通信基础

▲ 通信媒体

共有三种类型的传输媒体,每一种类型都有许多品种。第一种媒体是铜、铁等金属导体。第二种媒体是透明玻璃或塑胶绳,它们可以通过光波实现数据传输。第三种媒体根本不需要物理连接,而是依靠电磁波,正如无线电视和无线电广播一样。它们的生产成本都不一样。另外,它们连接的设备成本也有差别。

各种媒体每单位时间传输的比特位有两个重要的指标:比特速率和带宽。比特速率是每单位时间传输比特位的量度标准,单位是bps。带宽就是媒体能够传输的最高频率和最低频率的差值。比如说,电话信号的频率是300~3300Hz,那么它的带宽就是3000Hz。从技术角度上说,带宽和比特速率是两个不同的概念,但是它们之间有重要的联系。

要在两台设备之间传送比特位,通常需要一个物理连接,或是利用无线电和电视广播中使用的电磁波。下面介绍几种物理连接的方法及无线通信技术。

金属导体:双绞线

双绞线由扭在一起的两根绝缘铜线组成。双绞线通常用于传输平衡信号。也就是说,每条导线都带有电流,但它们分别携带的信号相位相差180度。外界电磁干扰给两个电流带来的影响将相互抵消,从而使信号不至于迅速衰退。螺旋状结构有助于抵消电流流经导线过程中有可能增大的电容。



双绞线的模拟信号带宽可以达到250kHz。数字信号的数据速率随距离而不同。比如说,快速以太网的局域网协议采用双绞线传输数据,速率可达100Mbps,每段长100米。

金属导线:同轴电缆

同轴电缆由四个部分构成。最里层是铜质或铝质导体,和双绞线一样,裸线携带着信号。外面是一层绝缘体,防止金属导体碰到第三层材料。第三层通常是一层紧密缠绕的网状导线。这种编织导线起着屏蔽作用,保护裸线免受电磁干扰。同时它也能防止动物破坏裸线。最外层是起保护作用的塑料皮。



由编织导线构成的屏蔽层能够很好地隔离外来的电信号。因此,同轴电缆大约有100MHz的带宽,数据速率可达500Mbps。然后,同轴电缆要比双绞线昂贵的多。同轴电缆通常采用基带模式或宽带模式传输信息。

光导纤维

光纤线的三个主要部分是核心、覆层和保护层。核心部分由纯净的玻璃或塑胶材料制成。覆层包围着核心部分,它也是玻璃或塑料的,但它的光密度要比核心部分低。



无线通信

有两种类型的无线通信十分重要:微波传输和卫星传输。微波传输一般发生在两个地面站之间。如果要实现长途传输,可以在中间设置几个中继站。卫星传输是微波传输的一种,只不过它的一个站点是绕地球轨道运行的卫星。

以下是各种传输媒体的比较:

编码

无论媒体是使用光波、电流还是微波,都无法避开一个可能是最基本的通信问题:信息是怎样被编码成适合传输的格式的?计算机能够存储的最小单元是比特位,用0和1表示。0和1任意组合可以对应莫个确定的内容,这种联系称为编码。目前有很多种编码。比较讨厌的问题是如何在编码不同的设备之间建立通信。为了使通信容易一点,人们发明了一些标准的编码格式。然而即使是这些标准,也各不相同,互不兼容!通信领域里有一句更加深刻的话,“标准的唯一问题就是它们太多了。”。最广为流传的编码是ASCII码。第二种最常用的编码是EBCDIC码。另外还有博多码、莫尔斯码和BCD码。

数字编码方案

数字信号和数位化编码的数据之间存在着自然的联系。数位化存储的数据表现为0和1的序列。由于数字信号能够在两个恒量之间交替变换,所以可以把0赋给一个恒量,1赋给另一个恒量。恒量的取值并不重要,为了保持论述的普遍性,我们把它们称为“高电平”和“低电平”。

不归零法编码(NRZ)

不归零法编码可能是最简单的一种编码方案。它传送一个0时把电压升高,而传送一个1时把电压降低。这样通过高低电平的变换可以传送0和1的任何序列。NRZ指的是在一个比特位的传送时间内,电压是保持不变的(比如说,不回到零点)。图2-31描述了二进制串10100110的NRZ传输过程。


NRZ编码虽然简单,但是却存在一个问题。假设我们传送一个“0的序列”,到底是多少个0呢?对于这个问题,你会回答说着取决于一个比特位的持续时间。这会给数据传输带来什么样的影响呢?当一台设备传送一个比特的数字信号时,它将在一定的周期T内,产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设备必须知道信号的周期,这样它才能在每个T时间单元内对信号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保两个时钟使用同样的T。下一个问题是:所有的时钟总是能保持一致吗?几乎可以肯定的说不能。就像指挥家确保演奏者的同步一样,通信设备也需要某种机制以使它们的定时保持一致。不变的信号不具备同步机制。但如果信号可以改变的话,这种改变就可以用来保持设备的同步。有些强制信号改变的编码方案就是这个原因。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步。也有人称之为同步码。为了避免2-32中出现的情况,它用电压的变化来分辨0和1。它明确规定,从高电平到低电平的跳变代表0,从低电平到高电平的跳变代表1。图2-33给出了比特串01011001的曼彻斯特编码。



如图所示,信号的保持不会超过一个比特位的时间间隔。即使是0或1的序列,信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变。这种跳变将允许接收设备的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码的一个缺点是需要双倍的带宽。也就是说,信号的跳变频率是NRZ编码的两倍。

这种编码的一个变形称为差分曼彻斯特编码。与曼彻斯特编码的区别是在每个时间间隔的开始处。0将使信号在时间间隔的开始处发生跳变,1将使信号保持它在前一个时间间隔尾部的取值。在这里我们通过检查每个时间间隔开始处信号有无跳变来区分0和1。检测跳变通常更加可靠,特别是线路上有噪音干扰的时候。如果有人把连接的导线颠倒了,也就是把高低电平颠倒了,这种编码仍然是有效的。

模拟信号

模拟信号的处理给数据通信添加了复杂性。其中一个问题是数字计算机不兼容于模拟传输媒体。我们需要一种能够将数字信号转换为模拟信号(调制)的设备和一种能够将模拟信号转换为数字信号(解调)的设备。调制解调器实现了这两种功能。

模拟信号以其频率、振幅和相移为特征。模拟信号要比一个简单的正弦波复杂的多。振幅、频率和相移的变化数不胜数。那么需要对不同的模拟信号的函数作单独的分析吗?答案是否定的。著名数学家傅立叶提出一个定理:任何一个周期函数都可以表示成无数个具有不同振幅、频率和相移的正弦函数的和。这个和称为傅立叶级数。它的重要性在于无论周期函数多么复杂,它们都包含有同样的成分。   现给出一个数学描述。假设s(t)是一个周期为P的周期函数。依据傅立叶变换的其中一种形式:



对我们来说,重要的是傅立叶变换告诉我们每一个周期信号都是具有不同频率和振幅的模拟信号的叠加。从中可以得出一个结论:媒体发送和分解一个模拟信号的能力取决于它能够处理的频率的范围(带宽)。

傅立叶变换的应用

傅立叶变换是学习通信的基础。在一个带宽有限的媒体上传送一个复杂的模拟信号就和用傅立叶级数来近似一个函数一样。

傅立叶变换也可以应用于硬件的设计。比如,一个滤波器可以挡住某一频率,而让其他频率通过。它有非常广泛的应用。

▲ 比特率

尼奎斯特定理和无噪声通道

给定一种媒体,它能够传送多少个比特?我们使用比特率来描述一种媒体的容量,其单位为比特每秒(bps)。通信理论中有一个重要的定理给出了比特率和带宽的关系。很简单,媒体的带宽越大,比特率越高。

比特率取决于两个要素:信号单元变化的频率(波特率)和比特串中比特的个数n。事实上,比特率=波特率×n。但是一些经典的结论给出了数据速率的上限。尼奎斯特指出,如果媒体传输的最大频率为F,那么接收方只要以每秒2f次的频率进行采样,就能完整地重现信号(这是对于完全无噪声信道而言)。现假设发送方以1/(2f)的时间间隔改变信号。也就是说波特率为2f。根据尼奎斯特定理可以得到:

比特率=波特率×n=2f×n=2f×log2(B);B是不同单元的个数

噪声通道

到目前为止,似乎没有证据证明给定最大频率的数据速率存在一个上限。然而我们给出两个强有力的论据。首先,信号单元的个数越多,它们之间的差别就越小。另一个论据是很多通道都受噪声的影响,这意味着一个传输信号可能会发生畸变。

香农定理

香农定理将最大的数据速率和频率以及信噪比联系在一起,明确指出

比特率=带宽×log2(1+S/N) bps

这一公式表明带宽和信噪比越大,比特率就越高。

▲ 数模转换

把数字信号转换成模拟信号并不困难。只需要为一组一个或多个的比特值分配一个特定的模拟信号。模拟信号有三种变化方式:频率,振幅和相移。

频率调制

第一种方法称为频移键控(FSK),也叫频率调制,它给数字0和1分别分配一个模拟信号频率。频率调制也可以使用更多的频率,一般的,n个比特位可以有2^n个组合,每一个组合可以对应2^n个频率中的一个。这样的话,比特率就是波特率的n倍。

调幅

幅移键控(ASK),也叫调幅(AM),类似于频移键控。

相位调制

相移键控(PSK),也叫相位调制(PM),也是和前面类似的一种技术。信号的差异在于相移,而不是频率或振幅。通常,一个信号的相移是相对于前一个信号而言的。因此,它也经常被人们称为差分相移键控(DPSK)。如前所述,n个比特位的每一个组合可以对应于2^n个相移中的一个,从而使比特率n倍于波特率。

正交调幅

信号模式的数目越多,意味着比特率相对于波特率的倍数越大。问题是要提高比特率就必须增加信号的个数,从而也将减小信号间的差别。一种普遍的解决方案是结合使用频移,振幅和相移,这样不但可以增加合法信号的数目,也能让信号之间保持较大的差异。一种常用的技术称为正交调幅(QAM),它为每个比特组合分配一个给定振幅和相移的信号。这样对于两种不同的振幅和4种不同的相移可以产生8种不同的信号,可以对应于一个3比特位组。注意相同的比特位(比如3个比特位011)所产生的信号并不总是一样的。当然,他们的振幅是一致的。但是相移是相对于前一个信号的终止位置而言的。因此,尽管两者的相移都是1/(4f),它们的开始位置却不同。

模数转换

如果模拟信号的特征是不变的,那么只需要检查信号的振幅、频率和相移,并产生相应的数字信号即可。如果碰到特征不断变化的模拟信号时该怎么办呢?它们比数字数据产生的信号要复杂的多,并且需要另一种转换技术。

脉冲幅度调制

数字化模拟信号的方式之一是采用脉冲幅度调制(PAM)。其处理过程相当简单:按一定的时间间隔对模拟信号进行采样,接着产生一个振幅等于采样信号的脉冲。

脉码调制

由PAM产生的信号看起来似乎是数字式的,但由于脉冲的幅度和采样信号一样,所以其取值是随意的。使脉冲真正数字化的一种方法是为采样信号分配一个预先确定的振幅。这种处理方法称为脉码调制(PCM)。接收端重建模拟信号的精确度取决于两个要素。其一是采样的频率s。其二是可以选择的振幅的个数。根据尼奎斯特定理,如果原始信号的最大频率为f,那么不管s>2f,还是s=2f,其效果都是一样的。采样信号的幅度如果和脉冲之间的相对差距较大的话,重建信号将出现畸变现象。

还有其他调制技术。比如,脉冲宽带调制是通过产生振幅相等而宽度变化的脉冲来对信息进行编码。差分脉冲编码调制测量连贯的采样之间的差分。增量调制是差分脉冲编码调制的一种变形,它的每个采样只用一个比特位。

posted on 2006-10-07 17:06 darkstax 阅读(1004) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 数据通信与网络教程

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