通信原理知识点总结（计算机网络物理层专题）

通信原理是对计算机网络物理层的深度展开

一、基本概念

连续时间信号：一个信号，它是在时间t的连续值上给出的，就是一个；
离散时间信号：而一个信号仅在t的离散值上给出则是一个离散时间信号。
模拟信号：幅值连续，时间连续或离散。故时域离散信号（或抽样信号）也是一种特殊的模拟信号。注：抽样信号要么是具体的函数指sa函数，否则指时域离散信号
数字信号：幅值离散跳跃，时间离散或连续。幅度值能取M个值的数字信号是一个M元信号。故脉冲信号也是一种特殊的数字信号。
术语连续时间和离散时间是根据信号沿时间（水平）轴的特征来认定的；而术语模拟和数字则是依据信号的幅度（垂直轴）属性判定的。模拟的不一定是连续时间的，而数字的也不必一定是离散时间的。
调制解调器：
特指计算机通信领域，数字信号调制成模拟信号进行传输，模拟信号解调为数字信号
基带信号：低通信号
来自信源的未调制的低频信号，分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源），声波就是基带信号
信号带宽：
指信号的最高与最低之间的频率范围
信道带宽：
信道允许通过的最高频率减去信道允许通过的最低频率，例如：有线信道电话线，允许通过的信号频率最高3300Hz或最低300Hz，所以信道带宽3000Hz。
无线信号的信道带宽由国家分配
波特率（码元传输速率）：1s传输多少码元(符号) Baud/s
传信率（信息传输速率）：1s传输的二进制码元个数 bit/s
信息量、码元、调制信道、编码信道、离散信道、连续信道

计算机网络中的一些概念：
网络带宽：
理想当中最高信息传输速率 bit/s，是比特率bps，100兆的宽带，就可以提供100Mbps的网络，每秒理论上有12.5MB网速
奈氏准则：
信道带宽受限W，理想低通情况下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值2W。
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元，极限数据传输率:2Wlog2V bit/s
香农公式：
信道带宽受限并且有噪声情况下，信息传输速率上限制bit/s，也叫信道容量Wlog2(1+S/N)
宽带信号:
也叫带通信号基带信号经过调制之后产生的频分复用的高频模拟信号

二、传输数据

如何传送模拟数据？

1.模拟数据变成模拟基带信号——例如传统的有线电话网或者
a.直接传模拟基带信号,也叫模拟基带传输系统
b.对模拟基带信号进行模拟调制得到高频模拟信号再传输，也叫模拟带通传输系统
2.将模拟数据编码得到数字基带信号（PCM脉冲编码调制过程）——例如现代电话
a.直接传数字基带信号，也叫数字基带传输系统
b.对数字基带信号经过调制（数字调制）变成高频模拟信号之后再传，也叫数字带通传输系统

如何传送数字数据？

a.数字数据编码得到数字基带信号，直接传数字基带信号，叫数字基带传输系统
两个问题：数字信号编码选择问题、收发两端同步问题
b.对数字基带信号经过数字调制变成高频模拟信号之后再传输，叫数字带通传输系统

综上：调制得到高频模拟信号，编码得到数字基带信号

有4类数据传输方式：
（1）模拟数据用模拟信号传输：传统电话（直接传、调制）
（2）模拟数据用数字信号传输:数字化电话（PCM抽样）
（3）数字数据用模拟信号传输：计算机远程通信(调制)
（4）数字数据用数字信号传输：计算机局域网、USB（直接传）

模拟基带信号与模拟基带传输
一个信号可以看做是一系列正弦信号的叠加，这些正弦波的频率范围就是信号的带宽，一般我们生活中的信号也就是我们需要传递的信号的波动不可能太快，所以频率不会很高，频率靠近原点，叫做模拟基带信号，传送这种信号叫做模拟基带传输系统

传输系统可以分为有线和无线
有线方式：设计电路可以利用电信号（电压或电流的波形图）产生与基带信号时域完全一致的波形。eg:我认为喇叭、扬声器电路直接传输信号的系统
无线方式：利用电磁波传递信号

模拟带通信号（或频带信号）与模拟带通传输
利用高频电子线路的知识可以产生和基带信号一样的电磁波，再传输这个电磁波即可。但电磁波有个特性，电磁波的频率小，则电磁波的波长越长，则根据高频电子线路的知识需要的天线就越长，所以我们无法直接传送和模拟基带信号时域一致、频率很低的电磁波。
高频电磁波（时域波动快，频谱很高）传输能力更强，对想要传输的信号f(t)的频谱搬移到高频区域，某个时域信号g(t)的频谱恰好就是搬移后的频谱。g(t)就叫做已调信号的时域表达形式。
对幅度的调制
普通调幅AM、DSB、SSB、VSB
对于角度调制的调频与调相
对于相位的理解，相位控制波形的变化，原来只有载波自己的角频率影响相位（高频载波的相位变化够快），现在我们让调制信号去控制相位，这样可以通过已调信号还原出调制信号

从模拟到数字：PCM脉冲编码调制技术
抽样、量化（A/D转换技术）、编码
模拟信号-抽样得到时域离散信号-幅值编码量化得到数字信号，抽样频率根据采样定理要求奈奎斯特抽样频率
eg：现代电话利用数字基带传输系统传输数据
对时域中的语音信号（300~3400Hz），每秒需要抽样8000次，每个幅值用一个8位二进制数表示，则每秒传送的0和1是64K，采用一种信道编码（曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、反转不归零码）

数字基带信号与数字基带传输系统
表示数字基带信号的波形多种多样，在电路中，只需要传输特定高低电平就可以传送传输数字基带信号。数字信号的编码问题研究什么样的信号我们认为它是1，什么样的信号认为它是0
信道编码：非归零编码(NRZ）、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、归零编码（RZ）、反转不归零码(NRZI)、4B/5B编码…

** 数字带通信号与数字带通（频带）传输系统**
因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量
1.利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；
2.利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）三种基本的数字调制方式。

eg:远距离通信信道多为模拟信道，无线信道、传统的电话信道、计算机网络中的远距离通信传的都是带通信号（有可能数模拟基带信号或数字基带信号调制而来）

三、调制

调制的目的：

1.高频信号易于辐射，也易于天线接收
2.可以同时传输多路不同的基带信号
例如电台广播，多个频道主持人声音信号所占频带是相同的，假设不进行调制，就没办法同时发射广播，互相干扰；但若对基带信号进行调制，可调制到不同频带，互补干扰。

调制分类

一、 模拟调制：用连续变化的模拟信号去调制一个高频正弦波
1.幅度调制（普通调幅AM，双边带调制DSB，单边带调幅SSB，残留边带调制VSB）；
2.角度调制（调频FM，调相PM）两种。因为相位的变化率就是频率，所以调相波和调频波是密切相关的；
二、 数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制
1.振幅键控ASK；
2.频率键控FSK；
3.相位键控PSK；
QAM：调幅+调相
三、脉冲调制：用脉冲序列作为载波
脉冲模拟调制和脉冲数字调制
1）脉冲幅度调制PAM
2）脉冲宽度调制PWM
3）脉冲持续时间调制PDM/
4）脉位调制PPM