1、通信原理概述

1.1、什么是通信

1.1.1、广义的通信

1. 广义的通信的定义：无论采用什么方法、使用什么传输媒介，只要将信息 从一地传送到另一地，均可称为通信。
   比如说，飞鸽传书，烽火通信等，如下图所示。
   
   

1.1.2、狭义的通信

1. 狭义的通信的定义：狭义的通信只包括电信和广播电视。
2. 什么是电信？
   电信是指利用“电”来传递信息的方法，如电报和电话通信。
   电报通信中的发报机和电话通信中的电话机如图下图所示。
   
   
3. 什么是广播电视？
   广播就是听众使用收音机来收听广播电台的声音节目。收音机如下图所示。
   
   电视就是观众使用电视机来收看电视台的视频节目。电视机如下图所示。
   

1.2、什么是通信系统

1. 通信系统的定义：实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质被统称为通信系统。
2. 通信系统的发展历程：由简单到复杂、由有线到无线、由模拟到数字。

1.2.1、有线模拟通信系统

1. 电话的发明：1875年，贝尔发现电流的强弱可以模拟声音大小的变化，由此想到 了利用电流来传送声音，发明了电话。最简单的有线电话通信系统主要由话筒、听筒及二者之间的电话线组成，如下图所示。
   
   上图中的话筒又被称为麦克风、送话器，负责将声音的变化转换为电流的变化。听筒又被称为扬声器、喇叭、受话器，负责将电流的变化转换为声 音的变化。
   曾经在电话通信系统中广泛应用的话筒是碳粒式话筒，如下图所示。
   
   
   上图中的碳粒式话筒的工作原理是：当声波作用于震动膜片，碳粒被挤压变 得紧密，电阻随之减小，电流增大；当声音变小时，碳粒变得疏松，电阻随之增大，电流减小。电流在电线上传输，声音的变化通过碳粒式话筒可以控制电流也随之变化，电流传递到接收端之后就可以通过电流的变化来还原原始的声音了。
   曾经使用最多的听筒是动圈式听筒，如下图所示。
   
   
   上图中的动圈式听筒的工作原理：听筒里有一个线圈，镶嵌在环形磁体的空隙里，当有音频电流通过时，就产生一个随电流规律变化的磁场， 在环形磁铁的共同作用下，线圈带动纸盆振动，发出声音。
2. 有线电话通信的缺点：信需要架设很长的电话线路，部署起来很不方便。

1.2.2、无线模拟通信系统

1. 无线电通话的发明：1887 年赫兹通过试验证实了电磁波的存在。马可尼受赫兹的电磁波试验的启 发，1894年开始进行无线电通信试验，并于1896年发明了无线电报， 1899年首次完成了英国与法国之间国际性的无线电通话。
2. 无线模拟电话通信系统的组成：主要由话筒、调制器、发射天线、接收天线、解调器和听筒组成，如下图所示。
   
   其中上图中的话筒是用来接收声音信息，并将其转化为模拟电信号，对模拟电信号进行调制变成已调信号，之后将搭上高频载波的已调信号通过发射天线发射出去，由接收天线接收已调信号，再经由模拟解调器还原成模拟电信号交给话筒，最终由话筒实现模拟电信号变成声音信息的转化。
   由于传输的是模拟信号，所以称为模拟通信系统。
3. 模拟信号的缺点：抗干扰能力差，容易在传输的过程中因受到干扰而失真（详见注1）。
   比如说，一开始话筒发出的模拟电信号如下图所示。
   
   经过传输到达听筒之后，发生了失真，如下图所示。
   
4. 注1：什么是失真？
   无线电技术中指输出信号与输入信号不一致。如音质变化、图像变形等。

1.2.3、有线数字通信系统

1. 数字信号相比于模拟信号来说，有哪些优点：抗干扰能力强、便于复用传输、容易利用时隙交换实现用户间的数据交换、便于进行加密和解密、便于存储以及数字电路的优点多余模拟电路。
   数字信号抗干扰能力强举例：以最常见的二进制数字信号为例，其使用高电平和低电平两种电平分别代表二进制数字0和1。接收端只需关 注采样时刻的电平值，能够区分出高电平和低电平就可以了，并不需要对接收信号的波形太关心，因此信号波形失真对数字信号的影响很小。比如，发送端发出一串二进制数字010101…，其波形如下图所示。
   
   上图中的信号经过传输到达接收端后发生了失真，如下图所示。
   
   如果传输线路比较短，信号衰减程度比较小，信号波形失真不是太 严重，二进制数字010101…很容易在接收端被正确恢复出来。如果传输线路较长可以用一个中继器，每次在信号有一定失真之后再转发出去，这样就能够保证最终到达信号不至于失真太严重，因此数字信号较模拟信号更加适合远距离传输。含有中继器的有线数字通信模型如下图所示。
   
   如果采用上图中类似的思路对模拟信号进行处理，即在远距离传输过程中通过放大器对模拟信号进行放大是否也能够实现远距离传输模拟信号呢？具体的模型如下图所示。
   
   虽然这样看似是可行的，不过在对模拟信号进行放大的同时会将模拟信号上面的噪声也一同放大，放大的次数越多，信号的质量会越差，而数字信号不存在这种情况，数字信号在通过中继器进行信号恢复的时候噪声是不会叠加的，因此数字信号适合远距离传输而模拟信号不适合。
   数字信号便于实现多路信号的复用传输的举例说明：以4路信号的并行传输为例，4路信号只要按时间错开、轮流占用传输线路，即可实现4路信号的复用传输，如下图所示。
   
   数字信号便于实现时隙交换的举例说明：假定甲用户的数据在A线路的1#时隙中传输，乙用户的数据在H线路的3#时隙中传输。通过时隙交换，很容易将A线路1#时隙中的内容交换到H线路3#时隙中，如下图所示。
   
   关于时隙交换的补充说明：在数字程控交换机中，来自不同用户或模拟中继线的话音信号首先被转换为数字信号，并被复用到不同的PCM复用线上，然后接入内部数字交换网络。为实现不同用户之间的通话，数字交换网络必须完成不同复用线之间不同时隙的交换，即数字交换网络某条输入复用线上某时隙的内容交换到指定输出复用线上的指定时隙。
   数字信号便于加密和解密的举例：
   加密的定义：发送方将明文和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。
   解密的定义：接收方收到密文后，使用相同的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，将明文恢复出来。
   假设明文为101101011011，密钥为011010101001，对 二者进行异或运算，得到密文110111110010，这就完成了加密；只要用 相同的密钥与密文进行异或运算，就可以得到明文，完成解密，此处的异或运算既是加密算法又是解密算法，如下图所示。
   
   数字信号便于存储的举例说明：数字信号可以很方便地保存在VCD/DVD光盘、U盘、 硬盘或者网盘中。一个小小的U盘就可以轻松存储几百首歌。相对来讲，模拟信号的存储就没有那么方便了。过去常见的录音带和录像带就是用来存储模拟信号的，一盘录音带或录像带一般只能存储个把小时 的模拟声音信号或模拟视频信号。
   数字电路与模拟电路的对比如下图所示。
   
   正是由于数字信号具有上述诸多优点，数字信号开始在通信系统中 得到应用，模拟通信系统逐渐演变为数字通信系统。
2. 有线数字通信系统的模型如下图所示。
   
   从上图中可以看出相对于有线模拟电话通信系统：在发送端增加了模／数转换器用于 将模拟语音信号转换成数字信号；在接收端增加了数／模转换器，用于将数字信号转换回模拟语音信号。

1.2.4、无线数字通信系统

1. 无线数字通信系统的模型如下图所示。
   
   从上图可以看出相对于无线模拟电话通信系统：在发送端增加模／数转换器用于将 模拟语音信号转换成数字信号，同时将模拟调制器更改为数字调制器； 在接收端将模拟解调器更改为数字解调器，同时增加数／模转换器，用 于将数字信号转换回模拟语音信号。

1.3、通信系统模型

1. 基本的单向通信系统模型如下图所示。
   
   从上图中可以看出通信的过程就是信源和信宿通过信道收发信息的过程。常见的单向通信系统由广播、电视等
2. 基本的双向通信系统模型如下图所示。
   
   上图中的模型适用于商用的移动通信。

1.3.1、信源和信宿

1. 信源的概述：位于发送端，负责将原始信息转换为电信号。
2. 信宿的概述：位于接收端，负责将电信号转换回原始信息。
3. 无线话筒中的信源和信宿。
   无线话筒的模型如下图所示。
   
   上图中的麦克风作为信源，将声音转换为声音信号发送出去；扬声器作为信宿，将接收到的声音信号转换回声音。
4. 视频监控中的信源和信宿。
   视频监控的大概模型如下图所示。
   
   上图中的摄像头作为信源，将图像转换为图像信号发送出去；显示器作为信宿，将接收到的图像信号转换回图像。
5. 电报通信中的信源和信宿。
   
   上图中的发报机作为信源，将携带了文字信息的莫尔斯码（详见注1）转换为脉冲信号发送出去；收报机作为信宿，将接收到的脉冲信号转换回莫尔斯码。
6. 注1：什么是莫尔斯码？
   莫尔斯电码，是有美国画家和电报发明人莫尔斯先生于1838年发明的一套有“点”和“划”构成的系统，通过“点”和“划”间隔的不同排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。1844年在美国国会的财政支持下，莫尔斯先生开设了从马里兰州的巴尔地摩到美国首都华盛顿的第一条使用“莫尔斯码”通信的电报线路。

1.3.2、信道的概述

1. 信道的定义：信道就是指信息的传输通道。
   信息必须转换成满足信道要求的信号才能在信道中传输。信号通过信道传输时会出现衰减，而且信道上的干扰和噪声也会对信号产生影响，导致信号失真，信号失真严重时会导致误码。要想实现无误码的信息传输，通信系 统设计时必须考虑检错和纠错处理。
   比如，发送信号如下图所示。
   
   经过信道的传输之后，信号出现了衰减和失真，接收信号如下图所示 。
   

1.3.3、发信机和收信机

1. 发信机的概述：发信机对信源发出的信息进行必要的检错和纠错编码等处理后，将其转换成适合在信道上传输的信号，发送到信道上。发信机在通信系统中所处的位置如下图所示。
   
2. 收信机的概述：收信机负责从信道上接收信号，进行检错和纠错处理后，将信息恢复出来发给信宿。收信机在通信系统中所处的位置如下图所示。
   

1.4、信道

1. 从传统媒介来看，信道的分类：信道的特性决定了信息在信道上的传输形式，而信道的特性又取决于传输媒介，按照传输媒介的不同，通信信道分为有线信道和无线信道。

1.4.1、有线信道

1. 有线信道的传统媒介有：电话线、网线和光纤等导线。
   电话线用于电话通信，电话通信模型如下图所示。
   
   网线通常作为计算机之间通信的传输媒介。计算机之间通过以太网交换机相连，计算机和以太网交换机之间的 传输媒介一般采用网线，如下图所示。
   
   光纤通常作为光传输设备之间、通信设备之间的传输媒介。LTE基站和核心网（详见注1）设备SGW之间通过传输设备相连，基站和核心网设 备SGW与传输设备之间采用的传输媒介一般都是光纤。
2. 注1：什么是核心网？
   核心网是通信网络的三大组成部分之一。
   核心网就是“管理中枢”，负责管理数据，对数据进行分拣，然后告诉它，该去何方。而对数据的处理和分发，其实就是“路由交换”，这是核心网的本质

1.4.2、无线信道

1. 无线信道的传输媒介有：电磁波。
2. 电磁波可分为：电波、光波、X射线、γ射线。电磁波谱图如下图所示。
   
   上图中的电磁波谱也可以称为电磁波频段（详见注1）。电磁波在通信中主要用到了无线电波和光波。
3. 注1：关于频段的说明。
   频段，是一个有关波和通讯方面的词语。在通讯领域中，频段指的是电磁波的频率范围，单位为Hz。
   无线通信中使用的频段只是电磁波频段中很小的一部分，定义了无线电波的频率范围。
   为了合理使用频谱资源，保证各种行业和业务使用频谱资源时彼此之间不会干扰，国际电信联盟无线委员会(ITU-R)颁布了国际无线电规则，对各种业务和通信系统所使用的无线频段都进行了统一的频率范围规定。
   这些频段的频率范围在各个国家和地区实际应用时会略有不同，但都必须在国际上规定的这些范围内。
   按照国际无线电规则规定，现有的无线电通信共分成航空通信、航海通信、陆地通信、卫星通信、广播、电视、无线电导航，定位以及遥测、遥控、空间探索等50多种不同的业务，并对每种业务都规定了一定的频段。

1.5、信号变换

1. 承载信息的信号需要在发信机中进行一定的处理之后才能够在信道中进行传输，同样的，从信道传送过来的信号也要经过一定的处理才能被还原成原始的承载信息的信号。
   发信机进行的信号处理有：信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、 调制。
   收信机进行的信号处理有：解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码。
   信号变换示意图如下图所示。
   

1.5.1、信源编码

1. 模拟信源的信源编码：般先进行模／数转换，将模拟信号数字化，再进 行压缩编码，尽量剔除冗余信息，减少对传输带宽的占用，如下图所示。
   

1.5.2、信道编码和交织

1. 信道编码：通过添加冗余信息，以便在接收端进行纠错处理，解决信道的噪声 和干扰导致的误码问题。一般的信道译码只能纠正零星的误码，对于连续的误码无能为力。
   例如：输入序列【11011】，信道编码输出码元【11 01 01 00 01】，通过信道传输，到达接收端时，如果有1个码元出错【11 01 01 10 01】，信道译码时可以检测并纠正错误，如下图所示。
   
   上图所示的是只有一个码元错误的情况。
   如果连续3个码元出错【11 01 01 11 11】，信道译码会出错，如下图所示。
   
   上图显示的是有三个连续的码元出现了错误。**信道译码不能够解决有连续的码元出现错误的问题，其只能够解决有零星的几个码元出现错误的问题。**因此可以通过把原始序列的码元顺序打乱的方式，来减少连续码元出现错误的概率，由此就有了交织操作。
   交织：为了解决连续误码问题，将信道编码之后的数据顺序按照一定规律打乱。
   去交织：到了接收端，在信道译码之前先将数据顺序复 原，这样连续的误码到了接收端就变成了零星的误码， 信道译码就可以正确纠错了，如下图所示。

从上图中可以看出，交织后6和3是连续的错误码元，去交织恢复正常的顺序之后，6和3就分开了，变成零星的错误了，这样信道译码就能够进行处理了。

1.5.3、脉冲成形

1. 脉冲成形：数字信号要想在信道中传输，必须先转换成合适的脉冲波形。最容易想到的脉冲波形就是矩形脉冲，如下图所示。
   
   上图中的【+1】表示数字0，【-1】表示数字1。数字信号【00010110】0对应的连续多个矩形脉冲波形如下图所示。
   

1.5.4、调制

1. 调制：将信息承载到满足信道要求的高频载波信号上的过程。
2. 为什么是要对信号进行调制？
   对于无线通信来说，无线通信是用空间辐射的方式传送信号的，由电磁波理论可以知道：天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些，信号才能被有效地辐射。如果不经过调制直接在空间发送这个单音信号，需要的天线尺寸至 少要几公里，显而易见，实际上根本不可能制造出这样的天线。通过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围，这样 信号就很容易以电磁波形式辐射出去。
   对于有线通信来说，与无线通信的原理类似，有线通信要通过调制将信号频谱搬移到合适的频率范围内，以满足有线信道的频率要求。

1.5.5、天线技术

1. 电磁波：是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式 移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，可以有效地传递能量，无线通信系统中，调制得到的已调信号要转换成电磁波才能在空间中进行传输，电磁波的传输如下图所示。
   
   电磁波的传播速度：电磁波的传播速度v与传输媒介有关，真空中电磁波的传播速度等于光速，即30万千米／秒。空气中电磁波的传播速度略小于光速，不过一般都按光速来计算。
   电磁波波长：在传播速度一定的前提下，电磁波的波长与频率成反比，公式如下图所示。
   
   上图的公式中【v】是电磁波的传播速度，【f】电磁波的频率，等于已调信号的频率。
   电磁波的振幅：电磁波的振幅会随着传播距离的增加而衰减。衰减快慢与电磁波的频率有关，在传播距离相同的情况下，频率越高，振幅衰减越快。换句话说，频率越高，覆盖性能越差。
2. 发射天线：负责将调制器发来的电信号转换为电磁波发射出去，发射天线的模型如下图所示。
   
3. 接收天线：负责将接收到的电磁波转换回电信号发送给解调器，接收天线的模型如下图所示。
   

1.6、复用和多址技术

1. 复用和多址技术概述：实现一条信道上同时传输多路数据。

1.6.1、复用技术

1. 复用技术：指一条信道同时传输多路数据的技术，模型如下图所示。
   
   常见的复用技术有TDM（时分复用）、FDM（频分复用）、CDM（码分复用）。时分复用是将待传输的数据进行分解，变成很多个小数据，分时流水的在信道上进行传输，最后对到达接收端的小数据再进行拼接还原。频分复用是将多路数据在调制的时候挂载到不同频段的高频载波上进行传输，由于已调信号属于不同的频段，所以之后接收端可以根据频率的不同进行信息的区分。

1.6.2、多址技术

1. 多址技术：指一条信道同时传输多个用户数据的技术，模型如下图所示。
   
   常见的多址技术有TDMA（时分多址）、FDMA（频分多址）、CDMA（码分多址）是最常 见的3种多址技术。一个用户对应一路数据，多个用户就对应多路数据，因此多址技术 是以多路复用技术为基础的。

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