数据通信基础

写在前面

物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如下所述：

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围1.
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平代表何种意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

一、数据通信的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，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（或接收方、接收端）。

源系统一般包括两部分：

1. 源点：源点设备产生要传输的数据。
2. 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码之后才能在传输系统中进行传输。

目的系统一般包括两部分：

1. 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。
2. 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后进行信息输出。终点又称为目的站或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线路，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

通信的目的是传送消息。

数据是消息的实体。

信号是数据的电器或电磁表现。根据信号中代表的消息的参数的取值方式不同，信号可分为两类：

1. 模拟信号（或连续信号）——消息的参数的取值时连续的
2. 数字信号（或离散信号）——消息的参数的取值时离散的。在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。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，另一种代表1状态。

速率、波特与带宽

速率也称为数据率，指的是数据的传输速率，表示单位之间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

1. 码元传输速率。又称码元速率，波形速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
2. 信息传输速率。又称信息速率，比特率等。它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元数（即比特数），单位是比特/秒（b/s).

二、编码与调制

1. 常用编码方式

   要利用信道传输数据，必须将数据转换为能在传输媒体媒体上传送的信号。信道可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。

   将数字数据转换为数字信号的过程称为编码。

   将数字信号转换为模拟信号的过程称为调制。

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0；

不归零制：正电平代表1，负电平代表0；

曼彻斯特编码：位周期中心的是上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1；

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位边界没有跳变代表1；

1. 基本的调制方法

   矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量，被称为基带信号

   在数字信道上直接传输基带信号的方法称为基带传输

   基带信号往往包含较多的低频成分，甚至直流成分。而许多模拟信道仅能通过某一频率范围的信号，不能直接传输这种基带信号。因此必须对基带信号进行调制，使它能够在模拟信道中传输。

   在很多情况下，需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。

   最基本的带通调制的方法有： 1）调幅（AM），即载波的增幅随基带数字信号而变化。

   2）调频（FM），即载波的频率随着基带数字信号的变化而变化。

   3）调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。

   在数字通信中，调幅、调频和调相相应地称为幅移键控、频移键控和相移键控。实现调制和解调功能的设备称为调制解调器。

三、奈奎斯特定理与香农定理

1. 奈奎斯特定理

   奈奎斯特定理又称奈氏准则。它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元速率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位是Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要有4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍），则极限速率为

   ​ 理想低通信道下的极限数据传输率=$2Wlog_2V$（单位为b/s)

   对于奈氏准则，可以得出以下结论：

   1）在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确地识别码元。

   2）信道的频带越宽(即通过的信号高频分量越多)，就可用更高的速率进行码元的有效传输。

   3）奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但是并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

   由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多个比特的信息量，此时就需要多元制的调制方法。

2. 香农定理

   香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为：

   ​ 信道的极限数据传输率=$Wlog_2(1+S/N)$ 单位为b/s

   式中，W为信道带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率，$S/N$为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。

   对于香农定理，可以得出以下的结论： 1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

   2）对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。

   3）只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。

   4）香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率比它低不少。

   从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限，则信道的极限信息传输速率也没有上限。

   奈氏准则只考虑了带宽与极限码元速率的关系，而香农定义不仅考虑了带宽，而且考虑到了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的。

   四、传输方式

   1. 并行传输与串行传输

      并行传输，是指一次发送n个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。

      串行传输，是指数据是一个比特一个比特发送的，为此，发送端和接收端之间只需要一条传输线路。

   2. 异步传输与同步传输

      异步传输以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常需要在每个字节前后分别加上起始位和结束位，这里的异步是指在字节级上的异步，但是字节中的每个比特仍然要同步，它们的持续时间是相同的。

      采用同步传输方式时，数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和结束位。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，为避免在传输大量数据的过程中累积误差所导致的错误，要采取技术使得收发双方的时钟保持同步。实现收发双方时钟同步的方法有两种，即外同步和内同步。

      外同步，是在发送端和接收端之间提供一条单独的时钟线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一条时钟同步信号。接收端根据接收到的时钟同步信号来校正时间基准，实现收发双方之间的同步。

      内同步，是发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输，如曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都含有时钟编码，具有自同步能力。

   3. 单工、半双工、全双工

      1）单向通信，又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如广播等。

      2）双向交替通信，又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反回来。

      3）双向同时通信，又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

   
   
   
   
   
   

The End