无线数字通信相关概念及定理

无线通信是指通过电磁波在没有物理连接的情况下进行数据传输的技术。以下是一些无线通信的基础概念：

1. 无线通信的基本原理
   电磁波：无线通信依赖电磁波（如无线电波、微波等）作为信息传输的媒介。这些波在空气或真空中传播，能够穿越不同的介质。
   调制：为了将信息（如声音、视频或数据）有效地传输，需要对电信号进行调制。常见的调制方式包括幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
2. 无线通信的组成部分
   发射器：负责生成电信号并将其调制成适合传播的电磁波。发射器通常包括信号源、调制器和天线。
   接收器：接收通过空气传播的电磁波，解调出原始信号。接收器包括天线、解调器和信号处理设备。
   天线：用于发射和接收电磁波。天线的设计和类型会影响通信的质量和范围。
3. 无线通信的类型
   点对点通信：在两个设备之间直接传输数据，例如蓝牙或Wi-Fi。
   广播通信：通过单一发射器将信号发送到多个接收器，例如广播电台或电视信号。
   蜂窝通信：利用多个基站（蜂窝）覆盖大范围区域，如移动电话网络。
   卫星通信：通过地球轨道上的卫星传输数据，适用于远距离和全球覆盖的通信。
4. 频谱和频率
   频谱：无线通信使用的电磁波频率范围。不同的频率适用于不同的通信需求（例如，短波、超高频等）。
   频率分配：为了避免干扰，频谱通常由国家或国际组织分配和管理。
5. 信号传播
   传播模型：描述信号如何在不同环境中传播，包括自由空间传播、地面波传播和天线辐射模式等。
   多路径传播：信号通过多个路径到达接收器，可能导致信号衰减或干扰。
6. 调制解调
   调制：将信息信号嵌入载波信号的过程，以便于传播。
   解调：接收器从载波信号中提取原始信息信号的过程。
7. 调制方式
   幅度调制（AM）：通过改变载波信号的幅度来传输信息。
   频率调制（FM）：通过改变载波信号的频率来传输信息。
   相位调制（PM）：通过改变载波信号的相位来传输信息。
8. 信号质量
   信噪比（SNR）：表示信号强度与噪声强度的比值，SNR越高，通信质量越好。
   带宽：信号可以占用的频谱宽度，带宽越大，可以传输的数据速率越高。
9. 无线网络技术
   Wi-Fi：一种局域网无线技术，允许设备在特定范围内进行数据传输。
   蓝牙：用于短距离设备间通信的无线技术，广泛用于配件和IoT设备。
   移动通信技术：如2G、3G、4G、5G等，提供广域覆盖和高数据速率的无线通信。
10. 无线通信的应用
    移动电话：允许用户在任何地方进行语音和数据通信。
    卫星导航：使用卫星信号进行定位和导航。
    物联网（IoT）：通过无线网络连接各种设备，实现数据采集和控制。
    无线通信的快速发展在现代社会中发挥了重要的作用，促进了信息的快速传递和全球连接。

开放系统互联（Open Systems Interconnection，OSI）模型

开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）是由ISO发起的，其任务是制定国际计算机通信标准，特别是促进不兼容系统间的互联。OSI模型将计算机通信协议划分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层¹，各层结构及其对应的数据形式如下图所示。

在无线数字通信中，传统OSI模型的功能²得到扩展，更加专注于无线通信环境中的特定要求和挑战，这主要体现在物理层的功能中。

具体地，物理层通过调制技术将待传输的数据比特流转化为电磁波的形式，利用无线传输介质（如空气、水等）进行传输。在电磁波被接收后通过解调技术将其恢复为原始的数据比特流。

由于采用了电磁波作为传输载体，通过无线传输介质进行传输，因此无线数字通信相较于计算机通信，更多地涉及信号的带宽、信道、能量等。

电磁波相关内容

调制与解调技术

调制

调制是通过向电子或光载波信号添加信息将数据转换为无线电波的过程³。

载波信号是具有稳定波形的信号——具有恒定的 幅度和频率。

调制的工作原理
信息可以通过改变其振幅、频率、相位、 偏振 （对于光信号）甚至量子级现象 来添加到载体中 。

调制通常应用于电磁信号：无线电波、激光/光学和计算机网络。

调制甚至可以应用于直流——可以将其视为具有固定幅度和频率为 0 Hz 的退化载波——主要是通 过打开和关闭它，如 莫尔斯电码 电报或数字电流回路接口.

没有载波的特殊情况——响应消息表明连接的设备不再连接到远程系统——被称为基带调制。

调制也可以应用于低频交流电——50-60Hz——就像电力线网络一样。

调制类型
有很多常见的调制方法，包括以下——一个非常不完整的列表：

幅度调制 (AM)，其中信号载波的高度（即强度或强度）发生变化以表示添加到信号中的数据。
频率调制 (FM)，其中载波波形的频率变化以反映数据的频率。
相位调制 (PM)，其中载波波形的相位变化以反映数据频率的变化。在 PM 中，频率不变，而相位相对于基本载波频率发生变化。它类似于FM。
偏振调制，其中改变光载波信号的旋转角度以反映传输的数据。
脉冲编码调制，其中对模拟信号进行采样以导出用于调制数字载波信号的数据流。
正交幅度调制 ( QAM )，它使用两个 AM 载波在单次传输中对两个或更多位进行编码。

定理

奈奎斯特采样定理

奈奎斯特采样定理阐述了在对被测信号进行采样时，采样率$fs$ 和被测信号最高频率$f_{max}$之间的关系，即只有在满足$fs\ge 2\times f_{max}$时，才能保证在采样时不会丢失信息，也不会产生混叠⁴。

至于采样时信息的丢失现象则可通过下图进行了解，左边是频率为$f$的正弦波（理想的正弦波，$f_{max}=f$），右边为对应采样频率$fs$的采样结果：

情况	描述
A（$fs=f$）	信号错误地显示为恒定直流电压
B（$fs=2f$）	信号显示为三角波，类似于原正弦波的形状并具有相同频率
C（$fs=4/3f$）	信号错误地显示出形状，与原正弦波的频率不同

上图展示了$fs<2\times f$时采样的混叠现象，由于采样率低于两倍被测信号最高频率，此时采样数据出现了原被测信号中本不存在的低频成分⁵。

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1. 开放系统互连 ↩︎

2. OSI七层模型及各层功能概述 ↩︎

3. 什么是调制（modulation） ? ↩︎

4. 什么是奈奎斯特采样定理 ↩︎

5. 奈奎斯特采样定理 ↩︎