数据通信基础

信道的数据速率计算公式
在使用香农理论时！由于s/n（信噪比）通常较大，因此通常使用分贝（dB）表示，例如。

s/n=1000.分贝表示就是30dB.如果带宽是3KHZ，这时的极限速率是30Kb/s
通常误码率小于10E-6。

8.2 数据通信基础技术
1．信道特性
数据通信的目的就是传递信息，在一次通信中产生和发送信息的一端称为信源，接收信息的一端称为信宿，而信源和信宿之间的通信线路就称为信道。

信道最重要的一个特性就是信道容量——也就是信道上数据所能够达到的传输速率。

和信道相关的概念如下。

—带宽：是指发送器和传输媒体的特性限制下的带宽，通常用赫兹或每秒周期表示（对于模拟信道而言，其信道带宽W=最高频率f2-最低频率f1）。

通常是信道的电路制成后，带宽就决定了，因此它是影响信道传输速率的客观性因素。

—噪声：信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，这种干扰就称为噪声，它会使得信道的传输速率降低。

在数据通信技术中，人们一方面通过研究新的传输媒介来降低噪声的影响，另一方面则是通过研究更先进的数据调制技术，从而能更加有效地利用信道的带
宽。

图8-2 信道的数据速率计算公式示意图
从图8-2中，可以看出在计算信道的数据速率时有两种考虑的方式。

—有噪声：这时应该使用香农理论。

在使用香农理论时，由于S/N（信噪比）的比值通常太大，因此通常使用分
（S/N）。

例如，S/N=1000时，用分贝表示就是30d 贝数（dB）来表示：dB=10 log
10
B。

如果带宽是3KHz，则这时的极限数据速率就应该是C=3000 log（1+1000）≈3000×9.97≈30Kb/s（考试是会考该知识点的，应该记住这里的转换公式）。

对于有噪声的信道，我们用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率（出错的位数/传送的总位数），通常要求小于10-6。

—无噪声：这时应该使用尼奎斯特定律（也称为奈式定律）。

在计算时，关键的地方在于理解码元和比特的转换关系。

码元是一个数据信号的基本单位，而比特是一个二制数位，一位可以表示两个值。

因此，如果码元可取两个离散值，则只需1比特表示；若可取4个离散值，则需要2比特来表示。

码元有多少个不同种类取决于其使用的调制技术，关于调制技术的更多细节参见后面的知识点，在此只列出常见的调制技术所携带的码元数，如表8-1所示。

无线传输媒介主要包括无线电波，需要专用的频率，易被窃听；微波，可分为地面微波和卫星微波，带宽高、容量大，但受天气影响大；红外，设备便宜、带宽高，但传输距离有限，易受室内空气状态影响。

3．数字编码
知识点详解：
二进制数字信息在传输过程中可采用不同的代码，这些代码的抗噪性和定时能力各不相同。

最基本的数字编码有单极性码、极性码、双极性码、归零码、不归零码、双相码6种，常用于局域网的有曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，常用于广域网的4B/5B码、8B/10B码。

（1）基本编码。

—极性编码（如图8-3所示）：极包括正极和负极，因此从这里就可以理解单极性码，即只使用一个极性，再加零电平（正极表示0，零电平表示1）；极性码使用
了两极（正极表示0，负极表示1）；双极性码则使用了正负两极和零电平（其
中有一种典型的双极性码是信号交替反转编码AMI，它用零电平表示0，1则使
电平在正、负极间交替翻转）。

（2）应用性编码。

—曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码：曼彻斯特编码（以下简称“曼码”）是一种双相码，用低到高的电平转换表示0，用高到低的电平转换表示1（注意：某种教程中关于此描述是错误的），因此它也可以实现自同步，常用于以太网（802.3 10M以太网）。

差分曼彻斯特编码（以下简称“差分曼码”）是在曼彻斯特编码的基础上加上了翻转特性，遇1翻转，遇0不变（如图8-5所示），常用于令牌环网。

要注意的一个知识点是：使用曼码和差分曼码时，每传输1bit的信息，就要求线路上有2次电平状态变化（2波特），因此要实现100M b/s的传输速率，就需要有200Mhz的带宽，即编码效率只有50%。

图8-5 曼彻斯特和差分曼彻斯特编码
—4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码：正是因为曼码的编码效率不高，所以在带宽资源宝贵的广域网和速度要求更高的局域网中，就面临困难。

因此就出现了m b n b编码，也就是将m比特位编码成为n波特（代码位）的编码，如表8-4所示。

表8-4 4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码的特性及应用
在高速的调制技术中，主要是通过采取多个相位值，使每个码元能够表示的二进制位数增多，从而提高数据传输速度。

例如：可以使用（0°，90°，180°，270°）4个相位，也可以取（45°，135°，225°，315°）4个相位来表示00，01，10，11。

前一种方案刚好是90°的倍数，因此称为QPSK（正交相移键控），后者则为普通的DPSK（四相键控）。

另外，以上三种基本的调制技术经常结合使用，最常见的组合是PSK与ASK结合。

（2）编码技术。

最常用的编码技术是脉冲编码调制技术（PCM），简称为脉码调制。

PCM原理中有以下几个关键知识点。

—PCM要经过取样、量化、编码三个步骤。

—根据奈奎斯特取样定理，取样速率应大于模拟信号的最高频率的2倍。

我们都知道44K Hz的音乐让人感觉到最逼真，这是因为人耳可识别的最高频率约为22KHz，因此当采样率达到44KHz就可以达到最满意的效果。

—量化是将样本的连续值转成离散值，采用的方法类似于求圆周长时用内切正多边形的方法。

而我们平时说的8位、16位的声音，指的就是28，216位量化。

—编码就是将量化后的样本值变成相应的二进制代码。

8.3 传输与交换技术
1．数据通信与交换方式
知识点详解：
（1）数据通信方式。

—按照数据传输方向，可以分为三种：单工通信，即信息只能在一个方向传送，如无线电广播、有线电视等；半双工通信，即双方可交替发送和接收信息，但不能够同时接收和发送，如无线电台、对讲机，由于相对全双工而言，设备价格更低，因此通常在要求不高时使用；全双工通信，即可以同时双向信息传送，如现代电话通信。

—按同步方式可以分为两种：一是异步传输，即将各个字符分开传输，字符间插入诸如“起始位”、“终止位”的同步信息，而且通常还需要加入“校验信息”，适合长距离传输；二是同步传输，即顺序地连续传输，通常是在传输前进行同步，然后在传输时双方以同一频率工作，这种通信方式通常用于短距离高速数据传输，如磁盘访问。

2．复用技术
知识点详解：
多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术，它可以有效地提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得远程网络的干线可以同时运载大量的话音和数据传输。

多路复用技术最常用的是两个设备：一是多路复用器，在发送端根据约定规则把多个低带宽信号复合成一个高带宽信号；二是多路分配器，根据约定规则再把高带宽信号分解为多个低带宽信号。

这两种设备统称为多路器（MUX）。

多路复用原理如图8-6所示。

图8-6 多路复用原理示意图
（1）多路复用技术。

常见的多路复用技术包括频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）和波分多路复用（WDM），其中时分多路复用又包括同步时分复用和统计时分复用。

表8-7中列出了它们的关键知识点。