网络通信基础

一、通信基本概念

1、通信：将信息从源地传送到目的地，信息：通过通信系统传递的内容。发送信号端为信源，接收端为信宿，通信线路为信道。信道传输信号，信号有连续变化的模拟信号和离散的数字信号。

2、带宽：传输过程中信号不会明显减弱的一段频率范围，单位为赫兹（Hz）。【模拟信道】

信道带宽W=最高频率Fmax-最低频率Fmin

3、比特率（信息传输速率、信息速率）：单位时间内在信道上传送的数据量（即比特数），单位为比特每秒（bit/s、b/s、bps）。【数字信道】

比特率=波特率B单个调制状态对应的二进制位数n=BN=2WN

4、码元：数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。

码元速率（波特率，Baud，简写为B）：单位时间内载波参数（相位、振幅、频率等）变化的次数，单位为波特。【通过信道传送的码元个数，如果信道带宽（脉冲周期）为T，则码元速率B=1/T 。】

一个码元对应的二进制位数：n=N（N为码元种类）

5、奈奎斯特定理：若无噪声的信道带宽为W，最大码元速率为：B=2W，码元携带的信息量n与码元种类N关系为：n=N ，则极限数据速率为：R=BN=2WN

6、香农定理：有噪声的信道的极限数据速率为：C=W（1+S/N）【S为信号功率，N为噪声功率】

7、信噪比：信号功率与噪声功率的比值称。通常不使用信噪比本身，而是使用10S/N的值，即分贝（dB或 decibel）：dB=10S/N【dB=30，S/N=1000，（1+S/N）10，C10W】

8、误码率：接收到的错误码元数在总传送码元数中所占的比例。Pe=错误码元数（Ne）/码元总数（N）【计算机通信网络，误码率一般要求低于，数据延时<200ms，语音视频延时<50ms，抖动<20ms，丢包率<1%】

9、信道时延：信号在传输过程中所产生的延迟。总延迟 = 发送延迟 + 传输延迟

发送时延=数据帧长度/信道带宽
传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

信号传播速率‌：电信号在电缆中的传播速度约为光速（300000km/s）的77%，即200m/us=200000km/s。【卫星信道时延大约270ms】

二、调制编码

1、调制：用模拟信号承载数字或模拟数据；编码：用数字信号承载数字或模拟数据。

调制可以分为基带调制和带通调制 。

基带调制：只对基带信号波形进行变换，并不改变其频率，变换后仍然是基带信号 。适用短距离传输。

带通调制（频带调制）：使用载波将基带信号的频率迁移到较高频段进行传输，使得信号能够在不同的频段传输，从而实现了频分复用，提高了线路的利用率‌，传输更远 。

2、模拟信号调制为模拟信号

2.1模拟信号有三个要素：振幅、周期、相位

2.2模拟信号调制为模拟信号的方法：

（1）调幅（AM）：依据传输的原始模拟数据信号变化来调整载波的振幅。

（2）调频（FM）：依据传输的原始模拟数据信号变化来调整载波的频率。

（3）调相（PM）：依据传输的原始模拟数据信号变化来调整载波的初始相位。

3、模拟信号编码为数字信号

 3.1脉冲编码调制（ Pulse Code Modulation，PCM ）：常用的模拟信号编码为数字信号。

3.2脉冲编码的过程为采样、量化和编码。

（1）采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。（采样频率≥2倍最大频率）

（2）量化：利用抽样值将其幅度离散，用规定的一组电平值把抽样值用最接近的电平值。

（3）编码：用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

【模/数变换（ A/D ）：编码过程同时完成量化。】 

3.3脉冲编码调制PCM体制

（1）脉冲编码调制（ PCM ）两个重要国际标准

（1.1）欧洲的32路PCM（ E1，速率为2.048Mb/s ）【我国和欧洲等国家】

（1.2）北美的24路PCM（ T1，速率为1.544Mb/s ）【美国、日本、新加坡】

（2）E1有成帧、成复帧与不成帧三种方式。

（2.1）成复帧：E1的一个时分复用帧（长度为T=125us ）共划分为32个相等的时隙（ CH0~CH31 ）。【 CH0：帧同步，CH16：传送信令，CH1~15、17~31：语音话路】

（2.2）成帧：第0时隙用于传输帧同步数据，其余31个时隙可以用于传输有效数据。

（2.3）不成帧：所有32个时隙都可用于传输有效数据。

4、数字信号调制为模拟信号

4.1数字信号调制为模拟信号的方法：

（1）幅移键控（ Amplitude Shift Keying，ASK ）：载波幅度随着基带信号的变化而变化，用载波的两个不同振幅表示0和1 。

（2）频移键控（ Frequency Shift Keying，FSK ）：载波频率随着基带信号的变化而变化。用载波的两个不同频率表示0和1。

（3）相移键控（ Phase Shift Keying，PSK ）：载波相位随着基带信号的变化而变化。用载波的起始相位的变化表示0和1 。

（4）二进制相移键控（ BPSK ）：载波相位有2种，分别表示逻辑0和1。

（5）正交相移键控（ QPSK，又称4PSK ）：使用4个输出相位表示2个输入位。

（6）差分相移键控（二相相对调相，DPSK或2DPSK）：连续信号之间的载波信号的初始相位是否变化来传输的。

（7）正交幅度调制（ Quadrature Amplitude Modulation，QAM ）：利用正交载波调制技术传输 ASK信号。

5、数字信号编码为数字信号

5.1数字信号调制为数字信号的方法：

（1）极性编码：使用正负电平和零电平来表示的编码。

（1.1）单极性码：正电平表示0，零电平表示1

（1.2）极性码：正电平表示0，负电平表示1
【极性编码使用恒定的电平表示数字0或1，因此需要使用时钟信号定时。】

（1.3）双极性码：数据流中遇到1时，电平极性编码在正负电平之间交替翻转，遇到0则保持零电平。
【信号交替反转编码(Alterate Mark Inversion，AMI)】

（2.1）归零码（Return to Zero，RZ）：码元中间信号回归到零电平，从正电平到零电平表示0，从负电平到零电平表示1。

（2.2）不归零码（Not Return to Zero，NRZ）：码元中间信号不回归到0，遇到1时，电平翻转，遇到0时，电平不翻转。【差分机制】

（2.3）不归零反相编码（No Return Zero-Inverse，NRZ-I）：遇到0时，电平翻转，遇到1时，电平不翻转。

（3）双相码：负电平到正电平代表0，正电平到负电平代表1

（3.1）曼彻斯特编码：负电平到正电平代表0，正电平到负电平代表1;也可以是负电平到正电平代表1，正电平到负电平代表0。【常用于10M以太网，双相码】

（3.2）差分曼彻斯特编码：信号开始时有电平变化表示0，没有电平变化表示1。【中间电平只起到定时的作用】

6、mB/nB编码：在高速率的局域网和广域网中采用m位比特编码成n位比特编码方式。