第2章物理层——2.数据通信基础知识

一.数据通信系统模型

一个通信系统可以划分为三大部分: 源系统（发送端），传输系统（传输网络），目的系统（接收端）

1.源系统

①源点： 该设备主要产生传输的数据（数字比特流），
②发送器： 将源点产生的数据进行编码，发送

2.目标系统

①接收器： 接收传输系统发送的信号，将其解压为可以被目的机读取的数字比特流
②终点： 接收接收器转换好的比特流，输出

3.术语

数据: 运输消息的实体
信号: 数据的电气或电磁表现
信源: 产生发送数据的源头
信宿: 接收数据的终点
信道: 信号传输的通道,既传输媒体

4.根据代表参数的不同划分信号

模拟信号（连续信号）: 代表信息的参数取值连续
数字信号（离散信号）: 代表信息的参数取值离散

5.信道类型

依照信息交换方式可划分：

• 单向信道(单工通信): 只能有一个方向的通信
• 双向交替信号（双半工通信）: 通信双方可以发送信息，不能同时发送/接收信息
• 双向同时信号（全半工通信）: 通信双方可以同时发送/接收信息

二.调制

1.概念

基带信号: 发送端直接发送的数据
调制原因: 由于基带信号包含较多的低频成分，甚至有直流成分，不能在大多数信道中传播。

2.编码

编码： 将信号转换为数字信号

• 基带调制： 对基带信号的波形进行变换，将数字信号转换为另一种数字信号
  [外链图片转存中…(img-tHjf9lNo-1687965388396)]

编码方式:

• ①不归零制： 正电平代表1，负电平代表0
• ②归零制： 正脉冲代表1，负脉冲代表0
• ③曼彻斯特编码： 位于周期中心的向上跳为0，向下跳为1
• ④差分曼彻斯特编码： 位于开始边界没有跳动为1，挑动为0
  [外链图片转存中…(img-Q8vuueyW-1687965388398)]

3.调制

调制： 将信号转换为模拟信号
[外链图片转存中…(img-suVM8ytp-1687965388398)]
常用调制方法:

• 调幅（AM）: 0无载波输出，1有载波输出
• 调频（FM）: 0为低频，1为高频
• 调相（PM）: 1的始端，终端改变180°,0不变动
• 混合调制: 将常用的调制方法融合,提高波的信息含量
  [外链图片转存中…(img-Nr4ajAp4-1687965388399)]

三.限制信道传播的因素

信道带宽: 信道中可以通过的频率范围

• 关键数据: $频{率}_{Max},频{率}_{Min}$
• 数据表示: $频{率}_{Max}-频{率}_{Min}$

码元: 在使用时间域的波形表示数字信号时,不同波形代表不同的离散数值。

1.信号失真的原因

• 码元参数速率高
• 信号传输的距离远
• 传输媒体质量差
• 噪音干扰

2.信道能通过的频率范围

受频率范围的限制,高频分量在传输时衰减,许多高频分量无法通过信道。
码间串扰: 信号在过长距离的传播后信号失真严重，从而无法识别
[外链图片转存中…(img-unHGkujK-1687965388399)]
奈式准则（信道上限）定义：

• 理想状态下: 带宽为$W$(Hz) 的底通道信道中,码元最高传输速率2$W$(码元/秒)。若传输率超过2W,会出现严重的码间串扰

3.信噪比

信噪比定义： 噪音会相对干扰接收端对码元的判断，信号平均功率高于噪音则噪音影响小，反之大。其单位分贝(dB)
$$信噪比=lo{g}_{10}\frac{S(信号平均功率)}{N(噪音平均功率)}$$

香农公式： 信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越大。

• 意义: 信道传输速率低于信道极限传输速率就有办法达到无差错传输

$$
C（极限信息传输速率）=W(信道带宽)log_2(1+\frac{S(信号平均功率)}{N(噪音平均功率)})

$$

4.码元加密与解码

针对香农公式中，C无法改变的情况：让一码元含有多个信息（码元加密与解码）
示例:

$$
100/010/011/101=φ₄φ₂φ₃φ₅

$$

$$
加密信息含量=3*直接传送信息含量

$$

优点: 码元可以传输多个信息
缺点: 在有噪声干扰的信号中,信号的损失比重高于无加密方式