02- 通信基础

1. 网络工程师培训 02-通信基础

2. 主要知识点

3. 基本概念　　　　　　模拟信号与数字信号 模拟信号是连续变化的量 数字信号是离散的量

4. 基本概念　　　　　　周期信号 如果一个信号能在一个可测定的时间内，以同样长短的周期不断重复同一个完整的模式，则称这个信号为周期性信号。 如果一个信号在随时间不断变化的过程中没有任何固定的模式和波形重复出现，则这个信号就是非周期性信号。 周期信号也可以分为周期模拟信号和周期数字信号。

5. 基本概念　　　　　　信号的三要素 信号的三要素是： 振幅A 周期T（或频率f ） 相位ψ

6. 基本概念　　　　　　简单信号和复合信号 模拟信号可以分为简单信号和复合信号。 简单模拟信号不能再分解，而复合信号可以被分解为多个简单信号。 a)简单信号 b)复合信号

7. 基本概念　　　　　　数字信号分解 一个数字信号可以被分解为无穷多个简单的正弦波（或余弦波），这个简单的正弦波（或余弦波）叫做谐波。 每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。 当在传输介质上发送数字信号时，其实是在发送多个简单信号。

8. 基本概念 　　　　波特率、比特率与码元 波特率（Baud Rate）是指单位时间内信号波形所能达到的最大变换次数，单位为赫兹（Hz）。信号波形的变换实质上是表示信号的函数发生了改变，即示正弦谐波的三要素：振幅、频率和相位中的某一元素发生变化。 单位时间内在信道上传送的数据量（即比特数）称为数据速率，又称为比特率，其单位为bps或b/s。 在数字信号中，一个数字脉冲称为一个码元（Symbol），一次脉冲的持续时间称为码元的宽度。码元速率（Symbol Rate）表示单位时间内信号波形的最大的变换次数，即单位时间内通过信道的码元个数。码元速率即数字信号中的波特率，所以码元速率的单位也为波特。

9. 看图答问 下图是一个典型的正弦波，请问它的波特率是多少？ 1秒

10. 基本概念 　　　　频谱与带宽 如果一个复合信号可以分解为多个谐波。每个谐波是原信号的分量，都有振幅、频率和相位三个要素。信号频谱是信号的所有分量的频率的集合。 带宽（Broad）是频谱的宽度，即频谱中最高频率与最低频率的差值。带宽的单位是赫兹（Hz），与频率的单位相同。 例如，一个周期信号可分解为五个频率为100Hz、200Hz、400Hz、500Hz和800Hz的正弦波，则最高频率fh=800Hz，最低频率fl=100Hz，带宽B=fh - fl=800Hz -100Hz=700Hz。

11. 基本概念　　　　　　介质带宽与有效带宽 传输介质在传送信号时只能传送某个频率范围内的信号，这个频率范围的宽度便是介质带宽，即介质所能传送信号的最高频率与最低频率的差值。介质带宽是由介质本身所决定的，它是介质的一个物理性质。 数字信号与模拟信号的频谱包括不同振幅的多个（甚至无穷多个）频率。但在传输时不可能传输原始信号频谱的全部频率，而只是传输那些具有重要振幅的分量。这一部分被传输的分量的频率组成的频谱叫做有效频谱，其带宽为有效带宽。

12. 基本概念 　　　　传输模式

13. 基本概念 　　　　通信模式

14. 数据通信理论基础 　　　　　　 　　　　　傅立叶分析 任何正常的周期为T的函数f (t)，都可以展开成多个、甚至无限个正弦和余弦函数。 在通信中的意义是：任何一个周期信号，无论它有多么复杂，总可以被分解为多个、甚至无限个简单信号。

15. 数据通信理论基础 　　　　　　 　　　　　尼奎斯特定理 尼奎斯特定理用于计算理想信道（无噪音信道）的最大数据传输速率。 最大数据传输速率 = 2H log2V bps H：信道带宽，V：信号有效离散级数 当一个无噪音的带宽为3K Hz的信道传输二进制信号时，其最大数据传输速率（即比特率）不会超过6000 bps。 若信号包含八个离散级数，则： 最大数据传输速率= 2× 3K ×log28 bps = 6K ×3 bps = 18K bps。

16. 数据通信理论基础 　　　　　　 　　　　　香农公式 香农公式用于计算有噪声信道的最大数据传输率。 最大数据传输速率 = H log2（1＋S/N）bps H：信道带宽，S/N：信噪比 在实际情况下，由于信噪比的值太大，通常用分贝（decibel，dB）来描述。分贝值与信噪比有如下的关系：dB = 10 log10 S/N 在一条带宽为3000Hz、信噪比为30dB的信道中，信道上的最大传输率不超过 30Kbps。其计算过程如下： 先求出信噪比S/N：由 30=10 log10 S/N，得 log10 S/N = 3，所以S/N=103=1000。 最大传输率= H log2（1＋S/N）bps = 3000 log2（1＋1000）bps ≈3000×9.97 bps =299100 bps < 30Kbps

17. 传输介质　　　　　同轴电缆 同轴电缆主要用两种：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。 基带同轴电缆是特性阻抗为50Ω的同轴电缆，用于数字信号的传输，是局域网中常用的同轴电缆。基带同轴电缆又可分为粗同轴电缆（简称粗缆，如RG-8粗缆、RG-11粗缆等）和细同轴电缆（简称细缆，如RG-58细缆）。 宽带同轴电缆是特性阻抗为75Ω的同轴电缆，用于传输模拟信号。宽带同轴电缆常用于CATV（Community Antenna Television，有线电视）网络，因此被称为CATV电缆（规格为RG-59）。

18. 传输介质　　　　　基带同轴电缆 粗缆适用于大型局域网，它传输距离长、可靠性高，安装时不需要切断电缆，只须用夹板装置夹在计算机需要连接的位置。 细缆安装则比较简单，造价也较便宜。但安装过程要切断电缆，两头须装上BNC接口，然后接在T型连接器两端。 粗同轴电缆连接方法可见： http://www.whkk.com/DLPP/comda/comda-cpjs.htm

19. 传输介质　　　　　双绞线 双绞线按其保护层外面是否含有金属层，可分为UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线）和STP（Shielded Twisted Pair，屏蔽双绞线）。 STP在保护层里面套有一层铅箔层，其作用是为了降低外界的电磁干扰。相对于UTP ， STP的抗干扰能力强，保密性好，不易被窃听，且其传输速率也较快，但STP的价钱相对要贵一些。

20. 传输媒介 　　　　双绞线的类别

21. 传输介质　　　　　光纤 光纤是光导纤维的简称，是由纤芯、包层和涂覆层组成的。 光纤的纤芯是由能传播光的石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝；包层是涂在纤芯外的一层折射率比光纤纤芯低的材料。当入射光以一定的角度射入纤芯后，会在纤芯与包层的交界处发生全反射，经过这样的若干次全反射之后，光线就损耗极少地到达光纤的另一端。

22. 传输介质　　　　　光纤 光线在光纤信道中的传播模式有两种：多模传播与单模传播。 “模”是指光线的入射角。 多模传播又可分别两种类型：阶跃模式和渐变模式。 常用多模光纤中主要有Ala类50/125μm和Alb类62.5/125μm两种类型。单模光纤的尺寸主要为8μm/125μm。

23. 传输介质　　　　　无线传输 无线电传输 微波传输 卫星传输 红外线传输 激光传输

24. 编码与传输 在进行数据通信时，必须将数据进行编码，转化为数字信号或模拟信号，以便于在信道上传输。 由于数据源可以是模拟数据，也可以是数字数据，所以共有四种编码方式。

25. 数字－数字编码 　　　　　　　　　　　　　　关键问题 直流分量：当传输信号的平均振幅不是零时，这将产生直流分量（频率为0的分量）。当信号含有直流分量，它不能由没有处理直流分量的媒体传输，例如微波或变压器。 同步：当一个信号不发生改变时，接受方无法知晓每比特的开始和结束。如果传输延时或噪声使信号发生扭曲，将导致接收方无法正确接收数据。

26. 数字－数字编码 　　　　　　　　　　　　　　常见类别 数字－数字编码是用数字信号来表示数字数据，在数字线路中传输。

27. 数字－数字编码　　　　　　　　　　　单极性编码数字－数字编码　　　　　　　　　　　单极性编码 脉冲的极性是电压的正负，单极性编码只使用了电压的一极。 单极性编码实现简单，但它会出现两个问题：直流分量和同步控制问题。

28. 数字－数字编码NRZ-L（Non Return-to-Zero-Level，非归零电平编码） 采用两个电压值：正电压与负电压。 信号的电平是由它所代表的比特位决定的。正电压代表比特1，负电压代表比特0。 减轻了直流分量问题，没有解决同步控制问题。

29. 数字－数字编码NRZ-I（Non Return-to-Zero Invert，非归零反相编码） 信号电平的一次反转代表比特1，没有电平变化代表比特0。 减轻了直流分量问题。 解决了传送“1”时的同步控制问题，但没有解决传送“0”时的同步控制问题。 可以通过进一步的编码（例如4B/5B编码）解决传送“0”时的同步控制问题。

30. 数字－数字编码RZ（Return-to-Zero，归零编码） 正电平代表比特1，负电平代表比特0。 任何比特间隙的中间，信号将归零。 减轻了直流分量问题。 解决了同步控制问题。但由于每个比特位需要两次信号变化，从而增加了信号占用的带宽。

31. 数字－数字编码　　　　　　　　　　　曼彻斯特编码（Manchester Encoding） 曼彻斯特编码在每个比特间隙中间的电平跳变来同时代表比特位和同步信息。 负电平到正电平的跳变代表比特1，而正电平到负电平的跳变则代表比特0。（当然，反过来也是可以的，只要通信双方采用相同的定义规则就可以了） 解决了直流分量问题。 解决了同步控制问题。但由于每个比特位需要两次信号变化，从而增加了信号占用的带宽。

32. 数字－数字编码　　　　　　　　　差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding） 差分曼彻斯特编码的比特间隙中间的跳变仅用于携带同步信息。 每比特的开始位置没有电平跳变表示比特1，有电平跳变表示比特0。 解决了直流分量问题。 解决了同步控制问题。但由于每个比特位需要两次信号变化，从而增加了信号占用的带宽。

33. 数字－数字编码AMI（Alternate Mark Inversion，信号交替反转码） 零电平代表二进制0，正负电平交替代表比特1。 解决了直流分量问题。 电平交替变换的比特1可以进行同步，但对于连续的比特0则没能提供同步机制。

34. 模拟－数字编码 模拟－数字编码是用数字信号来表示模拟数据，即模拟数据数字化。 既可用于模拟信号的数字传输，也可以用于模拟信号的数字处理（如数字化音频、数字化视频）。

35. 模拟－数字编码PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制） 模拟－数字编码最常见的技术是PCM，它以PAM（Pulse Amplitude Modulation，脉冲振幅调制）技术为基础。 PCM技术包括三个独立的过程：脉冲振幅调制（即采样）、量化和二进制编码。。 采样密度和量化等级是影响误差的最关键因素。

36. 数字－模拟编码 数字－模拟编码是用模拟信号来表示数字数据。 一个正弦波（或余弦波）可由其三要素确定：振幅、频率和相位。当其中的任一要素改变时（相位改变不为周期的整数倍），其波形就会改变。利用模拟信号的波形变化，可以用来表示数字数据。

37. 数字－模拟编码 　　　　　　　　　　　　　　主要技术 在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承裁信息信号，这个基波称为载波信号或载波频率。 接收设备调整自己的接收频率与载波信号一致。 数字信息通过改变载波信号的一个或多个要素（振幅、频率和相位）被调制到载波信号上。载波信号的波形的改变称为移动键控（Shift Keying），调制后的信息信号称为调制信号。 根据载波信号要素的改变方式，数字－模拟编码主要技术有以下四种：

38. 数字－模拟编码 ASK（Amplitude Shift Keying，幅移键控） • 通过改变振幅的大小来表示二进制0、1的，而频率和相位则保持不变。 • ASK编码实现简单，但由于振幅很容易受噪声的影响，故其抗干扰性差。 • 振幅的等级越多，每次改变时可表示的二进制数据越多。例如： • 4个振幅等级，每次改变可以表示2个比特； • 8个振幅等级，每次改变可以表示3个比特； • 2n个振幅等级，每次改变可以表示n个比特。

39. 数字－模拟编码 FSK（Frequency Shift Keying，频移键控） FSK是通过改变信号的频率来表示二进制0、1的，而振幅和相位则保持不变。 在每个比特时延中信号的频率是一个常数。 由于噪声对频率的影响很小，故FSK的抗干扰性要比ASK强些，但由于FSK技术是通过改变频率来表示二进制的，因此FSK技术会受到介质带宽的影响。

40. 数字－模拟编码 PSK（Phase Shift Keying，相移键控） • PSK是通过改变信号的相位来表示二进制0、1的，而振幅和频率则保持不变。 • 相位的等级越多，每次改变时可表示的二进制数据越多。例如： • 4个相位等级，每次改变可以表示2个比特，称为4-PSK； • 8个相位等级，每次改变可以表示3个比特，称为8-PSK ； • 2n个相位等级，每次改变可以表示n个比特，称为2n -PSK 。

41. 数字－模拟编码 　　　　　　　　　　　　　　星座表与星座图 星座表可以用列表的方式记录相移键控的相位值。 星座图可以用坐标的方式记录相移键控的相位值。 2-PSK 4-PSK

42. 数字－模拟编码 QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交调幅） 正交调幅编码技术是将幅移键控和相移键控以某种方式结合起来的一种编码技术，以求得到更多的信号状态。

43. 模拟－模拟编码 模拟－模拟编码是用模拟信号来表示模拟数据。模拟－模拟通信的典型例子就是收听无线电台的无线电波信号。 使用模拟信号来传输模拟数据仍需要调制的主要原因有两个：一是为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率；二是通过调制就可以使用频分复用技术。 模拟数据的调制技术主要有三种：调幅（Amplitude Modulation，AM）、调频（Frequency Modulation，FM）以及调相（Phase Modulation，PM）。

44. 多路复用 为了有效地利用传输系统，把多路信号放在同一个媒体上进行传输，就是多路复用。 多路复用技术主要有三种：

45. 多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing，频分多路复用） 用于模拟信道传输。 在信道的可用频带（带宽）上同时传输多个频率不同的模拟信号，每路信号占据其中一个频段。 接收方用适当的滤波器将多路信号分开，再分别进行解调和终端处理。 最常见的例子就是有线电视系统（CATV）中的信号转输。

46. 多路复用TDM（Time Division Multiplexing，时分多路复用） 用于数字信道传输。 将使用信道的时间分成一个个的时间片（时隙），按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输。 时分多路复用技术又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。 统计时分多路复用根据用户实际需要动态分配线路资源，效率更高。

47. 多路复用WDM（Wave Length Division Multiplexing，波分多路复用） 用于光纤传输，是FDM的一个变例。 利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。 接收方采用波分设备分离不同波长的光。

48. 同步控制 接收方为了能够正确读取发送方发出的数据，必须清楚数据帧发送的开始位置和结束位置，这就需要同步控制。 异步传输以字节为单位传输数据，采用比特形式的同步信号，发送端和接收方具有相互独立的时钟，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。 同步传输以数据帧为单位传输数据，采用字节形式或位组合形式的同步信号，由发送端或接收方提供专用于同步的时钟信号。

49. 同步控制 接收方为了能够正确读取发送方发出的数据，必须清楚数据帧发送的开始位置和结束位置，这就需要同步控制。 多路复用技术主要有三种：

50. 起停同步控制 字符逐一传输，并且传送一个字符时总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。 例如：