数据通信的基本知识

数据通信的基本知识

一、数据通信系统的模型

• 三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。

1. 源系统

	作用	例如
源点(source)	源点设备产生要传输的数据	从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流	源点又称为源站，或信源
发送器	编码源点生成的数字比特流	通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器	现在很多计算机使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器)

2. 目的系统

	作用	例如
接收器	接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息	解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流
终点(destination)	终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出	(例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来)。终点又称为目的站，或信宿

3. 传输系统

• 在源系统和目的系统之间

• 可以是简单的传输线

• 也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统

4. 常用术语

• 通信的目的是传送消息(message)

• 消息(message)：如话音、文字、图像、视频

• 数据(data)：运送消息的实体

• 根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。信息的表示可用计算机或其他机器(或人)处理或产生

• 信号(signal)：则是数据的电气或电磁的表现

  	含义
  (1)模拟信号，或连续信号	代表消息的参数的取值是连续的
  (2)数字信号，或离散信号	代表消息的参数的取值是离散的

• 码元：在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

  • 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态

二、信道

1. 信道知识

• 信道：向某一个方向传送信息的媒体

• 一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

• 通信的双方信息交互的方式：

  	含义	例如
  (1) 单向通信， 又称为单工通信	只能有一个方向的通信而没有反方向的交互	无线电广播或有线电广播以及电视广播
  (2)双向交替通信，又称为半双工通信	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)	一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来
  (3)双向同时通信，又称为全双工通信	通信的双方可以同时发送和接收信息	双向同时通信的传输效率最高

  单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)

2. 基带信号

定义	例如	特点	缺点
来自信源的信号(基本频带信号)	计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号	包含有较多的低频成分，甚至有直流成分	无法直接在信道传输

• 带通信号：经过载波调制后的信号(仅在一段频率范围内能够通过信道)

3. 调制(modulation)

	具体
目的	解决许多信道并不能传输基带信号（低频分量或直流分量）的问题
做法	对基带信号进行调制

(1) 调制分类

	做法	变换后结果	本质
基带调制	仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应	仍然是基带信号	把数字信号转换为另一种形式的数字信号	编码(coding)
带通调制	使用载波(arrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号	模拟信号：又称带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)	调制信号的频率

(2) 常用编码方式

	定义
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
曼彻斯特编码	位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。 但也可反过来定义
差分曼彻斯特编码	在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

• 编码方式比较：

  	不同
  信号波形	曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高
  同步能力	不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(这叫做没有自同步能力)，而曼彻斯特编码具有自同步能力
  	曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都有位中心跳变，但意义不同

(3) 基本的带通调制方法

	做法	例如
调幅(AM)	即载波的振幅随基带数字信号而变化	0或1分别对应于无载波或有载波输出
调频(FM)	即载波的频率随基带数字信号而变化	0或1分别对应于频率f1或f2
调相(PM)	即载波的初始相位随基带数字信号而变化	0或1分别对应于相位0度或180度

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。

三、信道的极限容量

• 数字通信的优点：可忽略失真对通信质量的影响（原因：信号在信道上传输会失真，在接收端从失真的波形中能够识别出原来的信号）

• 失真原因：

  • 码元传输的速率越高
  • 信号传输的距离越远
  • 噪声干扰越大
  • 传输媒体质量越差

• 从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有：

  • (1）信道能够通过的频率范围
  • (2）信噪比

1. 信道能够通过的频率范围

1）码间串扰

• 定义：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限

• 产生原因：信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的

2）奈氏准则（内忧）

给出	表明	意义
在假定的理想条件（无噪声情况下）下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值	在任何信道中，码元传输的速率是有上限的传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能	如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

• 码元传输速率：又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为”波特”，常用符号”Baud”表示，简写为”B”。

	最高码元传输速率	注
理想状态下	2W Baud	Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元，单位是码元/秒
理想带通信道	1W Baud	W为信道带宽（Hz）

公式：

• 注：C是信道的极限信息传输速率，单位bit/s。
  M是携带数据的码元，可能取的离散值个数。W为信道带宽（Hz）。

2. 信噪比

噪声:

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中

• 噪声是随机产生

• 噪声会使接收端对码元的判决产生错误(1误判为0或0误判为1)

• 噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小

1）信噪比公式：

信噪比
信号的平均功率和噪声的平均功率之比
常记为S/N（S为信道内所传信号的平均功率。N为信道内部的高斯噪声功率。）
用分贝(dB)作为度量单位
例如：当S/N= 10时，信噪比为10dB，而当S/N= 1000时，信噪比为30 dB。

2）香农公式（外患）

表明	指出	意义
信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。	信息传输速率的上限	只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

公式：

• 注：C是信道的极限信息传输速率，单位bit/s。
  W为信道带宽（Hz）。
    S为信道内所传信号的平均功率。
    N为信道内部的高斯噪声功率。

3. 小题

题目:二进制信号在信噪比为127 : 1的4kHz信道上传输,最大的数据速率可达到多少?

• 奈氏准则:
  

• 香农公式:
  

4. 编码提高信息的传输速率

编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量