高频通信好处多，解析无源、有源器件及模拟通信变换

一、相关概念

无源器件：指工作时不需要外部能量源的器件，电容电阻等。

有源器件需要借助外部能源才能运作，它会产生一个输出，这个输出值取决于输入信号，例如LED和比较器这类元件。

高频通信的好处：

无线通信里，要想获得比较高的辐射效率，天线的尺寸需要和波长差不多才行，所以只有频率高（波长短）的信号才能够符合这个条件。

可以将多个基带信号分别调制到不同频段的载波上，从而达成信道共享，进而增强信道的利用效能。

信号频段越高，信号衰减越严重，所以对基站发射设备的要求更严格，而且该频段内使用的人少，信号受干扰的情况就会相对轻微。

模拟通信系统两种基本变换：

1、发送端消息转换为电信号，接收端作逆变换

2、基带信号变换为适合在信道中传输的信号，即调制和解调

基带信号，是指从零频附近开始的原始信号，例如语音信号的频谱范围在300赫兹到3400赫兹之间，图像信号的频谱范围在0赫兹到6兆赫兹之内。

带通信号：基带信号经调制后都具有带通特性，故称带通信号

带宽与宽带：

带宽阐释如下：两个频率点之间的间隔，表明某个特定频率成分所覆盖的频率区间。

带宽的另一种解释是，在特定时段内，通信系统某处到另一处能够发送的信息总量。对于数字通信，即二进制方式，其带宽可以通过时钟频率乘以总线上的位数再除以八来计算得出。

比特率和波特率：

波特率指的是单位时间内传送的符号数量，每个符号能够代表多种状态，比如二进制中的0和1，或者能够表示2个以上不同的信号电平。

比特率:每秒传输的二进制位数.单位bps

两者关系: 传输速率等于信号速率乘以每码元携带的信息量,信号速率是波特率,信息量是码元可能值数量以二为底的对数

在涉及传输速率的语境下,通常运用波特值来衡量,而在衡量线路真正传送信息的效能时,则一般使用比特值。

宽带与窄带相对,通常带宽更宽,能够满足普遍通信需求的网络称作宽带。

PCM即脉冲编码调制，是一种用于音频、图像、视频信号离散化与数字化的编码方法，其过程包含取样、量化和编码这三个核心步骤，通过这些环节实现信号的转换处理

并行传输和串行传输：并行传输使用更多数据线，理论上传输效率应该更优。然而实际情况并非这样，因为并行传输要求所有信号同步发送和接收。一旦时钟频率过高，各路信号就难以协调一致，线路布局的微小差别就可能导致传输错误。此外，并行线路需要更大的空间，成本也更高。因此近几年串行通信技术回归主流，典型代表无疑就是USB

同步联络和异步联络：同步联络需要发送与接收两端时钟频率一致，传输信息前加入同步标记即可；异步联络无需同步时钟，字符与字符之间的时间间隔不固定，因此较为灵活，但要求接收端随时处于待接收状态，异步联络的长处就在这里，不足之处在于每个字符单元都含有起始位和终止位，有效数据部分比例有所下降。

传输通道内的干扰包含两类：一类是源自外部环境因素所引发的干扰，通常表现为噪声；另一类则与外部环境因素无涉，主要源于传输通道自身存在的不良传输条件。

无线联络里，依据联络间隔、频段和地点的差异，电磁振荡可分成地面波、天空波和直视传输这三类：

地波传播在地球表面，其频率低于2兆赫兹，传播时具备绕射特性，传播距离可达到数百至数千公里。

天波波段在2到30兆赫兹之间，它依靠电离层进行传播，这个电离层位于距离地面六十公里至四百公里的高空，通过反射的方式将信号传送到地面，但这种覆盖范围往往不是完整的区域，信号在经过多次反射之后，传播距离能够超过一万公里。

视野范围：超过三十兆赫兹，类似光波般直线行进，为增加传递距离，最直接的方式就是加高天线装置，其计算方法为天线高度等于传输距离平方除以五十，传输距离用d表示，因为视线传播距离有限制，所以常使用无线电接力技术，通过多次转送达成远距离联络。存在一种理想化的覆盖方案，该方案采用三颗位置固定的卫星充当信号中转，借此扩大单次转发的有效范围，不过这种方法会提高对卫星发射能量的标准，同时也会导致信号传输过程耗费更多时间，并且发射这些卫星本身就是一项规模庞大的任务。近期出现了一种新思路，就是在平流层（17至22公里高度）进行通信实验，具体做法是用充氮飞艇来搭载基站，漂浮在空中，通过这种方式，仅需要250个飞艇便能够覆盖全球超过九成的居民和区域，这种方案的性价比非常突出。

有线信道大体上可以分成明线，即裸线，它传输损耗小，不过容易受到外界条件的影响，还有双绞线，也就是对称电缆，以及同轴电缆。

传输信道的特点可以通过幅度随频率的变化或者相位随频率的变化来表述，理想的信号传输要求幅度随频率的变化是一条直线，表示信号强度不随频率改变，相位随频率的变化也是一条通过零点的直线，表明信号通过时间不随频率改变。如果幅度随频率的变化不是直线，就存在频率偏差，如果相位随频率的变化不是直线，就存在相位偏差，这两种偏差都属于线性问题，因此可以用线性方法进行校正。

热噪声属于一种自然性的干扰，源于导线、电阻以及半导体材料内部电子的热运动，这种干扰是无法避免的，也被称作白噪声，由于该噪声由自由电子的运动所引发，因此呈现出正态分布的特征，故又被称为高斯白噪声。

残留边带调制介于双边带调制和单边带调制之间的一种方式，它既避免了双边带信号频带利用率低的弊端，又克服了单边带信号实现过程中的难题。

DSB一般用于点对点通信，其他应用较少。

SSB一般用于频分多路复用系统，带宽利用和功率利用都较好。

VSB的抗干扰能力以及频段运用效率，和SSB是相同的水平，通常应用于电视节目广播领域。

调幅是最基础的一种调制手法，不过它的抗干扰性能不佳，电力运用效率不高，通常仅在中等或短波段的调幅广播中使用。

FM系统对干扰信号有很强抑制效果，常用于远距离高保真数据传输，例如空间通信、频率调制广播台等。

数字调制与模拟调制的基础理论一致，数字信号在取值上呈现离散特性，通常存在两种数字调制途径，其一为借助模拟调制手段处理数字信号，此时可将数字信号看作是模拟调制信号的一种特殊情形，其二则采用键控技术，包括2ASK、2FSK、2PSK等具体方式

信号转换成数字形式包含三个步骤，分别是取样、定标和编码。定标方法有等距和非等距两种，针对微弱信号，等距定标效果欠佳，比如通话声音，所以发展了A律和u律这类非等距定标技术。国内采用A律13折线方案，而美日两国则使用u律方案。

以A律13折线法为例说明编码方式，这种编码方式总共使用8位二进制数，其中第一位c1用来区分正负极性，接下来的c2到c4位用来标示8个非均匀分布的段落，最后c5到c8位则表示16个均匀量化的电平等级。

依据干扰叠加导致错误出现的模式差异，信道可划分为三种类型：随机型，突发型，以及混合型

随机信道：错码随机出现，相互统计独立

突发性信号传输中，错误码会密集显现，并在某些极短的时段内连续集中，接着则会出现相当长的正确码序列

混合信道：上面二者共存的信道

四种主要差错控制技术：

错误检测后重新发送：发送数据时加入校验位，接收方发现数据有误，会告知发送方再次发送，这种方法存在不足，无法确定错误发生的具体位置，也无法进行错误修正，例如奇偶校验。

前向纠错，即FEC，是一种技术，可以修正传输中出现的错误编码，其好处在于不需要进行数据重传，同时避免了反复发送数据所带来的时间延迟问题。

检测并移除：针对单个信号单位，一旦识别出有误的信号单位就将其移除，这种处理方法仅适用于部分特定场景，对于那些即便移除部分信号单位也不会干扰接收的系统而言。

校验反馈时，不需要差错码元或监督码元，接收端在收到码元之后会将其发送回发送端，发送端将收到的码元与原码元进行比对，如果两者相同，就表明传输无误，如果不同，则需要重新发送。这种技术的优点在于其原理简单且容易理解，但缺点是必须使用双向信道，并且传输时间会加倍，还可能存在发送时没有错误，但在回发过程中发生错误却被误判为有误的情况，从而降低了传输效率。

评估传输路径的纠错性能时存在一个难点，就是纠错性能与信息量（附加信息位数与全部信息位数之比）之间的冲突，通常情况下，纠错性能越出色，就必须使用更多的附加信息位，信息量也随之增大，在决策时应当依据实际状况进行权衡。

四个同步：

载波同步，就是要在接收端，生成一个本地震荡，这个震荡，要与接收信号的载波，频率相同，相位也相同，然后，提供给解调器使用。

信号同步：需要在接收端生成一个与接收信号完全一致的时钟脉冲序列，用以明确信号单元的开始和结束位置，从而进行正确识别。

群同步指的是帧同步，发送端会加入辅助同步信息，用以明确帧接收的起始点和结束点。

网络同步涉及多个通信终端构成的数字传输系统，必须确保所有节点实现同步运行。在时分复用通信系统中，需要将来自不同地区的两路时分多路信号正确合并时，必须先让各路信号达到同步状态，然后才能启动合并操作。

有线通信和无线通信：

无线传输速度在原则上比有线传输更快,因为无线媒介是大气层或太空,信号传播速度几乎等同于光速,而有线传输受限于物理介质,且无法直线行进。若要实现地球与月球的直接联络,无线传输必须设置中继设备,否则当地球背向月球时将中断通信。

架设有线通信线路需要铺设电缆，这会碰到挖掘沟渠和架设线路的难题，耗费的时间、物料以及人力都相当可观，而且，除了电信机构，其他单位在城区内铺设电缆时无权挖掘沟渠，与此形成对比的是，建立无线通信网络的经济性更为优越

另外时间成本优势在应急、抗灾时的无可替代性将被凸显

有线联络的品质会伴随线路延伸迅速恶化，当距离超过五千米时，错误码率会增高，信号传送的效率会降低，相对地，无线的宽带扩频通信方法，在五十公里范围内几乎不受干扰

架设有线线路受制于地形条件，无法随意布置，无线信号传播距离远，几乎不受地理环境制约

改进通信方面，无线方式只需要安装扩频装置，而有线方式的光缆埋设在地下，变动性非常小

发生故障时，线缆网络要逐段排查，不易迅速定位问题所在，无线宽带信号却方便判断故障位置，只需检修扩频设备就能，迅速恢复联络。

安全角度而言，无线线路存在被窃听风险，无线扩频通信技术源于军事领域的抗窃听需求，其宽广的频谱范围显著增加了监听工作的复杂程度。

整体而言，无线联络在时间开销、经济成本以及人员投入方面都极为节省，并且在安全防护、应用弹性及系统维护等层面展现出显著长处。有线联络现阶段的主要好处在于传输媒介的固定性有助于增强运行可靠性，同时也能降低对个体的电磁波影响。无线信号传输效果不佳可能源于中继设备与终端设备之间存在阻挡物，而高频无线波段的绕射性能相对有限；另外还可能受到其他电器设备在相同频率上产生的信号干扰。

IPV4由32位构成，可产生约40亿个不同地址，这种分配状况极不公平，北美洲占据30亿个，而中国仅分得3000万个，这个数量仅仅相当于麻省理工学院的规模，真是令人咋舌

IPV6是128位的，这个长度很难用语言描述清楚，通常采用8个十六进制数，每个数由4位组成的方式来表示

将整个数字序列分解，每四位一组进行表述，这样更清晰，便于识别，例如可以写成这样，第一个部分是三千三百三十三，接着是六千六百六十六，然后是九千九百九十九，紧接着是碳素符号，后面是富士符号，再后面是双零，最后还是双零，这样表述起来更加明确。

通信网是用来连接多个节点并实现信息交换的系统，其中只有两个节点之间传递信息的通信系统被称为专线。

通信系统的核心构成包括终端装置、传输路径、以及交换装置，部分系统还配备有中继装置。

通信途径：使用特定空间和频率范围进行信息传递的通道。其涉及的空间范围涵盖大气层、水底或人造电磁场，前者用于无线传输，后者用于有线传输。

时分复用技术，即TDM，允许一条线路在各个时段交替供不同用户使用

频分复用技术，将整体频段分割，分配给各个用户，确保整体频宽超过所有子频宽的总和，并且为了保障安全，各个子频段之间会设置一段保护频带

网络传输的信号通常由两部分构成，其中一部分是承载内容的信息，例如语音或数据包，另一部分则是用于管理的控制信息，包括计费和监控等，这些管理信息也属于信令的范畴。

终端装置是用来传递和接收信息的工具。涵盖座机、复印机、广播系统、个人电脑等设备。

交换设备：依照信令将通信链路传来的信号转接到另一条链路

路由器是网络传输的指挥中心，承担着信息引导的任务，它和交换机的不同之处在于，交换机工作在osi模型的第二层，也就是数据链路层，而路由器则运行在第三层，即网络层，两者在运行时依赖的调控信息也不相同。

综合业务数字网络，是一种通信技术，它提供多种服务，使用单一的数字信号传输，简称为ISDN。

那个年代出现了，目的是把电话、电报等传输速度慢的业务，整合到一个通信网络里传送。

视频与多媒体信号传输需求日益增长，传统的低速率传输方式已无法满足要求，速率在2Mb/s以下，因此出现了宽带综合业务数字网 Broadband ISDN，这种新网络取代了旧有的传输模式，旧模式被称作窄带综合业务数字网 Narrowband ISDN

随后，随着通信技术向个人通信方向发展，蜂窝网应运而生

通信网拓扑结构：

网络拓扑结构规定每两个节点必须存在直接通信路径，因此若有N个节点，总共会形成N乘以N减一除以二条连接通道，随着节点数量增长，新增连接数量会迅速增加，同时连接资源的使用效率不高，导致成本效益欠佳，这种结构可以不依赖中转设备，但若每个节点都具备中转能力，整个系统的稳定运行程度会非常出色

星形结构中，中心节点是关键枢纽，除核心点外，其余节点彼此间的联络必须经过中心节点中转，这种设置使得系统对中心节点产生高度依赖，一旦中心节点出现故障，整个网络就会陷入瘫痪状态

环形结构中，各个点均具备转接能力，任何两个位置存在双向连通路径，这种特性较星形结构更优，不过反复传递信息时，传输时间会明显增加，同时稳定度也可能随之下降。

总线形结构通过单条传输链路实现全部节点的互联互通，该链路在任一时刻仅允许一对节点进行数据交换，当接入的节点数量显著增加时，信号传输的等待时间会明显延长，因此它与环形拓扑类似，不适宜构建包含大量节点的网络环境

几项典型的通信网：

电话系统：以公共电话系统为例

本地网络中，多数电话设备借助用户线路与端局相接，单个端局通常构成星型拓扑结构，端局之间则经由大容量电缆，通过中继线路实现互联

国内长途网：分为四级树状结构

国际长途网：每个国家至少设定一个，连入国际网

我国当前公共电话网络里，用户电话机到交换中心的线路属于模拟类型，而交换中心内部的中继线路则采用数字形式。

电话机信令分为两类：拨号脉冲和双音多频

拨号信号每个单位持续100毫秒，脉冲数量对应数值，其中零需要十个脉冲，整体平均通话时间约为0.55秒。

双音多频方案包含16种频率搭配，每两种音调代表一位数字，总共能区分出16种组合，目前已经有12种被实际应用，除了用于表示0到9这十个阿拉伯数字外，还额外增加了星号和井号两种符号。

电话网性能指标有两个：话务量和呼损率

话务量：单位时间内 每次平均呼叫时间*呼叫次数

成功话务量：单位时间内 每次平均呼叫时间*呼叫成功的次数

呼损率：

1、成功话务量/话务量

数据通信网，其传输信息涵盖书信、通话、图像、影像、电脑程序、资料、管理命令等，实际上，它已部分替代了传统电话网络，不过并未完全取而代之。

依据覆盖范围，可划分为局域网和广域网

通信协议：即数据通信网中的信令

通信网中交换方式分为两大类：电路交换和信息交换

电路交换需要通话期间一直维持一条连接线路，这种方式会消耗时间资源，信息交换则采用存取转发机制，发送的数据先暂存再依据信令传送，直至抵达终点，这种做法虽然节省了时间，却会产生延迟现象，解决缓冲延迟的方法是分组交换，把整个报文分割成多个部分，并逐一编号发送，虽然并行传输无法确保每部分都准时到达，但能维持一定的时效性，而且如果所有分组都经过同一路由并采用相同处理手段，可以看作是形成了一条虚拟的传输通道

通信规则涵盖了诸多细节，包括拨号信号的时间宽度，双音多频信号的音调数值，以及应答音和占线音的音高与时长，还有两者之间的停顿间隔，所有这些内容都是终端设备和交换系统必须遵循的标准。

网络体系结构包含七个层级，分别是物理接口部分，数据通信管理部分，数据传输路径选择部分，端到端数据交换部分，连接建立与终止部分，数据格式转换部分，以及用户直接交互部分。

网络接口层涉及HDLC协议，网络层负责选择合适的路由和交换节点，确保数据能够无障碍地传输到目标IP地址，同时处理IPX协议，传输层则包含TCP和UDP协议，应用层则涵盖了HTTP、SMTP和FTP协议

以太网：局域网的典型代表。星形结构，中心是集线器

集线器主要有两种类型，一种是转发式网络集线器，它将某台设备发出的信号传送给所有其他已连接的设备，由目标设备自行决定是否接收，而非目标设备则选择忽略，另一种是开关式网络集线器，它只会将信号直接发送给特定的目标设备。

光缆有两种类型：一种是小直径光纤，传输频带宽，不过接续比较麻烦，通常用于长距离通信；另一种是大直径光纤，常用于内部网络连接。

网络传输中，信息以数据包形式进行交互，其中一个关键方法是载波监听多路访问/冲突检测技术，该技术要求所有设备在传输前先判断线路是否空闲，仅在线路空闲时才进行信息发送，然而存在一个难题，若两台设备同时判断线路空闲且同时开始传输，就会产生碰撞现象导致数据包损坏，为了应对这种情况，设备在确认线路空闲后会等待一个随机选择的时间再重新发送，这样随机数值较小的设备能够优先发送，这个随机选择的时间被称为回退时间。依据网络繁忙状况，能够调节最长的补偿时限，在比较繁忙时增加这个时限，而在相对清闲时则可以降低它。

以太网传输的数据单元由两个主要构成部分组成，分别是头部和主体，这可以类比为信封和信函的对应关系，信封上必须记录有收件人和发件人的信息，以及校验序列，而信函本身则是实际要传递的信息。在数据单元的最前端，会设置一个64位的同步序列，其中包含56位特定的二进制序列1010101010交替重复的模式首先识别出帧起始标记(由特定比特序列构成)，然后获取目标MAC地址(六十四位二进制数，全为1代表向所有设备广播)，接着是源MAC地址(同样为六十四位二进制数)，紧接着是类型标识符(十六位二进制数，用于指示上层协议)，随后传输有效载荷(最多可达一万二千位二进制数据)，最后是错误检测与纠正码(三十二位二进制校验值)。

蜂窝式网络：一种移动通信系统的典型形式，1981年由瑞典爱立信在北欧地区创建了首个此类网络。蜂窝布局里，每个小区采用六边形来界定范围，这种设计能实现区域的全覆盖，并且单个区域形状近似圆形，在微波频段，电磁波主要在视线距离内传输，当距离增大时，相同频段之间互不干扰，为了确保安全，邻近的两个小区不会使用相同的频段，即便如此，频段复用率依然很高，当用户数量增加时，可以缩小服务范围，比如降低基站天线高度和发射能力，以此增加频段复用效率。

蜂窝网络存在一个不足之处，就是必须在每个区域的核心位置设立一个信号发射站，也就是基站，从理论上分析，这种网络能够实现全球范围内的连续覆盖，然而在沙漠地带、广阔海洋以及崇山峻岭这些地方，部署蜂窝网络相当困难，所以未来的发展方向或许在于卫星通信系统，其中“铱”系统就是一个突出的范例，它已经具备了全球范围的覆盖能力，不过如果想要进一步增强其性能，就必须采用更先进的技术手段，比如增加卫星数量、缩短卫星运行轨道高度以及提高数据传输速度等等。

二、通信发展史(三代)及其主要特征

第一代是模拟通信，其核心特色在于运用频分多址方法，这种技术的专业叫法是frequency-division multiple access。

FDMA 定义：利用不同的频率分割成不同信道的多址技术

该通信系统的基站需要同步发出和接收多种不同频率的信号，任何两个移动用户之间的交流都要通过基站进行转接，所以必须同时使用四个频道才能完成双向通信。不过，移动台通信时使用的频道并非事先指定，通常在建立联系期间由系统控制中心即时指派，联系结束后，移动台会腾出它占用的频段，这些频段便可被其他用户再次利用。

第二代是数字通信，其核心特征包括时分多址和码分多址，时分多址又称为tdma

其核心在于分时共享，信息以单元形式发送，每个单元包含若干时段，每个时段专供一个用户传送数据。

通信网不断进步，时分复用设备的各路输入信号已经不再是单一路模拟信号，它们在通信网中反复多次使用，低层级的复用信号通过合并再次复用形成高层级的复用信号，这个操作叫做复接。

码分多址技术也就是cdma

它不属于时分复用和频分复用的范畴，而是借助诸如波形这类特征来区分各个子信道，借鉴一位网友的比喻，假设许多人挤在同一个屋子里，倘若他们用相同的语言（波形）同时交谈，我们便难以分辨哪些信息需要接收，但倘若他们使用不同的语言交谈，我们就能筛选掉那些不相关的信息，这就是cdma的基本原理，因此无需划分频段或时隙也能同时传送多条信号，增强了信道的利用效率，进而提高了传输的速度。

数字信号传输比模拟信号传输具备诸多优势，例如抗干扰性能卓越、传输错误易于管理、保密程度高，不过数字信号传输存在一个不足之处，那就是通常需要更宽的传输频带，以电话通信为例，单路模拟语音通话仅需要4千赫兹的频带宽度，而单路音质相近的数字电话却要占用20至60千赫兹的频带范围。

第三代技术，与第二代相比，关键优势在于带宽的显著提升，这让它能够传送图像以及各种多媒体信息。

同样使用了tdma和cdma技术，通信能力进一步提升。

当前我们正处在第四代通信技术的变革之中，回顾通信行业的发展历程，其实每一次变革都是由用户需求的不断提升所驱动的，俗话说得好，没有什么是彻底的革命，都是循序渐进的进化，通信、计算机乃至整个IT领域都是如此，我们常常遇到网页加载缓慢的情况，网银系统存在安全隐患，网络游戏出现延迟现象等等，这些问题的存在，都在不断推动着技术的革新与进步。

三、通信业划时代事件

电报技术诞生于1844年5月24日，莫尔斯向巴尔的摩发送了人类有史以来第一条电文，内容是“上帝创造了何等奇迹”，这一创举揭开了人类借助电信号传递消息的序幕。此外，还有一个事件值得一提，1912年“泰坦尼克”号遭遇冰山撞击时，通过电报发出了“SOS，紧急求助，我们撞上了冰山”的求救信号。那艘位于数英里之外的“加利福尼亚”号邮轮原本可以救助许多人的性命，可船上负责通讯工作的人员当时不在岗，所以未能收到相关通知。自那以后，所有船只都启用了全天候的无线电通讯监听机制。

电话于1892年连通纽约与芝加哥的线路，电话的创造者贝尔率先进行测试通话，他开口说出了“喂，芝加哥”，这一具有划时代意义的对话内容被完整保存下来。

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