数据通信基础

1.数据通信的基本概念

信源： 通信中产生和发送信息的一端

信宿： 接收信息的一端

信道： 信源和信宿之间的通信线路

作为一般的通信系统，信源产生的信息可能是模拟数据，也可能是数字数据。模拟数据取连续值，而数字数据取离散值。

• 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。
• 如果信源发出的是模拟数据并且以数字信号的形式传输，那么这种通信方式叫做数字通信。
• 如果信源发出的是数字数据，这时无论用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫做数据通信。数据通信是专指信源和信宿中的数据的形式是数字的，在信道中传输时可以根据需要采用模拟传输方式或数字传输方式。

模拟传输与数字传输的对比：

• 模拟传输：数据进入信道之前要调制，变换为模拟的调制信号，由于调制信号的频谱较窄，因此信道的利用率较高。模拟信号在传输过程中会衰减，还会受到噪声的干扰，如果用放大器将信号放大，混入的噪声也被放大了，这是模拟传输的缺点。
• 数字传输：可以直接传输二进制数据或经过二进制编码的数据，也可以传输数字化了的模拟信号。数字信号只取有限个离散值，对于信号不失真的传送是非常有好处的。然而，传输数字信号比模拟信号所要求的频带要宽的多，因而信道的利用率较低。

2.信道特性

信道带宽

一些定义：

• 模拟信道的带宽$W$：$W=f_2-f_1$，其中$f_1$是信道能通过的最低频率，$f_2$是信道能通过的最高频率，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。
• 数字信号的带宽：通常我们所说的数字信道带宽即为信道能够达到的最大数据速率。（这种说法很不严谨且容易混淆 = =
• 码元：一个数字脉冲称为一个码元
• 码元速率（波特率）$B$：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（单位为Baud）
• 码元携带的信息量$n$：码元携带的信息量由码元取的离散值的个数决定。若码元种类数为$N$，则一个码元携带的信息量$n=lo{g}_{2}N$
• 数据速率$R$：单位时间内在信道上传送的信息量。数据速率 = 码元速率*码元携带的信息量。
• 信号的平均功率$S$
• 噪声平均功率$N$
• 信噪比$\frac{S}{N}$
• 分贝数：$dB=10lo{g}_2\frac{S}{N}$

有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特定理：
$$B=2W$$

奈奎斯特定理指定的信道容量也叫做奈奎斯特极限，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。

有噪声信道的极限数据速率，称为香农定理：
$$C=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})$$

这个公式与信号取的离散值无关，也就是说无论用什么方式调制，只要给定了信噪比，单位时间内的最大的信息传输量就确定了。

误码率

误码率可用下式表示：
$$P_c=\frac{N_e(出错的位数)}{N(传送的总位数)}$$
在计算机通信网络中，误码率一般要求低于10^-6

信道延迟

信号在信道中传播，从源端到达宿端需要一定的时间。

3.传输介质

• 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，大量使用于传统的电话系统中，适用于短距离传输，若超过几千米，就要加入中继器。双绞线分为屏蔽双绞线（UTP）和无屏蔽双绞线（STP）
• 同轴电缆：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，最外面再加一层绝缘塑料保护层。由于芯线和网状导体同轴，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特性。
  • 特性阻抗为50Ω的同轴电缆：用于传输数字信号，这种电缆也叫基带同轴电缆
    • 粗同轴电缆：适用于大型局域网，传输距离长，可靠性高。但是粗缆必须安装外收发器，安装难度大。
    • 细同轴电缆：容易安装，造价低，但安装时要切断电缆，装上BNC接头，然后安装在T型连接器两端，所以容易产生接触不良或接头短路的隐患。
  • 特性阻抗为75Ω的CATV电缆：用于传输模拟信号，这种电缆也叫宽带同轴电缆
• 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。具有很高的数据速率、极宽地频带、低误码率和低延迟
  • 单模光纤：芯线的直径小到光波波长大小，光在其中无反射地沿直线传播。
  • 多模光纤：光波在光导纤维中以多种模式传播
• 无线信道：包括微波、红外和短波信道
  • 地面微波系统：例如在大楼顶上安装微波天线，使得两个大楼中的局域网互相连通，这可能比挖地沟埋电缆的花费更少
  • 卫星微波系统：可以看作是悬在太空中的微波中继站
  • 红外线：利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统。常见于遥控器。这种通信方式距离有限而且易受室内状态影响
  • 无线电短波通信：例如无线通信局域网。

4.数据编码

• 单极性码：正电平表示0，零电平表示1
• 极性码：正电平表示0，负电平表示1
• 双极性码：遇到1时在正负电平之间翻转，遇到0时不翻转
• 归零码：中间必须回归到0电平
• 双相码：每一位中间必须有电平翻转
• 不归零码：遇到1翻转
• 曼彻斯特编码：一种双相码，中间的翻转是+到-则表示0，从-到+则表示1
• 差分曼彻斯特编码：每一位中间必须有电平翻转，每一位的一开始翻转为0，不反转为1
• 4B/5B编码：在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，每位中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。为了提高编码的效率可以使用4B/5B编码。其实就是将4位分为一组，变成5位。

5.数字调制技术

用数字数据调制模拟信号：

• 幅度键控（ASK）：例如0对应载波振幅为0，1对应振幅为1。实现简单但是抗干扰性能较差。
• 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。
• 相移键控（PSK）：用数字数据的值调制载波相位
• 正交幅度调制（QAM）：将ASK和PSK技术结合起来，形成幅度和相位复合调制

6.脉冲编码调制

将模拟数据变换为数字信号

• 取样：$f=\frac{1}{T}>2f_{max}$
• 量化
• 编码

速率 = 量化等级数*取样频率

7.通信方式和交换方式

数据通信方式

• 单工通信/半双工通信/全双工通信
• 异步传输/同步传输

交换方式

• 电路交换：把发送方和接收方用一系列链路直接连通，电话交换系统就是采用这种交换方式
• 报文交换：完整的报文在网络中一站一站向前传送
• 分组交换：对信息分组，对各个分组编号，加上源地址和目标地址等分组头信息。
  • 数据报：每个分组各自传输，到达顺序可能与发送顺序不一致
  • 虚电路：需要建立一条逻辑链接。

8.多路复用技术

• 频分多路复用：在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输
• 时分多路复用：各个子通道按时间片轮流的占用整个带宽
• 波分多路复用：使用在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载
• 数字传输系统：介绍两种常用的通信标准
  • T1载波（日本、美国等）：一个取样周期是125μs，24路信道，每次得到7位数据，加入一位信令变为8位。再加上一位帧同步信息。（8*24+1）/125μs = 1.544Mbps
  • E1信道：32个8位一组的数据样本合成125μs的基本帧，30个信道用于语音传送数据，两个子信道（CH0和CH16）用于传送控制信令。（32*8）/125μs = 2.048Mbps
• 同步数字系列：只需要记住OC-1的链路速率是51.840Mbps，OC-x的链路速率就是51.840乘x

9.差错控制

• 奇偶校验码
• 海明码
• 循环冗余校验码