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  • 数据通信的基本概念
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    2022-03-26 21:30:15

    一:通信的基本概念

    广义上,通信指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下采用任意方法,任意媒介,将信息从一方准确安全的传递到另一方。
    狭义上,通信就是信息的传输与交换,即信息的传递。

    ## 1.信息系统的层次结构

    传输—传递—利用

    物理层次-逻辑层次-系统层次

    2.通信网络的结构:

    三类主要设备:
    传输、交换、终端

    所有设备按照通信协议的规定协调工作。

    3.发展

    • 1864麦克斯韦预言电磁波的存在;
    • 1887赫兹实验证实了电磁波的存在;
    • 1896马可尼、波波夫发明无线电通信;
    • 1962年,美国发射第一颗通信人造卫星;
    • 1969年,APPANET问世,随之互联网技术及应用快速发展;
    • 1977,光纤通信系统投入使用;
    • 互联网、卫星、移动通信…

    二:通信系统组成

    通信系统:传输信息所需技术设备的总和。
    1.通信系统模型
    通信系统模型

    信源:

    产生或发出消息的人或机器。信息的发送源,信息通过信号承载,信源信号分为模拟信号,数字信号;
    模拟信号:特征量取值连续的信号(振幅、频率、相位)
    数字信号:特征量取值离散的信号;

    发送设备

    将信源和传输媒介匹配起来,将信源产生的消息信号变换成便于传送的形式。
    可能包含:变换、放大、滤波、编码、调制等过程;
    对于多路传输,还包括多路复用器;

    信道:

    传输媒介,分为无线、有线信道。
    信道特性、噪声影响质量。

    接受设备:

    从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号。解调、译码、解码、滤波、放大等;
    多路解复用。

    信宿:

    接受消息的人或机器;

    双向通信系统:

    即既是发送方又是接收方。

    分类:

    根据使用的信号:
    模拟通信系统-模拟信号传输;
    数字通信系统- 数字信号传输;

    模拟通信系统的组成

    简单的模型图

    数字通信系统的组成


    模块更多、更复杂一些。

    1.信源编码:提高信息传输的有效性,压缩信源中的信息冗余度。如果信源是模拟信号,还要先进行模数转换。

    2.信道编码:提高信息传输的可靠性,发端按特定的规则加入保护码元,收端进行相应的译码,以纠正传输过程中引入的错误。
    3.调制:将基带信号的频谱搬移到合适的频段以适应信道的传输。

    数字通信的主要优点:

    1. 抗干扰能力强,噪声不积累;
    2. 易于采用纠错编码(信道编码)控制传输差错;
    3. 易于加密处理,且保密度高;
    4. 便于处理、变换、存储;
    5. 易于集成,方便小型化;

    数字通信的问题

    1. 数据速率搞,占用频带宽
    2. 同步要求高;
    3. 实现复杂度高;
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  • 数据通信基本概念

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    串行通信和并行通信都是计算机科学中的概念,指的都是计算机内部或者计算机与外设之间的通信方式。 串行通信:Serial communication,是指使用一条数据线(另外需要地线,可能还需要控制线),将数据一位一位地依次...

    通信和通讯是一个意思,网上多有两词混用的,没什么区分的必要,都指的是数据/信息的传输。本文使用通信一词。

    一.通信分类

    1.1 串行通信和并行通信

    串行通信和并行通信都是计算机科学中的概念,指的都是计算机内部或者计算机与外设之间的通信方式。

    串行通信:Serial communication,是指使用一条数据线(另外需要地线,可能还需要控制线),将数据一位一位地依次传输,如下图所示。

    数据通信的基本概念_水印-1

    并行通信:Parallel communication,是指使用多条数据线,同时传输多bit数据,如下图所示。

    数据通信的基本概念-2

    计算机通信经历了从串行 -> 并行 -> 串行的发展历程。

    最开始,人们采用串行通信,因为那时计算机和外设的数据处理速度都较慢,需要传输的数据量较小,所以串行通信就能满足需求了。

    但随着计算机的发展,要传输的数据量加大,一次传输一bit太慢了,所以通信方式开始转向并行通信,一次可以传输多bit数据。理论上,并行通信的传输速率是串行数据的N倍(N为并行数据线的条数)。显然,要提高并行通讯的传输速度有两个办法:

    一是增加数据线的条数,条数增加则需要消耗更多的芯片接口,也需要更多的PCB走线和物理信号线;

    二是增加发送时钟的频率,使得一个bit占用的时间变少。

    数据线条数不能一直增加,它受到实际物理条件的限制,那增加发送时钟频率貌似是个好办法。当人们将时钟频率上升到几MHz甚至几十MHz的时候,并行通信的多通道同步问题开始出现,即接收方要成功解码出发送的数据需要几个数据通道的数据同时到达,否者数据就会错乱。例如,8根数据线的并行通信,先传输8bit数据0000_0000,再传输1111_1111,当发送时钟很快时,因为每根数据线长度不一致以及线路上寄生参数的影响,有的通道bit到达快,有的到达慢,这时接收方就无法还原出真实的发送数据,对接受方来说,收到的可能是0011_0111,这就是数据错乱。

    当发送速度(MHz/GHz)太快时,并行通信数据通道间的同步变得极其困难,甚至根本不可能。

    这时候人们发现,串行通信就没有通道同步问题,发送时钟频率可以很快,可以达到几十甚至上百GHz,这时串行通信的传输速度大大超过了并行通信,而且使用的信号线更少,于是人们又开始将串行通信作为计算机通信的主要方式

    1.2 单工通信,半双工通信和全双工通信

    单工通信,Simplex communication,数据只能从一个方向向另一个方向传输,而不能反过来,如数据只能A发送B接收,而不能B发送A接收。相关应用:电视、广播。

    image-20210610201212882

    半双工通信,Half Duplex communication,数据可以双向传输,但是,在同一时刻,只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信。相关应用:对讲机。

    image-20210610201223794

    全双工通信,Full Duplex communication,数据允许同时在两个方向上传输,它要求数据两头的设备都有独立的发送和接收数据的能力。相关应用:电话。

    image-20210610201235258

    二. 同步通信和异步通信

    并行通信因为应用少,并没有去区分同步还是异步。只有串行通信有同步异步的区分。

    同步和异步通过什么特征来区分众说纷纭,大概有两种流派:

    1. 发送方和接收方共用一条时钟线的称为同步通信,如SPI;不共用时钟线则称为异步通信,如CAN。

    2. 数据中有同步字符的,像以太网中的前导码,以接收到同步字符视为数据字符的开始的通讯方式称为同步通信,反之,异步通讯中没有同步字符,而以起始bit位和停止bit位作为数据开始和结束的标志,如UART。

    个人认为流派1逻辑更清晰,流派2以同步字符/起始位停止位来区分不够抽象。

    2.1 同步通信

    发送方和接收方共用一条时钟线,如下图所示。

    image-20210610233732516

    2.2 异步通信

    异步通信不传输时钟,但接收方时钟仍然必须和发送方保持一致,这就有两个办法:一是双方约定好以哪个时钟频率收发数据;二是接收方根据数据的一些特点推断出发送数据的时钟频率,这个技术称为时钟恢复技术,使用最广泛地时钟恢复技术就是PLL(Phase-Locked Loop,锁相环)技术。

    2.3 特别说明

    需要特别说明的是,同步/异步通信并没有什么明确的定义,本文也是根据各种书籍以及网络资料总结给出的两者定义,可能与其它地方的说法不同。

    三. 常见通信词汇的含义

    3.1 比特率

    比特率_百度百科 (baidu.com)

    比特率 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

    比特率(Bit Rate)在电信和计算领域是指单位时间内传输送或处理的比特的数量。这时连接速度传输速度数字带宽容量都是比特率的同义词。在音视频领域,比特率是码率的同义词,用来表征音视频的质量。

    比特率单位是bit per second(比特每秒,bit/s 或 bps),通常与“千”,“兆”关联使用,如kbps,Mbps,Gbps,换算关系如下:

    1Gbps = 103Mbps = 106kbps = 109bps

    3.2 带宽

    带宽 (计算机) - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

    带宽 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

    带宽_百度百科 (baidu.com)

    带宽一词应用的领域非常多,在无线电通信中,带宽是调制载波占据的频率范围。

    对模拟信号来说,带宽又称频宽,单位是Hz,通常我们说的示波器带宽,滤波器带宽都是指的频宽。

    在数字通信领域,带宽指的是单位时间内能传输的最大数据量,单位是bps,简单来说,带宽 = 最大比特率。

    为了防止混淆,在描述通信速度时,不要使用带宽一词,而用比特率来描述,这样不会引起歧义。

    3.3 波特率

    波特率 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

    波特率_百度百科 (baidu.com)

    波特(Buad,简写Bd)指的是有效数据讯号调制载波的速率,即单位时间内载波状态变化的次数,调制速率是波特的同义词。

    关于波特有两个个易错点需要注意:

    1. 波特本身已经是速率,所以不需要写成Buad Rate,一般中文口语化的沟通上还是常以“波特率”来描述“波特”,其实是不严谨的,但也不能说错
    2. 波特表示的是变化的次数,是个纯数字量,是没有单位的,以“波特每秒”(Baud per second)为单位是一种常见的错误

    为解释清楚波特的概念,这里引入另一个名词——码元。

    在数字通信中,常常用时间间隔相同的符号来表示数字。这样的时间间隔内的信号称为码元,这个间隔称为码元长度。而波特率就是表征码元传输速率单位,它表示单位时间传输了多少个码元

    波特和比特率有时会混淆,两者都是对通信速率的描述,但并不等同,实际上波特与比特率的换算关系如下:

    比特率 = 波特 * log2N,其中N为码元的状态数,举例说明:

    如果在数字传输过程中,用0V表示数字0,5V表示数字1,那么每个码元有两种状态0和1(N=2),每个码元代表一个二进制数字。此时的每秒码元数和每秒二进制数是一样的,这叫两相调制,波特率等于比特率

    如果在数字传输过程中,0V、2V、4V和6V分别表示00、01、10和11,那么每个码元有四种状态00、01、10和11(N=4)。每个码元代表两个二进制数字。此时的每秒码元数是每秒二进制数是一半的,这叫四相调制,波特率等于比特率的一半

    3.4 通信协议与通信标准

    网络传输协议 - 维基百科,自由的百科全书 (wikipedia.org)

    通信协议_百度百科 (baidu.com)

    收发双方要能够交换数据就必须遵守同一套规则,通信协议就是通信的规则。它规定了通信的内容,通信的方式和通信的时间。

    通信协议主要由以下三个要素组成:

    语法:即如何通信,包括数据的格式、编码和信号等级(电平的高低)等。

    语义:即通信内容,包括数据内容、含义以及控制信息等。

    时序:即何时通信,明确通信的顺序、速率匹配和排序。

    通讯标准指的是那些经过权威机构(如IEEE,ISO,中国国家标准委员会)认证并发布的通讯协议,通信标准通常规定了通信协议的各个细节,它主要是为了保证收发双方在设计时都有确定的参考。举个例子:电脑外设广泛使用的USB就是一种通讯标准,键盘和主板厂商不需要事先沟通,它们只要都遵照USB标准去设计,最后设计好的键盘插到主板USB接口上就能正常通讯。

    通讯协议是一个宽泛地概念,我们自己也可以发明各种通讯协议,而只有那些优秀的,为大众接受的通信协议才能并发布为通信标准。当然,很多通信标准都被淘汰了,但它们几乎都流行过。

    对于那些我们常听说的通信协议,几乎都是通信标准,所以,大部分时候通信协议和通信标准是同义词。

    3.5 通信物理接口

    我们经常说USB接口,网口,HDMI口,这里说道的接口其实有两个含义:一是指USB协议,以太网协议等;二是指物理上的接口,像USB那反人类的无法正反插从外观上又无法直接知道连接方向的USB口(如下图),或是标准的RJ45网口(如下图)。

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    这里的USB接口既包含了USB协议也包含了物理上的USB口,这里因为USB标准在规定了数据通信协议的同时也将物理接口一并规定了,所以很多时候我们说xx接口其实既指通信协议也指通信物理接口。

    但是,还是有大量的通信标准是只规定了通信协议,而没有指定物理接口的,最常见的就是UART,这时一般就不说UART接口,因为UART是没有标准物理接口的,而只说UART协议。

    所以,当学习通信标准时,要特别注意此标准是否规定了物理接口,这对于理解协议、设计通信电路都是很重要的。

    通常我们从物理接口上也能大致知道这个通信协议是高速的还是低速的,一般pin脚小而排布密集的是高速接口,pin脚间距大的则是低速接口。这里因为高速接口通常是差分走线,差分pin排布密集。

    To be continue…

    四. 总结

    本文主要介绍了数据通信的一些基本概念,包括通信分类,同步/异步通信,以及一些常见的通信名词的解释。在深入学习各种通信协议之前,了解清楚这些基本概念是很有必要的。因本人对通信的理解还不深入,虽然查阅了相当多的资料,但也难免错漏,如发现错漏,欢迎在评论区指出。

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  • 第3讲 数据通信基本概念.pptx
  • 数据通信基本概念与理论基础

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    信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。

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    橙色代表说明

    信息、数据与信号,数据通信
      交换信息是通信的目的。
      信息的载体是数据,数据的形式可以是数字,文字,语音,图形或图象。
      计算机产生的信息一般是字母、数字、符号以及多媒体信息的组合,为传送这些信息,首先要将这些信息用二进制代码表示。
      数据通信就是指在不同计算机之间传送这些二进制代码0、1比特序列的过程。
      多媒体信息在数据通信系统中的传输。其特点是:要求数据通信系统具有高速率低延时的特性。
      信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。分为模拟的数字的
    傅立叶分析
      任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 可分解为若干项(可能无限多项)正弦和余弦函数之和:
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述
    有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals)
      信号在信道上传输时的特性
        信道有截止频率fc,信号在其上传输时,0 ~ fc的振幅不衰减, fc以上的振幅衰减厉害,这主要由信道的物理特性决定, 0 ~ fc称为信道的有效带宽
        信道对不同傅立叶分量信号的衰减不同,因此引起输出失真
        实际使用时,可以接入滤波器,限制用户的带宽------有限带宽信号
        通过信道的谐波次数多,信号逼真。
    波特率(baud)和比特率(bit)
      波特率
        信号每秒钟变化的次数,也称调制速率、码元速率。
      比特率
        每秒钟传送的二进制位数
      波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。
      比特率 = 波特率 * log2(N)(N表示信号每秒钟变化的次数)
    信道的最大数据传输速率(理想信道)
      奈奎斯特采样定理
        当采样频率达到或大于信号中最高频率的2倍时,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。
        采样定理是信息量化的基础,是将连续的模拟量表示成离散的二进制比特的理论依据
      奈氏准则
        无噪声有限带宽信道的最大码元传输速率公式:
           最大码元传输速率=2W Baud
           其中W是无噪声有限带宽信道的带宽,单位为赫兹;Baud是波特,即码元传输速率的单位。
        最大比特数据传输率公式
          最大比特数据传输率 = 2W log2V (bps)
          是信号电平级数。(简单来说就是信号每秒钟变化的次数)
    信道的最大数据传输速率(有噪声信道)
      香农(C. Shannon)把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机(热)噪声干扰的情况。
      热噪声出现的大小用信噪比S/N(信号功率与噪声功率之比)来衡量。一般给出10 lg S/N( db )
      香农的主要结论是:
        带宽为 W 赫兹,信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为:
           最大数据传输率 = W log2(1 + S/N) (bps)
        电话系统的典型信噪比为30db。
        此式是利用信息论得出的,具有普遍意义。
        与信号电平级数、采样速度无关。
        此式是理论极限,难以达到。

    展开全文
  • 数据通信概念数据通信系统模型及数据通信 方式。其中数据通信方式按照信道传输方式可分为串行通信和并行通信;按照消息传递方向与时间关系可以分为全双工通信、半双工通信、单工通信。

    1.数据通信概念

    数据通信是按照一定的通信协议,在两点或多点之间通过某种传输媒介(电缆、光缆),以数字二进制信息单元的形式交换信息的过程。

    记忆方法

    数据通信:数据+通信

    ①数据:二进制的信息

    ②通信:信息交换的过程叫做通信

    ③数据通过硬件传输,通过软件控制

    2.通信系统模型

    通信系统最基本的模式位点对点通信。

    图:通信系统模型

    从大的方面来讲,通信系统分为发送端,信道,接收端。例:两个情侣吵架,男的给女的打电话道歉,男的为发送端,女的为接收端,中间的传送的媒介我们看作为信道。

     信源:产生信息的设备或终端。

    变换器:把信源产生的非电信号转换成电信号,转换的电信号还要适合在信道上传输。所以变换器的两个功能为①非电信号转换成电信号;②对电信号进行处理,使其适合在信道上传输。转变处理的方式有多重,如调制、数模转换、加密、纠错等等。

    信道:信号媒介。这里分为无线信道和有线信道。

    噪声:此处可以理解为各种干扰,有自身的干扰还有来自外部的干扰。

    反变换器:变换器的逆变换。

    信宿:信息传递的终点。

    3.通信系统方式

    (1)按照信道传输方式

    数据在信道上传输分为两种,一种为串行通信,一种为并行通信

    串行通信方式跟串行电路一样,使用一根数据线,将数据一位一位的进行传输。发送端发送一位,接收端接收一位,每一位为0或者1。

    串行通信的优点:由于使用的线路少,适合远距离传输,可以节省通信成本。

    串行通信的缺点:由于一次只能传一位,所以传输速度慢。

    图:串行通信方式

    一组数据分多条线路同时由发送端发给接收端,这种方式叫做并行通信方式。

    并行传输的优点:由于多条线路一起传送数据,所以它的通信速度快,传输效率高。

    并行传输的缺点:使用多条线路,成本高,不适合远距离通信。

     

    图:并行通信方式

     (2)按照消息传递方向和时间分类

    按照消息传递的方向和时间分类可以分为:全双工通信、半双工通信、单工通信3种方式。

    全双工通信指的是终端A和终端B可以在任意时刻,同时传输。即在同一个时刻,终端A可以发送数据给终端B,终端B也可以发送数据给终端A。全双工的模式下,终端A和终端B都有发送器和接收器。全双工的通信方式不需要进行方向切换,所以没有切换的延迟,对不能有时延的应用如远程监控和控制系统有利。 

    图:全双工通信

    半双工通信指的是终端A可以给终端B发送消息,终端B也可以给终端A发送消息。但是他们不能同时相互发送消息。即同一个时刻只允许一段往另外一段发送。半双工通信方式下,终端A和终端B也都具有发送装置和接收装置。例如对讲机就是典型的半双工通信,一方按住按钮通话时,另一方只能够接收。

       

    图:半双工通信

    单工通信指的是在同一时间内只允许终端A向终端B发送消息,终端B只能够接收消息。单工通信一般用广播类型的通信。

     

    图:单工通信

     

     

     

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空空如也

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数据通信的基本概念