数据通信基础
通信系统模型
- 信源: 将各种信息转换成原始物理信号,如计算机,手机,电话机等。
- 变换器/反变换器: 对原始物理信号进行变换/反变换,以便适合在给定的信道上传输,如MODEM , TA(终端适配器) ,光/电转换器等。
- 信道: 传输信号的一条通路。一条物理线路可构成一个或多个信道。
- 噪声源: 信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰。如热噪声,闪电,电磁场干扰等。
- 信宿: 将物理信号转换为信息,如计算机,手机,电话机等。
模拟通信与数字通信
- 模拟信号: 信号在传输过程中连续变化。
- 数字信号: 信号在传输过程中离散变化。
- 模拟通信: 通过模拟信号来传输数据。
- 数字通信: 通过数字信号来传输数据。
数字通信的优点:
- 抗干扰能力强。
- 适合远距离传输。
- 有利于安全性。
- 适合多媒体信息传输。
信号带宽
信号带宽: 信号能量所集中的频率范围(频谱) , 记为H。
例如,语音信号占用的频谱为300~3400Hz,那么带宽为:
H = 3400-300=3100Hz
对数字信号,带宽 H 可近似表示为:H =1/τ;τ为脉冲宽度;数据率越高, 脉宽越窄, 数字信号的带宽越大。
信道
信道:
- 信道:传输信号的一条通路。
- 信道通常由物理传输介质和通信设备(如MODEM, 中继器等)组成。
- 一条物理线路可同时复用多个信道。
衡量信道质量的两个重要参数:
- 信道的带宽。
- 信道的误码率。
信道带宽:
- 信道带宽:信道允许传输信号的频率范围, 单位为Hz。如普通电话信道的带宽是4000Hz。
- 对数字通信, 通常用数据率来表示带宽。数据率: 信道每秒最多传输的二进制位数, 单位为bps。
波特率:
- 波特率又称码元速率, 是指每秒传输码元的数目, 单位为波特(Baud) 。
- 若码元的离散取值数目为L, 波特率为B, 数据率为C, 则:C = B log2 L
误码率:
误码率:数字信号比特(二进制位) 在传输过程中出错的概率。
P = Ne/N
其中, P为误码率; Ne为出错的比特数; N为传输的总比特数。
信道的通信方向:
- 单工信道
只允许数据信号在信道上的单向传输。 如:无线电广播, 电视。 - 半双工信道
数据信号可以在信道上双向传输, 但同一时刻只允许单向传输。如:无线对讲机。 - 全双工信道
允许数据同时双向传输。 如:计算机通信。
物理传输媒体(通信介质)
双绞线:
- 非屏蔽双绞线(UTP)
- 屏蔽双绞线(STP)
同轴电缆
光纤
无线传输媒体
无线传输以自由空间作为传输媒体,主要包括无线电波、微波、卫星通信、激光、 红外线
无线电波的传播特性
- 低中频
能够绕过障碍物(绕射) ;
能量随距离增加而急剧减少, 传输距离有限。 - 高频和甚高频
能量会被地表吸收;
但能通过电离层反射。 - 超高频和特超高频(微波)
只能直线传播;
既不能绕射也不能反射。
微波
- 微波频率大致为1GHz — 100GHz
- 用于无线局域网的微波频率范围为:
2.4GHz — 2.484GHz
5.725GHz — 5.825 GHz
18.825GHz — 19.205GHz - 微波通信必须要有微波中继站: 100m高, 相距小于80km
卫星通信
- 卫星通信是一种特殊的微波通信, 同步通信卫星作为微波中继站
- 与地面中继站相比, 卫星的通信距离远, 从理论上讲, 三个同步卫星就能覆盖整个地球表面。
- 卫星通信的特点
(1) 传输延迟长达270ms。
(2) 通信费用与距离无关。
(3) 抗干扰能力差, 甚至雨水也能吸收微波能量 。
数字信号的编码
数字信号的编码:用何种物理信号来表示“0” 和“1” 。
非归零编码:
- 优点: 编/译码简单。
- 缺点: 内部不含时钟信号, 收/发端同步困难。
- 用途: 计算机内部, 或低速数据通信。
曼彻斯特编码:
- 优点:
内部自含时钟, 收/发端同步容易。
抗干扰能力强。 - 缺点:
编/译码较复杂。
占用更多的信道带宽, 在同样的波特率的情况下, 要比非归零编码多占用一倍信道带宽。 - 用途: 802.3局域网(以太网)
差分曼彻斯特编码:
- 优点:
内部自含时钟, 收/发端同步容易。
比曼彻斯特编码的抗干扰能力更强。 - 缺点:
编/译码更复杂。
同样需要多占用一倍信道带宽。 - 用途: 802.5局域网(令牌环网)
数字调制技术
数字信号的模拟传输:
- 基带信号: 由信源产生的原始电信号。
- 载波: 频率较高的正弦波信号。
- 调制: 将基带信号加载到载波上, 即按基带信号的变化规律去改变载波的某些参数(振幅、 频率、 相位) 。
- 解调: 从载波中提取基带信号。
调制技术
- 调幅:用载波信号不同振幅表示数据,, 又称幅移键控法ASK。
易受突发干扰, 适合低速数据传输, 典型为1200bps。 - 调频: 用载波信号不同频率表示数据, 又称频移键控法FSK 。
抗干扰优于调幅方式, 但频带利用率不高。 - 调相:用载波信号不同相位表示数据, 又称相移键控法PSK。
抗干扰能力强,数据率较高,可达9600bps。
实际调制/解调器通常将调相技术和调幅技术相结合
模拟信号的脉码调制
模拟信号的数字传输:模拟信号转化为数字信号,然后通过数字信道传输。
脉码调制:
脉码调制(PCM)是最常用的数/模转化技术。
脉码调制步骤: 采样、量化、编码。
- 采样:按照一定的时间间隔测量模拟信号幅值 。
- 量化:将采样点测得的信号幅值分级取整
- 编码:将量化后的整数值用n位二进制数表示
数据同步方式
同步:接收端按照发送端发送代码的频率和起止时间来接收数据。
数据同步方式主要有两种:字符同步和位同步。
- 字符同步方式(异步通信) :仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步。
优点: 时钟漂移被限制在一个字符内, 不会产生太大的积累误差。 因此对同步精度要求不高, 同步容易。
缺点: 每个字符均有起始/停止位, 因而传输效率较低。
适用: 低速通信。 - 位同步(同步通信) :针对一个数据块内所含的二进制位进行同步。
同步位模式: 通常为“01111110”, 标志一个数据块的开始和结束。
优点: 每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销, 因而传输效率高。
缺点: 由于一个数据块所含位数较多, 易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错, 因此对同步精度求高, 同步困难
适用: 高速通信。
实现位同步的两种方法:
外同步: 为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号。
内同步: 不单独发同步时钟信号, 而是将同步信号嵌入数据编码内部, 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。
多路复用技术
多路复用: 将多个信道复用在一条物理线路上, 使一条物理线路能够同时传输多路数据信号。
多路复用技术分类: 频分多路复用(FDM)、 时分多路复用(TDM)、统计时分多路复用(统计TDM)
- 频分多路复用:将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道,每个子信道传输一路信号。
子信道分割技术: 将不同信号加载到不同载波上, 实现信号频移。
频分多路复用的典型应用: 电话中继线。 - 时分多路复用: 将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的时间片, 轮流的为多路信号使用 。
缺点: 没有数据传输的低速线路仍分配时间片, 可能出现空闲的时间片, 浪费信道带宽。
时分多路复用的典型应用: T1信道。 - 统计时分多路复用: 采用动态分配时间策略, 即有数据要传输的线路才分配时间片
优点: 不会出现空闲的时间片, 信道利用率高。