通信系统的二三事通信原理

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每周几块汽车知识拼图,做工作的艺术家。——李自在

尺寸工程师

把信息从一个地方传递到另外一个地方就叫做通信。

为了实现通信所需要的所有软件和硬件统称为通信系统。

模拟信号

最开始电话传递的都是模拟信号,模拟信号可以理解成连续信号,比如正弦波信号,其实自然界很多信号都是连续的,比如温度,电流等等,所谓“模拟”就是模仿自然界中的信号的样子。

模拟信号是对自然信号的真实再现,这看起来没有什么不好,而在实际传递过程中,由于噪声的干扰,信号很容易变得面目全非,我们称之为失真。

失真不一定是不好的,如果你是重金属摇滚的爱好者,你一定知道电吉他失真音色的的大量应用。

但是在需要传递准确信号的时候,失真就成了一个问题。

于是有了数字信号。

数字信号

数字信号是离散的,用高低电平表达的信号,我们常标记成0和1。

数字可以通过模数转换电路(模拟信号-数字信号)从模拟信号转换过来。也可以再通过数模转换电路转换成数字信号。但是在转换过程中必然会出现一些信号质量的损失。

这个损失在一个应用场景下是不能接受的,比如你听的mp3格式的音乐就是数字信号,而黑胶唱片就是模拟信号。对于一些HiFi(High-Fidelity高保真)发烧友来说,这很重要。

但在一般场景下,数字信号的优势就展现出来了。

比如抗干扰能力强,数字信号在受到噪音干扰时仍然能够区分高电平和低电平,这样不影响0/1的结果。即使是传输距离过远,也可以在中途通过中继等方式去除噪音,恢复成标准的高低电平继续传输,而模拟信号只要参杂了噪音就很难剔除。而且通过这种方式也不会像模拟信号一样因为放大器而把信号和噪音同时放大(噪音已剔除)。

比如便于加密。如果你看过卷福主演的《模仿游戏》,你就会知道其实常见的加密就是通过一套算法把一些数字转化成另外一些。而数字信号可以用二进制表示,就可以方便加密。

比如方面储存。前面说了,我们用的黑胶唱片,磁带还有原来的录像带都是储存模拟信号的,需要很大的体积才能储存几首歌或者一部电影。后来大火的DVD全称叫做DigitalVideoDisc,即数字视频光盘,其实就是通过数字信号储存的,体积大大减小。直到现在的U盘和移动硬盘等,存储效率越来越高,都拜数字信号所赐。

通信系统

通信系统一般由几个部分组成:

信息:这个当然是最重要的,通信的概念就是把信息从一个地方传递到另外一个地方。信息可以是光,声音等等

信源:就是将要发送的信息转化为电信号的设备,这个信号可以是模拟的,也可以是数字的。比如摄像头,麦克风。

发信机:把信源发出来的电信号处理成信道需要的格式,是的,信道对信息是有一些要求的,而这个过程称为“调制”。一般来说信源信号都是低频的,称为基带信号;通过调制可以把信号变成高频的便于传播,称为已调信号。对应的,收信机里面也有“解调”的操作,就是把高频的信号还原。

信道:信息传输的通道。可以是有线的,比如网线;也可以是无线的,比如无线电,红外线。但是无一例外的会有噪声的干扰,而且信息在传输过程中会衰减。

收信机:把信道传来的电信号进行纠错处理,减小噪音的影响。

信宿:接收到通过信道传递过来的电信号,然后把它还原成信息。比如显示屏,喇叭。

无线传播与电磁波

信号是通过电磁波在空中传播的,而把电信号转化成电磁波靠的是天线,分为发射天线和接收天线

电磁波是电场和磁场同时以波的形式在空中传播的,电磁波的速度等于波长与频率的乘积。(一般认为电磁波的速度和光速一样)

波长和频率可能在传播过程中是保持不变的,但是波还有一个属性是振幅。在相同的传播距离下,频率越高,振幅衰减越快,信号覆盖能力越差(因为靠近信宿的能量减弱了)

本文参考书:[1]陈爱军.深入浅出通信原理[M].北京:清华大学出版社,

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