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第二章 数据通信基础

信道
信源==》变换器---------------------反变换器===》信宿
一、通信系统模型
信源、信宿的角色可以互相转换，变换器和反变换器合成一个（如调制解调器、编码解码器等设备）。
信源可以是数字信源或模拟信源
信道可以是数字信道或模拟信道
故有：
（1）模拟信源在模拟信道中通信
（2）数字信源在模拟信道中通信
（3）模拟信源在数字信道中通信
（4）数字信源在数字信道中通信

二、数据通信中的主要技术指标
数据通信的主要任务是传输数据信息，希望达到传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高，既经济又便于维护。
1、 数据传输速率
指每秒能传输的二进制信息位数。单位为位/秒(bps)
由下式确定：

其中S就是数据传输速率，
T是一个数字脉冲信号的宽度，即调制一个码元所需要的时间，单位是秒
1/T是1秒钟能调制的码元的个数，也即调制速率
N位一个码元所取的有效离散值个数

例如：采用四相调制方式，周期T=833*10-6秒，则数据传输速率为：
S=1/(833*10-6))*log24=2400bps

2、 带宽
频率范围，即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。
基带信号：把二进制数0、1用不同的电压表示后，送到线路传输
频带（宽带信号）：将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号

3、 信道容量
表征一个信道传输数据的能力。单位：位/秒(bps)
(1)、无噪音的理想状态下
奈奎斯特(Nyquist)准则：
码元速率 B=2*H 波特
传输速率 C=2*H* log2N bps
例如：普通电话线的带宽为4kHz，则调制速率极限为8k波特，若每个码元可能取的离散值个数为16，则最大数据传输速率为
C=2*4k* log216=32kbps

噪音：热噪音，信道本身的物理特性产生的，具有随机性，1位
冲击噪音，外界的电磁干扰，一般连续几位受影响
(2)、有噪音
香农(Shannon)公式
C=H* log2(1+S/N)
H带宽
S信号功率
N噪声功率
S/N信噪比
信噪比单位为分贝，但S/N的单位不是分贝，必须经过
10* log10(S/N)
的转换，单位才变成分贝。
例如：信噪比30dB，带宽4Khz的信道最大数据传输速率为：
C=H* log2(1+S/N)
10* log10(S/N)=30dB
S/N=1000
C=4000* log2(1+S/N)
=4000* log2(1+1000)
=4000*10=40kbps

4、 误码率
二进制数据位传输时出错的概率。是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。
在网络传输中，一般要求误码率低于10-6

练习：要在带宽4kHz的信道上用4秒发送完10K汉字，信道的信噪比最小应为多少分贝？

三、传输技术
1、 模拟传输：不考虑传输内容，用扩大器扩大信号，会失真
数字传输：关心信号内容，用中继器（转发器）增强信号，不会失真，但可能会引入延迟。

2、 数字调制技术（数字信号è模拟信号）
用到调制（原始电信号转换成适宜传输的电信号）解调（反变换）器
调幅（AM）：用两个不同载波信号的幅值分别代表1和0，速率较低,1200bps。
调频（FM）：用两个不同频率的载波分别代表1和0，可在同一个电话线中实现全双工。
调相（PM）：用两个不同相位变化来表示1和0，抗干扰性好，速率高,9600bps。P62图P62 2.13调相原理图

实际应用中，可以调相和调幅结合è相位调幅制PAM。
例如：采用12种相位，其中4种相位每个信号取2种幅度，则可以调制出16种不同的离散状态（稳定状态）。
例题：采用8种相位，各种相位各有两种幅度的PAM调制方法，问在1200Baud的信号传输速率下能达到的数据传输速率为多少？
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3、 模拟信号的脉码调制（模拟信号è数字信号）
用到编码解码器
过程：

取样(按一定采样频率) 量化
模拟信号===================》非整数离散值========》整数离散值

编码 数字信道
======》一定位数的二进制数码------------------------------一定位数的二进制数

译码 滤波 优化处理
码========》量化脉冲========》模拟信号=========》质量更好的模拟信号

应用：计算机记录歌曲

计算机记录视频信息

按x轴的增量、按y轴的增量、预测

4、数字信号的编码技术（数字信号在数字信道中传送）
将数字信号转换成适合于网络传输的形式。
单极性（以正电平表示1，0电平表示0）
{
双极性（以正电平表示1，负电平表示0）
{
曼彻斯特编码
{
不归零制：以正电平表示1，零电平表示0
归零制：以正脉冲表示1（有回零动作），零电平表示0
不归零制：以正电平表示1，负电平表示0(高速网络的主流编码)
归零制：以正脉冲表示1（有回零动作），负脉冲表示0

曼彻斯特编码：中间跳变高—》低1，低—》高0（以太网）
差分曼彻斯特：起始有跳变0，无跳变1（令牌环网）
主要解决数字数据信号表示和收发两端之间的信号同步问题。
对于曼彻斯特编码，一个码分为两个部分，前用原码半部分表示（高电平表示1，低电平表示0），后半部分用反码表示。

注意各种码制的波形图

5、传输方式
（1）、码元保持同步：
外同步：同步时钟事先确定
内（自）同步：同步信息从波形中提取

（2）、传送单位（字符或数据块）保持同步：
i)、异步传输：也叫群同步，以字符为传送单位，只需要保持每个字符的起始点同步，群内按约定的频率进行位的接收。字符间的间隔是任意的。控制简单，对时钟频率的精确度要求不高，编码效率低
传输一个字符的格式：
1位起始位，固定为逻辑“0”
5—8位数据位
0—1位奇/偶校验位
1—2位停止位，固定为逻辑“1”，用作字符间的间隔

ii)、同步传输：要在传送单位之前、之后加上标志，长度理论上没有限制，实际应用中有个范围。包括面向字符和面向比特两种。

6、关于4B/5B编码
在实际应用中，NRZ已经成为一种主流的编码，但NRZ有一个致命的缺点：连续出现若干个1或0时，对同步时钟的要求很高，为了解决这个问题，引入了二级编码：第一级先进行预编码，使连续出现若干个1或0的情况不要出现，再进行NRZ编码。

7、传输媒体
实际传送信息的载体
双绞线：非屏蔽、屏蔽 在100米内100Mbps
同轴电缆：基带、宽带 在1公里内可达10Mbps
（细缆、粗缆）

光纤：多模光纤（短距离传送）、单模光纤（远距离传送）

无线传输：微波（受天气影响）、红外、激光

卫星通信：长距离通信

8、多路复用技术
把多个信号组合起来在一条物理电缆上传输。
（1）、频分多路复用FDM
模拟信道，带宽比单路信号所需带宽大，采用频谱搬移技术，让多路信号占用不同的频率范围。P65 图2.16
1路话频信道带宽为4kHz，12路为1群，5个群为1超群，超群又可以复用为更宽的主群。

电话网：市话用模拟传送，长途用数字传送。

（2）、时分多路复用TDM
数字信道，传输速率快，多路信号享用不同时间片
T1标准（北美）：125微秒传输193（8*24+1）位
T2=T1*4 T3=T2*6
E1标准（欧洲、中国）：125微秒传输256（8*32）位

（3）、波分复用WDM
在光信道上的频分复用

四、物理层接口标准
1、 EIA-RS-232C
（1）、EIA(Electronic Industry Association)
RS(Recommended Standard)
232：表示号码
C：该推荐标准已被修改过的次数

（2）、功能特点
连接DTE—DCE 或 DTE—DTE
25芯、9芯连接器
采用负逻辑：用电平-15到-5表示1，用5到15表示0
TTL则为5(与TTL的转换P70图)
通信最大距离：15米
最高速率：20Kbps
连接方法：

2、 EIA-RS-449
包括两个电气特性标准RS-422、RS-423
RS-232：单端发送、单端接收
RS-422：平衡发送、差动接收 10m可达10Mbps 1000m可达100bps
RS-423：单端发送、差动接收 10m可达100Kbps 100m可达10Kbps
平衡发送：传送一个信号用两条线，接收端根据两条线的电平差
差动接收：接收两个电平，根据电平差判断逻辑0和逻辑1

3、 CCITT X.21
DTE和数字化的DCE连接（访问公用数据网）
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