第二章.物理层：2.2数据通信的基础知识

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2.2.1 数据通信的模型

常用术语：

• 消息：如话音、文字、图像、视频等。

  

• 数据：运送消息的实体，有意义的符号序列。

  

• 信号：数据的电气或电磁的表现。

  • 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的

    

  • 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的

    

• 码元：在使用时间域（简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

  • 使用二进制编码时，只有两种不同的码元：0状态、1状态。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

• 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
• 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送消息，但双方不能同时发送（当然也不能同时接收）。
• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。
• 基带信号（即基本频带信号）
  • 来自信源的信号
  • 包含有较多的低频成分，甚至有直流成分
• 调制
  • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。把这种过程称为编码。
  • 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，并转换为模拟信号。经过载波调制后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）

常用编码方式：

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1.但也可以反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

编码方式对比：

1. 信号频率：

   曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。

2. 自同步能力：

   • 不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力）。
   • 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法：

• 基带信号往往包含有较多的低频成分，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。

• 必须对基带信号进行调制。

• 最基本的调制方法有以下几种：

  1. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。
  2. 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。
  3. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
  

正交振幅调制：

• 一种多元制的振幅相位混合调制方法，以达到更高的信息传输速率。

• 例如：

  • 可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。总共有16种组合，即16个码元。

  • 由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。数据传输率可提高4倍。

    

2.2.3 信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或干扰噪声越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
• 限制码元在信道上的传输速率有两个因素：
  • 信道能够通过的频率范围。
  • 信噪比。

1. 信道能够通过的频率范围（奈氏准则）

• 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。

• 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。

• 奈氏准则：奈奎斯特提出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

  

  在带宽为W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

补充：

简单的说低通就比规定的频率低的信号可以通过些滤波器，比规定频率高的信号就被滤掉。

带通就是有一个上限频率和一个下限频率，高于和低于这两个频率的信号都将被滤掉。只有在上限和下限之间的信号可以通过滤波器。

高通就是比规定频率高的信号可以通过，低于规定频率的信号就被滤掉了。

2. 信噪比

• 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N,并用分贝（dB）作为度量单位。即：

  

• 例如：当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

3. 香农公式

• 信道的极限信息传输速率C可表达为：

  

• 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。

• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

4. 提高信息的传输速率的方法

用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

5. 奈氏准则和香农公式的意义不同

• 奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。
• 香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

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参考资料：《计算机网络(第8版)》—— 谢希仁