网络学习中通信方面的相关知识、及再次解读B=2W
一、基带系统和带通系统
在通信系统中，基带系统（Baseband System）和带通系统（Bandpass System）是两种基本的信号传输方式，其核心区别在于信号是否经过调制以适配信道特性。
基带系统：
信号：未经调制的原始信号，其频谱集中在低频段（从0Hz开始），通常包含直流分量。
传输：直接通过有线信道（如电缆、光纤）传输基带信号，无需调制到高频。
频谱范围：从0Hz到最高频率W（即带宽为W Hz）
波形：
数字信号：方波（如以太网中的二进制0/1）
模拟信号：音频信号（如电话语音的0-4kHz）
应用：
短距离有线通信：
计算机局域网（以太网、USB）
光纤通信（直接传输基带光脉冲）
数字电路内部通信：如芯片间的信号传输
技术要求：
无需调制解调：信号直接传输，收发端电路简单。
带宽限制：手心到低通特性影响，高频衰减严重，需均衡技术补偿。
带通系统：
信号：通过调制将基带信号频谱搬移（指使用基带信号去改变载波的某些特性，调幅AM\调频FM\调相PM）到高频载波附近，占据以载波频率Fc为中心的带宽W。
传输：通过无线或高频有限信号（如射频电缆）传输已调信号。
二、为什么必须基带信号必须搬移到高频上进行传输？
1、天线尺寸问题
信号波长=λ=光速/频率
基带信号（如1kHz）波长30万米，天线需要几十公里长（不可能）
高频载波（如1GHz）波长0.3米，手机天线轻松实现。
2、避免干扰
所有通信系统都使用不同频段（如FM广播88-108MHz，Wi-Fi 2.4GHz），互不干扰。
3、多路复用
不同用户用不同载波频率（频分多址，FDMA）
举例：
低频信号无法直接通过天线发送，就像无法用手电筒的微弱光线照亮整个城市一样。
高频载波是一个固定频率的“交通工具”，它像一架飞机或者快递货车，负责吧基带信号“搭载”到合适的无线传输频率上。
三、天线尺寸为什么和波长有关系？
电磁波通过天线辐射时，天线长度需与波长匹配才能形成有效的电磁场振荡。当天线长度远小于波长时，电流无法形成有效的驻波分布，导致辐射效率极低。
为了有效辐射和接收电磁波，天线的物理长度通常需要满足一些条件：
最低要求：天线的长度至少为波长的1/10（λ/10）
理想长度：最佳辐射效率通常需要1/4波长或者1/2波长的天线。
四、1G通信中的大哥大使用的是什么通信方式？
大哥大的信号传输方式明确属于带通系统。大哥大采用模拟调制技术（频率调制FM），将语音信号（基带0.3-3.4kHz）调制到高频载波（如800MHz频段）。
低频信号无法通过天线有效辐射，高频载波可实现远距离传输。不同用户分配不同载波频率，避免干扰。
1G移动通信网络使用模拟蜂窝系统（如AMPS），使用800-900MHz频段，每个信道带宽30kHz。
1G移动通信网络主要设计目的是提供无线模拟语音传输，实现用户随时随地通话，摆脱固定电话的限制。
人声的主要能量集中在300Hz~3400Hz，这是与固定电话（pstn）的语音带宽一致的。1G移动通信网络采用824-894MHz频段作为载波，每个信道带宽为30kHz，将人声的主要能量分布的频率范围通过调频（FM）的方式调制到800MHz频段。其中使用调频方式是因为FM对幅度噪声不敏感（如雷电、电器干扰），比较适合移动环境。
五、不同频段电磁波的特点？
低频电磁波的优点：
覆盖范围广：
低频（如700MHz）波长，绕射能力强，单基站可覆盖数十公里（适合农村、海洋通信）。
穿透能力强：
可穿透墙壁、森林等障碍物，适合室内深度覆盖。
技术成熟：
低频段（如FM广播、2G/3G）产业链成熟，设备成本低。
低频电磁波的缺点：
带宽窄：
低频段资源紧张，难以支持高速数据。
易受干扰：
低频段被大量传统业务（电视、广播、军用通信）占用，需要严格频谱规则。
无线尺寸大：
波长较大，天线需要较大尺寸。
高频电磁波的优点：
高带宽与大容量：
高频电磁波的频率范围宽，可提供更大的带宽，支持高速数据传输。如5G毫米波（24-100GHz）单信道带宽可达数百MHz，实现千兆级速率（如4K视频实时传输）。
强方向性与抗干扰：
短波长允许设计高方向性天线（如相控阵），通过波束赋形聚焦信号。如卫星通信、雷达系统（减少多径干扰，提升信号质量）。
丰富的频谱资源：
低频段资源紧张，高频段提供连续大带宽。缓解城市密集区域的频谱拥堵，支持更多设备接入。
小尺寸天线：
天线尺寸与波长成正比，高频天线更小巧，毫米波微带天线仅几毫米。可集成到手机、无人机等便携设备中。
高频电磁波的缺点：
传播距离短：
高频信号在自由空间路径损耗更快。5G毫米波基站覆盖仅100-300米，需密集部署，成本较高。
穿透能力差：
高频电磁波易被墙体、玻璃吸收，室内覆盖需以来分布式天线或WiFi中继。
大气衰减显著：
60GHz被氧气吸收，24GHz受雨衰影响，长距离通信需中级或低频频段补充。
设备成本高：
高频射频芯片需GaAs/CMOS工艺，设计复杂。毫米波基站成本时低频基站的2-3倍。
注：所谓的低频带宽窄，数据速率低，是因为低频技术成熟较早，很多频率被传统业务占用。导致很多频段不能使用，所以能使用的带宽窄，低频信号的窄带宽从根本上限制了其传输速率低。
六、为什么频率低的电磁波比频率高的电磁波传输范围更广？
1、路径衰损
电磁波在自由空间传输时，即无介质吸收其能量时，会因路径损耗而衰减。其中波长越短（频率越高），路径损耗越大，信号衰减越快，覆盖范围越小；波长越长（频率越低），路径消耗越小，信号能传播更远。700MHz频率的电磁波（低频，λ≈43cm），但基站可覆盖数公里至数十公里，28GHz毫米波（高频，λ≈1cm）覆盖范围通常仅有100~500米。
2、绕射能力（绕过障碍物继续传播的能力）
波长越长，绕射能力越强：
长波长电磁波（如低频信号）能绕过建筑物、山体等障碍物，减少信号盲区。
波长越短，绕射能力越弱：
短波长电磁波（如毫米波）已被障碍物阻挡，依赖视距传输。
如：
AM广播（中波，500kHz-1.6MHz）：可跨城市甚至跨国界传播。
5G毫米波（24GHz以上）：一棵树或者一扇窗口即可阻断信号。
3、穿透损耗（穿透建筑的能力）
低频信号穿透损耗小
长波长电磁波可穿透墙壁进入室内，适合广域覆盖。
高频信号穿透损耗大
短波长电磁波已被墙体吸收，室内覆盖需依赖多基站。
注：此特征依赖于波的衍射原理，波长越长，衍射越明显。
4、大气吸收与介质衰减
氧气分子在60GHz附近有强烈的吸收峰（损耗可达15dB/km），适合段距保密通信。
水蒸气在22.2GHz（水分子共振频率）导致额外损耗。
无遮挡但存在降雨时，毫米波（如28GHz）损耗剧增（博语中可达10dB/km）。
注：空气中有很多物质的分子，分子间存在一定频率的振动，每种物质都有自己特定的振动频率，当电磁波的频率刚好和这些分子间的振动频率一致时，会发生共振吸收和能量转换。如果电磁波的频率低于分子间的振动频率，电磁波会直接穿过物质，损耗很小，相反如果电磁波的频率和分子间的振动频率匹配时，能量被大量吸收，信号变弱。
5、多径效应
即使无遮挡，地面反射波可能与直射波发生干涉，导致特定位置信号增强（建设性干涉）或减弱（破坏性干涉）。
6、趋肤效应
高频电磁波因趋肤效应被很快吸收。
七、为什么短波允许设计高方向性天线（如相控阵），而长波不可以？
天线单元间距需要约半个波长，毫米波间距仅需几毫米，长波间距需要几百米或者更多。所以现实不可实现。
八、光子在经典电磁学中的解释？
有空再探索探索！！
九、奈奎斯特极限定理B=2W的解释。
奈奎斯特极限定理，描述的是基带系统中最大码元率和带宽的关系。
为什么是 R≤2W?
首先明确一点，我们可以制造出来用于传输信息的波形是有很多的，为了方便研究什么样的波形能通过信道，我们使用傅里叶变换将一个复杂波形拆分成多个简单的正弦波信形（基波+多个辅波）。然后我们去研究一个信道能通过的正弦波的范围，就能再通过傅里叶逆变换，我们就能确定一个特定的复杂波能不能通过这个信道。其中主要观察这个特定复杂波基波的频率是不是在可通过的正弦波的频率范围。
W：指在基带系统中的带宽，所以在带入W=F2-F1带宽公式时W=F2。即带宽等于最大可通过频率。
R：码元率，指的是我们用来传输信息的波形在单位时间内传输的个数的多少。众所周知，我们可以使用调幅、调频、调相等等各种调制方式，调制出各种各样的波形来传输信号。但是在现实信道中，信道属性往往不理想，存在最大通过频率、最小通过频率、寄生电容、寄生电阻、寄生电感等等问题。所以我们在调制信号时必须根据信道的特性来调制，不然难以通过信道来进行传输。其中在波形选择方面，我们至少需要一个高峰和一个地缝才能识别出一个信号，如同门波一样，占据基波一半周期，即T=t/2，如果一直处于高峰或低峰或者交错出现的波形会难以识别，所以在波形选择上，能使码元率最高的是门波。如果我们将门波使用傅里叶变化进行分解，发现要想门波频率最大且能通过信道，需要使门波的基波频率等于信道可通过最大频率。此时即可得出：如果最大频率周期为t，即最大码元周期T=t/2，最大码元率R=1/T=2/t，当信道最大通过频率为W时，t=1/W，R=2w。
十、香农定理
定义了在存在噪声的信道中，信息能够可靠传输的最大速率（即信道容量）
C=B*log2(1+S/N)
信噪比：S/N
分贝：10log10(S/N)
香农定理揭示了最大可靠速率由带宽和信噪比共同决定。