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前言

本篇为通信工程师学习记录的第5篇，通信系统，上一篇为计算机应用基础，主要讲述了计算机概述（有些废话的小节），计算机系统的组成、计算机中数据的表示（非常重要）、数据库系统、多媒体技术。学习了，不代表已经吃透了，只有经常温故，才会知新。

通信系统

通信系统概述

通信包含“电通信”和“光通信”，一般广义通信就是指电通信，但光通信其实也算电通信的一种。

电通信：就是电信号通信，光通信：就是电磁波通信。

通信属于是信息传递。

消息、信息、信号的划分（理解即可）

消息：通信系统传递的就是消息，是附挂在载体上得以传送，“载体”表现为电信号和光信号

信息：从消息中获得的情报，就是信息

信号：就是载体，信号分为模拟信号和数字信号

模拟信号和数字信号的划分

模拟信号：

模拟信号是连续的波形，容易收到干扰，参考下图，例如声音的变化。一般的样子是正弦波，不间断，没有跳变。

数字信号：
数字信号一般是方波，可以瞬间跳变，对应的只有0和1，例如WIFI就是数字信号。参考下图。

通信系统的组成

通信系统的一般模型：

该通信模型十分重要，记起来却十分方便，可以用“我给你打电话”的方式来理解-

信源：就是我，我有信息要给你说；

发送设备：就是我的话筒，把声音转换成电信号，一般需要经历：调制、放大、滤波、编码；

信道：传输的通道，相当于空气、基站、通信光缆。

噪声源：路上的各种干扰集合。

接收设备：对方的话筒，对方将电信号又转换成语音，过程相当于反调制，要经历滤波、译码、解调。

信宿：就是接收方，这里代表“你”；

模拟通信系统的模型

这里和上面的一般模型大同小异

只是接收设备改为了解调器、发送设备改为了调制器。

一般调制都是把低频升到高频，解调就是把高频降到低频，这个操作叫频谱搬移。

基带信号：模拟信源发出的信号称为基带信号，从0HZ到几百KHZ不等

频带信号：基带信号经过调制器调制后，变成高频信号，也称频带信号，一般为MHZ，700M\900M

数字通信系统的模型

信源--信源编码--加密--信道编码--数字调试--信道--数字解调--信道编码--解密--信源译码--信宿 | 噪声源

数字通信相比于模拟通信，抗干扰能力更强，差错可控、更易加密。

通信系统的分类

按照传输介质分类：有限传输系统、无线传输系统

按照信号特征分类：模拟信号、数字信号

按照工作频段分类：长波、中波、短波、远红外通信

按传输方式分类： 基带传输系统、频带传输系统

按信号复用方式: 频分复用、时分复用、码分复用

多路复用技术

多路复用就类似于桥梁、隧道。

所有通信路由会经过同一条道路，如下图所示：A1-A2、B1-B2

而信道复用则是以下原理：A1\B1使用同一条信道前往A2\B2

频分复用技术FDM

信道的带宽被分成了许多相互不重叠的频段，类似于1条大马路被分成了好几个车道，每个车道里面的车自己在自己的车道里面行驶，互不影响。

时分复用TDM

信道按照时间进行划分，同1个信道，以60秒1个周期来传输数据，前20s传输A数据，中间20s传输B数据，后20s传输C数据。然后又是下一个周期，前20s传输A数据，中间20s传输B数据，后20s传输C数据。

码分复用

在1个信道里面，多个频率同时发送，但每个频率都有自己的编码系统，不受其他频率的影响。

比如在一个国际会议大厅里面，所有人同时说话，中国人和中国人说话，美国人和美国人说话，日本人和日本人说话，虽然整个房间很吵，但并不影响对应国家的人沟通，因为自己国家的听不同别的国家的语言，就间接做了1个“加密”。

按消息的方向和时间分类

可分为单工通信、全双工通信、半双工通信。

按照数字信号排序分类

可分为并行传输、串行传输。

并行传输就是一次性可以发送多个信息，使用2条或2条以上的通道。优点是速度快，缺点是成本高昂。运行模式可以参考GPU。适合近距离传输。

串行传输就是一个码元一个码元的传输，类似于CPU一条指令一条指令的执行，优点是成本低，只需要1条通信信道，缺点是速度慢。适合远距离传输。

通信系统的性能指标

有效性和可靠性

有效性：是指传输的速度，这个千万不要看到字面意思想当然。

可靠性：是指信息传输的准确性。也就是质量问题。

在数字传输系统中，传输速率分为2种，码元传输速率（单位：波特）和信息传输速率（单位：bit/s）。

对于有效性和可靠性，模拟和数字通信系统的区别如下表：

有效传输频带指的是：传输这个消息所需要的带宽

信噪比：信源功率（发送功率） / 噪声功率

误码率：错误的码元比发送的全部信息

误信率：错误的信息比发送的全部信息

信道极其特性

按狭义信道分类

狭义信道分为有线信道和无线信道

有线信道：利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号，传输电信号有三类，即明线、对称导线和同轴电缆，传输光信号的是光纤。

无线信道：是利用电磁波在空间中的传输来传输信号，根据距离的不同，分为地波、天波和视线传播三种。

延申

地波：频率较低，2Mhz以下，沿着地球表面传播；

天波：频率较高，在2M-30Mhz之间，会将信号打到电离层上面传播

视线传播：频率更高，在30Mhz以上，和视线类似，沿着直线传播，不能拐弯，遇到障碍物就会被阻挡。

按广义信道的分类

广义信道分为调制信道和编码信道。

按调制信道模型分类

调制信道模型可分为恒惨信道和随参信道

恒惨信道：参数的特性变化很小，可以视为参量恒定，比如有线信道、地波传输、视线传播、人造卫星中继、光纤

随参信道：参数的特性是时变的，变化较大，比如地埋的移动通信信道。

在考试时可以利用随参只有移动通信信道的特向，除开移动通信信道，其余都是恒惨。

信道特性

恒惨信道的传输特性可以用振幅-频率特性和相位-频率特性来描述。

随参信道具有3个特性：

1、信号会随着传输距离的增大而衰减

2、信号会随着时间的变化而衰减

3、存在多径传播现象：信号往往不会只沿着同一路径传播，而是多条路径，同一个终点。

信道中的噪声

信道噪声分为按加性噪声和按随机噪声进行分类

按加性噪声分类：

人为噪声：电台信号、开关合断产生的电火花、点火系统产生的电火花

自然噪声：来源于雷电、电暴、宇宙噪声，或是来源于电阻性器件的热噪声

按随机噪声性质分类

窄带噪声：信源之间的相互干扰

脉冲噪声：噪声突然产生，又突然消失，有突然产生，突然消失。

起伏噪声：噪声一会大、一会小

信道容量

信道容量是指信息在信道中无差错传输的最大速率，一个信道的信道容量受B（带宽）、n0（信道谱密度）、S（信息功率）等3个要素限制。

根据香农定理，对于连续信道，如果带宽为B，由于白噪声平均功率N=n0B

那么信道容量C的理论公式为

S是信号功率，N是噪声功率，S/N即为信噪比。

关于信道容量的推导

1、任何一个信道，都有信道容量C。

2、增大信号功率S可以增加信道容量C，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大。

3、减小噪声功率N=n0B,可以增加信道容量

4、增加信道带宽B，也可增加信道容量C，但不能使信道容量无限制增大。信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。

信源编码

信源编码的作用是提高通信有效性（速度），也可以说是为了减少或者消除信源冗余度而进行的信源符号变化。

信源编码的基本功能是：
提高信道传输的有效性，完成模数（A/D）转换

最原始的信源编码是摩尔斯电码

经典例题讲解

A是错的，BCD是正确的，其中问题最大的应该是D，因为前面有句话是：信源编码的作用是提高通信有效性，通信有效性并不代表提高了码元传输速率，信源编码就是原本要传输8000个码元才能复原，但现在只需要传输2000个码元就可以复原信息了，这么对比是通信有效性增加了，码元速率减少了。

抽样定理

抽样定理研究的重点是模拟信号数字化（就是A-D）和数字信号模拟化（就是D-A）

模拟信号数字化整体逻辑就是抽样-量化-编码。数字信号模拟化就是译码-低通滤波

抽样定理的公式说明：最小抽样频率、最大抽样间隔（1/最小抽样频率）

fH指的是：假如有一段模拟信号，它的频率是从0-H，那么它的最高频率就是fH=H。

因为实际滤波器的不理想性，实际的最小抽样频率fS>2fH。

例1：如果题目中没有提及“实际”，则按照公式来

假设模拟信号的最高频率为 6MHz，采样频率必须大于（）时，才能使得到的样本信号不失真。 A. 6MHz B. 12MHz C. 18MHz D. 20MHz

例2：如果题目提及：“实际”，就要比公式里面的2倍大

设模拟信号的频率范围为 10kHz～100kHz，实际用于该信号的抽样频率为（）。 A. 20kHz B. 180kHz C. 200kHz D. 210kHz

脉冲编码调制（脉冲编码调制）

PCM系统主要包括抽样、量化、编码三个过程：

1、抽样：信号在时间上的离散

2、量化：信号在幅值上的离散

3、编码：把量化后的信号电平值转换成二进制码组的过程

如上图所示：原始信号的X轴是时间，抽样就是选取一些特殊的时间点；

量化，就是对选取的特殊时间点的值进行取值

编码就是把取到的值用二进制的方式表示出来。

PCM输出就是将编码的值全部组合起来。

其他信源编码

为了降低数字电话信号的传输速率，改进的方法之一：预测编码方法。

实质是利用减少冗余度的方法，降低了编码的传输速率。、

预测编码调制主要分为三类：线性预测、差分脉码调制、增量调制。

【经典例题1】为了降低数字电话信号的（ ），改进办法之一是采用预测编码方法。、

A．比特率 B．误码率 C．占空比 D．信噪比

选择A选项，因为原话是：“为了降低数字电话信号的传输速率”，降低传输速率本质就是降低比特率

【经典例题2】下列选项中，关于预测编码描述不正确的是（ ）。

A．为了降低数字电话信号的传输速率，改进办法之一是采用预测编码方法

B．先根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差编码

C．差分脉码调制是预测编码的一种

D．增量调制不属于预测编码

本体选C，死记硬背即可

信道编码

信源编码和信道编码的区别：

信源编码：压缩。把消息精简，删掉没用的重复内容，让数据变小，少占流量 / 带宽。好比发图片前先压缩图片。

信道编码：加保护。人为加点多余的校验码，万一传输时被干扰出错，接收方能检查甚至修好错误。好比快递打包时多加泡沫缓冲防磕碰。

常见的差错控制方式

1. 检错重发（ARQ）：接收方查到错了，告诉发送方，重新发一遍，耗时，用于TCP；
2. 前向纠错（FEC）：发送时自带纠错码，接收方收到，自己直接改错，不用重传，但需要的设备多，成本高；
3. 混合纠错（HEC）：上面两个结合。轻微错误接收端自己修好；错得太严重，就请求重发，均衡，目前主流使用方式。

【经典例题】检错重发、前向纠错、混合纠错等差错控制方式的共同点是在（ ）识别有无差错。

A. 发送端 B. 接收端 C. 信道 D. 转换器

毋庸置疑，本题选B

【经典例题】Internet 传输中的 TCP 协议使用的差错控制方式是（ ）。

A. 前向纠错 B. 后向纠错 C. 混合纠错 D. 检错重发

同样毋庸置疑，本体选D

差错控制基础与码组相关概念

1、差错控制，就是在原来的信息码后面额外加上监督码元（冗余码），用来查错、改错；代价是传输速度变慢，换来传输更不容易出错。

2、码长

码组里面，全部码元的总个数。 例子：码组1011，一共 4 位，码长 = 4。

3、码重

一个码组里面，数字1的数量。 例子：码组1011，里面有 3 个 1 →码重 = 3。

4、码距

两个长度一样的码组，对应位置上数字不一样的位数。 也等于两个码组做模 2 加（异或）之后结果的码重。

举例说明：

码 A：1011

码 B：1101

逐位对比： 第 2 位：0 vs 1（不同）

第 3 位：1 vs 0（不同） 其余位相同。 → 一共有 2 处不一样，码距 = 2。

模 2 加理解：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0，没有进位，相当于异或。 两个码模 2 加之后得到0110，这个结果里面 1 的个数是 2，就是码距。

5、最小码距

在一套编码的所有码组里面，任意两个码组之间码距的最小值。

举例：一套编码有 4 个码组，两两算码距分别是 2、3、4，那最小码距 d0=2

6. 最小码距的作用

最小码距d0直接决定这套编码最多能检几个错、纠几个错。

• d0越大：码组之间差别越大，抗干扰越强，检错纠错能力越强
• d0越小：码组很像，稍微传错 1 位，就容易和别的码搞混，容易出错

7、配套公式

配套两个必考公式（背）

1. 只检错：d0>=e+1，最多检出 e 个错码
2. 只纠错：d0>=2t+1，最多纠正 t 个错码

举例子：最小码距d0=3

• 检错：最多检出 2 个错误
• 纠错：最多纠正 1 个错误

例题

【经典例题】以下关于“信道编码”的描述中，错误的是（ ）。

A. 信道编码的基本思想是在被传送的信息中附加一些监督码元

B. 当被传送的信息和监督码元之间的校验关系因传输错误而受到破坏时，可以被发现并予以纠正

C. 信道编码的检错和纠错能力是用减小信息量的冗余度来换取的

D. 差错控制是以降低信息传输速率为代价换取提高传输可靠性

答案：C解析：信道编码是增加冗余度，不是减小冗余度。A和C两个互相矛盾

信道编码的两个大类

1. 分组码

把数据切成一组一组，本组的监督码，只由本组信息码算出来，和别的组无关。 常见：

• 奇偶校验码（最简单）
• 汉明码（能纠 1 位错）
• 循环码（CRC 循环冗余校验，网线通信常用）
• BCH 码、RS 码（光盘、卫星通信）

2. 卷积码

不用切成独立分组，当前这一段的监督码，不光和当前信息有关，还和前面好几段历史数据有关系，带记忆。 4G/5G 早期大量使用，适合连续数据流。

2.1级联码

级联码实际上是卷积码的分支，属于级联卷积码，最常见的是Turbo码：

• Turbo 码：3G、4G

例题：

【经典例题】在分组码中，监督码元仅监督（ ）。

A. 所有码组中的信息码元 B. 相邻码组中的信息码元 C. 本码组中的信息码元 D. 以上都不是

选B，原话

【经典例题】以下编码技术中，不属于信道编码的是（ ）。

A. PCM B. 线性分组码 C. 循环码 D. 卷积码

选A，PCM属于信源编码

调制

调制的3个作用：

1】频谱搬移：把低频基带信号，搬到更高频率频段。

相当于是你有一张写了字的纸条（低频信息信号，没法远距离直接发出去） 你把纸条绑到高速高铁上（高频载波），高铁载着纸条一起跑出去。

这个 “把信息贴到高频载波上” 的操作，就是频谱搬移。 信息本身内容没变，只是整体被搬到高频这个频段上去传输。

2】多路复用：不同信号搬到不同频率，一条信道同时传多路信号，互不干扰（频分复用）。

3】提升抗干扰能力：合理调制方式，可以降低噪声带来的影响。

解调的2种方式：

分两种解调方式：

1】非相干解调（包络检波）不需要本地同步载波，直接用包络检波器提取信号包络还原信息。 ✅优点：电路简单；❌缺点：抗干扰差。

2】相干解调接收端产生一个和发送端同频同相的相干载波，拿这个本地载波和收到的信号相乘解调。（现在主流用相干解调，因为抗干扰能力更好）

✅优点：抗干扰性能更好；❌缺点：设备复杂，必须保证载波同步。

模拟信号调制

一、模拟信号调制

模拟信号调制有2种方式：

模拟调制（连续调制）：用来调制模拟信号（比如语音），分为两大类：线性调制（幅度调制）、非线性调制（角度调制），因为模拟信号是连续的，所以是也叫连续调制。

而线性调制和非线性调制，根据公式，A是线性变化的函数，而在公式中A是幅度，所以幅度调制是线性调制。

而和属于正弦函数，不是线性变化的函数，是周期变化的函数，而这两个又和角度有关，所以，角度调制属于非线性调制。

对于考点，需要记住AM\FM\PM；

同时，也要记住各个调制方式的利用率对比：

SSB 最高 > VSB 较高 > DSB/AM 次之 > FM 最差，因为

• SSB：只传单边，占用带宽最小，频谱利用率最高
• FM：带宽很大，所以频谱利用率最差，优势是抗噪声能力强

例题

例一：

本题选D，原话秒了

例二：

调制控制相位和频率的，就是非线性调制，也叫角度调制，选A

例三：

FM和PM调制是角度调制，也就是非线性调制，非线性调制幅度是不变的，选A

数字调制

1、数字基带信号

原始的数字信号（0、1 码）属于低通信号，能量集中在 0 频率附近。

✅ 能直接在低通信道（比如网线）传输；

❌带通信道（无线、光纤这类）不能直接传它。

2、数字调制（发送端）

带通信道只能传高频信号。 所以要做频谱搬移：把基带信号的频谱，挪到带通信道允许的高频频段里。这个搬移操作就叫数字调制。

3、数字解调（接收端）

信号传到接收方之后，要做频谱反搬移：把高频的已调信号频谱，再移回原来低频位置，还原出原始 0、1 基带信号，这个过程叫数字解调。

4、最基础的数字调制：

二进制键控二进制就是只有 0 和 1 两种符号，3 种基础方式：

• 2ASK 二进制振幅键控：用载波振幅变化代表 0、1（有载波 A= 1，无载波 A= 0）
• 2FSK 二进制频移键控：用载波频率变化代表 0、1（频率 f1 代表 1，f2 代表 0）
• 2PSK 二进制相移键控：用载波相位变化代表 0、1（相位 0° 代表 1，180° 代表 0）

二进制键控的比较

有效性（带宽和频带利用率）：2ASK=2PSK＞2FSK；

可靠性（误码率）：2PSK＞2FSK＞2ASK；

相干解调优于非相干解调，2PSK 综合性能最优。

例题

例题一：

在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有（ ）变化状态。

A．一种 B．两种 C．三种 D．四种

答案：B

解析：二进制只有 0、1 两个码元，所以载波参数只有两种状态。比如 2ASK：有载波代表 1，无载波代表 0。

例题二：

下述选项中，（ ）不是表征数字调制性能的重要指标。

A．带宽 B．频带利用率 C．误码率 D．信道容量

答案：D

解析：数字调制性能看有效性（带宽、频带利用率）和可靠性（误码率）。信道容量是信道本身理论上限，不是调制性能指标。

例题三：

在二进制数字调制中，有效性和可靠性都最好的是（ ）。

A．2ASK B．2FSK C．2PSK D．QAM

答案：C

解析：2ASK、2PSK 有效性相同，优于 2FSK；可靠性 2PSK 最好，2ASK 最差。综合性能最优是 2PSK。QAM 属于多进制调制，不属于二进制。