射频识别｜计算机网络｜第九讲数据通信和编码技术｜奈氏准则和香农定理

1.数据通信概述

2.数据传输方式

3.传输介质

4.数据编码技术

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(1)什么是比特率，什么是波特率，它们之间有何换算关系式？

(2)数据通信系统的技术指标有哪些？

(3)什么是信道容量，香农定理其中的各个参数的意义是什么？

(4)常用的数字调制方式？什么是频率调制？

(5)常用的数据编码方式有那些？

目录​​​​​​​

1.数据通信概述

1.1 数据通信系统基本概念

1.2数据通信系统模型

1.3数据通信系统的技术指标

1.3.1数据传输速率

1.3.2带宽

1.3.3时延(delay或altency)

1.发送时延(传输时延)

2.传播时延

3.处理时延

4.三种时延产生的地方

1.3.4注意

1.3.5往返时延RTT

1.3.6信道容量

香农定理

奈氏准则

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1.数据通信概述

1.1 数据通信系统基本概念

数据(data)：数据通信中传输的二进制代码，是传输信息的载体；

信息(information)：数据的内容和解释；

信号(signal)：数据在传输过程中的电磁波表示，即离散的物理量。

        模拟信号：随时间连续变化的物理量；

        数字信号：相对于时间和幅值而言都是不连续的，即离散的物理量。

周期信号：信号在一段可测量的时间内完成一种模式，并且在随后同样长的时段内不断重复这种模式 。

        周期T：完成一个完整模式所需要的时间，其值是固定的。

非周期信号：在随时间变化的过程中，不会出现重复的模式。

数据通信：在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换。

信源：一次通信中发送信息的一端；

信宿：一次通信中接收信息的一端；

信道：信源和信宿之间的通信线路。

1.2数据通信系统模型

一个数据通信系统由信源、信道和信宿三个部分组成。

1.3数据通信系统的技术指标

1.3.1数据传输速率

比特率：单位时间内所传送的二进制码的有效位数，单位bps。

波特率：是脉冲信号经过调制后的传输速率，它是指单位时间内传输的码元数目，单位波特(Baud).

码元：一个数字脉冲信号，一个码元可以携带k种状态。

比特率和波特率的换算关系为：R(比特率bps)= B(波特率) log2K

误码率：二进制码在传输过程出现错误的概率。

误码率=传输中发生差错的码元数／传输总码元数

例题：

 

1.3.2带宽

对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹(HZ)为单位。

对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。

为了与模拟信道的带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。

1.3.3时延(delay或altency)

信号从源端发送到宿端所需要的时间。

1.发送时延(传输时延)

发送数据时，数据快从结点进入到传输媒体所需要的时间。

发送时延=数据块长度(比特)/信道带宽(比特/秒)

2.传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传输速率是完全不同的概念。

传播时延=信道长度(米)/信号在信道上的传播速率(米/秒)

3.处理时延

交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。

处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

有时可用排队时延作为处理时延。

数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之后：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延

4.三种时延产生的地方

1.3.4注意

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。

提高链路带宽减小了数据的发送时延。 

1.3.5往返时延RTT

往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延。 

1.3.6信道容量

信道容量：单位时间内，信道上所能传输的最大比特数，用bps表示。当传输速率超过信道容量时，会产生信号失真。

香农定理

带宽受限有噪声条件下的信息传输速率

信道的极限数据传输速率C(bit/s)=W * log2(1 + S/N)

C：信道的极限数据传输速率；

S：信道内信号的平均功率；

W：信道宽度(Hz)；

N：信道内的噪声功率；

想要提高数据率，就只能提高带宽(W)或信噪比(S/N)。

奈氏准则

在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2 W Baud，W 是信道带宽，单位是 Hz 。

例：带宽为6KHz，信噪比为20dB的信道，发送二进制信号时的最大数据传输率是多少？

解：信噪比电平为20dB，信噪功率比S/N=100；C=6000 * log2(1+100)=6000 * 6.66=39.96Kb/s；而奈式极限值是12Kb/s，所以最大传输速率是12Kb/s。