通信基础（信道/信号/调制）

考情分析

通信基础是物理层的入门知识，408 中通常以选择题形式考察信道分类（单工/半双工/全双工）、信号类型、调制方式等概念辨析。理解这些基础概念是学习奈奎斯特定理和香农定理的前提。

考频：★★☆

几个基本概念

数据、信号、信道

数据（Data）：传递信息的实体，分为模拟数据（连续变化）和数字数据（离散值）
信号（Signal）：数据在传输过程中的电气或电磁表现形式，分为模拟信号和数字信号
信道（Channel）：信号传输的通道。一条物理链路上可以有多个信道（通过复用技术）

信道和链路不是一回事——链路是物理线路，信道是逻辑通路。一条链路上可以通过频分复用等技术划分出多个信道。

码元

码元是信号中携带信息的最小单位，一个码元对应一个信号波形变化。

如果一个码元只有 2 种状态（0 和 1），那么一个码元携带 1 bit 信息
如果一个码元有 4 种状态，那么一个码元携带 $\log_{2} 4 = 2$ bit 信息
如果一个码元有 $V$ 种状态，那么一个码元携带 $\log_{2} V$ bit 信息

这个概念直接关联到后面的奈奎斯特定理。

信道的通信方式

按通信方向分为三种：

类型	方向	说明	举例
单工通信	A -> B	只能单向传输，任何时候都不能反向	广播、电视
半双工通信	A <-> B（交替）	双方都能发送，但不能同时	对讲机
全双工通信	A <=> B（同时）	双方可以同时发送和接收	电话、TCP 连接

全双工通信需要有两条独立的信道（一条发送、一条接收），或者采用特殊技术在一条线路上实现双向同时传输。

模拟信号 vs 数字信号

	模拟信号	数字信号
波形	连续变化的波形	离散的脉冲序列
取值	无限多个值	有限个离散值
抗干扰	弱（噪声累积放大）	强（可以再生恢复）
传输距离	长距离需放大器，噪声同时被放大	长距离用中继器再生，不累积噪声
举例	传统电话语音	计算机网络中的数据传输

数字信号在传输过程中如果被噪声干扰，只要失真不太严重，接收端可以通过判决门限恢复出原始的 0/1，这是数字信号的核心优势。

基带传输与宽带传输

基带传输

将数字信号直接发送到信道上（不经过调制），信号占据从 0 到某个频率的整个基带范围。

适用场景：近距离通信（局域网内部）。因为数字信号的频率成分很丰富，传输距离长了会严重衰减。

频带（宽带）传输

将数字信号通过调制搬移到较高的频率范围后再传输。

适用场景：远距离通信。调制后的信号可以利用特定的频带传输，且可以在同一条链路上通过频分复用实现多路传输。

调制方式

调制就是将数字信号的 0/1 信息"编码"到模拟载波信号上。载波信号有三个可调参数：幅度、频率、相位。

基本调制方式

调制方式	全称	原理	每码元比特数
ASK	幅移键控	用载波幅度的变化表示 0/1	1 bit
FSK	频移键控	用载波频率的变化表示 0/1	1 bit
PSK	相移键控	用载波相位的变化表示 0/1	1 bit

以二进制 ASK 为例：发送 1 时输出载波信号，发送 0 时不输出信号（或输出低幅度信号）。

以二进制 PSK 为例：发送 0 时载波相位为 0°，发送 1 时载波相位为 180°。

基本调制方式每个码元只有两种状态，所以每个码元只携带 1 bit。

混合调制

为了提高每个码元携带的比特数，可以同时调制多个参数。最常见的是 QAM（正交幅度调制），同时调制幅度和相位。

QAM 的数据传输速率公式（高频考点）：

R = B \times \log_{2} (m \times n)

其中 $B$ 为波特率， $m$ 为相位数， $n$ 为每个相位的振幅数， $m \times n$ 即总状态数 $V$ 。

以 16-QAM 为例：可以用 4 个相位 × 4 种振幅 = 16 种状态，每码元携带 $\log_{2} 16 = 4$ bit。

常见 QAM 方案：

调制方案	总状态数	每码元比特数
QAM-4	4	2 bit
QAM-16	16	4 bit
QAM-64	64	6 bit
QAM-256	256	8 bit

QAM 的状态越多，每码元携带的比特数越多，但对信道质量（信噪比）的要求也越高。

典型考法：给出带宽和 QAM 方案，结合奈奎斯特定理求最大数据传输速率。例如：带宽 3 kHz，采用 4 个相位、每个相位 4 种振幅的 QAM，最大速率 = $2 \times 3 k \times \log_{2} 16 = 24$ kbit/s。

交互可视化

下面的可视化展示了信道概念、信号类型和基本调制方式的对比。

加载可视化中...

模拟数据的数字化（PCM）

在实际通信中，数据和信号之间有四种转换关系：

数据类型	目标信号	转换方式	示例
数字数据	数字信号	编码	曼彻斯特编码、NRZ
数字数据	模拟信号	调制	ASK、FSK、PSK、QAM
模拟数据	数字信号	PCM 脉冲编码调制	电话语音数字化
模拟数据	模拟信号	调制	AM、FM、PM

408 重点考查的是第三种——PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制），它将模拟信号转换为数字信号，分为三个步骤：

1. 采样（Sampling）

按固定频率对模拟信号的幅值进行取样，将连续时间信号变为离散时间信号。

关键定理——采样定理（奈奎斯特采样定理）：

f_{s} \geq 2 f_{max}

其中 $f_{s}$ 是采样频率， $f_{max}$ 是信号的最高频率分量。只有采样频率不低于信号最高频率的 2 倍，才能从采样值中无失真地恢复出原始信号。

2. 量化（Quantization）

将采样得到的连续幅值映射到有限个离散等级。例如用 256 个等级（8 位）来表示幅值，则每个样本的量化误差不超过一个量化间隔。

量化级数越多，精度越高，但每个样本需要的编码位数也越多。

3. 编码（Encoding）

将量化后的离散值用二进制码字表示。例如 256 个等级需要 $\log_{2} 256 = 8$ 位二进制编码。

电话系统的 PCM 参数

这是 408 最常考的 PCM 应用实例：

参数	值	说明
语音频率范围	300 ~ 3400 Hz	人耳能感知的语音频率
信号最高频率	约 4000 Hz	取 $f_{max} = 4000$ Hz
采样频率	8000 Hz	$f_{s} = 2 \times 4000 = 8000$ 次/秒
量化位数	8 位	256 个量化等级
数据率	64 kbit/s	$8000 \times 8 = 64000$ bit/s

一路标准数字电话的数据率是 64 kbit/s，这也是数字传输系统中"一个话路"的基本带宽单位。

信道的极限容量

信道传输数据的能力不是无限的，受到两个因素的制约：

信道带宽（频率范围有限） -> 奈奎斯特定理
信道噪声（信噪比有限） -> 香农定理

这两个定理是下一篇的主题，这里先建立直觉：带宽越大、信噪比越高，信道能传输的数据速率越高。

疑难点

传输速率和传播速率有什么区别？

传输速率（比特率）是发送端把比特"推"到链路上的速度，单位 bit/s，取决于发送设备和编码方式。传播速率是信号在介质中"跑"的速度，单位 m/s，取决于介质的物理特性。两者完全独立——提高带宽不会让信号传播更快，只是让发送端每秒能推出更多比特。类比：一队士兵过桥，传输速率是士兵"踏上桥"的频率（每秒几个人上桥），传播速率是每个士兵过桥的步行速度。

为什么码元速率越高、距离越远、噪声越大，失真就越严重？

信号在信道中传输时，高频分量衰减更快。码元传输速率越高，信号变化越快，高频分量越丰富，经信道传输后波形失真越大。传输距离越远，信号衰减越多。噪声叠加在信号上，信噪比越低，接收端越难正确判决。三个因素都导致同一个结果：接收端收到的波形与发送端的差异越大，误码率越高。奈奎斯特定理给出了无噪声信道的码元速率上限，香农定理给出了有噪声信道的信息速率上限，实际信道容量取两者中较小值。

易错点

1. 码元速率和比特速率的区别

码元速率（波特率，单位 Baud）是每秒传输的码元数。比特速率 = 码元速率 x 每码元比特数。只有每码元恰好 2 种状态时，波特率才等于比特率。

比 特 率 (b i t / s) = 波 特 率 (B a u d) \times \log_{2} V

其中 $V$ 是每个码元的状态数。

2. 单工 vs 半双工的判断

半双工是双方都能发但不能同时发，不要理解成"只有一个方向能发"。单工才是永远只有一个方向。

3. 基带传输不等于数字传输

基带传输是指不调制直接传输，但传输的信号仍然可以是经过编码的（比如曼彻斯特编码）。基带传输强调的是频带范围从基频开始，而不是信号是否为数字信号。

高频考点清单

单工/半双工/全双工的区别
码元的概念，码元状态数与携带比特数的关系（ $\log_{2} V$ ）
四种基本调制方式：ASK、FSK、PSK、QAM
QAM 的每码元比特数计算
波特率和比特率的换算公式
基带传输和频带传输的区别

交互体验

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真题练习

100BaseT 中 T 代表双绞线（Twisted Pair）

通信基础以太网

物理地址（MAC 地址）属于数据链路层，不属于物理层

通信基础

信号传播速度影响传播时延，不影响数据传输速率

通信基础奈奎斯特/香农

过程特性定义各信号线上事件的发生顺序

通信基础

波特率与比特率的关系：比特率 = 波特率 × log₂(相数)

编码与调制通信基础

通信基础（信道/信号/调制）

考情分析

几个基本概念

数据、信号、信道

码元

信道的通信方式

模拟信号 vs 数字信号

基带传输与宽带传输

基带传输

频带（宽带）传输

调制方式

基本调制方式

混合调制

交互可视化

模拟数据的数字化（PCM）

1. 采样（Sampling）

2. 量化（Quantization）

3. 编码（Encoding）

电话系统的 PCM 参数

信道的极限容量

疑难点

易错点

高频考点清单

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1. 采样（Sampling） ​

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