初步瞭解數據通信的基礎知識

首先先來了解一下數據通信中的幾個常用術語，之後再給大家展示一下數據通信的一些基礎知識：

• 消息（message）：通信的目的就是傳送消息，如語音、文字、圖像、視頻等都是消息；

• 數據（data）：數據是運送消息的實體，也可以說，數據是使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號序列，這種信息的表示可用計算機或其他機器（或人）處理或產生；

• 信號（signal）：信號是數據的電氣的或電磁的表現，根據信號中代表消息的參數的取值方式不同，信號可分爲以下兩大類：

  1. 模擬信號，或連續信號：代表消息的參數的取值是連續的，例如在上面的數據通信系統圖中，用戶家中的調制解調器到電話端局之間的用戶線上傳送的就是模擬信號；

  2. 數字信號，或離散信號：代表消息的參數的取值是離散的，例如在上面的數據通信系統圖中，用戶家中的計算機到調制解調器之間，或在電話網中繼線上傳送的就是數字信號，在使用時間域（或簡稱爲時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形就稱爲碼元，需要注意的是，一個碼元所攜帶的信息量是不固定的，而是由調製方式和編碼方式決定的，例如在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態而另一種代表1狀態。

1 數據通信系統

一般地，一個數據通信系統可劃分爲下列三大子系統：

• 源系統（或發送端、發送方），源系統一般包括以下兩個部分：

  1. 源點（source）：源點設備產生要傳輸的數據，例如，從計算機的鍵盤輸入漢字，計算機產生輸出的數字比特流，源點又稱爲源站，或信源；

  2. 發送器：通常源點生成的數字比特流要通過發送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸，典型的發送器就是調製器，現在很多計算機使用內置的調制解調器（包含調製器和解調器），用戶在計算機外面看不見調制解調器。

• 傳輸系統（或傳輸網絡），傳輸系統可以是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統和目的系統之間的複雜網絡系統。

• 目的系統（或接收端、接收方），目的系統一般包括以下兩個部分:

  1. 接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，並把它轉換爲能夠被目的設備處理的信息，典型的接收器就是解調器，它把來自傳輸線路上的模擬信號進行解調，提取出在發送端置入的消息，還原出發送端產生的數字比特流；

  2. 終點（destination）：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，然後把信息輸出（例如，把漢字在計算機屏幕上顯示出來），終點又稱爲目的站，或信宿。

2 信道的基本概念

信道（channel）一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，注意，信道和電路並不等同，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。

從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有三種基本信道：

• 單向通信：又稱爲單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互，無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬於這種類型；

• 雙向交替通信：又稱爲半雙工通信，即通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也就不能同時接收），這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間後可以再反過來；

• 雙向同時通信：又稱爲全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息，單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道（每個方向各一條），顯然，雙向同時通信的傳輸效率最高。

需要注意的是，有時人們也常用“單工”這個名詞表示“雙向交替通信”，如常說的“單工電臺”並不是只能進行單向通信。

來自信源的信號常稱爲基帶信號（即基本頻帶信號），像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號，基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量，爲了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調製（modulation）。

對基帶信號的調製可分爲兩大類：

• 基帶調製：僅僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應，變換後的信號仍然是基帶信號，由於這種基帶調製是把數字信號轉換爲另一種形式的數字信號，因此大家更願意把這種過程稱爲編碼（coding），以下爲一些常用的編碼方式：
  

  1. 不歸零制：正電平代表1，負電平代表0；

  2. 歸零制：正脈衝代表1，負脈衝代表0；

  3. 曼徹斯特（Manchester）編碼：位週期中心的向上跳變代表0，位週期中心的向下跳變代表1，但也可反過來定義；

  4. 差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變，位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。

  從信號波形中可以看出，曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高。從自同步能力來看，不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼具有自同步能力。

• 帶通調製：需要使用載波（carrier）對基帶信號進行調製，把基帶信號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換爲模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸，經過載波調製後的信號稱爲帶通信號（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道），以下爲幾種基本的帶通調製方法：
  

  1. 調幅（AM）：即載波的振幅隨基帶數字信號而變化，例如，0或1分別對應於無載波或有載波輸出；

  2. 調頻（FM）：即載波的頻率隨基帶數字信號而變化，例如，0或1分別對應於頻率f1或f2；

  3. 調相（PM）：即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化，例如，0或1分別對應於相位0度或180度。

  實際上，爲了達到更高的信息傳輸速率，必須採用技術上更爲複雜的多元制的振幅相位混合調製方法，例如正交振幅調製QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

3 信道的極限容量

雖然數字通信的優點就是：雖然信號在信道上傳輸時會不可避免地產生失真，但在接收端只要我們從失真的波形中能夠識別出原來的信號，那麼這種失真對通信質量就沒有影響。但是，需要注意的是，任何實際的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率進行傳送，碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。

從概念上講，限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有以下兩個：

1. 信道能夠通過的頻率範圍：具體的信道所能通過的頻率範圍總是有限的，信號中的許多高頻分量往往不能通過信道。如圖上所示的發送信號是一種典型的矩形脈衝信號，它包含很豐富的高頻分量，如果信號中的高頻分量在傳輸時受到衰減，那麼在接收端收到的波形前沿和後沿就變得不那麼陡峭了，每一個碼元所佔的時間界限也不再是很明確的，而是前後都拖了“尾巴”，這樣，在接收端收到的信號波形就失去了碼元之間的清晰界限。這種現象叫做碼間串擾，嚴重的碼間串擾使得本來分得很清楚的一串碼元變得模糊而無法識別。所以，在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成爲不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。

2. 信噪比：噪聲存在於所有的電子設備和通信信道中，由於噪聲是隨機產生的，它的瞬時值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤（1誤判爲0或0誤判爲1），但噪聲的影響是相對的，如果信號相對較強，那麼噪聲的影響就相對較小，因此，信噪比就很重要。所謂信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記爲S/N，並用分貝（dB）作爲度量單位，公式如下：
   
   信息論的創始人香農（Shannon）用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限無差錯的信息傳輸速率，假定信道的極限信息傳輸速率爲C，公式如下：
   
   式中，W 爲信道的帶寬（以 Hz 爲單位），S 爲信道內所傳信號的平均功率，N 爲信道內部的高斯噪聲功率。

   香農公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高，可以說，香農公式指出了信息傳輸速率的上限。香農公式的意義在於：只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種辦法來實現無差錯的傳輸，只不過，香農沒有告訴我們具體的實現方法，這就需要大家一起去研究了。

參考資料：《計算機網絡》第七版（謝希仁著）