深入浅出通信原理：通信系统的常用概念与技术
深入浅出通信原理：通信系统的常用概念与技术
通信系统是现代社会信息传输的基础，从简单的广播、电视到复杂的移动通信网络，都离不开通信系统的支持。本文将深入浅出地介绍通信系统的基本概念，包括通信模型、信源、信宿、信道、信道编码、调制以及复用多址技术等，帮助读者建立对通信系统的基本认知。
一、通信系统模型
通信系统模型描述了信息从发送端到接收端的传输过程。这个过程包括单向通信系统和双向通信系统两种基本类型。
- 单向通信系统：广播、电视都属于单向通信系统，信息只从发送端传输到接收端，没有反馈通道。
- 双向通信系统：移动通信系统一般都是双向通信系统，信息可以在发送端和接收端之间双向传输。
二、信源和信宿
信源和信宿是通信系统中的两个关键组件。
- 信源：位于发送端，负责将原始信息转换为电信号。例如，麦克风作为信源，将声音转换为声音信号；摄像头作为信源，将图像转换为图像信号；发报机作为信源，将文字信息转换为莫尔斯码信号。
- 信宿：位于接收端，负责将电信号转换回原始信息。例如，扬声器作为信宿，将接收到的声音信号转换回声音；显示器作为信宿，将接收到的图像信号转换回图像；收报机作为信宿，将接收到的脉冲信号转换回莫尔斯码。
三、信道
信道是信息传输的通道，其特性决定了信息在信道上的传输形式。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. 有线信道
有线信道的传输媒介主要包括电话线、网线和光纤等导线。
- 电话线通常作为电话通信中用户侧的传输媒介。
- 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。
- 光纤通常作为光传输设备之间、通信设备之间的传输媒介，基站和核心网设备之间通过传输设备相连，基站和核心网设备与传输设备之间采用的传输媒介一般都是光纤。
2. 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。通信中主要用到了无线电波和光波。
无线电波按波长分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波。具体应用如下：
- 调幅广播使用长波、中波或短波进行通信
- 调频广播使用VH 频段87～108MHz 的微波进行通信
- 电视使用VHF频段 48.5～192MHz和167～1223MHz、UHF频段223～1870MHz的微波进行通信
- Wi-Fi使用UHF频段的2.4GHz微波进行通信
- GSM使用UHF频段的900MHz/1800MHz微波进行通信
- LTE使用UHF频段的2.5GHz微波进行通信
- 微波和卫星通信使用SHF和EHF频段的7~38GHz微波进行通信
四、信号变换处理
在通信系统中，信号需要经过一系列的处理才能在信道中传输，主要包括以下几个步骤：
- 发信机进行的信号处理：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：解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码。
信源编码
对于模拟信源，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。
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。
交织
目的是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。在接收端的信道译码之前，先进行去交织，将数据顺序复原，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。
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。
调制
通过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围，信号以电磁波形式辐射出去。通过调制把多路信号频谱搬移到不同的频率范围内，实现多路频分复用（FDM）。
五、复用和多址技术
复用技术是指一条信道同时传输多路数据的技术，TDM（时分复用）、FDM（频分复用）、CDM（码分复用）是最常见的3种复用技术。
多址技术是指一条信道同时传输多个用户数据的技术，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。