样的话，小区边缘用户到达基站的信号就会 比较弱，而小区中心的用户到达基站的信号就会比较强
5.3 多径效应——余音绕梁
由于在通信的过程中，很多时候接收端接收到的信号不是唯一的直射信号，电 磁波经过建筑物、起伏地形和花草树木等的反射、折射、绕射、散射也会到达接收 端。这些通过不同的路径到达接收端的信号，无论是在信号的幅度，还是在到达接 收端的时间及载波相位上都不尽相同。
接收端接收到的信号是这些路径传播过来的信号的矢量之和，这种效应就是多 径效应，正所谓世界上本来有很多条路，但是由于路太多了，不知道该走哪条路
5.4 多普勒效应——你跑得太快了，我跟不上
移动台的运动速度太快了，所引起的频率扩散的效应就是多普勒频移