实时音视频涉及了两大领域：音视频技术与通信技术。音视频主要涉及到采集、压缩编码、复用、解码、解复用、播放渲染；传输依靠通信技术，日常我们接触到较多的主要是拥塞控制相关的算法及纠错相关的文章。本文我们介绍一些更偏通信底层的知识。

首先我们看看音视频是如何在网络上传输的。

1. 网络通信基础

上图展示了两个用户实时音视频通信过程中可能经过的网络接点：

1. 用户手机接入家用无线路由器或者公司提供的AP（无线访问接入点(WirelessAccessPoint)）或者通过移动网络4G/5G信号接入供应商网络；

2. 家用无线路由器使用双绞线/电话线通过PPPOE(Point-to-Point Protocol Over Ethernet)拨号或者光纤接入楼宇交换机或者路由器；

3. 楼宇网络设备通过光纤接入运营商网络；

4. 实时音视频服务供应商服务机房也通过光纤接入广域网；

5. 两个用户将音视频内容通过服务商实现实时交换。

上面提到一些网络设备，提起网络我们绕不开网络通信模型，其中最常用的TCP/IP模型有以下五层：

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上面提到的路由器工作在网络层，交互机分二层交换机与三层交换机，二层交换机工作在链路层，三层交换机工作在网络层；还有不论是双绞线还是电话线还是光纤都是工作在物理层。

写到这里我们抛出一个问题：两个用户通信为什么要经过服务商服务，而不能直接P2P呢？将到这里我们必须提到NAT了

1.1 NAT

NAT（Network Address Translation）是指网络地址转换。

为什么需要NAT呢？因为IP地址不够用。这种方法需要在专用网（私网IP）连接到因特网（公网IP）的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部公网IP地址。这样，所有使用本地地址（私网IP地址）的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。

相当于内网众多机器公用了一个公网IP，当我们想与内网某台机器直连时，就需要拿到这台机器的IP，但是它和好多机器公用了一个公网IP，我们只能找到绑定公网IP的路由器，再想找路由器里面的机器就需要看路由器允许不允许了，很不幸的是，国内大部分运营商的路由器都不支持，所以实时音视频通信中P2P模型在国内基本是不可用的。

弱网对抗作为实时音视频的难题，有事我们想要基于Wi-Fi做弱网优化，就不得不接触一些信号相关的知识；之前我们通过电话线来上网，我们知道上网传输的是高频信号，而电话传输的是低频信号，不同频段的信号如何实现同时传输也设计到信号知识。下面我们再介绍一些信号相关的知识。

2. 通信技术中的信号知识

下图是一个简单的通信系统模型：

我们先看一下中间的信道部分

2.1 信道

信道主要分两种：有线信道与无线信道。

有线信道的传输媒介为电话线、网线和光纤等导线。

无线信道的传输媒介为自由空间的电磁波。

电磁波按照波长的不同分为无线电波、光波、X射线、γ射线。电磁波谱图如下图

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通信中主要用到了无线电波和光波。

无线电波按波长分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波。

• 调幅广播使用长波、中波或短波进行通信

• 调频广播使用VHF频段87~108MHz的微波进行通信

• 电视使用VHF频段48.5~92MHz和167~223MHz、UHF频段223~870MHz的微波进行通信

• 无线通信中：

  • Wi-Fi：主要使用UHF频段的2.4GHz微波进行通信

  • GSM：主要使用UHF频段的900MHz/1800MHz微波进行通信

  • LTE：主要使用UHF频段的2.5GHz微波进行通信

• 微波和卫星通信使用SHF和EHF频段的7~38GHz微波进行通信

光波主要有可见光和红外。

• 可见光使用光波中的可见光进行通信，

• 红外遥控：使用波长为940nm的红外线进行通信

2.2 信号变换

从上面信道分类中我们观察到跟信号密切关联的就是频率。承载信息的信号在发信机中要经过哪些处理才能转换成适合信道传输的信号形式呢？

这里我们主要看调制，调试是将信息承载到满足信道要求的高频载波信号上的过程。

2.2.1 无线通信

无线通信是用空间辐射的方式传送信号的，由电磁波理论可以知道：天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些，信号才能被有效地辐射。以语音信号为例，人能听见的声音频率范围为20Hz~20kHz，假定我们要以无线通信方式直接发送一个频率为10kHz的单音信号出去。该单音信号的波长为：

其中，

• c：光速，一般认为电磁波在空间的传播速度等于光速。

• f：信号的频率。

如果不经过调制直接在空间发送这个单音信号，需要的天线尺寸至少要几公里，显然，这几乎是不可能的。通过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围，这样信号就能很容易以电磁波形式辐射出去。而且，还可以通过调制把多路信号频谱搬移到不同的频率范围内，实现多路频分复用（FDM）。

2.2.2 有线传输

有线通信也要通过调制将信号频谱搬移到合适的频率范围内，以满足有线信道的频率要求。

比如电话线允许频率低于3 400Hz的信号直接通过。发送端的麦克风进行声电转换，只要转换后的音频信号最高频率不超过3 400Hz，就可以通过电话线传送给接收端，由喇叭进行电声转换把话音恢复出来；如果要想通过电话线传输010010111这样的二进制数据需要在发送端，利用调制器将数据调制到音频载波上，通过电话线传送给接收端，由解调器将调制在音频载波上的数据恢复出来，但是这样做存在我们上面说的问题：打电话时不能传数据，传数据时不能打电话。

这里就利用了调制技术，利用电话线的低频部分传输话音，高频部分传输数据，ADSL就是这么做的。

ADSL频谱分配情况

• 0~4kHz：用于传输话音。

• 25~138kHz：用于传输上行数据。

• 138kHz~1.1MHz：用传输下行数据。

这里我们也能看到：上行带宽比下行带宽小很多，所以我们上网是上传速度要比下载速度慢很多

3. 总结

本文主要介绍了网络通信基础和通信技术中的信号知识。本篇简单介绍了一些我们日常接触较多的知识点，本身信号与系统是一个复杂的知识体系，涉及到通信的还有天线等技术，后续文章有针对性的继续介绍。