计算机网络通信基础

本文仅简单介绍下网络通信的基础知识重点。主要涉及：

• 基带传输与频带传输区别
• 传输速率和信道带宽的计算
• 奈斯准则、香农公式和采样定律
• 归零码与非归零码区别
• AMI、CMI、HDB3、曼彻斯特码和查分曼特斯特码编码原理
• 调制与解调工作原理
• 各种2ASK、2FSK、2PSK的调制和解调方法工作原理

数据通信系统基本模型

数据通信是计算机与计算机或者终端之间的通信。它传送数据的目的不仅仅是为了交换数据，更主要是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时正确的数据。

通信模型中涉及两个实体和一个通信信道，他们是源系统、目的系统和传输系统。我们用一个最简单的、最典型的Modem通过PSTN拨号远程计算机访问为例解释下几个组成部分的作用，如图：

图1 数据通信系统基本模型

信号传输系统分类

在计算机网络中，信号的传输主要有两种方式：一种是信号无需经过调制(没有进行频谱搬移和变换)直接进行的传输，称为基带传输；另一种是在传输之前必须对信号进行调制，然后再进行的传输，称为频带传输；另外还有一种称为宽带传输。

由于基带信号频率一般比较低，不适合远距离传输，在计算机局域网内的数据传输大都是采用基带传输类型。而频带传输中对基带信号所进行的调制通常是用一个高频信号携带上低频信号进行传输，所以可以使最终的信号频率得到提高，更适合远距离传输。所以广域网远程网络连接中基本都是采用频带传输方式。

数据传输方式

1. 串行传输——USB接口 、SATA磁盘接口、SAS磁盘接口等
2. 并行传输——打印机并口、磁盘ATA接口、CPU和其他芯片的数据传输

数据传输模式

3. 同步传输
4. 异步传输

数据通信模式

1. 单工通信 （马路单行道）
2. 半双工通信（可以双向行驶，但是必须对面没车）
3. 全双工通信 （双车道，任意行驶）

数据传输速率和信道带宽

数据传输率是指在一条信道中单位时间内传输的信息量，可以用比特率或波特率来表示。

1. 比特率是指单位时间内传输的二进制代码的位数，单位是Rb。

   Rb = 1/T  (b/s)
   

2. 波特率是指一个基带数字信号在被调制后基带数字信号对载波的调制速率，亦即单位时间内载波参数变化的次数，单位是RB。
   没有经过调制的二进制数字信号，比特率和波特率一样，所以波特率通常指调制之后的数字信号或者模拟信号的传输速率。
3. 二者关系

    Rb = RB * log2M (b/s)

M是符号的进制数，如二进制、八进制、十六进制等。
如码元速率是1200B,八进制下，Rb = 1200 * 3 = 3600 b/s。

4. 传输带宽
   传输带宽是指信道中每秒传输的最大信息量，也是一个信道在理想状态下可以达到的最大数据传输速率，单位也是位/秒（b/s）。

数字信号不失真传输的最大传输速率限制

1. 奈氏准则
   由于数字信号（没有经过调制的原始信号）的频带可以非常宽，但是主要能量集中在低频段，而且数据通信中的线缆传输只允许比较低的频率的成分通过的理想低通道，高频成分将被滤去，这就造成了输出波形的失真。

最高码元传输速率（MaxRB） = 2 x W

W是理想低通信到的带宽，单位是Hz。MaxRB 单位是Raud(波特)。

3. 香农公式
   在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，最大数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系如一下公式所示：

    Rmax = B * log2(1+S/N)

其中Rmax的单位是b/s,信道带宽B的单位是Hz,信噪比S/N单位是dB（分贝）。可以用10 * log10(S/N)来计算信噪比的分贝数。

调制解调

关键术语：

1. 调制 ：用一种能量大的信号去承载另一种能量小的信号进行传播，传输。（数字信号调制手段，调幅、调频、调相）
2. 调制信号： 用于对载波信号进行某个参数特性控制，使其按照自己的对应参数特性变化的原始信号。
3. 载波信号：用来载送有用低频调只信号的信号波，通常是一种高频信号。
4. 已调信号：载波信号在被调制信号后所产生的新信号。
5. 解调： 是调制的逆过程。