October 11, 2016

通信课程学习笔记

这是只记了一半的笔记,剩下的一半不写了…一门设计奇怪而无聊的课。

目录

  1. 概论 Introduction
  2. 技术-商业-政策(TBP)框架 Technology, Business and Policy
  3. 电话通信 Voice Communications
  4. 信息论 Information Theory
  5. 从模拟到数字 From Analogue to Digital
  6. 差错控制编码 Error Control Coding
  7. 信号调制 Digital Modulation
  8. 之后的 Chapter

参考资料:

TBD

没有了。

Chapter 1. 概论 Introduction

略掉了。

Chapter 2. 技术-商业-政策(TBP)框架 Technology, Business and Policy

从技术(Technology),商业(Business),和政策(Policy)三个方面分析一个通信系统或者通信产品。非常奇葩的框架,竟然还做了完整的笔记。

2.1 三个因素 (Three factors):

(1) 技术 (Technology)

(2) 商业 (Business)

  • 价值 Value:
    • 什么是价值?
    • 价值模型
      • 价值的五个层级 ( Value Hierarchy)
      • 价值链 (Value Chain)
  • 价格 Pricing:
    • 如何定价?
      • 以价值为基础定价 (Value-based pricing):一般商品有独特价值
      • 以成本为基础定价 (Cost-based pricing):一般在竞争激烈的市场
  • 网络 Network:
    • 问题:一个产品/商品的市场份额是如何扩大的?(How can a network grow?)
      1. 通信平台有双方:一方是制造商(manufactor),一方是订购者(subscriber),各因素相互影响
      2. 如此形成良性循环 (A Virtuous Cycle ): 价格降低 —> 更多用户—> 更多制造商—>设备成本降低 —>潜在用户增多
      3. 以 Facebook 举例:FB用户增多 —> 投放广告增多 —> 应用开发者增多 —> 市场扩大 —>有更多人使用
  • 现金流 Cash Flow:
    • 两部分:成本(cost)和收益(revenue)
    • 成本 Costs:
      • 固定成本 Fixed Costs: 一般指基础架构(infrastructure)
      • 变动成本 Variable Costs: 一般指服务(service)
    • 收益 Revenue
    • 成本效益分析 Cost Benefit Analysis (CBA)
      • 公式:::NPV = NPB - NPC::
      • 现值与未来价值

(3) 政策 (Policy)

2.2 三层架构 (Three business Layers)
  • Content and Services Layer
    • 举例:Youtube, Amazon, Hulu
    • 可能形成垂直整合(vertically integrated)
    • 垂直整合:a company may be active at several layers of the business eco-system
  • Connectivity Retail Layer
    • 举例:Optus, Telstra, Adam Internet
    • 垄断问题不太重要
    • 可能形成垂直整合(vertically integrated)
  • Infrastructure Layer
    • 举例:NBN, Telstra
    • 容易形成自然垄断(natural monopoly)
    • 存在一些政策问题(policy issues)

Chapter 3. 电话通信 Voice Communications

这一章介绍了声音传播的基本概念和技术。

3.1 电话的诞生
  • 贝尔(Bell)在 1876 年发明了电话
  • 原理:将声音转化成电流,通过电线传递
  • 使用到的主要技术:
    • 声频调制 Voice modulation
    • 复用 Multiplexing
    • 电路交换 Circuit Switching (CS)
    • 流量工程 Traffic Engineering (TE)
    • 专用小交换机 Private branch Exchange (PBX)
3.2 声音的传输
  • 阶段:Local Exchange —> Regional Exchange —> International Exchange —> International Exchange —> Regional Exchange —> Local Exchange
  • 声音范围 (Voice Spectrum)
    • Our voice has frequency components predominantly in the range of 300Hz to 3400 Hz。人说话的声音的大部分频率范围在 300 Hz 到 3400 Hz 之间 (不严谨的说法),所以人们将电话信道的标准带宽定为3400 – 300 = 3100 Hz
  • 频谱 (Frequency spectrum)
3.3 交换 Switching
  • 中央交换 Central switching:线路数由n*(n-1)/2变为n
  • 电路交换 Circuit Switching
3.4 频率 Frequency
  • Frequency is defined as number of cycles per second: it is the number of times a waveform ebbs and flows each second.
3.5 带宽 Bandwidth
  • Bandwidth is the range of the frequencies existing in a signal
3.6 调制 Modulation
  • At the local exchange, each individual voice stream is processes to a higher frequency for it to be multiplexed with other voice streams and be carried over a high capacity link. This processing is done by signal modulation.
  • 调幅 Amplitude Modulation (AM),使高频载波的振幅随信号改变的调制
  • 解调 Demodulation
3.7 复用 Multiplexing
  • In telephony multiple calls are carried over the same physical cable (a co-axial cable for example) and transmitted forward. This is known as multiplexing. 一个信道同时传输多路信号
  • FDM: Frequency Division Multiplexing 频分多路复用
  • TDM: Time Division Multiplexing 时分复用模式
3.8 通信流量工程 Teletraffic Engineering
  • 服务等级 Grade of Service (GOS) is defined as the probability that a call may not find a free channel, and is therefore blocked. 随机服务系统接续通畅程度的服务质量指标
  • Erlang 公式:计算话务量,话务量反映了电话负荷的大小,单位为Erlang:Erlang = the average holding time (μ) / the average call inter-arrival (λ)
  • Erlang-B 公式:GOS使用Erlang-B公式计算
3.9 Leased Lines 租用线路
  • For offices with large telephone traffic it is economical to lease line from an operator and use Private Branch Exchange devices.
  • Private Branch Exchange 专用小交换机

Chapter 4. 信息论 Information Theory

这一章介绍了著名的信息论和香农定理。

4.1 信息量 Information Content
  • 信息量用 I 表示,单位是比特 (bit),
  • 发生一件事情的概率越小,这件事的信息量(Information content, I)越大
  • 公式:I(m) = -log2(p)
4.2 信息熵 Entropy
  • 香农给出了信息熵的定义:H = -sump * log2(p)
  • 信息熵度量的是消息中所含的信息量,表示一条消息带有的平均信息(Average information per message)
  • 信息熵用 H 表示,单位为 bits/message
4.3 信源编码 Source Coding (数据压缩)
  • 信源编码是对信源符号进行的变换,用 A 表示
  • 公式:A = sum(p * n),n表示消息i中使用的bit数目 (n to represent message i is number of binary bits used)
  • 熵编码 (Entropy Coding) 是一种更有效的信源编码方法
    • 熵编码法是一种进行无损数据压缩的技术
    • 常见的熵编码有香农(Shannon)编码、哈夫曼(Huffman)编码等。
  • 对字母信源编码 (Alphabet Source Coding):
    • 出现频率高的单词,使用短的编码,可以提高编码效率。
    • ASCII 编码: 基于拉丁字母的一套电脑编码系统,标准ASCII 码使用7 位二进制数(剩下的1位二进制为0)来表示所有的大写和小写字母([来源]),编码效率仅为 59.7%
    • Huffman 编码字母的效率为99.3%
4.4 分贝度量 dB Scale
  • dB scale 帮助我们表示大的数字 ( dB scale is helpful to represent and manipulate a large range of numbers encountered in telecommunications)
  • “X” 是用“x”的dB表达,X = 10*log10 (x) or x = 10(X/10)。举例:x = 1000 —> X = 30dB
  • 存在x * y ≡ X + Y ; x / y ≡ X - Y,数字的相乘是dB的相加,数字相除为dB的相减
  • dBW/dBm: W (watts) / mW (milliWatts)是功率单位,他们可以用dB表示成dBW/dBm,举例:4W = 10*log10(4W) = 6dBW4000mW = 10 * log10(4000mW) = 10 * log10(1000) + 10 * log10(4mW) = 36dBm
  • 链路预算(link budget),是在一个通信系统中对发送端、通信链路、传播环境(大气、同轴电缆、波导、光纤等)和接收端中所有增益和衰减的核算。([来源])
  • 计算:EIRP, Received Signal Power, Received SNR
4.6 香农定理 Shannon Theorem
  • 香农定理给出信道容量(channel capacity,用C表示),也即信道信息传送速率的上限,单位是
  • 公式:信道容量 C = B*log2(1 + S/N), 单位为Mbps (Mbit/s)
  • B是系统带宽(system bandwidth),S是信号功率(signal power ),N是噪声功率(noise power),公式中可以看出信道容量由这三个因素决定。
  • S/N 信噪比通常用分贝表示,X = 10*log10 (x)

Chapter 5. 从模拟到数字 From Analogue to Digital

评价:这一章介绍了模拟信号转换成数字信号的过程,采样过程需要遵循著名的采样定理。这一章后半部分没太明白。

5.1 采样 Sampling
  • 采样速率 Sampling rate:将模拟信号(Analog Signals)转换为离散信号(Discrete Signals)的过程称为“采样”,每秒钟的采样次数称为采样率,用赫兹(Hz)来表示。
  • 采样定理 (Nyquist Theorem) 指出,采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍。 (Sampling rate must be more than twice the largest frequency component of the analogue signal.)
5.2 量化 Quantization
  • 数据传输(digital transmission)使用二进制数字。
  • 量化级 (quantitativelevel) 简单地说就是描述声音波形的数据是多少位的二进制数据,通常用bit做单位,如16bits、24bits。16bits量化级记录声音的数据是用16位的二进制数,量化级是数字声音质量的重要指标。([来源])
  • 举例:一组数据可以被表示成{0.913410317, 0.662541770, 0.137126512, -0.543347179, -0.980775131, -0.398801013, 0.823661318, 0.286615541, -0.917042669, 0.995046175} 或者 {0.913, 0.663, 0.137, -0.543, -0.981, -0.399, 0.824, 0.287, -0.917, 0.995}
  • 量化误差(quantization errors):量化结果和被量化模拟量的差值
5.3 为什么要数字传输?Why Digital?
  • 技术角度(Technology Aspect):模拟信号的传输(analogue transmission)中会混入噪音(noice),无法移除,并不断叠加
    • SNR (Signal Noise Ratio,信噪比):信号与噪声的比例
    • BER (Bit Error Rate 误码率):衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。(A measure of quality of communications is how many errors occur because of added “noise” relative to signal power.)
    • BER is drawn against the SNR.
  • 商业角度(Business Aspect):
    • 优点:信号处理和储存的花费更低;可以形成信息系统的整合
    • 缺点:信号质量低;需要协议和标准规范
5.4 音频编码 Audio Coding
  • 脉冲编码调制 Pulse Code Modulation(PCM):PCM 对信号每秒钟取样 8000 次;每次取样为 8 个位,总共 64kb。效率低,体积大,但是音质好。
  • 差分编码 Differential Encoding
  • 合成编码 Synthesis Coding
  • 通信系统语音质量用 MOS(通信系统语音质量) 衡量
5.5 图片编码 Image Coding
  • 无损压缩(Lossless Image Coding):图像由相关联的像素点组成,可以被无损压缩为 GIF 或 PNG.
  • 有损压缩(Lossy Image Coding):JPEG 标准 (JPG)
  • 离散余弦变换 (Discrete Cosine Transform, DCT)
5.6 视频编码 Video Coding
  • IPB帧编码:I-frame, p-frame, B-frame
  • 编码标准:MPEG-1, MPEG-2 (DVD), MPEG-4, MPEG-H

Chapter 6. 差错控制编码 Error Control Coding

这一章简要介绍了一些信息传递中校对和修正的方法。

6.1 错误检测和再传输 Error detection and re-transmission
  • 循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check, CRC)
6.2 纠错编码 Error correction coding (也称信道编码,channel coding)
  • 分组码 (Block codes)
  • 汉明码 (Hamming Code) : 汉明码无法实现2位及2位以上纠错。
  • Turbo码 (Convolutional codes)

Chapter 7. 信号调制 Digital Modulation

这一章介绍了信号调制的几种方法。

7.1 信号调制技术:
  • 数字信号的一般表达式为A cos (2π ft + θ),其中A是振幅(amplitude),f是频率(frequency),θ表示starting phase。
  • 数字信号三种最基本的调制方法是ASK、FSK和PSK(调幅、调频和调相),这里介绍ASK和PSK,以及两者结合的调制方式(QAM)
7.1 幅度键控 Amplitude Shift Keying, ASK
  • 2-ASK,4-ASK,8ASK,16ASK
  • 脉冲幅度调制 (Pulse Amplitude Modulation, PAM)
7.2 相移键控 Phase Shift Keying, PSK
  • 同相正交 In-phase/Quadrature (I/Q)
  • BPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK

  • 正交振幅调制 Quadrature Amplitude Modulation, QAM
    • 幅度和相位同时变化,2ASK和2PSK汇合到一个信道的方法
    • 16QAM, 64QAM

8. 之后的 Chapter

Chapter 8 - 14 不写了。

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