02_数据通信基础(一)

第二章 数据通信基础(一)

作者：张子默

一、数据通信基本概念

1、信源

通信中产生和发送信息的一端叫做信源。

2、信宿

接受信息的一端叫做信宿。

3、信道

信源和信宿之间的通信线路称为信道。

4、噪声

信息在传输过程中可能受到外界的干扰，把这种干扰称为噪声。

5、数字信号

数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的，数字信号以某一瞬间的状态表示他们传送的信息。

6、模拟信号

模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量(如幅度、相位和频率等)可以表示要传送的信息。电话机送话器输出的话音信号、电视摄像机产生的图像信号等都是模拟信号。

7、模拟通信

如果信源产生的是模拟数据并以模拟信道传输，则叫做模拟通信。

8、数字通信

如果信源发出的是模拟数据且以数字信号的形式传输，那么这种通信方式叫数字通信。

9、数据通信

如果信源发出的是数字数据，当然也可以有两种传输方式，这时无论是用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫做数据通信。

二、数据通信计算

1、模拟信道带宽

计算公式：W=f₂-f₁

上述公式中，f₁是信道能通过的最低频率(低频)，f₂是信道能通过的最高频率(高频)，两者都是由信道的物理特性决定的。当组成信道的电路制成了，信道的带宽就决定了。为了使信号传输中的失真小一些，信道要有足够的带宽。

2、数字信道带宽

数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号，信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。

码元、码元速率

一个数字脉冲称为一个码元；用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T。码元速率的单位叫波特(Baud)，所以码元速率也叫波特率。

尼奎斯特定理：B=2W (Baud)

尼奎斯特定理用于计算有限带宽无噪声信道的极限波特率。其公式中信道带宽为W。尼奎斯特定理指定的信道容量也叫作奈奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定的，超过奈奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的，所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。

信息量(n)与码元种类数(N)的关系：n=log₂N(N=2ⁿ)

码元携带的信息量由码元取的离散值的个数决定，若码元取两个离散值，则一个码元携带1位信息。若码元可取4种离散值，则一个码元携带两位信息。

数据速率：R=Blog₂N=2Wlog₂N(bps)

单位时间内在信道上传送的信息量(位数)称为数据速率。在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的位数，如果把两位编码为一个码元，则数据速率可成倍提高。在以上公式中，R表示数据速率，单位是每秒位(bps或b/s)。

小贴士
数据速率和波特率是两个不同的概念，仅当码元取两个离散值时两者的数值才相等，最高数据速率可随着调制方式的不同而取不同的值，这些都是在无噪声的理想情况下的极限值。

香农公式：C=Wlog₂(1+S/N)

实际信道会受到各种噪声的干扰，因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传输速率。香农公式用于计算有噪声信道的极限数据传输速率。在以上公式中，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均规律，S/N叫做信噪比。

分贝数(dB)与信噪比的关系：dB=10log₁₀S/N

由于在实际使用中S与N的比值太大，故常取其分贝数(dB)。无论用什么方式调制，只要给定了信噪比，在单位时间内最大的信息传输量就确定了。

误码率：P_c=N_e(出错的位数)/N(传送的总位数)

在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加，用误码率来表示。在计算机网络通信中，误码率一般要求低于10^-6，即平均每传送1兆位才允许错1位。在误码率低于一定的数据时，可以用差错控制的办法进行检查和纠正。

常用考试数据

• 单位换算

  • 通信换算进率1000，如1G=1000M(bit)

  • 存储换算进率1024，如1G=1024G(Byte)

• 信道延迟

  • 电缆信道延迟200m/us(200km/ms、200000km/s)

• 卫星信道延迟：270ms

三、通信传输介质

计算机网络中可以使用各种传输介质来组成物理信道。这些传输介质的特性不同，因而使用的网络技术不同，应用的场合也不同。

1、双绞线

双绞线由粗约1mm的互相绝缘的一对铜导线绞扭在一起组成，对称均匀地绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。在传统的电话系统中大量使用，适用于短距离传输，若超过几千米，就要加入中继器。在局域网中可以使用双绞线作为传输介质。

双绞线分类

双绞线分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)，常用的非屏蔽双绞线由颜色不同的(橙、绿、蓝、棕)4对双绞线组成。屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹着，价格要相对高一些。由于双绞线价格便宜，容易安装，适用于结构化综合布线，所以得到了广泛使用。

双绞线线序

双绞线交叉线和直通线的适用范围

2、同轴电缆

同轴电缆的芯线为铜质导线，外包一层绝缘材料，再外面是由细铜丝组成的网状外导体，最外面加一层绝缘塑料保护层，芯线与网状导体同轴，故名同轴电缆。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制机制。同轴电缆分为粗同轴电缆、细同轴电缆。传输距离长，信号稳定，常用于电视、监视系统，音响设备传送音、视频信号。

基带系统

基带、基带同轴电缆、基带传输

通常把表示数字信号的方波所固有的频带称为基带，所以这种电缆也叫基带同轴电缆，直接传输方波信号称为基带传输。

宽带系统

宽带同轴电缆、宽带、综合传输

用于传输模拟信号的电缆叫宽带同轴电缆，模拟传输的电缆网络称为宽带；采用频分多路技术(FDM)，把整个CATV电缆的带宽(1000MHz)划分为多个独立的信道，分别传输数据、声音和视频信号，实现多种通信业务，这种传输方式称为综合传输。

宽带系统和基带系统的区别

宽带系统和基带系统的主要区别是模拟信号经过放大器后只能单向传输。

分裂配置、双缆配置

为了实现网络节点间的相互连通，有时要把整个带宽划分为两个频段，分别在两个方向上传送信号，这叫做分裂配置；有时用两根电缆分别在两个方向上传送，这叫双缆配置。

3、光缆

光缆由能传送光波的超细玻璃纤维制成，外包一层比玻璃折射率低的材料，进入光纤的光源在这两种材料的界面上形成全反射，从而不断的向前传播。

光源

光纤信道中的光源可以使发光二极管或注入式激光二极管，这两种器件在有电流通过时都能发出光脉冲，光脉冲通过光导纤维传播到接收端。接收端有一个光检测器——光电二极管，它遇到光时产生电信号，这样就形成了一个单向的光传输系统，类似于单向传输模拟信号的宽带系统。

光纤的分类(多模光纤与单模光纤)

多模光纤

光波在光导纤维中以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径，这样的光纤叫做多模光纤。

单模光纤

如果芯线的直径小到光波波长大小，则光纤就成为波导，光在其中无反射地沿直线传播，这种光纤叫单模光纤。

补充

光波在光纤中以什么模式传播，这与芯线和包层的相对折射率、芯线的直径以及工作波长有关。

单模光纤与多模光纤的比较

光纤的优点

光导纤维作为传输介质，其优点是有很多的。首先它具有很高的数据速率、极宽的频带、低误码率(10^-9)和低延迟；其次是光传输不受电磁干扰，不可能被偷听，因而安全和保密性能好；最后，光纤重量轻、体积小、铺设容易。

4、无线信道

有线信道与无线信道

有线信道

由双绞线、同轴电缆和光纤等传输介质组成的信道可统称为有线信道。

无线信道

通过空间传播信号的信道称之为无线信道，无线信道包括无线电波和红外光波(微波、红外和短波信道)。

四、数据编码

二进制数字信息在传输过程中可以采用不同的编码，各种代码的抗噪声特性和定时功能各不相同，实现的费用也不一样。

1、单极性码

只用正的(或负的)电压表示数据。在下图中用+3V表示二进制数字“0”，用0V表示二进制数字“1”。这种代码需要单独的时钟信号配合定时，否则当传送一长串0或1时，发送机和接收机的时钟将无法定时，单极性码的抗噪声特性也不好。单极性码用在电传打字机(TTY)接口以及PC与TTY兼容的接口中。

2、极性码

分别用正电压和负电压表示二进制数“0”和“1”。在下图中用+3V表示二进制数字“0”，用-3V表示二进制数字“1”。这种代码的电平差比单极码大，因而抗干扰特性好，但仍然需要另外的时钟信号。

3、双极性码

信号在3个电平(正、负、零)之间变化。信号交替反转编码(AMI)就是一种典型的双极性码。在AMI信号中数据流中遇到“1”时使电平在正和负之间交替翻转，而遇到“0”时则保持零电平。双极性码是三进制信号编码方法，它与二进制编码相比抗噪声性更好。AMI有其内在的检错能力，当正负脉冲交替出现的规律被打乱时容易识别出来，这种情况就叫做AMI违例。其缺点就是当传送长串“0”时会失去位同步信息。对这种方案稍加改进的一种方案就是“6零取代”双极性码B6ZS，即把连续的6个“0”用一组代码代替。这组代码中若存在AMI违例，便可以被接收机识别出来。

4、归零码

码元中间的信号回归到零电平，因此任意两个码元之间被零电平隔开。与以上仅在码元之间有电平转换的编码方案相比，这种编码方案有更好的噪声抑制特性。因为噪声对电平的干扰比对电平转换的干扰要强，而这种编码方案是以识别电平转换边来判别“0”和“1”信号的。下图表示的是一种双极性归零码，可以看出的是从正电平到零电平的转换边表示码元“0”，从负电平到零电平的转换 边表示码元“1”，同时每一位码元中间都有电平转换，使得这种编码称为自定时的编码。

5、双相码

双相码要求每一位中都要有一个电平转换。因而这种代码的最大优点是自定时，同时双相码也有错误检测的功能，如果某一位中间缺少了电平翻转，则被认为是违例代码。

6、不归零码

下图所示的不归零码(NRZ)的规律是当“1”出现时电平翻转，当“0”出现时电平不翻转。因而数据“0”和“1”的区别不是高低电平，而是电平是否转换。这种代码也叫差分码，用在终端到调制解调器的接口中。这种编码的特点是实现起来简单而且费用低，但是不是自定时的。

7、曼彻斯特编码

曼彻斯特码是一种双相码，在下图中用高电平到低电平的转换边表示“0”，用低电平到高电平的转换边表示“1”，相反的表示也是允许的。位中间的电平转换边既表示了数据代码，同时也作为定时信号使用。曼彻斯特编码用在以太网中。

8、差分曼彻斯特编码

这种编码也是一种双相码，和曼彻斯特编码不同的是，这种码元中间的电平转换边只作为定时信号，不表示数据。数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示“0”，无电平转换表示“1”。差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。

9、多电平编码

多电平编码可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位。与双相码相反，多电平码的数据速率大于波特率，因而可提高频带的利用率。但是这种代码的抗噪声特性不好，在传输过程中信号容易畸变到无法区别。

10、补充

在数据通信中，选择什么样的数据编码要根据传输的速度、信道的带宽、线路的质量以及实现的价格等因素综合考虑。

11、4B/5B编码

为了提高编码效率，降低电路成本，可以采用4B/5B编码，这种编码方法的原理如下图所示：

4B/5B编码实际上是一种两级编码方案。系统中使用不归零码，在发送到传输介质之前要变成见1就翻不归零码(NRZ-I)。NRZ-I代码序列中1的个数越多，越能提供同步定时信息，但如果遇到长串的0，则不能提供同步信息。所以在发送到介质之前还需要经过一次4B/5B编码，发送器扫描要发送的位序列，4位分为一组，然后按照下表的对应规则变换成5位的代码。

5位二进制代码的状态共有32种，在上表中选用的5位代码中1的个数都不少于两个。这就保证了在介质上传输的代码能提供足够多的同步信息。另外，还有8B/10B编码等方法，其原理是类似的。

12、各种编码效率

• 4B/5B效率80%，用于百兆以太网；

• 8B/10B效率80%，用于千兆以太网；

• 64B/66B效率97%，用于万兆以太网；

• 曼码和差分曼码效率50%，用于以太网；

五、数字调制技术

1、数字调制

数字数据不仅可以用方波脉冲传输，也可以用模拟信号传输。用数字数据调制模拟信号叫做数字调制。可以调制模拟载波的3个参数——幅度、频率和相位来表示数字数据。在电话系统中就是传输这种经过调制的模拟载波信号的。

2、幅度键控(ASK)

载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值。例如对应二进制“0”，载波振幅为“0”；对应二进制“1”，载波振幅取“1”。调幅技术虽然实现起来简单，但抗干扰性能较差。

3、频移键控(FSK)

按照数字数据的值调制载波的频率叫做频移键控。例如对应二进制“0”的载波频率为f₁，对应二进制“1”的载波频率为f₂。这种调制技术的抗干扰性能好，但占用的带宽大。

4、相移键控(PSK)

用数字数据的值调制载波相位，这就是相移键控。例如用180相移表示“1”；用0相移表示“0”。这种调制方式抗干扰性能好，而且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟。

2相调制、4相调制

码元只取两个相位值叫2相调制；码元可取4个相位值叫4相调制。

4相调制方案

5、补充

数字调制的结果是模拟信号的某个参量(幅度、频率或相位)取离散值。这些值与传输的数字数据是对应的，这是数字调制与传统的模拟调制不同的地方。

6、正交幅度调制(QAM)

所谓正交幅度调制(QAM)就是把两个幅度相同但是相位相差90^。的模拟信号合成为一个模拟信号。幅度相位复合调制也是一种正交幅度调制技术。

幅度相位复合调制

由于形成了16种不同的码元，所以每一个码元可以表示4位二进制数据，使得数据速率大大提高。

7、调制技术与码元数：n=log₂N

六、脉冲编码调制

模拟数据通过数字信道传输时效率高、失真小，而且可以开发新的通信业务(例如在数字电话系统中可以提供语音信箱功能)。把模拟数据转化成数字信号，要使用叫做编码解码器(Codec)的设备。这种设备的作用和调制解调器的作用相反，它是把模拟数据(例如声音、图像等)变换成数字信号，经过传输到达接收端再解码还原为模拟数据。

1、脉冲编码调制技术

用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是脉冲编码调制技术(PCM)，简称脉码调制。

2、取样

每隔一定的时间，取模拟信号的当前值作为标本，该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。

取样速率

奈奎斯特取样定理告诉我们如果取样速率大于模拟信号最高频率的两倍，则可以用得到样本空间恢复原来的模拟信号，即：f=1/T>2f_max，其中，f为取样频率，T为取样周期，f_max为信号的最高频率。

3、量化

取样后得到的样本是连续值，这些样本必须量化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。

上图中把量化的等级分为16级，用0000_{1111这16个二进制数分别代表0.1}1.6这16个不同的电平幅度。

4、编码

把量化后的样本值变成相应的二进制代码，可以得到相应的二进制代码序列，其中每个二进制代码都可用一个脉冲串(4位)来表示，这4位一组的脉冲序列就代表了经PCM编码的模拟信号。