一、数据通信基础

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1、数据通信基本概念

1. 消息与信息：信息是一个抽象的概念，可以理解为消息中所包含的有意义的内容，而消息是信息的载体
2. 通信：现在讨论的通信一般指的电通信。能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体称为通信系统。
3. 信号：在通信系统中，特别是电通信系统中，传递信息需要有合适的载体在传输通道中传播，这样的载体称为信号，通常以电磁或光的形式存才，并利用电压、电流、频率、相位等物理量的变化来表示信息。
4. 数据：是对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合，通常可以是数字、文字、图像等，也可以是其他抽象的符号。
5. 信道：信道是信号传输的介质，或信道是以传输介质为基础的信号通道。根据信道的定义，如果信道仅指信号的传输介质，称为狭义信道；如果信道不仅是传输介质，而且包括通信系统中的一些转化装置，称为广义信道。
   数据通信系统的必要功能：
   信道的利用、接口及信号的产生、同步、差错检测与纠正、寻址与路由、网络管理、安全保证

2、数据通信系统模型

计算机网络是一种典型的数据通信系统
通信系统的作用是像消息从信源传送到一个或多个目的地。
把能够实现信息传输的一切技术设备和传输介质的集合称为通信系统。
任何一种通信系统的核心都应该包括：信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源等部分。各部分功能如下：

1. 信源：将消息转换为信号的设备
2. 发送设备：将信源产生的信号进行适当的变换的装置，使之适合于在信道中传输
3. 信道：信号传输的媒介，总体上分为有线信道和无线信道，具体类型包括双绞线、同轴电缆、光纤、大气层、外层空间等
4. 接收设备：完成发送设备的反变换，进行译码和解调，还原原始的发送信号
5. 信宿：信号的终点，并将信号转换为供人们能识别的消息
6. 噪声：自然界和通信设备中所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号。噪声对通信系统是有害的，但又无法完全避免

通信系统根据信号种类可以分为：模拟通信系统和数字通信系统
区别在于信道中传输的是模拟信号还是数字信号。

模拟信号可以通过采样、量化和编码等步骤变成数字信号，而数字信号可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。

领会：

2、通信方式（单工通信、半双工通信、全双工通信）

按数据传输方向，分为：

按二进制数据传输的时空顺序，分为：

在计算机设备中常用的RS-232接口和USB接口就属于串行通信的接口方式
按发送和接收方对数据保持步调一致的措施，分为：

3、码元

4、波特率、比特率的概念

应用：

1、比特率与波特率之间的关系

二、物理介质

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1、物理介质分类

导引型传输介质和非导引型传输介质
导引型传输介质：又称为有线信道，以导线为传输介质，信号沿导线进行传输，传输效率高，但是部署不够灵活；包括架空明线、双绞线电缆、同轴电缆、光纤等

2、双绞线分类与特性

屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP
UTP5个种类：3、4、5、5E（超5类）、6
5类UTP是局域网常用的。
双绞线主要用于基带传输、
衰落都随频率的升高而增大，信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端被正确的检测出来

3、同轴电缆的分类与特性

由同轴的两个导体构成。
具有较好的抗电磁干扰性能。
在有线电视网络中应用普遍。
主要用于频带传输。

4、光纤的分类与特性

按照光纤内光波传输模式不同，分为多模光纤和单模光纤
优点：

1. 光纤通信容量非常大，最高可达100Gbit/s
2. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
3. 抗雷电和电磁干扰性能好
4. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
5. 体积小，重量轻

5、非导向介质特性

无线信道。
不同频率或波长的电磁波其带宽与传输特性不同，适用于不同的通信系统.

1. 地波传输：
2. 天波传输
3. 视线传输

三、信道与信道容量

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1、信道的概念

信道是信号在通信系统中传输的通道，有信号从发射端传播到接收端所经过的传输介质构成。
无线通信的信道就是电磁波传播所通过的空间。
有线信道就是导向性缆线。

2、信道的分类

调制信道和编码信道两类。

领会：

1、信道的传输特性

恒参信道传输特性：

1）对信号增幅产生固定的衰减
2）对信号输出产生固定的延迟

随参信道传输特性：

1）信号的传输衰减随时间随机变化
2）信号的传输时延随时间随机变化
3）存在多径传播现象

2、信噪比的概念

为信号功率与噪声功率之比。通常会以分贝dB为单位
输入信号的功率S，信道加性高斯白噪声的功率为N，换算公式为：
$${\left(\frac{S}{N}\right)}_{dB}=10lo{g}_{10}{\left(\frac{S}{N}\right)}_{功率}$$
例如：若(S/N)_功率=10，则(S/N)_dB=10dB;若(S/N)_功率=100，则(S/N)_dB=20dB;若(S/N)_功率=1000，则(S/N)_dB=30dB;

3、信道容量的概念

信道容量是指信道无差错传输信息的最大平均信息速率。

应用：

1、信道容量的计算，奈奎斯特公式和香农公式

1. 连续信道容量
   奈奎斯特公式：理想无噪声的信道容量
   $$C=2Blo{g}_{2}M$$
   式中，C为信道容量，单位bit/s;B为信道带宽，单位Hz；M为进制数，即信号状态数。
   理想无噪声信道几乎是不存在，所以奈奎斯特公式给出的信道容量不可能达到。

   ---

   香农公式：有噪声连续信道的信道容量计算
   带宽B(Hz),输入信号的功率S，信道加性高斯白噪声的功率N，则
   $$C=Blo{g}_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$$
   例如：已知某信道带宽为8kHz，信噪比为30dB，求该新到的信道容量C：
   解：
   信噪比(S/N)_功率=10^30/10=10³=1000
   C=Blog₂(1+S/N)=8*10³log₂(1+1000)≈80kbit/s

四、基带传输

标记：

1、基带传输基本概念

直接在信道中传送基带信号，称为基带传输
实现基带传输的系统称为基带传输系统。
在信道中直接传输数字基带信号，称为数字基带传输，响应的系统称为数字基带传输系统。

2、基带传输系统结构

数字基带传输系统主要由信号形成器、信道、接收滤波器、抽样判决器以及同步提取等部分组成。

领会：

信号码型：单极不归零码NRZ、双极不归零码、单极归零码RZ、双极归零码、差分码、多元码

1）单极不归零码：Not Return To Zero，二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平表示（也可以用负电平表示）。易于产生，不利于长距离传输。

2）双极不归零码：二进制数字符号0和1分别用负电平和正电平表示（也可以反过来表示）。在0和1等概率出现的情况下不会产生直流分量，有利于信道中传输，且抗干扰能力强。ITU-T的V.24接口标准和EIA（美国电工协会）的RS-232C接口标准中均采用双极不归零码。

3）单极归零码：Return to Zero ,RZ,二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平表示。在每个正脉冲持续期间的中间时刻，电平要由正电平回到零电平。
假设脉冲持续时间（脉冲周期）为T_b，则每个正脉冲在T_b/2时刻，电平回到零电平。码元不为零的时间占一个码元周期的百分比称为占空比。

4）双极归零码：二进制数字符号0和1分别用负电平和正电平表示。每个正、负脉冲周期的中间时刻，电平都要回到零电平。双极归零码的占空比亦为50%。归零码（单极归零码、双极归零码）有利于时钟信号的提取，便与同步。

5）差分码：又称相对码（与之对应的NRZ、RZ等称为绝对码），利用电平的变化与否表示二进制数字符号0和1，相邻脉冲用电平跳变表示1，无跳变表示0。

实际的基带传输系统需要对数字基带信号的基本码型进行变换，变换成适合传输的数字基带传输码型。

传输码型：AMI码、双相码、米勒码、CMI码、nBmB码、nBmT码

1)AMI码：信号交替反转码，用三种电平进行编码，零电平编码二进制信息0，二进制信息1（传号）则交替用正电平和负电平表示。
编码规则：信息码中的0编码为AMI传输码中的0（零电平）；信号码中的1交替编码为AMI传输码中的+1（正脉冲）和-1（负脉冲）。
优点：由于采用正、负脉冲交替编码信息1，不会产生直流分量的积累，有利于基带传输；编译电路实现简单，可以利用正、负脉冲交替变化的规律检测误码，是ITU-T建议采用的传输码型之一。
缺点：当信息码中出现大量连续的0位串时，信号电平会长时间保持不变，造成定时信息提取困难。

2）双相码：又称曼彻斯特码。只有正负两种电平，每位持续时间的中间时刻都要进行电平跳变，双相码利用跳变编码信息，正电平跳到负电平表示1，负电平跳到正电平表示0.双相码利用两个脉冲编码信息码1位。
双相码另一种码形是差分双相码，也称为差分曼特斯彻码。差分双相码的每位周期中间时刻也要进行跳变，仅用于同步。利用每位开始处是否存在电平跳变编码信息，开始处有跳变表示1，无跳变表示0.
优点：双相码在每位周期中间时刻都会有电平跳变，便于提取定时信息，且不会产生直流分量
缺点：带宽比信息码大1倍，带宽开销大，适合近距离数据传输，例如：10Mbit/s的以太网采用双相码，IEEE802.5令牌环网采用差分曼彻斯特码。

3）米勒码：一种双相码的变形，也称为延迟调制码。
编码规则：
①信息码中的1编码为双极非归零码中的01或者10。
②信息码连1时，后面的1要交替编码。
③信息码中的0编码为双极非归零码中的00或者11，即码元中间不跳变。
④信息码单个0时，其前沿、中间时刻、后沿均不跳变。
⑤信息码连0时，两个码元的间隔跳变。

4）CMI码：信号反转码，是一种双极性二电平码，将信息码中的1位映射为双极不归零码的2位。
编码规则：信息码的0编码为双极不归零码的01；信息码的1交替编码为双极不归零码的11和00；

5）nBmB码：将位二进制信息码作为一组，映射成m位二进制新码组，其中m>n。
2^m个码的新码组中只会用到2ⁿ个，多出（2^m-2ⁿ）个，可以用来检错。
在光纤数字传输系统中，通常选择m=n+1构造编码，如1B2B码，2B3B码，34，56等
6）nBmT码：将n位二进制信息码作为一组，映射成m位三进制新码组，且m≤n。

五、频带传输

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1、频带传输的基本概念

利用模拟基带信号调制载波称为模拟调制。

利用数字基带信号调制载波称为数字调制。

通常将实现调制、传输与解调的传输系统称为数字频带传输系统。
频带传输也称为通带传输或者载波传输。

2、频带传输系统基本结构

载波信号的基本特征参数是幅值a、频率f和相位φ
数字调制的基本方法就是利用数字基带信号调制或控制载波信号的某个（些）参数的变化，或者说利用载波信号的某个（些）参数的不同状态来表示数字基带信号所携带的信息。
利用两种不同的幅值、频率或者相位来分别表示基本信息0或者1，这种调制方法称为键控法。
如果调制载波的幅值，称为幅移键控ASK。
如果调制载波的频率，称为频移键控FSK。
如果调制载波的相位，称为相移键控PSK。

领会：

1、频带传输基本原理

2、调制与解调的概念

数字调制就是利用数字基带信号控制载波信号的某些特征参量，使载波信号的这些参量的变化反应数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变换为数字通带信号的过程。

接收端将调制到载波信号的数字基带信号还原过程称为数字解调。

3、频带传输的二进制数字调制方法

3种基本调制：二进制幅移键控2ASK、二进制频移键控2FSK、二进制相移键控2PSK

还有一种二进制差分相移键控2DPSK
性能：

1. 2FSK的频带利用率最低，其他三种相同
2. 2PSK误码率最低，2ASK误码率最高
3. 2ASK对信道特性变化比较敏感，性能最差，2FSK与2PSK对信道特性变化不敏感

在实际通信系统中应用比较多的是

1. 2DPSK：主要用于高速数据传输
2. 2FSK：主要用于中低速数据传输

4、QAM的基本原理

正交幅值调制：具有高频带利用率，也称为幅值相位联合键控(APK)
对载波信号的幅值和相位同时进行调制的联合调制技术。
假设载波信号幅值A=1，则QAM信号的一般表达式为
$$y^{{}^{\prime }}(t)=s_{n}cos(2\pi ft+{\phi }_n)$$其中s_n为受基带信号调制的幅值；φ_n为受基带信号调制的载波相位。
通过正余弦变换，得到$$y^{{}^{\prime }}(t)=A_{n}cos(2\pi ft)+B_{n}sin(2\pi ft)$$其中$$\{\begin{array}{c}{A}_n=s_{n}cos({\phi }_n)\\ B_n=-s_{n}sin({\phi }_n)\end{array}$$为离散的值，cos(2πft)为同相信号（Ⅰ信号），sin(2πft)为正交信号（Q信号）
信号矢量端点图称为星座图，星座点间最小距离越大，抗噪性能越好。
QAM抗噪性能更好，适用于频带资源有限的通信场合。

六、物理层接口规程

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1、DTE、DCE概念

数据终端设备：Data Terminal Equipment ,DTE,如计算机
数据电路端设备：Data Circuit-Terminating Equipment，DCE，如调制解调器

2、典型物理层接口的规程

典型物理层接口协议有IRDA物理层、USB物理层、RS-232、ERA-422、RS-449、RS-485、DSL、ISDN、IEE1394 interface等。

领会：

1、物理层接口规程的基本特性

物理层接口四大特性：
机械特性、电气特性、功能特性、规程特性

1. 机械特性:也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点。如接口所用接线器的形状和尺寸等
2. 电气特性：规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性。如信号电平等
3. 功能特性：指明物理接口各条信号线的用途，具体分为数据信号线、控制信号线、定时信号线、接地线等4类
4. 规程特性：即通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程以及各项用于传输的事件发生的合法顺序