2.1 通信基础

2.1 通信基础

　　通信技术是衡量人类社会进步的一个重要标志，特别是远程通信技术。从很久以前，人们通过烽火台、金鼓、旌旗等方式进行通信，在现今，人们通信的手段发生了天翻地覆的变化，相继出现了电话、电视、网络等新型手段，网络的出现更是使人类的通信技术产生了深远的变革，为人类社会带来了巨大的利益。下面将介绍网络通信的一些基础知识。

2.1.1 基本概念

　　本小节将主要介绍数据、信道、信号、宽带、码元、波特、速率等一些数据通信的基本概念，加强我们对这些基本概念的理解。
　　1．数据
　　数据（data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。而信息（information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的数据等。但在计算机网络中，数据通常被广义地理解为在计算机网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。话音信息、图像信息、文字信息，以及从自然界直接采集的各种自然属性信息均可转换为二进制数字编码，以便于在计算机网络中存储、处理和传输。计算机网络中的数据库、数据处理和数据通信所包含的数据通常就是指这种广义的数据。
　　数据分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据在一段时间内具有连续的值，例如声音和电视图像是连续变化的数据。数字数据的值是离散的，例如文本和整数。
　　模拟数据最常见的例子是音频（audio），它们以声波的形式被人们直接感受到。模拟数据的另一常见例子是视频（video）。要产生屏幕上的一幅画，电子束必须从左至右、从上到下地扫描屏幕表面。对于黑白电视来说，在某一点产生的亮度（从黑到白取值）与扫过这一点的电子束的强度成正比。因此，某一时刻的电子束具有一个模拟的强度值，它对应屏幕上的某点产生适当的亮度。同时，当电子束不断进行扫描时，这个模拟值也连续不断地变化。因此，视频图像可以看做是随时间改变的模拟信号。
　　数字数据的一个常见实例是文本（text）或者说字符串。虽然文本数据对人类来说是最方便不过的，但是以字符的形式表示的数据既不容易存储，也不容易被数据处理系统处理，以及被通信系统传输。因为这些系统是设计用来处理二进制数据的。人们因此发明了许多编码方法，通过这些编码方法，字符被表示成比特序列。最早的常用编码可能要算莫尔斯电报码了。今天，最常用的字符编码是国际基准字母表（International Reference Alphabet，IRA）。IRA在ITU-T建议书T.50中定义，它早期以国际字母表5 （International Alphabet 5）闻名。在这种编码中，每一个字符用7位二进制表示，因此一共可以表示128个不同的字符。其中，有些用来表示不可打印的“控制字符”。IRA的美国国家版本称为美国信息互换标准代码（American Standard Code for Information Interchange，ASCII）。
　　2．信号
　　信号（signal）是数据的电压或电磁编码。在数据通信系统中我们常常使用电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号来表示各种不同的信号。
　　从时域的观点看，信号不是连续的就是离散的。如果信号的强度（电压或电流值）变化是平滑的，这种信号就是连续信号（continous signal），换而言之，就是信号没有中断或不连续，我们将这种信号称为模拟信号（analog signal）。如果在一段时间内信号强度保持某个常量值，然后在下一个时间段又变化到另一个常量值，这种信号称为离散信号（discrete signal），我们将这种信号称为数字信号（digital signal）。如图2-1所示，分别给出了模拟信号和数字信号的情况。

　　虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并不存在不可逾越的鸿沟，在一定条件下是可以相互转换的。通过使用一种称为调制解调器的设备，数字数据可以用模拟信号表示。调制解调器将二进制的电压脉冲（只有两个值）序列转换成模拟信号，这种转换是把数字数据调制到某个载波频率上，调制后所得的信号是以载波频率为中心的具有特定频谱的信号，并且能够在合适的介质上传输。最常见的调制解调器是将二进制数字数据用话音信号表示，如图2-2所示，这样二进制数字数据可以在普通的音频电话线上传输。而在电话线的另一端，调制解调器从话音信号中解调出原始的二进制数字数据。

　　另一方面，模拟数据也可用数字信号表示，如图2-3所示。我们可以通过一个称为编码解码器的设备将模拟话音数据编码成比特流，然后通过数字传输系统传输到接收端；在接收端，通过编码解码器将这个比特流重建为模拟话音数据。

　　3．信道
　　通俗地说，信道是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。如果将信号比作汽车，那么信道就应该是公路。
　　我们可以从狭义信道和广义信道两个方面来理解信道。狭义信道是指信号接收端和发送端之间的传输媒介，这样定义信道容易理解，但在实际应用中，接收端和发生端之间只有传输媒介是远远不够的，这就需要扩展信道，这就是广义信道，它除了传输媒介外，还可以包括信号转换器、放大器等一些信号处理设备。
　　4．宽带
　　对于宽带来说，并没有严格的定义，也没有一个统一的规定，到底多宽的带宽才是宽带，宽带是针对窄带而言的。目前，很多人将带宽大于1Mbit/s的称为宽带，小于1Mbit/s的称为窄带。通常，我们普通电话拨号的速率最高为56Kbit/s，ISDN的速率最高为128Kbit/s，宽带的速率数十倍乃至数百倍于窄带的速率。
　　从一般的角度理解，宽带是能够满足人们感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽，因此，它也是一个动态的、发展的概念。目前的宽带对家庭用户而言，是指传输速率超过1Mbit/s，可以满足语音、图像等大量信息传递的需求，但随着网络的发展，将来定义宽带的时候可能就不会再是1Mbit/s。
　　5．码元
　　码元（code cell）是信号编码单元。对于数字通信而言，一个数字脉冲就是一个码元，即用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个时间间隔被称为码元长度；而对于模拟通信而言，载波的某个参数或某几个参数的变化就是一个码元。
　　6．波特
　　波特是码元传输的速率单位。码元速率是指（数字或模拟）信号每秒钟变化的次数，单位是波特率。当信道带宽一定时，信道所能传输信号的最大码元速率是确定的。
　　在电子通信领域，波特率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数，即单位时间内，载波参数变化的次数。它是对信号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”（Bps，Baud per second）为单位。
　　波特率有时候会同比特率混淆，实际上后者是对信息传输速率（传信率）的度量。波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数（传符号率），通过不同的调制方法，可以在一个码元上负载多个比特信息。因此波特率和比特率在数量上的关系是：比特率＝波特率×log2M，这里的M是码元对应的离散值个数（信号的状态数）。比如对于四相位调制方式（4-PSK），即一个码元有4种信号状态，因此M=4，此时，比特率＝2×波特率。
　　在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内，传输的二进制代码的有效位（bit）数来表示，其单位一般为每秒比特数bit/s（bps）。
　　7．速率
　　速率是对快慢的度量，本小节中主要介绍数据传输速率和信号传输速率及两者之间的联系和区别。
　　数据传输速率即指每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。计算公式为：S=1/T×log2N(bps)。
　　式中：T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归零码）单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
　　信号传输速率即指单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式：B=1/T (Baud)。
　　式中：T为信号码元的宽度，单位为秒；信号传输速率，也称码元速率、调制速率或波特率。
　　由上面两式可得出S=B×log2N(bps)或B=S/log2N(Baud)。这与上面所讲的比特率＝波特率×log2N是一致的。