数字传输技术基础知识
数字传输技术的核心目标，是将计算机等数字设备产生的“0”和“1”比特流，可靠、高效地从一端传送到另一端。
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核心概念：模拟 vs. 数字
在学习传输之前,必须先理解两种信号的区别。
| 特性 | 模拟信号 | 数字信号 |
|---|---|---|
| 定义 | 在时间和幅值上都是连续变化的信号。 | 在时间和幅值上都是离散的信号，通常用高低电平（或光脉冲）代表“0”和“1”。 |
| 例子 | 声音、传统电话线上的信号、广播电台信号。 | 计算机内部的数据、U盘里的文件、互联网上的数据包。 |
| 优点 | 传输技术相对简单，对噪声有一定容忍度。 | 抗干扰能力强（只有0和1，不易失真）、易于加密、可进行数据压缩、易于存储和处理。 |
| 缺点 | 易受噪声影响，信号会随着距离衰减失真，且每次放大都会叠加噪声（“失真累积”）。 | 占用带宽较大，需要额外的模数/数模转换设备。 |
数字传输之所以成为主流,正是因为其卓越的抗干扰能力和灵活性。
数字传输的关键步骤
一个完整的数字传输过程通常包括以下几个关键环节：
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信源:
（图片来源网络，侵删）产生原始数据的设备，如计算机、手机、传感器等。
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信源编码:
- 目的： 将原始数据（如文本、图片、声音）转换成标准的“0”和“1”比特流，为了提高传输效率，通常会进行数据压缩（如用MP3压缩音频，JPEG压缩图片）。
- 例子： 字符'A'被编码为二进制
01000001。
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信道编码:
- 目的： 这是保证传输可靠性的核心技术，在比特流中加入一些冗余位（也叫校验位）,以便在接收端能够检测甚至纠正传输过程中产生的错误。
- 原理： 通过特定的算法（如奇偶校验、CRC、海明码、卷积码等）计算出一部分附加数据，一起发送出去，接收端用同样的算法计算，如果结果不一致,说明数据出错了。
- 例子： 简单的奇偶校验，发送
101，如果采用偶校验，就加一个0变成1010（其中1的个数为偶数），如果接收方收到1011，发现1的个数为奇数,就知道出错了。
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调制:
（图片来源网络，侵删）- 目的： 将经过信道编码的数字信号（方波）转换成适合在特定物理介质（如铜缆、光纤、无线电波）上传输的模拟波形。
- 为什么需要调制？ 直接传输方波信号会占用非常宽的频谱，且容易受到干扰和衰减，通过调制，可以将数字信号“嵌入”到一个高频的载波信号上。
- 基本调制方式：
- 幅移键控: 用不同幅度的载波代表0和1。
- 频移键控: 用不同频率的载波代表0和1。
- 相移键控: 用不同相位的载波代表0和1。（现代通信中更常用,效率更高）
- 高级调制： 如QAM（正交幅度调制），可以同时改变载波的幅度和相位，在一个信号单元中传输多个比特,从而大大提高速率。
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传输:
- 调制后的信号通过物理介质（传输信道）进行传输。
- 传输介质：
- 有线： 双绞线（网线）、同轴电缆（有线电视）、光纤。
- 无线： 自由空间（通过无线电波、微波、红外线等）。
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解调:
- 目的： 与调制相反，接收端从接收到的模拟波形中提取出原始的数字信号（0和1）。
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信道解码:
- 目的： 执行与信道编码相反的操作，利用冗余位来检测和纠正数据中的错误，恢复出原始的、干净的比特流。
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信源解码:
- 目的： 将恢复的比特流转换回原始的数据（如显示图片、播放声音）。
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信宿:
接收数据的设备，如计算机、手机、扬声器等。
重要性能指标
衡量一个数字传输系统好坏,主要看以下几个指标：
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速率:
- 比特率: 也叫数据速率，指单位时间内传输的二进制比特数量，单位是 bps (bits per second)，这是衡量传输速度最核心的指标，常见的有 Kbps, Mbps, Gbps。
- 波特率: 指单位时间内信号变化的次数（即码元速率），一个码元可以携带多个比特的信息，在4-QAM调制中，一个码元可以携带2个比特（00, 01, 10, 11），比特率 = 波特率 × log₂(每个码元的比特数)。
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带宽:
- 在模拟信号中： 指信号所包含的频率范围,单位是赫兹。
- 在数字传输中： 通常指信道能够通过的最高频率与最低频率之差，它决定了信道的最大数据传输能力，根据奈奎斯特定理和香农定理,信道带宽直接限制了其能达到的极限速率。
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时延:
- 指数据从发送端到接收端所需的时间，包括：
- 传输时延： 将数据帧的所有比特推向链路所需的时间（数据大小 / 带宽）。
- 传播时延： 信号在物理介质中传播所需的时间（物理距离 / 传播速率）。
- 处理时延： 路由器或交换机收到分组后进行处理所需的时间。
- 排队时延： 数据在路由器或交换机中等待被处理和发送的时间。
- 指数据从发送端到接收端所需的时间，包括：
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误码率:
指接收到的错误比特数占总传输比特数的比例，BER越低，传输质量越高，光纤系统的BER可以低到 10⁻¹²，而某些无线链路可能在 10⁻⁵ 左右。
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吞吐量:
- 指在单位时间内，实际通过某个网络（或信道、接口）的数据量，它通常小于等于额定速率，因为会受到网络拥塞、协议开销等因素的影响。
主要传输方式
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串行传输 vs. 并行传输
- 串行传输： 数据按比特顺序，在一条信道上传输，优点是成本低，适合长距离传输（如USB, SATA, Ethernet）。
- 并行传输： 多个比特同时在多条并行的信道上传输，优点是速度快，但成本高，易受干扰，不适合长距离（如计算机内部的总线）。
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同步传输 vs. 异步传输
- 同步传输： 发送方和接收方使用同一个时钟信号来保持同步，数据被组织成较大的“帧”进行连续发送，效率高，需要额外的时钟线路或复杂的同步技术（如曼彻斯特编码）。
- 异步传输： 以字符为单位进行传输，每个字符前后都加上起始位和停止位，字符之间可以有任意长的空闲时间，实现简单，但效率较低，常用于低速通信（如传统串口）。
多路复用技术
为了提高信道的利用率，人们发明了多路复用技术，即将多个低速信号合并成一个高速信号，在同一信道上传输。
- 频分复用: 将信道的总带宽划分为多个不同频率的子信道，每个子信道独立传输一路信号,类似于收音机调频。
- 时分复用: 将时间划分为一个个小的时隙，不同信号在不同的时隙内独占信道,像多个用户轮流发言。
- 波分复用: 在光纤通信中使用，本质上是光的FDM，不同波长的光信号在同一根光纤中传输，互不干扰,极大地提升了光纤的传输容量。
- 码分复用: 为每个用户分配一个独特的“码片”，所有用户可以在同一时间、同一频率上发送信号，接收端用对应的码片进行解调即可分离出信号,主要用于3G移动通信。
