通信基础的基本概念

知识总览

需要了解以下知识：

• 信源、信宿、信道、信号

• 码元、速率、波特

• 带宽（Hz）

信源、信宿、信道、信号

信源：产生信息的源头、信息的发送方

信宿：接收信息的终点、信息的接收方

信道：信源和信宿之间的传输媒体，信号的通道

信号：数据的载体

• 数字信号：信号值为离散

• 模拟信号：信号值为连续

码元、速率、波特

码元：每一个信号就是一个码元

对于数字信号：

码元的状态对应着一个信号周期内的电压大小，不同的电压大小代表不同的码元

而对于模拟信号：

码元的状态对应着一个信号周期内的电压大小和时间的关系，不同的关系代表不同的码元

如果一个码元（即一个信号）可能有两种状态，那么可以称这个码元为二进制码元，也称为双极性码元，每个码元携带1bit数据。

类似的如果一个码元（即一个信号）可能有四种状态，那么可以称这个码元为四进制码元，也称为四极性码元，每个码元携带2bit数据。

注意

一个码元可以携带多少bit数据，取决于一个信号周期内可能出现的 $k$ 种信号。

对于信号数量 $k$ 有以下数量关系：

$$1 \text{码元} = \log_2 k \text{ bit}$$

在探讨数据传输效率时，可以通过速率来进行衡量

速率有两种指标分别为：波特率、比特率

	波特率	比特率
定义	每秒传输的码元量	每秒传输的比特数
单位	码元/s、波特（Baud）	bit/s、b/s、bps

信道的极限容量

需要了解的知识：

• 回顾：信道 带宽（Hz） 的概念

• 噪声的概念 —— 噪声会影响信道数据传输的效果

• 奈奎斯特定理 —— 无噪声情况下信道的极限波特率

• 香农定理 —— 有噪声情况下信道的极限比特率

噪声

对信道产生干扰，影响信道传输的效率

电路中的噪声主要来源于其他电磁波和磁场

奈奎斯特定理（奈式准则）

奈奎斯特定理：对于一个理想低通信道（没有噪声、带宽有限的信道）

他的极限波特率为 $2W$ （单位：波特，即码元/s），其中 $W$ 为信道的频率带宽（单位：Hz）

换算为比特率为 $2W \times \log_2 k$ （单位：bps），其中 $k$ 为码元的数量

奈奎斯特定理表明：

• 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元

• 带宽越大，信道传输码元的能力就越强

• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

香农定理

香农定理：对于一个实际信道（有噪声、带宽有限的信道）

他的极限比特率为 $W \log_2 (1 + \frac{S}{N})$ （单位：bps），其中 $W$ 为信道的频率带宽（单位：Hz），$\frac{S}{N}$ 为信噪比

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）：

$$\frac{S}{N} = \frac{\text{信号功率}}{\text{噪声功率}} = \frac{P_s}{P_n}$$

在通信领域中往往$\frac{S}{N}$的值会非常大，常常会采用分贝（dB）作为单位

$$\frac{S}{N} = 10 \times \log_{10} \frac{P_s}{P_n}$$

注意

香农定理中的信噪比指的是无单位的信噪比，即 $\frac{S}{N}$ 的值，而不是分贝（dB）

香农定理表明：

• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率

• 结合奈奎斯特定理和香农定理，可以得到：

  • 在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的