备考通信复试过程中的一些知识点总结梳理—

之前我们已经认识到了通信的一些基本情况，接下来为大家介绍通信运作的一些相关知识。

现代通信系统的主要特点就是智能化，远距离，大容量，多信源，数字化，高效率，保密性，可靠性。

点对点之间的通信，按照消息传递的方向和时间分为单工，半双工，双工通信。按照数据码元传输方式的不同分为串行通信和并行通信，串行适合远距离传输，并行适合近距离传输。根据信道不同，分为有线信道和无线信道。

有线信道分为传输电信号和传输光信号两类。

传输电信号的有线信道分为明线，对称电缆和同轴电缆；传输光信号的有线信道为光纤，根据传输模式的不同分为多模光纤和单模光纤。（有线网络数据链路层竞争信道模式为CSMA/CD)

无线信道传输主要是依靠电磁波在无线空间中传输，根据频率的不同分为地波，天波和视线传播。地波是指频率在2MHZ以下的电磁波，它可以沿着弯曲的地球表面传播，传播距离较短，一般为几百千米到几千千米；天波频率一般在2MHZ到30MHZ，它可以被电离层反射之后被地面再次反射，传播距离可达一万米以上；视线传播是指频率大于30MHZ的电磁波，它可以穿透电离层不再被反射，所以只能像光波一样视线传播，为了提高视距必须架高天线，为了远距离传播可以采用无线电中继，卫星通信，平流层通信。

根据传输信息的不同，通信又可分为数字通信和模拟通信。模拟通信中信号幅度值连续，时间可以离散可以连续，数字通信中信号幅度值离散，时间一般也是离散的。数字通信相较于模拟通信有诸多优点，数字通信便于多路复用，便于数字信号处理，抗干扰能力强，利于实现综合业务网，经济效益高，便于集成，它也有一定缺点，如设备复杂，同步要求高，带宽要求高。模拟系统优点是信道信号比较窄，信道利用率高。缺点是抗干扰能力差，不易保密，设备不易大规模集成化。(无线网络链路层信道竞争模式为CSMA/CA)

了解到通信系统的分类之后，我们进入通信系统的内部设备。首先是发送设备，发送设备一般要对基带信号进行一些操作，让基带信号可以更好的在充满噪音的信道中传输。这些操作包括对信号进行调制，编码，加密等等。

首先介绍调制。调制就是将信号从低频段搬移到适合远距离传输的高频段，主要作用是提高信号在信道上的传输速率，或者达到信号复用的目的，或者减少传输引起的失真。载波调制就是用调制信号去控制载波参数，使得载波的某一个或几个参数按照调制的信号规律的变化。载波调制之后称为已调信号，含有调制信号的全部特性。解调是调制的逆过程，将已调信号的调制信号恢复出来。调制主要有模拟调制和数字调制两种。

模拟调制有载波调制和脉冲调制。

载波调制就是用连续变化的信号去调制一个高频正弦波，主要有幅度调制，角度调制。

幅度调制又称为线性调制，是通过调制信号去控制高频载波幅度，使之随调制信号做线性变化的过程。幅度调制主要有常规幅度调制AM（BT=2B),抑制载波双边带调制DSB(BT=2B),单边带调制SSB(BT=B)，残留边带调制VSB。

通过比较信噪比增益的大小来体现不同线性调制系统的抗噪声性能，信噪比增益越大，抗噪声性能越好，相同输入条件下SSB=DSB>AM。相应的解调方式分为相干解调和非相干解调。(系统增益=（B/BT）*解调增益）

相干解调就是把接收端提供一个与接收的已调载波严格同步的同频同相的本地载波，也叫做相干载波，它利用乘法器将与载频相干的同频同相参考信号与载频相乘。相干解调适用于所有的幅度调制。非相干解调一般利用包络检波来解调信号，包络检波通常由半波或者全波整流器组成，通过检测已调信号的幅度来解调信号。AM信号可以直接使用包络检波，其他调幅信号不能使用。对于包络检波这样的非相干解调，常存在门限效应。AM在大信噪比条件下，包络检波与相干解调的抗噪性能几乎没有差别，但是在小信噪比条件下，信号与噪声难以分开，输出信噪比不是按比例随输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常这种现象叫做解调器的门限效应，开始出现门限效应的信噪比称为门限值。门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。因此包络检波固然有着操作简单，价格低廉的优点，但随之而来的由于门限效应造成的功率损耗也是不可避免的。

角度调制又叫做非线性调制，分为调频和调相，也就是FM和PM，顾名思义，调频就是使得载波频率随着调制信号变化，调相就是让载波的相位随着信号变化。角度调制的优点是有更高的抗噪性能，缺点是占用更多带宽。FM和PM可以通过提高其频偏指数和相偏指数提高解调质量，但是会同时增加带宽（BT=2(β+1)B,β为调相指数，与频偏指数和相偏指数成正比），这样会使得噪声功率增加，信噪比下降，所以存在一定的门限效应）。

模拟脉冲调制（一般用作基带信号的传输，用作有线近距离电路接口芯片的信号）就是一时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带将信号去控制脉冲串的参数，使其按照基带信号的规律变化。模拟脉冲调制分为脉冲振幅调制PAM，脉冲宽度调制PWM，脉冲位置调制PPM。虽然这些调制后的信号时间上是离散的，但是幅度连续变化，所以仍然属于模拟信号。

数字调制的概念类似于模拟调制，就是用数字基带信号来控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程。但是数字信号不同于模拟信号，模拟信号本身就是一段连续波形，而数字信号是0 1这样的离散数字。因此我们首先要把这些数字转化为一种波形——数字基带波形，之后再通过这些基带波形进行调制,。这一步有两个部分，1，线路码型；2，传输波形。

常见的线路码型主要分为归零码，非归零码；单极性码，双极性码或者绝对码，相对码。单极性码优点是脉冲之间无间隔，极性单一；缺点是有直流分量，要求传输线路有直流传输能力；双极性波形没有直流分量，有利于信道传输，接收端判决电平为0，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力强。差分码是一种典型的相对码，它可以消除设备的初始状态影响，解决相位调制系统中的载波相位模糊问题。

传输码型原则上要不含直流且低频分量少；要含有丰富的定时信息，便于从信号中提取定时信息；功率谱主瓣宽度窄，减少功率消耗；不受信息源统计特性影响，适应信息源变化；有内在检错能力；编译简单。这样的原则下，主要的传输码有AMI——传号交替反转码；HDB3——三阶高密度双极性码；双向码——曼彻斯特码。

AMI（Alternative Mark Inversion）传号交替反转码：顾名思义，传号就是指只体现1，交替反转指正负交替。也就是1变1或-1，0取0的一种编码方式。是一种双极性码。他的优点是没有直流成分，高频低频成分都很少，而且可以通过码型交替情况判断误码。缺点就是当出现长0串时，波形长时间不变，难以提取定时信息。

在AMI的基础上改进，形成了HDB3码（High Density Bipolar of order 3 code）三阶高密度双极性码。它克服了AMI长0的缺点，当出现4个0时，就把他变为000v，V与前一个脉冲极性相同，也可变成B00V，根据具体情况不同而有所改变。它虽然编码复杂，但是解码简单。

双向码又叫曼彻斯特码，是一种类似于归零码的码型。在这种编码方式下，0变为01，1变为10.他的优点是有丰富的定时信息，无直流分量，编码简单；缺点就是占用带宽加倍，频谱利用率低。

传输波形除了常规的矩形波之外，我们通常还使用一种波形称为升余弦滚降波形，当基带带宽为B时，该波形下的奈奎斯特速率为理论值的1/1+a倍，他的时域拖尾可以更快衰减，减少ISI影响。

将数字比特信息变为基带波形之后，我们就可以进行调制了。数字调制方式和模拟调制方式差不多，可以把数字调制看成模拟调制的一个特例，用模拟的方式去调制，但更多的我们使用的是开关键控载波的方法。主要有振幅键控，频移键控，相移键控三种基本方式。

振幅键控就是ASK，一共有两种传输状态的码元传输的方式叫做2ASK,也叫OOK(BT=RS)。他是通过载波幅度变化来传递数字信息的，有幅度为1，没有幅度为0。它可以采用相干方式解调，也可用包络检波的非相干方式解调。

频移键控就是FSK，使用载波的频率来传递数字信息的。解调方式同样可以相干解调或者用包络检波来进行非相干解调。要注意的是FSK调制下信号振幅是不变的，所以可以通过把信号转换到频域，对不同频率进行滤波，之后用包络检波查看有无波形即可。FSK还可以采用很多其他的非相干解调方法。如过零检测法，简单来说就是数不同码元周期内，波形和横轴的交点。频率大的交点多，频率小的交点少，以此来区分不同比特；又或者鉴频法，鉴频法通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。在鉴频器的方法下我们一般会对信号进行一个预加重和去加重。这是因为鉴频器输出的噪声功率随频率增加而呈抛物线式上升，但是语音信号一般分布在低频段，功率谱密度随着频率增加而下降。所以在高频时，信噪比就会急剧下降。为了解决这个问题，改善输出信噪比，我们在调制之前把信号加重，这样噪声不变的情况下信噪比就可以提升，或者在解调之后把信号和噪声降低，使得信噪比增加。总而言之预加重和去加重的核心思想就是输出信号不变，有效降低输出噪声，提高信噪比。由于FSK调制方式存在一定的带宽浪费(BT=▲f+RS)，我们进一步改进FSK，推出MSK(BT=1.5RS)，也就是最小频移键控。它是一种包络恒定，相位连续，带宽最小并且严格正交的2FSK信号。为了进一步使得信号功率谱集中，减少对邻道的干扰，在进行MSK调制之前，将矩形波通过一个高斯低通滤波器，这样的调制方式就做高斯最小频移键控GSK。

相移键控就是PSK(BT=RS)，利用载波的相位来传递信息，通过不同的相位表示相应的二进制数字信号的调制方式，解调通常使用相干解调。由于接收端在进行载波恢复的时候容易产生反相的相干载波，这样使得PSK解调过程中出现相位不正确的情况叫做相位模糊，如果相位正好反相，那么就是出现了倒π现象。这种情况下解调结果将与正确结果完全相反，数字信号全部出错。为了应对这种情况，我们对相移键控做出改进，进行DPSK调制，也就是差分相移键控。DPSK通过前后码元的相位相对变化来传递信息，如1相位不变，0相位反转等。解调方式可以用非相干解调，也就是相位比较法。

这三种基本的方法中，所占用的带宽2FSK(=2Rb+▲f)>2PSK=2ASK(=2Rb)；抗干扰能力2PSK>2FSK>2ASK。各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器的输入信噪比。

在资源有限的情况下，想传输更多信息，光使用一种调制方式可能不太够，所以我们推出了QAM的调制方法。QAM就是正交振幅调制，是一种振幅和相位联合键控的体制，它比PSK有跟高的噪声容限。在多元的情况下QAM>MPSK>MASK。

以上这四种调制方式，PSK,ASK,QAM调制效率η=logM, FSK调制效率为η=2logM/(M+1)。

在模拟调制中我们对接收方的要求并不是很高，因为模拟信号本身就已经很复杂，只要接收方可以正确解读信息就可以了。但是在数字通信中，我们更倾向于追求更为准确的接收机，以达到最佳接收的目的。最佳接受是以错误概率最小为最佳原则的，符合最佳接受准则的接收机就是相关接收机，是先做匹配滤波，然后再采样，等效为一个相关器的接收机。匹配滤波器粗略的来讲就是将信号的成形波形进行反转平移的滤波器。因此匹配滤波器和输入信号的幅频特性完全一样，在信号越强的频率点，滤波器的放大倍数也越大；在信号越弱的频率点，滤波器的放大倍数也越小。也就是说，匹配滤波器是让信号尽可能通过，而不管噪声的特性，以达到最佳解调的目的。

在解调时，误码率最小的就是相干解调，实际中我们要解决的一个重要问题就是同步问题。一般情况下我们采用的同步方法可以分为外同步和自同步。外同步是由发送端发送专门的同步信息，也叫导频信号，接收端将导频信号提取出来作为同步信号，自同步是发送端不专门发送同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法。根据要同步的对象不同，同步方法可以分为载波同步，码元同步，群同步和网同步四种。

接收端需要提供一个与接收信号中调制载波同频同相的相干载波，这个载波提取过程称为载波同步。载波同步有直接提取法和插入导频法，分别是自同步和外同步的两种方法。

为了正确识别发送端的每一位码元，接收端需要对收到的信息码元进行判决，在接收端产生与接收码元重复频率和相位一致的定时脉冲序列过程称为位同步（物理层）。他也有直接提取和插入导频两种方法，直接提取方法可以分为滤波法和锁相环法。

在时分多路中为了正确分离各路时隙信号，发送端必须提供每帧的起始标志，接收端检测这一标志的过程称为帧同步（链路层）。方法有起止式同步法，和插入特殊码组同步法。

网同步就是通信网的时钟同步，解决网中各站载波同步，位同步，帧同步等问题。由此网络可以分为同步网和异步网两大类。网同步过程中常用的两种方法是开环法和闭环法。开环法的主要优点是捕捉快，不需要反向链路也能工作，实时运算量小，缺点是需要外部提供链路参量数据，缺乏灵活性；闭环法不需要预先得知链路参量数据，但缺点是终端需要较高的实时处理能力，每个终端和中心站之间要有双向线路，捕捉同步也需要较长的时间。

为了进行一场完美的通信，我们需要在发送信息之前就做好充分的准备，到此我们才刚刚奏响信息的发送的前奏。采用这些方法虽然能有效的抗击噪声干扰，但是不可避免的它也会产生一些问题。下一步我们要做的就是解决这些新产生的问题。

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