什么是通信原理？原來這么簡單
什么是通信(Communication)?
簡單來說，通信就是傳遞信息。我把我的信息發給你，你把你的信息發給我，這就是通信。
通信的官方定義更加嚴謹一些——人與人，或人與自然之間，通過某種行為或媒介，進行的信息交流與傳遞，叫做通信。
也就是說，通信不僅限于人類之間的信息交換，也包括自然萬物。
還是從我們人類開始說起吧，畢竟在絕大部分通信場景中，人都是主體。
在人類誕生的那一刻起，通信就是生存的基本需求。新生的嬰兒，通過哭聲傳遞饑餓的信息，給自己的母親，索取母乳和關愛。參與圍獵的部落成員，通過呼吼聲，召喚同伴的支援和協助。這一切，都屬于通信的范疇。
隨著人類社會組織單位的不斷變大，通信的作用也越來越大。國家之間的合縱連橫，親人之間的思念關懷，都離不開通信。通信的手段，也由面談這種近距離方式，逐漸發展出烽火、旗語、擊鼓、鳴金等多種遠距離方式。
這些通信方式，主要是通過視覺或者聽覺來實現。這就要求通信雙方之間，是可視的，或者，是可以聽見的。客觀條件的約束，就限制了通信的范圍。
而如果采用驛站或信鴿等方式，雖然一定程度上解決了范圍和距離的問題，卻帶來了時效性的問題，無法在很快的時間內送達。
19世紀電磁理論出現并成熟。在此基礎上，莫爾斯發明了莫爾斯編碼和有線電報，貝爾發明了電話，馬可尼發明了無線電報，人類就此開啟了用電磁波進行通信的近現代通信時代。通信的距離限制，不斷被突破。與此同時，長距離通信的時延，也在不斷縮小。
時至今日，我們已經全面進入了信息時代，對通信的需求和依賴變得***的強烈。像手機這樣的現代通信工具，作為每個人保持社會聯系的紐帶，變成了寸步難離的必需品。
不僅是個人，整個社會的運轉，都建立在對通信技術的依賴之上。通信技術的先進程度，成為衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。
我們無法想象，如果通信技術倒退回兩百年前，我們的世界將會是怎樣的混亂場景。
讓我們回到通信的本質。
任何通信行為，都可以看成是一個通信系統。而對于一個通信系統來說，都包括以下三個要素：信源、信道和信宿。
例如下課時，校工打鈴：校工就是信源，空氣就是信道，而老師和同學們，就是信宿。
那鈴聲是什么呢?鈴聲是信道上的信號。這個信號帶有信息，信息告訴信宿：該下課了。
更具體一點，振鈴就是發送設備，老師和同學們的耳朵，就是接收設備。
是不是所有的消息(數據)都是信息呢?是不是消息越多，信息就越多呢?
不是的。
很多人認為，消息越多，數據越多，信息量就越大，這是一個誤區。
信息量的大小，和信息出現的概率，有直接關系。簡單來說，隨機事件發生的概率越小，信息量就越大。
舉個例子，如果我告訴你，“地球是圓的”，這句話，信息量就是0。簡而言之，我說的是一句廢話。
如果我告訴你，我在某地藏了一億美金的現金，那么顯然，這個信息量就很大了。
通信技術的發展過程，說白了，就是研究如何在更短的時間，傳輸更大信息量的過程。
為了達到這個目的，信源側需要不斷升級自己的發送設備，信宿需要不斷升級自己的接收設備。而信道的介質，也在不斷升級。
根據信道介質的不同，我們將通信系統分為有線通信和無線通信。
顧名思義，采用網線、光纖、同軸電纜作為通信介質的，就是有線通信。而采用空氣甚至真空的，就是無線通信。
不管是有線還是無線，傳輸的都是電磁波——在有線電纜中，電磁波是以導行波的方式傳播，而在空氣(真空)中，電磁波是以空間波的方式傳播。
世界上沒有真正意義上的“完全”無線通信。無線通信系統中，除了信道部分會有無線環節之外，包括信源、信宿和大部分的信道，其實都是有線的。
就像我們現在使用的手機通信系統，它只有手機和基站天線之間是無線傳播，其它環節仍然是有線傳播，例如基站到機房，南京機房到上海機房，等等。
既然說到手機通信系統，那我們就多介紹一下。手機通信系統，也叫蜂窩通信系統，因為手機的通信依賴于基站，而基站小區的覆蓋范圍，看上去有點像蜂窩。
手機通信通常被稱為移動通信，移動通信屬于無線通信的一種。除了移動通信之外，Wi-Fi通信，對講機通信，衛星通信，微波通信，也都屬于無線通信。
用于無線通信的電磁波，看不見、摸不著、聽不到，卻速度極快(光也是一種電磁波，秒速30萬公里)。但是想要利用好它，并不是那么容易。
最開始有線電報的時代，我們通過電流脈沖的長短組合，來傳遞一個字母。例如字母a，就是：“· -”，一個點信號，一個長信號。發出一個完整的單詞，就要好幾秒甚至十幾秒的時間。
顯然，這種速度是無法接受的，既費時又費力。
“別提了，這破玩意差點害死我”
后來，人們開始用“波”來承載信息。
如果按波的振幅來表達0或1，振幅大的代表1，振幅小的代表0，就是調幅(AM)。
如果按波的頻率來表達0或1，波形密集的代表1，波形稀疏的代表0，就是調頻(FM)。
AM和FM，眼熟了吧?收音機上就是這么標的。
很顯然，每秒鐘發送的波形越多，傳輸的0和1就多，信息量就大。換言之，頻率越高，速率越快。
很多人問，為什么我們現在要使用高頻信號傳輸信息。上述就是主要原因之一。
不管是AM調幅還是FM調頻，都屬于我們經常說的調制。解調呢?就是在信宿那端，將信息從已調信號里提取出來。
我們以前上網用的貓(Modem)，就是調制解調器，干這個事情的。現在到處熱議的手機芯片里面的基帶芯片，說白了，也是干這個事情的。
我們目前使用的通信系統，基本上都是數字通信系統，傳輸的都是數字信號。
數字信號的常用調制方式，就是書上常說的幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)，還有正交幅度調制，也就是大名鼎鼎的QAM。我們的LTE，還有即將到來的5G，都是用的QAM。
這種很多點的圖，叫做星座圖
傳輸數據，就像汽車運貨，如果想要運輸更多貨物，一方面，可以讓馬路變寬，另一方面，也要想辦法讓自己減重。
有價值的貨物當然不能丟，但是，可以減少無價值的載重。就像人與人之間說話，要挑重點的話說，少說廢話。
這里，就涉及到編碼的技術。
編碼分為兩種，***種是信源編碼。
我們聽到的聲音，是音頻信號，看到的場景，是圖片或視頻信號。不同的信號，都有自己的編碼方式。
對于音頻信號，我們常用的是PCM編碼和MP3編碼等。在移動通信系統中，以3G WCDMA為例，用的是AMR語音編碼。
對于視頻信號，常用的是MPEG-4編碼(MP4)，還有H.264、H.265編碼。在政府企業常用的視頻會議電話系統(也是通信系統的一種)中，現在普遍開始采用的，就是H.265編碼。
除了信源編碼之外，就是信道編碼了。
信源編碼是刪除冗余信息，而信道編碼恰好相反，是增加冗余信息。
為什么呢?
這里，就要說到無線信道的復雜性了。
相對于有線信道的可靠和穩定，無線信道的問題要多很多。
無線信號在空氣中的傳輸，隨著傳輸距離的增加，本身就會有損耗。這種損耗，也叫做路徑損耗(路損)。
傳輸的過程中，遇到障礙物，如果穿透它，也會產生損耗，叫穿透損耗。
損耗和無線信號傳輸的幾種效應有密不可分的關系。例如陰影效應、多徑效應、遠近效應，還有大家一定聽說過的多普勒效應。限于篇幅和理解難度，不多做介紹。
除了這些電磁波特性造成的衰耗之外，無線通信還容易遇到各種干擾和噪聲。例如電磁干擾和頻段擠占等。
信道編碼，目的就是要對抗信道的各種不利影響。
增加冗余信息，就像在貨物邊上塞保護泡沫，保護貨物的正確運輸。如果路上遇到顛簸，發生碰撞，貨物的受損概率會降低。
去年鬧得沸沸揚揚的聯想5G標準投票事件，華為主推的Polar碼，還有高通主推的LDCP碼，說的都是信道編碼。3G/4G時代處于核心地位的Turbo碼，也是信道編碼。
對抗衰弱的辦法，除了信道編碼之外，還有分集技術和均衡技術。像現在備受關注的MIMO(多天線收發技術)，就屬于空間分集技術中的一種。簡單來說，就是一個不夠就用兩個，兩個不夠就用四個。
說完了調制和編碼，我們***再來說說復用和多址。
前面我們所說的，是一對一的通信模型。但實際生活中，我們不可能一個通信系統只給兩個人用。我們會盡可能讓更多的人可以同時使用它。這就需要用到多址技術。
說到多址，大家一定聽說過這么幾個詞：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA……
沒錯，這些都是多址技術，分別是：
FDMA：頻分多址
TDMA：時分多址
CDMA：碼分多址
SDMA：空分多址
OFDMA：正交頻分多址
多址，就是Multiple Access(多接入)。
簡單舉例，我們把頻率資源想象成一個房間，如果把房間分割成不同的空間，不同的用戶在不同的房間聊天，這就是頻分多址(FDMA)。
如果這個房間里，某一時間讓某一個人說話，下一時間段，讓另一個人說話，就是時分多址。
如果大家都用各自的語言說話，有的人說英語，有的人說法語，有的人說中文，那就是碼分多址。
利用天線的朝向來區分不同用戶，叫空分多址。(不好意思，房間的例子不適用這個)
把空間劃分成不同房間，房間和房間之間有重合，以便塞下更多的房間，這個叫做正交頻分多址。
而復用(Multiplexing)又是什么呢?復用和多址的區別，就是復用針對資源，而多址針對用戶。
舉個例子，將10MHz的頻率資源，劃分成5個2MHz，作為子信道，這種做法，叫復用。不同的用戶使用這些子信道，每個子信道變成了用戶的“址”，這叫多址。
