《数据通信原理》课件

数据通信原理数据通信原理是电子信息类通信技术专业的核心基础课程，主要研究计算机之间数据传输的基本理论与技术本课程涵盖了基带传输、频带传输、差错控制等关键技术内容，为学生掌握现代通信系统的工作原理奠定坚实基础通过系统学习，学生将了解数据如何在不同设备间传输，掌握信号处理、调制解调、编码技术等核心知识，培养分析和设计通信系统的能力，为后续专业课程学习和未来工作实践打下坚实基础课程介绍课程地位作为电子信息专业核心基础课程，《数据通信原理》在专业知识体系中起着承上启下的重要作用先修课程学习本课程前，学生需具备信号与系统、概率论与数理统计、信息论等基础知识后续课程为移动通信、光纤通信、计算机通信网络等高级专业课程提供理论基础学习重点掌握通信系统分析方法与基本技术，培养实际通信系统设计与优化能力教材与参考资料主教材《数据通信原理》是本课程的核心教材，系统介绍了数据通信的基本概念、原理和技术，内容全面涵盖了从基础理论到实际应用的各个方面参考书目《通信原理教程》樊昌信著是国内知名的通信专业经典教材，其理论讲解深入浅出，例题丰富，适合加深对通信原理的理解补充资料《现代通信原理》曹志刚著侧重于现代通信技术，包含了更多前沿内容，是扩展视野的良好补充电子资源北京邮电大学网络学院提供的电子教案，内含丰富的习题、实验指导和多媒体资源，便于自主学习课程内容概览数据通信基础概念数据信号的基带传输了解数据通信的定义、系统组成和特点掌握基带信号的编码和传输技术数据交换与网络数据信号的频带传输了解网络通信的基本原理学习数字调制解调技术差错控制编码多路复用技术探讨提高传输可靠性的技术研究多用户共享信道的方法第一章数据通信基础数据通信的定义与发展历程从最早的电报到现代光纤通信数据通信系统的基本模型信源、发信机、信道、收信机、信宿五大要素数据通信系统的性能指标带宽、误码率、信道容量等关键指标数据通信的应用领域从互联网到物联网的广泛应用通信的基本概念通信定义通信类型通信目标通信是指信息从发送方传输到接收方的过实时通信信息的发送与接收几乎同时进现代通信系统追求的核心目标是在各种条程，实质是信息的空间转移在这一过程行，如电话通话、视频会议等，要求系统件下准确、高效、安全地传递信息，同时中，信息内容保持不变，但其表现形式可具有低延迟特性充分利用有限的通信资源，为用户提供稳能发生变化定可靠的服务非实时通信信息的接收与发送之间存在通信技术的核心任务是确保这一过程高较大时间差，如电子邮件、短信等，对延随着技术发展，通信系统还需具备灵活效、准确、安全地完成，尤其是在复杂环迟容忍度较高，但要求可靠性性、可扩展性和智能化特征境下的信息传递通信系统基本模型信源产生原始信息的源头，可以是人或机器信源输出的消息通常需要转换为适合传输的形式发信机将信源的消息转换为适合在信道中传输的信号形式，包括编码、调制等处理过程信道信号从发送端传输到接收端的媒介，可以是有线（如铜线、光纤）或无线（如无线电波）收信机接收来自信道的信号，并将其转换回原始消息形式，包括解调、解码等处理过程信宿消息传输的最终目的地和接收方，获取并使用恢复出的原始信息数据通信的定义数字形式的信号传输二进制序列数据通信是以数字形式传输表在数据通信中，所有信息都被示文字、数字、语音、图像等转换为由0和1组成的比特序信息的过程，核心特点是以二列这种统一的数据表示方式进制数字信号为传输对象这使得不同类型的信息可以使用种传输方式适应了现代计算机相同的通信系统进行传输和处处理信息的数字化特性理应用范围数据通信广泛应用于计算机之间、计算机与终端之间以及终端与终端之间的信息交换随着物联网技术的发展，数据通信的应用场景日益扩大数据通信过程数据生成数据终端设备DTE如计算机或工作站产生需要传输的原始数据数据转换原始数据通过输入输出设备转换为标准的传输代码，如ASCII码或Unicode传输控制传输控制器执行各种控制功能，包括差错检测、流量控制和数据格式化调制解调数据通信设备DCE如调制解调器将数字信号转换为适合在特定信道传输的形式信道传输5数据通过物理通信信道（如电话线、光纤或无线电波）传输至接收端数据还原接收端通过逆向处理过程将接收到的信号还原为原始数据形式数据通信系统分类按传输媒介有线通信、无线通信1按传输信号模拟通信系统、数字通信系统按调制方式3基带传输、频带传输按复用方式时分复用、频分复用、码分复用、空分复用按传输方向单工、半双工、全双工通信方式分类按消息传送方向与时间关系按数字信号排列顺序通信系统可以根据信息流动的方向和时间特性进行分类，不同类型数字通信系统中，根据数据位传输的组织方式也可以分为不同类适用于不同的应用场景型，每种类型有其特定的应用场合•单向通信信息只能从发送方流向接收方，如广播、寻呼和遥•串行通信数据位按顺序一位一位地传输，常用于远距离通信控系统•并行通信多个数据位同时在多条线路上传输，常用于短距离•双向交替通信信息可以双向流动但不能同时进行，如对讲机高速通信系统现代通信系统中，串行通信因其线路简单、成本低等优势，成为远•双向同时通信信息可以同时在两个方向上流动，如电话系统程数据传输的主流方式数字通信系统的特点易于与计算机连接数字通信系统天然适合与计算机系统集成，无需复杂的模数转换过程，可以直接实现网络化通信，大大简化了系统设计和互连过程抗干扰能力强数字信号只关注0和1两种状态，通过再生中继技术，可以在传输过程中恢复信号，有效抵抗噪声和干扰的影响，提高通信质量和可靠性远距离传输能力通过信号再生技术，数字通信可以实现长距离无失真传输，不会像模拟信号那样随传输距离增加而质量下降，适合建设大规模通信网络信息安全优势数字通信便于实现加密处理，可通过各种复杂的加密算法确保信息传输的安全性，大大提高了通信的保密性和防窃听能力数据通信与模拟数字通信的关系/第二章数据通信系统性能指标信道容量数据传输速率信道在单位时间内能够无差错传输的最大信息量，由香农公式包括比特率（每秒传输的二进制位数）和波特率（每秒传输的描述，反映了通信系统的理论极限性能码元数），是衡量数据传输效率的重要指标误码率带宽效率传输过程中出错的比特占总传输比特的比例，直接反映通信质单位带宽内传输的比特数，反映了系统对频谱资源的利用程量和可靠性的关键参数度，是评价通信系统经济性的重要指标功率效率时延与吞吐量单位功率下可实现的传输速率，特别重要的无线与移动通信系数据从发送到接收的时间以及单位时间内成功传输的数据量，统设计参数对实时性要求高的应用尤为重要信道容量定义与单位香农公式影响因素与应用信道容量是信道在单位时间内能够无差错香农公式是描述信道容量的基本理论表达信道容量主要受两个因素影响带宽B和传输的最大信息量，单位为比特/秒式C=B·log₂1+S/N信噪比S/N增加任一因素都可以提高信bps这一概念由克劳德·香农提出，是道容量，但在实际系统中都面临物理和经其中C为信道容量，B为信道带宽，S/N为信息论中的核心概念之一济上的限制信噪比公式表明信道容量与带宽成正信道容量代表了在给定物理条件下，通信比，与信噪比的对数成正比，揭示了通信在通信系统设计中，香农公式为工程师提系统所能达到的理论极限性能，无论采用系统的基本物理限制供了理论指导，帮助确定适当的带宽和发何种编码或调制技术，都无法超越这一限射功率，以实现特定的数据传输速率要制求数据传输速率比特率比特率是每秒钟传输的二进制位数，单位为bps（比特/秒）这是衡量数据传输速度最直接的指标，也是用户最关心的参数常见的比特率有9600bps、64kbps、2Mbps等，随着技术发展，现代系统已可达到Gbps甚至Tbps级别波特率波特率是指每秒钟传输的码元数，单位为Baud（波特）码元是通信中的基本单位，一个码元可以携带一个或多个比特的信息波特率反映的是信号调制的速率，与实际传输的信息量不完全对应两者关系比特率=波特率×每码元比特数在二进制传输中，一个码元携带1比特信息，此时比特率等于波特率；在多进制调制中，一个码元可携带多个比特，使比特率大于波特率，提高了频谱利用效率提高传输速率的方法提高传输速率可通过增加信道带宽、采用高效调制技术（如QAM）、改进编码方案和信号处理技术等方式实现在实际应用中需要在速率、可靠性和成本之间找到平衡点误码率带宽效率1带宽效率BPSK每赫兹带宽传输1比特2带宽效率QPSK每赫兹带宽传输2比特4带宽效率16QAM每赫兹带宽传输4比特8带宽效率256QAM每赫兹带宽传输8比特带宽效率是单位带宽内传输的比特数，单位为bps/Hz，计算方法为η=R/B（R为比特率，B为带宽）它是衡量通信系统频谱利用效率的重要指标，尤其在频谱资源紧张的现代通信中尤为重要提高带宽效率的方法主要有采用高阶调制技术、优化编码方案、应用先进信号处理技术等第三章数据信号的表示与分析时域表示频域表示基带信号波形数字信号在时间轴上的表现形通过傅里叶变换将时域信号转基带信号是未经调制的原始数式，直观显示信号随时间变化换为频域表示，揭示信号的频字信号，常见的有归零码、不的波形特征时域分析主要关率组成频域分析帮助理解信归零码、曼彻斯特码等不同注信号的幅值、持续时间、上号带宽需求和频谱利用情况，编码具有不同的频谱特性、时升时间和下降时间等参数是通信系统设计的重要工具钟恢复能力和抗干扰性能传输特性基带信号在传输过程中受到信道特性影响，可能产生码间串扰、相位失真等问题分析这些特性有助于设计合适的均衡器和滤波器补偿传输损伤数据信号编码数据编码是将信息转换为适合存储和传输的形式编码的主要目的包括提高传输效率、检测和纠正错误、实现自同步等常用编码如ASCII（7位二进制表示英文字符）、EBCDIC（8位二进制IBM计算机使用）和Unicode（支持多种语言的统一编码）选择编码时需考虑码距（不同码字间的差异度，影响抗干扰能力）、检错能力（发现传输错误的能力）和自同步能力（接收方独立恢复时钟信息的能力）等因素常见基带信号波形不归零码归零码曼彻斯特码NRZ RZ不归零码是最简单的基带信号编码方式，归零码在每个码元内，信号在表示数据后曼彻斯特码在每个码元中心有一次电平跳整个码元周期内保持信号电平不变，1和会回到零电平，增强了时钟提取能力1变，1表示为从高到低的跳变，0表示0分别用高低两种不同电平表示通常表示为先出现正脉冲后归零，0表示为从低到高的跳变为保持零电平优点自带时钟信息，同步能力强，无直优点实现简单，带宽需求较小缺点优点具有自同步能力，抗干扰性好缺流分量，是以太网常用编码缺点带宽长串相同比特（如连续多个1）时易失点占用带宽较大，通常是NRZ码的两需求是NRZ的两倍步，缺乏自同步能力，且存在直流分量倍，传输效率较低第四章数据的基带传输基带传输系统模型包括发送滤波器、信道和接收滤波器三部分，构成线性系统码间串扰问题相邻码元相互影响导致接收判决困难，限制传输速率奈奎斯特准则定义了无码间串扰传输的条件，指导系统设计基带系统设计包括发送滤波器、接收滤波器和阈值判决器的设计均衡技术通过人工设计电路补偿信道特性，减少码间串扰基带传输系统基带传输定义基带传输特点应用场景基带传输是指在通信系统中直接传输基带传输系统结构简单，易于实现，基带传输广泛应用于局域网（如以太基带信号而不经过调制的传输方式成本较低，但传输距离有限，一般适网中的双绞线传输）、计算机内部总这种传输方式将数字信号直接加到传用于短距离传输场景由于没有调制线系统、短距离数据传输设备等场输媒质上，没有中间的频率转换过过程，抗干扰能力较弱，易受外界电景在这些应用中，简单性和低成本程，是最简单的数字传输形式磁干扰影响是选择基带传输的主要考虑因素码间串扰码间串扰定义产生原因解决方法码间串扰ISI是基带传输中的一种现象，码间串扰主要由两个因素导致一是信道控制码间串扰的主要技术包括波形整形指相邻码元之间相互影响造成的波形失带宽有限，使高频分量受到抑制，导致信技术，通过精心设计发送和接收滤波器，真在接收端，当前码元的判决受到前后号波形展宽；二是系统中各种非理想特使系统满足奈奎斯特第一准则；均衡技码元的干扰，使得判决变得困难，增加了性，如滤波器的非线性相位响应，导致信术，通过设计特定电路补偿信道特性，减出错的可能性号波形失真少码间串扰的影响码间串扰是数字通信系统中限制传输速率实际通信系统中，由于经济和技术原因，现代通信系统中，常采用自适应均衡器，的主要因素之一，必须通过特殊的系统设无法实现理想的矩形频率特性，必然会引能够根据信道特性的变化自动调整参数，计加以控制入一定程度的码间串扰有效抑制码间串扰奈奎斯特准则奈奎斯特第一准则无码间串扰的充分条件最高无传输速率ISI2B波特，B为系统带宽最佳接收波形升余弦滚降特性滚降系数与带宽关系B=Rs1+α/2，α为滚降系数奈奎斯特准则是数字通信中的基本准则，定义了在有限带宽条件下避免码间串扰的条件当系统冲激响应ht在t=nTs处满足特定条件时，系统可以实现无码间串扰传输奈奎斯特证明，在带宽为B的理想低通系统中，最高无码间串扰的传输速率为2B波特基带传输中的均衡技术均衡器的作用均衡器的主要功能是补偿信道特性，减少码间串扰，改善系统性能通过在接收端引入特定的传输特性，使整个系统的频率响应接近理想特性，从而降低误码率，提高传输速率线性均衡线性均衡器包括零强制均衡器和最小均方误差均衡器两种类型零强制均衡器通过设计滤波器使码间串扰在采样时刻为零；最小均方误差均衡器则在考虑减少码间串扰的同时，也兼顾降低噪声增强效应，在实际应用中更为常用判决反馈均衡判决反馈均衡器结合了前馈均衡器和反馈均衡器的优点，利用已作出判决的符号消除后续符号的码间串扰，性能优于纯线性均衡器，特别适合于处理信道条件恶劣的情况自适应均衡自适应均衡器能够根据信道特性的变化自动调整参数，适应不同的传输环境通过训练序列或盲均衡算法，系统可以不断优化均衡器系数，保持最佳均衡效果，是现代高速数据通信系统的关键技术第五章数据的频带传输数字调制技术基础二进制数字调制数字调制是将数字基带信号调制到较高频率载波上进行传输的技术，使信二进制调制每个符号携带1比特信息，包括ASK（调幅）、FSK（调频）号特性适应信道特性，并可通过多路复用提高频谱利用率调制过程将数和PSK（调相）三种基本形式二进制调制方式实现简单，但频谱利用率字信息映射到载波的幅度、频率或相位变化上较低，在要求不高的场合使用多进制数字调制调制方式性能比较多进制调制每个符号携带多个比特，提高了频谱利用率包括M进制不同调制方式在抗噪声性能、带宽效率、功率效率和实现复杂度等方面各ASK、FSK、PSK以及QAM（正交幅度调制）高阶调制可大幅提高传有优劣选择适当的调制方式需根据具体应用需求，权衡各项指标，找到输速率，但对信噪比要求更高最佳平衡点频带传输概述基带信号产生调制过程数据源产生需要传输的数字信息将基带信号调制到高频载波上解调过程信道传输4将接收信号转换回原始基带信号3调制信号通过有线或无线信道传输频带传输是数据通信中的一种重要传输方式，将基带信号调制到较高频率的载波上进行传输这种方式的必要性在于一方面可以使信号特性适应信道特性，例如无线信道不适合直接传输基带信号；另一方面可以通过频分复用技术在同一物理媒质上同时传输多路信号，有效利用信道资源二进制数字调制技术幅移键控ASK幅移键控是最简单的数字调制方式，通过改变载波的幅度来传输数字信息通常1用有载波表示，0用无载波（或较小幅度载波）表示实现简单，但抗噪声能力差，易受信道衰落影响，主要用于低速率短距离通信频移键控FSK频移键控通过改变载波的频率来传输数字信息，1和0分别用两个不同频率的正弦波表示FSK具有较好的抗噪声性能，不受幅度变化影响，但频谱效率低，占用带宽较大常用于无线电话、无线数据传输等领域相移键控PSK相移键控通过改变载波的相位来传输数字信息，最简单的二进制PSK使用相差180°的两个相位表示1和0PSK具有较好的抗噪声性能和频谱利用率，是现代数字通信中广泛采用的调制方式，在卫星通信、移动通信等领域有广泛应用多进制数字调制多进制数字调制是提高频谱利用率的关键技术，每个符号携带多比特信息M进制ASK使用M个不同幅度电平表示数字信息，实现简单但抗噪性能较差M进制FSK使用M个不同频率，抗干扰能力好但频谱效率不高M进制PSK使用M个不同相位，是相位与幅度的折中方案QAM正交幅度调制同时调制载波的幅度和相位，结合了ASK和PSK的优点，具有很高的频谱利用率现代通信系统中，256-QAM甚至更高阶的调制方式已广泛应用于高速数据传输调制解调技术相干解调接收端产生与发送端频率和相位完全同步的本地载波，通过乘法器和低通滤波器恢复基带信号优点是抗噪性能最佳，缺点是需要复杂的载波同步电路非相干解调不需要载波同步，通过包络检波或其他方法直接提取基带信号优点是电路简单可靠，缺点是抗噪性能较差，只适用于某些特定调制方式差分相干解调使用差分编码，判决基于相邻符号的相对相位而非绝对相位是相干和非相干解调的折中方案，避免了载波同步问题，但性能略低于相干解调数字实现技术现代通信系统多采用软件无线电技术，利用高性能DSP或FPGA实现复杂的调制解调算法具有灵活可编程的特点，可通过软件升级支持新的调制方式调制方式性能比较调制方式带宽效率抗噪声性能实现复杂度典型应用BPSK1bit/s/Hz优秀低卫星通信上行链路QPSK2bit/s/Hz良好中卫星数字电视8PSK3bit/s/Hz中等中高数字卫星广播16QAM4bit/s/Hz一般高数字有线电视64QAM6bit/s/Hz较差很高ADSL、WiFi256QAM8bit/s/Hz差极高光纤通信、5G选择合适的调制方式需权衡多方面因素总体规律是带宽效率越高，抗噪声性能越差，实现复杂度越高在实际应用中，需根据信道特性、应用需求和技术条件综合考虑自适应调制技术可根据信道状况动态调整调制方式，实现最佳传输效果第六章多路复用技术时分复用TDM频分复用FDM在时域分割信道资源，各用户轮流使用整个频带在频域分割信道资源，各用户占用不同频带码分复用CDM使用不同编码序列区分用户，同时占用相同时频资源空分复用SDM波分复用利用多天线系统，在空间维度分离信号WDM在光通信中，利用不同波长传输不同信号频分复用FDM基本原理频分复用是一种将可用频带分成多个子频带，每个子频带传输一路信号的技术各路信号在频域上彼此分离，相互之间不会产生干扰每个用户被分配到固定的频率资源，不论是否有数据传输需求技术特点频分复用实现简单，技术成熟，特别适合模拟信号传输不需要复杂的同步机制，各路信号可以独立处理但频谱利用率相对较低，且在相邻频道之间需要设置保护带，进一步降低了频谱利用效率应用场景频分复用技术广泛应用于广播电视系统、有线电视系统、早期电话系统等例如，FM广播中，每个电台被分配

87.5-108MHz中的一个频段，互不干扰地同时播出不同节目技术局限频分复用存在频谱利用效率不高、抗干扰能力有限等问题相邻频道之间可能产生串扰，需要通过滤波技术和设置保护带来解决，这进一步降低了系统效率，限制了其在现代高速通信中的应用时分复用TDM时分复用原理同步与统计与系统TDM PDHSDH时分复用是在时间维度上划分信道资源的同步TDM按固定顺序为各用户分配时PDH准同步数字体系早期的数字传输技术，各用户在不同的时间片内轮流使用隙，无论用户是否有数据需要传输优点系统，采用多级复用结构，但各级时钟不整个频带TDM系统按固定的时间间隔从是实现简单，帧结构固定；缺点是当某些完全同步，需要复杂的填充位技术各输入通道采样，形成复合的TDM信号用户无数据传输时，其分配的时隙被浪SDH同步数字体系现代数字传输网络帧，在接收端再按相同顺序分离恢复各路费的标准，采用完全同步的时钟系统，提供信号统计TDM根据用户实际需求动态分配时灵活的业务接入和网络管理功能，支持高根据时隙分配方式，TDM分为同步TDM隙，空闲用户不占用时隙优点是提高了达10Gbps的传输速率，是电信骨干网的和统计TDM两种类型，分别适用于不同的信道利用率；缺点是需要额外的地址信息重要组成部分应用场景标识数据来源，实现较复杂码分复用CDM原理与技术特点通过独特的编码序列区分不同用户抗干扰与安全优势2抗干扰能力强，保密性高扩频技术类型3直接序列和跳频两种主要方式应用领域3G移动通信与军事通信码分复用是一种独特的多址接入技术，使用不同的正交码序列区分用户，使多个用户能同时占用相同的时频资源每个用户的信号通过独特的伪随机码序列进行扩频，接收端使用相同的码序列进行解扩，恢复原始信号CDM技术的主要优势在于其强大的抗干扰能力和较高的安全性扩频通信使信号能量分散在较宽的频带内，降低了功率谱密度，减少了对其他系统的干扰，同时提高了抗窄带干扰和多径衰落的能力第七章差错控制编码差错控制编码是提高数据通信可靠性的关键技术，通过在发送端添加冗余信息，使接收端能够检测甚至纠正传输过程中产生的错误影响通信可靠性的差错主要有两类随机差错（由热噪声等引起的独立比特错误）和突发差错（由雷电等干扰引起的连续多比特错误）差错控制的基本策略包括前向纠错FEC和自动重传请求ARQ常用的编码类型有线性分组码（包括奇偶校验码、CRC码、汉明码等）和卷积码不同应用场景选择不同的编码方案，权衡编码增益、复杂度和延迟差错控制基本概念差错类型差错控制策略基本概念通信中的差错主要分为两类针对不同的通信环境和需求，采用不同的理解差错控制编码需掌握几个基本概念差错控制策略随机差错由热噪声、窄带干扰等引起，码字编码器输出的二进制序列，包含信各比特错误相互独立，服从统计规律，通前向纠错FEC发送端添加足够冗余，息位和校验位常可用伯努利过程或二项分布描述使接收端能自行纠正一定数量的错误，无码距两个码字对应位置不同的位数，反需反向通信，适用于单向或延迟敏感的系映码字间的距离统突发差错由闪电、电气开关等瞬间强干汉明距离任意两个合法码字之间的最小扰引起，造成连续多个比特出错，常见于自动重传请求ARQ接收端检测到错误码距无线通信和电力线通信后要求重传，实现简单但增加延迟，适用检错能力与最小码距d相关，可检测d-1于信道质量较好的双向通信个比特错误混合ARQ结合FEC和ARQ优点的混合纠错能力可纠正d-1/2个比特错误⌊⌋策略，广泛应用于现代无线通信系统线性分组码线性分组码是一类重要的差错控制码，具有结构规整、易于实现的特点最简单的线性码是奇偶校验码，通过添加一个校验位使码字中1的个数为奇数或偶数，只能检测奇数个比特错误，无法纠错循环冗余校验码CRC利用多项式除法原理，具有强大的突发错误检测能力，广泛应用于数据通信、存储系统和计算机网络汉明码是一种重要的单比特纠错码，在计算机内存中有广泛应用BCH码和RSReed-Solomon码具有强大的多比特纠错能力，是现代通信和存储系统的重要组成部分卷积码卷积码原理卷积码是一种连续的编码方式，通过移位寄存器和模2加法器实现编码与分组码不同，卷积码的每个输出不仅依赖于当前输入，还依赖于之前的多个输入，具有记忆特性这种编码方式特别适合处理随机差错，在信道条件不佳时表现出色编码器结构卷积编码器由移位寄存器、模2加法器和多路复用器组成重要参数包括约束长度K（寄存器级数，决定记忆长度）、码率R（输出比特与输入比特之比）和生成多项式（决定编码规则）典型的编码器配置如2,1,3卷积码，表示1个输入比特产生2个输出比特，约束长度为3维特比解码算法维特比算法是卷积码最常用的解码方法，基于动态规划原理，通过格状图搜索最可能的发送序列该算法计算复杂度随约束长度K呈指数增长，但与码长无关，适合实时解码为降低复杂度，实际系统中常采用软决策解码和幸存路径剪枝技术应用领域卷积码因其优异的性能和合理的复杂度，广泛应用于需要高可靠性的通信系统典型应用包括深空通信（如火星探测器与地球的通信）、移动通信（如GSM、3G、4G标准）、数字广播系统（如数字电视）和卫星通信等现代通信系统常将卷积码与交织技术结合，进一步提高抗突发干扰能力第八章数据交换技术电路交换建立端到端的物理连接，适合连续数据流报文交换完整消息存储转发，适合非实时通信分组交换将数据分成小包独立传输，灵活高效4混合交换技术结合多种交换模式的优点，满足不同业务需求现代交换技术软件定义网络、虚拟化、云交换等新技术电路交换建立连接阶段电路交换的第一步是建立端到端的物理连接用户发起呼叫请求后，网络节点逐段分配物理资源（如时隙、频段或波长），形成一条专用的通信路径这一过程需要一定时间，通常为几秒钟，期间会占用网络资源但不传输实际数据数据传输阶段连接建立后，数据可以在固定的物理路径上双向传输，无需附加地址信息，也不存在路由选择问题传输过程中不存在拥塞和排队延迟，具有固定的带宽和低延迟特性，适合对实时性要求高的应用，如电话通话释放连接阶段通信结束后，需要显式释放已建立的连接，以便网络资源可以被其他用户使用释放过程同样是逐段进行的，网络节点依次释放所占用的资源在整个通信过程中，无论是否有数据传输，连接都会占用固定的网络资源电路交换的主要特点是实时性好、传输质量有保障，但资源利用率低，特别是对于突发性数据通信传统电话网络是电路交换的典型应用，随着IP网络的普及，电路交换技术在数据通信中的应用逐渐减少分组交换分组交换原理存储转发机制虚电路与数据报分组交换是将数据分割成小的数据包（分分组交换采用存储转发机制，每个网络分组交换有两种主要模式组）进行独立传输的技术每个分组包含节点（如路由器或交换机）接收完整个分虚电路先建立逻辑连接，所有分组沿固目的地址信息，可以独立选择路由，到达组后存储，查看目的地址，选择合适的下定路径传输，适合需要保证服务质量的应目的地后再重组为完整数据与电路交换一跳路径，然后转发分组这种机制使分用，如ATM网络不同，分组交换不需要预先建立端到端的组可以在复杂网络中灵活路由，但也引入数据报每个分组独立路由，不需要建立物理连接了一定的延迟和时延变化连接，更灵活但服务质量难以保障，如IP分组交换的核心思想是资源共享，多个通在网络拥塞时，分组可能在节点缓冲区排网络信会话可以共享传输链路，显著提高了网队等待，甚至被丢弃，需要上层协议（如络资源利用率，特别适合突发性的数据通TCP）提供可靠性保障Internet主要采用数据报方式，但结合信TCP协议可提供可靠的连接服务，形成了灵活而强大的通信架构第九章数据通信网络基础网络拓扑结构参考模型协议族OSI TCP/IP网络拓扑是指网络节点及连接开放系统互连参考模型是一种TCP/IP是现代互联网的核心线路的物理或逻辑排列方式，概念性的分层框架，将网络通协议集，包括IP、TCP、包括星形、总线型、环形、网信分为物理层、数据链路层、UDP、HTTP等协议，采用四状和混合拓扑等，每种拓扑各网络层、传输层、会话层、表层架构（链路层、网络层、传有优缺点，适用于不同的应用示层和应用层七个层次，便于输层、应用层），实用性强，场景标准化和模块化开发已成为全球网络通信的事实标准物理与数据链路层数据通信原理主要关注网络底层，包括物理连接的电气特性规范和数据链路层的成帧、寻址、差错控制和流量控制等基本功能，是构建可靠网络通信的基础网络拓扑结构星形拓扑星形拓扑以中央节点为中心，所有其他节点都直接连接到中央节点这种结构便于管理和故障隔离，任何一个终端节点故障不会影响其他节点运行但中央节点成为单点故障源，一旦中央节点失效，整个网络瘫痪现代局域网如以太网常采用此结构总线拓扑总线拓扑使用单一传输媒介连接所有节点，所有节点共享同一通信信道这种结构简单经济，易于安装，但带宽共享导致网络流量大时性能下降，且总线故障会影响整个网络，扩展能力有限早期以太网采用总线拓扑，现已基本被星形拓扑取代环形拓扑环形拓扑将所有节点连接成一个闭合环路，数据按固定方向在环中传递这种结构的特点是传输延迟确定，适合实时应用，且所有节点地位平等但任一节点或连接故障会导致整个环路中断，可靠性较差典型应用包括令牌环网和FDDI网络参考模型OSI应用层为用户提供网络服务的接口表示层处理数据格式、加密和压缩会话层建立、管理和终止会话传输层端到端连接和可靠数据传输网络层路由选择和逻辑寻址数据链路层成帧、寻址和链路控制物理层比特传输的电气特性OSI参考模型是国际标准化组织ISO提出的开放系统互连七层架构，为不同系统间通信提供了概念性框架数据通信原理主要关注物理层和数据链路层，它们直接处理bit级传输和帧级传输，是整个网络通信的基础物理层协议RS-232/RS-485SONET/SDHRS-232是最常见的串行通信接口标准，定义了DTE（数据终端设备）和DCE同步光网络SONET和同步数字体系SDH是面向连接的光纤传输协议，提供（数据通信设备）之间连接的电气特性和信号定时RS-485提供差分信号传高达10Gbps的传输速率它们定义了标准化的光信号接口和多路复用层次，是输，增强了抗干扰能力和传输距离，最远可达1200米，广泛应用于工业控制领现代电信骨干网的重要基础，支持电路、分组和单元数据的灵活传输域技术无线物理层DSL数字用户线DSL技术利用现有电话线提供高速数字传输服务ADSL通过频分无线通信物理层标准包括各种调制解调技术、频谱分配和接入方式IEEE复用实现电话和数据同时传输，下行速率可达24MbpsVDSL2等新技术进一

802.11系列WiFi定义了多种无线局域网标准；蜂窝移动通信从1G到5G的演进步提高了数据率，使铜线接入网能够支持高清视频等宽带业务对应不同的物理层技术；蓝牙、ZigBee等标准则针对短距离无线通信应用数据链路层协议总结与展望核心概念回顾数据通信原理课程涵盖了基带传输、频带传输、差错控制、多路复用和数据交换等核心概念这些基础知识构成了现代通信系统的理论基石，是深入理解和分析各类通信系统的必备工具与新技术的关系本课程所学的原理广泛应用于互联网、5G移动通信、光纤通信等现代技术新一代通信系统在基本原理上不断创新，如5G采用大规模MIMO和毫米波技术，但仍基于调制、编码等基础理论人工智能与物联网的影响人工智能和物联网对数据通信提出了新要求，如超低延迟、海量连接、智能信号处理等未来通信系统将更加智能化，能够自适应优化传输参数，实现端到端的智能服务保障未来发展趋势数据通信技术未来发展方向包括太赫兹通信、量子通信、集成空天地一体化网络、智能反射表面等这些技术将突破传统通信的理论极限，开辟全新的应用领域。