计算机网络：数据通信基本原理

Posted 2021-06-26 Zeker62

首先了解数据通信基本原理
然后和数据链路层进行接轨

数据通信的概念

数据： 为某种意义的数字信号的组合（字母、数字和符号）
数据通信： 传输的信息为数据形式的通信方式
数据通信编码标准： 用于将字符信息翻译成二进制代码的标准——最广泛使用的标准为ASCII码（美国标准信息交换码）

数据信息传输示意图

信号的定义和分类

信号的定义： 数据的电气的或电磁的表现。

信号的分类：

• 模拟信号：连续变化的连续信号
  

• 数字信号：离散的信号
  

信号的相互转化

• 调制
  • 数字信号转变为模拟信号
  • 解码、平滑
• 解调
  • 模拟信号转变为数字信号
  • 抽样、量化
    

调制方法

• 调幅(AM)：振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM)：频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM)：初始相位随基带数字信号而变化。

（拓展）正交振幅调制（QAM）

• 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。

数值信号分为：基带信号和带通信号

• 基带信号（即基本频带信号）
  • 将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示
  • 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。这些信道需要对基带信号进行调制(modulation)。
• 带通信号(宽带信号)
  • 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输

数据通信系统示意图

码元的概念

码元(code)：

• 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形 。
• 码元传输率的单位是波特(baut)
• 1波特=1码元/秒

就是将某种基本波形设置为一个单位的码元。

物理带宽和网络带宽

• 物理带宽： 物理链路的频率范围，单位Hz

• 网络带宽： 网络每秒能通过的最高数据传输率，单位b/s

• 码元传输率与带宽BW的关系: BW=Baud*log2V (V表示信号的识别状态）

• 物理带宽和网络带宽的关系：奈氏准则（奈奎斯特第一准则）

奈氏(Nyquist)准则

• 低通信道：
  信号在小于某个频率时都能通过，否则不能通过
  

• 低通信道的奈氏准则
  理想低通信道的最高码元传输速率 = 2* W *码元 （W 是理想低通信道的带宽，单位为赫兹(Hz) ）

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• 带通信道：
  信号在某个频率范围内时都能通过，否则不能通过
  

• 带通信道的奈氏准则
  理想带通信道的最高码元传输速率 = W * 码元（W 是理想带通信道的带宽，单位为赫兹(Hz) ）

数字信号通过实际的信道

香农定理

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 = W log2(1+S/N) b/s

• W 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。

练习

在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为 3kHz，采用 4 个相位，每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是？
A．12kbps B.24 kbps C.48 kbps D.96 kbps

四个相位，四种振幅。那么每个相位就是00、01、10、11.即2bit
四个向位就是8bit
8bit*3kHz=24kbps

串、并行传输

就绪

传输

到达

8次循环后

串行效率高
但是串行传输会产生时滞和串扰现象
时滞： 由于各个线路的数据到达时间的不统一，要等到最后一个数据到达才能传输下一个整体，导致总体速度变慢，而此时串行由于速度快已经传输了很多数据。

串扰： 各个线路之间相互干扰，导致数据发送缓慢或者发生错误。

• 短距离：并行通信快。
• 长距离：串行通信可能更快

同步传输和异步传输特点

• 异步传输的特点:
  • 对线路适用性好，收发双方的时钟信号不需要严格同步。
  • 缺点是对每一字符都需加入“起、止”数据位，使传输效率降低。
    适用于较低的低速数据传输。
• 同步传输的特点：
  • 传输效率较高，但对线路适用性较差。
  • 在一段数据链路中，只能有一个设备作为时钟源。

单工、半双工与全双工

名词	内容
单工	只有一个信道，传输方向只能是单向的。类似寻呼机
半双工	只有一个信道，在同一时刻，只能是单向传输。类似对讲机
全双工	双信道，同时可以有双向数据传输。类似电话

重点内容

• 模拟信号与数字信号
• 基带信号与带通(宽带)信号
• 调制解调
• 奈奎斯特准则与香农定理
• 串行通信与并行通信
• 同步通信与异步通信
• 单工、半双工、全双工