通信系统需要传递信息。信息可以是声音可以是图像可以是文字。信息需要变成电信号。电信号容易在空气中传播。电信号容易在导线上传播。通信工程研究怎样传递电信号。研究怎样让传递更快更准确。研究怎样让传递更安全。

电信号有不同形式。连续变化的电信号叫模拟信号。模拟信号像一条平滑的曲线。突然变化的电信号叫数字信号。数字信号像楼梯的台阶。现代通信多用数字信号。数字信号抗干扰能力强。数字信号便于处理。数字信号便于存储。

发送设备把信息变成电信号。话筒把声音变成电信号。摄像头把图像变成电信号。这些电信号需要进一步处理。处理包括放大信号。放大让信号更强。处理包括滤波。滤波去除不需要的成分。处理包括调制。调制把信号变得适合传输。

调制改变电信号的特性。调幅改变信号的幅度。调频改变信号的频率。调相改变信号的相位。调制后的信号称为已调信号。已调信号可以通过天线发射。天线把电信号变成电磁波。电磁波在空间传播。电磁波传播不需要导线。

电磁波会遇到各种问题。障碍物会阻挡电磁波。高山会阻挡电磁波。大楼会阻挡电磁波。电磁波会逐渐减弱。距离越远信号越弱。其他电磁波会干扰信号。雷电会产生干扰。电器设备会产生干扰。

接收设备需要捕获电磁波。天线捕获电磁波。天线把电磁波变回电信号。这个电信号很微弱。放大器增强信号。滤波器去除干扰。解调器恢复原始信号。解调是调制的反过程。

信号在传输过程中会失真。失真是信号形状改变。失真是因为信道不理想。信道是信号传播的路径。有线信道是电缆。无线信道是空气。信道会引入噪声。噪声是随机的电信号。噪声会掩盖有用信号。

工程师想了很多办法。他们提高发射功率。强信号更容易抵抗噪声。他们使用更敏感接收机。敏感接收机能检测弱信号。他们选择合适频率。不同频率传播特性不同。短波适合远距离传播。微波适合直线传播。

数字通信有独特优势。数字信号用0和1表示。0代表低电平。1代表高电平。传输过程中0可能变成1。1可能变成0。接收端可以检测错误。检测错误有多种方法。奇偶校验是一种简单方法。循环冗余校验更复杂更可靠。

发现错误可以纠正错误。前向纠错技术很重要。发送端添加额外信息。接收端利用这些信息纠正错误。重复发送是一种简单方法。重要数据发送三次。接收端采用多数判决。汉明码能纠正一位错误。卷积码能纠正多个错误。

信息论指导通信系统设计。香农提出信道容量概念。信道容量是最大传输速率。信道容量受带宽限制。带宽是频率范围。带宽越大传输越快。信道容量受信噪比限制。信噪比是信号与噪声的功率比。信噪比越高传输越可靠。

香农公式给出理论极限。实际系统接近这个极限。Turbo码接近香农极限。LDPC码也接近香农极限。这些码使用复杂算法。这些算法需要强大计算能力。现代处理器能完成这些计算。

移动通信发展很快。第一代移动通信只能打电话。模拟信号传输语音。第二代移动通信可以发短信。数字信号传输语音和数据。第三代移动通信可以上网。传输速率达到megabitspersecond。第四代移动通信速率更高。传输速率达到hundredsofmegabitspersecond。第五代移动通信正在部署。第五代通信速率达到gigabitspersecond。

第五代通信支持更多应用。增强移动宽带提供高速上网。虚拟现实需要高速传输。增强现实需要低延迟。海量机器通信连接大量设备。物联网需要这种通信。智能家居连接各种电器。智能城市连接各种传感器。超高可靠低延迟通信支持关键应用。自动驾驶需要这种通信。远程医疗需要这种通信。

天线技术不断进步。早期天线是金属杆。后来出现定向天线。定向天线集中能量。抛物面天线用于微波通信。相控阵天线电子控制波束。智能天线自动跟踪用户。多天线技术提高容量。MIMO使用多个发射天线。MIMO使用多个接收天线。空间复用同时传输多个数据流。

信号处理算法很关键。傅里叶变换分析信号频率。快速傅里叶变换提高计算速度。滤波器设计去除噪声。自适应滤波器跟踪变化环境。数字信号处理器专门处理信号。现代通信设备都使用这种处理器。

半导体技术推动通信发展。晶体管取代真空管。集成电路集成多个晶体管。摩尔定律预测集成度提高。现在一颗芯片包含亿万个晶体管。专用集成电路针对特定任务。现场可编程门阵列可以重新配置。这些芯片实现复杂通信功能。

软件定义无线电很灵活。硬件完成基本处理。软件实现各种功能。同一硬件可以支持不同标准。软件升级增加新功能。认知无线电智能选择频率。感知周围频谱环境。自动选择空闲频段。

光纤通信传输容量大。激光器产生光信号。光纤传输光信号。玻璃纤维损耗很低。一根光纤传输大量数据。波分复用使用不同颜色光。每个颜色传输独立数据。光纤连接不同城市。海底光纤连接不同大陆。

通信安全日益重要。加密保护信息。对称加密使用相同密钥。AES是常用算法。非对称加密使用不同密钥。RSA是常用算法。数字签名验证身份。量子通信提供绝对安全。量子密钥分发检测窃听。

通信网络连接整个世界。局域网连接附近设备。以太网是常见局域网。广域网连接远距离设备。互联网是全球网络。路由器转发数据包。交换机连接多台设备。协议规定通信规则。TCP/IP是互联网基础协议。

通信工程面临新挑战。频谱资源越来越紧张。需要更有效利用频谱。能量消耗成为问题。基站消耗大量电能。绿色通信研究节能技术。安全问题越来越突出。黑客攻击通信系统。隐私保护成为焦点。

未来通信会有新发展。第六代通信正在研究。太赫兹频率提供更大带宽。人工智能优化网络。智能资源分配提高效率。智能故障检测快速修复。集成通信与感知。同一系统既通信又感知环境。通信与计算融合。边缘计算降低延迟。

通信改变人类生活。人们随时联系。人们获取各种信息。社会运行方式改变。电子商务改变购物。远程办公改变工作。在线教育改变学习。通信技术继续发展。未来会有更多创新。通信工程研究这些创新。