2.2 数据通信的基础知识

前言：

2.2.1 数据通信的基础知识

**笔记**：2.2.1 数据通信系统的模型

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**1. 数据通信系统组成**：
- 三大部分：
1. 源系统 (发送端)
2. 传输系统 (传输网络)
3. 目的系统 (接收端)

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**2. 源系统**：
- **源点 (Source)**：生成要传输的数据。
- 例如：从键盘输入汉字，计算机产生的数字比特流。
- **发送器**：编码数字比特流，以便在传输系统中传输。
- 典型发送器：调制器。
- 现代计算机多使用内置调制解调器。

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**3. 目的系统**：
- **接收器**：接收信号并转为目的设备能处理的信息。
- 典型接收器：解调器。它提取消息，还原发送端的数字比特流。
- **终点 (Destination)**：从接收器获取数字比特流并输出。
- 例如：显示汉字在计算机屏幕上。

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**4. 传输系统**：
- 可以是简单的传输线或复杂的网络系统。

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**5. 数据通信系统 vs 计算机网络**：
- 两者相似，但本节以通信的角度介绍数据通信系统要素。

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**6. 通信常用术语**：
- **消息 (Message)**：要传送的内容如话音、文字、图像、视频等。
- **数据 (Data)**：运送消息的实体，特定方式表示的信息。
- **信号 (Signal)**：数据的电气或电磁表现。
1. **模拟信号**：连续的参数取值，如调制解调器到电话端局之间的用户线传送的模拟信号。
2. **数字信号**：离散的参数取值，如计算机到调制解调器之间的数字信号。其中，代表不同离散数值的基本波形称为“码元”。

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**7. 信道基本概念**：
- [在正文中待补充的部分]

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这一节的笔记总结了数据通信系统的基本模型、其组成部分、及与计算机网络的关系，同时还对一些常用的通信术语进行了简要介绍。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

**2.2.2 有关信道的几个基本概念**

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**1. 信道与电路的区别：**
- 信道表示传送信息的媒体，指向某个方向。
- 一条通信电路通常包括发送信道与接收信道。

**2. 通信的三种基本方式：**
- **单向通信(单工)：** 只有一个方向的通信，例如无线电广播。
- **双向交替通信(半双工)：** 双方轮流发送与接收信息，但不能同时进行。
- **双向同时通信(全双工)：** 双方可以同时发送和接收信息。

**注意：**
- 单向通信需要一条信道；双向交替与双向同时通信都需要两条信道。
- 全双工的传输效率最高。

**3. 基带信号：**
- 来自信源的信号。
- 例如：计算机输出的文字或图像文件数据。
- 有低频分量或直流分量。

**4. 调制：**
- 对基带信号进行处理使其适应信道特性。

**a. 基带调制：** 变换波形但仍为基带信号，更像是数字信号的编码。

**b. 带通调制：** 使用载波进行调制，转换为模拟信号传输在模拟信道中。

**5. 常用编码方式 (图2-2)：**

**a. 不归零制：** 正电平代表1，负电平代表0。

**b. 归零制：** 正脉冲代表1，负脉冲代表0。

**c. 曼彻斯特编码：** 位周期中心跳变表示0或1。

**d. 差分曼彻斯特编码：** 位中心始终有跳变，位开始有/无跳变表示0/1。

**6. 基本的带通调制方法 (图2-3)：**

**a. 调幅(AM)：** 载波振幅随基带信号变化。

**b. 调频(FM)：** 载波频率随基带信号变化。

**c. 调相(PM)：** 载波的初始相位随基带信号变化。

**7. 高速传输方法：** 例如，正交振幅调制(QAM)结合振幅与相位调制达到更高的传输速率。

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**未来学习方向：** 探讨信道的极限容量。

我的理解：

这一节“2.2.2 有关信道的几个基本概念”从名称可以看出，主要介绍了通信领域中与信道相关的基础知识。让我们逐一理解这些概念：

1. **信道与电路的区别：**
- **信道**：可以理解为一条信息传输的路径或“管道”。例如，一条河流可以被视为水流的“信道”。
- **电路**：而电路则是信道的集合，包括发送和接收两个方向的信道，就像一个双向的高速公路。

2. **通信的三种基本方式：**
- **单向通信(单工)**：如收音机，只能接收信号，不能发送。
- **双向交替通信(半双工)**：像对讲机，你说话时对方听，对方说话时你听。
- **双向同时通信(全双工)**：如电话，双方可以同时说话和听对方说话。

3. **基带信号**：原始的、未经任何处理的信号。比如，你直接录制的声音或拍摄的视频。

4. **调制**：为了让基带信号适应传输的特定信道，我们需要对它进行处理。
- **基带调制**：更多是对数字信号的编码，如把0和1转为不同的波形。
- **带通调制**：通过载波进行调制，使得信号在特定的频段内传输，如广播电台的FM信号。

5. **常用编码方式**：这些是针对数字信号的不同编码方式，用不同的方法来表示0和1。

6. **基本的带通调制方法**：描述了如何根据基带信号的变化来调整载波的特性，使其适应信道。
- **调幅(AM)**：改变波的高度（振幅）。
- **调频(FM)**：改变波的距离（频率）。
- **调相(PM)**：改变波的起始位置（相位）。

7. **高速传输方法**：在通信中，为了提高传输速率，会采用高级的调制技术，如QAM，它同时使用振幅和相位的调制。

2.2.3 信道的极限容量

**2.2.3 信道的极限容量**

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**1. 信道的实际情况：**
- 非理想状态：带宽受限、有噪声、干扰和失真。
- 结果: 信号在信道上传输会产生失真。
- 优点: 只要可以识别出原始信号，失真不影响通信质量。

**图2-4 数字信号通过实际的信道**

a) 有失真但可识别
b) 失真大，无法识别

**2. 限制码元传输速率的因素：**

(1) **信道的频率范围：**
- 具体信道的频率范围是有限的。
- 信号的高频部分可能无法通过。
- 高频衰减导致码元间的清晰界限丧失，产生码间串扰。
- 1924年，奈奎斯特推导出奈氏准则，确定了码元传输速率的上限。

(2) **信噪比(S/N)：**
- 存在于所有电子设备和通信信道中。
- 影响接收端对码元的判断。
- 信噪比 = 10 log10(S/N) (2-1)
- 1948年，香农推导出香农公式： C = Wlog2(1+S/N) (2-2)

**3. 如何提高信息传输速率？**

- 当信道的频带和信噪比确定，且码元传输速率达到上限，可以使用编码方法使每个码元传输更多的信息。
- 例如，将每3个比特编为一个组，用不同的调制方法表示。
- 采用相位调制，原18个码元的信号转换为6个新的码元，提高了3倍的信息量。
- 自香农公式发表后，新的信号处理和调制方法不断出现，目的是接近香农公式的极限。
- 实际信道上的信息传输速率低于香农公式的极限，因为还有其他因素影响，如脉冲干扰、传输中的失真等。

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这节内容深入探讨了信道的极限容量，强调了实际信道的非理想性，介绍了影响码元传输速率的因素，并解释了如何通过编码来提高信息传输速率。

我的理解：

这一节讨论的是信道的极限容量。简而言之，它探讨了在现实情况下，我们如何最大化地通过信道传输数据。要理解这一节，我们可以从以下几个关键点来加以梳理：

1. **信道的非理想性**：
- 任何实际使用的通信信道都不是完美的。这意味着，当你尝试通过它传输信息时，总会有一些失真。
- 尽管如此，重要的是在接收端能识别出原始的信号，即使信号经过了失真。

2. **信号失真与识别**：
- 当信号的失真在一个可接受的范围内，我们仍然可以识别并恢复原始信号。
- 但如果失真太大，就可能无法识别信号中的数据是1还是0。

3. **影响传输速率的因素**：
- **信道的频率范围**：信道可以传输的频率范围是有限的，高频的信号更容易受到衰减，导致接收端的信号失真。
- **信噪比**：噪声是随机的，且存在于所有的电子设备和通信信道中。当信号强度不够，噪声可能会干扰信号，导致接收端误读数据。

4. **奈氏准则与香农公式**：
- 奈氏准则给出了码元的最大传输速率，超过这个速率会导致码元之间的干扰。
- 香农公式则告诉我们一个信道的最大信息传输速率，这与信道的带宽和信噪比有关。

5. **提高信息传输速率的方法**：
- 当我们不能增加信道的频带或信噪比时，我们可以通过编码的方法来提高每个码元携带的信息量，从而提高整体的信息传输速率。

总的来说，这一节的核心是希望我们了解在实际的信道中，如何有效地、最大化地传输数据，以及影响数据传输的主要因素。

形象的比喻：

让我们使用一个比喻来形象地解释这个概念：