数据通信基础

数据通信基本概念

• 消息与信息；消息是信息的载体
  • 消息：人类能够感知的描述
  • 信息：抽象概念，可以理解为消息中所包含的有意义的内容
• 通信：一点精确或近似地再生另一点的信息
• 信号：传递信息的载体
• 数据：对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及组合
• 信道：信号传输的介质

数据通信系统模型

• 数据通信系统的构成

• 信源：将消息转换为信号的设备，如电话机、摄像机、计算机等

• 发送设备：将信号进行适当的变换的装置，使之适合于在信道传输。主要方式是编码和调制

• 信道：信号传输的媒介，分为优先信道和无线信道

• 接收设备：完成发送设备的反变换，即进行译码和解调，还原原始的发送信号

• 信宿：信号的终点，并将信号转换为供人们能识别的信息

• 噪声：自然界和通信设备中所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号，有害但无法完全避免

• 模拟信号和数字信号

  • 模拟信号：信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号
  • 数字信号：因变量的状态是有限的

• 数据通信方式
  • 单向通信、双向交替通信、双向同时通信
    • 单向通信又称单工通信，如无线电广播等
    • 双向交替通信又称半双工通信，如无线对讲机系统
    • 双向同时通信又称全双工通信，如电话网、计算机网络等
  • 并行通信、串行通信
    • 并行通信是为一个字节的每一位都设置一个传输通道，全部位同时进行传输
    • 串行并行只为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中的每一位依次在这条通道上传输
  • 异步通信、同步通信
    • 异步传输是以字符为单位独立进行发送，一次传输一个字符
    • 同步传输以数据块为单位进行发送，每个数据块内包含多个字符
• 数据通信系统的功能——信道的利用、接口及信号产生、同步、差错检测与纠正、寻址与路由、网络管理、安全保证

物理介质

导引型传输介质（有线信道）

• 架空明线——平行且相互分离或绝缘的架空裸线线路，通常使用铜线或铝线；长距离传输最高允许频率为150kHz,短距离传输频率可达300kHz
• 双绞线——将两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起；通信距离一般为几千米到十几千米；屏蔽双绞线STP、非屏蔽双绞线UTP。屏蔽双绞线广泛用于局域网

• 同轴电缆

注：同轴电缆的带宽接近1GHz，主要用于频带传输，如有线电视网络

• 光纤——基本原理是利用了光的全反射现象，优点如下：
  • 光纤通信容量非常大，最高可达100Gbit/s
  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和地磁干扰性能好
  • 无串声干扰，保密性好，且不易被窃取或截取数据
  • 体积小，重量轻

非导引型传输介质

• 地波传播——频率较低（2MHz以下）、传输距离可超过数百米或数千千米
• 天波传播——频率较高（2-30MHz)、最大距离可达4000km,多次反射可达到10000km
• 视线传播——频率高于30MHz,为了实现远距离传输，微波视距中继和卫星中继传输——可以设立地面中继站或卫星中继站进行接力传输

信道与信道容量

信道分类与模型

• 狭义信道：信号传输介质
• 广义信道：信号传输介质和通信系统的一些变换装置

• 调制信道——调制信道是指信号从调制器的输出端传输到解调器的输入的经过的部分
  • 调制信道、输入信号、输出信号的特点：
    • 信道总具有输入信号端和输出信号端
    • 信道一般是线性的
    • 信道是因果的
    • 信道使通过的信号发生畸变即输入信号经过信道后，相应的输出信号会发生衰减
    • 信道中存在噪声，即使输入信号为零，输出信号仍会有一定功率
• 编码信道——数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分
  • 编码信道可分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。无记忆编码信道是指信道中码元的差错发送是相互独立的，无记忆编码信道概念与之相反

信道传输特性

• 恒参信道哦传输特性
  • 对信号幅值产生固定衰减
  • 对信号输出产生固定时延
• 随参信道传输特性
  • 信号的传输衰减随时间随机变化
  • 信号的传输时延随时间随机变化
  • 存在多径传播线性
    注：多径传播——发射天线发出的电磁波可能经过多条路径到达接收端，每条路径对信号产生的衰减和时延都随时间随机变化

信道容量

• 连续信道容量
  • 奈奎斯特第一准则——适用于理想无噪声的基带传输系统；公式如图：
    
  • C为信道容量，单位为bit/s;B为信道带宽，单位为Hz;M为进制数，即信号状态数
  • 香农公式——适用于有噪声连续信道，公式如下：

注：S/N为信噪比，单位为dB

• 香农公式使用例子如下：

• 离散信道容量两种度量方式：
  • 每个符号能够传输的最大评价信号量标识的信道容量
  • 单位时间内能够传输的最大平均信息量表示的信道容量

基带传输

基带传输基本概念

• 数据基带传输系统结构图如下：

• 接收滤波器——滤除噪声，得到有利于抽烟判决的基带波形
• 抽样判决器——基于同步提取从信号中提取的定时脉冲，对接收滤波器输出的基带波形进行抽样判决，再生数字基带信号

数字基带传输编码

• 单极不归零码NRZ——1代表正电平，0代表零电平

• 双极不归零码——0表示负电平，1表示正电平

• 单极归零码RZ——0表示零电平，1表示正电平，中间有跳变

• 双极归零码——0表示负电平，1表示正电平，中间有跳变

• 差分码——电平变化表示信息，有变化为1，无变化为0

• AMI码——信号交替反转码，零电平代表0，1则交替使用正电平和负电平表示

• 双相码——又称曼彻斯特码，正跳到负为1，负跳到正为0

• 差分双相码——又称差分曼彻斯特码，结合了跳变

频带传输

频带传输基本概念

• 数字调制系统基本结构如下：

频带传输中的三种调制方式

• 二进制数字调制
  • 二进制幅移键控（2ASK)

- 二进制频移键控（2FSK）

- 二进制相移键控（2PSK） 

- 二进制差分相移键控（2DPSK）

- 二进制数字调制性能——性能体现在频带利用率、误码率、对信道特性的敏感性

• 多进制数字调制

• 正交幅值调制QAM——频带利用率高、抗噪声能力强、调制解调系统简单

物理层接口规程

• 物理层接口特性如下：
  • 机械特性，也叫物理特性；指明通信实体间硬件连接接口的机械特点
  • 电气特性，在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性
  • 功能特性，指明物理接口各条信号线的用途
  • 规程特性，即通信协议，利用接口传输比特流的全过程