通信原理之通信系统的分类

痕迹资料库 2024-08-04

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通信系统可以根据多种标准进行分类，以下是几种主要的分类方式：

1. 按传输媒质分类

· 有线通信系统：使用物理导线或光纤作为传输媒介

传统的固定电话网络是最典型的有线通信系统之一。它使用铜线或光纤连接用户家庭与电话交换机，实现语音通信；通过同轴电缆或光纤网络向用户家庭传输电视节目信号。现代有线电视系统还可以提供互联网接入和电话服务，形成'三网合一'；使用海底光缆实现跨洋通信，是国际通信的重要基础设施。

· 无线通信系统：利用电磁波在空间传播

无线通信系统的典型应用体现在我们日常使用的手机上。无线移动通信系统的发展始于20世纪80年代的1G语音通话，随后在90年代，2G网络带来了短信服务（SMS）。这两代通信系统均采用电路交换技术。第三代（3G）网络标志着一个转变，开始采用分组交换技术提供数据服务。3G使得21世纪初用户之间可以共享多媒体内容。4G网络实现了完全的分组交换通信，允许用户全天候上网。4G网络也催生了机器对机器通信，即物联网（IoT）概念。无线通信系统持续快速发展，至2020年代已迎来第五代通信系统。5G技术实现了高达20 GHz的通信速度，这些速度使得超可靠低延迟通信（uRLLC）、增强型移动宽带（eMBB）和大规模机器类型通信（mMTC）成为现实。这一阶段标志着从物联网（IoT）向万物互联的过渡。通信系统、应用程序和服务通过采用人工智能、区块链、大数据等技术变得更加智能。智能家居、智能城市、智能健康系统和自动驾驶汽车已成为我们生活的重要组成部分，它们使日常生活更加便捷、高效。

2. 按信号特征分类

· 模拟通信系统：传输连续变化的信号

· 数字通信系统：传输离散的数字信号

樊昌信版教材里P7中写出按照信道中所传输的信号是模拟的还是数字的来区分模拟通信系统和数字通信系统，博主认为是有问题的。因为数字通信系统经过D/A转换后在信道上比如大气中传输的信号也是模拟信号，模拟通信系统与数字通信系统的区别主要应该是在信源。

在上篇文章《通信世界的数字革命：从模拟到数字技术的演变》中我们提到尽管模拟系统在某些领域仍有其应用，但通信世界已经普遍转向了数字化。这一转变不仅提高了我们通信的质量和可靠性，还为信息处理和共享开辟了新的可能性。展望未来，数字通信的原理将继续塑造我们日益紧密相连的世界，并推动从5G网络到量子通信等各个领域的创新。

从模拟到数字通信系统的转变不仅仅是技术上的进步；它象征着我们对信息控制、操纵和利用能力的不断增强。随着我们不断探索通信技术的新边界，我们可以预期在连接、共享和理解我们的世界方面将出现更多革命性的变化。

3. 按调制方式分类

· 基带传输系统：直接传送未经调制的信号

下图展示了一个理想的二进制数字脉冲沿着传输线传播，脉冲形状会随着线路长度的增加而退化。在信号仍可被可靠识别的传播距离内，数字放大器会放大脉冲，恢复其原始的理想形状，实现信号的再生。这个系统中的脉冲信号就是未经载波调制的基带信号。

· 带通传输系统：对信号进行调制后传输

调制过程可以这样理解：将信息信号叠加在高功率、高频率的载波信号上进行传输。通信环境中的电磁信号通常呈现为正弦波形。正弦波的三个关键变量是幅度、频率和相位，它们共同决定了信号的基本特性。

4. 按通信业务分类

· 电报通信系统

莫尔斯电码是一种早期的通信编码方式，通过一系列的点（短按）和划（长按）来表示字母、数字和标点符号。电报机利用莫尔斯电码实现信息的传输和接收。

· 电话通信系统

贝尔最初的研究集中在改进电报系统上。当时的电报只能一次传输一条消息，贝尔希望通过谐波电报系统（Harmonic Telegraph）实现多条消息的同时传输。这个研究方向最终引导他走向电话的发明。1875年，贝尔和他的助手托马斯·沃森（Thomas Watson）进行了一系列实验，试图通过电流传输声音。1876年3月10日，贝尔在实验中成功地通过电线传递了清晰的语音信号，他对沃森说：“沃森先生，请过来，我需要你。”这是历史上第一次通过电话传递语音。

· 数据通信系统

数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。它是计算机与通信技术结合的产物，广泛应用于各类信息传输和处理场景中。最常用的数据通信系统就是互联网。

· 图像通信系统

图像通信系统是一种专门用于传输和处理图像数据的通信系统。它在现代通信中扮演着越来越重要的角色，广泛应用于视频会议、远程医疗、安防监控等领域。下图为DJI的带图传功能的无人机。

5. 按工作波段分类

频率与波长是描述电磁波特性的两个重要参数,它们之间存在着明确的数学关系。以下是频率与波长的计算关系及相关说明: 基本关系式:

其中: 是电磁波在介质中的传播速度(单位:m/s)

是频率(单位:Hz)

(lambda)是波长(单位:m)

在真空或空气中: 电磁波的传播速度约为光速

计算示例:

如果已知频率 f = 100 MHz,求波长:

根据通信系统的工作频率/波长的不同，可分为：

· 长波通信

长波通信（频率大致范围: 30 kHz - 300 kHz，波长范围: 10 km - 1 km）可以在地球表面传播很远的距离，适用于远程无线电通信。它在海事通信和军事通信中发挥重要作用，特别是在远距离和恶劣环境下的通信。

长波通信广泛应用于无线电导航系统，如LORAN（Long Range Navigation）系统。LORAN系统利用长波信号为船舶和飞机提供导航服务，覆盖范围广，精度较高。

长波信号具有较强的穿透能力，可以穿透海水，因此被广泛应用于水下通信，特别是潜艇通信。长波通信可以在水下实现远距离的稳定通信。

长波通信用于广播标准时间和频率信号，全球多个国家的标准时间广播站利用长波频段向公众提供精确的时间和频率参考。

· 中波通信

中波通信（频率范围: 300 kHz - 3 MHz，波长范围: 1 km - 100 m）最广泛的应用是调幅（AM）广播。AM广播电台使用中波频段向广大听众传送音频节目。由于中波信号可以在地面波传播方式下覆盖较大的区域，AM广播在城市和农村地区都能提供良好的接收效果。

中波频段在海事通信中也有重要应用。船舶使用中波频段进行船对岸和船对船的通信，确保航行安全。中波信号在海面上的传播效果较好，适合远距离通信。

在航空通信中，中波频段用于无线电导航和通信系统，如无线电罗盘（NDB, Non-Directional Beacon）。这些系统帮助飞机在飞行过程中确定方位和位置。

· 短波通信

短波频段（频率范围: 3 MHz - 30 MHz，波长范围: 100 m - 10 m）广泛用于国际广播电台，通过短波信号向全球听众传送新闻、音乐和其他节目内容。短波信号可以通过电离层反射传播，覆盖全球范围。

短波通信在海事通信中发挥重要作用，特别是远洋船舶之间的通信。短波信号能够在海面上传播很远的距离，确保船舶在远离陆地时仍能保持联系。

业余无线电爱好者使用短波频段进行通信和实验。短波频段允许业余无线电操作员进行全球范围的通信，参与国际无线电竞赛和技术研究。

· 远红外线通信

红外线通信利用波长在3um-1mm范围内的电磁波进行信息传输。发射端将电信号调制到远红外线上，接收端接收并解调信号以获取信息。远红外线信号沿直线传播，不能穿透障碍物,通常适用于10米以内的近距离通信。最常见的应用是电视、空调等家电的遥控器。

6. 按信号复用方式分类

频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）是三种常见的信道复用技术，用于在同一传输介质上同时传输多个信号。

· 频分复用系统

频分复用通过将总带宽划分为多个频率子带，每个子带传输一个独立的信号。各个信号在频域上互不重叠，因此可以同时传输。FDM的多路复用/解复用应用方案如下图所示。

调制、滤波和解调过程应用于FDM中的基带信号如下所示：信息信号通过发送端上的不同信道传输，用不同频率的载波调制，并传递到传输介质。在接收端，通过仅提供所需载波频率的“带通”滤波器进行分类和解调来获得相关信息信号。

· 时分复用系统

时分复用（TDM）通过将时间划分为多个时隙，每个时隙传输一个独立的信号。各个信号在时域上互不重叠，因此可以同时传输。

时分复用（TDM）通过保持频率恒定，将时间域划分为多个信道。每个时间槽内，一个终端进行通信，其他终端则处于等待状态。这个过程会随时间循环进行。TDM技术通过在单条线路上以固定时间间隔发送不同信号来实现数字复用。时间被划分为多个时间槽，用以发送信息信号。复用器和解复用器在两端同步操作，实现信号的同时切换。