ENGG1310 Electricity and electronics P1.2 Electronic Communication

课程内容笔记，自用，不涉及任何 assignment，exam 答案

Notes for self use, not included any assignments or exams

一个 3h 的 Lecture 讲完所有这些东西，究极坐牢

难怪这么多人说这课 SB

Part 2 主要介绍了关于通信的基本知识，但是完全没有学习关于信号原理之类的相关基础知识，导致对知识的解释在于用一个我不会的东西去解释另一个我不会的东西，我的评价是依托使

Analog Communication 模拟通信

• 模拟信号振幅 (amplitude) 取值连续 (continuous)
• Denoted by 正弦波 sin waves
• 常见的模拟信号：声音，图像，影像
• 模拟信号一般在物理信道 (physical channel)上传输

Digital Communication 数字通信

• 数字信号是 离散 (discrete) 的
• Denoted by 方波 square waves
• 常见的数字信号：二进制 \(01\) 表示法
• 信源编码 (source coding) 与 信道编码 (channel coding)
  • source coding ：使用特定的编码方案将信息编码为数字信号，编码方案越优秀，通信有效性越强
  • channel coding：在信号上编码特殊的冗余位以保证通信的可靠性

Analog Comm. V.S. Digital Comm.

• Digital Comm. wins over Analog Comm.
  
  由于 noise 是一种模拟信号 (noise is analog)，因此其会对模拟信号产生干扰
  
  而数字信号则不会
  
  在长距离传输中，模拟信号的失真现象十分严重

• Is there still a role for analog?
  
  

Simplex & Duplex

• Simplex 单工通信
  
  单工通信只允许信号的单向传输 (one-way communication)，且信号的传输方向是固定的
  
  例：广播，电视

• (Full) Duplex 双工通信
  
  双工通信允许信号的双向传输 (two-way communication)
  
  例：电话

• Half Duplex 半双工通信
  
  半双工通信允许信号双向传输，但是，在某一时刻只能存在一方进行传输 (only allow one party transmits at a time)
  
  例：对讲机

Modulation 调制

Modulation (调制) 是指，以某种方式，将信号与载波 (carrier) 合成，使信号能够与 传播媒介 (medium) 更加 协调 (compatible)

• 基带传输 baseband transmission
  
  基带信号 (baseband signal) 指的是进行传输的原始信号 (original information signal)：无论原始信号是模拟信号与数字信号，都被称为基带信号
  
  将基带信号直接通过媒介 (medium) 进行传输，这被称为基带传输 (baseband transmission)
  
  多数情况下，基带信号与媒介是不协调的 (incompatible)，因此我们将基带信号与高频载波信号 (high-frequency carrier) 调制 (modulate) 后再进行传输
  
  

• 幅度调制(调幅) Amplitude Modulation, AM
  
  
  
  在 AM 中，基带信息 (亦被称为调制信号，modulating signal) 与高频载波信号调制时，调制信号的变化导致载波振幅 (amplitude) 的变化
  
  它们之间的区别在于上方程中的 \(V_p\)，而频率是一致的

• 边带 Sidebands
  
  边带频率 (sideband frequencies), 或边带 (sideband) 是基带信号与载波调制后形成的信号具有的不同频率
  
  边带产生在调制频率与载波频率的和 (\(f_{USB}=f_c+f_m\), USB: Upper Sideband, 上边带)与差 (\(f_{LSB}=f_c-f_m\), LSB: Lower Sideband)区间之间
  
  AM 波 (AM wave) 是载波，上边带与下边带的和：AM wave is the algebraic sum of the carrier, LSB and USB sin waves.

• 脉冲调制 Pulse Modulation (均属于 AM)
  
  首先，根据 Fourier theory，复杂的信号 (例如方波，三角波，锯齿波等) 可以由不同振幅的基本正弦波与谐波组成
  
  所以，当复杂的信号如 pulse 或 rectangular waves 与载波调制时，a broad spectrum (频谱) of sidebands are produced
  
  
  
  为使 pulse 信号能够成功传输，所有的重要边带 (all most significant sidebands) 都需要通过天线以及传输，接收电路

  • amplitude shift keying (ASK) 振幅偏移调变
    
    
    
    方波或者二进制矩形脉冲 (square waves or binary rectangular pulse) 的振幅调制 (amplitude modulation) 被称为 amplitude shift keying, ASK
    
    即，这些波形的变化会导致载波振幅的变化 (shift in carrier's amplitude)
  • ON/OFF keying (OOK) 或 continuous-wave (CW) transmission
    
    
    
    通过开/关载波可以实现 ON/OFF keying，一个经典的 OOK 例子：摩斯电码

• 单边带调制 Single-Sideband Modulation
  
  在 AM 中, \(\frac{2}{3}\) 的传输能量给到了载波 carrier，但载波本身并不携带信息
  
  真正携带信息的是边带 sidebands
  
  在单边带调制 SSB 中，我们压抑载波并消除一个边带 (suppress carrier and eliminate a sideband)
  
  

• SSB V.S. DSB (double-sideband modulation, 双边带调制)
  
  
  
  注意，双边带调制同样压抑载波 (suppress carrier) 但其传送两条边带
  
  (总结：节约 spectrum space——意味着同频率区间传输更多的信号，减少 noise；节约能量——节省的能量使单边带能够传输的更远)

• SSB 与 DSB 的缺点
  
  SSB 与 DSB 难以在 receiver 处被调解 (demodulate)
  
  调解需要载波的存在 (demodulation depends on carrier being present)
  
  而在 SSB 与 DSB 中，载波被抑制，因此在 receiver 处需要重新生成相同的载波并插入到信号中，这很困难

• 频率调制(调频) Frequency Modulation, FM
  
  
  
  在 FM 中，基带信号与高频载波调制时，基带信号的变化导致载波频率的变化
  
  
  
  调制信号 (modulating signal) 在于载波调制时，其振幅会改变载波的频率
  
  调制信号的 振幅 amplitude 增加时，载波的 频率 frequency 成比例的增加
  
  调制信号的 振幅 amplitude 减少时，载波的 频率 frequency 成比例的减少

  • Frequency shift keying (FSK), 频率偏移调变
    
    
    
    当基带信号是一个脉冲序列 (pulse train) 或者一系列方波 (信号只有 \(0\) 和 \(1\))时，其的频率调制被称为 frequency shift keying, FSK
    
    即，这些波形振幅的变化会引起载波频率的变化 (shift in carrier's frequency)

• 相位调制(调相) Phase Modulation, PM
  
  
  
  同上，相位调制通过基带信号相位的变化导致载波频率的变化
  
  如图，相位的最直接表现是基带信号曲线切线的斜率：切线斜率变大，载波频率变大；反之，切线斜率变小，载波频率也变小
  
  

  • 对比 FSK (frequency shift keying) 与 PSK (phase shift krying)——均是调制数字信号常用方法
    
    

• AM V.S. PM

  • 总体来说，PM 比 AM 更为 superior
  • 具体表现在：
    
    
  • FM 的缺点：
    
    

Multiplexing 多址接入技术 (多工)

• 引入
  
  同时 (simutaneously) 传输多条信号时，可以设立多条 cables，transmitter/receiver pairs 分别进行传输，但这样成本很高
  
  但是，通过 Multiplexing 技术，我们能够使成百上千的信号在 single communication channel (无论是 cable 还是 wireless) 上传输
  
  Multiplexing 技术催生了 telephone system，satellite，radio 与电视广播技术的出现

• Intro
  
  multiplexing 是通过电路 multiplexer (多工器) 实现的
  
  
  
  多个输入信号被多工器结合形成了复合信号 (composite signal)，并传入通信媒介 (communication medium) 进行传输
  
  在通信媒介的另一端有 解复用器 (demultiplexer) 将复合信号还原为 individual signals
  
  最常见的两种多址接入技术分为 分频多工 (frequency-division multiplexing, FDM) 与 分时多工 (time-division multiplexing, TDM)

• Frequency-division multiplexing, FDM
  
  
  
  在 FDM 中，每个 input signal 的 carriers 的频率不同，且这些频率均匀分布在一个特定的区间内 (equally spaced from one another)
  
  这些输入信号的载波被称为 subcarriers (子载波)，因此每个输入信号都占有一定的带宽 (bandwidth)
  
  
  
  输入信号调制子载波 (subcarrier) 可以采取任意的调制方法，例 AM, SSB, FM, PM
  
  FDM 将 single channel 的带宽均匀分成更小的带宽，每一部分的带宽足够传输边带中的信息
  
  multiplexer 将携带输入信号的子载波复合，注意在这个过程中，no modulation or generation of sidebands take place
  
  得到的复合信号可以先与载波调制后传输，也可以直接进行传输

• Receiver-Demultiplexer
  
  
  
  如上图是解复用器的工作原理
  
  首先，解调器 (demodulater) 接收输入信号并将其还原为复合信号 (composite signal)
  
  再将复合信号向一系列 bindpass filter (BPF, 带通滤波器) 中输入
  
  每一个 BPF 对应一个 子载波 (subcarrier) 的频率，且只接受该频率的信号输入
  
  最后再对滤过的对应子载波进行解调，即可得到对应的 individual signal

• Time-division multiplexing, TDM
  
  
  
  与 FDM 不同，TDM 中每个传输的信号都占有整个带宽 (occupied the whole bindwidth)
  
  但是，每个信号只传输固定且相当短的一段时间；Multiple signals 轮流在 channel 上传输
  
  

• FDM V.S. TDM
  
  
  
  crosstalk: 串扰
  
  synchronization pulse：同步脉冲，为确保接收和发送扫描能同步的一种制约信号
  
  propagation delay：传播延迟。这个很好理解，TDM 有延迟而 FDM 没有

Optical Communication 光通信

• Intro
  
  光本质上是一种电磁辐射 (electromagnetic radiation) (无线电波 radio wave 也是电磁辐射)
  
  红外光 (infrared light) 经常作为载波 (carrier) 来进行信息的传输
  
  光通信中的传播媒介 (transmission medium) 要么没有 (free space) 要么采用 光纤 (fiber-optic cable)
  
  光的频率很高，因此其对信息的传播率与准确度都很高

  (a) 电磁波谱
  
  
  
  (b) 光谱 optical spectrum
  
  

• The Speed of light
  
  真空中 \(300,000,000 m/s\)，速度受传播介质影响
  
  光沿直线传播

• Optical Communication Systems
  
  通信系统的最大限制在于有限的信息携带能力。一般来说，通信 channel 的带宽越大，传播信息的能力越强
  
  而采用光作为传播介质 transmission medium 提供了巨大的带宽
  
  
  
  光通信，channel 为 free space
  
  
  
  光通信，channel 为 fiber-optic cable

• 光纤 Principles of fiber-optic cables
  
  光纤的原理是全内反射 (total internal reflection)
  
  
  
  \(A\) 是最理想的状况：直入直出
  
  \(C, D\): 入射角 (angle of incidence) 小于 critical angle，此时，全内反射 (total internal reflection) 产生
  
  \(B\): 入射角 (angle of incidence) 大于 critical angle，此时，折射 (refraction) 产生，光线 \(B\) 无法再沿光纤传播

• Dispersion 色散
  
  
  
  观察上图，由同样的光源发射出来的光线，\(A\) 先到，\(B, C\) 后到：这就是产生 dispersion 的原因
  
  dispersion 会导致脉冲的 振幅变小 (原因：attenuation of light) 与 持续 duration 增加 (原因：different arrival time of various light rays)
  
  
  
  这一现象被称为 modal dispersion (振膜色散)
  
  
  
  如图，若输入的脉冲的频率 (frequency, or input repetition rate)高于 output pulse duration permit，则这些输入的脉冲将会融合 (merge)
  
  这会导致信息的失真：但若降低输入脉冲的频率，传送的信息又将会变少

• Wavelength-Division Multiplexing, WDW，分波多长多工
  
  WDM 其实就是 FDM
  
  不同的是，WDM 一般用来描述 不同频率的 infrared light 红外线 作为载波传递信息流的情况
  
  这是由于，对于 300 GHz 以下的无线电波，用频率描述较为合适
  
  但对于频率较高的红外线，用波长 (wavelength) 描述更为优越
  
  我们使用激光生成的红外线 (laser-generated infrared light)来调制输入信号 (调制方法可以采用 ASK 或 OOK)
  
  红外线信号与光纤的 light-carrying 性质很契合，且其对 1310nm 与 1550nm 频率的红外线衰减 (attenuation) 十分微弱
  
  
  
  与 FDM 一致，WDM 同样采用相同的方式：子载波调制——通过 optical combiner 混合——通过光纤 cable 传输——再通过 Wavelength filter 滤过——分别解调得到原信号

• performance check
  
  光纤通信的最重要指标之一就是 data rate (数据传输速率)，也就是光脉冲的速度 (the speed of the optical pulses)
  
  最好的光纤通信系统使用 high-power injection laser diodes 与 APD detectors