通信一课一得

1. 通信的介绍

1.1. 介绍

通信系统的介绍。

通信的目的：传递消息中所包含的信息。

定义：消息：是物质或精神状态的一种反映：语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像（GIF）等。

定义：信息：是消息中包含的有效内容。消息可能包含冗余，我们需要的是其中有意义的东西。

通信的方式和手段多种多样，引言中已经使用有无实际载体的分类：

1. 无线通信网络：WiFi（IEEE 802.11），2G（GSM，CDMA），3G，4G（LTE），5G等
2. 有线通信网络：以太网（Ethernet），有线电话等

不过这些都是带电的通信手段，非电的则比较复古，比如：旌旗、消息树、烽火台，飞鸽传书…

广义上的话，飞奔在高速路上的，满载带有数据的磁盘的卡车，也算是一种高速数据传输方式吧（高速指的是平均带宽/信息传递速度可能大于光纤）

1.2. 更迭

通信系统的历史。

自古往今，由于人类社会的需求，通信系统一直在发展。。。

1. 传统非电类通信技术：书信，烽火台，，，（带宽很低，通常是100kb的数据传输一星期，这个时期提升通信速度主要靠提高信息载体的速度
2. Morse发明的有线电报直接将信息传递速度提升了一个量级（载体速度直接到达光速，此时限制通信速度的变成了信息编码方式
3. 电视等视频设备：图像传输从未如此方便（甚至阿西莫夫的银河帝国系列直接假设了未来的主要通信手段是超波电视。对于模拟信号，限制通信速度的主要成了传输介质的带宽
4. 因特网：物理上的实现包括以太网，无线网络等。直到后来诞生的全球互联网，万维网系统等。这也是你我目前交流沟通对线冲塔的主要方式。通信，从未如此简单

因特网的飞速发展很彻底的改变了人类社会的诸多形态，例如意识形态，经济形态；同时带来了新兴技术（如区块链）；以至于如果某一区域断网，会产生灾难性的后果，这也催生了一门新兴学科叫做 网络安全（cyber space security）的产生。

1.3. 系统基本构成

通信系统的基本结构图。

实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和，称为通信系统。

如果是单点对单点的单工通信系统，可以使用如下模型描述：

从左到右依次为：

1. 信源（source，在单工通信中是服务器（server））：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称为原始消息信号，或者叫基带（BaseBound）信号。
2. 编码器（Encoder）：使用合适的编码手段，将原始信号进行编码，去冗余，实现信息压缩；为了提升纠错能力，提升信道可靠性，还可能会人为的引入一些冗余实现校验功能。针对模拟信号，这一步还有采样和量化。属于一种基带到基带的变换。由于对信息实现了压缩，效率升高了，提升了通信的有效性。
3. 调制器（Modulation）：将信号进一步调制为适合信道传输的信号。有时候将经过编码器的信号仍旧称为基带信号。基带信号频率低，频率范围宽，包含可能的直流分量，可能没有时钟信号，这些缺点导致远距离传输仍需要进一步调制，从而压缩带宽，提高频谱利用率，降低错误率，实现的功能是提升通信的可靠性，增强抗干扰能力。调制后的信号称为频带信号。从而在信道中传输。
4. 发射器（Transmitter）：功率设备，放大频带信号，便于远距离传输。
5. 信道（传输线（Cable）或无线信道）：指传输信号的物理媒质。这里无可避免的引入了噪声。噪声往往是高斯随机的，无法避免，这种白噪声会降低信号的传输正确率。信号功率与噪声的功率比值称为信噪比（Signal - noise ratio，SNR），与带宽一同决定信道理论最大信息传输速率，该公式被称为香农公式。同时信道也有自己的频率传输特性，一般记为系统函数 H(s) 或 H(jω) ，用来描述频率特性，包括幅频特性与相频特性（时延特性）。
6. 接收器（Receiver）：接收信道输出的经过衰减的微弱信号，实现功率放大，一般还需要提取同步信号。
7. 解调器（Demodulation）：将频带信号恢复成基带信号，利用同步信号，实现频带信号的抽样和判决。
8. 解码器（Decoder）：将信号重新恢复成最开始的样子，比如数字音频编码序列恢复成模拟电位波形。
9. 信宿（单工通信中的客户机（Client））：传输信息的归宿点。可以是人或者设备（比如扬声器）。

根据实际需要，可以化简通信系统的基本框图。

⚠注意：实际模型中还可能增加”加密“和”解密”模块，用来实现信号的保密通信。加密方式可以是对称式的古典密码，也可以是现代的非对称加密。

1.4. 消息类型

通信消息类型。

信源发出的消息虽然有多种形式，但可分为两大类：

1. 连续消息（模拟信号）：是指消息的状态连续变化，是不可数的，如语音、活动图片等。
2. 离散消息（数字信号）：是指消息的状态是可数的或离散的， 如符号、数据等。

⚠注意：为什么加粗”状态“二字，是因为，区分依据不是时间上的离散或者连续！时间上离散的信号可以是模拟信号，时间连续的信号也可以是数字的。区分方式应该是：看信号的取值状态可能性是连续的（无穷个）还是离散的（一般是可数个）。比如2PSK信号虽然是连续的（每个时间点上均有信号），诞生因为状态取值只有0和π两种，所以是数字信号！再比如，模拟信号经过冲激序列采样后，虽然时间上离散了，但是因为幅度仍旧是连续的，所以是模拟信号；只有经过量化之后，才能称为数字信号。

模拟信号可以在数字信道中传输（比如编码后的mp3文件），反之，数字信号也可以在模拟信道中传输（比如，过去的拨号上网）。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。

1.4.1. 数字通信的特点.

优点：

1. 抗干扰能力强，且噪声不积累（可以通过中继器再生完全无失真的信号）
2. 差错可控
3. 便于处理、变换、存储
4. 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输
5. 易于集成，使通信设备微型化，重量轻
6. 易于加密处理，且保密性好

缺点：

1. 需要较大的传输带宽
2. 对同步要求高 （换而言之，信道的相位特性必须是线性的！否则信号串扰）

1.4.2. 模拟通信的特点。

优点：

1. 不需要很大带宽，仅信号的带宽即可。
2. 对信道的相位特性要求不高

缺点：

1. 抗干扰弱
2. 不能控制差错
3. 噪声累计无法消除