第二章 数据通信基础
作者：张子默
一、数据通信基本概念
1、信源
通信中产生和发送信息的一端叫做信源。
2、信宿
接受信息的一端叫做信宿。
3、信道
信源和信宿之间的通信线路称为信道。
4、噪声
信息在传输过程中可能受到外界的干扰，把这种干扰称为噪声。
5、数字信号
数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的，数字信号以某一瞬间的状态表示他们传送的信息。
6、模拟信号
模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量(如幅度、相位和频率等)可以表示要传送的信息。电话机送话器输出的话音信号、电视摄像机产生的图像信号等都是模拟信号。
7、模拟通信
如果信源产生的是模拟数据并以模拟信道传输，则叫做模拟通信。
8、数字通信
如果信源发出的是模拟数据且以数字信号的形式传输，那么这种通信方式叫数字通信。
9、数据通信
如果信源发出的是数字数据，当然也可以有两种传输方式，这时无论是用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫做数据通信。
二、数据通信计算
1、模拟信道带宽
计算公式：W=f2-f1
上述公式中，f1是信道能通过的最低频率(低频)，f2是信道能通过的最高频率(高频)，两者都是由信道的物理特性决定的。当组成信道的电路制成了，信道的带宽就决定了。为了使信号传输中的失真小一些，信道要有足够的带宽。
2、数字信道带宽
数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号，信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。
码元、码元速率
一个数字脉冲称为一个码元；用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T。码元速率的单位叫波特(Baud)，所以码元速率也叫波特率。
尼奎斯特定理：B=2W (Baud)
尼奎斯特定理用于计算有限带宽无噪声信道的极限波特率。其公式中信道带宽为W。尼奎斯特定理指定的信道容量也叫作奈奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定的，超过奈奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的，所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。
信息量(n)与码元种类数(N)的关系：n=log2N(N=2n)
码元携带的信息量由码元取的离散值的个数决定，若码元取两个离散值，则一个码元携带1位信息。若码元可取4种离散值，则一个码元携带两位信息。
数据速率：R=Blog2N=2Wlog2N(bps)
单位时间内在信道上传送的信息量(位数)称为数据速率。在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的位数，如果把两位编码为一个码元，则数据速率可成倍提高。在以上公式中，R表示数据速率，单位是每秒位(bps或b/s)。
小贴士
数据速率和波特率是两个不同的概念，仅当码元取两个离散值时两者的数值才相等，最高数据速率可随着调制方式的不同而取不同的值，这些都是在无噪声的理想情况下的极限值。
香农公式：C=Wlog2(1+S/N)
实际信道会受到各种噪声的干扰，因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传输速率。香农公式用于计算有噪声信道的极限数据传输速率。在以上公式中，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均规律，S/N叫做信噪比。
分贝数(dB)与信噪比的关系：dB=10log10S/N
由于在实际使用中S与N的比值太大，故常取其分贝数(dB)。无论用什么方式调制，只要给定了信噪比，在单位时间内最大的信息传输量就确定了。
误码率：Pc=Ne(出错的位数)/N(传送的总位数)
在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加，用误码率来表示。在计算机网络通信中，误码率一般要求低于10-6，即平均每传送1兆位才允许错1位。在误码率低于一定的数据时，可以用差错控制的办法进行检查和纠正。
常用考试数据
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单位换算
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通信换算进率1000，如1G=1000M(bit)
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存储换算进率1024，如1G=1024G(Byte)
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信道延迟
- 电缆信道延迟200m/us(200km/ms、200000km/s)
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卫星信道延迟：270ms
三、通信传输介质
计算机网络中可以使用各种传输介质来组成物理信道。这些传输介质的特性不同，因而使用的网络技术不同，应用的场合也不同。
1、双绞线
双绞线由粗约1mm的互相绝缘的一对铜导线绞扭在一起组成，对称均匀地绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。在传统的电话系统中大量使用，适用于短距离传输，若超过几千米，就要加入中继器。在局域网中可以使用双绞线作为传输介质。
双绞线分类
双绞线分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)，常用的非屏蔽双绞线由颜色不同的(橙、绿、蓝、棕)4对双绞线组成。屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹着，价格要相对高一些。由于双绞线价格便宜，容易安装，适用于结构化综合布线，所以得到了广泛使用。
双绞线线序
双绞线交叉线和直通线的适用范围
2、同轴电缆
同轴电缆的芯线为铜质导线，外包一层绝缘材料，再外面是由细铜丝组成的网状外导体，最外面加一层绝缘塑料保护层，芯线与网状导体同轴，故名同轴电缆。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制机制。同轴电缆分为粗同轴电缆、细同轴电缆。传输距离长，信号稳定，常用于电视、监视系统，音响设备传送音、视频信号。
基带系统
基带、基带同轴电缆、基带传输
通常把表示数字信号的方波所固有的频带称为基带，所以这种电缆也叫基带同轴电缆，直接传输方波信号称为基带传输。
宽带系统
宽带同轴电缆、宽带、综合传输
用于传输模拟信号的电缆叫宽带同轴电缆，模拟传输的电缆网络称为宽带；采用频分多路技术(FDM)，把整个CATV电缆的带宽(1000MHz)划分为多个独立的信道，分别传输数据、声音和视频信号，实现多种通信业务，这种传输方式称为综合传输。
宽带系统和基带系统的区别
宽带系统和基带系统的主要区别是模拟信号经过放大器后只能单向传输。
分裂配置、双缆配置
为了实现网络节点间的相互连通，有时要把整个带宽划分为两个频段，分别在两个方向上传送信号，这叫做分裂配置；有时用两根电缆分别在两个方向上传送，这叫双缆配置。
3、光缆
光缆由能传送光波的超细玻璃纤维制成，外包一层比玻璃折射率低的材料，进入光纤的光源在这两种材料的界面上形成全反射，从而不断的向前传播。
光源
光纤信道中的光源可以使发光二极管或注入式激光二极管，这两种器件在有电流通过时都能发出光脉冲，光脉冲通过光导纤维传播到接收端。接收端有一个光检测器——光电二极管，它遇到光时产生电信号，这样就形成了一个单向的光传输系统，类似于单向传输模拟信号的宽带系统。
光纤的分类(多模光纤与单模光纤)
多模光纤
光波在光导纤维中以多种模式传播，不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径，这样的光纤叫做多模光纤。
单模光纤
如果芯线的直径小到光波波长大小，则光纤就成为波导，光在其中无反射地沿直线传播，这种光纤叫单模光纤。
补充
光波在光纤中以什么模式传播，这与芯线和包层的相对折射率、芯线的直径以及工作波长有关。
单模光纤与多模光纤的比较
光纤的优点
光导纤维作为传输介质，其优点是有很多的。首先它具有很高的数据速率、极宽的频带、低误码率(10-9)和低延迟；其次是光传输不受电磁干扰，不可能被偷听，因而安全和保密性能好；最后，光纤重量轻、体积小、铺设容易。
4、无线信道
有线信道与无线信道
有线信道
由双绞线、同轴电缆和光纤等传输介质组成的信道可统称为有线信道。
无线信道
通过空间传播信号的信道称之为无线信道，无线信道包括无线电波和红外光波(微波、红外和短波信道)。
来源：CSDN
作者：傻傻的张子默ing
链接：https://blog.csdn.net/a1448824839/article/details/104526140