简述通信原理

什么是通信(Communication)?

简单来说，通信就是传递信息。我把我的信息发给你，你把你的信息发给我，这就是通信。

通信的官方定义更加严谨一些——人与人，或人与自然之间，通过某种行为或媒介，进行的信息交流与传递，叫做通信。也就是说，通信不仅限于人类之间的信息交换，也包括自然万物。

还是从我们人类开始说起吧，毕竟在绝大部分通信场景中，人都是主体。

在人类诞生的那一刻起，通信就是生存的基本需求。新生的婴儿，通过哭声传递饥饿的信息，给自己的母亲，索取母乳和关爱。参与围猎的部落成员，通过呼吼声，召唤同伴的支援和协助。这一切，都属于通信的范畴。

随着人类社会组织单位的不断变大，通信的作用也越来越大。国家之间的合纵连横，亲人之间的思念关怀，都离不开通信。通信的手段，也由面谈这种近距离方式，逐渐发展出烽火、旗语、击鼓、鸣金等多种远距离方式。

这些通信方式，主要是通过视觉或者听觉来实现。这就要求通信双方之间，是可视的，或者，是可以听见的。客观条件的约束，就限制了通信的范围。

而如果采用驿站或信鸽等方式，虽然一定程度上解决了范围和距离的问题，却带来了时效性的问题，无法在很快的时间内送达。

19世纪电磁理论出现并成熟。在此基础上，莫尔斯发明了莫尔斯编码和有线电报，贝尔发明了电话，马可尼发明了无线电报，人类就此开启了用电磁波进行通信的近现代通信时代。通信的距离限制，不断被突破。与此同时，长距离通信的时延，也在不断缩小。

时至今日，我们已经全面进入了信息时代，对通信的需求和依赖变得***的强烈。像手机这样的现代通信工具，作为每个人保持社会联系的纽带，变成了寸步难离的必需品。

不仅是个人，整个社会的运转，都建立在对通信技术的依赖之上。通信技术的先进程度，成为衡量一个国家综合实力的重要标志之一。

我们无法想象，如果通信技术倒退回两百年前，我们的世界将会是怎样的混乱场景。

让我们回到通信的本质。

任何通信行为，都可以看成是一个通信系统。而对于一个通信系统来说，都包括以下三个要素：信源、信道和信宿。

例如下课时，校工打铃：校工就是信源，空气就是信道，而老师和同学们，就是信宿。

那铃声是什么呢?铃声是信道上的信号。这个信号带有信息，信息告诉信宿：该下课了。更具体一点，振铃就是发送设备，老师和同学们的耳朵，就是接收设备。

是不是所有的消息(数据)都是信息呢?是不是消息越多，信息就越多呢? 不是的。很多人认为，消息越多，数据越多，信息量就越大，这是一个误区。

信息量的大小，和信息出现的概率，有直接关系。简单来说，随机事件发生的概率越小，信息量就越大。

举个例子，如果我告诉你，“地球是圆的”，这句话，信息量就是0。简而言之，我说的是一句废话。

如果我告诉你，我在某地藏了一亿美金的现金，那么显然，这个信息量就很大了。

通信技术的发展过程，说白了，就是研究如何在更短的时间，传输更大信息量的过程。

为了达到这个目的，信源侧需要不断升级自己的发送设备，信宿需要不断升级自己的接收设备。而信道的介质，也在不断升级。

根据信道介质的不同，我们将通信系统分为有线通信和无线通信。

顾名思义，采用网线、光纤、同轴电缆作为通信介质的，就是有线通信。而采用空气甚至真空的，就是无线通信。

不管是有线还是无线，传输的都是电磁波——在有线电缆中，电磁波是以导行波的方式传播，而在空气(真空)中，电磁波是以空间波的方式传播。

世界上没有真正意义上的“完全”无线通信。无线通信系统中，除了信道部分会有无线环节之外，包括信源、信宿和大部分的信道，其实都是有线的。

就像我们现在使用的手机通信系统，它只有手机和基站天线之间是无线传播，其它环节仍然是有线传播，例如基站到机房，南京机房到上海机房，等等。

既然说到手机通信系统，那我们就多介绍一下。手机通信系统，也叫蜂窝通信系统，因为手机的通信依赖于基站，而基站小区的覆盖范围，看上去有点像蜂窝。

手机通信通常被称为移动通信，移动通信属于无线通信的一种。除了移动通信之外，Wi-Fi通信，对讲机通信，卫星通信，微波通信，也都属于无线通信。

用于无线通信的电磁波，看不见、摸不着、听不到，却速度极快(光也是一种电磁波，秒速30万公里)。但是想要利用好它，并不是那么容易。最开始有线电报的时代，我们通过电流脉冲的长短组合，来传递一个字母。例如字母a，就是：“· -”，一个点信号，一个长信号。发出一个完整的单词，就要好几秒甚至十几秒的时间。显然，这种速度是无法接受的，既费时又费力。

后来，人们开始用“波”来承载信息。

如果按波的振幅来表达0或1，振幅大的代表1，振幅小的代表0，就是调幅(AM)。

如果按波的频率来表达0或1，波形密集的代表1，波形稀疏的代表0，就是调频(FM)。

AM和FM，眼熟了吧?收音机上就是这么标的。

很显然，每秒钟发送的波形越多，传输的0和1就多，信息量就大。换言之，频率越高，速率越快。

很多人问，为什么我们现在要使用高频信号传输信息。上述就是主要原因之一。

不管是AM调幅还是FM调频，都属于我们经常说的调制。解调呢?就是在信宿那端，将信息从已调信号里提取出来。

我们以前上网用的猫(Modem)，就是调制解调器，干这个事情的。现在到处热议的手机芯片里面的基带芯片，说白了，也是干这个事情的。

我们目前使用的通信系统，基本上都是数字通信系统，传输的都是数字信号。

数字信号的常用调制方式，就是书上常说的幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)，还有正交幅度调制，也就是大名鼎鼎的QAM。我们的LTE，还有即将到来的5G，都是用的QAM。

这种很多点的图，叫做星座图

传输数据，就像汽车运货，如果想要运输更多货物，一方面，可以让马路变宽，另一方面，也要想办法让自己减重。

有价值的货物当然不能丢，但是，可以减少无价值的载重。就像人与人之间说话，要挑重点的话说，少说废话。这里，就涉及到编码的技术。

编码分为两种，***种是信源编码。

我们听到的声音，是音频信号，看到的场景，是图片或视频信号。不同的信号，都有自己的编码方式。

对于音频信号，我们常用的是PCM编码和MP3编码等。在移动通信系统中，以3G WCDMA为例，用的是AMR语音编码。

对于视频信号，常用的是MPEG-4编码(MP4)，还有H.264、H.265编码。在政府企业常用的视频会议电话系统(也是通信系统的一种)中，现在普遍开始采用的，就是H.265编码。

除了信源编码之外，就是信道编码了。信源编码是删除冗余信息，而信道编码恰好相反，是增加冗余信息。

为什么呢?

这里，就要说到无线信道的复杂性了。

相对于有线信道的可靠和稳定，无线信道的问题要多很多。

无线信号在空气中的传输，随着传输距离的增加，本身就会有损耗。这种损耗，也叫做路径损耗(路损)。

传输的过程中，遇到障碍物，如果穿透它，也会产生损耗，叫穿透损耗。

损耗和无线信号传输的几种效应有密不可分的关系。例如阴影效应、多径效应、远近效应，还有大家一定听说过的多普勒效应。限于篇幅和理解难度，不多做介绍。

除了这些电磁波特性造成的衰耗之外，无线通信还容易遇到各种干扰和噪声。例如电磁干扰和频段挤占等。

信道编码，目的就是要对抗信道的各种不利影响。

增加冗余信息，就像在货物边上塞保护泡沫，保护货物的正确运输。如果路上遇到颠簸，发生碰撞，货物的受损概率会降低。

去年闹得沸沸扬扬的联想5G标准投票事件，华为主推的Polar码，还有高通主推的LDCP码，说的都是信道编码。3G/4G时代处于核心地位的Turbo码，也是信道编码。

对抗衰弱的办法，除了信道编码之外，还有分集技术和均衡技术。像现在备受关注的MIMO(多天线收发技术)，就属于空间分集技术中的一种。简单来说，就是一个不够就用两个，两个不够就用四个。

说完了调制和编码，我们***再来说说复用和多址。

前面我们所说的，是一对一的通信模型。但实际生活中，我们不可能一个通信系统只给两个人用。我们会尽可能让更多的人可以同时使用它。这就需要用到多址技术。

说到多址，大家一定听说过这么几个词：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA……

没错，这些都是多址技术，分别是：

FDMA：频分多址

TDMA：时分多址

CDMA：码分多址

SDMA：空分多址

OFDMA：正交频分多址

多址，就是Multiple Access(多接入)。

简单举例，我们把频率资源想象成一个房间，如果把房间分割成不同的空间，不同的用户在不同的房间聊天，这就是频分多址(FDMA)。

如果这个房间里，某一时间让某一个人说话，下一时间段，让另一个人说话，就是时分多址。

如果大家都用各自的语言说话，有的人说英语，有的人说法语，有的人说中文，那就是码分多址。

利用天线的朝向来区分不同用户，叫空分多址。(不好意思，房间的例子不适用这个)

把空间划分成不同房间，房间和房间之间有重合，以便塞下更多的房间，这个叫做正交频分多址。

而复用(Multiplexing)又是什么呢?复用和多址的区别，就是复用针对资源，而多址针对用户。

举个例子，将10MHz的频率资源，划分成5个2MHz，作为子信道，这种做法，叫复用。不同的用户使用这些子信道，每个子信道变成了用户的“址”，这叫多址。