《数据通信原理》课件

数据通信原理欢迎学习《数据通信原理》课程本课程将系统地介绍数据通信的基本原理、关键技术及其应用在信息时代，数据通信已经成为连接世界的桥梁，深刻改变着我们的生活和工作方式通过本课程的学习，您将掌握从基础概念到前沿技术的全面知识体系，为今后在通信领域的学习和工作奠定坚实基础让我们一起踏上这段探索数据通信奥秘的旅程课程概述课程目标学习内容考核方式123本课程旨在帮助学生掌握数据通信的课程内容包括数据通信基础、信号与课程考核采用多元化评价方式，包括基本原理和关键技术，培养分析和解数据转换、传输技术、调制解调、差期末考试60%、平时作业20%、决数据通信问题的能力学习完成后，错控制、信道特性、数据链路控制、课堂表现10%以及实验报告10%您将能够理解各种通信系统的工作原多路复用以及交换技术等我们还将期末考试主要考察基本概念和原理的理，掌握信号处理、编码调制、差错介绍当代通信网络的架构和新兴技术掌握程度，平时作业则侧重于应用能控制等核心技术发展趋势力的培养第一章数据通信基础数据通信的定义1数据通信是指在两个设备之间以电子方式传输数据的过程它包括数据的产生、传输、接收和处理等环节数据通信系统需要确保信息能够准确、及时、安全地从发送端传递到接收端数据通信的发展历程2数据通信技术经历了从电报时代到互联网时代的巨大变革早期的电报系统使用莫尔斯电码传输信息，随后发展了电话网络、计算机网络，直至今天的高速光纤网络和5G无线通信系统，传输速率提高了数百万倍数据通信的重要性3在当今信息社会，数据通信已成为基础设施的核心组成部分它支撑着互联网、移动通信、物联网等现代技术，推动了全球化进程，改变了人们的生活、工作和学习方式，是信息社会发展的重要基石数据通信系统模型信源信源是信息的产生者，可以是人、计算机或传感器等信源生成需要传输的原始数据，这些数据可能是文本、图像、音频或视频等形式信源的特性决定了数据的类型和产生速率，影响着后续通信系统的设计发送设备发送设备负责将信源产生的数据转换为适合在传输媒介上传播的信号它可能执行编码、调制、压缩等处理，以提高传输效率和可靠性典型的发送设备包括调制解调器、网卡和各种终端设备传输媒介传输媒介是信号传播的物理路径，可以是有线介质（如铜线、光纤）或无线介质（如无线电波）不同媒介具有不同的传输特性，如带宽、衰减和抗干扰能力，这些特性直接影响通信系统的性能接收设备接收设备接收来自传输媒介的信号，并将其转换回原始数据格式它执行与发送设备相反的操作，如解调、解码和纠错等接收设备的性能对于保证通信质量至关重要信宿信宿是信息的最终接收者，可以是人、计算机或其他设备信宿接收并处理恢复的数据，完成整个通信过程信宿的需求决定了通信系统的设计目标和性能要求数据通信系统的组成部分软件软件是控制硬件运行的程序和指令集合，包括操作系统、通信协议栈、驱动程序和应用软件等软件实现了数据处理、路由选择、硬件2流量控制、差错检测等功能，提供了通信系硬件是数据通信系统的物理组成部分，包统的逻辑控制括各种终端设备、通信控制器、调制解调1器、路由器、交换机等这些设备负责数协议据的生成、处理、传输和接收，构成了通协议是数据通信中的规则和约定，定义了通信系统的物理基础信双方如何建立连接、格式化数据、控制数3据流动以及处理差错等常见的协议包括TCP/IP、HTTP、FTP等，它们确保了不同设备之间能够互相理解并正确通信这三个组成部分相互配合，共同确保数据通信系统的正常、高效运行硬件提供物理支持，软件实现逻辑控制，而协议则确保通信的规范性和兼容性缺少任何一个部分，数据通信系统都无法正常工作数据通信的基本概念数据数据是通信系统中需要传输的信息内容，可以是文本、图像、声音或视频等多种形式在计算机系统中，所有形式的数据最终都表示为二进制数字序列数据的类型和量决定了通信系统的带宽需求和处理能力要求信号信号是数据的物理表现形式，是能够在传输媒介中传播的电磁波信号分为模拟信号和数字信号两大类模拟信号的参数（如振幅、频率、相位）可以连续变化，而数字信号则只有有限个离散值传输传输是指信号在通信媒介中从发送端到接收端的物理传递过程传输过程中，信号会受到衰减、失真、噪声和干扰等不利因素的影响，这些因素会导致接收端接收到的信号与发送端发出的信号存在差异接收接收是指将传输媒介中的信号转换回原始数据的过程接收设备需要从可能受到干扰的信号中准确提取出原始信息，这通常涉及放大、滤波、同步、解调和解码等一系列复杂处理数据通信的特点智能化现代通信系统具备自适应能力1网络化2多系统互联形成复杂网络数字化3以数字形式处理各类信息数字化是数据通信最基本的特点现代通信系统将各种形式的信息（如声音、图像和视频）都转换为数字信号进行处理和传输，这不仅提高了传输的可靠性，还便于信息的存储、处理和加密保护网络化表现为多个通信系统的互联互通，形成覆盖广泛的通信网络这种网络结构增强了系统的灵活性和可扩展性，使得信息能够在全球范围内快速流动，支持各种复杂的应用场景智能化是当代数据通信系统的重要发展趋势现代通信设备具备自适应能力，能够根据网络状况和用户需求动态调整工作参数，自动识别和纠正错误，提供智能化的服务和管理功能第二章数据与信号数据的表示方式模拟信号数字信号在数据通信系统中，数据通常采用二进模拟信号是连续变化的电信号，其幅度数字信号是离散的、只有有限个取值的制形式表示，即只使用0和1两个符号或频率可以在一定范围内取任意值模信号，通常用高低电平表示二进制的1这种表示方式简单明确，便于电子设备拟信号能够直接表示自然界中的许多物和0数字信号具有抗干扰能力强、易处理但在实际应用中，我们还会使用理量，如声音、温度等传统的电话系于处理和再生等优点，是现代数据通信十进制、十六进制等不同进制表示法，统主要使用模拟信号传输声音，但模拟的主要信号形式数字化技术使得所有以满足不同场景的需求信号容易受到噪声干扰类型的信息都能以统一的形式处理数据编码技术码其他常用编码1ASCII2Unicode3ASCII（美国信息交换标准代码）是最基Unicode是一种国际标准字符编码，旨除了ASCII和Unicode外，还有许多其他本的字符编码标准，使用7位二进制数在包含世界上所有文字和符号它使用编码方式，如GB2312和GBK（用于中表示128个字符，包括英文字母、数字16位或更多位表示字符，最多可以表示文字符），UTF-8（Unicode的一种可变和常用符号例如，大写字母A的ASCII超过一百万个字符Unicode解决了长度实现）等这些编码各有特点，适码是65（二进制为1000001）ASCII ASCII码无法表示中文、日文等非拉丁字用于不同的应用场景在实际应用中，码因其简单性和通用性，至今仍广泛应母的问题，为全球信息交换提供了统一编码方式的选择需要考虑效率、兼容性用于计算机系统和通信领域的编码标准和适用范围等因素信号的基本特性周期频率相位周期是信号完成一个完整振荡所频率是信号在单位时间内完成周相位描述了信号在其周期内所处需的时间，用T表示，单位是秒期性变化的次数，用f表示，单的位置，通常用角度（如度或弧周期性信号会在每个周期后重复位是赫兹Hz频率与周期成反度）表示相位差是衡量两个同相同的波形周期是表征信号时比关系f=1/T频率是信号最频率信号时间差的重要指标在间特性的重要参数，直接关系到基本的特性之一，决定了信号的数据通信中，相位调制是一种常信号的频率特性和传输特性传输速率和占用带宽用的调制技术，利用相位变化来承载信息振幅振幅表示信号强度的大小，即信号波形偏离平衡位置的最大值对于电信号，振幅通常以电压或功率表示振幅是信号能量的体现，也是调制技术中的重要参数，如幅度调制AM就是通过改变载波振幅来传输信息信号的频域分析傅里叶变换频谱图傅里叶变换是将时域信号转换为频域表示的数学工具根据傅频谱图是信号在频域的图形表示，显示了信号在不同频率上的里叶理论，任何周期信号都可以分解为一系列不同频率的正弦能量分布横轴表示频率，纵轴表示振幅或功率通过频谱图，波的叠加傅里叶变换使我们能够分析信号中包含的各种频率我们可以直观地观察信号的带宽、主要频率成分和能量分布特成分，为信号处理和通信系统设计提供了强大的理论基础性频谱分析在通信系统中有着广泛应用，如信道分配、干扰分析、傅里叶变换公式Xf=∫xte^-j2πftdt，其中xt是时域信号，滤波器设计等例如，通过观察语音信号的频谱，我们可以确Xf是频域表示对于离散信号，我们使用离散傅里叶变换定语音通信所需的带宽；通过分析无线信号的频谱，可以发现DFT，其快速算法FFT在数字信号处理中应用广泛潜在的干扰源数模转换和模数转换原理ADC1将连续模拟信号转换为离散数字信号关键参数ADC2采样率、量化精度和转换速度原理DAC3将离散数字信号重建为连续模拟信号应用DAC4音频播放、视频显示和信号生成模数转换器ADC是现代通信系统的重要组成部分，它将来自自然界的连续模拟信号转换为计算机可处理的离散数字信号ADC的工作过程包括采样、量化和编码三个步骤采样决定了时间分辨率，量化决定了幅度分辨率，两者共同影响转换的精度数模转换器DAC执行与ADC相反的操作，将数字信号转换回模拟形式DAC在信号重建、音频播放和显示系统中扮演着关键角色高质量的DAC能够准确重现原始信号的特性，减少失真和噪声在实际应用中，ADC和DAC的选择需要考虑采样率、分辨率、精度、转换速度等多种因素，以满足特定场景的需求第三章数据传输传输模式传输介质传输速率传输模式定义了数据在通信链路传输介质是信号传播的物理通道，传输速率表示单位时间内传输的上的传送方向和方式根据数据包括有线介质（如双绞线、同轴数据量，通常以比特/秒bps为流动的方向，传输模式可分为单电缆、光纤）和无线介质（如无单位影响传输速率的因素包括工、半双工和全双工三种基本类线电波、微波、红外线）每种信道带宽、信噪比、调制技术等型不同的应用场景需要选择适介质都有其特定的传输特性、带随着技术的发展，现代通信系统合的传输模式，以满足通信需求宽限制和适用场景，选择合适的的传输速率已从早期的几千比特和优化资源使用传输介质是通信系统设计的重要/秒提升到现在的数十甚至数百环节吉比特/秒传输可靠性传输可靠性衡量数据传输过程中的准确性和稳定性影响可靠性的因素包括信道噪声、干扰、衰减等为提高传输可靠性，通信系统采用各种差错控制技术，如检错码、纠错码和自动重传请求ARQ机制等传输模式单工全双工单工通信是指数据只能在一个方向上传输，接收方不全双工通信支持数据同时在两个方向上传输，使得通能向发送方回传数据这种模式简单直接，但功能有信双方可以同时发送和接收数据这种模式提供最高限典型的单工通信系统包括传统广播电台、电视广半双工的通信效率和灵活性，是现代通信系统的主要工作模播和某些遥控系统单工模式的优点是实现简单、成式电话系统、互联网通信以及大多数现代数据网络本低，但缺乏交互能力半双工通信允许数据在两个方向上传输，但在任一时都采用全双工模式刻只能有一个方向的数据流动通信双方轮流发送和接收数据，类似于对讲机通信半双工系统提供了基本的交互能力，但传输效率不高典型应用包括对讲机系统和早期的计算机网络在设计通信系统时，传输模式的选择需要综合考虑应用需求、成本限制和技术可行性对于简单的单向数据传输，单工模式可能足够；对于需要交互但流量不大的场景，半双工是合理选择；而对于要求高效率、实时交互的应用，全双工则是必然选择串行传输与并行传输特点串行传输并行传输数据流单一数据流，一次传送一多个数据流，同时传送多个比特个比特线路数量通常只需要一条数据线需要多条数据线，与传输位数相当传输距离适合远距离传输主要用于短距离传输时钟同步需要精确的时钟恢复机制通常有专用的时钟线成本线路成本低，但需要串并线路成本高，电路相对简转换电路单抗干扰性较强，尤其是采用差分信较弱，易受串扰影响号时典型应用互联网通信、USB、SATA计算机内部总线、打印机接口接口串行传输和并行传输各有优缺点，适用于不同场景随着技术发展，高速串行传输已经在许多领域取代了传统并行传输例如，现代计算机外设接口如USB、SATA、Thunderbolt等都采用高速串行传输技术，而不是早期的并行接口这种趋势主要得益于串行传输在高速长距离传输方面的优势，以及集成电路技术的进步使串并转换的成本大幅降低同步传输与异步传输同步传输工作原理异步传输工作原理同步传输要求发送方和接收方的时钟保持同步，数据按照预定异步传输不需要发送方和接收方的时钟完全同步，而是通过在的时间间隔传输传输开始前，通常会发送同步字符或序列建每个数据单元（通常是字符）前后添加特殊的标志位（起始位立同步数据通常以帧或块为单位传送，每个帧包含多个字符和停止位）来标识数据边界接收方通过检测起始位来识别新或数据单元数据的开始，并据此重新调整自己的时钟同步传输需要精确的定时机制，但能够提供高效率和可靠性异步传输的灵活性高，适用于数据不规则或突发传输的场景，它适用于大量数据的连续传输，如计算机网络中的数据传输、如计算机与外设之间的通信、串口通信等但由于需要额外的数字电视广播等标志位，其效率略低于同步传输在实际应用中，同步传输和异步传输各有适用场景对于高速、大容量、连续的数据传输，同步方式是理想选择；而对于低速、小数据量、间歇性的通信需求，异步方式则更为经济实用现代通信系统通常会根据具体需求灵活选择合适的传输方式有线传输介质双绞线同轴电缆光纤双绞线由两根绝缘铜线按一定规则绞合同轴电缆由中心导体、绝缘层、外导体光纤是由石英玻璃或塑料制成的细长透而成，绞合的目的是减少电磁干扰双屏蔽层和外部绝缘护套组成其结构使明纤维，利用光的全反射原理传输光信绞线分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞电信号被限制在电缆内部，减少了辐射号光纤传输具有带宽极高、衰减小、线UTP，后者因成本低而被广泛用于局损失和外部干扰同轴电缆具有较大的抗电磁干扰能力强等优点，是现代高速域网和电话系统双绞线的传输距离一带宽和较强的抗干扰能力，适用于中长长距离通信的首选介质光纤分为单模般不超过100米，带宽可达数百MHz距离传输，如有线电视网络和一些专业光纤和多模光纤，前者传输距离更远，通信系统后者成本较低无线传输介质无线电波微波12无线电波是频率范围从3kHz到微波是频率在1GHz到300GHz之间300GHz的电磁波，能够在自由空的电磁波，具有波长短、频率高的间传播不同频段的无线电波具有特点微波主要沿直线传播，易被不同的传播特性低频电波可以绕建筑物和山脉阻挡，但可以通过反过障碍物和沿地球表面传播，适合射和衍射绕过部分障碍物微波通远距离通信；高频电波则更适合直信通常需要发射器和接收器之间保线传播和穿透大气层无线电波被持视线通畅微波被广泛用于点对广泛应用于广播、移动通信、卫星点通信、卫星通信、雷达系统和部通信等领域分移动通信网络红外线3红外线是波长介于可见光和微波之间的电磁辐射，频率约为300GHz到430THz红外通信具有保密性好、抗电磁干扰能力强等优点，但传输距离有限，且容易被障碍物阻挡红外技术主要应用于短距离点对点通信，如遥控器、数据传输接口（如IrDA）和某些局域网应用传输介质的选择传输距离不同介质支持的最大传输距离差异很大光纤可以支持数带宽要求十公里至数百公里的传输而几乎不需要中继；同轴电缆可带宽是选择传输介质的首要考虑因素高带宽应用如视频以覆盖数百米到几公里；普通双绞线通常限制在100米以流传输、大数据传输等需要选择光纤或高性能同轴电缆；内；无线传输的覆盖范围则取决于频率、功率和环境条件2而对于低速数据传输，如传感器数据采集，普通双绞线或无线连接可能已经足够1环境因素电磁干扰、温度、湿度、机械应力等环境因素也会影响3介质选择在电磁干扰严重的工业环境中，可能需要选择光纤或屏蔽双绞线；在恶劣自然环境下，可能需要特殊防护的电缆或无线解决方案安全性需求5数据安全性也是选择介质的重要因素光纤传输难以被窃成本因素4听，具有较高的安全性；无线传输则相对容易被截获，需成本考虑包括介质本身的成本、安装成本和维护成本光要额外的加密措施；有线介质的安全性则介于两者之间，纤通常有较高的初始投入但长期运营成本低；无线系统可取决于物理保护的程度能避免了大量布线工作但可能面临频谱使用费；双绞线在短距离应用中往往是最经济的选择第四章基带传输技术基带信号的概念基带信号是指未经调制的原始信号，通常是由信源直接产生的低频信号在数字通信系统中，基带信号通常是表示比特序列的电平信号，如数字逻辑电路中的高低电平基带信号直接体现了原始信息的特性，是调制前的信息载体基带传输系统基带传输系统是直接传输基带信号的通信系统，不涉及调制过程它主要适用于短距离、低噪声环境下的通信，如计算机内部数据传输、局域网中的数据传输等基带传输系统的设计重点是保证信号的完整性和减少码间干扰基带传输的优缺点基带传输的主要优点是系统简单、实现成本低；缺点是频谱利用率不高，抗干扰能力有限，且传输距离受限随着通信技术的发展，现代基带传输通过先进的编码技术和信号处理方法克服了部分传统限制，在许多短距离高速通信场景中仍然是首选基带信号的传输特性码元与码元速率奈奎斯特定理码元是数字通信中信息的基本单位，表示在一奈奎斯特定理确定了在无噪声条件下，带宽受个固定时间间隔内发送的信号状态码元可能限信道的最大数据传输速率根据此定理，信携带一个或多个比特的信息，取决于调制方案道的最大数据速率等于2H log₂M比特/秒，例如，在二进制传输中，每个码元携带1比特其中H是信道带宽（以Hz为单位），M是信号信息；在四进制传输中，每个码元可携带2比级数特信息例如，对于带宽为3kHz的信道，使用二进制码元速率（波特率）是单位时间内传输的码元信号（M=2），最大数据速率为6kbps；如果数量，单位为波特Baud例如，如果系统每使用四进制信号（M=4），则最大数据速率为秒传输1000个码元，则码元速率为1000波特12kbps奈奎斯特定理说明了增加信号电平需要注意的是，码元速率与比特率并不总是相数可以提高传输速率，但同时也增加了对信噪同的，其关系取决于每个码元携带的比特数比的要求香农定理香农定理考虑了噪声对信道容量的影响，给出了有噪声信道的最大无差错传输速率根据香农定理，信道容量C=H log₂1+S/N比特/秒，其中H是信道带宽，S/N是信号功率与噪声功率之比（信噪比）香农定理表明，即使在有噪声的情况下，只要传输速率低于信道容量，就可以通过适当的编码方案实现几乎无错误的传输这一理论为现代通信系统的设计提供了重要指导，特别是在高噪声环境下的可靠通信方面基带传输编码技术不归零码归零码曼彻斯特编码不归零码NRZ是一种基本的线路编码方归零码RZ的特点是信号在每个比特周期曼彻斯特编码在每个比特周期中间都有式，其特点是信号电平在整个比特周期内都会回到零电平通常，比特1表示一次电平跳变，比特1表示为从高到低内保持不变，不会在中间回到零电平为先是正电压然后返回零，而比特0表的跳变，比特0表示为从低到高的跳变对于二进制数据，通常用两种不同的电示为先是负电压然后返回零RZ编码提（或相反）这种编码方式具有优秀的压电平表示1和0NRZ编码简单易实供了良好的自同步能力，因为每个比特自同步能力和直流平衡性，被广泛用于现，频谱利用率较高，但缺乏同步信息，周期都有电平变化，但带宽需求较大，以太网等网络技术中其主要缺点是需不适合长时间相同比特的传输实现复杂度也较高要两倍于基本带宽的传输带宽基带信号的频谱特性频率kHz NRZ功率Manchester功率功率谱密度PSD是描述信号功率如何分布在频率范围内的重要指标对于基带信号，其PSD与信号波形和编码方式密切相关上图显示了不归零码NRZ和曼彻斯特编码的典型功率谱分布可以看出，NRZ编码的能量主要集中在低频区域，甚至有直流分量；而曼彻斯特编码没有直流分量，但需要更大的带宽带宽利用率是衡量信号编码效率的重要指标，定义为传输速率与所需带宽的比值不同编码方式的带宽利用率差异很大NRZ编码的理论带宽利用率可达2bps/Hz，而曼彻斯特编码仅为1bps/Hz在实际应用中，编码方式的选择需要在频谱效率、同步能力、抗干扰性等多方面因素间权衡码间干扰及其消除码间干扰的原因眼图分析均衡技术码间干扰ISI是指一个码元的传输对相眼图是评估数字信号质量的有效工具，均衡是消除码间干扰的重要技术，通过邻码元产生的不良影响，是限制数字通通过将接收信号的多个比特周期叠加显补偿信道的频率响应来减少失真常用信系统性能的主要因素之一产生码间示，形成类似眼睛的图案从眼图可以的均衡技术包括干扰的主要原因包括直观观察到码间干扰的程度•线性均衡器使用FIR或IIR滤波器补•信道带宽限制当信道带宽小于信偿信道频响号所需带宽时，信号会发生失真•眼睛开口越大，码间干扰越小，系•判决反馈均衡器DFE利用已判决统性能越好•多径传播信号通过不同路径到达符号消除其对后续符号的干扰接收端，造成时延扩展•水平方向的眼睛宽度反映了定时抖•自适应均衡能够根据信道变化动动的大小•非线性失真传输系统中的非线性态调整参数的均衡器元件导致波形变形•垂直方向的眼睛高度表明了信噪比•最大似然序列估计MLSE基于维的大小•滤波器设计不当收发系统中的滤特比算法的最优检测方法波器可能引入额外失真•眼图的交叉点位置显示了最佳采样时刻第五章频带传输技术调制的必要性调制对于无线通信是必不可少的，因为低频基带信号难以有效地通过天线辐射调制的概念此外，调制还能提高传输效率、减少干2调制是将低频信号（基带信号）转换扰、实现频分复用，以及适应不同传输为高频信号的过程，通过改变载波的媒介的特性某些参数（如振幅、频率或相位）来1携带信息调制使信号更适合在特定调制技术分类传输媒介中传播，并实现多个信号在根据调制信号和被调制参数的不同，调同一媒介上的并行传输制技术可分为数字调制和模拟调制数3字调制将数字基带信号调制到载波上，而模拟调制则处理连续变化的模拟信号在实际通信系统中，调制技术的选择需要考虑多种因素，包括带宽效率、功率效率、抗干扰能力、实现复杂度和成本等随着通信技术的发展，现代调制方案越来越复杂，能够提供更高的数据传输速率和更好的性能数字调制技术幅移键控频移键控相移键控ASK FSKPSK幅移键控是一种通过改变载波振幅来表频移键控通过改变载波频率来传输数字相移键控通过改变载波相位来表示数字示数字数据的调制技术在最简单的二信息在二进制FSK中，两个不同的频率数据在最基本的二进制PSKBPSK中，进制ASK中，一种振幅（通常是较高的振分别对应比特0和1FSK比ASK具有0°相位表示比特0，180°相位表示比特幅）表示比特1，另一种振幅（通常是更好的抗噪声性能，因为频率变化不易1PSK具有较好的抗噪声性能和频谱零或较低的振幅）表示比特0ASK实受到振幅波动的影响FSK技术广泛应用效率，是现代数字通信系统中的重要调现简单，但抗噪声能力较弱，主要用于于无线电通信、调制解调器等领域制技术四相PSKQPSK和八相PSK等高要求不高的短距离通信阶调制方式能够进一步提高频谱利用率正交幅度调制QAM原理星座图正交幅度调制QAM是一种组合了幅度调制和相位调制的高效星座图是表示数字调制方案的图形化工具，尤其适合描述数字调制技术QAM利用两个正交载波（通常是同频率但相QAM在星座图中，每个点代表一个信号符号，其水平坐标位差90°的正弦波），分别调制两路独立的数字信号（称为I信和垂直坐标分别表示I分量和Q分量的幅度星座图直观地显示号和Q信号），然后将调制后的信号相加形成最终的QAM信号了每个符号的幅度和相位特性对于16-QAM，星座图通常是一个4×4的点阵，每个点对应4比这种方法允许在同一频带内传输两倍于单一载波调制的信息量特信息；对于64-QAM，则是8×8的点阵，每个点对应6比特信在M-QAM中，M表示调制的符号数，常见的有16-QAM、64-息星座图越密集，表示单个符号携带的信息越多，但相邻符QAM、256-QAM等，符号数越高，频谱效率越高，但对信噪号间的区分度降低，抗噪能力减弱比的要求也越高QAM技术在现代通信系统中应用广泛，特别是在带宽受限但信噪比较好的场景有线电视、数字电视、数字微波通信和高速数据调制解调器等系统大多采用QAM技术随着5G和更高速度通信系统的发展，更高阶的QAM（如1024-QAM）也在逐渐投入应用，进一步提高频谱利用率模拟调制技术调幅调频调相AM FMPM调幅是最早发展的调制技术之一，通过改变载波的调频通过改变载波的瞬时频率来传输信息，载波的调相通过改变载波的相位来传输信息，载波的相位振幅来传输模拟信号调幅信号的瞬时振幅与调制频率偏离与调制信号的幅度成正比，偏离速率与调偏移与调制信号的幅度成正比调相在性能上与调信号的瞬时值成正比调幅技术实现简单，接收机制信号的频率相同调频具有较强的抗噪声和抗干频相似，同样具有良好的抗噪声能力，但对相位失电路也相对简单，但抗干扰能力较弱，且功率效率扰能力，音质好，但需要更宽的带宽真较为敏感不高FM广播工作在88-108MHz的VHF频段，是最常见调相技术在某些专业通信系统中使用，特别是在需调幅广播是最典型的调幅应用，工作在530-的调频应用此外，调频还用于无线电遥控、专业要精确相位控制的场合在数学上，调频和调相是1700kHz的中波段此外，航空通信也广泛使用调无线通信等场合窄带调频NBFM和宽带调频密切相关的，因为频率是相位的时间导数在实际幅技术，因其简单可靠的特性现代调幅技术有许WBFM是两种常见的调频变体，前者带宽需求小应用中，调相通常与其他调制技术结合使用，如现多变体，如双边带调幅DSB-AM、单边带调幅但保真度较低，后者保真度高但带宽需求大代数字通信中的相位调制成分SSB-AM和残留边带调幅VSB-AM等脉冲调制技术脉冲幅度调制PAM脉冲宽度调制PWM脉冲幅度调制是一种基本的脉冲调制技术，将连续时间的模拟信号转换为离散时间的脉冲序列，每个脉冲的幅度与原始信号在采样时刻的幅度成正比PAM是许多数字调制技术的基础，也是模数转换的第一脉冲宽度调制通过改变脉冲的持续时间（宽度）来传输信息，脉冲宽度与调制信号的幅度成正比PWM步具有实现简单、抗噪声能力强等优点，在各种控制系统和功率传输中广泛应用PAM的关键参数是采样率，根据采样定理，只要采样率大于信号最高频率的两倍，就可以无失真地从PWM是现代电力电子技术的基础，被广泛用于电机驱动、开关电源、LED调光等领域在通信方面，PAM信号中恢复原始信号在实际应用中，PAM常用于时分复用TDM系统和一些简单的数据采集系统PWM可用于模拟信号的数字传输，以及某些特殊的遥控和遥测系统PWM信号可以通过简单的低通滤波恢复为原始模拟信号123脉冲位置调制PPM脉冲位置调制通过改变脉冲在时间轴上的位置来传输信息，脉冲的位移与调制信号的幅度成正比PPM对噪声的抵抗力强于PAM，因为噪声主要影响脉冲幅度而非位置，但对定时精度要求高PPM在遥测系统、光通信和一些特殊的无线通信系统中有应用它的一个重要优势是功率效率高，因为信息编码在脉冲位置而非幅度中，可以使用固定幅度的脉冲，便于功率放大器的优化设计第六章信道特性与信道容量信道的定义信道的分类12信道是信息从发送端传输到接收端根据传输介质，信道可分为有线信的通路，它包括物理媒介和所有影道和无线信道有线信道包括双绞响信号传输的因素从通信系统的线信道、同轴电缆信道、光纤信道角度看，信道可以抽象为一个输入等；无线信道包括地面无线信道、信号经过处理后产生输出信号的系卫星信道、水声信道等根据传输统信道的特性对通信系统的设计特性，信道可分为理想信道、高斯和性能有着决定性影响信道、瑞利信道、莱斯信道等不同类型的信道具有不同的传输特性和限制信道模型3信道模型是对实际信道传输特性的数学抽象，用于通信系统的理论分析和设计常见的信道模型包括加性高斯白噪声AWGN信道、多径衰落信道、频率选择性衰落信道等准确的信道模型对于评估通信系统性能、优化系统参数和开发新技术至关重要信道的时域特性多径效应时延扩展相干时间多径效应是指信号通过不同路时延扩展是多径信道的一个重相干时间是信道特性保持基本径到达接收端的现象，这些路要参数，定义为接收到的第一不变的时间间隔，反映了信道径可能包括直射路径、反射路个信号分量和最后一个信号分的时变特性相干时间与信道径、绕射路径等多径传播导量之间的时间差时延扩展的的多普勒扩展成反比多普勒致接收端接收到多个具有不同大小直接影响数字通信系统的扩展越大，相干时间越短相时延、幅度和相位的信号副本性能，特别是符号间干扰的程干时间是评估信道时变性和设这些信号副本可能相互增强或度当时延扩展超过符号周期计信道估计算法的重要参数抵消，造成信号强度的波动时，会导致严重的符号间干扰在快衰落信道中，相干时间短于符号周期，信道在一个符号多径效应在无线通信中尤为明不同环境下的时延扩展差异很周期内就可能发生明显变化；显，尤其是在城市或室内环境大在开阔的农村地区，时延而在慢衰落信道中，相干时间中多径传播是无线信道衰落扩展可能只有几十纳秒；而在远大于符号周期，信道在多个的主要原因，也会导致符号间密集的城市环境中，时延扩展符号周期内保持相对稳定移干扰为了克服多径效应的不可能达到几微秒甚至更高时动通信系统需要根据相干时间良影响，现代通信系统采用多延扩展越大，信道的相干带宽特性设计合适的信道估计和跟种技术，如均衡器、多载波调越小，系统设计需要考虑更复踪算法制和多天线技术等杂的均衡和调制技术信道的频域特性带宽衰减噪声带宽是信道能够有效传输信号的频率范围，通常定衰减是指信号在传输过程中能量的损失，导致信号噪声是通信系统中不可避免的干扰，包括热噪声、义为信号功率降低到最大值的一半（-3dB点）时的强度减弱衰减通常与频率有关，在不同频率上表射频干扰、冲击噪声等多种类型噪声的频域特性频率范围带宽是信道最基本的频域特性，直接限现出不同的特性在有线传输中，高频信号的衰减对信道性能有重要影响白噪声在所有频率上具有制了数据传输速率根据香农定理，在给定信噪比通常大于低频信号；在无线传输中，衰减还与传播均匀的功率谱密度，是通信理论中最常用的噪声模的条件下，信道容量与带宽成正比距离、障碍物和大气条件等因素有关型；而实际系统中的噪声可能具有复杂的频谱特性不同传输媒介具有不同的带宽特性铜线的带宽通衰减可分为路径损耗、阴影衰落和多径衰落路径常在几MHz到几百MHz之间；同轴电缆可以提供数损耗是由于能量在空间扩散导致的；阴影衰落是由噪声功率与带宽成正比带宽越宽，噪声总功率越百MHz的带宽；光纤则拥有数THz的潜在带宽无大型障碍物引起的；多径衰落则是由多路径传播导大这是为什么窄带系统通常比宽带系统具有更好线信道的带宽受到频谱资源的限制，通常需要严格致的快速波动准确的衰减模型对于通信系统的覆的信噪比在设计通信系统时，需要平衡带宽（数的频谱规划和管理盖规划和链路预算至关重要据速率）和信噪比（传输质量）之间的关系，寻找特定应用的最佳折衷点信噪比与误码率信噪比dB BPSK误码率QPSK误码率16QAM误码率信噪比SNR是信号功率与噪声功率的比值，通常以分贝dB为单位表示信噪比是评估通信信道质量的基本指标，直接影响通信系统的性能信噪比越高，表示有用信号相对于噪声越强，系统性能越好在数字通信中，比特能量与噪声功率谱密度之比Eb/N0是更常用的指标，它与信噪比有直接关系误码率BER是衡量数字通信系统性能的关键指标，定义为接收错误的比特数与总传输比特数的比值误码率与信噪比密切相关信噪比越高，误码率越低不同调制方式在相同信噪比下的误码率表现不同，如上图所示高阶调制（如16QAM）在同等信噪比下的误码率通常高于低阶调制（如BPSK），这是提高频谱效率需要付出的代价信道容量计算2B奈奎斯特带宽利用率比特/秒/赫兹7信道容量4MHz QPSKMbps16信道容量4MHz16QAMMbps100系统峰值20MHz MIMO4x4Mbps奈奎斯特定理应用于实际通信系统时，需要考虑调制方式的影响在二进制调制（如BPSK）中，每个符号携带1比特信息，理论最大数据速率为2B比特/秒；在QPSK中，每个符号携带2比特信息，最大数据速率为4B比特/秒；在16QAM中，每个符号携带4比特信息，最大数据速率为8B比特/秒香农定理则考虑了噪声的影响，给出了有噪声信道的容量上限C=B log₂1+S/N例如，对于带宽为5MHz、信噪比为10dB10倍的信道，其容量为5×log₂11≈

16.6Mbps香农定理表明，只要传输速率低于信道容量，就可以通过适当的编码方案实现任意低的误码率；但如果传输速率超过信道容量，无论使用什么编码方案，都无法实现可靠传输提高信道利用率的方法先进调制技术采用高阶调制方式（如64QAM、256QAM）可以提高频谱利用率，每个符号携带更多比特信息例如，相比于QPSK的2比特/符号，256QAM可以达到8比特/符号，在相同带宽下传输速率提高4倍，但需要更高的信噪比来保证可接受的误码率信道编码信道编码通过添加冗余信息增强信号的抗干扰能力，使系统能够在较低信噪比下工作虽然编码本身会降低频谱利用率，但能够支持更高阶的调制方式或在更恶劣的信道条件下工作，最终提高有效吞吐量现代通信系统广泛采用Turbo码、LDPC码等高性能编码技术信道均衡信道均衡技术通过补偿信道引起的失真来减少符号间干扰，从而提高信道利用率均衡技术可分为线性均衡和非线性均衡，后者通常性能更好但复杂度更高随着数字信号处理技术的发展，先进的自适应均衡算法已被广泛应用于现代通信系统多天线技术多输入多输出MIMO技术利用多天线发射和接收信号，通过空间复用或分集提高频谱利用率空间复用允许在相同频率和时间上同时传输多个数据流，理论上可将信道容量提高N倍（N为天线数）5G系统中的Massive MIMO技术使用大规模天线阵列，进一步提高了频谱效率第七章差错控制差错的类型差错控制的重要性在数据通信中，差错主要有两种类型随机差错和突发差错差错控制是确保数据通信可靠性的关键技术在没有有效差错随机差错是由热噪声、量化噪声等因素引起的，在时间上随机控制的情况下，通信系统容易受到各种干扰和噪声的影响，导分布，通常是相互独立的单比特错误突发差错是指在短时间致数据损坏或丢失有效的差错控制可以显著提高通信质量，内连续发生的多个错误，通常由闪电、电机开关等瞬态干扰或减少重传次数，提高系统吞吐量和用户体验信道衰落引起差错控制在不同应用场景中的重要性各不相同在文件传输等随机差错通常可以用二项分布或泊松分布建模，而突发差错则对数据准确性要求极高的应用中，差错控制是必不可少的；在需要更复杂的统计模型不同类型的差错需要不同的控制策略语音通话等实时应用中，则可能更注重延迟而容忍一定的错误；随机差错适合用奇偶校验或汉明码等简单编码处理；突发差错在传感器网络等资源受限的环境中，需要在可靠性和能效之间则需要使用交织技术或特定的突发错误校正码找到平衡点差错控制技术主要分为两大类前向纠错FEC和自动重传请求ARQ前向纠错通过在发送端添加冗余信息使接收端能够检测并纠正错误；ARQ则通过重传错误数据来实现可靠传输这两种技术各有优缺点，在实际系统中往往结合使用，形成混合ARQHARQ机制，兼顾了可靠性和效率检错编码奇偶校验码循环冗余校验码校验和CRC奇偶校验是最简单的检错编码方式，通过添加一个校验位循环冗余校验是一种强大的检错编码，基于多项式除法原校验和是将数据分成固定大小的块（通常是16位或32位），使得数据中1的总数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）理CRC将数据视为一个大的二进制多项式，然后用预定义然后对所有块进行算术求和，结果用作校验码校验和实奇偶校验简单易实现，但只能检测奇数个比特错误，无法的生成多项式进行除法运算，将余数作为校验位附加到原现简单，计算速度快，但检错能力较弱，只适用于对可靠检测偶数个比特错误，且不具备纠错能力始数据后接收方执行相同的除法，如果余数为零，则认性要求不高的场合为数据正确尽管功能有限，奇偶校验因其简单性仍被广泛用于低速串校验和在早期的网络协议（如IP、TCP、UDP）中被广泛使行通信、存储系统和简单的控制协议中一种改进的方式CRC具有很强的突发错误检测能力，实现效率高，是现代通用例如，IP头部使用简单的16位校验和来验证头部信息是二维奇偶校验，将数据排列成矩阵并对每行每列进行校信系统中最常用的检错码之一常见的CRC标准包括CRC-的完整性随着硬件计算能力的提升和可靠性要求的增加，验，这样可以检测并定位单比特错误，但实现复杂度和冗

16、CRC-32等，它们使用不同的生成多项式，提供不同级许多现代系统已经用CRC或更强大的检错码取代了简单校验余度都增加了别的检错能力CRC广泛应用于以太网、USB、蓝牙等通信和协议，以及ZIP、PNG等文件格式纠错编码汉明码卷积码汉明码是一种线性块码，能够检测双比特错误并纠正单比特错误卷积码是一种连续的编码方式，编码器的输出不仅取决于当前输入，它的基本原理是在数据位中插入几个校验位，使得数据位和校验位还取决于之前的输入卷积码通常由移位寄存器和模二加法器组成，的组合满足特定的奇偶校验等式常见的汉明码有7,4码（4个数可以用卷积编码器的结构、生成多项式或状态图来描述卷积码的据位，3个校验位）和15,11码（11个数据位，4个校验位）编码效率和纠错能力取决于约束长度和码率汉明码的编码和解码算法简单明了，易于硬件实现当发生错误时，卷积码的解码通常使用维特比算法，这是一种基于动态规划的最大校验等式的结果（称为综合征）直接指示出错误位的位置虽然汉似然序列估计方法卷积码在移动通信、卫星通信和深空通信等领明码的纠错能力有限，但其简洁高效的特性使它在某些低速通信和域被广泛应用例如，GSM系统使用码率为1/

2、约束长度为5的存储系统中仍有应用，如计算机内存的错误检测与纠正ECC卷积码；NASA的深空通信则使用约束长度更大的低码率卷积码，以在极低信噪比下实现可靠通信除了汉明码和卷积码外，现代通信系统还使用许多更先进的纠错码，如Reed-Solomon码、BCH码、Turbo码和LDPC码等这些编码方案提供了更强的纠错能力，但编码和解码的复杂度也更高随着硬件计算能力的提升，越来越多的系统开始采用这些高性能编码技术，显著提高了通信的可靠性和效率自动重传请求ARQ停止等待回退帧选择重传ARQ NARQ ARQ停止等待ARQ是最简单的ARQ协议，发送方回退N帧ARQ允许发送方在等待确认的同时选择重传ARQ也使用滑动窗口机制，但只重发送一个数据帧后停止并等待接收方的确认连续发送多个帧发送方维护一个滑动窗口，传出错的帧，而不是从出错帧开始的所有帧如果在超时期限内收到肯定确认ACK，发窗口内的帧可以发送但尚未得到确认如果这要求接收方能够接收并缓存乱序到达的正送方发送下一个数据帧；如果收到否定确认发现错误（收到NAK或出现超时），发送方确帧，然后重新排序选择重传ARQ在高错NAK或超时，则重传当前帧这种协议简从出错帧开始重传所有后续帧，这就是回误率和长延迟环境下比回退N帧ARQ更有效，单但效率低下，特别是在传输延迟大的情况退N帧的名称由来这种协议提高了信道利但实现复杂度更高，需要更大的缓冲区下，信道利用率很低用率，但在错误率高的环境下可能导致大量无谓的重传前向纠错FEC原理应用场景前向纠错是一种通过在发送端添加冗余信息使接收端能够检测并纠正错FEC在许多通信和存储系统中有广泛应用，特别是在重传成本高或不可误的技术，无需发送方的重传FEC的核心思想是将数据编码成具有一能的场景定冗余的码字，使得即使在传输过程中发生错误，接收端仍能恢复原始•深空通信由于极长的传播延迟（可达数小时甚至数天），ARQ不信息FEC技术基于编码理论，其设计目标是在给定冗余度的条件下最可行，FEC成为必然选择大化纠错能力•数字广播这类单向通信系统中，接收端无法请求重传，必须依靠FEC编码可分为两大类块码和卷积码块码（如汉明码、BCH码、FEC保证接收质量Reed-Solomon码）将固定长度的信息映射为固定长度的码字；卷积码•数字存储DVD、Blu-ray等光盘媒体使用FEC来抵抗刮痕和灰尘造则是一种连续的编码方式，编码器的输出取决于当前和之前的输入现成的读取错误代通信系统还使用更复杂的编码方案，如Turbo码、LDPC码和Polar码•移动通信无线环境下的高错误率和频繁的链路波动使FEC成为提等高可靠性的关键技术•实时通信视频会议、VoIP等对延迟敏感的应用倾向于使用FEC而非重传来处理错误在实际系统中，FEC和ARQ常常结合使用，形成混合ARQHARQ机制HARQ有两种基本形式第一种是先尝试用FEC纠错，如果失败再请求重传（称为I型HARQ）；第二种是保留原始传输的信息，与重传信息结合后进行解码，提高成功率（称为II型HARQ）现代无线通信系统如4G LTE和5GNR广泛采用HARQ机制，兼顾了可靠性和效率第八章数据链路控制帧的概念帧是数据链路层的基本传输单位，由帧头、数据字段和帧尾组成帧头包含目的地址和2源地址等控制信息，数据字段包含上层传递数据链路层的功能的数据，帧尾通常包含校验和用于差错检测数据链路层位于OSI参考模型的第二层，1负责在相邻节点间提供可靠的数据传输它的主要功能包括物理寻址、数据成帧、链路管理差错控制、流量控制和访问控制等链路管理涉及链路的建立、维护和释放在建立阶段，通信双方协商参数；维护阶段保3持链路正常工作并处理异常；释放阶段则有序地终止通信数据链路控制协议是实现数据链路层功能的规则集合，规定了数据组织成帧、帧的传输、接收和处理等方面的具体方法常见的数据链路协议包括HDLC、PPP、以太网MAC协议等这些协议各有特点，适用于不同的网络环境和应用场景在物理层提供的比特传输基础上，数据链路层通过成帧、差错控制和流量控制，将不可靠的物理连接转变为对上层看起来可靠的链路这是网络通信可靠性的第一道保障，为上层协议提供了稳定的通信基础成帧技术字符计数法1字符计数法在帧头中包含一个计数字段，指明帧中包含的字符数量接收方通过读取这个计数值来确定帧的边界这种方法简单直接，但存在严重缺陷如果计数字段因传输错误而损坏，接收方将无法正确识别后续所有帧的边界，导致同步完全丢失由于这个致命缺点，字符计数法在现代通信系统中很少单独使用字符填充法2字符填充法使用特殊的开始和结束标志字符（如ASCII中的STX和ETX）来界定帧的边界为了防止数据中出现与标志字符相同的内容，使用转义字符（如ASCII中的ESC）对数据中的标志字符进行转义处理接收方通过识别未被转义的标志字符来确定帧边界字符填充适用于以字符为单位的传输，如传统的异步串行通信，但不适合透明传输任意二进制数据比特填充法3比特填充法使用特定的比特模式（如01111110）作为帧的分界标志为了防止数据中出现与标志相同的模式，在发送方，数据中只要出现连续5个1，就自动插入一个0；在接收方，遇到5个连续的1后接一个0，就自动删除这个0这种方法可以实现完全透明的比特流传输，不受数据内容的限制，被广泛用于HDLC等高级数据链路控制协议物理层编码违例法4物理层编码违例法利用物理层编码方案中的特殊序列（通常是编码规则中不允许出现的序列）作为帧的分界标志这种方法依赖于物理层编码的特性，例如，在曼彻斯特编码中，可以使用违反编码规则的信号跳变作为帧界标志这种方法的优点是不需要增加数据量，缺点是与物理层编码强耦合，不同编码方案需要不同的处理方式流量控制流量控制的必要性流量控制是防止发送方发送数据的速率超过接收方处理能力的机制如果没有适当的流量控制，当发送方发送数据的速度过快时，接收方的缓冲区可能会溢出，导致数据丢失和重传，降低通信效率流量控制对于能力不匹配的通信设备之间的可靠传输尤为重要停止等待协议停止等待协议是最简单的流量控制方式，发送方每发送一个帧后就停止发送，等待接收方的确认帧只有收到确认后，才能发送下一个帧这种方法实现简单，但信道利用率低，特别是在高延迟环境下例如，如果传输延迟为10ms，帧传输时间为1ms，那么信道利用率只有约9%滑动窗口协议滑动窗口协议允许发送方在未收到确认的情况下连续发送多个帧，显著提高了信道利用率窗口大小表示发送方可以在未收到确认的情况下发送的最大帧数接收方通过发送确认帧，告知发送方已正确接收到的最高序号，发送方据此滑动发送窗口滑动窗口协议有多种变体，如Go-Back-N和选择性重传前者在出错时重传所有未确认的帧，实现简单但在高错误率环境下效率低；后者只重传出错的帧，效率更高但需要更复杂的缓冲和序号管理机制数据链路层协议协议协议HDLC PPP高级数据链路控制HDLC是一种面向比特的数据链路协议，点对点协议PPP是为在点对点链路上传输多协议数据包而设被ISO标准化为ISO13239HDLC是一个多功能协议，支持点计的协议，被IETF标准化为RFC1661PPP广泛用于拨号接对点和多点配置，以及全双工和半双工通信入、ADSL、PPPoE等场景，是互联网接入的重要协议HDLC帧由开始标志、地址字段、控制字段、信息字段、帧检PPP协议栈包括三个主要组件用于封装多协议数据包的方法、验序列和结束标志组成控制字段定义了三种帧类型信息帧链路控制协议LCP和一系列网络控制协议NCPLCP负责建I用于数据传输，监督帧S用于流量控制和差错恢复，无编立、配置和测试链路；NCP则负责配置不同的网络层协议，如号帧U用于链路管理IP控制协议IPCP用于配置IP通信HDLC使用比特填充技术确保透明传输，在数据中遇到连续5个PPP帧由标志字段、地址字段、控制字段、协议字段、信息字1时插入一个0它支持多种操作模式正常响应模式NRM、段、校验字段和结束标志组成与HDLC不同，PPP主要用于异步平衡模式ABM和异步响应模式ARM，适应不同的网络点对点链路，支持功能也相对简化，但增加了认证功能PAP、拓扑和控制需求CHAP和动态IP地址分配等特性，更适合互联网接入场景第九章多路复用技术多路复用的概念多路复用是指在单一通信信道上同时传输多个独立信号的技术它允许多个用户或应用共享同一物理媒介，提高传输资源的利用率多路复用技术将多个低速信道组合成一个高速信道，在接收端再将它们分离成原始信号多路复用的必要性通信资源（如带宽、频谱、光纤等）通常是有限且昂贵的，完全独占使用这些资源不经济且浪费多路复用技术允许多个用户共享这些资源，大幅提高资源利用率此外，建设多条独立的物理线路成本高昂，通过多路复用可以降低基础设施投资多路复用的分类根据信道划分方式的不同，多路复用技术主要分为频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用CDM等类型这些技术各有特点，适用于不同的通信场景现代通信系统通常采用多种复用技术的组合，以最大化提高频谱效率频分复用FDM特点FDM是一种模拟技术，用户可以持续占用分配的频带它不需要同步，实现相对简单，但频原理谱利用率不高，且信道分离不完美可能导致串2频分复用将可用频带分成多个子频带，每个子扰FDM需要高线性度的设备以防止产生干扰，并且难以动态重新分配带宽频带分配给一个用户使用各用户信号调制到1不同的载波频率上，形成不同的子信道子信应用道之间通常保留保护频带，防止相互干扰接收端使用带通滤波器将混合信号分离回原始信虽然在许多数字系统中已被其他技术取代，号FDM仍在一些领域广泛应用传统电视和广播3使用FDM在不同频道传输节目；有线电视系统使用FDM传输数十个电视频道；ADSL使用FDM将语音和数据分离在不同频带正交频分复用OFDM是FDM的现代变体，它使用正交的子载波，无需保护频带，大幅提高了频谱效率OFDM已成为现代无线通信如Wi-Fi、4G LTE和5G的基础技术它的关键优势在于能够抵抗频率选择性衰落和多径干扰，特别适合高速移动通信时分复用TDM同步统计TDM TDM同步时分复用是一种将多个低速数字信号复用到一个高速信道的技统计时分复用是同步TDM的一种改进，它根据实际需求动态分配术时间被划分为固定长度的帧，每个帧再分为多个时隙，每个时时隙，而不是固定分配当某个用户没有数据发送时，其时隙可以隙分配给一个特定的信道无论用户是否有数据发送，时隙都会定分配给其他有数据发送的用户，从而提高信道利用率每个数据块期分配给它，这保证了确定性但可能导致资源浪费通常带有地址信息，标识其所属的信道与同步TDM相比，统计TDM可以支持更多的用户，通常是同步同步TDM要求严格的时间同步，通常使用帧同步标记确保发送方TDM的2-3倍然而，这种效率提升是以牺牲确定性为代价的在和接收方的时钟对齐它被广泛用于传统电话网络，如T1载波系高负载情况下，可能出现排队延迟和丢包统计TDM被广泛应用统

1.544Mbps将24个64kbps的语音信道复用在一起，E1系统于分组交换网络、异步传输模式ATM和许多现代数据通信系统

2.048Mbps则复用30个语音信道同步TDM实现简单，延迟确定，但当许多用户不活跃时效率低下时分复用在数字通信系统中应用广泛，从早期的电话网络到现代的蜂窝移动网络例如，GSM使用TDMA技术，将每个频道分为8个时隙；SONET/SDH光纤传输系统使用复杂的TDM结构，支持多层次的复用和丰富的网络管理功能随着技术发展，TDM与其他复用技术（如FDM、WDM）结合使用，形成更高效的混合复用系统波分复用WDM光纤通信中的应用技术新兴技术DWDM WDM波分复用是光纤通信中最重要的复密集波分复用DWDM是WDM技随着网络流量的持续增长，WDM用技术，它允许在单根光纤上同时术的高级形式，它将波长间隔缩小技术也在不断演进弹性光网络传输多个不同波长（颜色）的光信到极小（通常小于1nm），使单根EON允许动态调整信道带宽和中号每个波长形成一个独立的信道，光纤可以支持更多的波长信道商心波长，实现更灵活的频谱分配可以独立调制和解调WDM技术用DWDM系统可以在单根光纤上支空分复用SDM则通过使用多芯光极大地提高了光纤的传输容量，而持

40、80或160个波长信道，每个纤或少模光纤，在空间维度上进一无需增加光纤数量，是光通信网络信道可以携带10Gbps、40Gbps甚步增加复用度，与WDM协同工作容量爆炸式增长的关键技术之一至100Gbps的数据流，使总容量达可实现PB级传输容量到数Tbps同时，WDM技术也在向接入网和基本的WDM系统包括发射端的多数据中心延伸粗波分复用个光源和复用器，接收端的解复用DWDM技术对光源稳定性和滤波精CWDM使用更宽的波长间隔，成器和光检测器，以及中间的光纤传度要求极高，需要精确的温度控制本更低，适合城域网和接入网应用输线路复用器将不同波长的光信和高质量的光学元件为了进一步而硅光子学和集成光电子学的发展号合并到一根光纤中；解复用器则提高系统容量，现代DWDM系统结则有望将WDM功能集成到更小、将混合信号分离成原始的单波长信合了相干检测、数字信号处理和先更省电、更低成本的芯片上，为数号技术挑战包括保持波长稳定性、进的调制格式（如正交相移键控和据中心内部互连和超高速计算提供减少串扰和管理光功率等正交幅度调制），以提高每个波长支持信道的频谱效率DWDM在长距离骨干网和海底光缆中应用广泛码分复用CDM原理在移动通信中的应用CDMA码分多址CDMA是一种基于码分复用的多址接入技术，允许多个CDMA技术在第二代和第三代移动通信系统中得到广泛应用IS-用户同时使用相同的频带进行通信在CDMA中，每个用户被分配95（也称为cdmaOne）是第一个商用的CDMA移动通信标准，被一个唯一的编码序列（也称为扩频码或伪随机码），用于将其信号北美和亚洲一些国家采用随后的CDMA2000标准成为主要的3G扩展到更宽的频带技术之一，与WCDMA（欧洲开发的另一种基于CDMA的3G标准）共同推动了全球移动互联网的发展扩频过程中，原始数据信号与高速扩频码相乘，产生带宽远大于原始信号的传输信号这种扩频后的信号在频谱上与其他用户的信号CDMA技术在移动通信中有几个显著优势它提供了较高的频谱效重叠，但因为不同用户使用的扩频码近似正交，接收端可以通过相率，使每MHz频谱能支持更多用户；它具有出色的抗多径衰落能关运算将特定用户的信号从混合信号中提取出来这种技术提供了力，适合复杂的移动环境；它支持软切换，使移动用户在不同基站良好的抗干扰性和隐私性间切换更平滑；它还具有内在的安全性，因为没有正确的扩频码就无法解调信号尽管在4G和5G系统中，CDMA作为主要的多址技术已被OFDMA正交频分多址所取代，但其扩频技术的基本原理仍在现代通信系统中发挥重要作用例如，GPS系统使用类似CDMA的扩频技术使接收机能够同时跟踪多个卫星信号；军事通信系统利用扩频技术的抗干扰和低截获特性；某些物联网场景也采用简化的CDMA变体，以实现大量设备的低功耗接入第十章交换技术交换的概念交换的类型12交换是建立通信路径以实现端到端连根据建立连接和传输数据的方式，交接的过程，是通信网络的核心功能换技术主要分为三种电路交换、报在大型网络中，为每对用户提供专用文交换和分组交换电路交换在通信的直接连接是不经济的，交换技术允前建立端到端的专用物理路径；报文许网络资源被多个用户共享，大幅降交换以完整的消息为单位进行存储转低网络成本交换设备（如交换机、发；分组交换则将消息分割成小的数路由器）根据特定规则转发数据，确据包，各自独立路由和传输这三种保信息能够从源节点传递到目标节点交换方式各有优缺点，适用于不同的通信需求交换网络的演进3通信网络的交换技术经历了从人工交换到机械交换，再到电子交换和光交换的演进过程早期的电话网络主要使用电路交换；互联网的兴起使分组交换成为主流；现代通信网络则是多种交换技术的融合，如软件定义网络SDN将控制平面与数据平面分离，通过集中控制实现更灵活的网络管理和资源调度电路交换工作原理1电路交换在通信开始前建立一条从源到目的地的专用物理通路，该通路在整个通信过程中被独占这种连接分为三个阶段连接建立、数据传输和连接释放在优点连接建立阶段，交换设备根据呼叫请求分配必要的资源并设置交换路径；数据传2输阶段，数据沿着这条专用路径传输，无需额外寻址和路由；连接结束后，释放电路交换具有多项显著优势一旦建立连接，就能提供固定的带宽和恒定的传输所有资源供其他用户使用延迟，非常适合实时通信；传输过程中不需要额外的控制信息，减少了开销；数据传输是透明的，不受格式限制；没有拥塞问题，因为资源是预留的；简单的端到端流量控制和差错控制，无需复杂的协议这些特性使电路交换特别适合语音缺点3通话等对延迟敏感的服务电路交换也存在明显的缺点建立连接需要时间，不适合短暂的通信；一旦连接建立，即使没有数据传输，资源也会被占用，导致低效率；系统容易因设备故障导致整个连接失效；难以适应突发性数据流量；功能单一，缺乏灵活性；通信双方必须使用相同的传输速率这些限制使电路交换在数据通信中逐渐被其他技术取代报文交换工作原理报文交换是一种存储转发交换技术，以完整的消息（报文）为传输单位在报文交换网络中，发送的消息带有目的地址信息，网络节点根据地址信息在不同链路间转发报文每个交换节点接收完整的报文，进行存储，分析报文头部的路由信息，然后决定下一跳并转发节点通常存储多个报文，并根据优先级、目的地或其他策略确定转发顺序优点报文交换比电路交换更有效地利用传输线路，因为链路只在实际传输数据时被占用它不需要预先建立端到端连接，减少了连接建立的开销报文交换能够根据网络状况动态选择路由，提高了系统的可靠性和灵活性此外，报文交换支持优先级处理，允许紧急消息优先传输，并能够在繁忙时期通过队列缓解拥塞缺点报文交换的主要缺点是端到端延迟大且变化显著，不适合实时通信由于每个节点都要存储完整报文，对存储容量要求高，尤其在处理大型报文时大型报文的传输会占用链路较长时间，导致其他报文等待，增加了网络拥塞的可能性此外，不同节点存储能力的差异可能导致报文丢失或传输瓶颈分组交换工作原理优缺点分组交换是报文交换的改进形式，将长报文分割成较小的、固分组交换综合了电路交换和报文交换的优点，同时克服了它们定大小或可变大小的数据块，称为分组或包每个分组都包含的一些缺点优点包括线路利用率高，支持多种应用和协议，控制信息（如源地址、目的地址、序号等）和数据部分分组具有适应性强的特点由于分组较小，存储需求降低，延迟减在网络中独立路由，可能沿不同路径传输，到达目的地后重新少分组独立路由增强了系统的可靠性，单点故障不会导致整组装成完整报文个通信中断分组交换采用存储转发方式，中间节点收到完整分组后，根据缺点主要是额外的控制信息增加了开销；分组需要重新组装，路由算法确定下一跳，然后转发现代分组交换网络如互联网增加了复杂性；不同分组可能经由不同路径，导致到达顺序不使用多种协议确保分组的顺序传递、错误检测和流量控制等功一致，需要额外的序列控制；网络拥塞时，延迟和丢包率会增能加，对实时应用不利虽然存在这些缺点，但分组交换凭借其显著的灵活性和效率优势，已成为现代数据通信网络的主导技术互联网、移动数据网络等都基于分组交换技术随着技术发展，服务质量QoS机制、流量工程和软件定义网络SDN等创新不断完善分组交换网络，使其能够更好地支持多样化的应用需求第十一章数据通信网络网络拓扑结构是指网络中各节点的连接方式和物理布局主要拓扑结构包括星型拓扑、环型拓扑、总线拓扑、网状拓扑和混合拓扑等每种拓扑结构都有各自的优缺点和适用场景例如，星型拓扑便于管理但中心节点成为单点故障源；环型拓扑则提供冗余路径但增加了复杂性网络协议是规范网络通信的规则集，定义了数据格式、传输顺序、错误处理和流控制等方面协议通常按功能分层，每层解决特定问题常见的协议架构有OSI七层模型和TCP/IP模型现代网络协议族包括以太网数据链路层、IP网络层、TCP/UDP传输层和HTTP/FTP等应用层协议，共同构成了现代互联网的基础七层模型OSI应用层1为应用程序提供网络服务接口表示层2处理数据格式转换、加密解密等会话层3管理会话连接的建立、维护与终止传输层4提供端到端的可靠数据传输网络层5负责数据包的路由和转发数据链路层6控制相邻节点间的数据传输物理层7定义物理介质上的比特传输OSI参考模型是国际标准化组织ISO制定的开放系统互连参考模型，将网络通信划分为七个功能层次每层都有特定功能，并通过标准接口与相邻层交互这种分层结构使网络设计、实现和故障排除更加系统化数据封装过程是信息从高层向底层传递时逐层添加控制信息的过程应用层创建的用户数据被逐层封装表示层可能添加编码信息；会话层添加会话控制信息；传输层添加端口等传输控制信息，形成段segment；网络层添加IP地址等路由信息，形成包packet；数据链路层添加MAC地址等控制信息，形成帧frame；最后，物理层将帧转换为比特流进行传输在接收端，则按相反顺序逐层解封装协议族TCP/IP协议层次主要协议介绍TCP/IP是互联网的基础协议族，采用四层结构，不同于OSI的TCP/IP协议族包含众多协议，每个协议解决特定问题在应七层模型TCP/IP的四层分别是应用层、传输层、网络层用层，常见协议包括HTTP网页访问、FTP文件传输、和网络接口层SMTP/POP3/IMAP电子邮件、DNS域名解析、DHCP动态主机配置等应用层对应OSI模型的应用层、表示层和会话层，提供用户接口和服务；传输层负责端到端通信控制，相当于OSI的传输层；传输层的核心协议是TCP和UDPTCP提供面向连接的可靠传网络层处理数据包的路由，对应OSI的网络层；网络接口层结输，具有流量控制和拥塞控制机制；UDP则提供无连接的、尽合了OSI的数据链路层和物理层，负责与特定网络硬件接口的力而为的传输服务，开销小但不保证可靠性通信网络层的IP协议负责寻址和路由功能，是整个互联网的基础这种简化的四层模型使TCP/IP更加实用和灵活，成为事实上此外还有ICMP控制消息、ARP地址解析等辅助协议网络的网络标准接口层则包括以太网、Wi-Fi、PPP等协议，负责与具体物理网络的对接局域网技术以太网WLAN以太网是最流行的局域网技术，基于CSMA/CD访无线局域网WLAN技术以IEEE

802.11标准族为基问方法和IEEE

802.3标准传统的共享式以太网使础，提供灵活的无线网络连接WLAN采用用总线拓扑，所有设备共享同一传输介质，采用CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）机制管CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制解理介质访问，通过基本服务集BSS和扩展服务集决访问冲突现代以太网多采用交换式结构，每个ESS组织网络结构主要标准包括设备连接到交换机的专用端口，消除了冲突域

802.11b/g/n/ac/ax等，分别提供不同的数据速率和覆盖范围以太网的速率经历了从10Mbps、100Mbps、WLAN技术的进步主要体现在四个方面更高的数1Gbps到10Gbps、40Gbps、100Gbps的飞跃，传据速率（从原始的2Mbps提升到现代的几Gbps）；输介质也从粗缆、细缆发展到双绞线和光纤关键更广的覆盖范围；更强的安全性（从早期的WEP到技术进步包括自动协商、全双工操作、虚拟局域网WPA/WPA2/WPA3）；以及更高的用户密度支持VLAN、链路聚合等，使以太网能够适应多样化的现代WLAN技术如Wi-Fi

6802.11ax引入了OFDMA、应用场景MU-MIMO等技术，大幅提升了高密度环境下的性能工业以太网工业以太网是为满足工业自动化和控制系统需求而改进的以太网技术与商业以太网相比，工业以太网强调确定性延迟、高可靠性和恶劣环境适应性常见的工业以太网标准包括EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP等，它们在标准以太网基础上添加了实时控制和工业协议支持工业以太网的关键特性包括支持硬实时通信，保证确定性响应时间；增强的故障冗余机制，如环形拓扑和快速恢复；坚固的物理构造，能够在震动、粉尘、温度波动等恶劣条件下可靠工作；与传统工业总线系统的兼容性，便于系统迁移和升级广域网技术1X.25X.25是早期的分组交换广域网技术，由国际电信联盟ITU在20世纪70年代标准化它是首个广泛部署的公共数据网络协议，为终端设备提供了一个统一的接口连接到分组交换网络X.25采用虚电路方式，在连接建立后数据包按固定路径传输该协议在不可靠的模拟电话网络上提供了可靠的数据传输，但速率较低（通常为64kbps），且协议开销大尽管如此，X.25网络在银行、零售和政府部门等需要高度可靠性的应用中使用多年2Frame Relay帧中继Frame Relay是X.25的后继技术，出现在20世纪80年代末它通过简化协议栈和减少错误控制，大幅提高了性能Frame Relay假设底层传输网络已经相当可靠，因此将错误检测和恢复的责任转移到了终端设备，减少了网络节点的处理负担它使用永久虚电路PVC提供点对点连接，支持突发流量，速率从64kbps到45Mbps不等Frame Relay通过承诺信息速率CIR和突发超额概念提供简单的QoS机制，成为企业广域网连接的主流技术，直到被更新的技术如MPLS和IP VPN取代3ATM异步传输模式ATM是一种面向连接的广域网技术，于20世纪90年代开发ATM使用固定大小的53字节信元（5字节头+48字节数据）进行传输，这种统一的小数据单元便于硬件实现和QoS保证ATM设计目标是统一语音、视频和数据网络，提供端到端的服务质量它定义了多种服务类别，如恒定比特率CBR、可变比特率VBR和可用比特率ABR，满足不同应用的需求ATM提供了从几Mbps到数百Mbps甚至Gbps的速率，被广泛用于骨干网和B-ISDN虽然作为终端服务的ATM未能普及，但其技术概念对现代网络设计仍有深远影响新兴数据通信技术通信物联网边缘计算5G第五代移动通信技术5G代表了无线通信的重物联网IoT是指通过互联网将各种物理设备连边缘计算将计算和存储资源从集中式云数据中大飞跃，提供超高数据速率、极低延迟和海量接起来的网络，使这些设备能够收集和交换数心下移到网络边缘，靠近数据源和用户这种连接能力5G网络采用多种先进技术，包括大据物联网通信技术多种多样，包括短距离的架构减少了数据传输距离，显著降低了延迟，规模MIMO天线阵列、毫米波频段、波束成形、蓝牙、ZigBee、Wi-Fi，以及长距离的同时减轻了骨干网络的负担边缘计算为延迟网络切片和边缘计算等5G的三大应用场景包LoRaWAN、NB-IoT和LTE-M等这些通信技术敏感的应用（如自动驾驶、远程手术、增强现括增强型移动宽带eMBB、超高可靠低延迟通在功耗、覆盖范围、数据速率和安全性等方面实等）提供了关键支持边缘计算网络通常采信URLLC和大规模机器类通信mMTC，分别各有特点，适用于不同应用场景物联网的数用多层结构，包括终端设备层、边缘节点层和满足高速率、低延迟和大连接的不同需求据通信面临的主要挑战包括设备电池寿命、网云层，数据根据需求在不同层次间流动实现络可靠性、安全隐私和标准碎片化等边缘计算的关键技术包括多接入边缘计算MEC、雾计算、内容分发网络CDN和软件定义网络SDN等课程总结应用前景展望数据通信技术正在经历前所未有的变革，未来发展前景广阔5G及未来6G技术将实现从万物互联到万物智联；量子通信有望彻底改变信息安全格局；太赫兹通信将开辟新知识点回顾的频谱资源；人工智能与通信的深度融合将实现更智能、更高效的网络这些技术进步将持续推动各行业数字化转本课程系统讲解了数据通信的基础理论和关键技术，2型，创造新的商业模式和社会价值从基本概念到先进应用，构建了完整的知识体系我们学习了数据与信号的转换、传输媒介与方式、基带1学习建议与频带传输技术、信道特性、编码调制、差错控制、数据链路、多路复用和交换技术等核心内容这些知学习数据通信需要系统性思维，建议从理解基本原理入手，识点相互关联，共同构成了现代数据通信系统的理论再探索具体技术实现实验和实践至关重要，可通过网络3基础模拟软件、开源硬件平台动手验证理论知识关注行业动态和标准发展，参与学术交流和技术社区，有助于拓展视野特别建议加强跨学科学习，尤其是信号处理、计算机科学和网络安全等相关领域，以适应通信技术的综合发展趋势本课程内容虽然广泛，但仍只是数据通信领域的基础欢迎同学们在后续学习中继续深入探索感兴趣的领域，将理论与实践相结合，在这个日新月异的领域中不断学习和创新感谢大家的参与和努力！。