数据通信基础

基本概念

信源、信宿、信道
信息进入信道要变换为适合信道的传输形式,进入信宿时还要变换为适合信宿接收的形式。
信道的物理性质影响通信速率与传输质量,不同的信道外界干扰(噪声)也不相同 。
信源模拟信号 模拟信道传输 称为模拟通信
信源模拟信号 数字信号传输 称为数字通信
信源数字信号 无论如何传输 均称为数据通信
模拟信道传输需要调制,调制信号频谱窄因此信道利用率高,但是传输过程中会衰减,还会受到噪声干扰,如果使用放大器还会同时放大噪声。
数字信道可以直接传输二进制数据或者二进制编码的数据、或者传输数字化了的模拟信号(采样、量化、编码),只要没有畸变到不可辨认的程度就可以进行恢复,并且可以通过差错控制消除个别差错,因此数字传输对于保证信号不失真的传送非常有好处。另外,大规模集成,设备便宜。但是频带宽信道利用率低。
数字信道抗噪,但也是会衰减的。

信道特性

信道带宽、尼奎斯特定理(有限带宽无噪声信道的最大码元速率,波特率)B = 2W、 码元信息量、数据速率
香农定理(有噪声信道的极限数据速率)
误码率
信道延迟,电缆中传播速率约为77%光速,200m/us,除了考虑传播速率还要考虑通信线路长度。卫星信道延迟大约270ms。

传输介质

  • 双绞线
  • 同轴电缆(基带传输、宽带系统)基带数字信号为何衰减的快

大致是这样的:数字基带的低频信号代表长“0”或长“1”,数字基带信号的高频部分1010…,其他成分介于两者之间。这样看来整个的相对频谱很高。有线传输线的特性不支持这种信号,造成远端信号(比如低频信号直流偏移)这样畸变巨大,即使使用均衡器都不行。所以必须用某种信道编码(比如扰码减小相对带宽)达到传输目的。
站在信号与系统的角度来看,无线信道就是带通系统,有线传输目前很多都是低通系统(光纤是属于另类的带通系统,有不同的波段窗口)。

这是因为电磁场在传输线里面传播,一般而言,频率越高衰耗越大。以常见的网线和同轴电缆为例,而这些传输线的介质主要以铜芯为主,电磁场在铜介质里面传播,由于铜是良导体,高频电磁波频率越高,趋肤效应越明显,表面电阻越高,由此导致的损耗就越高。
大概就是这么个意思了,如果还有疑惑,请查看本科的 传输线理论 和 电磁场理论

  • 光缆
  • 无线信道(红外,高带宽传输距离有限;微波:波长1mm ~ 1m是分米波、厘米波、毫米波的统称,频率300MHz ~ 300GHz;短波:波长10m ~ 100m 频率3MHz~30MHz;超短波:波长 1m ~ 10m 频率30MHz ~ 300MHz 甚高频 )

传播途径有:天波与地波(地表面波、直接波、地面反射波)

分米波 特高频(300MHz ~ 3GHz 10cm ~ 1m)

无线局域网使用了甚高频和特高频的电视广播频段(书上说这属于短波,可能界限并不这么明显吧)

无线电频谱和波段划分表

段号 频段名称 频段范围 波段名称 波长范围
1 极低频(ELF) 3 ~ 30赫(Hz) 极长波 100 ~ 10兆米
2 超低频(SLF) 30 ~ 300赫(Hz) 超长波 10 ~ 1兆米
3 特低频(ULF) 300 ~ 3000赫(Hz) 特长波 100 ~ 10万米
4 甚低频(VLF) 3 ~ 30千赫(KHz) 甚长波 10 ~ 1万米
5 低频(LF) 30 ~ 300千赫(KHz) 长波 10 ~ 1千米
6 中频(MF) 300 ~ 3000千赫(KHz) 中波 AM广播 被大气层反射 10 ~ 1百米
7 高频(HF) 3 ~ 30兆赫(MHz) 短波 短波广播 100 ~ 10米
8 甚高频(VHF) 30 ~ 300兆赫(MHz) 米波 FM广播 10 ~ 1米
9 特高频(UHF) 300 ~ 3000兆赫(MHz) 分米波 10 ~ 1分米
10 超高频(SHF) 3 ~ 30吉赫(GHz) 厘米波 10 ~ 1厘米
11 极高频(EHF) 30 ~ 300吉赫(GHz) 毫米波 10 ~ 1毫米
12 至高频(THF) 300 ~ 3000吉赫(GHz) 丝米波 10 ~ 1丝米

调幅广播由于只需要一个频率的载波,通过这个频率的载波的幅度变化来传输信号,所以可以采用500-1300khz这段频率较低且频宽较窄的中波进行广播,而中波具有可以被大气层反射的特性,因此可以传播得非常远。顺带一提,短波广播也是调幅广播,而短波在大气层的反射高度比中波更高,所以距离也比中波更远,足以跨过地球。调频广播则是通过确定一个中心频率,根据收到的实际频率相对该中心频率的偏差程度来传递信号,所以会占用一大段频率,不适合像调幅广播那样用范围狭窄资源紧凑的中波和短波,而是使用范围较大资源较充裕的超短波和微波,而超短波和微波不能被大气层反射,会直接穿透到宇宙空间去,所以范围比调幅广播要小得多。关于抗干扰性,由于调频广播不依赖电波的幅度来传输信号,所以即使有相同频率的干扰源扰乱了电波的幅度,也不会对调频广播形成噪声,调幅就不行了,只要有干扰源影响到了电波的幅度,那信号就毁了。因此,调频的音质比调幅要好。

频率低传得远些,频率越低,波长就越长,
幅值越大信号越强,当然传得也越远,
波长越长也传得远
无线电波按其波长可分为四个波段。与红外线邻近的波长最短的波段称为微波(microwave),波长约为0.1mm ~ 1m;比微波的波长长的波段依次为短波(short wave,波长为1m ~ 102m)、中波(medium wave,波长为102 ~ 103m)和长波(long wave ,波长为103 ~ 105m)。在实际应用中,不同波段落的无线电波的传播方式和应用领域各不相同。
由于地面、高山、电离层等对各波段无线电波的吸收、反射、透射等性能的不同,无线电波在空间的传播通常采用三种方式:地波传播、天波传播、空间波传播
一、 地波传播
地波传播是无线电波沿地球表面附近空间的传播,传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。
地球表面分布有起伏不平的山峦,以及高低不平的建筑物等障碍物,无线电波只有绕过这些障碍物,才能传到较远的地方。当电磁波的波长大于或相当于障碍物的尺寸时,波的衍射性能较好,即可绕过障碍物。因此,长波能很好地绕过几乎所有的障碍物,而中波和短波中部分波长较长的波还能较好地绕过不太大的障碍物,其余部分的短波和微波的绕射能力就很差。
二、天波传播
天波传播是无线电波通过电离层反射而进行的传播。电离层反射特性还与无线电波的波长有关,波长越长,则越容易反射。所以,长波、中波和短波都可以被电离层反射,而微波和超短波则基本上穿透电离层而不被反射。天波传播最适合于短波的传播,因为波长太短的超短波,电离层不反射;而对于长波,则电离层的吸收又太强。
三、空间波传播
空间波传播是无线电波像光那样沿直线的传播。由于地球近似球体,因此,空间波是传不远的,传播的最远距离不能超过视线距离
可见,直线传播的空间波是不能进行远距离传播的。当然,无线电波除了直接从发射天线传播到接收天线外,也可以经过地面反射而传到接收天线。因此,接收天线接收到的应是这两种波的合成波。微波与超短波一般采用空间波传播。
地波、天波、空波这三种传播方式,适合于不同波长无线电波的传播。长波一般采用地波传播。这是因为长波的绕射能力强,且大气对它的吸收少,因此比较适合地波传播。另外,长波虽然不会穿透电离层,但由于电离层对其有强烈的吸收作用,所为不适合天波传播。长波传播具有稳定性好、受干扰小、传播距离远等优点,超长波甚至能做环球传播,但长波需要庞大的天线设备,实际应用不多,通常只用于潜艇和远洋航行的通信等。
中波可用天波与地波两种方式传播。白天由于电离层吸收作用较大,主要靠地波传播。晚上电离层吸收作用减少,天波传播可大大增加传播距离。所为,中波昼夜信号强度差别较大,不适合远距离通信,而常用于国内广播等。
短波主要靠天波传播,短波经电离层反射时,电离层对他的吸收作用较小,故经电离层和地面的多次连续反射,可传播到很远的地方。短波传播的最大缺点是不稳定。一般用作各种长、短距离的通信。超短波与微波的绕射能力差,又会穿透电离层,因此不适合地波或天波传播,只适合空间波传播。由于空间波传播的距离有限,为增加传播距离,可采用增高发射天线和接力通信等方法

数据编码

自定时编码、曼彻斯特编码等

数字调制技术

用数字信号调制模拟信号称为数字调制,调频(FSK)、调幅(ASK)、调相(PSK)、正交幅度调制(QAM)
将模拟数据转化为数字信号的过程称为模拟数据的数字化,常用的技术为PCM,简称脉码调制(采样、量化、编码)。
扩频通信(频率跳动扩频、直接序列扩频)

通信与交换方式

通信方向

单工、半双工、双工

同步方式

异步传输(起止式)
同步传输(短距离高速传输)

交换方式

电路交换(空分、时分)、报文交换、分组交换(数据报、虚电路)

多路复用技术

频分、时分、波分、码分(CDMA)
数字传输系统:
美国与日本的通信标准,贝尔系统的T1载波
其它地区,E1载波
光纤线路的多路复用标准:SONET、SDH