数据通信基础知识

消息和信息、信号和数据

消息和信息

通信是在源点与终点之间传递消息或者信息。

信息和消息有着不同的概念。

消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音和图像等。它有两个特点:

能被通信双方所理解
可以相互传递。

信息是指包含在消息中对通信者有意义的那部分内容。

消息是信息的载体，消息中可能含有信息

一条消息包含信息的多少称为信息量，信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关。

消息表示的事件是必然事件(概率为1)，则该消息不含有任何信息量
消息表示的事件根本不可能发生(概率为0) ，则该消息含有无穷的信息量。

事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述，也就是说，事件出现的可能性越小，则概率越小；反之，则概率就越大。消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。如果事件是必然的（概率为1），那么它传递的信息量就应该为零。如果事件是不可能的（概率为0），那么它有无穷的信息量。

香农规定，一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率P的倒数的对数。

通常用比特作为信息量的单位

对于一条含有m个符号的消息，每个符号出现的概率不同。当m很大，若第i个符号出现的概率为Pi，共出现了n次，则它具有的信息量是

整条消息所具有的信息量是所有这样的信息量在不同的 i 值时之总和

每个符号包含的平均信息量是

平均信息量是每个符号所含信息量的统计平均值，其单位为比特/符号。平均信息量又称为熵。

信号

在通信系统中，消息是通过电信号来传递的，信号是消息的载体。

信号的分类

连续信号与离散信号

连续信号：连续时间范围内都有定义的信号；若函数值也连续，则称为模拟信号。
离散信号：仅在一些离散的瞬间才有定义的信号；当取值为规定数值时，则称为数字信号。

随机信号与确知信号

随机信号是指其取值不确定、且不能事先确切预知的信号。
确知信号是指其取值在任何时间都是确定的和可预知的信号。

确知信号还可分为周期信号与非周期信号。

信号的特性

信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面。

时间特性主要指信号随时间变化的特性。信号随时间变化的表现包含了信号的全部信息量。
频率特性是指信号可用频谱函数来表示的特性。频谱函数表征信号的各频率成分，以及各频率成分的振幅和相位。

在分析通信系统时，把输入信号称为激励，输出信号称为响应。

信号分析的两种方法：

时域分析法是利用信号的时间特性，把激励和响应看成是时间函数的分析方法。
频域分析法是利用信号的频率特性，把激励和响应经过傅立叶变换，将时间变量变换为频率变量进行分析的分析方法。

信号的带宽

在通信领域中，信号的带宽最为常用的有以下两种定义。

绝对带宽B——指信号频谱正频谱非零部分所对应的频率范围。

半功率带宽——信号频谱在f0处为最大值而f0属于(f1,f2)区间内，且P(f1)= P(f2)=0.5P(f0)，定义f1到f2的频率范围为半功率带宽。

注意：信号的带宽与传输系统的带宽是两个概念。传输系统的带宽通常是指系统的频率响应曲线保持在中心处取值的0.707倍以内的频率区间。

数据

数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。它是消息的一种表现形式，是传达某种信息的实体。

当信息被表示为数据时，数据中就包含了信息。因此，信息可以通过解释数据来产生。

信息强调“处理”和“使用”两个方面，尤其是“使用”。一份资料在使用之前其中的内容隶属于数据范畴，仅当它被使用之后才转化为信息。

通信系统中的电信号有模拟信号和数字信号，而数据又分为模拟数据和数字数据。

模拟数据在一段时间内具有连续的值(如声音等)
数字数据则具有离散的值(如文本等)。

无论是模拟数据还是数字数据都能编码成模拟信号或数字信号。选择何种编码方式取决于需满足的要求和可能提供的传输媒体和通信设施。

数据和信号的四种组合：

数字数据，数字信号(如0/1表示负电平/正电平，一串离散的、非连续的电压脉冲序列)
数字数据，模拟信号(如ASK、FSK和PSK)
模拟数据，数字信号(如话音信号的PCM调制)
模拟数据，模拟信号(如AM、FM和PM)

传输方式和传输速率

传输方式

基带传输和频带传输

按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬移其频谱，传输方式可分两类：

基带传输指不搬移信号频谱的传输体制。
频带传输指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制。搬移频谱的目的是为了适应信道的频率特性。

串行传输和并行传输

按照传输数据的时空顺序，传输方式可分为两类：

串行传输指数据在一个信道上按位依次传输的方式。其特点是：① 所需线路数少，投资省，线路利用率高；② 在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换；③ 收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输。

并行传输指数据在多个信道上同时传输的方式。其特点是：① 在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换；② 需要n条信道的传输设施，故其成本较高。适用于要求传输速率高的短距离数据传输。

异步传输和同步传输

在串行传输时，每一个字符是按位串行地传送的，接收端要能准确地接收所传输的信息，必须知道：

每一位的时间宽度（位同步）。
每一个字符或字节的起始和结束（字符同步）。
每一个完整的信息块（或帧）的起始和结束（帧或块同步）。

同步是使接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据。通常采用异步传输或同步传输对信号进行同步处理。

异步传输被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位，起始位与停止位的极性不同。为了保证正确接收，利用一个频率为传输比特率的n(=16)倍的时钟，在每一个比特周期的中心采样

同步传输通常不是独立地发送每个字符（每个字符都有自己的开始位和停止位），而是把它们组合起来称为数据帧（简称帧）进行传送

区别：

异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。
异步传输的单位是字符，而同步传输的单位是帧。
异步传输通过字符起止的起始位和停止位来实现，而同步传输则需从数据中抽取同步信息。
异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。
异步传输相对于同步传输效率较低

单工、半双工和全双工

按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系，传输方式可分为三类：

单工指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号。
半双工指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行。又称“双向交替”模式。发/收之间的转向时间为20～50ms。
全双工指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号。

传输速率

传输速率指单位时间内传送的信息量，是衡量数据通信系统传输能力的一个重要指标。

常用的传输速率有两种：

调制速率(或波特率、码元速率)指单位时间内调制信号波形的变换次数。其单位是波特。

数据信号速率(或传信率、比特率)指单位时间内通过信道的信息量。其单位是比特/秒。

n 为并行传输的通路数；Ti为第 i 路单位调制信号波的时间长度(秒)；Mi为第 i 路调制信号波的状态数。

频带利用率指单位传输带宽所能实现的传输速率。

频带利用率是描述数据传输速率与带宽之间关系的一个指标。在衡量数据通信系统的效率时，既要考虑到传输速率，又要考虑到传输信号所占用频带宽度。因此，真正衡量数据传输系统信息传输效率的是频带利用率。

频带利用率通常与采用的调制及编码方式有关

传输损伤和传输质量

传输损伤

数据信号在数据通信系统的端到端连接的每个环节都可能受到伤害，ITU称之为传输损伤。并推荐用误码、抖动、漂移、滑动和时延来表示。

误码(Error)。指信号在传输过程中码元发生的差错，即接收与发送数字信号的单个数字之间的差异。
抖动(Jitter)。指码元出现的时刻随时间频繁地变化，也就是各有效瞬间相对于理想时间位置的短时间偏移。
漂移(Wander)。指码元各有效瞬间相对于理想时间位置的长期缓慢偏移。
滑动(Slip)。指一个信号序列在传输过程中，不可恢复地丢失或增加若干码元。
时延(Delay)。指信号的各有效瞬间相对于理想时间位置的滞后或推迟。

传输损伤的成因：

源于外界环境干扰(温、湿度，电气和机械突发干扰)和设备内部的技术缺陷(时钟提取、复接等，设备反常和调节不佳等)。
来自传输损伤之间的相互影响或转化

传输质量

衰减：当信号沿传输媒体传播时，其部分能量转换成热能或被传输媒体所吸收，而导致信号强度不断减弱的现象。

注意：

分贝是相对差别的度量。
系统中某些点的功率电平可用绝对功率来表示，其单位是dBm。m表示以1mW为参考的功率单位。
信号功率电平也可用相对于某个基准点的电平来表示，其单位是dBr。r表示相对的意思。

失真：信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变的现象称为失真。

衰减失真(或振幅失真)由衰减随频率的变化而引起的失真。衰减失真来源于电缆及系统中的滤波器。
相位失真(或群延时失真)由线路的相位-频率特性的非线性或不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真。

上述失真对数据传输的主要影响是使得码元信号波形展宽，从而引起码间串扰现象。

畸变：衰减和失真是引起信号波形畸变的主因。

数据信号畸变有两种：规则畸变和不规则畸变。

规则畸变信号波形按一定的法则有规律地发生代码畸变。

偏畸变

正偏—使“1”时间伸长，而“0”时间缩短。
负偏—使“1”时间缩短，而“0”时间伸长。

特性畸变

正特性畸变—使短“1”和短“0”两者都伸长。
负特性畸变—使短“1”和短“0”两者都缩短。

不规则畸变信号波形无规律地发生代码畸变。

噪声和干扰

噪声在数据信号的传输过程中，所引入的一些额外的非期望信号。

噪声有四种类型：

热噪声由带电粒子在导电媒体中的布朗运动引起的噪声。在１Hz带宽内，从热噪声源所得的噪声功率称为噪声密度。

若认为噪声与频率无关，在系统带宽(Hz)内，热噪声功率可表示为

交调噪声由多个不同频率的输入信号共用同一传输媒体，而引起输入信号的频率和或差，以及这些频率的多倍数的组合的信号。交调噪声源于通信系统的非线性。
串音一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号。串音是由通信线路之间存在耦合现象所致。
脉冲噪声一种突发的振幅很大且持续时间很短，被耦合到信号通路中的非连续的尖峰脉冲引起的干扰信号。脉冲噪声来源于各种自然的和人为的电火花。脉冲噪声对话音通信的危害并不十分显著，然而它却是数据通信差错的主要根源