基本概念

通信基础 - 图1

通信的目的是传送信息。

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

  • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。取值仅允许为有限的几个离散数值的数据（或信号）称为数字数据（或数字信号）。
  • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。连续变化的数据（或信号）称为模拟数据（或模拟信号）;

信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点。
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

  • 信道按传输信号形式的不同可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;
  • 信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道。

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：

  1. 单工通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。例如，无线电广播、电视广播就属于这种类型。
  2. 半双工通信。通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道。（对讲机）
  3. 全双工通信。通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

数据传输方式可分为串行传输和并行传输。

  • 串行传输是指一个一个的比特按照时间顺序传输（出于经济上的考虑，远距离通信通常采用串行传输）
  • 并行传输是指多个比特通过多条通信信道同时传输。

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位 k 进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k 进制码元，而该时长称为码元宽度。1 码元可以携带多个比特的信息量。例如，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。

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

  • 码元传输速率。又称码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），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。1s 传输多少个码元
  • 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个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。1s 传输多少个比特

关系：若一个码元携带 n 比特的信息量，则 M 波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M×n bit/s。

带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是 b/s。

奈奎斯特定理与香农定理

影响失真程度的影响因素：

  1. 码元传输速率，速率越快失真越严重
  2. 信号传输距离，距离越远失真越严重
  3. 噪声干扰，干扰越多失真越严重
  4. 传输媒体质量，质量越差失真越严重

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的（信道带宽）.信号中的许多高频分量往往不能通过信道,否则在传输中会衰减,导致接收端收到的信号波形失去码元之间清晰界限,这种现象称为码间串扰

信道带宽：是信道能通过的最高频率和最低频率之差.

奈奎斯特定理

奈奎斯特（Nyquist）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，极限码元传输率为 2W 波特，其中 W 是理想低通信道的带宽，单位为 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 4 位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的 4 倍），则极限数据率为

理想低通信道下的极限数据传输率 = 2W log2V （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（指在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限），使得接收端不可能完全正确识别码元。
  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，此时就需要采用多元制的调制方法。

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

香农（Shannon)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 = Wlog2(1+S/N) （单位为 b/s)

式中，W 为信道的带宽，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，信噪比 = 10log10(S/N) （单位为 dB），例如如当 S/N= 10 时，信噪比为 10dB，而当 S/N= 1000 时，信噪比为 30dB。

对于香农定理，可以得出以下结论：

  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要比它低不少。

从香农定理可以看出，若信道带宽 W 或信噪比 SIN 没有上限（实际信道当然不可能这样），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传输速率的关系，而香农定理不仅考虑到了带宽，也考虑到了信噪比。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。

编码与调制

信道上传送信号的两种形式：基带信号和宽带信号

  • 基带信号：将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）

    来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。

  • 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）

    把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）

在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示 0 及用什么样的数字信号表示 1 就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效地把 1 和 0 区分开即可，常用的编码方式有以下几种，如下图所示。

通信基础 - 图2

  1. 归零编码（RZ）
    在归零编码中用高电平代表 1、低电平代表 0 （或者相反），每个时钟周期的中间均跳变到低电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响。
  2. 非归零编码（NRZ）
    非归零编码与 RZ 编码的区别是不用归零,一个周期可以全部用来传输数据。但 NRZ 编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若想传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。
  3. 反向非归零编码（NRZI）
    反向非归零码与 NRZ 编码的区别是用信号的翻转代表 0、信号保持不变代表 1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0 通信的编码方式就是 NRZI 编码。
  4. 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）
    曼彻斯特编码将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元 1;码元 0 的表示方法则正好相反。当然，也可采用相反的规定。该编码的特点是，在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。
  5. 差分曼彻斯特编码
    差分曼彻斯特编码常用于局域网传输,其规则是,若码元为 1,则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同;若码元为 0，则情形相反。该编码的特点是，在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性较好。

  6. 4B/5B 编码
    将欲发送数据流的每 4 位作为一组，然后按照 4B/5B 编码规则将其转换成相应的 5 位码。5 位码共 32 种组合，但只采用其中的 16 种对应 16 种不同的 4 位码，其他的 16 种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留。

    数字数据调制为模拟信号

    数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号,而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的调制方法有如下几种：

  7. 幅移键控（ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。调幅（AM）

  8. 频移键控（FSK）。 通过改变载波信号的频率来表示数字信号 1 和 0，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。调频（FM）
  9. 相移键控（PSK）。 通过改变载波信号的相位来表示数字信号 1 和 0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。调相
  10. 正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将 ASK 与 PSK 结合起来，形成叠加信号。设波特率为 B,采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，则该 QAM 技术的数据传输率 R 为：R= Blog2(mn) （单位为 b/s）.调幅+调相

通信基础 - 图3

模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码。

采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为 Hz。因此，将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中 的最大频率为通信基础 - 图4,那么采样频率通信基础 - 图5必须大于等于最大频率通信基础 - 图6的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息(只需记住结论)。另外，采样定理又称奈奎斯特定理。

  1. 采样：是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据采样定理，当采样的频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据。
  2. 量化：是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
  3. 编码：是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

    模拟数据调制为模拟信号

    为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式;模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

    电路交换、报文交换与分组交换

    P40