数据通信

源系统：

1. 源点：源点设备产生传输的数据，又称源站、信源
2. 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输
3. 接收器：接收传输系统传来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理的信息
4. 终点：从接收器获取传来的数字比特流，然后把信息输出，又称为目的站、信宿

通信的目的是传输消息
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／电磁的表现，是数据再传输过程中的存在形式

• 数字信号：代表消息的参数取值都是离散的
• 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的
• 基带信号：来自信源的信号；也叫做基本频带信号

信道：信号的传输媒介；一般用来表示某一个方向传输信息的介质，因此通常包含一个发送信道和一个接收信道

• 模拟信道：传送模拟信号；数字信道：传输数字信号
• 无线信道；有线信道（光纤、电缆）

  通信方式

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
2. 半双工通信：双方都可以发送和接受信息，但不能同时发送和接收，需要两条信道
3. 全双工通信：通信双方可以同时发送接收信息，也需要两条信道

调制：
基带信号往往包含较多低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此需要对基带信号进行调制。

1. 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变化，使它能够与信道特性相适应；变化后仍为基带信号；由于这种方式是吧数字信号转化为另一种形式的数字信号，因此把这种过程称为编码数字发送器（数字数据 -> 数字信号） & PCM编码器（模拟数据->数字信号）常用的编码方式：
   1. 不归零制：正电平1，负电平0（编码容易实现，但没有检错功能，无法判断开始与结束，以至于收发双方难以保持同步）
   2. 归零制：正脉冲1，负脉冲0（信号电平在一个码元内都要恢复到0；整个传输过程中处于低电平的时候很多，不推荐使用）
   3. 反向不归零编码：信号电平反转表示0，信号电平不变表示1（对于全0的数据，信号会一直翻转，接收端很好接受辨别，但是对于全1的数据不适用）
   4. 曼彻斯特编码（自同步）：位周期中心的向上跳变代表0，向下代表1。将一个码元分为两个相等的间隔，前低后高表示码元1，0则相反，也可以反过来表示；特点是：在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变及作为时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但他所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。每个码元都被调成两个电平，因此数据传输速率只有调制速率的1/2
   5. 差分曼彻斯特编码：每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变为0.常用于局域网传输，规则是若码元是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；若为0则相反。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，且干扰性强于曼彻斯特编码（实现的算法更加复杂）
   6. 4B/5B 编码：比特流中插入额外的比特来打破一连串的0/1，就是用五个比特来编码四个比特的数据，之后再传给接收方。编码效率为80%。只用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始与结束，路线的状态信息或保留）
2. 带通调制：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，并转化为模拟信号，这样就可以更好的在模拟信道中传输；这种经过带同调制的信号称为带通信号，即仅在一段频率范围内能够通过信道调制器（数字数据 -> 模拟信号） & 放大器调制器（模拟数据->模拟信号）基本的带通调制方法：
   1. 调幅：载波的振幅随着基带数字信号而变化
   2. 调频：载波的频率随着基带数字信号而变化
   3. 调相：载波的初始相位随着基带数字信号变化
   4. 调幅+调相：为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制振幅相位混合调制方法，如：QAM正交振幅调制

• 在传输距离较近的时候，采用基带传输（近距离衰减小，从而信号内容部已发生变化）
• 在传输距离较远的时候，采用宽带传输（远距离衰减大，信号变化大也可以最后过滤出基带信号）

  模拟数据编码为数字信号

  计算机内部处理的都是二进制数据，处理的都是数字音频，因此需要将模拟音频通过采样、量化转化为有限个数字表示的离散序列，即实现音频数字化
  最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。
  步骤：

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号；为了使所得的离散性信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，需要采样定理进行采样；f采样频率 >= 2f信号最高频率
2. 量化：把抽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，这样就把连续的电平幅值转化为离散的数字量
3. 编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码。

数据传输方式

1. 串行传输：速度慢、费用低、适合远距离
2. 并行传输：速度快、费用高、适合近距离（比如计算机内部的数据传输）

码元+波特+速率+带宽

码元

码元：是一个固定时长的信号波形（数字脉冲），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；这个市场内的信号成为k进制码元。而该时长称为码元宽度；
当码元离散状态有M个时（M>2），此时码元为M进制码元
例如：四进制码元—码元的离散状态有4种—00、01、10、11—四种高低不同的信号波形
1码元可以携带多个比特的信息量

M进制码元

速率

指数据的传输速率，表示单位时间内数据的传输量；码元传输速率 & 信息传输速率

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（也可称为脉冲个数or信号变化次数），单位Baud；与进制数无关

信息传输速率

单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数（比特数）

关系

1. 若一个码元携带n bit信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M × n bit/s

2. 带宽：从一点到另一点所能通过的最高数据率，表示网络通信线路所传输信息的能力

   奈氏准则 & 香农定理

   

   失真

   失真的影响因素：

3. 码元传输速率

4. 信号传输距离
5. 噪声干扰
6. 传输媒体的质量

   码间串扰

   接收端收到了信号波形失去了码元间清晰的界限的现象
   具体的信道所能通过的频率范围是有限的。对于信号带宽小的信号，由于实际信道的干扰等，会使信号衰减导致失真严重。
   而对于信号带宽过大的信号，如果信号中的高频分量在传输过程受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的。这样，在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间清晰的界限（可以类比一排密集的点快速的移动，点与点之间的界限就会变得很模糊，就很难分辨有多少个点了，如果点分布的疏，移动慢速，就可以很清晰的分辨每一个点）

信道带宽：是信道能通过最高频率和最低频率之差

奈氏准则

在理想低通（无噪声、带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是HZ。
极限低通信道下极限数据传输率 = 2 W log2 V (b/s)，v是几种码元/码元离散电平数目

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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多)，就可以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，但并没有对信息传输速率给出限制。

4. 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能携带更多个比待的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

   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。
   信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率，单位为S/N，分贝DB为度量单位，1 dB = 10 log10(S/N)

   香农定理

   在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输率有上限值。
   信道的极限数据传输速率 = W log2(1+S/N) (b/s)

5. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

6. 对一定的传输带宽和-一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
7. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
8. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率比他低不少