数据通信选修笔记（一）chapter12 数据通信的基本概念与信号

共七章，一二章为概念介绍，重点学习内容在三、四、五、六章
总体来说，和计算机网络的知识重叠性很高。

chapter1 数据通信的概念

数据通信 Data Communication

发生在人与机，机器与机器之间的数据传输，包括传输前后的而一些必要处理（如数据集中、交换等）。

数据 Data

能够用计算机处理数字、文字、符号等。模拟信号（analog）是连续量，数字信号（digital）是离散量。
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1.模拟通信和数字通信的区别

模拟通信	数字通信
定义：利用正弦波的幅度，频率和相位的变化，或利用脉冲的幅度，宽度或位置变化来模拟原始信号，已达到通信的目的	用数字信号作为载体来传输信息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式
通信方式：信号中某个参量连续变化	信号中某个参量离散取值
通信要求：高保真地复现信息	正确判断离散值
质量准则：信噪比	错误率（差错率）
基本问题：参数估值方法	统计判决理论

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2.数据通信的经典模型

信源（消息）——> 发送设备（信号）——> 信道（信号）——> 接收设备（消息）——> 信宿

△从信源传出的是message（消息），经过发送设备之后就转换为了digital（信号）

△信道上会有噪声，也就是损耗和干扰。

信源： 消息的来源，消息的产生者，源于人或物；

信道： 传输喜好的物理通路，可以使模拟的或数字的。

①用以传输模拟信号的信道叫做 模拟信道 ；
②用以传输数字信号的信道叫 数字信道 。
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3.传输概念

报文：需要通信的信息（数据），包括文本、图片、声音等；

发送方：发送数据报文的设备，可以是计算机，工作站等；

接收方：接收数据报文的设备。

介质：报文从发送方传输到接收方的物理通路，包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等；

协议：控制数据通信的一套规则。

线路配置(Line Configuration)：是两个或两个以上的通信设备连接到链路的方式；（点到点和多点）

链路（Link）：是指数据从一个设备传输到另一个设备的物理路径。

连接（Connection）：一个实实在在存在的连接；而链路是跑数据的过程。

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4.数字通信的优点

1）数字通信可以利用微电子和数据处理技术使得通信可行性提高；

2）便于得到计算机等设备的支持，利用这些设备的优点处理复杂的通信，实现比模拟电话网更强的多功能计算网；

3）利用数据传输的先进技术，如数字信号中的编码，调制，解调，解码等来改进信号的质量。可以采用时分、码分等多路复用技术（模拟信号只限于采用频分多路复用）从而更充分利用信道容量。也是ISDN的基础；

4）抗干扰能力增强（只要不是足够大即可出去），也就是信号传输的距离可以更远，尤其是数字信号通过中继器再生可以消除积累，理论上数字信号不可传送无限远；

5）实现远距离控制，如由雷达、导弹、数字通信及组成的自动化防空系统；

6）易于集成化，体积小，重量轻。

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5.模拟通信的优点

1）需要完整的频带(Frequency bandwidth)，意思是模拟通信需要的带宽比数字通信要小得多。

数字通信要克服这一问题，则需要：

①采用高带宽信道，比如光纤；
②采用频带压缩技术等。
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6.模拟通信与数字通信的优缺点比较

模拟通信	数字通信
优点：直观，容易实现	保密性强、抗干扰能力强、信道容量利用率高、易于集成化、实现远程控制和构建综合数字通信网
缺点：保密性差，抗干扰能力弱	占用频带较宽；技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高；进行模拟或数字信号转换时会带来量化误差

数字通信既可以传输数字信号也可以传输模拟信号；
模拟通信只能传输模拟信号。

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chapter2 信号

1.数据传输的标准量

**频谱：**信号所包含的所有频率分量的集合，指的是带宽内的元素，通过频域图表示；

**带宽：**信号频谱的宽度，信号所包含的频率分量的范围；

**数据传输率：**它是衡量系统传输能力的主要指标。一般来说，一个消息的不确性越大，则它的信息量就越大。

公式：
I=log2M
【M是信号的取值数。】
Information——二进制信息（信号）；
Message——信息；

举例：
信息为天气“阴、晴、雨、雪、雾、霜、雹、云”
则M，也就是Message，具有八种状态，则当要用二进制表示这八种情况的时候，
I= log2M =3 ,也就是可以用000,001,010,……,111来表示这八种状态，用三位就可以表示八种状态。

数据传输率有以下几种不同的定义：
Code rate——码元速率或调制速率；
单位时间内通过传输频道的码元脉冲数量（携带数据较多的信号单元），记做RB(B 为角标），单位为波特Bd(d为脚标），简称为波特率。

BIt rate——比特率（传输率）
单位时间内通过传输新到的位数，记做：rb

RB与rb不同，但存在如下关系：

r = RI = Rlog2M （当M=2时，比特率与码元速率一样）

**频带利用率：**单位频带内允许的最大比特传输率；

数据系统的有效性：
传递：系统必须能将数据传输到正确的目的地；
准确：系统必须能准确地传递数据；
及时：系统必须能及时地传递数据。

2.如何定义可靠？

码元差错率（Pe）

Pe = 误码数 / 码元总数
误码数——ne;码元总数——ng

比特差错率
在传输的比特总数中发生差错的比特数所占的比例（平均值），在二进制中，以上连个属性相等。

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3.信号的定义

广义上，信号是随时间变化的某种物理量；严格来说，信号是消息的表现形式与传送载体。

4.信号类型的划分

根据时间函数取值是否连续，可以分为连续信号（模拟信号）和离散信号（数字信号）。

离散信号：仅在规定的离散时间里定义，通常以f[k]来定义。

简单信号：不能分解为更简单的模拟信号，比如正弦波；
复合信号：可以分解为多个正弦波。

结论： 为了接收数字信号的精确副本，所有频率的分量都必须通过介质传输；如果部分分量没有通过介质传输过来，就会接收端信号的变形。

数字信号是复合信号，如果不能全部传送过来，就无法还原出原来的信息。

数字信号可以被分解为无穷多个不同的谐波，这意味着我们在传输介质上发送数字信号时，其实是在发送无穷多的简单信号（谐波）。

只要送前十次就可以了。

傅里叶级数
一个任意的周期信号，可以用此表示为无穷多个谐波之和。
若s(t) = s(t+ T)
【T为周期】
这个证明式子叫做sine - cosine
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5.正弦波

描述正弦波的三个要素：振幅，最大振幅。

周期：单位是秒。

相位：描述了波形中相对于时间零点的位置，以度或弧度为单位。

比特间隔：发送一比特需要的时间；

比特率：一秒钟内的比特间隔数，常用bps做单位。
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在基波频率没变而三次谐波被衰减了，则要使信号波形在传输过程中不失真，则必须要保证:

1）幅-频特性是均匀的（无衰减）；
2）相-频特性是现性的。

在实际信道中：
1）具有低通性；
2）其相频特征亦非直线；
3）距离越长，损耗越大，因此经常加入中继器来再生波。

结论：
在保证允许的失真条件下，信道的频带越宽，能够得到的最大的数据传输率就越高，传输的有效信号越好。
即：信道传输率与频道带宽成正比；

数据传输率越高，能通过的谐波数就越少，少于十次谐波的时候就不能还原信息了，所以用电话线传输，为保证能识别出信号，要取2400b/s的数据传输率。
（如果是四进制信号，则速率最大可达到4800bps;如果是八进制信号，则速率最大可达到9600bps）

可以证明，通过十次谐波后，基本上就能识别出原来的信号了。
（也就是说不用传输无穷多信号，传输十次即可。）

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生词

生词	解释
infinite number of	无穷多个
harmonic	谐波（简单波，简单信号）