网络工程师（二）|数据通信基础

计算机网络采用数据通信的方式传输数据。数据通信和电话网络中的语音通信不同，也和无线电广播通信不同，它有其自身的规律和特点。

数据通信基础

• 信源：产生和发送信息的一端。
• 信宿：接收信息的一端。
• 信道：信源和信宿之间的通信线路。
• 信息从信源进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接收的形式。
• 信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，这种干扰叫做噪声。
• 模拟通信：信源产生模拟数据并以模拟信道传输。
• 数据通信：信源产生模拟数据但以数字信号的形式传输、信源产生数字数据并以任何形式传输。
• 模拟传输方式中，数据进入信道之前要经过调制，变换为模拟的调制信号。模拟传输特点：调制信号频谱较窄、信道利用率高、传输过程信号衰减、易受到噪音干扰。
• 数字传输方式中，可以直接传输二进制数据或经过二进制编码的数据，也可以传输数字化了的模拟信号。特点：频带宽、信道利用率低、不易受到干扰。

信道特性

• 信道带宽：

  • 模拟信道如下图所示： 信道带宽$W=f_1-f_2$，其中$f_1$是信道能通过的最低频率，$f_2$是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。
  • 数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号。信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。
  • 一个数字脉冲称为一个码元，用码元速率表示单位时间内信号波形的变化次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为$T$秒，则码元速率为$B=1/T$。码元速率的单位叫波特(Baud)，所以码元速率也叫波特率。

• 奈奎斯特定理指的是有限带宽无噪声信道的极限波特率。若信道带宽为$W$，则奈奎斯特定理指出的最大码元速率为$B=2W(Baud)$。奈奎斯特定理指定的信道容量也叫做奈奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定。因而超过奈奎斯特极限传输脉冲信号是不可能的。

• 码元携带的信息量由码元取的离散值的个数决定。一个码元携带的信息量$n$位与码元的种类数$N$有如下关系 $$n=log_{2}N\ \ (N=2^n)$$

• 数据速率：单位时间内在信道上传送的信息量（位数）称为数据速率。在一定波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的位数。如果把两位编码为一个码元，则数据速率可成倍提高。 $$R=Bn=Blog_{2}N=2Wlog_{2}N\ (bps)$$

  • 其中R表示数据速率，单位是每秒位（bps）

• 数据速率和波特率是两个不同的概念。仅当码元取两个离散值时两者的数值才相等。

• 以上这些都是无噪声的理想环境的极限值

• 香农定理：有噪声信道的极限数据速率有下面的公式计算： $$C=Wlog_{2}(1+\frac{S}{N})$$

  • 其中$W$为信道带宽，$S$为信号的平均功率，$N$为噪声平均功率，$S/N$为信噪比。
  • 由于实际中$S$与N的比值太大，故常取其分贝数$dB$。$dB=10log_{10}\frac{S}{N}$

• 误码率

• 误码率表示传输二进制位时出现差错的概率。可用下面的公式表示 $$P_{c}=\frac{N_{e}(出错的位数)}{N(传送的总位数)}$$

• 误码率一般要求低于$10^{-6}$，即平均传送1兆位才允许出错1位。

• 信道延迟

• 信号从源端到达宿端的时间。

传输介质

• 通过空间传播信号，称为无线信道。无线信道包括微波、红外和短波信道。
• 微波分为地面微波系统和卫星微波系统。
  • 地面微波系统由视距范围内的两个互相对准方向的抛物面组成，长距离通信需要多个中继站组成微波中继链路。可以扩展有线信道的联通范围。
  • 通信卫星可以看作是空中的微波中继站。
  • 微波通信的频率段为1~11GHz，具有频带宽、容量大的特点。易受电磁信号干扰，长距离传输信号会衰减。

数据编码