数据通信的基本概念

常用术语

• 信息：语音、文字、图像、视频等，通信目的即传送信息
• 数据：运送消息的载体，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：在使用时域波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
  • 如二进制编码常用两种码元，分别代表0状态和1状态

信道相关概念

• 单工通信

  • 通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据，没有反向交互
  • 如无线电广播

• 半双工通信

  • 通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据
  • 如总线型以太网、802.11WLAN

• 全双工通信

  • 通信的双方可以同时发送和接收信息，通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据

  • 如电话、交换以太网

• 基带信号

  • 来自信源的原始信号，未经过调制（频谱搬移和变换）
    • 其特点是频率较低、信号频谱从零频附近开始，具有低通形式
  • 基带信号分为数字基带信号和模拟基带信号
  • 近距离范围内基带信号的衰减不大，可以采用基带传输
    • 计算机到监视器、打印机等外设
    • 以太网等局域网
  • 长距离或无线信道中，无法直接传输基带信号，需要进行调制
    • 比如声音传送距离有限，调制为高频电磁信号，可以实现远距离的声音传送

• 编码

  • 发送端把二进制数据(比特)编码为数字基带信号，接收端再解码为比特

• 调制

  • 使用载波，把基带信号的频率搬到高频，转换为模拟信号，称为带通调制/载波调制
  • 目的：
    • 将信号变换为便于传送的形式
      • 无线传输时需要将信号搬到高频上才能在自由空间发送出去
      • 数字电话中将连续信号变换为脉冲编码调制信号
    • 有效利用频带

编码

• 数字基带信号码型种类繁多，根据码元幅度取值不同分为
  • 二元码
    • 最简单的波形为矩形，幅度取值只有两种电平
  • 三元码
    • 取值正、0、负，单极性变双极性，不是二进制变三进制，称准(伪)三元码
  • 多元码
    • 每个符号可以用来表示一个二进制组码，成倍提高带宽利用率
    • \(n\)位二进制组码，可用\(M=2^n\)元码传输，信道利用率可以提高\(n\)倍

码型设计原则

• 码型变换过程对任何信源透明，与信源统计特性无关
  • 信源统计特性是指信源产生各种数字信息的概率分布
• 从传输码型容易提取出时钟
  • 时钟恢复：编码和解码过程都由一个时钟来驱动，每个时钟周期，发送方发送一比特，接收方恢复一比特，为了使接收方能恢复发送方传送的比特，发送方和接收方的时钟必须精确同步
• 具有自检能力，即码元间有相关性（冗余度）
  • 一旦有了自检性，各码元所含信息量不为最大
• 误编码增值越小越好
• 编译码器简单方便
• 编码具有唯一可解性，可还原出原二进制序列

带通调制 / 载波调制

• 基本调制方法
  • 调幅(AM)：载波的振幅随调制信号而变化
  • 调频(FM)：载波的频率随调制信号而变化
  • 调相(PM)：载波的相位随调制信号而变化
• 两种类型
  • 数字信号调制
  • 模拟信号调制

数字信号调制

• 二进制数字调制
  • 幅度键控：载波的振幅随调制信号而变化（1通，0断）
  • 频移键控：载波的频率随调制信号而变化（1对应载波\(f_1\)，0对应载波\(f_2\)）
  • 相移键控：载波的相位随调制信号而变化（1对应相位0°，0对应相位180°）

模拟型号调制

• 调幅：载波的振幅值随调制信号的大小做线性变化

信道容量与计算

实际传输通道

• 非理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重

信道容量与香农公式

• 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰情况下信道极限，即无差错的信息传输速率(信道容量)上限
• 可应用于各种链路，无线、同轴电缆、光纤……

\[ C = Wlog_2(1+S/N) \]

• C：信道容量(bps)；W：信道带宽(Hz)；S：信号平均功率；N：高斯白噪声功率
  • S/N：信噪比，通常表示为SNR(db或分贝)：\(SNR = 10 log_{10}(S/N)\)