数字通信教程
数字通信是由两个不同的词组合而成，即数字和通信。这里，“数字”指的是电子信号或信息信号的离散时间版本表示，而“通信”指的是两个或多个设备/实体之间交换信息的过程。因此，“数字通信”指的是以数字方式交换信息的过程。
本数字通信教程旨在帮助通信工程领域的学生和专业人士。它涵盖了所有提供关于信号如何数字化、通信以及通信中为何需要数字化的概念。
完成本教程后，我们希望读者能够理解数字通信中涉及的概念细节。
什么是通信？
通信定义为通过特定介质（如电线或无线电波）在两个或多个设备之间交换数据和信息的过程。良好的信息通信的特点是参数如高精度、减少噪声和低信号损耗。
在有效的通信中，接收到的信号与发送的信号保持一致，并传达准确的信息。在现代，通信是一个双向过程，允许双向共享信息。
典型的通信具有以下三个主要组成部分：
- 发送器 - 它是编码和发送信息的设备。
- 接收器 - 它是用于接收和解码信息的接收端设备。
- 通信介质 - 它可以是传输信息从发送器到接收器的电线或无线组件（如无线电波）。
普通通信的问题
以下是与普通或模拟通信相关的一些主要问题：
- 信号失真
- 信号传输延迟
- 对相邻通信介质的干扰或来自相邻通信介质的干扰
- 效率和准确性较低等。
什么是数字通信？
使用数字（离散时间）信号在不同设备之间交换信息的过程称为数字通信。换句话说，数字通信是在设备之间以数字方式交换信息。
数字通信使用离散时间信号来表示数据和信息。它是构成互联网技术和现代电信网络基础的基石。
数字通信是如何工作的？
数字通信涉及以下三个主要工作流程：
- 编码 - 编码是将原始信息信号（如图像、音频、视频等）转换为数字格式的过程。编码中涉及的关键过程称为采样。
- 传输 - 然后，使用各种通信信道（如同轴电缆、光纤、无线电波等）传输编码的信息信号。
- 解码 - 在接收端，对信号进行解码以检索原始信息。解码中涉及的过程称为信号重建。
数字通信中的重要术语
下面给出数字通信背景下的一些重要术语及其含义：
模拟到数字
它被定义为将模拟信号转换为数字信号的过程。这涉及到对连续时间信号进行采样、量化和编码以产生离散时间信号。
脉冲编码调制 (PCM)
PCM 是一种用于将模拟信号表示为数字格式的调制技术。在此调制过程中，模拟信号被采样并量化为离散值，然后进行编码以获得数字信号。
采样
采样 是以规则间隔测量模拟信号幅度的过程，以获得用于数字化的离散值序列。对模拟信号进行采样的间隔称为采样率。
量化
将模拟信号的采样值近似到最接近的预定义值以使样本适合数字编码的方法称为量化。
差分脉冲编码调制
差分脉冲编码调制 (DPCM) 是一种用于数字通信信号编码的调制技术。它是将模拟信号转换为数字信号的过程。它使用连续样本之间的差异，而不是绝对样本值，以降低比特率。
增量调制 (DM)
增量调制 是差分 PCM 的简化版本。它是一种用于将模拟信号转换为数字信号的信号编码过程。在这种技术中，每个样本只传输 1 位。这种调制技术用于语音信息等质量不是首要考虑因素的地方。
线路码
线路码 定义为用于表示通过通信信道传输或写入存储设备的数字数据的信号模式。
数据编码技术
数据编码技术 仅仅是将模拟信号格式化为适合通过通信介质传输的数字信号的方法。
脉冲整形
改变传输信号波形特性以对其进行优化的过程称为脉冲整形。它主要用于减少带宽利用率和最大程度地减少干扰。
数字调制技术
将数字消息信号与载波信号调制以有效地通过通信介质传输的技术称为数字调制技术。
数字调制技术的示例包括 ASK（幅移键控）、FSK（频移键控）、PSK（相移键控）和 QAM（正交幅度调制）。
幅移键控 (ASK)
ASK 是一种数字调制技术，其中载波信号的幅度根据数字数据变化。
频移键控 (FSK)
FSK 是另一种数字调制技术，其中载波信号的频率与数字数据成比例地变化。
相移键控 (PSK)
在PSK中，载波信号的相位根据数字数据改变。
正交相移键控 (QPSK)
QPSK 是调制技术 PSK 的高级版本。它在载波信号中使用四种可能的相移（0°、90°、180° 或 270°）一次调制 2 位。这种调制技术允许同时传输多个数据位。与 PSK 相比，此技术提供双倍的数据速率。
差分相移键控 (DPSK)
它是 PSK 技术的另一个版本。在这种方法中，信息是通过使用连续样本的相位差而不是绝对值来编码的。
在DPSK中，调制信号的相位相对于前一个信号元素发生偏移。
M 进制编码
它是一种用于数据传输的数字调制技术，其中要一次以单个信号的形式传输一位、两位或更多位。在M 进制中，符号 M 表示每个信号的多个位。这种调制技术减少了信道带宽并提高了数据传输效率。
信息论
信息论 定义为一个数学框架，用于研究信息的量化、存储和通信。信息论的主要目的是在通信系统中提供数据压缩、错误检测和效率改进。
信源编码定理
信源编码定理 是信息论中的一个原理，它定义了其信源是独立同分布随机变量的数据的无损压缩的统计限制。
信道编码定理
信道编码定理 也称为香农定理或香农限。它是信息论中的一个原理，它确定了在嘈杂的通信信道上传输离散数据几乎无错误的最大数据速率。
差错控制编码
差错控制编码 定义为数字通信中一种控制在嘈杂的通信信道上传输数据时出现的错误的技术。
扩频调制
扩频调制 是一种在广泛的频率范围内传输数字信号的方法。这种调制技术将信号扩展到比有效传输信号所需的最小频率范围更宽的频率范围内。此技术用于提高安全性并增强抗干扰能力。
数字通信的优点
数字通信的主要优点如下：
- 与传统的模拟通信相比，数字通信更加准确和可靠。
- 数字通信提供了一种更快的方式来在非常远的距离上传递信息。
- 数字通信还提供了简单的错误检测和纠正方法。
- 数字通信对噪声和干扰更具抵抗力。
- 从长远来看，数字通信提供了一种廉价的信息交换方式。
- 数字通信允许以各种格式发送信息，如语音、视频、图像等。
数字通信的缺点
除了优点之外，数字通信也存在一些缺点和局限性，如下所示：
- 数字通信涉及互连设备的复杂结构，并消耗更多功率。
- 数字通信需要更宽的带宽才能提供高速数据传输。
- 由于大量硬件组件和高速数据处理，数字通信容易出现高功率损耗。
数字通信的应用
数字通信被广泛应用于以数字信号形式交换信息。
以下是数字通信的一些常见应用示例：
- 数字信号、图像和视频处理
- 数据压缩
- 语音和音频信号处理
- 卫星通信
- 数字音频传输
- 视频会议
- 移动电话通信等。
学习数字通信的先决条件
本教程面向绝对初学者。但是，对电子原理、信号与系统基础知识以及数学基础的了解将有助于您更好地理解教程中解释的概念。
谁应该学习数字通信？
本教程是关于数字通信的初学者友好资源。它专为对数字通信基础知识感兴趣并渴望获得与数字通信系统相关的知识的绝对初学者而设计。
本教程可供本科大学生以及在职工程师作为参考。
数字通信常见问题
在本节中，我们收集了一组关于数字通信的常见问题 (FAQ) 及其答案 -
数字通信不过是一种电子通信系统，它允许以数字信号和工具的形式交换数据和信息。
数字通信的主要目标是有效地传输大量数据和信息，并跨越长距离，同时减少噪声和干扰。这种通信方法旨在提供一种高效、准确和可靠的信息交换方法。
数字通信的一些主要风险如下 -
- 未经授权访问敏感信息。
- 容易受到网络威胁和隐私问题的侵害。
- 意外访问敏感信息。
- 窃取和操纵消息和信息。
- 非法活动，如发送欺诈链接或消息等。
以下是五个非常流行的数字通信示例 -
- 即时通讯，如 WhatsApp 或 Messenger。
- 视频会议和远程会议，如 Zoom 或 Google Meet。
- 社交媒体互动，如 Facebook、Instagram、Twitter 等。
- 博客，如发布在线文章。
- 聊天机器人，如客户服务机器人或 ChatGPT。
数字通信的四种主要类型包括 (a) 电子邮件，(b) 社交媒体，(c) 即时通讯和 (d) 视频会议。电子邮件被认为是最早且最流行的数字通信工具之一。
数字通信的三个主要要素如下 -
- 发送器 - 它是数字消息的发送者。
- 传输通道 - 它是数字消息到达目的地的媒介。
- 接收器 - 它是消息的接收者。
下面列出了一些数字通信的关键特征 -
- 它提供点对点数据传输。
- 它提供跨越长距离的高效数据传输。
- 它支持高速和即时的数据传输和接收。
- 数字通信支持实时互动。
- 它允许共享多媒体内容。
安全问题，如数据泄露、黑客攻击或其他网络威胁，是与数字通信相关的重大问题。敏感信息的盗窃是数字通信的主要负面影响之一。