數字通信原理的介紹？

結合本人在清華學習數字通信原理這門課程的下經驗和體驗,來談談對數字通信原理的理解吧,這門課程屬于電子和通信專業的專業課,電子和通信專業的課程主要有:矩陣論、泛函分析、數值分析、半導體光電子學導論、半導體器件物理、固體電子學、電子信息材料與技術、現代材料分析技術、電路設計自動化、電路優化設計、數字信息處理、信息檢測與估值理論、導波原理與方法、導波光學、微波電路理論、高等電磁場理論、應用信息論基礎、數字通訊、系統通信網絡理論基礎。

數字通信課程到底是什么,總的來說,學習理解好這門課程之前,你的高等數學,隨機過程與概率論,矩陣論、泛函分析、數值分析等數學課程的功底要求好,但也可能你數學功能好,學習完這這門功課以后,也有可能卻對數字通信原理一無所知。

如果要對數字通信原理有更加深入的理解,首先,就必須先明白通信的概念,通信到底是什么呢？其實每一本有關通信的書里，一般都會介紹類似下面的三個：一、通信的目的：將信息從發端”搬運“到收端。二、衡量通信過程的指標：有效性和可靠性。三、完成通信的手段：和具體信道和收發端有關系。其實這也是題主問題里所問的一切，那一切的東西，都是手段。

一切通信都離不開這三個方面。就如同你和其他人交流的時候可以通過聲音，你想表達的是你的信息，通過的信道是空氣。那么你的通信手段就是: 首先將你想說的內容調制到聲音頻率上，然后發送你想說的話給你的聽眾，然后你的聽眾接收到了你的發送信號（聲音），然后理解（解調和譯碼）了你的意思。你看這就是一個通信過程。

那么考慮這樣或那樣的問題，面對不同的信道，不同的人群，如何能有效并可靠的將你的信息給別人呢？那就要考慮各種實際的問題了。如果你在太空中，沒有任何聲音可以傳播的介質，你能通過大聲喊（就認為這是一種編碼、調制并發送的過程好了）讓別人聽見嗎？答案當然是否啦。不過近距離的話你可以通過手勢，眼神等其他（編碼、調制）方式來完成交流，這就是面對不同信道的一種解決方案了。那么再考慮另外一種情況，如果你和一個略通中文歪果仁用中文對話，你當然不可能用很快的語速來交流了，那么降低你的說話頻率（碼率或者速率）就是一種不錯的解決方案了。這個過程你可以看做是一個面對條件不好的接收機，所作出的次優選擇了。

回過頭來，題主所問的隨機信號呀，信道呀，編碼呀，這些都是面對實際中的具體問題而出現的。我們最常用的地面無線信道，發送的是電磁波，發送端和接收端是天線，介質是空氣。因為衰落和天線尺寸的關系，我們只能選取高頻的電磁波作為載體，那么就需要調制。經過的信道由隨機的衰落和噪聲（噪聲的來源有機器的電子噪聲，也有其他信號的干擾混疊），那么想研究這個通信過程，就必須考慮隨機的噪聲，那么這就到了隨機信號分析。調制過的信號帶寬并不是無窮的（這個你通過高數里的傅里葉變換就可以看出），因此這個信號是在一定頻帶內傳輸的，那么我們設計濾波器的時候，只考慮信號頻帶內的傳輸就可以，這就是帶通系統。等你學了信息論之后，你會發現，模擬信號的熵是正無窮，也就是說，你無法通過有限長度的有限進制的數組表示任意一個浮點數。換句話說，當信息是模擬信號，在通過一個有噪信道之后，無法完完全全的恢復原始信號。并且為了便于實際數字電路和運算處理，二進制表述的信號，是最容易處理的一種方式（當然不是最優方式）；因此現代的通信系統，都是數字系統。在將原始信號轉化成數字信號，同時希望數字信號越短越好（信源編碼：采樣和壓縮）

按照剛才討論的那一通，現代通信的過程，就是講原始信息模擬數字轉換和信源壓縮（降低冗余），然后做一些信道編碼（增加冗余，以降低錯誤），然后調制成傳輸符號（BPSK，QPSK, 64-QAM,OFDM...）,經過信道傳輸，然后接收機解調，信道譯碼，解壓縮，數字信號轉模擬信號，最后生成一個很接近原始信息的信號。這個過程就是香農給出的通信系統模型。

以上就是通信的概念及內容,那么,數據通信原理是什么?

數據通信討論的是從一個設備到另一個設備傳輸信息。協議定義了通信的規則，以便發送者和接收者能夠協調他們的活動。在物理層上，信息被轉換成可以通過有線媒體(銅線或光纜)或無線媒體(無線電或紅外線傳輸)傳輸的信號。高層協議則定義了傳輸信息的封裝、流控制和在傳輸中被丟失或破壞信息的恢復技術。

通信協議

可以將通信協議比喻成外交大使館中使用的外交協議。各種級別的外交官們負責處理不同類型的協議。他們與其他大使館同等級別的外交官進行聯系。同樣，通信協議也有一個分層的體系結構。當兩個系統交換數據時，每層中協議互相通信以處理通信的各個方面。圖D-2是一個簡表。

圖D-2 分層網絡結構示意簡表

很久以前，ISO(國際標準化組織)于1979年開發了OSI (開放系統互連)模型。該模型采用分層結構，把網絡協議分為七個層次，由下向上依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。模型中規定了各層的功能及其與相臨層的接口。按照"開放系統OSI互連參考模型"設計和組建的網絡是彼此開放和可以互連的，從而可以保證世界各地的網絡連為一體。盡管OSI模型從未成為流行的標準，但是它仍用于描述協議分層。

物理層傳輸媒體和信號

通信系統由傳輸媒體和它所連接的設備組成。媒體可以是有向的或無向的。其中有向媒體是指金屬電纜或光纜，而無向媒體是指無線傳輸。

涉及數據傳輸的設備可以是發送器、接收器減兼有這兩種功能的設備。如果一個系統只進行傳輸而另一個系統只進行接收，則該鏈路稱為單工。如果兩個設備都可以發送和接收，但是，一時間只能有一個設備進行，則這種鏈路稱為半雙工。全雙工鏈路則允許兩個系統同時進行發送和接收。

網絡通信可以采取一對一傳輸、一對多或多對多傳輸的形式。連接兩個設備的通信系統稱為點對點系統。而共享系統則連接可以在同一媒體上進行傳輸的的很多設備(但一時間只有一個設備能進行傳輸)。圖D-3對兩種系統都進行了闡釋。

圖D-3 共享信息系統和點對點信息系統

與點對點系統相比，端對端鏈路指跨越多個鏈路的兩個系統之間的鏈路。圖D-3中的系統A和系統Z之間的鏈路就是端對端鏈路。

多路復用指通過單個鏈路發送多個傳輸的技術。通過多路復用技術，多個終端能共享一條高速信道，從而達到節省信道資源的目的。在TDM(時分復用)系統中，每個信道由時隙流中的周期時隙定義。在FDM(頻分復用)系統中，每一個信道占用一個特定的頻率。在數據分組交換和信元交換系統中，各個數據分組或信元在網絡中穿行，與汽車在高速公路上行駛類似。

模擬和數字信號

設備使用適配器(產生用于通過某些媒體傳輸數據的信號)被連接到傳輸媒體中。模擬通信系統傳輸的是幅值和頻率隨時間連續變化的模擬信號。這些正弦波信號頻率的度量單位是每秒的周期數，或Hz(赫茲)。而數字通信系統則使用離散的高和低的電壓值來表示數據信號。

帶寬表示通信信道的信息傳送能力。信道可以是模擬或數字的。對于數字系統，容量這個術語指它的信息傳送能力，通常以信道的數據傳輸速率或線速表示。吞吐量是與系統規定性能相對立的系統“實測”性能。吞吐量考慮了由阻塞、硬件低效和傳輸距離而導致的延遲。

隨著Internet的日益普及，網絡用戶訪問Internet的需求在不斷增加，一些企業也需要對外提供諸如WWW頁面瀏覽、FTP文件傳輸、DNS域名解析等服務，這些因素會導致網絡流量的急劇增加，而流量管理作為內外網之間的數據通道，如果吞吐量太小，就會成為網絡瓶頸，給整個網絡的傳輸效率帶來負面影響。

調制解調器(調制器/解調器)是一種可用于通過模擬傳輸線路傳輸數字信號的設備。在傳輸的兩端都需要調制解調器，以對信號進行調制，然后再解調。如圖D-4所示，發送端調制解調器將數字信號轉換成模擬信號，然后接收端調制解調器又將模擬信號轉換成離散的數字信號。

圖D-4 數字-模擬-數字轉換

在通過模擬系統傳輸數字數據時，頻率越高，數據速率越高。圖D-5闡釋了這種現象的原因。在圖A中，頻率較低，因此在模擬傳輸中移動離散數字信號就比較困難。注意，此時離散信號沒有很好地表示出來，這將會導致在接收端的失真。在圖B中，帶寬要高很多因此能更好地表示離散數字信號，并且沒有失真。

圖D-5 表示模擬傳輸的離散數字信號

同步傳輸和異步傳輸

并不是所有的傳輸都是穩定的字符流。由很多開始和停止組成的傳輸是異步傳輸。異步傳輸將比特分成小組進行傳送，小組可以是8位的1個字符或更長。發送方可以在任何時刻發送這些比特組，而接收方從不知道它們會在什么時候到達。

假設回到20世紀60年代，用戶坐在連接到大型計算機的啞終端前。當鍵入時，每個字符通過異步鏈路傳輸到計算機中。如果您暫停輸入，則計算機就暫停傳輸。這是因為系統是以異步方式操作的，接收器不能指望穩定的比特流。它將在任意時間等待進一步的傳輸并在傳輸停止時不能以為鏈路己經被中斷。

與之相反，同步傳輸是以一個長的比特串為特征，其中比特串中的每個字符都用定時信號分隔。同步傳輸時，為使接收方能判定數據塊的開始和結束,還須在每個數據塊的開始處和結束處各加一個幀頭和一個幀尾,加有幀頭、幀尾的數據稱為一幀(Fram)。幀頭和幀尾的特性取決于數據塊是面向字符的還是面向位的。

這兩種傳輸類型都普遍用于通過電話線路或其他信道連接的計算機系統。選擇這兩種類型的哪一種取決于裝置的不同。實際上，為用戶提供異步操作的調制解調器可以轉換為擴展傳輸的同步模式。同步傳輸技術設計用于連續的數據傳輸，而異步傳輸技術更適用于個人用戶會話。

串行接口

串行接口，簡稱串口，也就是COM接口，是采用串行通信協議的擴展接口。串口的出現是在1980年前后，數據傳輸率是115kbps～230kbps，串口一般用來連接鼠標和外置Modem以及老式攝像頭和寫字板等設備，目前部分新主板已開始取消該接口。

需要標準接口將通信設備(如調制解調器)連接到計算機上。最常見的用于調制解調器的接口是最初稱為RS-232的EIA-232標準。在這種標準中，計算機或其他類似的設備稱為DTE(數據終端設備)，而類似于調制解調器的設備稱為DCE(數據電路終接設備)。接口連接器具有與其相對應的連接器相連的多條導線。每個引腳代表一個數據傳輸的信道或發送的特定控制信號。例如，有一個請求要發送到線路上，DTE用它給出想進行發送的信號。DCE向線路發送清除信號以表示它已經準備好接收。

傳輸媒體

有很多傳輸媒體，包括銅線電纜、光纜和無線系統。媒體受衰減(信號遠距離傳輸損耗)、失真、背景噪聲和其他因素的影響。通信系統的設計者在設計網絡系統，如以太網、令牌環、FDDI(光纖分布數據接口)和其他系統時要考慮所有這些因素。因此，網絡必須在它們的規范內建立以避免這些問題。

在不可能使用導線線路的情況下，計算機數據可以通過RP(無線電頻率)或光線(通常是紅外線)進行傳輸。這些傳輸發生在一個單獨的房間或跨越城鎮的發送器和接收器之間。在需要設置跨越道路、河流和物理空間(通常是指不能敷設電纜的地方)的鏈路時，無線網絡為校園和商業園區環境提供了惟一的解決方案。地面微波系統可在建筑物和塔頂端看到。光網絡和衛星通信系統提供了其他解決方案。

數據鏈路協議

數據鏈路層是恰好位于OSI協議棧中緊靠硬件(物理)層的上層。該層中的協議管理連接的系統之間的位流。來自上層的數據分組被封裝為幀并通過數據鏈路發送出去。其中還使用了流控制和糾錯技術。數據鏈路層處理點對點或點對多點鏈路。在OSI協議棧中，較高的網絡層負責處理通過多個路由器連接數據鏈路的連接。

成幀

成幀技術是一種用來在一個比特流內分配或標記信道的技術，為電信提供選擇基本的時隙結構和管理方式、錯誤隔離合分段傳輸協議的手段。

成幀對于經過物理媒體傳輸的數據比特提供了控制方法。它提供了錯誤控制并可以根據服務的類型提供數據重傳服務。比特塊與幀頭封裝成幀且附加了檢查和，以便可以檢查出被破壞的幀。如果一個幀被破壞或丟失，則只需重新發送這個幀而無需重發整個數據組。

幀具有特定的結構，根據使用的數據鏈路的不同而不同。稱為HDLC(高級數據鏈路控制)的流行數據鏈路協議的幀結構如圖D-6所示。請注意“信息”字段是放入數據的位置，它的長度可變。“信息”字段可以放入一個整個的信息包。“起始標記”字段代表幀的起始，“地址”字段裝有目地地址，“控制”字段描述信息字段裝有的是數據、命令，還是響應，FCS字段包含檢錯編碼。

圖D-6 HDLC幀格式

差錯檢測和控制

差錯控制方式基本上分為兩類，一類稱為“反饋糾錯”，另一類稱為“前向糾錯”。在這 兩類基礎上又派生出一種稱為“混合糾錯”。 對于不同類型的信道，應采用不同的差錯控制技術，否則就將事倍功半。反饋糾錯可用于雙向數據通信，前向糾錯則用于單向數字信號的傳輸，例如廣播數字電視系統，因為這種系統沒有反饋通道。

數據鏈路層還負責差錯檢測和控制。一種差錯控制的方法是檢測差錯，然后請求重傳。另一種方法是接收器檢測出一個差錯，然后重建幀。后一種方法需要隨幀發送足夠的附加信息，以便在檢測出差錯后接收器可以重建幀。當不可能重傳(如將信息傳輸到航天探測器)時使用該方法。

在數據鏈路層中執行差錯恢復任務通常是效率很低的。這樣很多網絡實施依靠上層協議完成該任務。在大多數情況下，數據鏈路層用于盡可能快速并有效地傳遞數據，而不執行大量的數據恢復任務。上層協議則提供了恢復服務。

流控制

流量控制是在計算機之間和網絡結點之間控制數據流量以達到數據同步的目的的。在設備能夠處理前過多的數據到達會引起數據的拋棄或數據重發。對于串行數據傳輸，采用Xon/Xoff協議進行控制。在網絡中，流量控制也參與加入新設備，當流量大時，不能加入新設備。

可以將數據傳輸想象為流經管道并在接收端注滿水桶的水流。接收者從水桶取水，但需要一些方法減少水流以使水桶不會溢出。在這個比喻中，水桶代表接收器使用的數據緩沖區，該緩沖區保存輸入的必須被處理的數據。一些NIC(網絡接口卡)上的緩沖區大得足可以裝下整個輸入的傳輸。如果緩沖區溢出，則幀通常被丟掉，因此接收器使用一些方法告訴發送器降低發送幀的速度或停止發送將會很有用。

共享LAN的網絡接入和邏輯鏈路控制接入方法對于由多個設備共享的網絡是必需的。因為一時間只有一個設備可以在網絡上進行傳輸，所以需要一種媒體接入控制方法來提供仲裁。

在由IEEE定義的局域網絡環境中，媒體接入協議位于稱為MAC(媒體接入控制)子層的數據鏈路層的子層。MAC子層位于LLC子層的下方，LLC子層對于任意在其下方安裝的MAC驅動程序都提供了數據鏈路。在圖D-7中可以看到該層的子分區

圖D-7數據鏈路層包括兩個子層:MAC (媒體訪問控制)和LLC(邏輯鏈路控制)

MAC子層支持各種不同的網絡類型，其中每種類型都有一種仲裁網絡接入的特定方法。三種可能的接入方法如下：

載波監聽方法 載波監聽技術即發送站點在發送幀之前，先要監聽信道上是否有其他站點發送的載波信號，若無其他載波，可以發送信號;否則，推遲發送幀。使用該技術，設備監聽網絡傳輸，并等待直到線路空閑出來以傳輸它們自己的數據。如果兩個站試圖同時進行傳輸，則兩個站都退出并等待一段長短不定的時間，然后重發。

令牌訪問 令牌是在令牌環、令牌總線和光纖分布式數據接口(FDDI)網絡中控制網絡訪問的特殊分組。令牌環構成了邏輯環，其中每個傳輸沿環從一個站到另一個站行進。只有擁有特殊令牌的站才可以進行傳輸。

預留方法 在該方案中，每個傳輸設備都有一個分配給它的特定的時隙或頻率。TDM(時分復用)就是一個實例。設備可以有選擇地將數據放入時隙中進行傳輸。如果設備不傳輸任何數據，則該技術可能會浪費帶寬。

橋接

“橋接”，是指依據OSI網絡模型的鏈路層的地址，對網絡數據包進行轉發的過程。當路由器配置了橋接選項后，會處理所有接口上的所有的數據幀，并實時調查每個主機的位置。若在某個接口上收入一個幀，就會在一個橋接內置入一個條目，列出發送數據的主機和接收到數據幀的接口MAC地址，這樣路由表就被不斷地在通信中完善起來。透明橋接使路由器對主機來講是透明的，其作用就相當于一個局域網交換機。若是同一個LAN內的兩個主機通信，數據幀就不會被發送到其它的接口，因為在橋接表里，數據幀都來自相同的接口;若是收到一個幀，而其中的MAC地址不在自己的橋接表里，就會將這個幀擴散到所有的接口，橋接還會擴散所有的廣播包，占用網絡的有效帶寬，造成網絡的堵塞。Cisco IOS支持多種類型的橋接，比如：透明橋接、封裝橋接、源路由橋接、源路由透明橋接、源路由轉換橋接。

網橋是一種將兩個或更多的網段連接為一個單獨LAN的設備。新連接的LAN上的所有設備可以互相通信，但是網橋提供了過濾功能，可以阻止不必要的通信從一個網段傳播到其他網段。網橋通常用于將一個大型的LAN分隔成兩個單獨的網段。如果LAN是以太網，則網橋創建一個廣播域和兩個沖突域。在以太網中，沖突域具有較少的計算機比較好，這樣有利于用網橋劃分網絡。請注意，交換機基本上是多端口網橋。

交換

正如上面提到的，網橋可以用于將一個LAN分成兩個網段，這兩個網段又有效地產生兩個較小的沖突域。交換機是基于這個理論擴展的設備。網橋通常有兩個端口連接兩個LAN網段，而交換機有一組端口，可以連接更多的網段。圖D-8闡釋了交換機如何提供用于多個集線器的橋接功能。每個集線器都有一個沖突域，但是圖中所示的整個網絡是一個單獨的廣播域。每個交換機端口基本上是一個可以通過交換機中的內部電路隨時“橋接”到其他任何端口的單獨LAN網段。

圖D-8 一個交換網絡

橋接的所有優點如前面部分所述。

大多數交換設備提供了配置VLAN(虛擬LAN)的方法。在用交換機建立網絡時，有一種建立大型平坦網絡而不是多個不同的 LAN(即所有的節點是同一廣播網絡的一部分)的傾向。VLAN技術可以用于在平坦交換環境中創建虛擬LAN。例如，如果用具有VLAN功能的交換機替代圖D-8中的集線器，則工作站A和D可以配置到一個VLAN中;而工作站B、E和H可以配置到另一個VLAN中。來自A的廣播可以被D接聽到，而來自B的廣播可以被E和H接聽到。然后需要一個路由器以發送VLAN之間的數據分組。

路由選擇、網絡互聯和網絡層

盡管網橋將兩個分離的LAN網段連接為一個單獨的廣播域(或將一個大的LAN拆分成兩個或更多的不同沖突域)，路由器還是提供了網絡互聯的功能。在網橋級上，信息以幀(幀在數據鏈路層中定義)的形式發送到其他系統中。在路由器級上，信息必須被封裝在包含目的網絡地址的數據分組內，然后通過路由器邊界轉發。路由器將網絡連接到互聯網中。

有時，通過在地址下方寫下具體地址和單詞“市”可以將信件郵寄到同一城市中的某個人那里。但是如果信件有一個“城市間”地址，則將需要在信封上寫下城市名和ZLP編碼(郵政區號)。同樣，互聯網絡由很多互相連接的網絡組成。因特網是最大的互聯網絡。若要在不同的網絡之間發送數據分組，則需要分層的命名方案，其中，以用于路由目的的名稱或數字識別每一個網絡。ZLP編碼方案在郵政系統中就起這樣的作用。IP(網際協議)則是互聯網絡的尋址和路由選擇協議。

在圖D-9中，LAN被連接到路由器上并且路由器組成了相互連接的路徑網，數據分組可以通過路徑網行進到它們的目的地。注意可以從任意其他點到達網絡中的任意路由器和所連接的LAN。

圖D-9路由器用來創建多連接點和多路徑的網絡有關網絡

傳輸層

服務傳輸層提供了面向連接服務。這意味著兩個系統可以建立一個會話，通過會話它們進行有關數據交換狀態的“對話”。雖然建立連接花費一些時間并增加了數據傳輸的一些開銷，但是它向發送器提供了保證接收器接收到全部已發送數據的服務。發送器發送一組數據分組，然后接收器確認它已經接收了該數據分組。如果接收器未對接收作出確認，則發送重傳數據分組。會話控制還提供流控制以防止接收器溢出或在某些情況下網絡溢出。

圖D-10闡釋了傳輸層會話如何成為跨越中間設備的(如路由器)邏輯端對端連接。兩個對等的傳輸層通過面向連接的虛擬線路進行對話。

圖D-10傳輸層能夠從事網間的端對端轉換

傳輸層的功能包括是否選擇差錯恢復協議還是無差錯恢復協議，及在同一主機上對不同應用的數據流的輸入進行復用，還包括對收到的順序不對的數據包的重新排序功能。例如：TCP，UDP，SPX等。

傳輸層提供可靠的面向連接服務。例如，如果網絡鏈路暫時發生故障，則面向連接的會話并不立即中止連接，而是試圖保持連接有效直到基礎鏈路重新建立。在會話重新建立后，數據從被中斷處繼續傳輸。

應用層

在協議棧中最高層運行的應用程序實際上并沒有涉及通信，但是它們確實使用了通信設備并在它們的用戶界面(利用基礎網絡)中實現了功能。應用層的作用是在實現多個系統進程相互通信的同時，完成一系列業務處理所需的服務。它不僅要提供應用進程所需的信息交換和遠地操作，而且還要作為互相作用的應用進程的用戶代理( User agent)。網絡文件共享服務，如NCP( NetWare核心協議)、UNIX環境中的NFS(網絡文件系統)或Windows環境中的SMB (服務器信息塊)都是特意為使用網絡服務而開發的，這樣用戶可以通過網絡共享文件。

應用層是網絡可向最終用戶提供應用服務的唯一窗口，其目的是支持用戶聯網的應用的要求。由于用戶的要求不同，應用層含有支持不同應用的多種應用實體，提供多種應用服務，如電子郵件、文件傳 輸、虛擬終端、電子數據交換等。

在TCP/IP環境中，套接API提供了應用程序和基礎網絡服務之間的編程接口。

以上就是我個人對數據通信原理的一些理解,就算是對學習和理解這門課程的一些分享吧!