一、相關概念

無源器件：指工作時不需要外部能量源的器件，電容電阻等

有源器件：指工作時需要外部能量源的器件，該器件有個輸出，并且是輸入信號的一個函數(shù),LED、比較器等

高頻通信的好處：

1 無線通信中，為獲得較高輻射效率，天線尺寸必須與波長差不多，因此只有高頻(短波長)信號能滿足要求。

2 可把多個基帶信號搬移到不同的頻段的載波信號上，實現(xiàn)信道復用，提高信道利用率。

3 頻率越高，衰落越大，因此對基站的發(fā)射機有更高要求，同時其頻段內用戶數(shù)量少，抗干擾能力自然更好。

模擬通信系統(tǒng)兩種基本變換：

1 發(fā)送端消息轉換為電信號，接收端作逆變換

2 基帶信號變換為適合在信道中傳輸?shù)男盘?，即調制和解調

基帶信號：頻譜從零頻附近開始的原始信號，如語音信號頻譜300~3400Hz，圖像信號頻譜0~6MHz

帶通信號：基帶信號經(jīng)調制后都具有帶通特性，故稱帶通信號

帶寬與寬帶：

帶寬定義一：兩頻率間的差值，即某個特定頻率成分占據(jù)的頻率范圍。

帶寬定義二：單位時間內，通信網(wǎng)絡中某一點到另一點所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。數(shù)字通信(二進制)帶寬的計算公式是 時鐘頻率*總線位數(shù)/8

比特率和波特率：

波特率: 每秒傳輸碼元個數(shù)(批注：每個碼元可以取2、4、8...個可能值)

比特率: 每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù).單位bps

兩者關系: (比特率)S = (波特率)B Log2 N (碼元可能值的個數(shù))

討論帶寬時,一般采用波特率,討論線路實際傳輸數(shù)據(jù)的能力時,一般采用比特率.

寬帶是相對窄帶而言的,一般帶寬較大,能滿足一般需求的通信網(wǎng)絡稱為寬帶.

PCM: pulse code modulation,脈沖編碼調制。對音頻、圖像、視頻信號的離散化、數(shù)字化的一種編碼方式，由取樣、量化和編碼三個基本環(huán)節(jié)構成

并行通信和串行通信：從原理上講，并行通信擁有更多數(shù)據(jù)線，理應擁有更高的信息傳輸能力。但現(xiàn)實并非如此，因為并行傳輸?shù)那疤崾歉髀沸盘柾粫r序傳播且同一時序接收，時鐘頻率過高時各路信號難以合拍，布線稍有差異就會引起錯誤。另外，并行線路占用了更多空間，消耗更多成本。因此近幾年串行通信技術回歸主流，典型代表無疑就是USB

同步通信和異步通信：同步通信要求發(fā)收雙方具有同頻的時鐘信號，只要傳送報文前添加同步字符即可;異步通信無需同步時鐘，兩字符間的時間間隔是不固定的，所以比較自由，但要求接收方時刻做好接收準備，異步通信的優(yōu)點正在于此，缺點是每個字符幀都包含起始位和停止位，有效信息位占比降低。

信道中的干擾分為有源干擾和無源干擾：有源干擾即來自外界的因素產生的干擾，一般指噪聲;無源干擾即與外界因素無關的干擾，即信道本身傳輸特性不良。

無線通信中，根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同，電磁波分為地波、天波和視線傳播三種：

地波：頻率較低，2MHz以下，沿地球表面?zhèn)鞑ィ幸欢ɡ@射能力，傳播范圍數(shù)百千米到數(shù)千千米

天波：(2~30MHz)依賴電離層(距離地面60~400千米)反射傳播，通過這種方式覆蓋到地面上可能不是連續(xù)區(qū)域。經(jīng)多次反射后傳播距離可達10000千米以上。

視線：30MHz以上，即像光波那樣沿直線傳播，為了擴大傳輸距離，最簡單的辦法就是提升天線高度，有公式天線高度h=pow(d,2)/50，d為傳輸距離，由于視距傳輸距離有限通?？梢圆捎脽o線電中繼的方法，即多次轉發(fā)實現(xiàn)遠程通信。理論上有一個較好的方法全球覆蓋，即用三個相對靜止衛(wèi)星做中繼站，這樣增加了一次轉發(fā)可達距離，但是提升了對發(fā)射功率的要求，也增加了傳輸延時，另外發(fā)射衛(wèi)星也是個巨大的工程。今年來一個類似的想法是平流層(17~22km)通信，即把基站用沖氮飛艇懸在半空，這樣只要250個飛艇就能覆蓋全球90以上人口和地區(qū)，性價比極高。

有線信道主要分為明線(裸線，傳輸損耗低，但易受環(huán)境影響)，雙絞線(對稱電纜)和同軸電纜。

信道特性的描述可以用幅頻特性或者相頻特性，無失真的傳輸要求幅頻特性曲線是一條直線，即振幅與頻率無關，相頻曲線為一條過原點的直線，即傳輸時延與頻率無關。幅頻特性不理想則稱有頻率失真、相位特性不理想則稱為有相位失真，兩種失真都是線性的，故可以通過線性補償解決。

熱噪聲，一種自然噪聲，導線、電阻、半導體內部電子熱運動產生的噪聲，不可避免，也稱白噪聲，由于其噪聲是自由電子運動產生，具有正態(tài)分布特性，故又稱高斯白噪聲。

vsb殘留便帶調制是介于dsb雙邊帶調制和ssb單邊帶調制之間的一種調制方式，它既克服了dsb信號占用頻帶寬的缺點，又解決了ssb信號實現(xiàn)中的困難。

DSB一般用于點對點通信，其他應用較少。

SSB一般用于頻分多路復用系統(tǒng)，帶寬利用和功率利用都較好。

VSB抗噪聲性能與頻帶利用率與SSB相當，一般用于電視廣播系統(tǒng)。

AM是最簡單的調制方式，但抗干擾能力差，功率利用率低，一般用于中短波調幅廣播。

FM抗干擾能力強，在長距離高質量通信中常用，如衛(wèi)星通信、調頻廣播電臺等。

數(shù)字調制與模擬調制基本原理相同，但數(shù)字信號具有取值離散的特點，一般有兩種數(shù)字調制技術方法，一是用模擬調制的方法調制數(shù)字信號，將數(shù)字信號視為待調制信號的一個特例;而是使用鍵控法(2ASK,2FSK,2PSK)。

模擬信號的數(shù)字化：抽樣、量化、編碼。其中量化分為均勻量化和非均勻量化，對小信號而言，信噪比較小，均勻量化并不科學，例如話音信號，因此有了A律和u律等非均勻量化法。我國采用的是A律13折線。美國日本使用的是u律。

以A律13折線為例簡要介紹編碼方法，13折線法8位，c1位表示正負，c2~c4位表示8個非均勻劃分的段落，c5~c8表示16個均勻量化的電平。

按照加性干擾引起的錯嗎分布規(guī)律不同，信道分為三類：隨機信道、突發(fā)信道、混合信道

隨機信道：錯碼隨機出現(xiàn)，相互統(tǒng)計獨立

突發(fā)信道：錯碼集中出現(xiàn)，在一些短暫的時間片上集中，之后又存在較長的無錯碼段

混合信道：上面二者共存的信道

四種主要差錯控制技術：

1 檢錯重發(fā)：在發(fā)送時附加監(jiān)督碼元，接收端利用這些碼元檢測到有錯時，通知發(fā)送端重發(fā)，它的局限是不能判斷錯碼位置以及如何糾正，如奇偶校驗。

2 前向糾錯(FEC：forward error correction)：能糾正錯碼，優(yōu)點是不需重發(fā)，沒有因反復重發(fā)引發(fā)的時延。

3 檢錯刪除：即以碼元為單位，發(fā)現(xiàn)錯誤碼元即刪除，這種方式使用于少數(shù)特定系統(tǒng)，那些即使刪除部分碼元不影響接受的系統(tǒng)。

4 反饋校驗：無需差錯碼元或監(jiān)督碼元，接收端接到碼元后回發(fā)給發(fā)送端，在發(fā)送端進行比較，如一致則認為無錯，否則重發(fā)。這種技術優(yōu)點是簡單易理解，缺點是需要雙向信道且傳輸時間翻倍，且有可能發(fā)送過來時無錯回發(fā)時出錯也被判錯，降低了傳輸效率。

在評價信道的檢錯能力時有一個矛盾點，即檢錯能力與冗余度(監(jiān)督碼元數(shù)目與總碼元數(shù)目之比)的矛盾，一般來講，檢錯能力越強，需要越多的監(jiān)督碼元，冗余度也越高，作選擇時應根據(jù)具體情況取舍。

四個同步：

1 載波同步：即在接收端產生一個和接收信號的載波同頻同相的本地震蕩，供解調器使用。

2 碼元同步：即在接收端產生一個與接收碼元嚴格同步的時鐘脈沖序列，確定接收碼元的起止時刻，以便判決。

3 群同步：即幀同步，即在發(fā)送端插入輔助同步信息，確定幀接收的起止時刻。

4 網(wǎng)同步：在多個通信對象組成的數(shù)字通信網(wǎng)中，為了使各站點保持同步，還需解決網(wǎng)同步的問題。例如時分復用通信網(wǎng)中，為了正確地將來自不同地點的兩路時分多路信號復接時，就需使各路信號同步后開始合并。

有線通信和無線通信：

1 理論上講，無線通信速率要優(yōu)于有線通信，無線通信介質是空氣或真空，傳輸速率接近光速，有線通信是不可能達到的，一來介質的限定，而來不可能實現(xiàn)直線傳播。假若實現(xiàn)月亮和地球的點對點通信，無線通信必須建立中繼站，否則月球背對我們的時候是無法通信的

2 有線通信開通必須架設電纜，面臨挖溝和架線的問題，時間成本和材料、人力成本較高，另外，除電信部門外，其他部門沒有在城區(qū)內挖溝鋪設電纜的權力，相比之下，搭建無線通信系統(tǒng)成本更低

另外時間成本優(yōu)勢在應急、抗災時的無可替代性將被凸顯

3 有線通信系統(tǒng)的通信質量會隨著線路擴展急劇下滑，超過5公里后誤碼率提升，傳輸速率下降，而對于無線擴頻通信(擴展帶寬)方式，50公里內幾乎沒有影響

4 有線通信鋪線受地理限制，不能任意鋪設，無線通信覆蓋范圍廣，幾乎不受地理條件限制

5 在后續(xù)改善通信方面，無線通信僅需架設擴頻設備，而有線通信光纜深埋地底下，靈活性極低

6 當出現(xiàn)故障時，有線網(wǎng)絡需沿線檢查，難以及時找出故障點，而無線擴頻通信很容易試出故障點，維護擴頻電臺即可，可快速恢復通信。

7 安全方面，無線電路可能被搭線監(jiān)聽，而無線擴頻通信本身就起源于軍事上的防監(jiān)聽，廣袤的頻帶大大提升了監(jiān)聽的難度。

綜上，無線通信在時間、財力、人力上的低成本，安全性、靈活性、可維護性等方面具有很大優(yōu)勢。有線通信目前的優(yōu)勢在于媒介的限定提升了穩(wěn)定性、減少了對人體輻射。無線通信信號較差原因在于母機與子機之間可能存在障礙物，而高頻無線信號的衍射能力是比較弱的;此外也有可能是(來自家電)同頻段信號的干擾

IPV4:32位，約40億個地址，這個分配是非常不均的，北美獨占30億個，中國才3千萬，僅相當于一個麻省理工學院，擦

IPV6:128位，多的不好形容了，一般用8*4個十六進制數(shù)表示

0000：3333：6666：9999：CCCC：FFFF：0000：0000

通信網(wǎng)：指多點之間傳遞信息的通信系統(tǒng)。(批注：僅兩點間傳遞信息的通信系統(tǒng)稱為專線)

通信網(wǎng)的基本組成：終端設備、通信鏈路、交換設備，有些還有轉發(fā)設備。

通信鏈路：占用給定空域和頻域的通信渠道。其占用的空域可以是大氣層、水下或者人造電磁傳到煤質，前者為無線通信，后者為有線通信。

時分復用：TDM time-division multiplexing 一條鏈路在不同時間段內可以被不同用戶使用

頻分復用：FDM frequency-division multiplexing 給定頻帶劃分給不同用戶使用，要求總頻帶大于各個子頻帶之和，同時為保證安全性，各個子頻帶之間會有一段隔離帶

信令：網(wǎng)絡中傳輸?shù)男盘栆话惆▋刹糠郑皇鞘褂眯畔?語音、數(shù)據(jù)包等)，二是控制信息(還有計費、監(jiān)控信息等)，即信令。

終端設備：發(fā)送和接收信號的設備。包括電話機、傳真機、電臺、計算機

交換設備：依照信令將通信鏈路傳來的信號轉接到另一條鏈路

路由器：網(wǎng)絡通信的交通警察，負責信息的分流，與交換機的區(qū)別在于，交換機處于osi模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層，而路由器處于第三層網(wǎng)絡層。兩者工作時使用不同的控制信息。

綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)：Integrated Services Digital Network , ISDN

20世紀80年代誕生，主要是將電話、電報等低速率業(yè)務，綜合在一個通信網(wǎng)中傳輸。

隨著視頻、多媒體信號傳輸需求的逼近，傳統(tǒng)的低速率(2Mb/s以下)傳輸已經(jīng)不能符合需求了，隨之誕生了寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng) Broadband ISDN ,故將前者又稱為窄帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng) Narrowband ISDN

隨后，隨著通信技術向個人通信方向發(fā)展，蜂窩網(wǎng)應運而生

通信網(wǎng)拓撲結構：

1 網(wǎng)形：要求任意兩節(jié)點間都有一條鏈路直接相連，故假設N個節(jié)點的話，會有N(N-1)/2條鏈路，當節(jié)點增加時，鏈路條數(shù)急劇上漲，且鏈路利用率低，經(jīng)濟性差，它可以不需要轉發(fā)設備，但是若各節(jié)點有轉發(fā)功能，則系統(tǒng)可靠性極高

2 星形：除中心節(jié)點外，其他節(jié)點間的通信都需要中心節(jié)點轉接。從可靠性上考慮，極度依賴中心節(jié)點，中心癱瘓，全局皆崩

3 環(huán)形：每個節(jié)點都有轉發(fā)功能，任意兩點間有兩條可達路線，這一點好于于星形，但多次轉發(fā)可能帶來較長延時，可靠性也可能降低

4 總線形：利用一條總線連接所有節(jié)點，總線一個時間段只為兩個節(jié)點通信服務，節(jié)點數(shù)目較多時會有較大延時，故它跟環(huán)形一樣不適合節(jié)點過多的網(wǎng)絡

幾項典型的通信網(wǎng)：

1 電話網(wǎng)：以公共交換電話網(wǎng)(PSTN Public Switch Telephone Network)為例

本地網(wǎng)：一般各電話機通過用戶線接到端局，一個端局內部一般是星形網(wǎng)，端局與匯接局通過(中繼線)大容量電纜連接

國內長途網(wǎng)：分為四級樹狀結構

國際長途網(wǎng)：每個國家至少設定一個，連入國際網(wǎng)

我國目前的公用電話網(wǎng)中電話機到端局的用戶線是模擬線路，端局中繼線是數(shù)字線路

電話機信令分為兩類：撥號脈沖和雙音多頻

撥號脈沖：每個脈沖占100ms，脈沖個數(shù)表示數(shù)字(0用十個脈沖表示)，平均撥號時長是0.55秒

雙音多頻：16組頻率組合使用，兩位表示一個數(shù)字，共可表示16種，已經(jīng)投入使用12種，除十個數(shù)字外還有*和#

電話網(wǎng)性能指標有兩個：話務量和呼損率

話務量：單位時間內 每次平均呼叫時間*呼叫次數(shù)

成功話務量：單位時間內 每次平均呼叫時間*呼叫成功的次數(shù)

呼損率：

1 - 成功話務量/話務量

2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)：傳輸內容包括信件、語音、圖片、視頻、計算機軟件、數(shù)據(jù)、控制指令等，事實上當前數(shù)據(jù)通信網(wǎng)已經(jīng)部分取代電話網(wǎng)，但尚未完全取代

依據(jù)覆蓋范圍，可劃分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)

通信協(xié)議：即數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的信令

通信網(wǎng)中交換方式分為兩大類：電路交換和信息交換

電路交換要求通話時間內有一條通信電路始終處于連接狀態(tài)，這會造成時間上的浪費，信息交換是按照存儲-轉發(fā)方式工作的，即發(fā)送端發(fā)來的信息先保存起來再按信令轉發(fā)，直到達到目的地，這節(jié)省了時間片，但也隨之帶來了延時的問題，一個緩沖延時問題的方法是分組交換，即將整個報文分成若干組，分別編號傳輸，這樣多路并行雖不能保證每組信息都準時到達，卻能保證一定的實時性，另外，若分組數(shù)據(jù)都經(jīng)過同一路由并用同一方式處理，可以認為這是一條虛擬信道。

通信協(xié)議：撥號脈沖長度、雙音多頻的頻率、撥號音和忙音等的頻率和持續(xù)、間隔時間等一系列終端和交換設備必須遵守的規(guī)定。

OSI七層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層

TCP/IP四層：網(wǎng)絡接口層(HDLC)、網(wǎng)絡層(選擇適當路由和交換節(jié)點，使數(shù)據(jù)透明地傳輸?shù)侥康牡豂P,IPX)、傳輸層(TCP/UDP)、應用層(HTTP、SMTP、FTP)

以太網(wǎng)：局域網(wǎng)的典型代表。星形結構，中心是集線器

集線器分兩大類：轉發(fā)網(wǎng)絡集線器(將某一臺設備上發(fā)送的信號轉發(fā)給所有其他連接的設備，目標設備選擇接收，非目標設備選擇放棄)和開關網(wǎng)絡集線器(只向目標網(wǎng)絡集線器發(fā)送信號)

光纖電纜分兩種：單模光纜(直徑短，帶寬高，但連接困難，一般用于遠距離傳輸)和多模光纜(一般用于局域網(wǎng))

以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)是以幀為單位進行交換的，這里必須提到的一個技術是CSMA/CD帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問，即任何設備在發(fā)送數(shù)據(jù)前先確認網(wǎng)絡是否忙碌，只有空閑狀態(tài)下才發(fā)送信息，但是這里有個問題，如果兩臺機器同時判定空閑，同時發(fā)送信息就會引發(fā)沖突從而導致數(shù)據(jù)包毀壞，解決辦法是確認空閑后等待一個隨機決定的時間重新發(fā)送，這樣隨機數(shù)小的網(wǎng)絡設備先發(fā)送，這個隨機決定的時間叫做補償時間。根據(jù)網(wǎng)絡的擁擠程度，可以調整最大補償時間值，當較為擁擠時擴大它的值，相反則可以減小之。

以太網(wǎng)中的幀，即數(shù)據(jù)包包含兩部分，報頭和報文，類似于信封和信件內容，信封理所當然包含接收端和發(fā)送端的地址，以及監(jiān)督碼，報文則是有效信息內容。最開始是64位的前同步碼(56位1010101010.。。)和幀首界定符(8位10101011)，隨后接收端mac址(48位，全部為1時表示廣播址，即對所有相連設備發(fā)送)和發(fā)送端mac址(48位)，類型字段(16位，上層協(xié)議)，數(shù)據(jù)(最大12000位)和錯誤檢驗校正碼(32位)。

蜂窩網(wǎng)：移動通信網(wǎng)典型代表，1981年瑞典愛立信在北歐建立第一個蜂窩網(wǎng)。蜂窩網(wǎng)中每個小區(qū)域用一個六邊形包含，這樣的優(yōu)點是可以無縫覆蓋整個區(qū)域同時單位區(qū)域也接近圓形，在微波頻段附近，電磁波僅在視距范圍內傳播，距離較遠時使用同一頻段相互之間沒有影響，為保證安全性，相鄰兩個單元不使用同一頻段，即便這樣，也可以極大的復用頻段，當用戶激增時，可以減小服務半徑(降低基站天線高度和發(fā)射功率)進一步復用頻段。

蜂窩網(wǎng)的缺陷是要求每個單元的中心建一個電臺，即基站，理論上講可以無縫的覆蓋全球，但沙漠、海洋、山區(qū)是不大可能建立蜂窩網(wǎng)的，因此未來的希望可能是衛(wèi)星移動通信網(wǎng)，典型代表是“銥”系統(tǒng)，它實現(xiàn)了全球覆蓋，但如要提升性能則需要更高的技術，添加衛(wèi)星、降低高度、提升速率等。

二、通信發(fā)展史(三代)及其主要特征

第一代：模擬通信，主要特征為頻分多址技術

英文名稱：frequency-division multiple access;

FDMA 定義：利用不同的頻率分割成不同信道的多址技術

這種通信系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號;任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經(jīng)過基站的中轉，因而必須同時占用4個頻道才能實現(xiàn)雙工通信。不過，移動臺在通信時所占用的頻道并不是固定指配的，它通常是在通信建立階段由系統(tǒng)控制中心臨時分配的，通信結束后，移動臺將退出它占用的頻道，這些頻道又可以重新給別的用戶使用。

第二代：數(shù)字通信，主要特征為時分多址技術和碼分多址技術

time division multiple access 簡稱tdma

原理就是時分復用，把信息按幀傳輸，每一幀分多個時隙(比如32個)，每個時隙為一個特定用戶傳輸信號。

隨著通信網(wǎng)發(fā)展，時分復用設備的各路輸入信號不再是單路模擬信號，在通信網(wǎng)中又多次多重復用，低層次復用信號經(jīng)過整合再次復用構成高層復用信號，這個過程稱為復接。

code division multiple access 即cdma

它不同于時分復用技術和頻分復用技術，而是利用不同的如波形類特征來區(qū)分子信道，引用以前看到的網(wǎng)友的一個比方，一群人在一個大房子里，如果他們用一樣的語言(波形)一起說話，我們就很難區(qū)分哪些信息是要接受的，但是如果他們使用不同的語言說話，我們就能夠過濾掉那些不感興趣的信息，這便是cdma的基礎，因此不需要分頻段或是時隙就可以同時傳輸多路信號，提升了信道利用率，進一步提升了傳輸速率。

數(shù)字通信相對于模擬通信有很多好處，主要是抗干擾能力強、傳輸差錯可控、安全性高等，但數(shù)字通信有一個缺點就是一般需要較大的傳輸帶寬，以電話為例，一路模擬通話只占用4kHz帶寬，但一路接近同樣話音質量的數(shù)字電話要占據(jù)20~60kHz帶寬。

第三代：多媒體通信，相較于第二代主要是帶寬的改進使得其具備傳輸圖像、多媒體等數(shù)據(jù)的能力。

同樣使用了tdma和cdma技術，通信能力進一步提升。

現(xiàn)在我們正在歷經(jīng)第四代通信技術的改革，其實縱觀通信發(fā)展史，都是不斷提升的用戶需求拉動的變革，那話怎么說來著，沒什么是革命性的，全是進化。通信、計算機或者說整個IT行，就是這樣。我們網(wǎng)頁開的慢啊，網(wǎng)銀安全問題啊，游戲延時啊等等都是拉動技術變革的動力。

三、通信業(yè)劃時代事件

1 莫爾斯電報：1844年5月24日，莫爾斯向巴爾的摩發(fā)出了人類歷史上的第一份電報:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”，此舉開創(chuàng)了人類用電信號傳輸信息的歷史。(說到這里，還有一個故事必須提到，1912年“泰坦尼克”號撞到冰山后，發(fā)出電報“SOS，速來，我們撞上了冰山。”幾英里之外的“加利福尼亞”號客輪本應能夠救起數(shù)百條生命，但是這條船上的報務員不值班，因此沒有收到這條信息。從此以后，所有的輪船都開始了全天候的無線電信號監(jiān)聽。)

2 電話：1892年紐約芝加哥的電話線路開通。電話發(fā)明人貝爾第一個試音：“喂，芝加哥”，這一歷史性聲音被記錄下來。