00 数据和信号 自己提问5个 问题

Q1 传输速率、传播速率、带宽的区别和联系

• 传输速率指主机在数字信道上发送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率。
  • 单位是比特/秒(b/s)，更常用的速率单位是千比特/秒(kb/s)、兆比特/秒(Mb/s)、吉比特/秒(Gb/s)、太比特/秒(Tb/s)。
  • 注意，传输速率的单位进制为 1000。
    • 传输速率本身不涉及二进制问题，单纯的根据国际单位系SI标准，进制为 1000
    • 在计算机领域，表示存储容量或文件大小时，。
    • 另外，硬盘制造商在制造硬盘时使用的进制也为 1000，导致硬盘实际容量会比标称的少（以GB 换算，实际容量为标称的 93%左右）
• 传播速率是指电磁波在信道中传播的速率，单位是米/秒(m/s)，更常用的单位是千米/秒(km/s)。电磁波在光纤中的传播速率约为
• 带宽
  • 原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz).
  • 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据传输速率”，指网络设备所支持的最高速度，单位与传输速率的单位相同。

Q2 以高速公路车道举例，解释宽带信道速率提升的原因

• 低速信道相当于汽车进入高速公路的时间间隔较长。例如，每隔1分钟有一辆汽车进入高速公路；
• 信道速率提高相当于进入高速公路的汽车的时间间隔缩短了，例如，现在每隔6秒就有一辆汽车进入高速公路。
• 虽然汽车在高速公路上行驶的速率无变化，但在同样的时间内，进入高速公路的汽车总数却增多了(每隔1分钟进入高速公路的汽车现在增加到10辆)，因而吞吐量也就增大了。
• 也就是说，当带宽或发送速率提高后，比特在链路上向前传播的速率并未提高，只是每秒注入链路的比特数增加了。“速率提高”就体现在单位时间内发送到链路上的比特数增多了。

Q3 常见的编码方式

• 非归零编码[NRZ]
  • 高1低0
  • 编码容易实现，但没有检错功能且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步
• 归零编码[RZ] (了解)
  • 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
• 反向不归零编码[NRZl]
  • 信号电平翻转表示0,信号电平不变表示1。
• 曼彻斯特编码（携带时钟信号）
  • 将一个码元分成两个相等的间隔前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步）又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。
  • 每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
• 差分曼彻斯特编码
  • 同1异0
  • 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ー个码元的后半个码元的电平相同，若为0,则相反。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，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
• 4B/5B编码
  • 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1,就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。

Q4 香农公式和奈奎斯特定理的区别与意义

• 奈奎斯特定理公式
  • 适用于理想低通信道(理想指无噪声干扰的信道)
  • 指出了码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是 1 还是 0 （码元之间的相互干扰）。奈奎斯特定理公式在理想条件下推导，实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值还要小些。
  • 奈奎斯特定理公式并没有对信息传输速率 (bit/s) 给出限制（可以无限大）
  • 要提高信息传输速率就必须使每个传输的码元能够代表许多比特的信息 (需要有很好的编码技术)
• 香农公式
  • 适用于有高斯白噪声干扰的信道
  • 给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽(以 Hz 为单位)和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。这个极限是不能够突破的。要想提高信息的极限传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他办法。
  • 若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法：
    • 使用无限大的传输带宽（显然不可能）
    • 使信号的信噪比为无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（也不可能）

Q5 以 ADSL 为例介绍将信元“调制”为信号的关键步骤

• ADSL Modem 采用了一种用圆滑波形（正弦波）对信号进行合成来表示 0 和 1 的技术，这种技术称为调制。
  • 注：方波信号的波形容易失真，随着距离的延长错误率也会提高；除此之外，方波信号覆盖了从低频到高频的宽广频段，信号频率越高，辐射出来的电磁噪声就越强，因此信号频谱太宽就难以控制噪声。
• ADSL 采用的调制方式是振幅调制（ASK）和相位调制（PSK）相结合的正交振幅调制（QAM）方式，即调幅 + 调相。
  • 注1：如果信号的振幅可以表示 1 个比特，相位可以表示 1 个比特，那么加起来就可以表示 2 个比特。因此，将两种方式组合起来，正交振幅调制就可以用一个波表示更多的比特，从而提高传输速率。
  • 注2：正交振幅调制中，通过增加振幅和相位的级别，就可以增加能表示的比特数。例如，如果振幅和相位各自都有 4 个级别，那么组合起来就有 16个级别，也就可以表示 4 个比特的值。当然，和单独使用振幅调制或相位调制的情况一样，级别过多就容易发生误判，因此这种方法提升的速率是有限度的。
• ADSL 通过多个波增加能表示的比特数来提高速率。
  • 注：信号不一定要限制在一个频率。不同频率的波可以合成，也可以用滤波器从合成的波中分离出某个特定频率的波。因此，我们可以使用多个频率合成的波来传输信号，这样一来，能够表示的比特数就可以成倍提高了