# 2.1 通信基础

## 一、基本概念

### 1.1 数据、信号、码元

**数据**：
- 运送消息的实体
- 通常是有意义的符号序列
- 如：文字、图像、音频

**信号**：
- 数据的电气或电磁表现
- 是数据在传输过程中的存在形式

**码元**：
- 在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
- 一个码元可以携带多个比特的信息

### 1.2 信源、信道、信宿

**信源**：
- 产生和发送数据的源头
- 如：计算机、手机

**信道**：
- 信号传输的通道
- 包括传输介质和相关设备

**信宿**：
- 接收数据的终点
- 如：计算机、手机

### 1.3 通信方式

#### 单工通信

**特点**：
- 只能单向传输
- 一方只能发送，另一方只能接收

**例子**：
- 广播
- 电视

#### 半双工通信

**特点**：
- 可以双向传输，但不能同时进行
- 同一时刻只能单向传输

**例子**：
- 对讲机
- 步话机

#### 全双工通信

**特点**：
- 可以同时双向传输
- 需要两条信道

**例子**：
- 电话
- 现代网络通信

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## 二、信号类型

### 2.1 模拟信号

**定义**：
- 连续变化的信号
- 取值连续

**特点**：
- 波形连续
- 可以表示任意值

**例子**：
- 声音信号
- 温度信号

### 2.2 数字信号

**定义**：
- 离散的信号
- 取值有限

**特点**：
- 波形离散
- 只有有限个取值（通常是0和1）

**例子**：
- 计算机数据
- 数字通信

### 2.3 模拟信号与数字信号的比较

| 特性 | 模拟信号 | 数字信号 |
|-----|---------|---------|
| 取值 | 连续 | 离散 |
| 抗干扰 | 弱 | 强 |
| 传输质量 | 易衰减 | 可中继再生 |
| 处理 | 复杂 | 简单 |
| 保密性 | 差 | 好 |
| 集成度 | 低 | 高 |

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## 三、调制与编码

### 3.1 为什么要调制

**原因**：
- 数字信号不适合直接传输
- 需要转换为适合信道传输的形式
- 实现频分复用

### 3.2 基带传输与频带传输

#### 基带传输

**定义**：
- 直接在信道中传输基带信号
- 不经过调制

**适用**：
- 近距离传输
- 有线信道（如以太网）

**特点**：
- 信号频率低
- 传输距离短

#### 频带传输

**定义**：
- 将基带信号调制到高频载波上再传输
- 经过调制

**适用**：
- 远距离传输
- 无线信道

**特点**：
- 信号频率高
- 传输距离远

### 3.3 调制方式

#### 数字调制（数字信号→模拟信号）

**ASK（幅移键控）**：
- 用载波幅度的变化表示数字信号
- 0：无载波
- 1：有载波

**FSK（频移键控）**：
- 用载波频率的变化表示数字信号
- 0：频率f1
- 1：频率f2

**PSK（相移键控）**：
- 用载波相位的变化表示数字信号
- 0：相位0°
- 1：相位180°

**QAM（正交振幅调制）**：
- 同时改变幅度和相位
- 可以表示更多状态

#### 模拟调制（模拟信号→模拟信号）

**AM（调幅）**：
- 载波幅度随基带信号变化

**FM（调频）**：
- 载波频率随基带信号变化

**PM（调相）**：
- 载波相位随基带信号变化

### 3.4 编码方式

#### 数字数据→数字信号（编码）

**不归零编码（NRZ）**：
- 高电平表示1，低电平表示0
- 简单，但存在直流分量
- 无法判断连续0或1的个数

**曼彻斯特编码**：
- 每个比特中间都有跳变
- 跳变方向表示数据
- 自带时钟信号
- 效率50%

**差分曼彻斯特编码**：
- 每个比特中间都有跳变（时钟）
- 比特开始处是否有跳变表示数据
- 有跳变表示0，无跳变表示1
- 抗干扰能力强

**4B/5B编码**：
- 4位数据编码为5位
- 保证有足够的跳变
- 效率80%

#### 模拟数据→数字信号（PCM）

**PCM（脉冲编码调制）**：
- 采样：按采样定理采样
- 量化：将采样值量化为离散值
- 编码：将量化值编码为二进制

**采样定理**：
- 采样频率 ≥ 2 × 信号最高频率
- 才能无失真恢复原信号

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## 四、传输介质

### 4.1 双绞线

**结构**：
- 两根绝缘铜线绞合
- 减少电磁干扰

**类型**：
- **UTP（非屏蔽双绞线）**：无屏蔽层，成本低
- **STP（屏蔽双绞线）**：有屏蔽层，抗干扰强

**类别**：
- Cat5：100MHz，100Mbps
- Cat5e：100MHz，1Gbps
- Cat6：250MHz，1Gbps
- Cat6a：500MHz，10Gbps

**应用**：
- 以太网
- 电话线

### 4.2 同轴电缆

**结构**：
- 内导体 + 绝缘层 + 外导体屏蔽层 + 外护套

**类型**：
- **基带同轴电缆**：50Ω，用于数字传输
- **宽带同轴电缆**：75Ω，用于模拟传输

**应用**：
- 有线电视
- 早期以太网

### 4.3 光纤

**原理**：
- 利用光的全反射传输信号
- 光信号在光纤中传输

**结构**：
- 纤芯（高折射率）
- 包层（低折射率）
- 护套

**类型**：
- **单模光纤**：
  - 纤芯细（8-10μm）
  - 使用激光光源
  - 传输距离远（几十公里）
  - 带宽大
  - 成本高

- **多模光纤**：
  - 纤芯粗（50-62.5μm）
  - 使用LED光源
  - 传输距离近（几公里）
  - 带宽较小
  - 成本低

**优点**：
- 带宽大
- 传输距离远
- 抗电磁干扰
- 重量轻
- 安全性高

**缺点**：
- 成本高
- 接口复杂
- 不能弯折太厉害

**应用**：
- 主干网
- 数据中心
- 长距离通信

### 4.4 无线传输

**无线电波**：
- 频率：3kHz - 1GHz
- 传播距离远
- 穿透能力强

**微波**：
- 频率：1GHz - 300GHz
- 直线传播
- 需要中继站

**红外线**：
- 频率：300GHz - 400THz
- 直线传播
- 不能穿透障碍物

**激光**：
- 频率高
- 直线传播
- 用于空间通信

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## 五、信道复用技术

### 5.1 频分复用（FDM）

**原理**：
- 将信道带宽划分为多个频带
- 每个信号占用不同的频带
- 频带之间有保护带

**特点**：
- 模拟信号
- 同时传输
- 需要调制

**应用**：
- 广播电视
- 无线电广播

### 5.2 时分复用（TDM）

**原理**：
- 将时间划分为等长的时隙
- 每个信号轮流占用信道

**特点**：
- 数字信号
- 轮流传输
- 需要同步

**类型**：
- **同步TDM**：时隙固定分配
- **异步TDM（统计TDM）**：时隙动态分配

**应用**：
- 数字通信系统
- 电话系统

### 5.3 波分复用（WDM）

**原理**：
- 光纤中的频分复用
- 不同波长的光信号复用

**特点**：
- 光纤通信
- 容量大

**应用**：
- 光纤主干网

### 5.4 码分复用（CDM）

**原理**：
- 每个用户分配不同的编码
- 编码正交，可以同时传输
- 接收端用相应编码解码

**特点**：
- 抗干扰能力强
- 保密性好

**应用**：
- CDMA移动通信

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## 六、考研重点

1. **基本概念**：
   - 数据、信号、码元
   - 信源、信道、信宿
   - 通信方式：单工、半双工、全双工
2. **信号类型**：模拟信号、数字信号
3. **调制与编码**：
   - 基带传输与频带传输
   - 数字调制：ASK、FSK、PSK、QAM
   - 编码方式：NRZ、曼彻斯特、差分曼彻斯特
   - PCM：采样定理
4. **传输介质**：
   - 双绞线：UTP、STP
   - 同轴电缆
   - 光纤：单模、多模
   - 无线传输
5. **信道复用技术**：
   - FDM、TDM、WDM、CDM

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*下一节：2.2 传输介质*