1、信息与通信系统
通信是发送者(人或机器)和接收者之间通过某种媒体进行的信息传递。信息是事物现象及其属性标识的集合，是对不确定性的消除。数据(data)是携带信息的载体。信号(signal)是数据的物理表现，如电气或电磁。信号必须是可变化、可观测和可实现的某种物理量。通信的过程实质上是对信号处理、变换和传递的过程，因而通信技术是数字经济的核心底层支撑。
通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称。用电信号（或光信号）传输信息的系统，也称电信系统。通信系统一般由信源（发端设备）、信宿（收端设备）和信道（传输媒介）等组成，被称为通信的三要素。
信源就是向通信系统提供消息的人和机器，是发送信号的终端，主要用于产生电信号，比如话音信号、电报信号、数据信号等。信宿就是消息传递的对象，即接收的人或机器，是收信号终端，主要用于接收电信号。信道是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质，又叫频道。信道包括通信线路和传输设备。
干扰源是整个通信系统中各个干扰的集中反映，用以表示消息在信道中传输时遭受干扰的情况。对于任何通信系统而言，干扰的性质、大小是影响系统性能的重要因素。
2、信号的分类
信号按载体分类，可以分为电信号和光信号。电信号是指以电压、电流、电磁波等为载体的信号。光信号是指利用光线的强弱变化和有光无光作为载体的信号。
按是否调制分类，信号分为基带信号和频带信号。基带信号是信号频谱未经搬移的基本频带信号，即直接携带信息、能够直接传输的信号。基带信号将数字信号1或0直接用两种不同的电压(跳变)来表示，然后送到线路上去传输，这种传输方式相应称为基带传输。基带是指数字脉冲信号所固有的频带。频带信号是信号频谱经过搬移的信号，即经过调制的信号。携载信号频率超过固话工作频率的频带称为宽带。在发送端将基带信号调制到载波上，接收端则要对其接收的信号进行解调，以便从载波信号中恢复出原始信号。
传输介质是真正承载数据流动的介质。传输介质可以是物理上可以看得到的介质，比如电缆、电话线或光纤，也可以是物理上看不见的无线介质，比如红外线、无线电波。按传输介质分类，信道可分为有线信道和无线信道;信号分为有线信号和无线信号。有线信号是在有线信道上传输的信号。无线信号是在无线信道上传输的信号。
按信号变化是否有规律分类，信号分为确定信号和随机信号。确定信号是指信号某些参量具有一定规律性，按照其规律可以预测信号的变化。它在定义域的任意时刻都有确定的函数值，因而可用明确的数学表达式或波形来表示，如正弦信号。随机信号是指信号变化是随机的，没有任何规律，在定义域内的任意时刻都没有确定的函数值，如语音信号、噪声等。
信号波形特征可用两个物理量来表示，即时间和幅值。时间连续的信号称为连续信号，连续信号的函数值可以是连续的，也可以是离散的。幅值连续是指在某一取值范围内，信号可以取无限多个值。按照幅值是否连续，分为模拟信号和数字信号。信道根据适合传输的信号类型可分为模拟信道和数字信道。
数字信号是幅值不连续且只能取有限个值的信号。实际系统中存在的绝大多数物理过程或物理量，都是在时间上和在幅值上连续的量，称为模拟信号。模拟信号在传输中易受噪声干扰，传输质量不够稳定。
数字信号抗干扰能力强，无噪声积累，便于加密，利于采用时分复用实现多路通信，设备便于集成化、小型化，占用频带较宽（缺点，但在大容量信道下，可以得到合理的解决），1路模拟电话所占频带仅4kHz，而1路数字电话所占频带为64 kHz，是前者的16倍。
能处理数字信号的电路就称为数字电路。这种电路除了能进行二进制算术运算外还能完成逻辑运算和具有逻辑推理能力，所以又把它叫做逻辑电路。
3、频率和频谱
物理学中的频率是单位时间内完成振动的次数，是描述振动物体往复运动频繁程度的量。波的频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱。
周期性的信号均有其对应的频率，而且可以透过傅里叶级数转换为不同频率弦波的和。而大部分信号（周期性或非周期性）可以用傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换转换成在不同频率下对应的振幅及相位，此种考虑信号或系统频率相关部分的分析方式称为频域。频域图显示了在一个频率范围内每个给定频带内的信号量。
频谱是频率谱密度的简称，是频率的分布曲线。复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。频谱广泛应用于光学和无线电技术等方面，将对信号的研究从时域引入到频域。
功率谱是功率谱密度函数的简称，是在有限信号的情况下，单位频带范围内信号功率的变换状况，功率随频率而变化，从而表现成为功率谱，它是专门对功率能量的可用有限信号进行分析所表现的能量，含有频谱的一些幅度信息，不过相位信息被舍弃掉了。功率谱密度是可以应用于既不是周期性的也不是可平方积分的大类信号的频域描述;具有功率谱密度，信号仅需要是广义静态随机过程的输出。
4、信号带宽与信道带宽
信号带宽即信号频谱的宽度，信道带宽是指信道上允许传输电磁波的有效频率范围。模拟信道的带宽等于信道可以传输的信号频率上限和下限之差，单位是Hz。数字信道的带宽一般用信道容量表示，信道容量是信道允许的最大数据传输速率。时间信号的频谱就是时间信号的傅里叶变换，功率谱等于信号振幅谱的平方除以样本长度。
数据传输速率即单位时间内传输的bit位数：R = log2N/T。R—数据传输速率，T—信号码元周期(秒)，1/T称为波特率，也称为调制速率，是单位时间内信号码元的变换数，单位是波特(Baud)。N—信号码元状态数，也称相位数，log2N为需要的编码所需bit位数。
数据通信系统采用16相位调制编码，意即有16种码元状态，需要log216=4bit进行编码(即8421BCD码)。信号码元周期长度为1/3200s，波特率为3200，即每秒调制3200个码元，故数据传输速率为3200*4=12800kbps。
信道容量遵循香农定理：C = B·log2(1+S/N)(bps)，C为信道容量，B为信道频带宽，S为平均信号功率，N为平均噪声功率，S/N为信道的信噪功率比，信噪比一般用10log10(S/N)表示，单位为分贝(dB)。在保证S/N 信噪比的情况下，可以通过增大传输系统的带宽B来增加信道容量C。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰问题。码间串扰就是前后码元由于信道中噪声的影响造成前一码元的拖尾过长与后一码元发生混叠，使得在接收端无法识别各个数字信号。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。在理想低通信道下，为了避免码间串扰，最高码元传输速率的公式：理想低通信道下的最高码元传输速率=2W Baud。每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压,致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码。误码率（SER）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标，误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。误码率决定了数据传输可靠性好与坏。
4、信号数字化
信号只有经过离散数字化(即模数转换)才能交由计算机系统做分析处理。
多个信号都可以产生同样一组给定的样本值。如果一个信号是带限的(即它的傅里叶变换在某一有限频带范围以外均为零)，并且它的样本取得足够密(相对于信号中的最高频率而言)，那么等时间间隔点上的值或样本就能唯一地用来表征这一信号，并且能从这些样本中把信号完全恢复出来。将模拟信号按一定时间间隔循环进行取值，从而得到按时间顺序排列的一串离散信号的过程称为采样。采样在连续时间信号和离散时间信号之间所起的桥梁作用。1928年，美国电气工程师奈奎斯特研究发现，若要使原波形不产生“半波损失”，采样频率至少应为信号最高频率的两倍。奈奎斯特采样定理阐述了采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基础。
家用固定电话的语音信号所占频率范围是300-3400Hz，取最高4kHz。根据采样定理，需要8kHz的采样频率，即连续的电话信号经采样后成为每秒8000个离散脉冲信号，其振幅对应于采样时刻电话信号的数值。假定用8位二进制数(256状态)对每个采样点进行数字化编码，则数据速率为8bit*8000Hz=64kbit/s。这个速率便是最早制定出的话音编码的标准速率，数字电话调制解调速率一般为56kbps左右。
在使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
从信号的样本来重建信号涉及到内插技术。内插也就是用一连续信号对一组样本值的拟合，是常用的由样本值来重建某一函数的过程。简单的内插包括零阶保持和线性内插，在更为复杂的内插方法中，样本点之间可以采用高阶多项式或其他的数学函数来拟合，这一过程属于数学建模的范畴。
5、编码与译码
2003年，软件工程师Bram Cohen发明了BitTorrent协议。比特流是一种内容分发协议。每个下载者在下载的同时不断向其他下载者上传已下载的数据。而在FTP、HTTP协议中，每个下载者在下载自己所需文件的同时，各个下载者之间没有交互。
编码是指把需要加工处理的数据库信息，根据一定的协议或格式转换成比特流的一种技术，是根据一定数据结构和目标的定性特征，将数据转换为代码或编码字符，在数据传输中表示数据组成，并作为传送、接受和处理的一组规则和约定。编码通常是一种较多输入经量化变成较少输出(码组)的过程。用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
摩尔斯电码是一种早期的数字化通信形式，代码包括五种：点、划、每个字符间短的停顿、每个词之间中等的停顿、以及句子之间长的停顿。数字信号一般只有2种状态，0或1，可使用开关变量(高低电压)或电压跳变(差分)来编码表示。
信源编码：主要完成模/数变换（A/D变换）；其作用是，一是把信源发出的消息变换成由二进制码元（或多进制码元）组成的码组，这种代码组就是基带信号；二是压缩信源的冗余度（即多余度），以提高通信系统传输消息的效率。
信道编码器：主要用于差错控制；其作用是在信源编码器输出的代码组上有目的地增加一些监督码元，使之具有检错或纠错的能力。
译码或解码是编码的逆过程，同时去掉比特流在传播过程中混入的噪声。利用译码表把文字译成一组组数码或用译码表将代表某一项信息的一系列信号译成文字的过程称之为译码。译码通常是一种较少输入变为较多输出的过程，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。
信源解码器：主要完成数/模变换（D/A变换）；将数字信号转换为模拟信号的方法，与信源编码对应。
信道解码器：主要用于差错控制；其具有检错或纠错的能力，可以将落在其检错或纠错范围内的错传码元检出或纠正，以提高传输消息的可靠性。
6、调制与解调
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。调制就是将信号源的信息变为适合于信道传输的形式的过程。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制器用于将信道编码器输出的比特流转换成适合信道传输的形式。调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，这类调制称为基带调制，变换后的信号仍然是基带信号。另一类则需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)，而使用载波的调制称为带通调制。在全双工通信中，任何一端既需要发送调制也需要接收解调，因此往往合二为一为一个调制解调器(modem)。
调制有几种形式：改变高频载波即消息的载体信号的幅度、频率或相位。(1)调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。中波广播采用了调幅的方式。(2)调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。比如对于无线信道，比特流必须表示成高频信道以便利用合理尺寸的天线传输，即主要用于频率搬移，将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号。解调器(分离器)利用滤波手段提取出指定频段的源信号。(3)调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于相位180度。相位调制又分为绝对相位调制、相对相位调制和多相位调制。为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，例如，正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。
脉冲编码调制（Pulse Code Modulation），简称PCM，是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化转化为数字信号。由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统。脉冲编码调制（PCM）通信系统，主要包括三个部分：发送端（完成模/数变换，经过抽样、量化、编码三个步骤）、信道部分（包括传输线路、再生中继器）、接收端（完成数/模变换，经过解码和低通滤波器）。
载波就是载着数据的特定频率的无线电波。多载波调制技术采用多个载波信号（将信道分成若干正交子信道），将需要传输的数据信号转换成并行的低速子数据流（子数据流具有低得多的传输比特速率），然后调制到在每个子信道上进行传输，即利用这些子数据分别去调制若干个载波。相对于单载波方案（如GSM），多载波模式抗多径干扰能力强、频谱利用率高。
传输数字信号时有三种基本的调制方式：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。ASK载波幅度是随着调制信号而变化，用相乘器实现调制器。FSK就是用数字信号去调制载波的频率。PSK根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换。
从传统数字调制技术扩展的技术有最小移频键控（MSK）、高斯滤波最小移频键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）、正交频分复用调制（OFDM）等等。GMSK调制是在MSK（最小频移键控，FSK的一种）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器，进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得调制后的信号频谱紧凑，误码性好。正交振幅调制（QAM）将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90°的两个正交载波进行调幅，然后再将这两个调幅信号进行矢量相加，从而得到调幅信号。将两种调幅信号汇合到一个信道，进一步提高频带利用率。调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。
光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。将传输的信息加载于激光辐射的过程称为激光调制。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器（探测器）一般都是直接响应其所接收的光强度变化的缘故。
利用电光效应实现的调制叫电光调制。电光调制的物理基础是电光效应，即是某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。调制晶体是电光调制器的核心部件，它按一定的方向加工成圆柱体或长方形体状。如果外电场与光传播方向相同，这种调制器叫纵向电光调制器；若外电场与光传播方向垂直，这种调制器叫横向电光调制器。
电光调制主要分为直接调制与外调制。直接调制指电信号直接改变激光器的偏置电流，使输出激光强度随电信号而改变。优点是采用单一件，成本低廉，附件损耗小。缺点是调制频率受限，限制传输距离，光波长随驱动电流而改变。适用于短距离低速率的传输系统。外调制指调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光热光和声光物理效应，从而使通过调制器的激光器的光参量随信号而改变。优点是不干扰激光器工作，波长稳定，可对信号实现多种编码格式，高速率。缺点增加了外光学器件，成本增加，增加了线路损耗。
声光效应是指机械波在透明媒质中传播时，媒质折射率发生空间周期性变化，使通过媒质的光线发生改变的现象。机械震动在介质中的传播称为机械波。机械波由机械振动产生，电磁波由电磁振荡产生；机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传播速度也不同，在真空中根本不能传播，而电磁波（例如光波）可以在真空中传播；机械波可以是横波和纵波，但电磁波只能是横波。常见的机械波有：水波、声波、地震波。
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程，调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电-声换能器上，将相应的电信号转化成超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。声光调制器是由声光介质，电-声换能器，吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。
