第1节 数据通信的基础知识
2.1.1 数据通信系统的模型
基本术语
- 数据(data)——信息的实体。
模拟数据：连续变化，如语音，温度等；
数字数据：离散变化，如文字，整数等。 - 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
“模拟的”(analogous)——连续变化的。
“数字的”(digital)——取值是离散数值。 - 信息(information)——数据的内容/内涵。
- 信源——产生和发生信息的设备（计算机）。
- 信宿——接收和处理信息的设备（计算机）。
- 信道——信源和信宿之间的通信线路。
数字信道——采用数字信号传输数据的信道。
模拟信道——采用模拟信号传输数据的信道。
模拟的和数字的数据、信号
基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号
- 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
- 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。
2.1.2 性能指标和傅立叶分析
在一个信道上传输数据时有什么样的限制？！
数据通信系统的性能指标
- 时延和时延带宽积
- 信息传输速率和码元传输速率
1.时延（delay)
- 指一个数据块（帧、分组、报文段）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间.
发送时间= 数据块长度/信息传输速率
传播时延＝信道长度/电磁波在信道上的传播速率
转发时延：中间结点转发数据引起的时延。 - 总时延 ＝ 发送时间＋传播时延＋转发时延
时延带宽积
- 时延带宽积＝传播时延 × 带宽 （比特/秒）
- 例如：
某一链路的传播时延＝500us；
带宽＝100M/s,
时延带宽积＝50 000比特
表明发送发送的第一个比特到达终点时，发送端已经发出了50 000个比特，充满整个链路。
2.“压迫”信号的三座大山
- 信号传输
期望的理想信号：
- 时延：transmission delay
- 衰减: attenuation
- 噪声: noise
在物理层上，信道对于信号的传输影响是很显著的！
你能用学过的数学模型解释分析吗？
傅立叶分析
- 任何正常的周期为T的函数g(t),都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成。
- f = 1/T为基频（基波）
- an为正弦函数n次谐波的振幅；
- bn为余弦函数n次谐波的振幅。
例子：
（1）带宽（bandwidth）的概念
- 数字信号的传输可以看成是无限个傅立叶分量构造成的信号在信道中传输。
- 传输的质量主要受衰减、失真等因素影响。
- 但实际上，所有的传输设施对于不同的傅立叶分量的影响并不相同，因此会导致信号变形。
- 在传输过程中，振幅不会明显减弱的这一段频率范围成为带宽。
（2）信息传输速率
- 在计算机网络中，每秒传输的编码前数字数据的二进制比特数，单位为比特/秒，即b/s，又称为比特率。
- 通常所说的100兆的以太网其信息传输速率就是100M/s，这里包括传输的净荷以及为控制传输所附加的信息。
想一想： 普通的电话线路能传送计算机数据吗？
已知条件：
- 假设数据传输率为b位/秒（b比特/秒）
- 发送8位所需的时间为8/b秒；
- 一次谐波的频率是b/8Hz；
- 一条普通电话线通常的截至频率为3000Hz,
- 则可以发送的谐波次数大约是：
3000/（b/8）或24000/b。
数据传输率与谐波的关系
（3）码元传输速率
- 码元：一个离散信号（电压）状态或信号事件
- 码元传输速率B（信号速率、调制速率）
定义：每秒传输的码元数
单位：波特（Baud)
3 信道的最高码元传输速率
- 任何实际的信道都不是理想的，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。
数字信号通过实际的信道
- 失真不严重
- 失真严重
奈氏(Nyquist)准则 ：
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2H Baud
H是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。
要强调以下两点
- 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。
- 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。
波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。
比特是信息量的单位。
要注意
- 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。
- 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。
- 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。
码元 VS 比特
- 码元传输速率B（信号速率、调制速率）
定义：每秒传输的码元数
单位：波特（Baud) - 信息传输速率S（数据传输速率）
定义：每秒传输的比特数
单位：比特/秒（bps、b/s、bit/s） - 两者的关系：S＝B×log2V(bps)
V：一个码元所取得有效离散值个数
4 信道的极限信息传输速率
- 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
- 信道的极限信息传输速率 C 可表达为
- C = H log2(1+S/N) b/s
H 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。
香农公式表明
- 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。
- 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
- 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围
2.1.3 数据的传输方式
- 单工、全双工和半双工传输
- 串行和并行通信
1 单工、全双工和半双工
- 单工传输：在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式，只有一个方向不变的单向信道连接了两个设备。
- 半双工传输：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
- 全双工传输（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道，可以同时在两个方向上传输数据。
2.串行通信和并行通信
2.1.4调制解调技术
研究数字数据在模拟信道中传输的方法：
- 调制：数字数据模拟化的方法；
- 解调：将以调制的信号还原为原来的数字数据。
调制解调器的作用
- 调制解调器(modem)包括：
调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。
解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。 - 本课中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。
调制解调器的作用（续）
- 调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形
- 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号
几种最基本的调制方法
- 最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
对基带数字信号的几种调制方法
相位调制的星座图
一种正交调制 QAM
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
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。
由于4 bit 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 4 bit 的编码。
若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。
调制解调器的速率
- 目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。
- 要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。
- 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。
2.1.5 编码解码技术
- 计算机网络中使用最普遍的还是基带传输方式。
- 基带传输必须将数字数据进行线路编码再进行传输，到了接收端再解码，还原原有的数据
4.mB/nB编码
- 把m比特的二进制数据块用n比特的二进制代码块表示
- 优点：编码更易于分辨和携带时钟信号；
- 缺点：线路开销增大。
5.多进制编码
2.1.6 信道复用技术
频分复用
波分复用 WDM
- 波分复用就是光的频分复用
同步光纤网 SONET 和 同步数字系列 SDH
- 标准 ：
1985年，Bellcore提出SONET（Synchronous Optical NETwork）标准。
1989年，CCITT提出SDH（Synchronous Digital Hierarchy）标准，与 SONET 有微小差别。
SONET主要用于北美和日本，SDH主要用于欧洲和中国。 - SONET/SDH，采用TDM技术，是同步系统，由主时钟控制，时钟精度10-9。
基本SONET帧
- 810 字节/125us，所以传输速率为 810 8 /（125 10-6）= 51.84 Mbps
基本SONET信道称为STS-1（Synchronous Transport Signal-1）
同步光纤网 SONET
- 同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
- 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。
- 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。
同步数字系列 SDH
- ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
- 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
- SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。
SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系
