通信原理教材就该这么写看完秒懂!
2019-07-22

  简单来说,通信就是传递信息。我把我的信息发给你,你把你的信息发给我,这就是通信。

  通信的官方定义更加严谨一些——人与人,或人与自然之间,通过某种行为或媒介,进行的信息交流与传递,叫做通信。

  在人类诞生的那一刻起,通信就是生存的基本需求。新生的婴儿,通过哭声传递饥饿的信息,给自己的母亲,索取母乳和关爱。参与围猎的部落成员,通过呼吼声,召唤同伴的支援和协助。这一切,都属于通信的范畴。

  随着人类社会组织单位的不断变大,通信的作用也越来越大。国家之间的合纵连横,亲人之间的思念关怀,都离不开通信。通信的手段,也由面谈这种近距离方式,逐渐发展出烽火、旗语、击鼓、鸣金等多种远距离方式。

  这些通信方式,主要是通过视觉或者听觉来实现。这就要求通信双方之间,是可视的,或者,是可以听见的。客观条件的约束,就限制了通信的范围。

  而如果采用驿站或信鸽等方式,虽然一定程度上解决了范围和距离的问题,却带来了时效性的问题,无法在很快的时间内送达。

  19世纪电磁理论出现并成熟。在此基础上,莫尔斯发明了莫尔斯编码和有线电报,贝尔发明了电话,马可尼发明了无线电报,人类就此开启了用电磁波进行通信的近现代通信时代。通信的距离限制,不断被突破。与此同时,长距离通信的时延,也在不断缩小。

  时至今日,我们已经全面进入了信息时代,对通信的需求和依赖变得前所未有的强烈。像手机这样的现代通信工具,作为每个人保持社会联系的纽带,变成了寸步难离的必需品。

  不仅是个人,整个社会的运转,都建立在对通信技术的依赖之上。通信技术的先进程度,成为衡量一个国家综合实力的重要标志之一。

  我们无法想象,如果通信技术倒退回两百年前,我们的世界将会是怎样的混乱场景。

  任何通信行为,都可以看成是一个通信系统。而对于一个通信系统来说,都包括以下三个要素:信源、信道和信宿。

  例如下课时,校工打铃:校工就是信源,空气就是信道,而老师和同学们,就是信宿。

  那铃声是什么呢?铃声是信道上的信号。这个信号带有信息,信息告诉信宿:该下课了。

  信息量的大小,和信息出现的概率,有直接关系。简单来说,随机事件发生的概率越小,信息量就越大。

  举个例子,如果我告诉你,“地球是圆的”,这句线。简而言之,我说的是一句废话。

  如果我告诉你,我在某地藏了一亿美金的现金,那么显然,这个信息量就很大了。

  通信技术的发展过程,说白了,就是研究如何在更短的时间,传输更大信息量的过程。

  为了达到这个目的,信源侧需要不断升级自己的发送设备,信宿需要不断升级自己的接收设备。而信道的介质,也在不断升级。

  顾名思义,采用网线、光纤、同轴电缆作为通信介质的,就是有线通信。而采用空气甚至真空的,就是无线通信。

  不管是有线还是无线,传输的都是电磁波——在有线电缆中,电磁波是以导行波的方式传播,而在空气(真空)中,电磁波是以空间波的方式传播。

  世界上没有真正意义上的“完全”无线通信。无线通信系统中,除了信道部分会有无线环节之外,包括信源、信宿和大部分的信道,其实都是有线的。

  就像我们现在使用的手机通信系统,它只有手机和基站天线之间是无线传播,其它环节仍然是有线传播,例如基站到机房,南京机房到上海机房,等等。

  既然说到手机通信系统,那我们就多介绍一下。手机通信系统,也叫蜂窝通信系统,因为手机的通信依赖于基站,而基站小区的覆盖范围,看上去有点像蜂窝。

  手机通信通常被称为移动通信,移动通信属于无线通信的一种。除了移动通信之外,Wi-Fi通信,对讲机通信,卫星通信,微波通信,也都属于无线通信。

  用于无线通信的电磁波,看不见、摸不着、听不到,却速度极快(光也是一种电磁波,秒速30万公里)。但是想要利用好它,并不是那么容易。

  最开始有线电报的时代,我们通过电流脉冲的长短组合,来传递一个字母。例如字母a,就是:“· -”,一个点信号,一个长信号。发出一个完整的单词,就要好几秒甚至十几秒的时间。

  如果按波的振幅来表达0或1,振幅大的代表1,振幅小的代表0,就是调幅(AM)。

  如果按波的频率来表达0或1,波形密集的代表1,波形稀疏的代表0,就是调频(FM)。

  很显然,每秒钟发送的波形越多,传输的0和1就多,信息量就大。换言之,频率越高,速率越快。

  不管是AM调幅还是FM调频,都属于我们经常说的调制。解调呢?就是在信宿那端,将信息从已调信号里提取出来。

  我们以前上网用的猫(Modem),就是调制解调器,干这个事情的。现在到处热议的手机芯片里面的基带芯片,说白了,也是干这个事情的。

  数字信号的常用调制方式,就是书上常说的幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK),还有正交幅度调制,也就是大名鼎鼎的QAM。我们的LTE,还有即将到来的5G,都是用的QAM。

  传输数据,就像汽车运货,如果想要运输更多货物,一方面,可以让马路变宽,另一方面,也要想办法让自己减重。

  有价值的货物当然不能丢,但是,可以减少无价值的载重。就像人与人之间说话,要挑重点的话说,少说废话。

  我们听到的声音,是音频信号,看到的场景,是图片或视频信号。不同的信号,都有自己的编码方式。

  对于音频信号,我们常用的是PCM编码和MP3编码等。在移动通信系统中,以3G WCDMA为例,用的是AMR语音编码。

  对于视频信号,常用的是MPEG-4编码(MP4),还有H.264、H.265编码。在政府企业常用的视频会议电话系统(也是通信系统的一种)中,现在普遍开始采用的,就是H.265编码。

  无线信号在空气中的传输,随着传输距离的增加,本身就会有损耗。这种损耗,也叫做路径损耗(路损)。

  损耗和无线信号传输的几种效应有密不可分的关系。例如阴影效应、多径效应、远近效应,还有大家一定听说过的多普勒效应。限于篇幅和理解难度,不多做介绍。

  除了这些电磁波特性造成的衰耗之外,无线通信还容易遇到各种干扰和噪声。例如电磁干扰和频段挤占等。

  增加冗余信息,就像在货物边上塞保护泡沫,保护货物的正确运输。如果路上遇到颠簸,发生碰撞,货物的受损概率会降低。

  去年闹得沸沸扬扬的联想5G标准投票事件,华为主推的Polar码,还有高通主推的LDCP码,说的都是信道编码。3G/4G时代处于核心地位的Turbo码,也是信道编码。

  对抗衰弱的办法,除了信道编码之外,还有分集技术和均衡技术。像现在备受关注的MIMO(多天线收发技术),就属于空间分集技术中的一种。简单来说,就是一个不够就用两个,两个不够就用四个。

  前面我们所说的,是一对一的通信模型。但实际生活中,我们不可能一个通信系统只给两个人用。我们会尽可能让更多的人可以同时使用它。这就需要用到多址技术。

  说到多址,大家一定听说过这么几个词:FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA……

  简单举例,我们把频率资源想象成一个房间,如果把房间分割成不同的空间,不同的用户在不同的房间聊天,这就是频分多址(FDMA)。

  如果这个房间里,某一时间让某一个人说话,下一时间段,让另一个人说话,就是时分多址。

  如果大家都用各自的语言说话,有的人说英语,有的人说法语,有的人说中文,那就是码分多址。

  利用天线的朝向来区分不同用户,叫空分多址。(不好意思,房间的例子不适用这个)

  把空间划分成不同房间,房间和房间之间有重合,以便塞下更多的房间,这个叫做正交频分多址。

  而复用(Multiplexing)又是什么呢?复用和多址的区别,就是复用针对资源,而多址针对用户。

  举个例子,将10MHz的频率资源,划分成5个2MHz,作为子信道,这种做法,叫复用。不同的用户使用这些子信道,每个子信道变成了用户的“址”,这叫多址。

  卫星通信技术(Satellitecommunicationtechnology)是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信。

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