点对点的无线电通信系统 是最简单的通信系统。
下图是最简单的从一点到另一点的点对点模拟通信系统的一般构成框图。它可以用来说明无线电通信最基本的实施过程。它包括发送端(发送设备)、信道(传输媒体)和接收端(接收设备)三大部分。
由图中不难看出,发送端的信息源产生载有信息的消息,是被传输的对象。例如,打电话时说话人就是信息源,语音载有信息(说话人所要表达的意思)。像语音是声能一样,大多数载有消息的媒体都是非电量,不适宜在信道中进行远距离传输。为此需将它们变成电信号,电信号代表了载有消息的各种媒体。将各种媒体,如声音、光等变换成电信号由变换器来完成,变换关系是单值函数,否则,在接收端就无法恢复出原消息。也应该指出,尽管通信的目标是使接收端得到一个与发送端尽可能相同的复现消息,但在许多实际场合中,只要能够识别发送消息的主要特征,就可以允许收发信号间有差异。这意味着上述变换只要能在收端复现消息,就允许变换有一定的非线性。广义地说,调制器也是一种变换器,其作用是将一种信号变成另一种信号。无线电通信通常是利用调制器将较低频率的电信号调制到频率较高的载波信号上进行传输的。
信道即传输媒介,对于无线电通信而言,是利用宇宙空间作为电磁波传播媒介的,称之为无线信道。在自由空间中,电磁波的波长与频率存在以下关系:C=f,式中C为光速,f和分别为无线电波的频率和波长。。对频率或波长进行分段,分别称为频段或波段不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同,传播的能力和方式也不同。无线电波通过多种传输方式,主要有直射波(靠近地面传播时有反射波)、表面波、天波和散射波等从发射天线传到接收天线。需要指出的是无线电信道对任何无线电波都是一视同仁的,并非为某一通信信号所专用。因此,对某一通信信号而言,可能伴随着其他信号一同被传输。其中一个特例就是噪声,任何信号的传输都伴有噪声的存在。
电磁波从发射机天线辐射后,以光速和球面形式向远处传播。理论上,如果电波是在自由空间传播,那么在离开发射机天线距离处的功率通量密度(单位面积通过的能量)与离开发射机天线距离的平方成反比,即离开发射天线电磁波的能量被扩散,离开发射机一定距离的接收机天线只能收到其屮极小的一部分。而且在传播过程中,电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射;或在大气层中产生折射或散射,从而造成强度的衰减。因此接收天线处的信号是微弱的。
接收端通过接收天线接收上述的微弱信号,由接收机将这个微弱信号(微伏量级)放大到解调器所需的信号强度(伏量级)。解调器用来完成与发送端相反的变换过程和作用。解调器与调制器功能相反,即从高频载波信号屮解调出被传输的消息信号,再经反变换器将该信号恢复成原消息,并送至信息宿,即消息的归宿或接收者,从而使其获得传输的信息,完成通信的全过程。
下图所示是一个最简单的点对点数字通信系统,将其与上图的模拟通信系统相比较可以看出,除在发送端增加了两个编码器,接收端相应地增加两个译码器之外,其他部分是相同的,其功能也相同。
当变换器输出的信号是模拟信号时,信源编码器将其变成数字信号。因此,信源编码器又称模/数(A/D)变换器或脉冲编码器。信源译码器的作用是其逆过程,即将数字信号变成模拟信号,因此,又称为数/模(D/A)变换器或脉冲译码器。信源编码的作用主要是为了便于传输,有时可以除去信源的冗余,提高通信系统的传输容量和可靠性。
信道编码器概括地说就是在一个具有确定长度的数字信息序列中,人为地按一定规则加进非信息数字序列。其屮一种是纠错编码,最常用的纠错编码是前向纠错编码,经过这种编码的信号可使接收端的信道译码器能自动发现错误或纠正错误。设置信道编码器和译码器是为了提高系统的抗千扰能力。另一种信道编码是扰码,它是为了信号更好地传输和更易于纠错而加入的。
我们把利用数字信号传递消息的通信称为数字通信,利用模拟信号传递消息的通信称为模拟通信。对于通信系统,也相应地分为数字通信系统与模拟通信系统。
值得注意的是,模拟信号并非完全用模拟通信系统传输。例如,在某些情况下,人们希望将语言信号数字化,然后以数字信号形式在数字通信系统屮传输,这就是通常所说的“数字电话”。
在模拟通信系统中,传输的是一个连续变化的波形,人们关心的是信号某个参数连续变化的取值量,同时要求接收端能以高保真度复现信号。这里衡量系统传输质量的准则是输出波形与输入波形之间的均方误差,通常用信噪比来度量。输出信噪比越大则传输质量越高。所以,模拟系统中信号传输的基本问题是如何对一个连续信号波形参量进行估计,而研宄这个问题的基础理论主要是参量估值理论。
在数字通信中,某一时间单元传输的是信号某一参数有限个离散取值中的一个,它要求接收端能在各种千扰条件下,正确判断(检测)发送端在相应时间单元发出的是有限个离散取值中的哪一个取值。至于波形失真,只要它不足以影响接收端的正确判断,就没有什么关系。这里衡量传输质量的准则主要是错误判决的概率,错误判决概率越小,传输质量越高。因此,适用于研宄数字信号传输的基本理论主要是判决理论。
由于衡量两种通信系统传输质量的准则不同,人们关心的系统性能也随之不同。在模拟通信系统中,人们关心的是输出信噪比、输入信噪比和频带扩展系数(己调信号和调制前信号的带宽比)等;而数字通信系统中,人们关心的是错误概率、输入信噪比、传输速率和传输带宽等。
对于两种不同的信号形式,在实施干扰时要求也不同。为了对模拟信号实施干扰,就要破坏接收机对一个连续信号波形参量进行正确估计。降低信噪比就可能破坏模拟信号的接收,从而使干扰有效。对于数字信号,则要求接收机的判决产生错误。降低信噪比可以增加判决的错误概率,但破坏同步可能完全破坏数字信号的接收。因此,在实施干扰吋,应针对不同信号采用不同的干扰策略,以便达到最好的干扰效果。