2.2 数据通信的基础知识

 

前言：

2.2.1 数据通信的基础知识 

**笔记**：2.2.1 数据通信系统的模型

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**1. 数据通信系统组成**：
- 三大部分：
  1. 源系统 (发送端)
  2. 传输系统 (传输网络)
  3. 目的系统 (接收端)

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**2. 源系统**：
- **源点 (Source)**：生成要传输的数据。
  - 例如：从键盘输入汉字，计算机产生的数字比特流。
- **发送器**：编码数字比特流，以便在传输系统中传输。
  - 典型发送器：调制器。
  - 现代计算机多使用内置调制解调器。

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**3. 目的系统**：
- **接收器**：接收信号并转为目的设备能处理的信息。
  - 典型接收器：解调器。它提取消息，还原发送端的数字比特流。
- **终点 (Destination)**：从接收器获取数字比特流并输出。
  - 例如：显示汉字在计算机屏幕上。

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**4. 传输系统**：
- 可以是简单的传输线或复杂的网络系统。

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**5. 数据通信系统 vs 计算机网络**：
- 两者相似，但本节以通信的角度介绍数据通信系统要素。

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**6. 通信常用术语**：
- **消息 (Message)**：要传送的内容如话音、文字、图像、视频等。
- **数据 (Data)**：运送消息的实体，特定方式表示的信息。
- **信号 (Signal)**：数据的电气或电磁表现。
  1. **模拟信号**：连续的参数取值，如调制解调器到电话端局之间的用户线传送的模拟信号。
  2. **数字信号**：离散的参数取值，如计算机到调制解调器之间的数字信号。其中，代表不同离散数值的基本波形称为“码元”。

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**7. 信道基本概念**：
- [在正文中待补充的部分]

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这一节的笔记总结了数据通信系统的基本模型、其组成部分、及与计算机网络的关系，同时还对一些常用的通信术语进行了简要介绍。

 2.2.2 有关信道的几个基本概念

**2.2.2 有关信道的几个基本概念**

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**1. 信道与电路的区别：** 
- 信道表示传送信息的媒体，指向某个方向。
- 一条通信电路通常包括发送信道与接收信道。

**2. 通信的三种基本方式：**
- **单向通信(单工)：** 只有一个方向的通信，例如无线电广播。
- **双向交替通信(半双工)：** 双方轮流发送与接收信息，但不能同时进行。
- **双向同时通信(全双工)：** 双方可以同时发送和接收信息。

**注意：** 
- 单向通信需要一条信道；双向交替与双向同时通信都需要两条信道。
- 全双工的传输效率最高。

**3. 基带信号：**
- 来自信源的信号。
- 例如：计算机输出的文字或图像文件数据。
- 有低频分量或直流分量。

**4. 调制：**
- 对基带信号进行处理使其适应信道特性。
  
  **a. 基带调制：** 变换波形但仍为基带信号，更像是数字信号的编码。
  
  **b. 带通调制：** 使用载波进行调制，转换为模拟信号传输在模拟信道中。

**5. 常用编码方式 (图2-2)：**
  
  **a. 不归零制：** 正电平代表1，负电平代表0。
  
  **b. 归零制：** 正脉冲代表1，负脉冲代表0。
  
  **c. 曼彻斯特编码：** 位周期中心跳变表示0或1。
  
  **d. 差分曼彻斯特编码：** 位中心始终有跳变，位开始有/无跳变表示0/1。

**6. 基本的带通调制方法 (图2-3)：**
  
  **a. 调幅(AM)：** 载波振幅随基带信号变化。
  
  **b. 调频(FM)：** 载波频率随基带信号变化。
  
  **c. 调相(PM)：** 载波的初始相位随基带信号变化。

**7. 高速传输方法：** 例如，正交振幅调制(QAM)结合振幅与相位调制达到更高的传输速率。

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**未来学习方向：** 探讨信道的极限容量。

我的理解：

这一节“2.2.2 有关信道的几个基本概念”从名称可以看出，主要介绍了通信领域中与信道相关的基础知识。让我们逐一理解这些概念：

1. **信道与电路的区别：**
   - **信道**：可以理解为一条信息传输的路径或“管道”。例如，一条河流可以被视为水流的“信道”。
   - **电路**：而电路则是信道的集合，包括发送和接收两个方向的信道，就像一个双向的高速公路。

2. **通信的三种基本方式：**
   - **单向通信(单工)**：如收音机，只能接收信号，不能发送。
   - **双向交替通信(半双工)**：像对讲机，你说话时对方听，对方说话时你听。
   - **双向同时通信(全双工)**：如电话，双方可以同时说话和听对方说话。

3. **基带信号**：原始的、未经任何处理的信号。比如，你直接录制的声音或拍摄的视频。

4. **调制**：为了让基带信号适应传输的特定信道，我们需要对它进行处理。
   - **基带调制**：更多是对数字信号的编码，如把0和1转为不同的波形。
   - **带通调制**：通过载波进行调制，使得信号在特定的频段内传输，如广播电台的FM信号。

5. **常用编码方式**：这些是针对数字信号的不同编码方式，用不同的方法来表示0和1。

6. **基本的带通调制方法**：描述了如何根据基带信号的变化来调整载波的特性，使其适应信道。
   - **调幅(AM)**：改变波的高度（振幅）。
   - **调频(FM)**：改变波的距离（频率）。
   - **调相(PM)**：改变波的起始位置（相位）。

7. **高速传输方法**：在通信中，为了提高传输速率，会采用高级的调制技术，如QAM，它同时使用振幅和相位的调制。

 2.2.3 信道的极限容量

**2.2.3 信道的极限容量**

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**1. 信道的实际情况：**
    - 非理想状态：带宽受限、有噪声、干扰和失真。
    - 结果: 信号在信道上传输会产生失真。
    - 优点: 只要可以识别出原始信号，失真不影响通信质量。

**图2-4 数字信号通过实际的信道**

a) 有失真但可识别
b) 失真大，无法识别

**2. 限制码元传输速率的因素：**

   (1) **信道的频率范围：**
   - 具体信道的频率范围是有限的。
   - 信号的高频部分可能无法通过。
   - 高频衰减导致码元间的清晰界限丧失，产生码间串扰。
   - 1924年，奈奎斯特推导出奈氏准则，确定了码元传输速率的上限。
     
   (2) **信噪比(S/N)：**
   - 存在于所有电子设备和通信信道中。
   - 影响接收端对码元的判断。
   - 信噪比 = 10 log10(S/N) (2-1)
   - 1948年，香农推导出香农公式： C = Wlog2(1+S/N) (2-2)

**3. 如何提高信息传输速率？**

   - 当信道的频带和信噪比确定，且码元传输速率达到上限，可以使用编码方法使每个码元传输更多的信息。
   - 例如，将每3个比特编为一个组，用不同的调制方法表示。
   - 采用相位调制，原18个码元的信号转换为6个新的码元，提高了3倍的信息量。
   - 自香农公式发表后，新的信号处理和调制方法不断出现，目的是接近香农公式的极限。
   - 实际信道上的信息传输速率低于香农公式的极限，因为还有其他因素影响，如脉冲干扰、传输中的失真等。

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这节内容深入探讨了信道的极限容量，强调了实际信道的非理想性，介绍了影响码元传输速率的因素，并解释了如何通过编码来提高信息传输速率。

我的理解：

这一节讨论的是信道的极限容量。简而言之，它探讨了在现实情况下，我们如何最大化地通过信道传输数据。要理解这一节，我们可以从以下几个关键点来加以梳理：

1. **信道的非理想性**：
    - 任何实际使用的通信信道都不是完美的。这意味着，当你尝试通过它传输信息时，总会有一些失真。
    - 尽管如此，重要的是在接收端能识别出原始的信号，即使信号经过了失真。

2. **信号失真与识别**：
    - 当信号的失真在一个可接受的范围内，我们仍然可以识别并恢复原始信号。
    - 但如果失真太大，就可能无法识别信号中的数据是1还是0。

3. **影响传输速率的因素**：
    - **信道的频率范围**：信道可以传输的频率范围是有限的，高频的信号更容易受到衰减，导致接收端的信号失真。
    - **信噪比**：噪声是随机的，且存在于所有的电子设备和通信信道中。当信号强度不够，噪声可能会干扰信号，导致接收端误读数据。

4. **奈氏准则与香农公式**：
    - 奈氏准则给出了码元的最大传输速率，超过这个速率会导致码元之间的干扰。
    - 香农公式则告诉我们一个信道的最大信息传输速率，这与信道的带宽和信噪比有关。

5. **提高信息传输速率的方法**：
    - 当我们不能增加信道的频带或信噪比时，我们可以通过编码的方法来提高每个码元携带的信息量，从而提高整体的信息传输速率。

总的来说，这一节的核心是希望我们了解在实际的信道中，如何有效地、最大化地传输数据，以及影响数据传输的主要因素。

形象的比喻：

让我们使用一个比喻来形象地解释这个概念：

想象你正在一条快速公路上开车。这条公路代表了你的通信信道。

1. **公路的宽度**：公路的车道数代表信道的带宽。更多的车道意味着可以容纳更多的车辆，与之类似，更宽的带宽意味着信道可以传输更多的信息。

2. **驾驶速度**：车辆的速度可以代表数据的传输速度。当公路空旷时，你可以安全地提高速度。但如果车道过于拥挤或有障碍物，你必须放慢速度。同样，如果数据传输太快，可能会导致数据失真或冲突。

3. **天气条件**：天气，如雨、雾或雪，可以代表信道的噪声。在良好的天气下，你可以清晰地看到前方，安全地驾驶。但在恶劣的天气下，能见度降低，驾驶就变得困难，你可能需要减速以确保安全。同理，噪声影响信号的质量，可能导致数据的误读。

4. **交通规则**：设定的最高速度限制或交通信号代表奈氏准则。即使在最佳的条件下，你也不能超过规定的速度，否则可能会出现事故。在通信中，即使在最佳的信道条件下，也有一定的数据传输速度上限。

5. **公路的负载能力**：公路每天可以流通的最大车辆数目代表香农公式所描述的最大信息传输速率。即使你增加更多的车道或改进路面，还是有一个流量上限。

6. **车辆的容量**：每辆车可以携带的乘客数代表每个码元的信息量。大型巴士或货车可以携带更多的乘客或货物，类似于编码技术，使每个码元携带更多的信息。

这样，通过这个公路比喻，我们可以更加形象地理解信道、带宽、噪声、数据传输速率以及如何最大化地利用信道进行数据传输的概念。