【计算机网络】数据通信的基础知识

通信系统的一般模型

数据通信系统的组成部分

• 源点（信源）：产生数据，如从键盘输入，产生数字比特流。
• 发送器：对数字比特流进行编码，如调制器。
• 信道：是信号传输的通道，可能是一条简易的传输线路,也可能是一个复杂的网络。
• 接收器：设备的功能与发送设备相反，它从接收信号中恢复出原始信号。如解调器。
• 终点（信宿）：从接收器获取数字比特流，将复原的原始信号转换成相应的数据。

常用术语

• 数据(data)：运送信息的实体。
• 信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。
  
  1. 模拟 (analogous)信号：连续变化的。
  2. 数字 (digital)信号：取值是离散数值。
• 码元：固定时长的信号波形，是数字信号的计量单位。
• 调制：把数字信号转换为模拟信号的过程。
• 解调：把模拟信号转换为数字信号的过程。

模拟的和数字的数据、信号

有关信道的几个概念

信道用来表示向某一个方向传送信息的媒体 ，是单方向的。

信息交互的三种基本方式：

• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
• 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号和带通信号

基带信号（baseband）——来自信源的信号。如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号。

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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

• 基带调制：仅变换基带信号波形，使之适应信道特性。即编码。
• 带通调制：用载波，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。调制后的信号称为带通信号（band pass） （即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。

常用编码方式

• 不归零制
  正电平代表1，负电平代表0
• 归零制
  正脉冲代表1，负脉冲代表0（有不正不负状态）
• 曼彻斯特编码
  位周期中心的向上跳变代表0，向下代表1
• 差分曼彻斯特编码

归零制

基本的带通调制方法

调制就是进行波形变换（频谱变换）。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

对基带数字信号的几种调制方法

一种正交调制 QAM

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

• 正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度
• 实现两路并行的数字信息的传输

传输速率更高

信道的极限容量

努力目标——提高数据传输率
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道输出端的波形的失真就越严重。

数字信号通过实际的信道

限制码元在信道上传输速率的因素

码元分组调制

香农公式表明

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
• 若信噪比 S/N 没有上限，则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
• 增加信道带宽 W（也即信号带宽）能增加信道容量，但并不能无限制地使信道容量增大。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围