通信系统简介

引入

一个传输系统一般可分为5块（5 blocks），其组成上图所示。

信源（Source）：提供需要传输的信息信号;
发射机（Transmitter）：对信源产生的信息进行编码、调制并对信号进行放大，使其符合信道的传输特性。例如moden将数字信号调制为模拟信号传输。
传输系统/信道等：可以是连接发射机和接收机的线，也可是一整个网络系统。
穿越它。
接收机（Receiver）：接收发射机发送的信号，并将其转换为可由目标设备处理的形式。例如modem会将模拟信号解调为数字信号再发给电脑。
信宿（sink/ destination）：服务器、电脑、手机等。信息的目的地。

在通信系统中，Transmission一词强调信息的传输，Propagation一词强调承载信息的电磁波的传播。

服务质量（Quality of Service, QoS)

QoS指网络的服务质量，也指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力。

当网络发生拥塞的时候，数据可能被丢弃；为满足用户对不同应用不同服务质量的要求，就需要网络能根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量：对实时性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至丢弃。

High QoS指的就是服务质量很高，延迟，数据可靠性，数据传输速率等等很优秀

有的通信协议，例如MQTT这种物联网协议，也定义不同的QoS模式，来针对不同的场景设计不同的数据可靠性。

衡量通信系统的两个常用单位-dB&np

分贝（decibel）

分贝是指将数值n取为以10为底的对数。

这么做的有点有二：

将极小的或极大的数据保持在较好处理的范围内
将非线性的平方、立方关系化为线性关系

使用分贝表示功率

$P=UI=U^2/R=I^2R$

因为功率内含平方值，所以讨论功率时使用$10log_{10}(\frac{P_2}{P_1})$

功率的单位有瓦特（W）、毫瓦（mW）和微瓦（μW），对这些不同单位的功率取对数，分别可以得到 dBW，dbm等

举个例子，下图这个$1W$进去$2W$出来的网络，网络增益是：

$Gain=10log(\frac{output}{input})=10log(\frac{2}{1})=3.0103dB$

从这个例子不难看出，一倍的关系正好是3dB，因此当功率衰减一半时，被称为-3dB点。

假设有下图这个网络，网络衰减为27dB，求输出功率

这个例子可以简化计算，考虑衰减30dB（Gain = -30dB）的情况，即:

$log(\frac{output}{input})=-3,output=10^{-3}\times input=1mW$

27dB比30dB多3dB，也就是多一倍，因此这个输出值大约是$2mW$

dBW：

dBW是值以1W作为基准（放在分母位置），求得现在的功率和1W的dB关系

$Power(dBW)=10log_{10}\frac{Power(W)}{1W}$

dBm:

dBm是值以1mW作为基准（放在分母位置），求得现在的功率和1mW的dB关系

$Power(dBm)=10log_{10}\frac{Power(mW)}{1mW}$

一对特殊值：$30dBm=0dBW=1W$, $-30dBW=0dBm=1mW$

使用分贝表示电压电流

当讨论U，I这些参数的时候，它没有了功率自带的平方属性。但是我们仍然想统一dB的特殊点，例如-3dB点是半功率点。

因此，讨论电压电流时使用$20log_{10}(\frac{U_2}{U_1})$和$20log_{10}(\frac{I_2}{I_1})$

例如，$U_2/U_1=100$，那它们的dB形式就是：

$20log_{10}(100)=40dB$

如果一个电压放大器增益为30dB，那么，$\frac{output}{input}$的关系是：

$30=20log\frac{output}{input}, \frac{output}{input}=10^{\frac{3}{2}}=31.62277$

奈培（Neper）

北欧许多国家都使用一种以自然对数为替代10底的对数的单位，奈培 (𝑁𝑝)

$Power(Np)=\frac{1}{2}ln(\frac{P_2}{P_1})$

假设现在功率比为1Np，那么：

$\frac{P_2}{P_1}=e^{2}$

转化为dB形式：

$10log_{10}{(e^2)}\approx8.686dB$

假设功率为1dB，那么：

$\frac{P_2}{P_1}=10^{0.1}$

转化为Np形式：

$\frac{1}{2}ln(10^{0.1})\approx0.1151Np$

五星级关系

因此，Np和dB的关系是：1dB=0.1151Np； 1Np=8.686dB

dB单位下的线路组合

直接转换

对于下图这样的情况，其输出的功率并非9dB，9dB是将两路信号相乘的结果，而这里是相加。

因此，需要将其换算回mW的单位，相加后再求dB

$log^{-1}(0.6)+log^{-1}(0.3)=5.976mW$ $10log_{10}(5.976mW/1mW)=7.7441dBW$

例题：求输出功率

$log^{-1}(0.7)+log^{-1}(1.1)=17.601mW$ $P=10log{(\frac{17.601mW}{1mW})}=12.455dBm$

多路同功率信号

试想一下有一个FDM信号群，每一路都是-16dBm，总共有12路。每一路的功率换算成mW是：

$log^{-1}(1.6)$

那么，总共有12路，总功率是$12\times log^{-1}(1.6)$。求这个功率的dBm形式就是

$10log(12\times log^{-1}(1.6))=10log(12)+(-16dBm)$

因此，$n$路同功率信号的功率叠加可以总结为：

$输入信号功率+10log(n)$