第三章 数据通信基础

3.1 数据通信的基本概念

数据通信是指通过通信系统在设备之间传输数据的过程。其核心目标是保证数据在发送端和接收端之间准确、高效地传输。

• 基本要素：
  • 发送端：产生并发送数据的设备。
  • 接收端：接收并处理数据的设备。
  • 通信媒介：连接发送端和接收端，用于传输数据的物理通道。
  • 协议：确保通信双方理解数据含义的规则和约定。

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3.2 信号与传输媒介

3.2.1 模拟信号与数字信号

• 模拟信号：
  • 是连续的信号，随时间变化，其幅值可在范围内取任意值。
  • 例子：语音信号、电视频号。
• 数字信号：
  • 是离散的信号，用一系列二进制（0和1）表示。
  • 例子：计算机数据、文本文件。

3.2.2 传输媒介

传输媒介是用于传递信号的物理通道，可分为以下几类：

• 双绞线：
  • 由两根互相缠绕的绝缘铜导线组成。
  • 优点：成本低，抗干扰能力较强。
  • 缺点：传输距离有限。
• 光纤：
  • 使用光信号传输数据，通常由玻璃或塑料制成。
  • 优点：高速传输、抗电磁干扰。
  • 缺点：成本较高，安装和维护较复杂。
• 无线传输：
  • 使用电磁波（如微波、无线电波）进行传输。
  • 优点：无需物理线路，灵活性高。
  • 缺点：易受环境干扰，传输速率相对较低。

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3.3 数据编码与调制

• 数据编码：
  • 将数据转换为适合传输的格式。
  • 常见方式：NRZ编码、曼彻斯特编码。
• 数据调制：
  • 将数字信号调制为模拟信号以适应模拟传输媒介。
  • 常见方法：
    • 振幅调制（AM）
    • 频率调制（FM）
    • 相位调制（PM）

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3.4 带宽与传输速度

• 带宽：
  • 表示信号的频率范围，单位为赫兹（Hz）。
  • 决定了通信系统的最大数据传输速率。
• 传输速度：
  • 指单位时间内传输的数据量，通常以比特每秒（bps）为单位。
• 香农定理：
  • 最大传输速率公式：[ C = B \cdot \log_2(1 + S/N) ]
    • ( C )：信道容量（比特每秒）
    • ( B )：带宽（赫兹）
    • ( S/N )：信噪比

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3.5 数据传输的基本方式

3.5.1 串行传输

• 数据按位逐个发送，依次传输。
• 优点：占用信道少，适合长距离传输。
• 缺点：传输速度相对较慢。
• 应用场景：USB接口、光纤通信。

3.5.2 并行传输

• 数据按字节或多位同时传输。
• 优点：传输速度快。
• 缺点：距离受限，易受干扰。
• 应用场景：内部总线（如计算机的CPU和内存之间的通信）。