通訊原理速查指南

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通訊原理 - 引言

單詞“communication”（通訊）源於拉丁語“commūnicāre”，意思是“分享”。通訊是資訊交換的基本步驟。

例如，搖籃中的嬰兒透過哭聲來表達她需要母親。牛在危險時會大聲哞叫。人藉助語言進行溝通。溝通是分享的橋樑。

**通訊**可以定義為透過單詞、行為、標誌等方式在兩個或多個個體之間交換資訊的過程。

通訊的必要性

對於任何生物來說，在共同存在的情況下，都會產生交換資訊的必要性。每當需要交換資訊時，就必須存在某種通訊方式。雖然通訊方式可以是任何東西，例如手勢、標誌、符號或語言，但對通訊的需求是不可避免的。

語言和手勢在人類交流中起著重要作用，而聲音和行為對動物交流很重要。但是，當需要傳達某些資訊時，就必須建立溝通。

通訊系統的組成部分

任何提供通訊的系統都包含三個重要的基本部分，如下圖所示。

• **傳送者**是傳送訊息的人。它可以是訊號從其傳輸的發射站。

• **通道**是訊息訊號傳輸以到達目的地的媒介。

• **接收者**是接收訊息的人。它可以是接收傳輸訊號的接收站。

什麼是訊號？

透過手勢、聲音、行為等方式傳達資訊可以被稱為**訊號傳遞**。因此，訊號可以是**傳輸某些資訊的能量源**。此訊號有助於在傳送者和接收者之間建立通訊。

在通訊系統中，傳播一定距離以傳達訊息的電脈衝或電磁波可以稱為**訊號**。

根據其特性，訊號主要分為兩種型別：模擬訊號和數字訊號。模擬訊號和數字訊號進一步分類，如下圖所示。

模擬訊號

表示時變數的連續時變訊號可以稱為**模擬訊號**。此訊號會根據表示它的量的瞬時值隨時間變化。

示例

讓我們考慮一個水龍頭，它在一個小時內（早上6點到7點）注滿100升容量的水箱。注滿水箱的部分由變化的時間決定。這意味著，15分鐘後（早上6:15），水箱的四分之一被注滿，而在早上6:45，水箱的四分之三被注滿。

如果您嘗試根據變化的時間繪製水箱中水量的變化部分，它看起來如下圖所示。

由於此影像中顯示的結果會隨時間變化（增加），因此此**時變數**可以理解為模擬量。圖中用傾斜線表示此狀態的訊號是**模擬訊號**。基於模擬訊號和模擬值的通訊稱為**模擬通訊**。

數字訊號

本質上是離散的或形式上不連續的訊號可以稱為**數字訊號**。此訊號具有單獨表示的單個值，這些值不基於先前值，就好像它們是在該特定時刻匯出的。

示例

讓我們考慮一個有20名學生的教室。如果繪製他們一週的出勤情況，它看起來如下圖所示。

在此圖中，值是單獨說明的。例如，星期三的課堂出勤率為20，而星期六為15。這些值可以單獨或離散地單獨考慮，因此它們被稱為**離散值**。

只有1和0的二進位制數字大多稱為**數字值**。因此，表示1和0的訊號也稱為**數字訊號**。基於數字訊號和數字值的通訊稱為**數字通訊**。

週期訊號

任何模擬或數字訊號，其模式在一個時間段內重複出現，都稱為**週期訊號**。此訊號的模式會重複繼續，並且易於假設或計算。

示例

如果我們考慮工業中的機器，則一個接一個發生的流程是一個連續且重複的過程。例如，採購和分級原材料、分批加工材料、一個接一個地包裝產品等，會重複遵循一定的程式。

無論考慮模擬還是數字，這樣的過程都可以用圖形表示如下。

非週期訊號

任何模擬或數字訊號，其模式在一個時間段內不重複出現，都稱為**非週期訊號**。此訊號的模式會繼續，但模式不會重複，因此不容易假設或計算。

示例

如果考慮一個人的日常生活，它包括許多型別的需要不同時間間隔才能完成的工作。時間間隔或工作不會連續重複。例如，一個人不會從早到晚連續刷牙，而且時間間隔也相同。

無論考慮模擬還是數字，這樣的過程都可以用圖形表示如下。

一般來說，通訊系統中使用的訊號本質上是模擬的，根據需要，它們以模擬方式傳輸或轉換為數字後傳輸。

但是，為了使訊號在不受到任何外部干擾或噪聲疊加的影響並且不會衰減的情況下傳輸到遠處，它必須經歷一個稱為**調製**的過程，這將在下一章中討論。

通訊原理 - 調製

訊號可以是任何東西，例如你喊叫時發出的聲波。這種喊叫只能傳到一定距離。但是，為了使相同的波傳播更遠的距離，你需要一種技術來增強此訊號的強度，而不會干擾原始訊號的引數。

什麼是訊號調製？

攜帶訊息的訊號必須傳輸到一定距離，為了建立可靠的通訊，它需要藉助高頻訊號，該訊號不應影響訊息訊號的原始特性。

如果訊息訊號的特性發生變化，其中包含的訊息也會改變。因此，必須注意訊息訊號。高頻訊號可以在不受到外部干擾的情況下傳播到更遠的距離。我們藉助這種稱為**載波訊號**的高頻訊號來傳輸我們的訊息訊號。這樣一個過程簡單地稱為調製。

**調製**是根據調製訊號的瞬時值改變載波訊號引數的過程。

調製的必要性

基帶訊號與直接傳輸不相容。對於這樣的訊號，為了傳播更遠的距離，必須透過使用不會影響調製訊號引數的高頻載波進行調製來增加其強度。

調製的優點

如果沒有引入調製，用於傳輸的天線必須非常大。通訊範圍受到限制，因為波無法傳播到一定距離而不會失真。

以下是通訊系統中實現調製的一些優點。

• 天線尺寸減小。
• 不會發生訊號混合。
• 通訊範圍增加。
• 發生訊號多路複用。
• 允許調整頻寬。
• 接收質量提高。

調製過程中的訊號

以下是調製過程中的三種類型的訊號。

訊息訊號或調製訊號

包含要傳輸的訊息的訊號稱為**訊息訊號**。它是一個基帶訊號，必須經過調製過程才能進行傳輸。因此，它也稱為**調製訊號**。

載波訊號

具有特定相位、頻率和幅度但不包含任何資訊的訊號稱為**載波訊號**。它是一個空訊號。它僅用於在調製後將訊號攜帶到接收器。

調製訊號

調製過程後的結果訊號稱為**調製訊號**。此訊號是調製訊號和載波訊號的組合。

調製型別

有許多型別的調製。根據所使用的調製技術，它們被分類如下。

調製型別主要分為連續波調製和脈衝調製。

連續波調製

在連續波調製中，高頻正弦波用作載波。這進一步分為幅度調製和角調製。

• 如果高頻載波的幅度根據調製訊號的瞬時幅度變化，則這種技術稱為**幅度調製**。

• 如果載波的角度根據調製訊號的瞬時值變化，則這種技術稱為**角調製**。

  調幅進一步分為調頻和調相。

  • 如果載波的頻率根據調製訊號的瞬時值變化，則這種技術稱為調頻 (Frequency Modulation)。

  • 如果高頻載波的相位根據調製訊號的瞬時值變化，則這種技術稱為調相 (Phase Modulation)。

脈衝調製

在脈衝調製中，使用週期性的矩形脈衝序列作為載波。這進一步分為模擬調製和數字調製。

在模擬調製 (analog modulation)技術中，如果脈衝的幅度、持續時間或位置根據基帶調製訊號的瞬時值變化，則這種技術稱為脈衝幅度調製 (Pulse Amplitude Modulation, PAM)或脈衝持續時間/寬度調製 (Pulse Duration/Width Modulation, PDM/PWM)或脈衝位置調製 (Pulse Position Modulation, PPM)。

在數字調製 (digital modulation)中，使用的調製技術是脈衝編碼調製 (Pulse Code Modulation, PCM)，其中模擬訊號被轉換為1和0的數字形式。由於結果是編碼脈衝序列，因此稱為PCM。這進一步發展為增量調製 (Delta Modulation, DM)，將在後續章節中討論。因此，PCM是一種將模擬訊號轉換為數字形式的技術。

通訊原理 - 噪聲

在任何通訊系統中，在訊號傳輸過程中或接收訊號時，都會有一些不需要的訊號進入通訊，這使得接收者感到不愉快，從而質疑通訊質量。這種干擾稱為噪聲 (Noise)。

什麼是噪聲？

噪聲是不需要的訊號，它會干擾原始訊息訊號並破壞訊息訊號的引數。通訊過程中的這種改變導致訊息被更改。它最有可能在通道或接收器處進入。

可以透過以下示例來理解噪聲訊號。

因此，可以理解噪聲是沒有模式且沒有恆定頻率或幅度的某些訊號。它相當隨機且不可預測。通常會採取措施來減少它，儘管它無法完全消除。

噪聲最常見的例子是：

• 無線電接收機中的嘶嘶聲 (Hiss)

• 電話交談中的嗡嗡聲 (Buzz)

• 電視接收機中的閃爍 (Flicker)等。

噪聲的影響

噪聲是一個影響系統性能的不便因素。以下是噪聲的影響。

噪聲限制了系統的執行範圍

噪聲間接地限制了放大器可以放大的最弱訊號。混頻器電路中的振盪器可能會由於噪聲而限制其頻率。系統的執行取決於其電路的執行。噪聲限制了接收器能夠處理的最小訊號。

噪聲影響接收機的靈敏度

靈敏度是獲得指定質量輸出所需的最小輸入訊號量。噪聲會影響接收器系統的靈敏度，最終影響輸出。

噪聲型別

噪聲的分類取決於噪聲的來源型別、它所表現出的影響或它與接收器之間的關係等。

噪聲產生的主要途徑有兩種。一種是透過一些外部來源 (external source)，另一種是由接收器部分內的內部來源 (internal source)產生的。

外部來源

這種噪聲是由外部來源產生的，通常發生在通訊介質或通道中。這種噪聲無法完全消除。最好的方法是避免噪聲影響訊號。

示例

這種型別噪聲最常見的例子是：

• 大氣噪聲（由於大氣不規則性）。

• 地外噪聲，例如太陽噪聲和宇宙噪聲。

• 工業噪聲。

內部來源

這種噪聲是由接收器元件在執行時產生的。電路中的元件由於持續執行，可能會產生幾種型別的噪聲。這種噪聲是可以量化的。適當的接收器設計可以降低這種內部噪聲的影響。

示例

這種型別噪聲最常見的例子是：

• 熱騷動噪聲（約翰遜噪聲或電噪聲）。

• 散粒噪聲（由於電子和空穴的隨機運動）。

• 傳輸時間噪聲（在傳輸期間）。

• 雜散噪聲是另一種噪聲，包括閃爍噪聲、電阻效應和混頻器產生的噪聲等。

信噪比

信噪比 (Signal-to-Noise Ratio, SNR)是訊號功率與噪聲功率之比。SNR值越高，接收到的輸出質量越高。

可以使用以下公式計算不同點的信噪比：

$$輸入信噪比 = (SNR)_I = \frac{調製訊號的平均功率}{輸入噪聲的平均功率}$$

$$輸出信噪比 = (SNR)_O = \frac{解調訊號的平均功率}{輸出噪聲的平均功率}$$

$$通道信噪比 = (SNR)_C = \frac{調製訊號的平均功率}{訊息頻寬中的噪聲平均功率}$$

品質因數

輸出SNR與輸入SNR之比可以稱為品質因數 (Figure of merit, F)。它用F表示。它描述了裝置的效能。

$$F = \frac{(SNR)_O}{(SNR)_I}$$

接收器的品質因數為：

$$F = \frac{(SNR)_O}{(SNR)_C}$$

這是因為對於接收器，通道是輸入。

訊號分析

要分析訊號，必須對其進行表示。在通訊系統中，這種表示有兩種型別：

• 頻域表示，以及
• 時域表示。

考慮兩個頻率分別為1 kHz和2 kHz的訊號。它們都在時域和頻域中表示，如下面的圖所示。（此處應插入示意圖）

時域分析給出了訊號在一定時間段內的行為。在頻域中，訊號被分析為關於頻率的數學函式。

在進行訊號處理（例如濾波、放大和混頻）時，需要頻域表示。

例如，如果考慮以下訊號，可以理解其中存在噪聲。（此處應插入示意圖）

原始訊號的頻率可能是1 kHz，但破壞此訊號的某種頻率的噪聲是未知的。但是，當使用頻譜分析儀在頻域中表示相同的訊號時，它將繪製如下面的圖所示。（此處應插入示意圖）

在這裡，我們可以觀察到一些諧波，它們代表了引入原始訊號中的噪聲。因此，訊號表示有助於分析訊號。

頻域分析有助於建立所需的波形。例如，計算機中的二進位制位模式，示波器中的利薩如圖形等。時域分析有助於理解這些位模式。

幅度調製

在各種調製技術中，主要的分類是連續波調製和脈衝調製。連續波調製技術進一步分為調幅 (Amplitude Modulation)和角調製 (Angle Modulation)。

連續波持續不斷地進行，沒有任何間隔，它是包含資訊的基帶訊息訊號。這個波必須進行調製。

根據標準定義，“載波訊號的幅度根據調製訊號的瞬時幅度變化。”這意味著，不包含資訊的載波訊號的幅度會根據包含資訊的訊號在每個時刻的幅度而變化。這可以透過下圖很好地解釋。（此處應插入示意圖）

首先顯示的調製波是訊息訊號。下一個是載波，它只是一個高頻訊號，不包含任何資訊。最後一個是生成的調製波。

可以觀察到，載波的正峰值和負峰值用一條假想線連線在一起。這條線有助於重建調製訊號的精確形狀。載波上的這條假想線稱為包絡 (Envelope)。它與訊息訊號相同。

數學表示式

以下是這些波的數學表示式。

波的時域表示

設調製訊號為：

$$m(t) = A_mcos(2\pi f_mt)$$

設載波訊號為：

$$c(t) = A_ccos(2\pi f_ct)$$

其中A_m = 調製訊號的最大幅度

A_c = 載波訊號的最大幅度

調幅波的標準形式定義為：

$$S(t) = A_c[1+K_am(t)]cos(2\pi f_ct)$$

$$S(t) = A_c[1+\mu cos(2\pi f_mt)]cos(2\pi f_ct)$$

$$其中，\mu = K_aA_m$$

調製指數

載波波經調製後，如果計算調製電平，則這種嘗試稱為調製指數 (Modulation Index)或調製深度 (Modulation Depth)。它表示載波波所經歷的調製電平。

調製波包絡的最大值和最小值分別用A_max和A_min表示。

讓我們嘗試為調製指數推導一個方程。

$$A_{max} = A_c(1+\mu )$$

因為在A_max處，cos θ的值為1

$$A_{min} = A_c(1-\mu )$$

因為在A_min處，cos θ的值為-1

$$\frac{A_{max}}{A_{min}} = \frac{1+\mu }{1-\mu }$$

$$A_{max}-\mu A_{max} = A_{min}+\mu A_{min}$$

$$-\mu (A_{max}+A_{min}) = A_{min}-A_{max}$$

$$\mu = \frac{A_{max}-A_{min}}{A_{max}+A_{min}}$$

因此，獲得了調製指數的方程。µ表示調製指數或調製深度。這通常以百分比表示，稱為調製百分比 (Percentage Modulation)。它是以百分比表示的調製程度，用m表示。

對於完美的調製，調製指數的值應為1，這意味著調製深度應為100%。

例如，如果此值小於1，即調製指數為0.5，則調製輸出將如下圖所示。這稱為欠調製。這種波稱為欠調波 (under-modulated wave)。（此處應插入示意圖）

如果調製指數的值大於1，例如1.5左右，則該波將為過調波 (over-modulated wave)。它將如下圖所示。（此處應插入示意圖）

隨著調製指數值的增加，載波經歷180°相位反轉，這會導致額外的邊帶，因此波形會失真。這種過調波會造成干擾，無法消除。

調幅頻寬

頻寬是訊號的最低頻率和最高頻率之間的差值。

對於調幅波，頻寬由下式給出

$$BW = f_{USB}-f_{LSB}$$

$$(f_c+f_m)-(f_c-f_m)$$

$$ = 2f_m = 2W$$

其中W是訊息頻寬

因此，我們瞭解到調幅波所需的頻寬是調製訊號頻率的兩倍。

邊帶調製

在調幅或調相過程中，調製波由載波和兩個邊帶組成。調製訊號在整個頻帶中都包含資訊，載波頻率除外。

邊帶

邊帶 (Sideband)是包含功率的頻帶，它們是載波頻率的較低和較高頻率。兩個邊帶包含相同的資訊。調幅波在頻域中的表示如下圖所示。（此處應插入示意圖）

影像中的兩個邊帶包含相同的資訊。這種傳輸包含載波和兩個邊帶的訊號可以稱為雙邊帶全載波系統，或簡稱為DSB-FC。其曲線圖如下所示。

然而，這種傳輸效率低下。載波浪費了三分之二的功率，而載波不攜帶任何資訊。

如果抑制此載波並將節省的功率分配給兩個邊帶，則此過程稱為雙邊帶抑制載波系統，或簡稱為DSBSC。其曲線圖如下所示。

現在，我們瞭解到，由於兩個邊帶重複攜帶相同的資訊，為什麼我們不能抑制一個邊帶呢？是的，這是可能的。

抑制一個邊帶以及載波並傳輸單個邊帶的過程稱為單邊帶抑制載波系統，或簡稱為SSB-SC或SSB。其曲線圖如下所示。

這種SSB-SC或SSB系統傳輸單個邊帶，功率較高，因為分配給載波和另一個邊帶的功率都用於傳輸此單邊帶 (SSB)。

因此，使用這種SSB技術進行的調製稱為SSB調製。

邊帶調製——優點

SSB調製的優點包括：

• 頻寬或佔用的頻譜空間小於AM和DSB訊號。

• 允許傳輸更多數量的訊號。

• 節省功率。

• 可以傳輸高功率訊號。

• 噪聲較少。

• 訊號衰落不太可能發生。

邊帶調製——缺點

SSB調製的缺點包括：

• SSB訊號的產生和檢測是一個複雜的過程。

• 除非SSB發射機和接收機具有優異的頻率穩定性，否則訊號質量會受到影響。

邊帶調製——應用

SSB調製的應用包括：

• 用於節能和低頻寬要求。

• 用於陸地、空中和海上行動通訊。

• 用於點對點通訊。

• 用於無線電通訊。

• 用於電視、遙測和雷達通訊。

• 用於軍事通訊，例如業餘無線電等。

殘留邊帶調製(VSB)

在SSB調製的情況下，當邊帶透過濾波器時，帶通濾波器在實踐中可能無法完美工作。結果，一些資訊可能會丟失。

因此，為了避免這種損失，選擇了一種介於DSB-SC和SSB之間的技術，稱為殘留邊帶 (VSB)技術。“殘留”一詞意為“一部分”，名稱由此而來。

殘留邊帶

傳輸不需要兩個邊帶，因為這是浪費。但是，如果只傳輸一個邊帶，會導致資訊丟失。因此，這種技術應運而生。

殘留邊帶調製或VSB調製是調製訊號的一部分（稱為殘留部分）以及一個邊帶的過程。VSB訊號曲線圖如下所示。

在此技術中，除了上邊帶外，還傳輸一部分下邊帶。為了避免干擾，在VSB的兩側都設定了一個非常窄的保護帶。VSB調製主要用於電視傳輸。

傳輸頻寬

VSB調製波的傳輸頻寬表示為：

$$B=( f_{m}+ f_{v}) Hz$$

其中，

f_m = 訊息頻寬

f_v = 殘留邊帶的寬度

VSB調製——優點

VSB的優點如下：

• 效率高。

• 減少頻寬。

• 濾波器設計容易，因為不需要高精度。

• 可以輕鬆傳輸低頻分量。

• 具有良好的相位特性。

VSB調製——缺點

VSB的缺點如下：

• 與SSB相比，頻寬更大。

• 解調複雜。

VSB調製——應用

VSB最突出和標準的應用是傳輸電視訊號。此外，在考慮頻寬使用時，這也是最方便和高效的技術。

角調製

連續波調製中的另一種調製方式是角度調製。角度調製是載波的頻率或相位根據訊息訊號變化的過程。這進一步分為頻率調製和相位調製。

• 頻率調製是載波頻率隨訊息訊號線性變化的過程。

• 相位調製是載波相位隨訊息訊號線性變化的過程。

現在讓我們更詳細地討論這些主題。

頻率調製

在調幅中，載波的幅度變化。但在頻率調製 (FM) 中，載波的頻率根據調製訊號的瞬時幅度變化。

載波訊號的幅度和相位保持不變，而載波的頻率發生變化。透過觀察下圖可以更好地理解這一點。

當訊息訊號為零時，調製波的頻率保持與載波頻率一致。當訊息訊號達到最大幅度時，頻率增加。

這意味著，隨著調製訊號或訊息訊號幅度的增加，載波頻率增加。同樣，隨著調製訊號幅度的減小，頻率也減小。

數學表示

設載波頻率為f_c

訊息訊號最大幅度下的頻率 = f_c + Δf

訊息訊號最小幅度下的頻率 = f_c − Δf

調頻頻率與正常頻率之間的差值稱為頻率偏差，用Δf表示。

載波訊號頻率從高到低或從低到高的偏差可以稱為載波擺動。

載波擺動 = 2 × 頻率偏差

= 2 × Δf

調頻波方程

調頻波方程為：

$$s(t) = A_ccos[W_ct + 2\pi k_fm(t)]$$

其中，

A_c = 載波的幅度

w_c = 載波的角頻率 = 2πf_c

m(t) = 訊息訊號

調頻可分為窄帶調頻和寬頻調頻。

窄帶調頻

窄帶調頻的特點如下：

• 這種頻率調製具有較小的頻寬。

• 調製指數較小。

• 其頻譜由載波、USB和LSB組成。

• 它用於行動通訊，例如警用無線電、救護車、計程車等。

寬頻調頻

寬頻調頻的特點如下：

• 這種頻率調製具有無限頻寬。

• 調製指數較大，即大於1。

• 其頻譜由載波和無限數量的邊帶組成，這些邊帶位於其周圍。

• 它用於娛樂廣播應用，例如調頻廣播、電視等。

相位調製

在頻率調製中，載波的頻率變化。但在相位調製 (PM)中，載波的相位根據調製訊號的瞬時幅度變化。

載波訊號的幅度和頻率保持不變，而載波的相位發生變化。透過觀察下圖可以更好地理解這一點。

調製波的相位具有無限個點，波中的相移可以在這些點發生。調製訊號的瞬時幅度改變載波的相位。當幅度為正時，相位在一個方向上變化；如果幅度為負，相位在相反方向上變化。

PM和FM之間的關係

相位的變化會改變調製波的頻率。波的頻率也會改變波的相位。雖然它們是相關的，但它們的關係不是線性的。相位調製是產生調頻的一種間接方法。相位調製器產生的頻率偏移量隨著調製頻率的增加而增加。均衡器用於補償這一點。

PM波方程

PM波方程為：

$$s(t) = A_ccos[W_ct + k_pm(t)]$$

其中，

A_c = 載波的幅度

w_c = 載波的角頻率 = 2πf_c

m(t) = 訊息訊號

相位調製用於移動通訊系統，而頻率調製主要用於調頻廣播。

通訊原理 - 多路複用

多路複用是在共享介質上將多個訊號組合成一個訊號的過程。

• 如果這些訊號本質上是模擬的，則該過程稱為模擬多路複用。

• 如果對數字訊號進行多路複用，則稱為數字多路複用。

多路複用最初是在電話中開發的。多個訊號被組合起來透過一根電纜傳送。多路複用的過程將通訊通道劃分為多個邏輯通道，為每個通道分配不同的訊息訊號或要傳輸的資料流。進行多路複用的裝置可以稱為MUX。

反向過程，即從一個訊號中提取多個通道（在接收端進行），稱為多路分解。進行多路分解的裝置稱為DEMUX。

下圖說明了MUX和DEMUX的概念。它們主要用於通訊領域。

多路複用器的型別

多路複用器主要有兩種型別：模擬和數字。它們進一步分為FDM、WDM和TDM。下圖詳細說明了這種分類。

有多種多路複用技術。在所有這些技術中，我們有上面圖中提到的主要型別和一般分類。讓我們分別來看一下它們。

模擬多路複用

模擬多路複用技術涉及本質上是模擬的訊號。模擬訊號根據其頻率 (FDM) 或波長 (WDM) 進行多路複用。

頻分多路複用

在模擬多路複用中，最常用的技術是頻分多路複用 (FDM)。此技術使用各種頻率來組合資料流，以便將它們作為單個訊號傳送到通訊介質上。

示例 - 透過單根電纜傳送多個頻道的傳統電視發射機使用FDM。

波分多路複用

波分複用 (WDM) 是一種模擬技術，其中許多不同波長的資料流在光譜中傳輸。如果波長增加，訊號頻率降低。可以在MUX的輸出和DEMUX的輸入處使用稜鏡，將不同波長轉換為單一線。

示例 − 光纖通訊使用WDM技術，將不同波長合併成單束光進行通訊。

數字複用

術語“數字”代表離散的資訊位。因此，可用資料以幀或資料包的形式存在，這些都是離散的。

時分複用 (TDM)

在TDM中，時間幀被分成時隙。該技術用於透過為每條訊息分配一個時隙，在單個通訊通道上傳輸訊號。

在所有型別的TDM中，主要型別是同步TDM和非同步TDM。

同步TDM

在同步TDM中，輸入連線到一個幀。如果有“n”個連線，則該幀被分成“n”個時隙。每個輸入線分配一個時隙。

在這種技術中，所有訊號的取樣率都是相同的，因此給出相同的時鐘輸入。MUX始終為每個裝置分配相同的時隙。

非同步TDM

在非同步TDM中，每個訊號的取樣率不同，不需要公共時鐘。如果為某個時隙分配的裝置沒有傳輸任何內容而處於空閒狀態，則該時隙將分配給另一個裝置，這與同步TDM不同。

這種型別的TDM用於非同步傳輸模式網路。

解複用器

解複用器用於將單個源連線到多個目的地。此過程是複用的反向過程。如前所述，它主要用於接收器。DEMUX有很多應用。它用於通訊系統中的接收器。它用於計算機中的算術邏輯單元以提供電源和傳遞通訊等。

解複用器用作序列到並行轉換器。序列資料以規律的間隔作為輸入提供給DEMUX，並連線一個計數器來控制解複用器的輸出。

複用器和解複用器在通訊系統中都扮演著重要的角色，無論是在發射機部分還是接收機部分。

通訊原理 - 調頻廣播

頻分複用用於無線電和電視接收器。調頻的主要用途是無線電通訊。讓我們看一下調頻發射機和調頻接收機的結構及其框圖和工作原理。

調頻發射機

調頻發射機是整個單元，它以音訊訊號作為輸入，並將調頻調製波傳遞到天線作為輸出進行傳輸。調頻發射機包含6個主要階段。它們如下圖所示。

調頻發射機的工作原理如下所示。

• 來自麥克風輸出的音訊訊號被送到前置放大器，前置放大器提升調製訊號的電平。

• 然後將此訊號傳遞到高通濾波器，該濾波器充當預加重網路以濾除噪聲並提高信噪比。

• 此訊號進一步傳遞到調頻調製電路。

• 振盪器電路產生高頻載波，該載波與調製訊號一起提供給調製器。

• 使用幾個頻率倍增器級來增加工作頻率。即便如此，訊號的功率仍然不足以傳輸。因此，最後使用射頻功率放大器來增加調製訊號的功率。此調頻調製輸出最終傳遞到天線以進行傳輸。

接收機的要求

無線電接收機用於接收調幅和調頻訊號。AM 的檢測採用稱為包絡檢波的方法，FM 的檢測採用稱為頻率鑑別的方法。

這樣的無線電接收機具有以下要求。

• 它應該具有成本效益。

• 它應該接收調幅和調頻訊號。

• 接收機應該能夠調諧和放大所需的電臺。

• 它應該能夠拒絕不需要的電臺。

• 必須對所有電臺訊號進行解調，無論載波頻率是多少。

為了滿足這些要求，調諧電路和混頻器電路應該非常有效。射頻混頻的過程是一個有趣的現象。

射頻混頻

射頻混頻單元產生一個中頻 (IF)，任何接收到的訊號都被轉換為該頻率，以便有效地處理訊號。

射頻混頻器是接收器中的一個重要階段。採用兩個不同頻率的訊號，其中一個訊號電平影響另一個訊號的電平，以產生最終的混合輸出。輸入訊號和最終的混頻器輸出如下圖所示。

當兩個訊號進入射頻混頻器時，

• 第一個訊號頻率 = F₁

• 第二個訊號頻率 = F₂

則結果訊號頻率 = (F₁ + F₂) 和 (F₁ - F₂)

在輸出端產生兩個不同頻率訊號的混合。

如果在頻域中觀察到這一點，則模式看起來如下圖所示。

射頻混頻器的符號如下圖所示。

將兩個訊號混合以產生結果訊號，其中一個訊號的影響會影響另一個訊號，並且兩者都會產生如前所見不同的模式。

調頻接收機

調頻接收機是整個單元，它以調製訊號作為輸入，併產生原始音訊訊號作為輸出。業餘無線電愛好者是最初的無線電接收機。但是，它們具有靈敏度和選擇性差等缺點。

選擇性是在拒絕其他訊號的同時選擇特定訊號。靈敏度是在最低功率電平下檢測射頻訊號並對其進行解調的能力。

為了克服這些缺點，發明了超外差接收機。該調頻接收機包含5個主要階段。它們如下圖所示。

射頻調諧器部分

天線接收到的調製訊號首先透過變壓器傳遞到調諧器電路。調諧器電路只不過是一個LC電路，也稱為諧振或諧振電路。它選擇無線電接收機所需的頻率。它還同時調諧本地振盪器和射頻濾波器。

射頻混頻器

來自調諧器輸出的訊號被提供給射頻-中頻轉換器，該轉換器充當混頻器。它有一個本地振盪器，產生一個恆定頻率。在此處進行混合過程，將接收到的訊號作為一種輸入，將本地振盪器頻率作為另一種輸入。結果輸出是混頻器產生的兩個頻率的混合 [(f₁ + f₂),(f₁ − f₂)]，稱為中頻 (IF)。

中頻的產生有助於解調任何具有任何載波頻率的電臺訊號。因此，所有訊號都被轉換為固定的載波頻率以獲得足夠的選頻性。

中頻濾波器

中頻濾波器是一個帶通濾波器，它透過所需的頻率。它還消除了其中存在的任何不需要的較高頻率分量以及噪聲。中頻濾波器有助於提高信噪比 (SNR)。

解調器

接收到的調製訊號現在使用發射機側使用的相同過程進行解調。頻率鑑別通常用於調頻檢測。

音訊放大器

這是一個功率放大器級，用於放大檢測到的音訊訊號。處理後的訊號得到增強以使其有效。此訊號傳遞到揚聲器以獲得原始聲音訊號。

這種超外差接收機因其更好的信噪比、靈敏度和選擇性等優點而被廣泛使用。

調頻中的噪聲

噪聲的存在也是調頻中的一個問題。每當頻率與所需訊號更接近的強幹擾訊號到達時，接收機就會鎖定該干擾訊號。這種現象稱為捕獲效應。

為了提高較高調製頻率下的信噪比，在發射機中使用稱為預加重的高通電路。另一個稱為去加重的電路是預加重的反向過程，用於接收機，它是一個低通電路。預加重和去加重電路廣泛用於調頻發射機和接收機，以有效地提高輸出信噪比。

脈衝調製

到目前為止，我們已經討論了連續波調製。現在是離散訊號的時候了。脈衝調製技術處理離散訊號。讓我們看看如何將連續訊號轉換為離散訊號。稱為取樣的過程可以幫助我們做到這一點。

取樣

將連續時間訊號轉換為等效離散時間訊號的過程可以稱為取樣。在取樣過程中連續取樣資料的某個時刻。

下圖表示連續時間訊號x(t)和取樣訊號x_s(t)。當x(t)乘以週期性脈衝序列時，得到取樣訊號x_s(t)。

取樣訊號是週期性脈衝序列，具有單位幅度，以相等的時間間隔T_s取樣，稱為取樣時間。此資料在時間點T_s傳輸，載波訊號在剩餘時間傳輸。

取樣率

為了使訊號離散化，樣本之間的間隙應該固定。該間隙可以稱為取樣週期T_s。

$$取樣頻率 = \frac{1}{T_s} = f_s$$

其中，

T_s = 取樣時間

f_s = 取樣頻率或採樣率

取樣定理

在考慮取樣率時，一個重要的問題是如何確定合適的取樣率。**取樣率**應確保訊息訊號中的資料既不會丟失，也不會發生重疊。

**取樣定理**指出：“如果以大於或等於最大頻率W兩倍的速率f_s對訊號進行取樣，則可以精確地重現該訊號。”

簡單來說，為了有效地重現原始訊號，取樣率應為最高頻率的兩倍。

這意味著：

$$f_s \geq 2W$$

其中，

f_s = 取樣頻率

W 是最高頻率

這種取樣率稱為**奈奎斯特率**。

取樣定理，也稱為**奈奎斯特定理**，為頻寬受限的函式類別提供了關於足夠取樣率的理論。

對於連續時間訊號x(t)，頻域中的頻寬受限訊號可以表示如下（此處應插入圖示）。

如果訊號的取樣率高於奈奎斯特率，則可以恢復原始訊號。下圖說明了在頻域中以高於2W的速率取樣的訊號。（此處應插入圖示）

如果以低於2W的速率對同一訊號進行取樣，則取樣訊號將如下圖所示。（此處應插入圖示）

從上圖可以看出，發生了資訊重疊，導致資訊混淆和丟失。這種不需要的重疊現象稱為**混疊**。

混疊可以定義為：“訊號頻譜中高頻分量在取樣版本的頻譜中呈現為低頻分量的現象。”

因此，根據取樣定理，選擇以奈奎斯特率對訊號進行取樣。如果取樣率等於最高頻率的兩倍 (2W)。

這意味著：

$$f_s = 2W$$

其中，

f_s = 取樣頻率

W 是最高頻率

結果將如上圖所示（此處應指代之前的圖示）。資訊被完整地重現，沒有損失。因此，這是一個良好的取樣率。

模擬脈衝調製

在連續波調製之後，下一個階段是脈衝調製。脈衝調製進一步分為模擬調製和數字調製。模擬調製技術主要分為脈衝幅度調製、脈衝寬度調製和脈衝位置調製。

脈衝幅度調製

**脈衝幅度調製 (PAM)** 是一種模擬調製方案，其中脈衝載波的幅度與訊息訊號的瞬時幅度成比例變化。

脈衝幅度調製訊號將遵循原始訊號的幅度，因為訊號描繪了整個波形的路徑。在自然PAM中，透過以精確截止頻率的有效**低通濾波器 (LPF)** 傳輸，可以重建以奈奎斯特率取樣的訊號。

下圖說明了脈衝幅度調製。（此處應插入圖示）

儘管PAM訊號通過了低通濾波器，但它無法無失真地恢復訊號。因此，為了避免這種噪聲，採用平頂取樣，如下圖所示。（此處應插入圖示）

**平頂取樣**是一種取樣訊號可以用脈衝表示的過程，其中訊號的幅度相對於要取樣的模擬訊號不能改變。幅度的頂部保持平坦。此過程簡化了電路設計。

脈衝寬度調製

**脈衝寬度調製 (PWM)** 或**脈衝持續時間調製 (PDM)** 或**脈衝時間調製 (PTM)** 是一種模擬調製方案，其中脈衝載波的持續時間、寬度或時間與訊息訊號的瞬時幅度成比例變化。

在這種方法中，脈衝的寬度變化，但訊號的幅度保持不變。幅度限制器用於使訊號幅度保持恆定。這些電路將幅度限制到所需水平，因此噪聲受到限制。

下圖說明了脈衝寬度調製的型別。（此處應插入圖示）

PWM 有三種變體：它們是：

• 脈衝的前沿保持恆定，後沿根據訊息訊號變化。

• 脈衝的後沿保持恆定，前沿根據訊息訊號變化。

• 脈衝的中心保持恆定，前沿和後沿根據訊息訊號變化。

這三種類型在上圖中用定時槽顯示。（此處應指代之前的圖示）

脈衝位置調製

**脈衝位置調製 (PPM)** 是一種模擬調製方案，其中脈衝的幅度和寬度保持恆定，而每個脈衝相對於參考脈衝的位置根據訊息訊號的瞬時取樣值變化。

發射機必須傳送同步脈衝（或簡稱同步脈衝）以保持發射機和接收機的同步。這些同步脈衝有助於保持脈衝的位置。下圖說明了脈衝位置調製。（此處應插入圖示）

脈衝位置調製是根據脈衝寬度調製訊號進行的。脈衝寬度調製訊號的每個後沿都成為PPM訊號中脈衝的起始點。因此，這些脈衝的位置與PWM脈衝的寬度成比例。

優點

由於幅度和寬度恆定，因此處理的功率也恆定。

缺點

發射機和接收機之間必須同步。

PAM、PWM和PPM的比較

以下表格列出了上述調製方法的比較。（此處應插入表格）

數字調製

到目前為止，我們已經學習了不同的調製技術。剩下的是**數字調製**，它屬於脈衝調製的分類。數字調製的主要分類是脈衝編碼調製 (PCM)。它進一步處理成增量調製和自適應增量調製。

脈衝編碼調製

對訊號進行脈衝編碼調製是為了將其模擬資訊轉換為二進位制序列，即 1 和 0。**脈衝編碼調製 (PCM)** 的輸出將類似於二進位制序列。下圖顯示了關於給定正弦波的瞬時值的PCM輸出示例。（此處應插入圖示）

PCM產生一系列數字而不是脈衝序列，因此此過程稱為數字過程。儘管每個數字都採用二進位制程式碼，但它們都代表該時刻訊號樣本的近似幅度。

在脈衝編碼調製中，訊息訊號由一系列編碼脈衝表示。透過在時間和幅度上以離散形式表示訊號來實現此訊息訊號。

PCM的基本元件

脈衝編碼調製器電路的發射機部分由**取樣、量化**和**編碼**組成，這些操作在**模數轉換器**部分執行。取樣之前的低通濾波器可防止訊息訊號混疊。

接收機部分的基本操作是**受損訊號的再生、解碼**和量化脈衝序列的**重建**。下圖是PCM的框圖，它表示發射機和接收機部分的基本元件。（此處應插入圖示）

低通濾波器 (LPF)

該濾波器消除輸入模擬訊號中高於訊息訊號最高頻率的高頻分量，以避免訊息訊號混疊。

取樣器

這是一個使用技術的電路，該技術有助於在訊息訊號的瞬時值處收集樣本資料，以便重建原始訊號。根據取樣定理，取樣率必須大於訊息訊號最高頻率分量W的兩倍。

量化器

量化是減少冗餘位和限制資料的過程。當將取樣輸出提供給量化器時，它會減少冗餘位並壓縮值。

編碼器

編碼器進行模擬訊號的數字化。它用二進位制程式碼指定每個量化級別。此處進行的取樣是取樣保持過程。這三個部分將充當模數轉換器。編碼使頻寬最小化。

再生中繼器

通道輸出有一個再生中繼器電路來補償訊號損失並重建訊號。它還可以增強訊號。

解碼器

解碼器電路解碼脈衝編碼波形以重現原始訊號。該電路充當**解調器**。

重建濾波器

在再生電路和解碼器完成數模轉換後，採用低通濾波器，稱為重建濾波器，以獲得原始訊號。

因此，脈衝編碼調製器電路對給定的模擬訊號進行數字化、編碼和取樣。然後以模擬形式傳輸。整個過程以反向模式重複以獲得原始訊號。

調製技術

構成PCM訊號採用幾種調製技術。這些技術，例如**抽樣、量化**和**壓擴**，有助於建立有效的PCM訊號，可以精確地再現原始訊號。

量化

模擬訊號的數字化涉及對近似等於模擬值的值進行四捨五入。抽樣方法選擇模擬訊號上的幾個點，然後將這些點連線起來，將值四捨五入到一個接近穩定的值。這種過程稱為**量化**。

模擬訊號的量化是透過用多個量化級別對訊號進行離散化來完成的。量化是用有限的電平表示幅度的取樣值，這意味著將**連續幅度樣本**轉換為**離散時間訊號**。

下圖顯示了模擬訊號如何被量化。藍線代表模擬訊號，紅線代表量化訊號。

抽樣和量化都會導致資訊丟失。量化器輸出的質量取決於使用的量化級別數。量化輸出的離散幅度稱為**表示電平**或**重建電平**。兩個相鄰表示電平之間的間距稱為**量子**或**步長**。

PCM中的壓擴

**壓擴**一詞是**壓**縮和擴**展**的組合，這意味著它同時執行這兩項操作。這是一種用於PCM的非線性技術，它在發射機處壓縮資料，並在接收機處擴充套件相同的資料。使用此技術可以降低噪聲和串擾的影響。

有兩種壓擴技術。

A律壓擴技術

• 當**A = 1**時，實現均勻量化，其中特性曲線是線性的，並且沒有壓縮。

• A律在原點具有中間上升。因此，它包含一個非零值。

• A律壓擴用於PCM電話系統。

• A律被世界許多地區使用。

μ律壓擴技術

• 當**μ = 0**時，實現均勻量化，其中特性曲線是線性的，並且沒有壓縮。

• μ律在原點具有中間踏階。因此，它包含一個零值。

• μ律壓擴用於語音和音樂訊號。

• μ律用於北美和日本。

差分脈衝編碼調製(DPCM)

當使用PCM技術編碼時，高度相關的樣本會留下冗餘資訊。為了處理這些冗餘資訊並獲得更好的輸出，明智的做法是從之前的輸出中假設預測的取樣值，並將它們與量化值彙總。

這種過程稱為**差分脈衝編碼調製(DPCM)**技術。

增量調製(Delta Modulation)

為了獲得更好的取樣，訊號的取樣率應高於奈奎斯特率。如果差分脈衝編碼調製(DPCM)中的取樣間隔大大減少，則樣本間的幅度差非常小，如果差為**1位量化**，則步長非常小，即**Δ**(增量)。

什麼是增量調製？

取樣率高得多且量化後步長值為較小值**Δ**的調製型別，這種調製稱為**增量調製**。

增量調製的特點

• 採用過取樣輸入以充分利用訊號相關性。

• 量化設計簡單。

• 輸入序列遠高於奈奎斯特率。

• 質量中等。

• 調製器和解調器的設計簡單。

• 輸出波形的階梯近似。

• 步長非常小，即**Δ**(增量)。

• 位元率可由使用者決定。

• 它需要更簡單的實現。

增量調製是DPCM技術的簡化形式，也被視為1位DPCM方案。隨著取樣間隔的減小，訊號相關性將更高。

增量調製器

**增量調製器**包含一個1位量化器和一個延時電路以及兩個加法器電路。以下是增量調製器的框圖。

階梯近似波形將是增量調製器的輸出，步長為增量( **Δ** )。波形的輸出質量中等。

增量解調器

增量解調器包含一個低通濾波器、一個加法器和一個延時電路。此處消除了預測電路，因此沒有假定的輸入提供給解調器。

以下是增量解調器的框圖。

低通濾波器用於多種原因，但最主要的原因是消除帶外訊號的噪聲。發射機可能出現的步長誤差稱為**顆粒噪聲**，此處將其消除。如果不存在噪聲，則調製器輸出等於解調器輸入。

DM優於DPCM的優點

• 1位量化器
• 調製器和解調器的設計非常簡單

但是，DM中存在一些**噪聲**，以下是噪聲的型別。

• 斜率過載失真（當Δ較小時）
• 顆粒噪聲（當Δ較大時）

自適應增量調製

在數字調製中，我們在確定步長時遇到某些問題，這會影響輸出波形的質量。

在調製訊號的陡峭斜率處需要較大的步長，而在訊息斜率較小的地方需要較小的步長。結果，細微的細節會被遺漏。因此，如果我們可以根據我們的要求控制步長的調整，以便以所需的方式獲得取樣，將會更好。這就是**自適應增量調製(ADM)**的概念。

數字調製技術

數字調製提供更大的資訊容量、高資料安全性、更快的系統可用性和高質量的通訊。因此，數字調製技術因其比模擬調製技術能夠傳輸更大資料量而需求更大。

有許多型別的數字調製技術，我們甚至可以使用這些技術的組合。在本章中，我們將討論最突出的數字調製技術。

幅移鍵控

結果輸出的幅度取決於輸入資料，它應該是零電平還是正負變化，這取決於載波頻率。

**幅移鍵控(ASK)**是一種幅度調製，它以訊號幅度的變化形式表示二進位制資料。

以下是ASK調製波形及其輸入的示意圖。

任何調製訊號都具有高頻載波。當ASK調製時，二進位制訊號對於低輸入給出零值，對於高輸入給出載波輸出。

頻移鍵控

輸出訊號的頻率將是高或低，這取決於所施加的輸入資料。

**頻移鍵控(FSK)**是一種數字調製技術，其中載波訊號的頻率根據離散數字變化而變化。FSK是頻移鍵控的一種方案。

以下是FSK調製波形及其輸入的示意圖。

FSK調製波的輸出在二進位制高輸入時頻率高，在二進位制低輸入時頻率低。二進位制1和0分別稱為**標記**和**空格頻率**。

相移鍵控

輸出訊號的相位會根據輸入進行移動。根據相移的數量，它們主要分為兩種型別，即BPSK和QPSK。另一種是DPSK，它根據前一個值更改相位。

**相移鍵控(PSK)**是一種數字調製技術，其中透過在特定時間改變正弦和餘弦輸入來改變載波訊號的相位。PSK技術廣泛用於無線區域網、生物識別、非接觸式操作以及RFID和藍牙通訊。

PSK根據訊號移動的相位分為兩種型別。它們是：

二進位制相移鍵控(BPSK)

這也稱為**2相PSK**(或) **相位反轉鍵控**。在這種技術中，正弦波載波進行兩次相位反轉，例如0°和180°。

BPSK基本上是一種DSB-SC（雙邊帶抑制載波）調製方案，訊息是數字資訊。

以下是BPSK調製輸出波及其輸入的影像。

正交相移鍵控(QPSK)

這是一種相移鍵控技術，其中正弦波載波進行四次相位反轉，例如0°、90°、180°和270°。

如果進一步擴充套件這種技術，則PSK也可以透過八個或十六個值來完成，這取決於需求。下圖表示針對兩位輸入的QPSK波形，它顯示了不同二進位制輸入例項的調製結果。

QPSK是BPSK的一種變體，它也是一種DSB-SC（雙邊帶抑制載波）調製方案，一次傳送兩位數字資訊，稱為**雙位元**。

它不是將數字位轉換為一系列數字流，而是將其轉換為位對。這將資料位元率降低了一半，從而為其他使用者留出空間。

差分相移鍵控(DPSK)

在DPSK（差分相移鍵控）中，調製訊號的相位相對於前一個訊號元素進行偏移。此處不考慮參考訊號。訊號相位遵循前一個元素的高或低狀態。這種DPSK技術不需要參考振盪器。

下圖表示DPSK的模型波形。

從上圖可以看出，如果資料位為低，即0，則訊號相位不會反轉，而是繼續保持不變。如果資料位為高，即1，則訊號相位將反轉，如同NRZI一樣，在1時反轉（一種差分編碼）。

如果我們觀察上面的波形，我們可以說高狀態在調製訊號中表示**M**，低狀態在調製訊號中表示**W**。

M進位制編碼

二進位制表示兩位。**M**只是表示對於給定數量的二進位制變數，可能存在的條件、級別或組合的數量的數字。

這是一種用於資料傳輸的數字調製技術，其中不是一次傳輸一位，而是**一次傳輸兩位或更多位**。由於單個訊號用於多位傳輸，因此通道頻寬減小。

M進位制方程

如果數字訊號在四種條件下給出，例如電壓電平、頻率、相位和幅度，則**M = 4**。

產生給定數量的條件所需的位數用數學表示為

$$N = \log_{2}M$$

其中，

**N**是所需的位數。

**M**是使用**N**位可能存在的條件、級別或組合的數量。

上述方程可以重新排列為：

$$2^{N} = M$$

例如，使用兩位，**2² = 4**種條件是可能的。

M進位制技術的型別

通常，（**M進位制**）多電平調製技術用於數字通訊，因為發射機輸入允許超過兩個調製電平的數字輸入。因此，這些技術具有頻寬效率。

有許多不同的M進位制調製技術。其中一些技術調製載波訊號的一個引數，例如幅度、相位和頻率。

M進位制ASK

這稱為**M進位制幅移鍵控**(M-ASK)或**M進位制脈衝幅度調製(PAM)**。

載波訊號的幅度取**M**個不同的電平。

M進位制ASK的表示

$$S_m(t) = A_mcos(2\pi f_ct)\:\:\:\:\:\:A_m\epsilon {(2m-1-M)\Delta ,m = 1,2....M}\:\:\:and\:\:\:0\leq t\leq T_s$$

此方法也用於PAM。它的實現很簡單。然而，M進位制ASK容易受到噪聲和失真的影響。

M進位制FSK

這稱為**M進位制頻移鍵控**。

載波訊號的頻率具有M個不同的電平。

M進位制頻移鍵控(M-ary FSK)的表示

$$S_{i} (t) = \sqrt{\frac{2E_{s}}{T_{S}}} \cos\lgroup\frac{\Pi} {T_{s}}(n_{c} + i)t\rgroup \:\:\:\:0\leq t\leq T_{s}\:\:\:且\:\:\:i = 1,2.....M$$

其中 $f_{c} = \frac{n_{c}}{2T_{s}}$，n 為某個固定的整數。

與調幅鍵控(ASK)相比，它不易受噪聲影響。傳輸的M個訊號能量和持續時間相等。訊號間隔為$\frac{1}{2T_s}$ Hz，使訊號彼此正交。

由於M個訊號正交，訊號空間中沒有擁擠現象。M進位制FSK的頻寬效率隨著M的增加而降低，功率效率隨著M的增加而提高。

M進位制相移鍵控(M-ary PSK)

這稱為M進位制相移鍵控。

載波訊號的相位具有M個不同的電平。

M進位制PSK的表示

$$S_{i}(t) = \sqrt{\frac{2E}{T}} \cos(w_{0}t + \emptyset_{i}t)\:\:\:\:0\leq t\leq T_{s}\:\:\:且\:\:\:i = 1,2.....M$$

$$\emptyset_{i}t = \frac{2\Pi i} {M}\:\:\:其中\:\:i = 1,2,3...\:...M$$

這裡，包絡線恆定，相位可能性更多。這種方法在早期空間通訊中使用。它的效能優於ASK和FSK。接收端的最小相位估計誤差。

M進位制PSK的頻寬效率隨著M的增加而降低，功率效率隨著M的增加而提高。到目前為止，我們已經討論了不同的調製技術。所有這些技術的輸出都是一個二進位制序列，表示為1和0。這種二進位制或數字資訊具有多種型別和形式，將在後面討論。

資訊理論

資訊是通訊系統的源頭，無論是模擬的還是數字的。資訊理論是對資訊編碼以及資訊的量化、儲存和通訊的研究的數學方法。

事件發生的條件

如果我們考慮一個事件，那麼它有三種發生的條件。

• 如果事件沒有發生，則存在不確定性的條件。

• 如果事件剛剛發生，則存在意外性的條件。

• 如果事件在一段時間前已經發生，則存在一些資訊的條件。

因此，這三種情況發生在不同的時間。這些條件的差異有助於我們瞭解事件發生機率的知識。

熵

當我們觀察事件發生的可能性時，無論它有多麼意外或不確定，這意味著我們試圖瞭解事件源的平均資訊量。

熵可以定義為每個信源符號的平均資訊量的度量。“資訊理論之父”克勞德·夏農給出了它的公式：

$$H = -\sum_{i} p_i\log_{b}p_i$$

其中$p_i$是給定字元流中字元號i出現的機率，b是所用演算法的底數。因此，這也稱為夏農熵。

觀察到通道輸出後，關於通道輸入仍然存在的不確定性量稱為條件熵。用$H(x \arrowvert y)$表示。

離散無記憶信源

一個信源，其資料在連續間隔發出，且與先前值無關，可以稱為離散無記憶信源。

該信源是離散的，因為它不被認為是在連續的時間間隔內，而是在離散的時間間隔內。該信源是無記憶的，因為它在每個時刻都是新的，而不考慮先前值。

信源編碼

根據定義，“給定一個熵為$H(\delta)$的離散無記憶信源，任何信源編碼的平均碼字長度$\bar{L}$都受限於$\bar{L}\geq H(\delta)$”。

簡單來說，碼字（例如：QUEUE的莫爾斯電碼是 -.- ..- . ..- .）總是大於或等於信原始碼（例如QUEUE）。這意味著碼字中的符號大於或等於信原始碼中的字母。

通道編碼

通訊系統中的通道編碼引入了具有控制功能的冗餘，以提高系統的可靠性。信源編碼減少冗餘以提高系統的效率。

通道編碼包括兩個部分。

• 對映：將輸入資料序列對映到通道輸入序列。

• 逆對映：將通道輸出序列逆對映到輸出資料序列。

最終目標是最小化通道噪聲的整體影響。

對映由發射機在編碼器的幫助下完成，而逆對映由接收機中的解碼器完成。

擴頻調製

一類集合的訊號技術在傳輸訊號之前被使用以提供安全的通訊，稱為擴頻調製。擴頻通訊技術的主要優點是防止“干擾”，無論是故意還是無意的。

用這些技術調製的訊號很難干擾，也無法被幹擾。未經授權的入侵者永遠不允許破解它們。因此，這些技術用於軍事目的。這些擴頻訊號以低功率密度傳輸，並具有廣泛的訊號。

偽噪聲序列

具有某些自相關特性的1和0的編碼序列，稱為偽噪聲編碼序列，用於擴頻技術。它是一個最大長度序列，是一種迴圈碼。

窄帶訊號

窄帶訊號的訊號強度集中在以下頻譜圖中所示。

以下是窄帶訊號的特性：

• 訊號頻寬佔用窄頻範圍。
• 功率密度高。
• 能量擴散低且集中。

雖然特性良好，但這些訊號容易受到干擾。

擴頻訊號

擴頻訊號的訊號強度分佈在以下頻譜圖中所示。

以下是擴頻訊號的特性：

• 訊號頻寬佔用寬頻範圍。
• 功率密度非常低。
• 能量分散。

憑藉這些特性，擴頻訊號具有很強的抗干擾能力。由於多個使用者可以共享相同的擴頻頻寬而不會相互干擾，因此這些可以被稱為多址技術。

擴頻多址技術使用傳輸頻寬大小大於最小所需射頻頻寬的訊號。

擴頻訊號可分為兩類：

• 跳頻擴頻(FHSS)
• 直接序列擴頻(DSSS)

跳頻擴頻

這是一種跳頻技術，使用者被要求在指定的時間間隔內將使用頻率從一個頻率更改為另一個頻率，因此稱為跳頻。

例如，在特定時間段內為傳送方1分配了一個頻率。一段時間後，傳送方1跳到另一個頻率，而傳送方2使用傳送方1先前使用的第一個頻率。這稱為頻率複用。

資料的頻率從一個跳到另一個，以提供安全的傳輸。在每個頻率跳躍上花費的時間量稱為駐留時間。

直接序列擴頻

每當使用者想要使用此DSSS技術傳送資料時，使用者的每個位元資料都將乘以一個秘密程式碼，稱為跳碼。此跳碼不過是與原始訊息相乘並傳輸的擴頻碼。接收機使用相同的程式碼來檢索原始訊息。

此DSSS也稱為分碼多重進接(CDMA)。

FHSS和DSSS/CDMA的比較

兩種擴頻技術都以其特性而聞名。為了更好地理解，讓我們來看一下它們的比較。

擴頻的優點

以下是擴頻的優點。

• 消除串擾
• 具有資料完整性的更好的輸出
• 減少多徑衰落的影響
• 更好的安全性
• 降低噪聲
• 與其他系統共存
• 更長的工作距離
• 難以檢測
• 難以解調/解碼
• 更難以干擾訊號

雖然擴頻技術最初是為軍事用途設計的，但現在它們已被廣泛用於商業用途。

光纖通訊原理

到目前為止討論的數字通訊技術已經促進了光通訊和衛星通訊研究的進步。讓我們來看看它們。

光纖

光纖可以理解為一種在光頻下工作的介質波導。該器件或管子，如果彎曲或終止以輻射能量，通常稱為波導。下圖顯示了一束光纖電纜。

電磁能量以光波的形式透過它傳播。沿波導的光傳播可以用一組導波電磁波來描述，稱為波導的模式。

工作原理

在學習光纖時，應該瞭解的一個基本光學引數是折射率。根據定義，“真空中光速與物質中光速之比是材料的折射率 n。”它表示為：

$$n = \frac{c}{v}$$

其中，

c = 自由空間中的光速 = 3 × 10⁸ m/s

v = 電介質或非導電材料中的光速

一般來說，對於一條傳播的光線，當n₂ < n₁ 時會發生反射。光線在介面處的彎曲是由於兩種具有不同折射率的材料中光速差異造成的。介面處這些角度之間的關係被稱為斯涅爾定律，其表示為：

$$n_1sin\phi _1 = n_2sin\phi _2$$

其中，

$\phi _1$ 為入射角

$\phi _2$ 為折射角

n₁和n₂是兩種材料的折射率

對於光學密度較大的材料，如果反射發生在同一材料內部，則這種現象稱為全內反射。入射角和折射角如下圖所示。

如果入射角$\phi _1$足夠大，則某點的折射角$\phi _2$將變為Π/2。超過此點，則無法繼續發生折射。因此，這個點被稱為臨界角$\phi _c$。當入射角$\phi _1$大於臨界角時，滿足全內反射的條件。

下圖清晰地顯示了這些術語。

如果光線在這種情況下進入玻璃，它將被完全反射回玻璃內部，沒有光線從玻璃表面逸出。

光纖的組成部分

最常用的光纖是半徑為a、折射率為n₁的單模實心介質圓柱體。下圖解釋了光纖的組成部分。

該圓柱體稱為光纖的纖芯。纖芯周圍包裹著一層實心介質材料，稱為包層。包層的折射率n₂小於n₁。

包層有助於：

• 減少散射損耗。
• 增加光纖的機械強度。
• 保護纖芯免受不需要的表面汙染物的侵蝕。

光纖的型別

根據纖芯的材料組成，常用的光纖主要分為兩種：

• 階躍型光纖——纖芯的折射率在整個截面上是均勻的，在包層邊界處發生突變（或階躍）。

• 漸變型光纖——纖芯的折射率隨距光纖中心徑向距離的變化而變化。

這兩種光纖又進一步細分為：

• 單模光纖——用雷射激發。

• 多模光纖——用LED激發。

光纖通訊

透過研究光纖通訊系統的各個部件和部分，可以更好地理解其工作原理。下圖顯示了光纖通訊系統的主要元件。

基本元件包括光訊號發射器、光纖和光電檢測接收器。為了提高通訊系統的效能，還採用了光纖和電纜熔接器和聯結器、再生器、分束器和光放大器等附加元件。

功能優勢

光纖的功能優勢包括：

• 光纜的傳輸頻寬高於金屬電纜。

• 光纜的資料傳輸量更大。

• 功率損耗非常低，因此有利於長距離傳輸。

• 光纜具有高安全性，無法被竊聽。

• 光纜是資料傳輸最安全的方式。

• 光纜不受電磁干擾的影響。

• 它們不受電噪聲的影響。

物理優勢

光纜的物理優勢包括：

• 這些電纜的容量遠高於銅線電纜。

• 雖然容量更高，但電纜的尺寸並沒有像銅線佈線系統那樣增加。

• 這些電纜佔用的空間更小。

• 這些光纜的重量比銅線電纜輕得多。

• 由於這些電纜是介質的，因此不存在火花危險。

• 這些電纜比銅纜更耐腐蝕，因為它們易於彎曲且靈活。

• 光纜的原材料是玻璃，比銅便宜。

• 光纜的使用壽命比銅纜長。

缺點

雖然光纖具有許多優點，但它們也有一些缺點：

• 雖然光纜使用壽命更長，但安裝成本較高。

• 隨著距離的增加，需要增加中繼器的數量。

• 如果不在塑膠護套中，它們很脆弱。因此，比銅纜需要更多的保護。

光纖的應用

光纖有很多應用。其中一些如下：

• 用於電話系統

• 用於海底電纜網路

• 用於計算機網路、有線電視系統的資料鏈路

• 用於閉路電視監控攝像機

• 用於連線消防、警察和其他緊急服務。

• 用於醫院、學校和交通管理系統。

• 它們在工業上有許多用途，也用於重型建築中。

衛星通訊原理

衛星是一個圍繞另一個天體以可預測的數學路徑（稱為軌道）執行的天體。通訊衛星只不過是一個太空中的微波中繼站，有助於電信、廣播和電視以及網際網路應用。

中繼器是一個電路，它會增強接收到的訊號並重新傳輸。但在這裡，此中繼器充當轉發器，它將傳輸訊號的頻段從接收到的頻段更改。

將訊號傳送到太空的頻率稱為上行鏈路頻率，而轉發器傳送訊號的頻率稱為下行鏈路頻率。

下圖清楚地說明了這個概念。

現在，讓我們來看看衛星通訊的優點、缺點和應用。

衛星通訊——優點

衛星通訊有很多優點，例如：

• 靈活性

• 安裝新電路容易

• 輕鬆覆蓋距離，成本無關緊要

• 廣播可能性

• 覆蓋地球的每一個角落

• 使用者可以控制網路

衛星通訊——缺點

衛星通訊具有以下缺點：

• 初始成本（例如分段和發射成本）過高。

• 頻率擁塞

• 干擾和傳播

衛星通訊——應用

衛星通訊在以下領域得到應用：

• 在廣播中。

• 在電視廣播中，如DTH。

• 在網際網路應用中，例如為資料傳輸、GPS應用、網際網路瀏覽等提供網際網路連線。

• 用於語音通訊。

• 用於許多領域的研發部門。

• 用於軍事應用和導航。

衛星在其軌道上的方向取決於三個定律，稱為開普勒定律。

開普勒定律

天文學家約翰內斯·開普勒 (1571-1630) 提出了關於衛星運動的三個革命性定律。衛星圍繞其主星（地球）執行的路徑是橢圓。橢圓有兩個焦點——F1和F2，地球是其中一個。

如果考慮從物體中心到其橢圓路徑上某一點的距離，則橢圓離中心最遠的一點稱為遠地點，橢圓離中心最近的一點稱為近地點。

開普勒第一定律

開普勒第一定律指出：“每個行星都以橢圓軌道繞太陽執行，太陽位於其一個焦點上。”因此，衛星以地球作為其一個焦點的橢圓路徑執行。

橢圓的長半軸表示為“a”，短半軸表示為b。因此，該系統的偏心率e可以寫成：

$$e = \frac{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}{a}$$

• 偏心率 (e)——它是定義橢圓形狀差異而不是圓形形狀差異的引數。

• 長半軸 (a)——它是沿中心連線兩個焦點的最長直徑，它接觸兩個遠地點（橢圓離中心最遠的兩點）。

• 短半軸 (b)——它是穿過中心連線兩個近地點（橢圓離中心最近的兩點）的最短直徑。

下圖對這些進行了很好的描述。

對於橢圓路徑，總是希望偏心率介於 0 和 1 之間，即 0 < e < 1，因為如果e變為零，路徑將不再是橢圓形，而是會變成圓形路徑。

開普勒第二定律

開普勒第二定律指出：“在相等的時間間隔內，衛星覆蓋的面積相對於地球中心是相等的。”

透過檢視下圖可以理解這一點。

假設衛星在相同的時間間隔內覆蓋p1和p2距離，則兩種情況下分別覆蓋的面積B1和B2相等。

開普勒第三定律

開普勒第三定律指出：“軌道的週期時間的平方與兩個天體之間平均距離的立方成正比。”

這可以用數學表示式表示為

$$T^{2}\:\alpha\:\:a^{3}$$

這意味著

$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{GM}a^{3}$$

其中$\frac{4\pi ^{2}}{GM}$是比例常數（根據牛頓力學）

$$T^{2} = \frac{4\pi ^{2}}{\mu}a^{3} $$

其中 μ = 地球的地球中心引力常數，即 Μ = 3.986005 × 10¹⁴ m³/sec²

$$1 = \left ( \frac{2\pi}{T} \right )^{2}\frac{a^{3}}{\mu}$$

$$1 = n^{2}\frac{a^{3}}{\mu}\:\:\:\Rightarrow \:\:\:a^{3} = \frac{\mu}{n^{2}}$$

其中n = 衛星的平均運動角速度（弧度/秒）

利用開普勒定律可以計算衛星的軌道執行。

除此之外，還有一點需要注意。衛星繞地球執行時，會受到地球的引力作用，同時也會受到太陽和月球的引力作用。因此，衛星會受到兩種力的作用：

• 向心力——將沿軌跡運動的物體拉向自身的力稱為向心力。

• 離心力——將沿軌跡運動的物體推離其位置的力稱為離心力。

因此，衛星必須平衡這兩種力才能保持在軌道上。

地球軌道

發射到太空的衛星需要放置在特定的軌道上，以實現特定的執行方式，從而保持可及性並實現其科學、軍事或商業目的。這些分配給衛星的相對於地球的軌道稱為地球軌道。這些軌道上的衛星稱為地球軌道衛星。

重要的地球軌道型別包括：

• 地球同步軌道

• 中地球軌道

• 近地軌道

地球同步軌道衛星

地球同步軌道 (GEO) 衛星位於地球上方 22,300 英里（約35,786公里）的高度。該軌道與恆星日（即 23 小時 56 分鐘）同步。該軌道可能具有傾角和偏心率，它可能不是圓形的。該軌道可以相對於地球兩極傾斜，但從地球上觀察則看起來是靜止的。

如果地球同步軌道是圓形的並且在赤道平面上，則稱為地球靜止軌道。這些衛星位於地球赤道上方 35,900 公里（與地球同步軌道相同）處，它們相對於地球的方向（自西向東）旋轉。這些衛星相對於地球被認為是靜止的，因此得名。

地球靜止軌道衛星用於天氣預報、衛星電視、衛星廣播和其他型別的全球通訊。

下圖顯示了地球同步軌道和地球靜止軌道之間的區別。旋轉軸表示地球的運動。

注意——每個地球靜止軌道都是地球同步軌道，但並非每個地球同步軌道都是地球靜止軌道。

中地球軌道衛星

中地球軌道 (MEO) 衛星網路將在地球表面上方約 8000 英里（約12,875公里）的高度執行。從 MEO 衛星傳輸的訊號傳播距離較短，這轉化為接收端訊號強度得到改善，這意味著接收端可以使用更小、更輕的接收終端。

由於訊號到衛星和從衛星返回的距離較短，因此傳輸延遲較小。傳輸延遲可以定義為訊號到達衛星並返回接收站所需的時間。

對於即時通訊，傳輸延遲越短，通訊系統越好。例如，如果 GEO 衛星往返需要 0.25 秒，則 MEO 衛星完成相同行程所需時間不到 0.1 秒。MEO 衛星的工作頻率範圍為 2 GHz 及以上。

近地軌道衛星

近地軌道 (LEO) 衛星主要分為三類：小型 LEO、大型 LEO 和巨型 LEO。LEO 衛星將在距離地球表面 500 至 1000 英里（約805至1610公里）的高度執行。

這個相對較短的距離將傳輸延遲減少到僅 0.05 秒。這進一步減少了對靈敏且笨重的接收裝置的需求。小型 LEO 衛星的工作頻率範圍為 800 MHz（0.8 GHz）。大型 LEO 衛星的工作頻率範圍為 2 GHz 及以上，巨型 LEO 衛星的工作頻率範圍為 20-30 GHz。

與巨型 LEO 相關的更高頻率轉化為更大的資訊承載能力，並能夠實現即時、低延遲的影片傳輸方案。

下圖顯示了 LEO、MEO 和 GEO 的執行軌道。