8.2 数据通信基础技术

本部分的内容主要包括信道、传输介质、数据编码、数字调制、脉冲编码等方面的知识点，出题的总分值大约占本章知识点的48%。

1.信道特性

知识点说明：

难度系数：☆☆☆　考查频度：☆☆☆☆　考查权重：☆☆

对于本知识点，主要考查的是信道的基本概念，能够根据信噪比、调制技术、带宽等条件计算信道的数据速率。

知识点详解：

数据通信的目的就是传递信息，在一次通信中产生和发送信息的一端称为 信源 ，接收信息的一端称为 信宿 ，而信源和信宿之间的通信线路就称为 信道 。信道最重要的一个特性就是 信道容量 ——也就是信道上数据所能够达到的 传输速率 。和信道相关的概念如下。

· 带宽： 是指发送器和传输媒体的特性限制下的带宽，通常用赫兹或每秒周期表示（对于模拟信道而言，其信道带宽 W =最高频率 f ₂ -最低频率 f ₁ ）。通常是信道的电路制成后，带宽就决定了，因此它是影响信道传输速率的客观性因素。

· 噪声： 信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，这种干扰就称为噪声，它会使得信道的传输速率降低。

在数据通信技术中，人们一方面通过研究新的传输媒介来降低噪声的影响，另一方面则是通过研究更先进的数据调制技术，从而能更加有效地利用信道的带宽。因此，这也就引出了一个历年考试常常出现的考点： 计算信道的数据速率 。信道的数据速率计算公式如图8-2所示。

从图8-2中，可以看出在计算信道的数据速率时有两种考虑的方式。

· 有噪声： 这时应该使用香农理论。

在使用香农理论时，由于 S / N （ 信噪比 ）的比值通常太大，因此通常使用分贝数（dB）来表示： dB=10log ₁₀ （ ^S / ^N ）。例如， S / N=1000 时，用分贝表示就是 30dB 。如果带宽是3kHz，则这时的极限数据速率就应该是 C=3000log ₂ （1+1000）≈3000×9.97≈30Kbps （考试是会考该知识点的，应该记住这里的转换公式）。

对于有噪声的信道，我们用 误码率 来表示传输二进制 位 时 出现差错的概率 （出错的位数/传送的总位数），通常要求小于10- ⁶ 。

· 无噪声： 这时应该使用奈奎斯特定律（也称为奈式定律）。

在计算时，关键的地方在于理解码元和比特的转换关系。码元是一个数据信号的基本单位，而比特是一个二制数位，一位可以表示两个值。因此，如果码元可取两个离散值，则只需1比特表示；若可取4个离散值，则需要2比特来表示。

码元有多少个不同种类取决于其使用的调制技术，关于调制技术的更多细节参见后面的知识点，在此只列出常见的调制技术所携带的码元数，如表8-1所示。

需要注意的是，这两种算法得出的结论是 不能够直接比较 的，因为它们的假设条件不同。在香农理论中，实际上也考虑了调制技术的影响，但由于高效的调制技术往往会使出错的可能性更大，因此也会有一个极限，而香农理论的计算方式就是不管采用什么调制技术。另外还值得一提的是， 信道 本身也会带来 延迟 ，通常电缆中的传播速度是光速（300m/ms）的77%，即200m/ms左右，而且传播距离不同也会影响延迟的值。

2.传输介质

知识点说明：

难度系数：☆　考查频度：☆☆☆　考查权重：☆☆

对于本知识点来说，主要是要求能够了解各种常见的传输介质的特点，以及它们之间的横向比较。

知识点详解：

计算机网络中可以使用各种传输介质来组成物理信道，根据其形态可以分为有线传输媒介和无线传输媒介两大类，表8-2列出了有线传输媒介的主要知识点。

无线传输媒介主要包括 无线电波 ，需要专用的频率，易被窃听； 微波 ，可分为地面微波和卫星微波，带宽高、容量大，但受天气影响大；红外，设备便宜、带宽高，但传输距离有限，易受室内空气状态影响。

3.数字编码

知识点说明：

难度系数：☆　考查频度：☆☆☆　考查权重：☆☆

对于本知识点来说，主要是要求能够根据编码示意图看出所采用的数据编码技术，了解各种编码技术的特点及应用领域。

知识点详解：

二进制数字信息在传输过程中可采用不同的代码，这些代码的抗噪性和定时能力各不相同。最基本的数字编码有单极性码、极性码、双极性码、归零码、不归零码、双相码6种，常用于局域网的有曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，常用于广域网的4B/5B码、8B/10B码。

（1）基本编码。

· 极性编码（如图8-3所示）：极包括正极和负极，因此从这里就可以理解 单极性码 ，即只使用一个极性，再加零电平（正极表示0，零电平表示1）； 极性码 使用了两极（正极表示0，负极表示1）； 双极性码 则使用了正负两极和零电平（其中有一种典型的双极性码是信号交替反转编码AMI，它用零电平表示0，1则使电平在正、负极间交替翻转）。

在极性编码方案中，始终使用某一特定的电平来表示特定的数，因此当连续发送多个“1”或“0”时，将无法直接从信号判断出个数。要解决这个问题，就需要引入时钟信号。

· 归零性编码（如图8-4所示）：归零性指的是编码信号量是否回归到零电平。归零码就是指码元中间的信号回归到零电平。不归零码则不回归零（而是当1时电平翻转，0时不翻转），这也称为差分机制。

· 双相码：通过不同方向的电平翻转（低到高代表0，高到低代表1），这样不仅可以提高抗干扰性，还可以实现自同步，它也是曼彻斯特编码的基础。

· 小结，如表8-3所示。

（2）应用性编码。

· 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码： 曼彻斯特编码 （以下简称“曼码”）是一种双相码，用低到高的电平转换表示0，用高到低的电平转换表示1（注意：有些教程描述正好相反，即用低到高的电平转换表示1，用高到低的电平转换表示0），因此它也可以实现 自同步 ，常用于 以太网 （802.310Mbps以太网）。 差分曼彻斯特编码 （以下简称“差分曼码”）是在曼彻斯特编码的基础上加上了翻转特性，遇1翻转，遇0不变（如图8-5所示），常用于 令牌环网 。要注意的一个知识点是：使用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码时，每传输1bit的信息，就要求线路上有2次电平状态变化（2波特），因此要实现100Mbps的传输速率，就需要有200MHz的带宽，即编码效率只有50%。

· 4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码：正是因为曼码的编码效率不高，所以在带宽资源宝贵的 广域网 和速度要求更高的局域网中，就面临困难。因此就出现了 m b n b编码，也就是将 m 比特位编码成为 n 波特（代码位）的编码，如表8-4所示。

注：最后值得一提的是多电平码，它的每个码元可以取多个电平之一，也就可以代表多个二进制位，因此数据速度大于码元速度，从而提高了频带的利用率，但这种编码的抗噪性较差。

4.调制与编码

知识点说明：

难度系数：☆☆☆　考查频度：☆　考查权重：☆☆

对于本知识点来说，主要是了解各种调制技术的特点，知道编码技术的实际用途。

知识点详解：

在计算机通信时，我们有时需要对数字信号进行 调制 ，以适合在模拟线路上传输，接收端通过 解调 以还原信号，因此经常需要在利用模拟线路（如电话线）进行数据通信时就使用 调制解调器 （Modem）；而有时则需要对模拟信号进行 编码 ，以适合在数据线路上传输，其反操作则称为 解码 。

（1）调制技术。

最基本的调制技术包括幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），它们之间的特性如表8-5所示。

在高速的调制技术中，主要是通过采取多个相位值，使每个码元能够表示的二进制位数增多，从而提高数据传输速度。例如：可以使用0°、90°、180°、270°4个相位，也可以取45°、135°、225°、315°4个相位来表示00、01、10、11。前一种方案刚好是90°的倍数，因此称为QPSK（正交相移键控），后者则为普通的DPSK（四相键控）。另外，以上3种基本的调制技术经常结合使用，最常见的组合是PSK与ASK结合。

（2）编码技术。

最常用的编码技术是脉冲编码调制技术（ PCM ），简称脉码调制。PCM原理中有以下几个关键知识点。

· PCM要经过 取样 、 量化 、 编码 3个步骤。

· 根据奈奎斯特取样定理，在进行模拟/数字信号的转换过程中，取样速率只要大于模拟信号的 最高频率的2倍 ，就可以完整地保留源信号中的信息。我们都知道44kHz的音乐让人感觉到最逼真，这是因为人耳可识别的最高频率约为22kHz，因此当采样率达到44kHz就可以达到最满意的效果。

· 量化是将样本的连续值转成离散值，采用的方法类似于求圆周长时用内切正多边形的方法。而我们平时说的8位、16位的声音，指的就是2 ⁸ 、2 ¹⁶ 位量化。

· 编码就是将量化后的样本值变成相应的二进制代码。 Ex3KDuAwaGJDdnuaRdKLUo40mPBRNppYSue/u+xMF9Mw41N5BeBLuq1dcN++uIYl