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:
电平表示 0 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 作为 同步信号,不表示 数据
数据值 通过每位 开始有无跳变 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
    • 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