- 第01讲 数据通信 基础、物理介质 第一节 数据通信基础。
第二节 物理介质。
第三节 信道与信道容量。
第四节 基带传输。
第五节 频带传输。
第六节 物理层接口规程
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讲义编号NODE50923300060100000101：针对本讲义提问 ] - 学习目标：
1.了解数据通信相关概念与基本原理。
2.掌握典型的物理传输介质特性。
3.理解信道与信道容量的概念，掌握信道容量的计算方法。
4.理解基带传输与频带传输的基本概念，掌握基带传输典型编码与频带传输的典型调制技术。
5.掌握物理层接口特性。
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讲义编号NODE50923300060100000102：针对本讲义提问 ]
第一节 数据通信基础
一、数据通信基本概念
1.消息与信息
人们在日常生活中经常会遇到两个概念：消息与信息。有时候人们容易把两者混用，比如“手机发送短消息”和“手机发送短信息”的说法相同，但事实上两者是有差别的。通常，将人类能够感知的描述称为消息，比如眼睛能看到文字和图像，耳朵能听到声音，鼻子能闻到气味等，这些声音、文字、图像、气味等统称为消息。信息是一个抽象的概念，可以理解为消息中所包含的有意义的内容，而消息是信息的载体。
2.通信
通信是人类社会中不可缺少的一种行为，从人类诞生的那一刻起，通信就已经出现了。香农对于通信给出了这样的定义：“通信的本质就是在一点精确或近似地再生另一点的信息”。最基本的通信方式就是人与人之间的对话，通过语言将信息从一个人转移到另一个人。通信的目标是尽可能远、准确、快速地传递信息。
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讲义编号NODE50923300060100000103：针对本讲义提问 ]- 3.信号
在通信系统，特别是电通信系统中，传递信息需要有适合的载体在传输通道中传播，这样的载体称之为信号，通常以电磁或光的形式存在，并利用电压、电流、频率、相位等物理量的变化来表示信息。信号在数学上可以描述为以时间为自变量，以表示信息的某个参量（幅值、频率或相位）为因变量的函数。比如正弦波信号。
4.数据
数据也是人们生活中经常遇到的概念。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。例如一个人的简历中就包含了各种数据：姓名、身份证号、考试成绩单、个人照片等。数据对于现代社会的发展有着重要的意义，因为数据体现了客观事物的性质、状态及其联系，大量的数据集合中往往蕴含着许多有价值的信息和规律，人们可以使用各种方法从中挖掘出这些信息和规律，为决策提供依据。
5.信道
信道是信号传输的介质，或信道是以传输介质为基础的信号通道。根据信道的定义，如果信道仅是指信号的传输介质，这种信道称为狭义信道。如果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，这种信道称为广义信道。
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讲义编号NODE50923300060100000104：针对本讲义提问 ]
二、数据通信系统模型
1.数据通信系统的构成
计算机网络是一种典型的数据通信系统。首先了解通信系统的一般模型：通信系统的作用是将消息从信源传送到一个或多个目的地。人们把能够实现信息传输的一切技术设备和传输介质的集合称为通信系统。通信系统的组成根据通信业务、信道类型、信号种类、传输方式等可有多种形式，但不管其具体的应用和结构如何，任何一种通信系统的核心都应该包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源等部分，如图6.1所示。
图6.1 数据通信系统
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讲义编号NODE50923300060100000105：针对本讲义提问 ]- 各部分的功能如下。
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：将信源产生的信号进行适当的变换的装置，使之适合于在信道中传输。变换的方式主要包括编码和调制。
信道：信号传输的媒介，总体上可以分为有线信道和无线信道两大类，具体的类型包括双绞线、同轴电缆、光纤、大气层、外层空间等。
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消息。
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。噪声对通信系统是有害的，但又无法完全避免。
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讲义编号NODE50923300060100000106：针对本讲义提问 ] - 2.模拟通信和数字通信
通信系统根据信号种类可分为模拟通信系统和数字通信系统，其区别在于信道中传输的是模拟信号还是数字信号。所谓模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的，如图6.2a所示。数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号，如图6.2b所示，数字信号的因变量的状态是有限的。虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿沟，在一定条件下它们是可以相互转化的。
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讲义编号NODE50923300060100000107：针对本讲义提问 ] - 3.数据通信方式
为了适应不同的通信环境、通信要求和经济成本，数据在通信系统中的传输有着多种方式，按数据传输的方向，可分为单向通信、双向交替通信和双向同时通信；按二进制数据传输的时空顺序分为并行通信和串行通信；按发送和接收方对数据保持步调一致的措施分为异步通信和同步通信。下面具体介绍这些数据传输方式。
（1）单向通信、双向交替通信和双向同时通信
单向通信又称单工通信，即任何时间都只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播就属于这种类型。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（或同时接收），这种通信方式往往是一方发送另一方接收，如无线对讲机系统。双向同时通信又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息，电话网、计算机网络均属于全双工通信系统。
（2）并行通信和串行通信
在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间、计算机与计算机之间，按传输二进制数时的时空顺序不同存在着并行通信和串行通信两种通信方式。
并行通信是为一个字节的每一位（bit）都设置一个传输通道，全部位（bit）同时进行传送。并行通信模式传输速度快，但消耗材料多，造价高，所以不适用于长距离的传输。一般只在计算机内部元器件之间采用并行传输方式，如计算机与存储器的总线传输。
串行通信只为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中每一位（bit）依次在这条通道上传输。
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讲义编号NODE50923300060100000108：针对本讲义提问 ] - （3）异步通信和同步通信
数据通信系统能否可靠而有效地工作，在很大程度上依赖于是否能很好实现同步。同步技术是指通信系统中实现收发两端动作统一、保持收发步调一致的过程。就是接收方按照发送方发送信息的重复频率和起止时间来接收数据。
常用数据传输的同步方式有异步式同步（简称异步）和同步式同步（简称同步）。由此可见，通常所说的异步和同步本质上都属于同步技术。两者的区别在于发送端和接收端的时钟是独立的还是同步的。
异步数据传输是以字符为单位独立进行发送，一次传输一个字符，每个字符用5～8位来表示，在每个字符前面加一个起始位，以指明字符的开始，每个字符后面增加1个或2个停止位，以指明字符的结束；无字符发送时，发送方就一直发送停止位。接收方根据起始位和停止位判断字符的开始和结束，并以字符为单位接收数据。异步传输不需要在收发两端间传输时钟信号，所以实现起来比较简单；但是传输效率较低，只适用于低速数据传输系统。
同步数据传输以数据块为单位进行发送。每个数据块内包含有多个字符，每个字符可用5～8个位表示；在每个数据块的前面加一个起始标志，以指明数据块的开始，在其后面增加一个结束标志，以指明数据块的结束。接收方根据起始标志和结束标志以数据块为单位进行接收。同步传输方式的传输效率高，开销小，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂。同步传输方式适合于高速数据传输系统。
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讲义编号NODE50923300060100000109：针对本讲义提问 ] 4.数据通信系统的功能
完整的数据通信系统必须完成的一些关键任务如表6.1所示。
表6.1 数据通信系统的必要功能
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讲义编号NODE50923300060100000110：针对本讲义提问 ]
| 数据通信的任务 | 解释 |
| —- | —- |
| 信道的利用 | 信道通常会被多个通信设备共享，需要有某种技术或机制为多个用户合理分配传输系统的总传输能力，充分利用传输设施，如多路复用技术等 |
| 接口及信号产生 | 保证终端（信源和信宿）与传输系统间的信息交互，产生能在信道上传播，并能被接收器转换还原成数据的信号 |
| 同步 | 发送器和接收器之间达成约定，接收器能够正确判断信号开始到达和结束的时间点，同时知道每个信号单元的持续时间 |
| 差错检测与纠正 | 能够发现通信系统中各种原因造成的信号失真，并纠正由此引起的数据差错 |
| 寻址与路由 | 当两个以上设备共享传输设施时，终端系统必须有独立的地址标识，传输系统能够保证终端系统能唯一地收到具有该标识信息的数据；如果传输系统本身是具有多条路径的网络，某条特定的路径能够被选择出来进行数据传输 |
| 网络管理 | 数据通信设施作为非常复杂的系统，不能自动创建和运行，需要各种管理功能来规划、设置、监控、调度和维护 |
| 安全保证 | 数据能够在源点和终点间不被改变地传输，且不被其他非法用户获取 |
第二节 物理介质
计算机网络在进行数据通信的时候，必须将信号通过某种介质才能够进行传输，即物理介质。物理介质是网络中传输信息的载体，常用的物理介质分为导引型传输介质和非导引型传输介质。
一、导引型传输介质
导引型传输介质，又可称为有线信道，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。这一类信道使用的传输介质包括用电线传输电信号的架空明线、双绞线电缆、同轴电缆、光纤等。
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讲义编号NODE50923300060100000111：针对本讲义提问 ]
- 1.架空明线
架空明线是指平行且相互分离或绝缘的架空裸线线路，通常采用铜线或铝线等金属导线。对于常用的铜线和铝线，长距离传输的最高允许频率为150kHz左右，可以复用16路语音信号；短距离传输时，传输频率可达300kHz左右，可再增加复用12路语音信号。架空明线的优点是传输损耗较低，但缺点是易受天气和外界电磁干扰，对外界噪声敏感，带宽有限。架空明线现已基本被淘汰。
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讲义编号NODE50923300060100000112：针对本讲义提问 ] 2.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。多对双绞线封装到护套之内构成双绞线电缆，简称双绞线。双绞线即可以应用于模拟传输也可以应用于数字传输，通信距离一般为几千米到十几千米。双绞线电缆封装时在护套与线对之间增加一层金属丝编制的屏蔽层，可以提高双绞线的抗电磁干扰能力，这类双绞线电缆称为屏蔽双绞线（STP），如图6.3a所示。相应地，没有这层屏蔽层的双绞线电缆称为非屏蔽双绞线（UTP），如图6.3b所示。
显然，屏蔽双绞线性能要优于非屏蔽双绞线，但价格高，且安装工艺要求高、复杂，因此，现代数据通信网络中，如局域网，更普遍使用的是非屏蔽双绞线。
典型UTP类别、带宽及其典型应用如表6.2所示。
表6.2 典型UTP类别、带宽及其典型应用
双绞线主要用于基带传输。无论哪类双绞线，衰落都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰落，但会增加导线成本和重量。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端被正确地检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。
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讲义编号NODE50923300060100000113：针对本讲义提问 ]
| 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千兆位以太网 |
| 6 | 250 | 1000Base-T千兆位以太网，ATM网络 |3.同轴电缆
同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是空心圆柱形网状编织金属导体，内导体是金属导线（通常为铜线），两者之间填充绝缘实心介质。网状编织导体同时也起到屏蔽网的作用，可以有效抵抗电磁干扰。实际应用中，同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆具有较好的抗电磁干扰性能。为了增加容量，可以将多根同轴电缆封装到一个大的保护套内，构成多芯同轴电缆。
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讲义编号NODE50923300060100000114：针对本讲义提问 ]- 4.光纤
光纤的基本原理是利用了光的全反射现象。光纤是由两种折射率不同的导光介质复合纤维制成，内层（纤维中心）称为纤芯，纤芯外包另一种折射率的介质，称为包层。由于纤芯的折射率大于包层的折射率，因此，进入纤芯的光波会在两层边界产生折射，折射的光会再次被折射，以此类推，经过多次反射，光波可以沿着光纤传输到很远距离。如果纤芯和包层是两种均匀介质，折射率只在两种介质的边界发生突变，则光波只在边界发生折射，这种光纤称为阶跃（折射率）型光纤，这也是最早出现的光纤类型。
如果光纤的折射率不是突变的，而是沿半径增大方向逐渐减小，光波在其中的传输路径是随折射率的变化而逐渐弯曲的，这种光纤称为梯度（折射率）型光纤。当然，梯度型光纤的制造工艺要求高于阶跃型光纤，图6.5为光纤原理示意图。
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讲义编号NODE50923300060100000115：针对本讲义提问 ] - 按照光纤内光波传输模式的不同，光纤可以分为多模光纤和单模光纤两类。光纤与其他传输介质相比拥有很多优点。
1）光纤通信容量非常大，最高可达100Gbit/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。这在现有电缆管道拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。
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讲义编号NODE50923300060100000116：针对本讲义提问 ] - 为了使光纤传输的衰减尽量小，以便传输更远的距离，在光纤通信中通常选择在光纤信道中传输损耗最小的波长光波。符合这一特性的光波波长主要有两个：1.31μm和1.55μm，这两个波长是目前光纤通信中应用最广泛的。除此之外，还有850nm波长的光波也会被选择。虽然该波长的光波在光纤中传输时损耗较大，但其他特性均较好。这3个波长的光都具有25000～30000GHz的带宽，可见光纤通信的通信容量非常大。
使用光纤通信需要将一般形式的电信号转换为光信号，然后在光纤上传输，在接收端还需要再将光信号还原为电信号。光纤信道的简化框图如图6.6所示。光纤信道主要包括光源、光纤线路以及光检测器等。光源是光载波发生器，多模光纤主要采用发光二极管，单模光纤主要采用激光二极管；光纤线路为上述的多模或单模光纤；接收端利用直接检波式的光检测器，常用PIN光电二极管或雪崩二极管（APD管）实现光强检测。根据应用以及传输距离等情况，还可能在光纤线路中使用中继器，实现信号放大或再生，补偿传输损耗。
图6.6 光纤信道的简化框图
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讲义编号NODE50923300060100000117：针对本讲义提问 ]
二、非导引型传输介质
前面介绍了多种导引型传输媒介。但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路铺设电缆也不是一件容易的事。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地实现多种通信。由于这种通信方式不适用各种导引型传输媒介，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒介”，又称为无线信道。
不同频率或波长的电磁波其带宽与传输特性不同，因此，适用于不同的通信系统。在实际应用中，电磁波按频率划分为若干频段，用于不同目的或场合的无线通信，如表6.3所示。
表6.3 频段划分
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讲义编号NODE50923300060100000118：针对本讲义提问 ]
| 频段 | 名称 | 典型应用 |
| —- | —- | —- |
| 3～30Hz | 极低频（ELF） | 远程导航，水下通信 |
| 30～300Hz | 超低频（SLF） | 水下通信 |
| 300～3000Hz | 特低频（ULF） | 远程导航 |
| 3～30kHz | 甚低频（VLF） | 远程导航，水下通信，声呐 |
| 30～300kHz | 低频（LF） | 导航，水下通信，无线电信标 |
| 300～3000kHz | 中频（MF） | 广播，海事通信，测向，救险，海岸警卫 |
| 3～30MHz | 高频（HF） | 远程广播，电报，电话，传真，搜救，飞机与舰船通信，船一岸通信，业余无线电 |
| 30～300MHz | 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 |
| 0.3～3GHz | 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 |
| 3～30GHz | 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 |
| 30～300GHz | 极高频（EHF） | 雷达着陆系统，卫星通信，移动通信，铁路业务 |
| 300GHz～3THz | 亚毫米波（0.1～1mm） | 尚为划分，实验应用 |
| 43～430THz | 红外线（7～0.7um） | 光通信系统 |
| 430～750THz | 可见光（0.7～0.4um） | 光通信系统 |
| 750～3000THz | 紫外线（0.4～0.1um） | 光通信系统 |电磁波会在整个空间传播，为了避免不同通信系统之间相互干扰，国际电信联盟（ITU）负责定期召开世界无线电通信大会（The World Radio communication Conference, WRC），制定有关无线电频率使用的国际协议。各国在此基础上，再分别制定本国的无线电频率使用规则。我国的无线电频率规划与管理目前由工信部无线电管理局负责。
电磁波在外层空间的传播，如两艘飞船之间的通信，为自由空间传播，在近地空间的传播会受到地面和大气层的影响。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地波传播、天波传播（或称电离层反射波）和视线传播。
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讲义编号NODE50923300060100000119：针对本讲义提问 ]- 1.地波传播
频率较低（2MHz以下）的电磁波趋于沿地球表面传播，有一定的绕射能力，这种传播方式称为地波传播。在低频和甚低频段，地波传播距离可以超过数百米或数千千米。
2.天波传播
太阳的紫外线和宇宙射线辐射会使大气电离，从而在距离地表60～400km的高度形成电离层。频率较高（在2～30MHz）的电磁波会被电离层反射。这一频段的电磁波经过电离层的一次反射，最大距离可以达到约4000km，反射回地面的电磁波会被地面再次反射，并被电离层再次反射回地面，如此往复多次反射，电磁波可以传播10000km以上。这种利用电离层反射的传播方式称为天波传播。
3.视线传播
频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不会被反射回来，并且沿地面绕射能力也很弱。因此，这类电磁波通常采用视线无障碍的点对点直线传播，称为视线传播或视距传播。由于地球曲率的影响，视线传播的距离有限，为了增大视线传播的距离，可以通过增加发射天线的高度来实现。
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讲义编号NODE50923300060100000120：针对本讲义提问 ] - 第02讲 信道与信道容量、基带传输第三节 信道与信道容量
计算机网络传输的消息种类很多，如文本、声音、图像、视频等，任何类型消息的传输都需要将其转换为某种特定类型的信号，然后通过信号在特定的传输介质的传播来完成。信道是信号在通信系统中传输的通道，由信号从发射端（信源）传播到接收端（信宿）所经过的传输介质构成。无线通信的信道就是电磁波传播所通过的空间，有线通信的信道就是导向性缆线。
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讲义编号NODE50923300060200000101：针对本讲义提问 ]
一、信道分类与模型
信道是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。信道的定义区分为广义信道和狭义信道。狭义信道即为信号传输介质；广义信道包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置，如发送设备、接收设备、天线、调制器等。
广义的信道定义除了包括传输介质，还包括传输信号的相关设备。按照功能划分，可以将广义信道划分为调制信道和编码信道两类，广义信道的分类与组成如图6.7所示。
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讲义编号NODE50923300060200000102：针对本讲义提问 ]- 1.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端经过的部分。对于调制和解调的研究者来说，信号在调制信道上经过的传输介质和变换设备都对信号做出了某种形式的变换，研究者只关心这些变换的输入和输出关系，并不关心实现这一系列变换的具体物理过程。调制信道、输入信号、输出信号存在以下特点。
1）信道总具有输入信号端和输出信号端。
2）信道一般是线性的，即输入信号和对应的输出信号之间满足线性叠加原理。
3）信道是因果的，即输入信号经过信道后，相应的输出信号响应具有延时。
4）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。
5）信道中存在噪声，即使输入信号为零，输出信号仍然会具有一定功率。
如果信号通过信道发生的畸变是时变的，这种信道称为随机参数信道，简称为随参信道；如果畸变与时间无关，这种信道称为恒定参数信道，简称为恒参信道。通常，比较常见的架空明线、电缆、波导、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输介质构成的信道均属于恒参信道，其他介质构成的信道属于随参信道。
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讲义编号NODE50923300060200000103：针对本讲义提问 ] - 2.编码信道
编码信道是指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，包括其中的所有变换装置与传输介质。从编译码的角度来看，编码器输出的数字序列经过编码信道上的一系列变换之后，在译码器的输入端成为另一组数字序列，通常只关心这两组数字序列之间的变换关系，而并不关心这一系列变换发生的具体物理过程，甚至并不关心信号在调制信道上的具体变化。
编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道，与调制信道模型有明显的不同：调制信道对信号的影响是使调制信号发生“模拟”变化，而编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变换为另一种数字序列。因此，有时把调制信道看成是一种“模拟”信道，而把编码信道看成是一种数字信道。
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生是相互独立的，即当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系；有记忆编码信道是指信道中码元差错的发生不是独立的，即当前码元的差错与其前后码元的差错是有联系的。
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讲义编号NODE50923300060200000104：针对本讲义提问 ]
二、信道传输特性
不同类型的信道对信号传输的影响差异较大，恒参信道的传输特性变化小、缓慢，可以视为恒定，不随时间变化；随参信道的传输特性是时变的。下面分别讨论恒参信道与随参信道的传输特性。
1.恒参信道传输特性
各种有线信道和部分无线信道，如微波视线传播链路和卫星链路等，都属于恒参信道。理想的恒参信道是一个理想的无失真传输信道，其对信号传输的影响可以概括如下。
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。
满足上述特性的理想恒参信道的信号传输称为无失真传输。恒参信道也并非总是如此 “ 理想”，当实际信道的传输特性偏离了理想信道特性时，就会产生失真（或称畸变）。
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讲义编号NODE50923300060200000105：针对本讲义提问 ]- 2.随参信道传输特性
随参信道的传输特性随时间随机快速变化。许多无线信道都是随参信道，如依靠地波和天波传播的无线电信道、部分视距传播信道以及各种散射信道等。随参信道的共同特点如下。
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。
多径传播是指由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，因此，接收端接收的信号是经多条路径到达的衰减与时延随时间变化的多路信号的合成。多径传播对信号传输质量影响很大，这种影响称为多径效应。
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讲义编号NODE50923300060200000106：针对本讲义提问 ]
三、信道容量
信道容量是指信道无差错传输信息的最大平均信息速率。广义信道可以分为调制信道和编码信道，而信息论中将信道划分为连续信道和离散（或数字）信道。调制信道是一种连续信道，即输入和输出信号都是取值连续的；编码信道是一种离散信道，输入与输出信号都是取值离散的时间函数。
信道容量用于描述信道传输能力的理论上限，实际信道很难达到这一上限传输能力，但可以通过改进调试技术、编码方案等尽可能接近这一理论值。下面分别讨论连续信道与离散信道的信道容量。
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讲义编号NODE50923300060200000107：针对本讲义提问 ]- 1.连续信道容量
根据奈奎斯特第一准则，对于理想无噪声的基带传输系统，最大频带利用率为2Baud/Hz。显然，如果传输M进制基带信号，则理想无噪声信道的信道容量为：
C=2B*log2M （6－2）
式中，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。式（6－2）就是著名的奈奎斯特公式，给出了理想无噪声信道的信道容量。
理想无噪声信道几乎是不存在，所以奈奎斯特公式给出的信道容量是不可能达到的。实际信道都会受到不同程度的噪声干扰，著名的香农（Shannon） 公式给出了有噪声连续信道的信道容量计算公式。
假设带宽为B（Hz）的连续信道，输入信号的功率为S，信道加性高斯白噪声的功率为N，则著名的香农公式给出了该连续信道的信道容量为：
式中，S/N为信噪比，为信号功率与噪声功率之比。信噪比通常会以分贝（dB）为单位，换算关系为
香农公式表明，当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时（即S/N确定），对于具有一定带宽的信道，理论上存在最大平均信息速率上限。
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讲义编号NODE50923300060200000108：针对本讲义提问 ] - 【例6.1】已知某信道带宽为8kHz，信噪比为30dB，试求该信道的信道容量C。
【解】信噪比
，因此
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讲义编号NODE50923300060200000109：针对本讲义提问 ] - 2.离散信道容量
离散信道容量可以用两种方式度量：一种是每个符号能够传输的最大平均信息量表示的信道容量C；另一种是单位时间内能够传输的最大平均信息量表示的信道容量Ct。当信道每秒能够传输的符号（或码元）数已知时，两种方式很容易转换，因此，两种方法实质上是一致的。
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讲义编号NODE50923300060200000110：针对本讲义提问 ]
第四节 基带传输
信源可以分为模拟信源和数字信源，模拟信源（如电话机）发出的原始电信号是模拟基带信号，数字信源（如计算机）发出的基带信号为数字基带信号，模拟基带信号可以通过信源编码转换为数字基带信号。模拟基带信号可以在模拟通信系统上直接传输，也可以通过信源编码转换为数字基带信号在数字通信系统上传输。数字信号在数字通信系统中的传输主要有两种方式：基带传输和频带传输。
本节主要介绍数据通信系统中的数字信号传输基础——基带传输基本概念、基带数据传输的常用码型及码型变换、基带传输系统以及基带传输性能等。
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讲义编号NODE50923300060200000111：针对本讲义提问 ]
一、基带传输基本概念
直接在信道中传送基带信号，称为基带传输，实现基带传输的系统称为基带传输系统。在信道中直接传输数字基带信号，称为数字基带传输，相应的系统称为数字基带传输系统。
数字基带传输系统基本结构如图6.8所示。数字基带传输系统主要由信号形成器、信道、接收滤波器、抽样判决器以及同步提取等部分组成。
图6.8 数字基带传输系统结构
数字基带传输系统的输入是由数字信源发出的数字基带信号或者是模拟信源发出的模拟基带信号经过信源编码后得到的数字基带信号。这些数字基带信号有时不适合在信道中直接传输，往往需要进行码型变换和波形变换，以匹配信道传输特性，获得最佳传输性能。信号形成器的作用就是把原始的数字基带信号变换为适合信道传输特性的数字基带信号。
基带信号比较适合在具有低通特性的有线信道中传输，通常不适合在无线信道中传输。信道的传输特性会引起波形失真，并会受噪声的影响，因此，信道中的信号传播一定距离后，信号质量就会有所下降，甚至出现传输误码现象。
接收滤波器的作用就是要滤除噪声，得到有利于抽样判决的基带波形。抽样判决器则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。
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讲义编号NODE50923300060200000112：针对本讲义提问 ]
二、数字基带传输编码
下面介绍几种常见的信号码型以及传输码型。
数字基带信号码型有很多种，比较多见的是利用矩形脉冲信号的幅值编码二进制数字数据，包括单极不归零码（NRZ）、双极不归零码、单极归零码（RZ）、双极归零码、差分码和多元码等。
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讲义编号NODE50923300060200000113：针对本讲义提问 ]- 1.单极不归零码（NRZ）
单极不归零码（Not Return to Zero-NRZ）的信号波形如图6.9所示，二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平（当然，也可以用负电平）表示。脉冲幅值要么是正电平、要么是零电平，只有一个极性，因此称为“单极”；所谓“不归零”是指在整个脉冲持续时间内，电平保持不变，且脉冲持续期结束时也不要求必须回归0电平。这种码型易于产生，但不适合长距离传输。
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讲义编号NODE50923300060200000114：针对本讲义提问 ] - 2.双极不归零码
双极不归零码的信号波形如图6.10所示，二进制数字符号0和1分别用负电平和正电平（当然，也可以反过来）表示。双极不归零码在0和1等概率出现的情况下，不会产生直流分量，有利于在信道中传输，且抗干扰能力强。ITU－T的V.24接口标准和EIA（美国电工协会）的RS－232C接口标准中均采用双极不归零码。
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讲义编号NODE50923300060200000115：针对本讲义提问 ] - 3.单极归零码（RZ）
单极归零码（Return to Zero－RZ）的信号波形如图6.11所示，二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平表示。与单极不归零码不同的是，在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。假设脉冲持续期（即脉冲周期）为Tb，则每个正脉冲在Tb /2时刻，电平回到零电平。码元不为零的时间占一个码元周期的百分比称为占空比。在归零码中，若码元不为零时间为Tb /2，码元周期为Tb ，则该单极归零码的占空比为50%。
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讲义编号NODE50923300060200000116：针对本讲义提问 ] - 4.双极归零码
双极归零码的信号波形如图6.12所示，二进制数字符号0和1分别用负电平和正电平表示。如同单极归零码，每个正、负脉冲周期的中间时刻，电平都要回到零电平。双极归零码的占空比亦为50%。双极归零码如同双极不归零码，在0和1等概率出现的情况下，不会产生直流分量，有利于在信道中传输，且抗干扰能力强。另外，归零码（包括单极归零码和双极归零码）均有利于时钟信号的提取，便于同步。
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讲义编号NODE50923300060200000117：针对本讲义提问 ] - 5.差分码
差分码又称为相对码（与之对应的NRZ、RZ等称为绝对码），差分码的信号波形如图6.13所示。差分码不是利用脉冲幅值的绝对电平来表示二进制数字符号0和1，而是利用电平的变化与否来表示信息。图6.13中，相邻脉冲用电平跳变表示1，无跳变表示0。
以上几类编码将二进制数字数据映射为脉冲信号，可以在信道中进行传输。但是，有些数字基带信号并不适合在信道中直接传输，比如含有直流分量的数字基带信号（如单极NRZ码）可能造成信号畸变，并且当出现连续的0或者1的基带数字信号时，接收端难以提取同步信号。因此，实际的基带传输系统需要对数字基带信号的基本码型进行变换，变换为适合传输的数字基带传输码型，下面介绍几种常用的基带传输码型。
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讲义编号NODE50923300060200000118：针对本讲义提问 ] - 1.AMI码
AMI（Alternative Mark Inversion）码的全称是信号交替反转码，用3种电平进行编码，
零电平编码二进制信息0，二进制信息1（传号）则交替用正电平和负电平表示。
AMI码的编码规则是：信息码中的0编码为AMI传输码中的0（零电平）；信号码中的1交替编码为AMI传输码中的+1（正脉冲）和－1（负脉冲）。
AMI码的优点是，由于采用正、负脉冲交替编码信息1，不会产生直流分量的积累，有利于进行基带传输。另外，AMI码的编译码电路实现简单，并且可以利用正、负脉冲交替变化的规律检测误码。AMI码是ITU－T建议采用的传输码型之一。但是，当信息码中出现大量连续的0位串时，AMI码的信号电平会长时间保持不变，这样会造成定时信息提取困难。
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讲义编号NODE50923300060200000119：针对本讲义提问 ] - 2.双相码
双相码（Biphase Code）又称为曼彻斯特（Manchester）码。双相码只有正、负两种电平，每位持续时间的中间时刻要进行电平跳变，双相码就是利用该跳变编码信息，正（高）电平跳到负（低）电平表示1，负电平跳到正电平表示0。这样，双相码利用了两个脉冲编码信息码中的一位，相当于双极码中的两位，即利用2位编码信息码中的1位。相当于信息码中的1编码为双极非归零码的10，信息码中的0编码为双极非归零码的01。双相码在每位周期中间时刻都会有电平跳变，因此便于提取定时信息，且不会产生直流分量，但带宽比信息码大1倍。
双相码的另一种码型是差分双相码，也称为差分曼彻斯特码。差分双相码的每位周期的中间时刻也要进行电平跳变，但该跳变仅用于同步，而利用每位开始处是否存在电平跳变编码信息。其中，开始处有跳变表示1，无跳变表示0。双相码可以实现在传输数据的同时提供准确的同步信号，但由于带宽开销大，因此适合近距离数据传输。如10Mbit/s的以太网采用曼彻斯特码，IEEE802.5令牌环网采用差分曼彻斯特码。
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讲义编号NODE50923300060200000120：针对本讲义提问 ] - 【例6.3】双相码和差分双相码的信号波形如图6.15和图6.16所示
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讲义编号NODE50923300060200000121：针对本讲义提问 ] - 3.米勒码
米勒码（Miller Code）是一种双相码的变形，也称为延迟调制码。米勒码的编码规则如下。
1）信息码中的1编码为双极非归零码的01或者10。
2）信息码连1时，后面的1要交替编码，即前面的1如果编码为01，后面的1就编码为10，反之亦然。
3）信息码中的0编码为双极非归零码的00或者11，即码元中间不跳变。
4）信息码单个0时，其前沿、中间时刻、后沿均不跳变。
5）信息码连0时，两个0码元的间隔跳变，即前一个0的后沿（后一个0的前沿）跳变。
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讲义编号NODE50923300060200000122：针对本讲义提问 ] - 【例6.4】米勒码的信号波形如图6.17所示。
从米勒码的波形中可以看出，当信息码中出现单个0时，米勒码会对应出现2个码元周期的波形，这个性质可以用来对米勒码进行宏观检错。另外，对比米勒码和双相码可以发现，双相码的每个下降沿均对应米勒码的一个电平跳变。因此，利用双相码的下降沿触发双稳电路，就可以输出米勒码。米勒码最初主要用于气象卫星通信和磁记录。
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讲义编号NODE50923300060200000123：针对本讲义提问 ] - 4.CMI码
CMI（Coded Mark Inversion）码即传号反转码，是一种双极性二电平码，并且也是将信息码的1位映射为双极不归零码的2位。CMI码的编码规则是信息码的0编码为双极不归零码的01；信息码的1交替编码为双极不归零码的11和00。
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讲义编号NODE50923300060200000124：针对本讲义提问 ] - 【例6.5】CMI码的信号波形如图6.18所示。
CMI码波形具有较多的电平跳变，有利于定时信息的提取。另外，10作为禁用码型，可用于宏观检错。CMI码已经被ITU－T推荐为PCM四次群的接口码型，并且在速率低于8.448Mbit/s的光纤传输系统中有时也用CMI码作为传输码型。不难看出，双相码、米勒码和CMI码均利用两位二进制码编码信息码中的一位二进制信息，这类码型也概括称为1B2B码。
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讲义编号NODE50923300060200000125：针对本讲义提问 ] - 5.nBmB码
nBmB码将n位二进制信息码作为一组，映射成m位二进制新码组，其中m>n。显然，由于m>n，因此2m个码的新码组中只会用到2n个，多出（2m－2n）个码。这样，可以从2m个码中优选出2n个码作为有效码，以获得良好的编码性能，其余码则作为禁用码，可用于检错。例如，快速以太网（100BASE—TX和100BASE－FX）传输码采用的是4B5B编码。这样只需从25=32个码中优化选择24=16个码，以便保证足够的同步信息，并且可以利用剩余的16个禁用码进行差错检测。事实上，在光纤数字传输系统中，通常选择m=n+1构造编码，如1B2B码、2B3B码、3B4B码、5B6B码等。
当然，nBmB码在带来良好的同步和检错能力的同时，也增加了对带宽的需求。
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讲义编号NODE50923300060200000126：针对本讲义提问 ] - 6.nBmT码
nBmT码将n位二进制信息码作为一组，映射成m位三进制新码组，且m≤n。为了提高传输效率和频带利用率，某些高速远程传输系统会将二进制信息码每若干位分成一组，然后映射为需要较少位数的三进制码进行传输。
例如，4B3T码就是对1B1T码的改进。4B3T码将4位二进制码映射为3位三进制码，这样，在相同的码元速率下，4B3T码的数据传输速率就大于1B1T码，可以提高频带利用率。因此，诸如4B3T码、8B6T码等都比较适合较高速率的数据传输系统。
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讲义编号NODE50923300060200000127：针对本讲义提问 ] - 第03讲 频带传输、物理层接口规程第五节 频带传输
基带信号具有低通特性，可以在具有低通特性的信道中进行传输。然而，许多信道（如无线信道）由于不具有低通特性，因此不能在这些信道中直接传输基带信号。相反，这些信道具备带通特性，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，通过在信道中传送经过调制的载波信号实现将基带信号所携带信息传送出去，因此需要引入频带传输这一信号传输方式。
本节主要介绍频带传输的基本概念，数字频带调制的基本原理，二进制数字调制原理及性能，多进制数字调制原理及性能，以及现代通信系统中广泛采用的调制方式，如QAM等。
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讲义编号NODE50923300060300000101：针对本讲义提问 ]
一、频带传输基本概念
利用模拟基带信号调制载波，称为模拟调制；利用数字基带信号调制载波，称为数字调制。计算机网络以数字通信为主，因此以下主要介绍数字调制。数字调制就是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。相应地，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，还原数字基带信号，这一过程称为数字解调。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。频带传输也称为通带传输或载波传输。数字调制系统基本结构如图6.19所示。
图6.19 数字调制系统基本结构
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讲义编号NODE50923300060300000102：针对本讲义提问 ]- 频带传输系统通常选择正弦波信号作为载波，可以表示为：
y（t）=a*cos（2πft+φ）
载波信号的基本特征参数是幅值a、频率f和相位φ。因此，数字调制的基本方法就是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，或者说，利用载波信号的某个（或某些）参数的不同状态来表示数字基带信号所携带的信息。二进制数字基带信号的基本信息是二进制的0和1，因此，数字调制的基本方法就是利用0或1控制或者选择载波的不同幅值、频率或相位，即利用两种不同的幅值、频率或相位来分别表示基本信息0或1，这种调制方法称为键控法。
如果调制载波的幅值，则称为幅移键控（ASK）；如果调制载波的频率，则称为频移键控（FSK）；如果调制载波的相位，则称为相移键（PSK）。
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讲义编号NODE50923300060300000103：针对本讲义提问 ] - 二进制数字键控是数字调制的基本方式，下面首先介绍二进制数字调制的原理及其性能。
二、频带传输中的三种调制方式
1.二进制数字调制
二进制数字调制包括3种基本调制：二进制幅移键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）。
（1）二进制幅移键控
二进制幅移键控（2ASK）就是利用二进制基带信号控制载波信号的幅值变化，即根据二进制基带信号电平的高低，控制载波信号选择两种不同的幅值。比较典型的是选择0和A两个不同的幅值，这样，当基带信号编码信息为0时，调制后为一段幅值为0（即无信号）、与码元持续时间等长的载波信号；当基带信号编码信息为1时，调制后为一段幅值为A的载波信号。若二进制基带信号片s（t）为单极不归零码信号波形，且不妨假设载波信号的A=1、φ=0，则调制后的载波信号可以表示为：
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讲义编号NODE50923300060300000104：针对本讲义提问 ] - 【例6.6】二进制比特序列11001001的非归零码信号波形与幅移键控调制信号波形如图6.20所示。
2ASK最早应用于无线电报传输系统中，是最简单的数字调制方式之一。但是，由于2ASK调制的载波幅值很容易受噪声影响而改变，抗噪声能力比较差，因此在现代数字通信中比较少应用。
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讲义编号NODE50923300060300000105：针对本讲义提问 ] - （2）二进制频移键控
二进制频移键控（2FSK）相当于选择两个不同频率的载波，f1和f2，在进行2FSK调制时，根据二进制基带数字信号控制或选择输出一段（与码元持续时间相同）频率为f1或f2载波信号。假设载波信号的幅值为1，初始相位为0，二进制基带信号编码的信息（位）序列为{bn}，则2FSK数字调制可以表示为
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讲义编号NODE50923300060300000106：针对本讲义提问 ] - 【例6.7】二进制比特序列11001001的非归零码信号波形与频键控（2FSK）调制信号波形如图6.21所示。
图6.21 二进制频键信号波形
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讲义编号NODE50923300060300000107：针对本讲义提问 ] - （3）二进制相移键控
与2ASK和2FSK不同，二进制相移键控（2PSK）是利用二进制基带信号控制载波信号的相位变化，即根据二进制基带信号电平的高低，控制载波信号选择两种不同的相位。比较典型的2PSK是选择相反的两个载波相位，比如0和π或π/2和-π/2。若二进制基带信号编码的信息（位）序列为{bn}，且假设载波信号幅值a=1，调制的两个相位为0和π，则调制后的2PSK信号可以表示为：
式中，φ0为载波信号初始相位，也称为参考相位。这种利用载波的不同绝对相位表示二进制数字信号的相移键控调制方式称为绝对相移键控调制。
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讲义编号NODE50923300060300000108：针对本讲义提问 ] - 【例6.8】二进制比特序列11001001的双极不归零码信号波形与相移键控（2PSK）调制信号波形如图6.22所示（注：载波信号初始相位
）
通过例6.8可以看出，2PSK调制信号对应信息码中的0和1的信号波形相位相反、极性相反，因此，如果二进制数字信号s（t）为双极性不归零（对应的信息序列bn= ± 1），则2PSK调制信号可以表示为
（6-10）
2PSK信号在解调过程中要求参考相位与2PSK信号相同，但是在实际通信系统中可能出现参考相位的随机跳变。这样，本地恢复的载波与所需载波可能同相，也可能反相，一旦利用错误的（即与所需载波反相）载波去解调2PSK信号，则会得出完全相反的结果，即0解调结果为1，1解调结果为0。这种现象是由于2PSK调制在载波恢复过程中存在180°相位模糊，称为2PSK调制的“倒π”现象或称“反相工作”。因此，2PSK在实际通信系统中很少使用，如需要采用二进制相移键控调制，则会选择二进制差分相移键控（2DPSK）。
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讲义编号NODE50923300060300000109：针对本讲义提问 ] - （4）二进制差分相移键控
二进制差分相移键控（2DPSK）是利用相邻两个码元载波间的相对相位变化表示数字基带信号的数字信息，因此又称为相对相移键控。若二进制数字基带信号编码的数字信息（位）序列为{bn}，则2DPSK信号可以表示为
式中
式中，
为相邻前一码元对应载波的相位。
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讲义编号NODE50923300060300000110：针对本讲义提问 ] - 【例6.9】二进制比特序列11001001的双极不归零信号与二进制差分相移键控（2DPSK）调制信号波形如图6.23所示（注：虚线为前一码无调制信号或初始参考载波信号）。
从例6.9可以看出，2DPSK对应每个码元的调制信号的相位取决于前一个码元的相位或初始相位，如果初始相位不同，那么相同的数字基带信号序列得到的2DPSK调制信号的相位也完全不同。也就是说，2DPSK调制信号并不是利用信号的绝对相位表示数字基带信号中的信息，而是利用相对相位变化表示信息，因此差分相移键控也称为相对相移键控。二进制相移键控2PSK的抗噪能力比2ASK和2FSK要强，同时带宽与2ASK相同，因此在数字通信中应用广泛。尤其是2DPSK，是ITU－T建议的话音带内传输数据时的数字调制方式。
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讲义编号NODE50923300060300000111：针对本讲义提问 ] - （5）二进制数字调制性能
二进制数字调制性能主要体现在频带利用率、抗噪声性能（误码率）以及信道适应性等几个方面。
1）频带利用率。
在上述4种基本的二进制数字调制方式中，2ASK、2PSK以及2DPSK的频带利用率相同，而2FSK的频带利用率最低。
2）误码率。
数据通信系统的信号传输会受到各种噪声干扰，从而影响信号的正确恢复。数据通信系统的抗噪声能力可以通过误码率性能来衡量。在相同信噪比下，2PSK的误码率最低，而2ASK的误码率最高。总体来看，二进制相移键控抗噪声性能优于二进制频移键控，二进制频移键控优于二进制幅移键控。
3）对信道特性的敏感性。
上面讨论各类二进制数字调制方式的抗噪声性能时，假设信道是恒参信道，但是，实际通信系统中的信道有很多是随参信道，信道特性参数会随时间变化。因此，当面向随参信道选择二进制数字调制方式时，还必须考虑其对信道特性变化的敏感性。在三类二进制数字键控方式中，2ASK对信道特性变化比较敏感，性能最差；2FSK与2PSK对信道特性变化不敏感。
综合上述几方面的性能分析，在恒参信道中，2ASK、2PSK及2DPSK均可获得较高的频带利用率，而2FSK的频带利用率最低；2PSK与2DPSK均可获得较好的抗噪声性能，2ASK抗噪声性能最差。对于随参信道，2FSK与2PSK的适应性更好，2ASK最差。目前在实际通信系统中应用比较多的是2DPSK和2FSK，前者主要用于高速数据传输，后者主要用于的中、低速数据传输。
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讲义编号NODE50923300060300000112：针对本讲义提问 ] - 2.多进制数字调制
二进制数字调制是数字通信系统频带传输的基本方式，具有良好的抗噪声能力。但是，由于二进制数字调制系统的每个码元只传输（或调制）1位信息，因此数据（或信息）传输速率与码元传输速率等值。根据奈奎斯特准则，在频带利用率一定的情况下，二进制数字调制系统如果希望提高数据传输速率只能通过提高带宽来实现。在信道带宽有限的前提下，通过无限提高带宽来实现更高的数据传输速率显然不是最有效的，甚至是不可实现。在确定带宽与频带利用率的情况下，提高数据传输速率最有效的方法就是通过提高每个码元传输信息量来实现，每个码元调制多位信息，即多进制数字调制。
数据传输速率Rb（bit/s）与码元传输速率RB（Baud）以及进制数M（通常为2的幂次）之间的关系为
Rb=R log M （6-13）
可见，当码元传输速率RB确定时，可以通过增大M，即较大进制数的多进制数字调制，提高数据传输速率Rb。同样，如果数据传输速率Rb一定，也可以通过采用较大进制数的多进制数字调制降低码元速率RB，从而降低对频带利用率或者带宽的要求。
多进制数字调制是二进制数字调制的扩展，是利用多进制数字基带信号去调制载波信号的特征参数（幅值、频率、相位），于是也可以分为多进制幅移键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK）等。与二进制数字调制相比，多进制数字调制的每个码元需要传输更多的比特信息，接收信号需要更大的信噪比，因此在带宽一定的情况下，发送端需要增大发送信号的功率。
多进制数字调制由于需要区分多个幅值、频率或相位，因此从定性角度来看，更容易受噪声的干扰。
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讲义编号NODE50923300060300000113：针对本讲义提问 ] - 3.正交幅值调制QAM
随着现代数据通信系统的用户数量和业务种类不断增加，同时频带资源又十分有限，仅仅依靠增加频道数量无法彻底解决系统容量问题。现代数据通信系统在选择调制方式时，在考虑抗噪声性能的同时，还必须关注频带利用率和灵活性等性能。因此，在数据通信技术发展的过程中，人们在基本数字调制方式的基础上，不断探索、设计先进的数字调制方案，并应用于实际的数字通信系统中，以便在实现高数据传输速率的同时保持较高的功率效率和频带利用率。
正交幅值调制（QAM）具有高频带利用率，此种调制方式已在实际通信系统得到广泛应用。正交幅值调制（QAM）也称为幅值相位联合键控（APK），是一种具有高频带利用率，且可以自适应调整调制速率的调制技术。QAM系统设备比较简单，已广泛应用于大容量数字微波通信系统、有线电视网高速数据传输和卫星通信系统中，同时也是甚高速数字用户环路（VDSL）、4G移动通信技术标准的推荐调制技术。
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讲义编号NODE50923300060300000114：针对本讲义提问 ]
第六节 物理层接口规程
一、物理层接口概述
物理层在实现为数据端设备提供传输数据的通路、传输数据以及完成物理层的一些管理工作的过程中，定义了建立、维护和拆除物理链路的规范和标准，同时也定义了物理层接口通信的标准，即物理层接口的四大特性，分别为机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性；物理层接口协议主要是解决主机、工作站等数据终端设备与通信线路上通信设备之间的接口问题。
按照ISO的术语，将这两种设备分别称为数据终端设备（Data Terminal Equipment, DTE），如计算机，以及数据电路端接设备（Data Circuit-Terminating Equipment, DCE），如调制解调器。物理层接口规范主要是对DTE设备与DCE设备之间的接口的定义。
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讲义编号NODE50923300060300000115：针对本讲义提问 ]
二、物理层接口特性
物理层接口规范的定义包含4个特性，涉及对于信号、接口和传输介质等特性的规定，具体如下。
1.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，如接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。
2.电气特性
规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性，一般包括接收器和发送器电路特性的说明、信号的电平、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。
3.功能特性
指明物理接口各条信号线的用途，包括接口信号线功能的规定方法以及接口信号线的功能分类，具体分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等4类。
4.规程特性
即通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程，以及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE、DCE双方在各自电路上的动作序列等。
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本章小结
本章主要介绍了物理层功能、数据通信概念及系统模型、物理介质、信道与信道容量、基带传输、频带传输、物理接口规程等内容。
在通信的过程中，离不开信息的载体，就是信号，同时信号的传输需要信道。信道有广义信道和狭义信道两种划分方法。狭义信道仅指信号的物理传输介质；广义信道包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。广义信道又可以分为调制信道和编码信道。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端经过的部分。调制信道又分为恒参信道和随参信道。
编码信道是指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。编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道。狭义信道可以分为有线信道和无线信道两大类。
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讲义编号NODE50923300060300000117：针对本讲义提问 ]- 有线信道包括架空明线、双绞线电缆、同轴电缆、光纤等；无线信道利用电磁波在空间的传播来传输信号，包括视线传播、地波传播与天波传播等。
数字信号在数字通信系统中的传输主要有两种方式：基带传输和频带传输。在信道中直接传输数字基带信号，则称为数字基带传输，相应的系统称为数字基带传输系统。数字基带传输系统主要由信号形成器、信道、接收滤波器、抽样判决器以及同步提取等部分组成。典型的数字基带信号码型有单极不归零码（NRZ）、双极不归零码、单极归零码（RZ）、双极归零码、差分码和多元码等。典型的数字基带传输码型包括AMI码、双相码、米勒码、CMI码、nBmB码和nBmT码等。
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讲义编号NODE50923300060300000118：针对本讲义提问 ] - 频带传输中的调制方式包括二进制数字调制、多进制数字调制及正交幅值调制（QAM）等。二进制数字调制包括2ASK、2FSK、2PSK以及2DPSK；多进制数字调制系统中，一个码元传输多位信息（2的幂次），从而提高频带利用率，但需增加信号功率；QAM是一种幅值与相位联合键控调制方式，其信号矢量端点图称为星座图，星座点间最小距离越大，抗噪性能越好。QAM抗噪性能更好，适用于频带资源有限的通信场合。
物理层接口规范主要定义DTE与DCE之间的接口特性，主要包括机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
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| 单选题
1.如果传输16进制的基带信号，则信道带宽为8kHz的理想无噪声信道的容量为（ ）。
A.16kbit/s
B.32kbit/s
C.48kbit/s
D.64kbit/s| | | | —- | —- | —- | |
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| | 『正确答案』D
『答案解析』C=2B*log2M
参见教材P224。| |
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| 2.在二进制数字调制方式中，相同信噪比下误码率最低的是（ ）。
A.2ASK
B.2PSK
C.2FSK
D.2DPSK| | | | —- | —- | —- | |
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| | 『正确答案』A
『答案解析』参见教材P235。| |
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讲义编号NODE50923300060300000122：针对本讲义提问 ]
| 简答题
1.简述双向码（曼彻斯特编码）编码规则，并画出二进制比特序列1011010011的双向码信号波形。| | | | —- | —- | —- | |
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| | 『正确答案』双相码利用两个脉冲编码信息码中的一位，相当于双极码中的两位，即利用2位编码信息码中的1位。相当于信息码中的1编码为双极非归零码的10，信息码中的0编码为双极非归零码的01。（2分）。
『答案解析』参见教材P229。| |
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| 2.简述CMI编码规则，并画出二进制比特序列1011010011的CMI码信号波形。| | | | —- | —- | —- | |
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| | 『正确答案』CMI码的编码规则是将信息码的0编码为双极不归零码的01，信息码的1交替编码为双极不归零码的11和00。（2分）
信号波形：（3分）
『答案解析』参见教材P205。| |
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