数据、信号与码元#

数据：数据是信息的载体，即用于传送信息的实体。

信号：信号是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

数据和信号均可分为模拟和数字两类：模拟信号的取值是连续的；数字信号的取值是离散的。

信源、信道与信宿#

数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

信源是产生和发送数据的源头，信宿是接受数据的终点，它们通常是计算机或其他数字终端装置。

信道是信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接受信道。

噪声是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示。

按传输信号形式的不同，信道分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。

按传输介质的不同，分为无线信号和有线信号。

数据传输方式分为串行传输和并行传输。

串行传输是逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行适用于长距离通信，并行适用于短距离通信，如CPU与主存之间。

从通信双方的交互方式看，可分为三种基本方式：

1. 单向通信：只有一个方向的通信
2. 半双工通信：通信双方都可以发送和接受信息
3. 全双工通信：通信双方可同时发送和接受信息（需要两个独立信道）

速率、波特与宽带#

速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述方式。

1. 码元传输速率（波特率，调制速率）：表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是波特。码元可以是多进制，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。
2. 信息传输速率（比特率）：表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位 b/s。

Eg：波特和比特率是不同概念，但在数量上有一定关系。若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率 M 对应的比特率为 nxM b/s。

在模拟通信中，带宽表示信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是 Hz 。

奈奎斯特定理（奈氏准则）#

在理想低通信信道中，避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W 波特，W 是带宽。 V 表示每个码元的离散电平数量（不同码元的种类数）。

对于奈奎斯特，有以下结论：

• 码元传输速率存在上限，超过会发生严重码间串扰。
• 信道宽带越大，起码元传输能力越强。
• 仅限制码元传输速率，并未限制每个码元所能承受的信息量（比特数）。

香农定理#

实际信道存在高斯白噪声。香农定理给出了宽带受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率。当速率不超过该极限值时，理论上可以实现任意低的误码率。

对于香农定理，有以下结论：

• 信道带宽和信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
• 对于给定的带宽和信噪比，信息的传输速率的上限是确定的。
• 只要实际信息传输速率低于该极限值，就能找到某种方法实现近似无差错传输。
• 香农定理得出的是理论极限，实际信道能达到的传输速率要比它底不少。

数字数据编码为数字信号#

如何用电平或跳变来表示二进制数 0 和 1 。

1. 非归零(NRZ)编码：高电平表示1，低电平表示0
2. 归零(RZ)编码：高电平表示1，低电平表示0，每个码元中间都跳变为0
3. 反向非归零(NRZI)编码：以码元起始处是否有跳变来表示数据，无跳变表示1，有跳变表示 0 。
4. 曼切斯特编码：每个码元中间都会跳变，同时承担时钟同步与数据表示功能。常用上升表示1，下降表示0。（正反跳变可以自定义）（传统以太网）
5. 差分曼切斯特编码：该跳变仅用于时钟同步，而不表示数据。数据由码元起始处是否有跳变决定。无跳变为1，有为0 。

模拟数据编码为数字信号#

采用 PCM(脉冲编码调制)：

1. 采样：采样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的采样信号的过程。
2. 量化：将采样所得的幅值按照预设分级取整，将连续的模拟电平转换为离散的数值。
3. 编码：将量化后的整数转换为对应的二进制码。

数字数据调制为模拟信号#

正交幅度调制（QAM）：

在载波频率相同的前提下，通过同时调制振幅和相位，形成复合信号。

假设波特率为B，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，则 QAM 的数据传输速率 R 为

模拟数据直接传输为模拟信号#

在某些场景下，模拟数据直接以模拟信号形式传输，无需数字化。

双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质#

传输介质也称传输媒体，是数据传输系统中发送器和接受器之间的物理通路。

传输介质可分为两类：导向传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）和非导向传输介质（无线传输介质）

1. 双绞线：最常用的传输介质，在局域网和传统电话网中广泛使用。它由两根相互绝缘、按一定规则绞合在一起的铜导线组成。

   绞合结构可有效减少相邻导线间的电磁干扰和抵御部分来自外界的电磁干扰。

   

2. 同轴电缆：同轴电缆由内导体、绝缘体、外导体屏蔽层和绝缘保护套层构成。具有良好的抗干扰性能，适合较高速率的数据传输。

   

3. 光纤：光纤通信利用光导纤维传输脉冲来传递通信，有脉冲表示1，无脉冲表示0。可见光的频率约为 $10^{14}$MHz,因此光纤系统具有极大的带宽潜力。

利用全反射原理，允许多条不同角度入射的光线在同一根光纤中传输的类型称为多模光纤。光脉冲在多模光纤中的损耗较大，因此更适合短距离通信。

光纤不仅通信容量极大，还具备以下优势：

• 传输损耗小，中继距离长，远距离特别经济
• 抗雷电和电磁干扰性能强
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

4. 无线传输介质

• 无线电波
• 微波、红外线和激光

中继器#

主要功能是整形、放大并转发信号，消除失真和衰减，从而扩大传输距离。

有两个端口，一个进一个出。

Eg：5-4-3规则规定：在10Base2总线型网络中，全链路不超过5个区段、4台中继器，其中仅3个区段可接入终端设备

集线器#

实质上是一个多端口的中继器。是标准的共享式设备。