{
数据通信基础
物理介质
信道与信道容量
基带传输
频带传输
物理层接口规程
}
数据通信基础
{
数据通信基本概念
数据通信系统模型
}
数据通信基本概念
一、消息与信息（了解）
1、消息：人类能够感知的描述。
例如：眼睛看到的文字和图像；耳朵听到声音；鼻子闻到气味等。
2、信息：对事物状态或存在方式的不确定性表述。
消息中所包含的有意义的内容，消息是信息的载体。
信息是可以度量的，其大小与消息的不确定性，即概率成反比。
通信：在一点精确或近似地再生另一点的信息。
通信系统：能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体。
信号：在通信系统中，传递信息需要合适的载体在传输通道中传播，这个载体就是信号。
数据是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其组合，通常可以是数字、文字、图像等，也可以是其他抽象的符号。
狭义信道：仅是指信号的传输介质。
广义信道：不仅是传输介质，而且包括通信系统中的一些转化装置。
数据通信系统模型
一、数据通信系统的构成(通信系统的一般模型)：六个部分 
1、信源：将消息转换为信号的设备。
2、发送设备：将信源产生的信号进行适当变换的装置。 进行编码和调制。
3、信道：传输信号的媒介
4、接收设备：完成发送设备的反变换。 进行译码和解调。
5、信宿：信号的终点，将信号转换为供人们识别的消息。
6、噪声：自然界和通信设备所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号。
二、模拟通信和数字通信
1、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。
自变量：可以是连续的，可以是离散的。
因变量：一定是连续的。
2、数字信号：
自变量：离散的。
因变量：离散的。
三、数据通信方式
二进制数据传输的时空顺序：并行通信和串行通信
| 1 | 0 | 0 | 1 |
|---|---|---|---|
并行通信
| 1 |
|---|
| 0 |
| 0 |
| 1 |
串行通信
| 1 |
|---|
发送方和接收方对数据保持步调一致的措施：异步通信和同步通信
异步通信：发送字符，不需建立同步时钟，实现简单，传输效率低，适用低速网络。
同步通信：发送数据块，双方建立同步时钟，实现和控制复杂，传输效率高，适用高速网络。
数据通信系统的功能
1、信道的利用；
2、接口及信号产生；
3、同步；
4、差错检测与纠正；
5、寻址与路由；
6、网络管理；
7、安全保证；
物理介质
{
引导型传输介质
非引导性传输介质
}
引导型传输介质
导引型传输介质：有线信道。
以导线为传输介质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。
架空明线 ：
优点：传输损耗较低
缺点：易受天气和外界电磁干扰，对外界噪声敏感，带宽有限
双绞线：将两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起可以减少对相邻导线的电磁干扰，这样的一对线称为双绞线。
分类： 屏蔽双绞线（ STP ）：性能好。价格高，安装工艺复杂。
非屏蔽双绞线（UTP）：适用更普遍。
美国电子工业协会规定了5个种类的非屏蔽双绞线（UTP）标准
| UTP类别 | 带宽/MHz | 典型应用 |
|---|---|---|
| 3 | 16 | 低速网络，电话网络 |
| 4 | 20 | 10Base-T以太网 |
| 5 | 100 | 10Base-T以太网，100Base-T快速以太网 |
| 5E（超5类） | 100 | 100Base-T快速以太网，1000Base-T千兆以太网 |
| 6 | 250 | 1000Base-T千兆以太网，ATM网络 |
同轴电缆： 对外界干扰具有较好的屏蔽作用，具有较好的抗电磁干扰性能。目前多用于有线电视网络。
光纤：基本原理是利用了光的全反射现象。
分类：按照光纤内光波传输模式的不同：多模光纤和单模光纤。
优点：
1）光纤通信容量非常大，最高可达100 Gbit/s。
2) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
3）抗雷电和电磁干扰性能好。
4）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
5）体积小，重量轻。
非引导型传输介质
当通信距离很远时，铺设电缆或光纤既昂贵又费时，但利用无线电在自由空间的传播就可以较快的实现多种通信。这种通信方式不适用于导引型传输媒介，称为非导引型传输媒介，又叫无线信道。
根据电磁波频率、通信距离与位置的不同，电磁波的传播可以分为：
| 电磁波传播方式 | 频率 | 距离地表高度 |
|---|---|---|
| 地波传播 | 2 MHz以下 | 沿地表 |
| 天波传播(电离层反射波) | 2-30 MHz | 距离地表60-400km |
| 视线传播 | 高于30 MHz | 电离层之上 |
| 频段 | 名称 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 3-30 Hz | 极低频（ELF） | 远程导航，水下通信 |
| 30-300 Hz | 超低频（SLF） | 水下通信 |
| 300-3000 Hz | 特低频（ULF） | 远程导航 |
| 3-30 kHz | 甚低频（VLF） | 远程导航 ，水下通信，声呐 |
| 30-300 kHz | 低频（LF） | 导航，水下通信，无线电信标 |
| 300-3000 kHz | 中频（MF） | 广播，海事通信，测向，救险，海岸警卫 |
| 3-30 MHz | 高频（HF） | 远程广播，电报，电话，传真，搜救，飞机与舰船通信，船-岸通信 |
| 30-300 MHz | 甚高频（VHF） | 电视，调频广播，陆地交通，空中交通管制，出租汽车，警察，导航，飞机通信 |
| 频段 | 名称 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 0.3-3 GHz | 特高频（UHF） | 电视，蜂窝网，微波链路，无线电探空仪，导航，卫星通信，GPS，监视雷达，无线电高度计 |
| 3-30 GHz | 超高频（SHF） | 卫星通信，无线电高度计，微波链路，机载雷达，气象雷达，公用陆地移动通信 |
| 30-300 GHz | 极高频（EHF） | 雷达着陆系统，卫星通信，移动通信，铁路业务 |
| 300 GHz-3 THz | 亚毫米波（0.1-1mm） | 尚未划分，实验应用 |
| 40-430 THz | 红外线（7-0.7μm） | 光通信系统 |
| 430-750 THz | 可见光（0.7-0.4μm） | 光通信系统 |
| 750-3000 THz | 紫外线（0.4-0.1μm） | 光通信系统 |
信道与信道容量
{
信道分类与模型
信道传输特性
信道容量
}
一、信道：通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送。 分为广义信道和狭义信道。 狭义信道：信号传输介质。 广义信道：包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。
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。
调制信道：从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分。
不同类型的信道对信号的影响差异较大：
随机参数信道(随参信道)：信号通过信道发生畸变是时变的。
恒定参数信道(恒参信道)：信号通过信道发生畸变和时间无关。
一、恒参信道传输特性
各种有线信道和部分无线信道(微波视线传播链路、卫星链路)
1、对信号幅值产生固定的衰减
2、对信号输出产生固定的时延
二、随参信道传输特性
大部分无线信道(依靠地波和天波传播的无线电信道)
1、信号的传输衰减随时间随机变化
2、信号的传输时延随时间随机变化
3、存在多径传播现象
信道的传输特性在很大程度上决定了信道的传输性能。可以描述信道性能的有带宽、 传输速率和信道容量。一般情况下，经常用信道容量来描述或衡量信道的传输能力。
三、信道容量
1、信道的带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度 用码元速率(或符号速率)描述，单位是Baud
2、传输速率是信道单位时间内传输的码元(或符号)或信息的能力 用传信率(或信息速率)来描述，单位是bit/s
信道容量：是指信道无差错传输信息的最大平均信息速率。
连续信道容量(调制信道) C = 2Blog2M （奈奎斯特理想的，无噪声的信道容量 ）
C 信道容量，单位是bit/s
M 进制数，信号状态数
B 信道带宽，单位为Hz
香农有噪声连续信道容量计算公式 1、 B：带宽，单位Hz 2、 S：输入信号功率 3、 N：高斯白噪声的功率
信噪比的单位为功率，但是题目中一般给到的是分贝(dB)，分贝和功率的换算公式：
基带传输
{
基带传输的基本概念
数字传输基带编码
}
基带传输的基本概念
信源：模拟信源（例如电话）和数字信源（例如计算机）。
基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号。
模拟信源：发出的原始信号是模拟基带信号。
数字信源：发出的原始信号为数字基带信号。
直接在信道传送基带信号，称为基带传输，实现基带传输的系统就称为基带传输系统。
在信道中传输数字基带信号，称为数字基带传输，相应的系统称为数字基带传输系统。
将数据映射为脉冲信号的编码(信息码)：
单极不归零码
双极不归零码
单极归零码
双极归零码
差分码(相对码)
一、单极不归零码（Not Return to Zero,NRZ）
二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平表示。
1、脉冲幅值要么是正电平，要么是零电平，只有一个极性。“单极”
2、整个脉冲持续时间内，电平保持不平，且脉冲持续期结束也不要求回归0电平。“不归零”
例如：1100100111 
二、双极不归零码：二进制数字符号0和1分别用负电平和正电平表示。
三、单极归零码（Return to Zero,RZ）:
二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平表示。
每个正脉冲持续期的中间时刻，电平要由正电平回到零电平。
四、双极归零码：
二进制数字符号0和1分别用负电平和正电平表示。
每个正、负脉冲持续期的中间时刻，电平都要回到零电平。 
五、差分码(相对码)：
利用电平的变化与否来表示信息。相邻的电平跳变表示1，无跳变表示0。
例如：
原码：1100100111
将数据映射为脉冲信号的编码（信息码）：
单极不归零码
双极不归零码
单极归零码
双极归零码
差分码(相对码)
将数字基带信号的基本码型变换为适合传输的数字传输基带传输码型：
AMI码；双相码；米勒码；CMI码；nBmB码； nBmT码；
一、信号交替反转码（Alternative Mak Inversion,AMI码）
用3种电平(正电平、负电平、零电平)进行编码
0：零电平表示 1：交替用正电平和负电平表示
例如：100001000011000011
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| +1 | 0 | 0 | 0 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | -1 |
二、双相码(Biphase Code)，又叫曼彻斯特(Manchester)码
只有正负电平，每位持续时间的中间时刻都要进行电平跳变。
1：正电平跳到负电平（1：正负）
0：负电平跳到正电平（0：负正）
例如：1100101101
二、双相码(Biphase Code)的一种码型：差分双相码(差分曼彻斯特码)
1：有跳变
0：无跳变
米勒码(Miller Code)：延迟调制码。
1：正负或负正。
11：交替编码。
0：延续前面1的电平，正或负。脉冲期间不跳变。
00：前面正，后面负；前面负，后面正。
0后的1：延续0的电平，正负或负正。
例如：1100101101
传号反转码（Coded Mak Inversion,CMI码）：
1：正、负，交替编码
0：负正；
例如：1100101101
注意： 容易混淆
转化为基带信息码时：
差分码（相对码）： 看前一个电平位和当前电平位（相邻电平位）是否有跳变。 有跳变表示1， 无跳变表示0，
例如：原码：1100100111
基带信息码转化成基带传输码
- 有三个电平位的是信息交替翻转码（AMI码）
0： 表示零电平。 1： 交替使用正电平和负电平表示
例如： 100001000011000011
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| +1 | 0 | 0 | 0 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 | -1 |
- 双相码(Biphase Code)，又叫曼彻斯特(Manchester)码
只有正负电平，每位持续时间的中间时刻都要进行电平跳变。
1：正电平跳到负电平（1：正负）
0：负电平跳到正电平（0：负正）
例如：1100101101
双相码的一种码型， 又叫差分曼彻斯特码
1: 有跳变
0: 无跳变
和曼彻斯特码的区别是：
他看的是相邻两个电平位周期内的结束电平和开始电平有无跳变
有跳变表示1， 无跳变表示0.
频带传输
{
频带传输的基本概念
频带传输的三种调制方式
}
带信号具有低通特性，可以用在低通特性的信道(有线信道)中进行传输。 然而好多信道，比如无线信道，具备的是带通特性，因此只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号。
数字调制：利用数字基带信号控制(或影响)载波信号的某些特征参量，使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变换为数字通带信号的过程。
数字解调：在接收数据端需要将调制到载波信号中的数字基带信号卸载下来，还原为数字基带信号的过程。
通常将实现调制、传输与解调的传输系统称为数字频带传输系统
余弦函数：
f(x)=cosx 
幅值
频率
相位
数字调制的基本方法：利用数字基带信号调制或控制载波信号的某个(或某些)参数的变化。（利用0或1控制或选择载波的不同幅值、频率或相位。）
如果调制载波的幅值：幅移键控(ASK);
如果调制载波的频率：频移键控(FSK);
如果调制载波的相位：相移键控(PSK);
二进制数字调制
数字基带信号： 
码元：码元是指用一个固定时长的信号波形
一个脉冲时间（二进制码元）：2^1
两个脉冲时间（四进制码元）：2^2
三个脉冲时间（八进制码元）：2^3
二进制幅移键控（2ASK）
阿福
二进制频移键控（2FSK）
扶贫
二进制相移键控（2PSK）
橡皮
二进制幅移键控（2ASK）: 利用二进制基带信号控制载波信号的幅值变化。 根据二进制基带信号电平的高低，控制载波信号选择不同的幅值(0和A)。 基带编码编码信息为0时：调制后为一段幅值为0的载波信号。 基带编码编码信息为1时：调制后为一段幅值为A的载波信号。
二进制比特序列11001001的二进制幅移键控调制信号波形：
单极不归零波形：
幅移键控调制信号波形： 
二进制频移键控（2FSK）
y’(t)=cos(2πf1t), bn=0 ;
y’(t)=cos(2πf2t), bn=1;
0 < t < Tb
二进制比特序列11001001的二进制频移键控数字调制波形：
单极不归零波形：
频移键控调制信号波形： 
二进制相移键控（2PSK）
ϕ初始值为-π/2 y‘(t) = cos(2πft + ϕ(bn))
ϕ(bn)= ϕ0, bn=0
ϕ(bn)=ϕ0+π, bn=1
二进制相移键控（2PSK）
例如：二进制比特序列11001001二进制相移键控调制信号波形：
1的波形由0开始，往下画;
0的波形由0开始，往上画;
单极不归零波形：
相移键控调制信号波形： 
二进制差分相移键控（2DPSK） ;
yn’(t) = cos(2πft + ϕn-1 + Δϕ(bn))
Δϕ(bn)= 0, bn=0 ;
Δϕ(bn)=π, bn=1 ;
例如：二进制比特序列11001001二进制差分相移键控调制信号波形是：
1：交替变换。
前一个1的波形由0开始，往下画。
后一个1的波形由0开始，往上画。
0：由0开始，往上画;
| 调制方式 | 1 | 0 |
|---|---|---|
| 二进制幅移键控 | 有波形 | 无波形 |
| 二进制频移键控 | 频率不同 | |
| 二进制相移键控 | 1和0相位不同 | |
| 二进制差分相移键控 | 1和1的相位不同； |
二进制数字调制性能主要体现在：
频带利用率 : 2FSK 最低
误码率： 2PSK 最低， 2ASK 最高；
对信道特性的敏感性 ： 2ASK 最差；
多进制数字调制:
数据传输速率Rb (bit/s) 与码元传输速率RB (Baud) 以及进制数M之间的关系为 
码元是指用一个固定时长的信号波形。
码元传输速率单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。
二、正交幅值调制QAM，也称为幅值相位联合键控（APK）
基本思想是：二维调制技术；
对载波信号的幅值和相位同时进行调制的联合调制技术。
优点：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
{
物理层接口概述
物理层接口特性
}
物理层主要任务:
(1)在传输介质上实现无结构比特流的传输。
(2)规定数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间接口的相关特性。
1、机械特性：指明通信实体间硬件连接口的机械特点。 例如：常用的电源插头，其尺寸有严格的规定。
2、电气特性：规定了物理连接上，导线的电气连接及有关特性。 例如：接收器和发送器电路特性的说明。
3、功能特性：指明物理接口各条信号线的用途等。
4、规程特性：通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程。
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