通信系统模型

ex:

  • 信源：将各种 信息 转换成原始 物理信号（如计算机、手机、电话机等）
  • 信宿：将 物理信号 -> 信息 (如计算机、手机、电话机等）
  • 信道：传输 信号 的一条通路
  • 变换器 / 反变换器：对原始 物理信号 进行变换 / 反变换，适合在给定 信道 上传输（如光 / 电转换器等）
  • 噪声源：信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰（如热噪声、闪电、电磁场干扰等）

模拟通信与数字通信

  • 模拟信号：信号在传输过程中 连续 变化
  • 数字信号：信号在传输过程中 离散 变化
       - 优点：
        1. 抗干扰能力强
        2. 适合远距离传输
        3. 有利于安全性
        4. 适合多媒体信息传输
    ex:

信号带宽 (H)

信号能量 所集中的 频率范围，记为H。
H = 4000 - 3200 = 800

信道带宽

信道允许传输信号的频率范围，单位为Hz。

例：语音信号占用的频谱为300~3400Hz，那么带宽为:
H = 3400 - 300 = 3100Hz

  • 信道：传输信号的一条通路。一条物理线路可同时服用 多个 信道
  • 信号率：
  • 数据率：信道每秒最多传输的二进制位数，单位为bps

信道带宽与数据率的关系

奈奎斯特定理 (无噪声信道)

C = 2H log_2L (bps)

C 为信道的数据率（容量）；H为信道带宽；L为数字信号的离散取值数目

香农定理 (有噪声信道，L不受限)

C = H log_2(1+S/N) (bps)

S为信号功率，N为噪音功率，S/N为信噪比

例：H = 4000Hz，S/N = 1023，L = 8；求C
1. 由 奈奎斯特定理：
  C = 2H log_2L = 2 * 4000 log_28 = 24000 (bps)
2. 由 香农定理：
  C = H log_2(1+S/N) = 4000 log_2(1+1023) = 40000bps
所以信道最大数据率为24000bps

波特率

又称码元速率，是指每秒传输码元的数目，单位为波特(Baud)

  • 若码元的离散取值数目为L，波特率为B，数据率为C，则：

    C = B log_2L

数字信号的编码

数字信号的编码：用何种物理信号来表示 “0” 和 “1”

非归零编码(NRZ)

ex:
以 高 电平表示 0，低 电平表示 1，反之亦然。

  • 优点：编 / 译码简单
  • 缺点：内部不含 时钟信号，收 / 发端 同步 困难
  • 用途：计算机内部或低速数据通信

曼彻斯特编码

ex:
每一次中间有一次跳变，既表示 数据，又作为 同步信号
从高电平 -> 低电平表示 0，从低电平 -> 高电平表示 1

  • 优点：
    1. 内部自含 时钟，收 / 发端 同步 容易
    2. 抗干扰能力强
  • 缺点：
    1. 编 / 译码较复杂
    2. 占用更多的信道带宽，在同样的波特率的情况下，要比非归零编码多占用一倍信道带宽
  • 用途：802.3局域网（以太网）

差分曼彻斯特编码

每一位中间有一次跳变，但这种跳变 仅 作为 同步信号，不表示 数据
数据值 通过每位 开始 时 有无跳变 来表示；有跳变表示 0，无跳变表示 1

  • 优点：
    1. 内部自含 时钟，收 / 发端 同步 容易
    2. 比曼彻斯特编码的 抗干扰能力 更强
  • 缺点：NRZ
    1. 编 / 译码较复杂
    2. 同样需要多占用一倍 信道带宽
  • 用途：802.5局域网（令牌环网）

数据同步方式

  • 同步：接收端 按照 发送端 发送代码的 频率 和 起止时间 来接收数据。
  • 同步方式主要有两种：
  1. 字符同步（异步通信）
    仅针对 一个字符 内所含的二进制位进行同步
    • 优点：被限制在一个字符内，不产生太大的积累误差。因此对同步精度要求不高，同步容易。
    • 缺点：每个字符均有起始 / 停止位，因而 传输效率 较低
    • 适用：低速通信
  2. 位同步（同步通信）
    针对一个数据块内所含的二进制位进行同步
    • 优点：每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销，因而传输效率高
    • 缺点：由于一个数据块所含位数较多，易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错，因此对同步精度求高，同步困难。

      例：设数据块为1K字节，则每次连续同步位数为1024x8=8192位。

  • 实现同步的两种方法：
    1. 外同步：为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号
    2. 内同步：不单独发同步时钟信号，而是将同步信号嵌入数据编 码内部， 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。

多路复用技术

  • 将多个信道复用在一条物理线路上，使一条物理线路能够同时传输多路数据信号
  • 分类：
    1. 频分多路复用 (FDM)
        将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道，每个子信道传输一路信号。
    2. 时分多路复用 (TDM)
        将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的时间片，轮流为多路信号使用
        数据不丢失条件：C_H >= sum(C_i) （C_H 为高速线路容量（数据率）C_i 为低速线路容量）
      缺点：`没有数据`传输的低速线路`仍`分配时间片，可能`出现空闲的时间片`，浪费信道带宽
    3. 统计时分多路复用 (统计TDM)
      • 采用动态分配时间策略，即有数据要传输的线路才分配时间片
      • 允许 CH < sum(Ci)
      • 优点：不会出现空闲的时间片，信道利用率高