深入浅出通信原理丨边缘计算阅读周

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边缘计算社区联合6大出版社邀您一起阅读，一起做追梦人。

 

今天是阅读周最后一次荐书，推荐的书是清华大学出版社至今为止销量最好的通信类书籍《深入浅出通信原理》，这本书最早在通信人家园论坛连载，总点击阅读量超过800万，被大家称为通信界的《明朝那些事儿”》。

  

 

 

以下为书里的部分篇章，阅读一下，文末有惊喜。 

 

 

 

1.1什么是通信

 

 

所谓的通信就是指信息的传递和交流，如图1-1 所示。

 

 

一、广义的通信

 

广义的通信：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。从这个意义讲，古代的飞鸽传书和利用烽火传递信息都属于通信。古人将书信绑在鸽子腿上，通过鸽子将书信从一个地方传递到另外一个地方，这就是飞鸽传书，如图1-2 所示。

 

古代边防前线发现敌情时，点燃烽火台上的烽火，利用浓烟将敌人***的消息传递到后方，这就是烽火通信，如图1-3 所示。

 

 

 

二、狭义的通信

 

狭义的通信只包括电信和广播电视。

 

1. 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如图1-4所示。电话通信中的电话机如图1-5 所示。

 

 

 

2. 广播电视

 

广播：听众使用如图1-6 所示的收音机来收听广播电台的声音节目。

电视：观众使用如图1-7所示的电视机来收看电视台的视频节目。

 

 

 

 

1.2什么是通信系统

 

 

 

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。电话通信系统就是指实现声音传递的通信系统，如图1-8 所示。

 

 

我们在日常生活中接触到的通信系统都比较复杂，但这些复杂的通信系统并不是一蹴而就的，它经历了由简单到复杂、由有线到无线、由模拟到数字的发展历程。

 

为了更好地理解通信原理，下面回顾一下通信系统的演变历史。

 

 

一、有线模拟通信系统

 

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如图1-9 所示，主要由话筒、听筒及二者之间的电话线组成。

 

 

 

1. 话筒

 

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。曾经在电话通信系统中广泛应用的碳粒式麦克风如图1-10所示。

 

 

其工作原理如图1-11所示：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。

 

 

 

2. 听筒

 

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。如图1-12 所示的就是一种很常见的扬声器，被称为动圈式扬声器。

 

其工作原理如图1-13所示：扬声器里有一个线圈，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。

 

 

 

二、无线模拟通信系统

 

有线电话通信需要架设很长的电话线路，部署起来很不方便。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。

 

无线电话通信系统如图1-14所示，主要由话筒、调制器、发射天线、接收天线、解调器和听筒组成。

 

 

 

 

最初的通信系统是用模拟电路实现的，其中传输的信号都是模拟信号，因此被称为模拟通信系统。

 

模拟信号存在一个缺点，那就是抗干扰能力差，很容易在传输的过程中受到干扰影响而产生失真。假定从话筒输出一个音频信号，其波形如图1-15 所示。

 

 

 

 

信号经过传输到达听筒，波形很容易发生失真，如图1-16 所示。

 

 

 

 

三、有线数字通信系统

 

相对于模拟信号，数字信号有很多优点。

 

1. 数字信号抗干扰能力强

 

数字信号的抗干扰能力很强。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。

 

假定发送端发出一串二进制数字010101…，其波形如图1-17 所示。

 

 

 

 

经过传输到达接收端的信号很容易发生失真，波形如图1-18 所示。

 

 

 

只要传输线路比较短，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。但如果传输线路很长，信号衰减程度很大，信号到达接收端时波形失真很严重，二进制数字很难被正确恢复出来。有没有什么解决办法呢？

 

只要在信号衰减到一定程度、波形失真还不是太严重时插入数字中继器，对数字信号进行放大，恢复理想脉冲波形，再转发出去即可，这就是数字信号的再生，如图1-19所示。

 

 

 

由此可见，数字信号通过再生很容易实现远距离传输。有人会说：模拟信号也可以采用类似的方法来实现远距离传输啊，只要在中途对模拟信号进行放大即可，如图1-20 所示。

 

 

 

 

表面上看似可行，实际上存在一个问题：对模拟信号进行放大的同时，叠加在上面的噪声也会被放大，而且累积的噪声会随着传输距离的增加而越来越多，信号质量会越来越差。而数字信号则不同，通过中继器放大时，可以恢复出理想脉冲波形，叠加在脉冲信号上的噪声不会被累积。

 

2. 数字信号便于复用传输

 

数字信号还便于实现多路信号的复用传输。

以4路信号的并行传输为例，如图1-21所示，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。

 

 

 

3. 数字信号便于交换

 

数字信号很容易利用时隙交换实现用户间的数据交换。

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， 如图1-22 所示。

 

 

 

4. 数字信号便于加密

 

数字信号还便于进行加密和解密。对称加密是一种很常见的加密算法，其工作原理如图1-23 所示。

 

 

 

加密：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：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。

 

下面看一个例子：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，如图1-24 所示。

 

 

 

 

 

5. 数字信号便于存储

 

数字信号可以很方便地保存在如图1-25所示的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。图1-26所示就是过去常见的录音带和录像带，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。

 

 

 

6. 数字电路的优点多

 

处理模拟信号的电路被称为模拟电路；处理数字信号的电路被称为数字电路。数字电路相对于模拟电路有很多优点，如表1-1 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。

 

采用了数字通信技术的电话通信系统如图1-27 所示。

 

 

 

 

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。

 

四、无线数字通信系统

 

数字通信技术引入无线通信系统后，无线通信系统也由模拟通信系统演变为数字通信系统，如图1-28 所示。

 

 

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

 

 

 

通信的过程就是信源和信宿通过信道收发信息的过程。基本的通信系统模型如图1-29 所示。

 

 

 

图1-29是一个单向通信系统。广播、电视都属于这类。商用的移动通信系统一般都是双向通信系统，如图1-30 所示。

 

 

一、信源和信宿

 

信源和信宿位于通信系统的两端，如图1-31 所示。

 

 

信源：位于发送端，负责将原始信息转换为电信号。信宿：位于接收端，负责将电信号转换回原始信息。下面以无线话筒、视频监控、电报通信为例，介绍一下信源和信宿。

 

1. 无线话筒

 

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，如图1-32 所示。

 

 

2. 视频监控

 

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，如图1-33 所示。

 

 

 

3. 电报通信

 

发报机作为信源，将携带了文字信息的莫尔斯码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，如图1-34 所示。

 

 

 

二、信道

 

信道就是指信息的传输通道。信道对传输的信号是有要求的，信息必须转换成满足信道要求的信号才能在信道中传输，如图1-35 所示。

 

 

 

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，如图1-36 所示。

 

 

 

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。

 

三、发信机和收信机

 

1. 发信机

 

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，如图1-37 所示。

 

 

2. 收信机

 

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，如图1-38 所示。

 

 

 

1.4信道

 

 

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。

 

一、有线信道

 

有线信道的传输媒介为电话线、网线和光纤等导线。

 

1. 电话线

 

电话线通常作为电话通信中用户侧的传输媒介，如图1-39 所示。

 

 

 

常见的电话线如图1-40 所示。

 

 

2. 网线

 

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，如图1-41 所示。

 

 

常见的网线如图1-42 所示。

 

3. 光纤

 

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，如图1-43 所示。

 

常见的光纤如图1-44 所示。

 

 

 

 

 

二、无线信道

 

无线信道的传输媒介为自由空间的电磁波。电磁波按照波长的不同分为无线电波、光波、X射线、γ射线。电磁波谱图如图1-45所示。

 

 

通信中主要用到了无线电波和光波。

 

1. 无线电波

 

无线电波按波长分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波。

 

1）调幅广播 使用长波、中波或短波进行通信，如图1-46 所示。

 

 

 

 

2）调频广播

 

使用VHF 频段87~108MHz的微波进行通信，如图1-47 所示。

 

 

 

3）电视

 

使用VHF频段48.5~92MHz 和167~223MHz、UHF频段223~870MHz 的微波进行通信，如图1-48 所示。

 

 

4）无线通信

 

Wi-Fi:主要使用UHF频段的2.4GHz微波和SHF频段的5GHz 微波进行通信，如图1-49 所示。

 

 

 

GSM：主要使用UHF频段的900MHz/1800MHz微波进行通信，如图1-50所示。

 

 

 

LTE：主要使用UHF频段的2.5GHz 微波进行通信，如图1-51 所示。

 

 

 

5）微波和卫星通信

 

使用SHF和EHF频段的7~38GHz微波进行通信。微波接力通信如图1-52所示。

 

 

卫星通信如图1-53 所示。

 

 

 

2. 光波

 

1）可见光通信 使用光波中的可见光进行通信。

 

LiFi就是一种提出不久的可见光通信技术，如图1-54所示。

 

 

 

2）红外通信

 

红外遥控：使用波长为940nm的红外线进行通信，如图1-55所示。

 

 

 

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以上内容节选自清华大学出版社的通信科普书《深入浅出通信原理》，作者陈爱军，97年毕业于西安交大无线电专业，进入华为，至今20余年。先后从事GSM/CDMA/WiMAX/LTE等无线产品研发工作。这本书针对真正想要搞清楚通信原理的人读者编写。

 

 

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