数字通信相关概念

简单的概念理解和总结。：）

1. 数字信号的傅立叶分析与数据传输速率

任何周期为T的函数g(t)都可分解为无限多个谐波的合成。基频 f=1/T.

信号的传递可看作无限多的谐波在物理媒介上的传输。传输的谐波数越高，传输质量越好。

比特率：数据传输速率，每秒发送的比特个数，单位bps。

波特率：数字信号的传输速率，每秒发送的信号个数。一个信号可能由多个比特表示。

如果信号分为2级，用1个比特表示，则比特率等于波特率。

如果信号分为V级，用logV个比特表示，则比特率等于波特率与logV之积。即比特率不仅与信号的表示相关，还与波特率有关。

假设波特率=比特率=B bps，则发送1字节的周期 T = 8/B 秒， 基频 f=B/8 Hz。

如果截止频率是F，则最大谐波次数n满足：nf<=F, n<=8F/B。

当F=3000HZ时，n和b成反比。比特率越大，能传输的谐波次数越低。而谐波次数过低（4以下），传输质量非常差。这就是为什么数据传输速率有限制。

2. 数字与模拟

模拟数据是对时间连续的，数字是对时间离散的。

信号是数据的表示形式，信号有模拟信号和数字信号，信道也有模拟信道和数字信道。

模拟传输不关心内容，只关心尽量减少信号的衰减和噪声。长距离传输时，采用信号放大器，但同时放大了噪声，所以一般使用数字传输。

数字传输关心信号的内容，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积。

3. 信道参数

数据传输速率，每秒传输的比特数。

带宽，计算机领域等同于数据传输速率。通信领域指的是频域宽度。

信号传播速率，信号在物理媒介上的传播速度

载波频率，频分复用

采样频率，连续信号转换为数字信号

量化，不同信道支持的量化等级不同。噪声越强，容许的等级越少（为了抗干扰）。

噪声，信噪比。

 

4.奈奎斯特定理

采样定理：无噪信道中，带宽为H，信号电平V级，则波特率最大为 2H 。比特率2H*logV bps.

理论上，V可以无限大，比特率可无限大。实际上信道都是有噪的，采样频率太高对设备要求太高。

5. 仙农定理

无噪信道，带宽为H，信号电平V级，最高比特率 H*log(1+S/N)

很多情况下，信噪比用分贝表示。

1dB = 10lg(S/N)。如30分贝时，s/n=1000。

目前电话信道3500HZ，信噪比30分贝，求最高传输速率： 3500 * log(1001) = 35000 bps。

实际应用中，标准电话线路就是33.6K的~~而56K是特殊用途。

6. 信道工作方式

单工通信：单向传输，如广播、电视。

半双工：一次只能由一方发送，另一方接收。

全双工：双方同发同收，实际由两条信道完成。

7. 数字信号在模拟信道上传输

通常有三种调制方式：调幅ASK，调频FSK，调相PSK。

目前广泛应用的调制技术是正交调相和正交调幅。

正交调相QPSK：2bit/采样

正交调幅QAM-16: 4bit/采样，把信号映射到16个空间域。

QAM-64: 6bit/采样

 

8. 常用的几种MODEM标准

V.32(QAM-32) 4*2400=9600bps

V.32bis(QAM-128) 6*2400=14400bps

V.34 12*2400=28800bps

V.34bis 14*2400=33600bps

 

9. 数字信号在数字信道上传输

用两个不同的电平表示0和1，这种方式在计算机内部传输没有问题，但在计算机网络中就会有同步问题（不同机器的时钟是有快慢之分的）。

曼彻斯特编码：自同步的编码。

每发送一个比特，需要2个信号。根据跳变点来表示0和1。跳变可以消除时钟误差。

缺点：编码效率低。必须2次采样才能获得1个比特。波特率竟然比比特率还要低=，=

差分曼彻斯特编码：0的表示用跳变，1则维持原电平不变。

10. 模拟信号在数字信道上传输

脉冲编码调制PCM。

奈奎斯特采样定理：在规定的时间间隔内，以有效信号f ( t ）最高频率的二倍或以上的频率对该信号进行采样，才能保证不失真。

模拟信号转为数字信号： 采样、量化、编码。

话音信道： 最高频率为3500HZ，如果以8000HZ的采样频率对话音信号采样，可还原语音。

每一路信号用8位二进制对一个采样值进行编码，传输速率：8bit * 8000hz = 64k b/s。

 

11. 基带传输和宽带传输

直接传输原始电信号，用于数字传输。

将基带信号调制后的模拟信号，采用频分复用技术，即为宽带传输。如：有线电视网，带宽可达750MHZ。

12. 异步通信和同步通信

异步通信，不要求采样时钟同步。以字符为单位的数据传输。

数据块以字符为单位，每个字符附加1位起始位，1位停止位。还要会加1位奇偶校验位。

异步通信必须指定四个参数：波特率，奇偶校验，字符长度，停止位长度。

同步通信，时钟同步。通常发送方在数据中包含时钟，接收方在数据流中提取时钟用以采样。

面向字符的同步通信，以数据块为单位。字符集可用ASCII或EBCDIC，数据块由字符组成，数据块前加一个或两个同步字符SYN用于数据块的同步。

必须指定参数：波特率，字符长度，奇偶校验。

面向BIT流的透明传输，为了避免在数据块的数据中出现标记数据块开始和结束的特殊位模式，通常采用位插入法，发送端总是检测所发送的数据流，每当出现连续的5个1后，自动插入一个0. 接收方如果检测到连续5个1，就检查后一位数据，如果是0，删除之，如果是1，证明数据块到此结束。

13. 串行和并行通信

串行：按位为单位。 如：RS232，物理层协议，接口。常用的串行接口有25PIN和9PIN的。

并行：按字符为单位。如：打印机。

关键区别：并行，一个字符有几个比特，就有几根线。串行，只有一根线传输所有比特。

14. 多路复用技术

传输介质的带宽大于传输单一信号所需的带宽。高效利用传输介质：多路复用。

频分复用FDM。以不同的载波频率调制，划分为多条信道，总带宽不超过物理带宽。

时分利用TDM。对同一信道的交替使用，可按位、字节、块等单位来进行。

 

15. 3种交换技术

电路交换（电话）、报文交换（电报）、分组交换（计算机网络）。

电路交换：建立端到端的连接，独占，不共用，数据按序传输，交换速度非常快。。线路利用率低。建立连接的时间长，因为建立连接的冲突概率高。

报文交换：只要下一站不忙，就送至下一站。存储-转发机制。因此数据中必须包含目的地址。线路利用率高，可能延时大，不可估计延时。每个报文的长短不定，每个中间站点必须有足够大的缓存（硬盘），存取速度慢。

分组交换：与报文交换最大的区别是定义了报文的最大长度。这样就可以在内存中预留存储空间，提高存取速度。数据中包含目的地址，存储-转发机制。线路利用率高，中间站点必须有缓存，延时不可估计。接收分组和发送分组的顺序可能不一致，需要重组。（报文交换没有分割，不需要重组）

计算机网络讨论的是电路交换和分组交换。

电路交换适合传输大批量的数据，如流媒体的数据传递。

分组交换节省了建立连接的时间，信道使用率高。分组是乱序的，需要重组。适合传输文本型数据。

虚电路交换：将电路交换的概念引入到分组传输中。

虚电路连接的建立：传输方发起连接请求，中间节点根据路径信息建立交换表，在交换表内，节点为连接分配一个虚电路号，并与输出端口号相关联。

虚电路连接的传输：分组中没有目的地址，只有虚电路号。接收分组时只检查头部，取得虚电路号后，查路由表，转发至适当的端口。非存储-转发。

信元交换：将分组分成固定长的单元——信元，用虚电路交换。好处是有些由软件做的事由硬件做，速度更快。比如：ATM网。