2.1 数据通信基础
数据通信系统
源系统（源点 + 发送器）→ 传输系统 → 目的系统（接收器 + 终点）。通信的目的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号是数据的物理表现。按信号取值方式分类：
- 模拟信号：取值连续。
- 数字信号：取值离散，如 0/1。
按传输方向分类：
| 通信方式 | 方向 | 示例 |
|---|---|---|
| 单工通信 | 单向 | 电视广播 |
| 半双工通信 | 双向不同时 | 对讲机 |
| 全双工通信 | 双向同时 | 电话 |
码元
在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。一个码元能携带的比特数取决于码元可取的离散状态数。若一个码元有 N 种状态，则一个码元携带 log₂N 比特信息。
2.2 编码与调制
把数据转换为模拟信号的过程称为调制，转换为数字信号的过程称为编码。常用数字信号编码方式如下：
| 编码方式 | 规则 | 特点 |
|---|---|---|
| NRZ 不归零制 | 1 为高电平，0 为低电平，整个码元期间电平不变 | 简单，但无法同步（连续 0/1 无跳变） |
| 曼彻斯特编码 | 每个码元中间都跳变：高→低为 1，低→高为 0 | 含时钟信号，自同步；频带浪费一倍 |
| 差分曼彻斯特编码 | 中间必跳变；码元边界处：0 跳变、1 不跳变 | 自同步，抗干扰更强；规则"1 不跳 0 跳" |
记忆口诀：曼彻斯特看"中间跳变方向"，差分曼彻斯特看"边界是否跳变"。差分曼彻斯特中码元中间的跳变仅作时钟信号。
2.3 奈奎斯特定理与香农定理
奈奎斯特定理（奈氏准则）
在理想低通（无噪声、带宽受限）信道中，为避免码间串扰，码元传输速率最大为 2W Baud（W 为信道带宽，单位 Hz）。最大数据传输率 = 2W·log₂V (bps)，其中 V 为每个码元可取的离散状态数。
香农定理
在有噪声带宽受限信道中，信道的极限无差错传输速率（信道容量）为 C = W·log₂(1+S/N) (bps)，其中 S/N 为信噪比。对比：奈氏准则考虑无噪声信道的码元速率上限，与码元状态数 V 有关；香农定理考虑有噪声信道的实际数据率上限，与信噪比有关。实际系统中应取两者较小值。
信噪比常用分贝表示：dB = 10·log₁₀(S/N)。
典型例题
若信道带宽 W = 4kHz，信噪比 S/N = 1023（即 30dB），则香农极限 C = 4000·log₂(1024) = 4000·10 = 40kbps。若采用 16 进制码元，奈氏极限 = 2·4000·log₂16 = 32kbps，故实际极限取较小者 32kbps。
2.4 信道复用技术
允许多个用户共享同一信道，提高利用率。
| 复用技术 | 原理 | 应用 |
|---|---|---|
| 频分复用 FDM | 不同用户占用不同频段，频谱互不重叠 | 模拟电话、无线电广播 |
| 时分复用 TDM | 不同用户占用不同时隙，时间上轮流 | 数字电话 E1/T1 |
| 波分复用 WDM | 光的频分复用，不同波长光信号在一根光纤传输 | 光纤通信 |
| 码分复用 CDM | 不同用户分配正交编码，可同时同频传输 | CDMA 移动通信 |
CDMA
每个站被指派一个唯一的 m 位码片序列（码片），各站码片相互正交。发送 1 发自身码片，发送 0 发码片反码。接收时用发送站码片做规格化内积即可分离出该站数据。多路复用技术演示
对比FDM（频分复用）：4个信号占用不同频段同时传输；TDM（时分复用）：4个信号轮流占用时隙。
多路复用对比
交互式动画速度 1x
步骤 0/0
2.5 数字数据编码为数字信号
除了 2.2 节介绍的基本编码方式外，在高速网络中还需要更高效的编码方案来保证足够的信号跳变密度，以实现接收端的时钟同步。
4B/5B 编码
将 4 位数据编码为 5 位线路代码。5 位代码共有 32 种组合，其中 16 种用于表示 4 位数据，剩余 16 种用作控制码。编码规则保证每个 5 位代码中至少有 2 次信号跳变（即至少 2 个"1"），从而确保接收端能从中提取时钟同步信息。编码效率：4/5 = 80%。常用于 100BASE-TX 快速以太网、FDDI 等。
8B/10B 编码
由 IBM 公司设计，将 8 位数据编码为 10 位线路代码（或 8 位数据 + 2 位校验位编码为 10 位）。10 位代码共有 1024 种组合，选取 512 种表示数据，其余用于控制字符。编码规则保证：① 连续 0 或 1 的个数不超过 5 个；② 0 和 1 的总数基本平衡。编码效率：8/10 = 80%。广泛用于千兆以太网（1000BASE-X）、PCIe、SATA、USB 3.0 等高速串行总线。
编码方式对比
| 编码方式 | 数据位 : 线路位 | 编码效率 | 同步保障 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| NRZ | 1 : 1 | 100% | 无（连 0/1 时失步） | 串口、简单传输 |
| 曼彻斯特 | 1 : 2 | 50% | 每位中间跳变，自同步 | 10BASE-T 以太网 |
| 差分曼彻斯特 | 1 : 2 | 50% | 中间必跳变，自同步 | 令牌环网 |
| 4B/5B | 4 : 5 | 80% | 每 5 位至少 2 次跳变 | 100BASE-TX、FDDI |
| 8B/10B | 8 : 10 | 80% | 连 0/1 ≤ 5，0/1 平衡 | 千兆以太网、PCIe、SATA |
| 64B/66B | 64 : 66 | ≈97% | 基于扰码实现平衡 | 万兆以太网 10GbE |
核心思路：编码的本质是用冗余换取可靠的同步。编码效率越低，同步能力越强；高速系统倾向于在保证同步的前提下提高效率（如 80% → 97%），同时配合扰码技术进一步改善连 0/1 问题。
2.6 数字数据调制为模拟信号
当数字数据需要在模拟信道（如电话线、无线信道）上传输时，需要将数字信号调制为模拟信号。基本调制方式有以下三种：
ASK 幅移键控（Amplitude Shift Keying）
用载波的不同幅度表示数字数据。例如：有载波（高幅度）表示 1，无载波（零幅度）表示 0。ASK 实现简单，但抗噪声能力差，因为噪声主要影响信号幅度。典型应用：光纤通信中的强度调制（OOK，光开关键控）、早期调制解调器。
FSK 频移键控（Frequency Shift Keying）
用载波的不同频率表示数字数据。例如：频率 f₁ 表示 1，频率 f₂ 表示 0。FSK 抗干扰能力强于 ASK，因为噪声不易改变信号频率。典型应用：蓝牙、Caller ID、FSK 调制解调器。
PSK 相移键控（Phase Shift Keying）
用载波的不同相位表示数字数据。例如：相位 0° 表示 1，相位 180° 表示 0（即 BPSK，二进制 PSK）。PSK 抗干扰能力最强，因为噪声不易改变信号相位。典型应用：卫星通信、QPSK（4 相 PSK，每符号 2 比特）用于 DVB-S2、CDMA。
QAM 正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation）
将 ASK 和 PSK 结合，利用幅度和相位的组合来表示更多的状态。通过两个正交载波（同相 I 路 + 正交 Q 路），可以在相同带宽内传输更多比特。常用类型：16QAM（16 种状态，每符号 4 比特）、64QAM（6 比特）、256QAM（8 比特）。阶数越高，频谱效率越高，但对信噪比要求也越高。
典型应用：Wi-Fi（802.11n/ac 使用 16QAM/64QAM/256QAM）、LTE 移动通信、DVB-C 有线电视。
调制方式对比
| 调制方式 | 控制参数 | 每符号比特数 | 抗干扰能力 | 频谱效率 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| ASK | 幅度 | 1 | 差 | 低 | 光通信 OOK |
| FSK | 频率 | 1 | 中 | 中 | 蓝牙、Caller ID |
| PSK (BPSK) | 相位 | 1 | 强 | 中 | 卫星、CDMA |
| QPSK | 相位 | 2 | 强 | 较高 | DVB-S2、3G |
| 16QAM | 幅度+相位 | 4 | 较强 | 高 | Wi-Fi、LTE |
| 64QAM | 幅度+相位 | 6 | 中 | 高 | Wi-Fi、DVB-C |
| 256QAM | 幅度+相位 | 8 | 较弱 | 极高 | Wi-Fi（高质量信道） |
选择原则：在信噪比低的信道（如深空通信）选 BPSK/QPSK，保证可靠性；在信噪比高的信道（如有线宽带、高质量 Wi-Fi）选高阶 QAM，追求更高的频谱效率。