Data communications
Gildas Avoine and Philippe Oechslin
EPFL, Lausanne, Switzerland
fgildas.avoine, philippe.oechsling@ep.ch
Abstract
Data communications are communications and computer technology resulting from the combination of a new means of communication. To transfer information between the two places must have transmission channel, according to the different transmission media, there is wired data communications and wireless data communications division. But they are through the transmission channel data link terminals and computers, different locations of implementation of the data terminal software and hardware and the sharing of information resources.
1 The development of data communications
The first phase: the main language, through the human, horsepower, war and other means of transmission of original information.
Phase II: Letter Post. (An increase means the dissemination of information)
The third stage: printing. (Expand the scope of information dissemination)
Phase IV: telegraph, telephone, radio. (Electric to enter the time)
Fifth stage: the information age, with the exception of language information, there are data, images, text and so on.
1.1 The history of modern data communications
Communication as a Telecommunications are from the 19th century, the beginning Year 30. Faraday discovered electromagnetic induction in 1831. Morse invented telegraph in 1837. Maxwells electromagnetic theory in 1833. Bell invented the telephone in 1876. Marconi invented radio in 1895. Telecom has opened up in the new era. Tube invented in 1906 in order to simulate the development of communications.Sampling theorem of Nyquist criteria In 1928. Shannong theorem in 1948. The invention of the 20th century, the semiconductor 50, thereby the development of digital communications. During the 20th century, the invention of integrated circuits 60. Made during the 20th century, 40 the concept of geostationary satellites, but can not be achieved. During the 20th century, space technology 50. Implementation in 1963 first synchronized satellite communications. The invention of the 20th century, 60 laser, intended to be used for communications, was not successful. 70 The invention of the 20th century, optical fiber, optical fiber communications can be developed.
1.2 Key figures
Bell (1847-1922), English, job in London in 1868. In 1871 to work in Boston. In 1873, he was appointed professor at Boston University. In 1875, invented many Telegram Rd. In 1876, invented the telephone. Lot of patents have been life. Yes, a deaf wife.
Marconi (1874-1937), Italian people, in 1894, the pilot at his fathers estate. 1896, to London. In 1897, the company set up the radio reported. In 1899, the first time the British and French wireless communications. 1916, implementation of short-wave radio communications. 1929, set up a global wireless communications network. Kim won the Nobel Prize. Took part in the Fascist Party.
1.3 Classification of Communication Systems
According to type of information: Telephone communication system, Cable television system ,Data communication systems.
Modulation by sub: Baseband transmission,Modulation transfer.
Characteristics of transmission signals in accordance with sub: Analog Communication System ,Digital communication system.
Transmission means of communication system: Cable Communications,Twisted pair, coaxial cable and so on.
And long-distance telephone communication. Modulation: SSB / FDM. Based on the PCM time division multiple coaxial digital base-band transmission technology. Will gradually replace the coaxial fiber.
Microwave relay communications:Comparison of coaxial and easy to set up, low investment, short-cycle. Analog phone microwave communications mainly SSB / FM / FDM modulation, communication capacity of 6,000 road / Channel. Digital microwave using BPSK, QPSK and QAM modulation techniques. The use of 64QAM, 256QAM such as multi-level modulation technique enhance the capacity of microwave communications can be transmitted at 40M Channel 1920 ~ 7680 Telephone Rd PCM figure.
Optical Fiber Communication: Optical fiber communication is the use of lasers in optical fiber transmission characteristics of long-distance with a large communication capacity, communication, long distance and strong anti-interference characteristics. Currently used for local, long distance, trunk transmission, and progressive development of fiber-optic communications network users. At present, based on the long-wave lasers and single-mode optical fiber, each fiber road approach more than 10,000 calls, optical fiber communication itself is very strong force. Over the past decades, optical fiber communication technology develops very quickly, and there is a variety of applications, access devices, photoelectric conversion equipment, transmission equipment, switching equipment, network equipment and so on. Fiber-optic communications equipment has photoelectric conversion module and digital signal processing unit is composed of two parts.
Satellite communications: Distance communications, transmission capacity, coverage, and not subject to geographical constraints and high reliability. At present, the use of sophisticated techniques Analog modulation, frequency division multiplexing and frequency division multiple access. Digital satellite communication using digital modulation, time division multiple road in time division multiple access.
Mobile Communications: GSM, CDMA. Number of key technologies for mobile communications: modulation techniques, error correction coding and digital voice encoding. Data Communication Systems.
1.4 Five basic types of data communication syst
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译 文
数据通信
Gildas Avoine and Philippe Oechslin
EPFL, Lausanne, Switzerland
fgildas.avoine, philippe.oechsling@ep.ch
摘要
数据通信是由计算机技术和通信技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须要有传输信道，根据不同的传输媒体，可以划分为有线数据通信和无线数据通信。但它们都是通过发送信道的数据链路将数据终端与计算机联结起来，使得不同位置的数据终端能够实现软件、硬件和信息资源的共享。
1 数据通信的发展:
第一阶段：以语言为主，通过人力、马力、战争烽火等原始手段传递信息。
第二阶段：文字、邮政。（增加了信息传播的手段）
第三阶段：印刷。（扩大了信息传播的范围）
第四阶段：电报、电话、无线电。（进入了电器时代）
第五阶段：信息时代，除语言信息外，还有数据、图像、文本等。
1.1 现代数据通信的历史
通信作为电信存在是从19世纪30年代开始的。1831年法拉第发现了电磁感应。1837年莫尔斯发明了电报。1833年麦克斯韦提出的的电磁场理论。1876年贝尔发明了电话。1895年马可尼发明了无线电报，开辟了电信的新时代。1906年发明了电子管，从而模拟通信得到发展。1928年奈奎斯特准则和取样定理。1948年的香农定理。及20世纪50年代半导体的发明，从而数字通信得到发展。20世纪60年代发明了集成电路。20世纪40年代提出了静止卫星的概念，但无法实现。20世纪50年代的航天技术。1963年第一次实现了同步卫星通信。20世纪60年代发明了激光，想要用于通信，并不成功。20世纪70年代发明了光导纤维，光纤通信得到发展。
1.2 重要人物
贝尔（1847－1922），英国人，于1868年在伦敦工作。1871年在波士顿工作。1873年，他被任命为波士顿大学教授。1875年，发明了多路电报。1876年，发明了电话。一生曾获得了许多专利。有一位聋哑的妻子。
马可尼（1874－1937），意大利人，1894年，在他父亲的庄园试验。1896年，去了伦敦。1897年，建立无线电报公司。1899年，首次实现了英国和法国的无线通信。1916年，实现了短波无线电通信。1929年，建立了一个全球性的无线通信网络。曾获得诺贝尔奖金。曾参加过法西斯党。
1.3 通信系统的分类:
根据信息类型分:电话通信系统，有线电视系统，数据通信系统。
根据调制方式分:基带传输，调制传输。
根据传输信号的特性分:模拟通信系统，数字通信系统。
根据通信系统传输手段分:有线通信，双绞线，同轴电缆等。
长途电话通信采用SSB/FDM调制。是基于PCM时分多同轴的数字基带传输技术。它将逐步取代同轴光纤。
微波中继通信:和同轴相比较它更容易架设、投资少、周期短。模拟电话微波通信主要采用SSB/FM/FDM调制，通信容量为6000路/信道。数字微波采用BPSK、QPSK以及QAM调制技术。如果采用64QAM、256QAM等多电平调制技术来提高微波通信的容量，则可在40M的频道内传送1920~7680路的PCM数字电话。
光纤通信：光纤通信是利用激光在光纤中长距离传输的特性进行的，具有通信容量大、通信距离长及抗干扰能力强的特点。目前用于本地、长途、干线传输，以及光纤通信网络的用户逐渐发展起来。目前，基于长波激光器和单模光纤，每根光纤通话路数接近超过10000电话，光纤本身的通信纤力非常巨大。在过去的几十年中，光纤通信技术发展迅速，且有各种设备应用，接入设备、光电转换设备、传输设备、交换设备、网络设备等。光纤通信设备是由光电转换单元和数字信号处理单元两部分组成。
卫星通信：通信距离远、传输容量大、覆盖面积大、且不受地域限制和高可靠性。 目前，复杂的技术使用模拟调制、频分复用和频分多址。 数字卫星通信采用数字调制、时分多路和时分多址。
移动通信：GSM、CDMA。 数字移动通信的关键技术：调制技术、纠错编码和数字语音编码。数据通信系统。
1.4 五种基本数据通信系统的类型：
（1）离线数据传输是简单地利用电话或类似的链路来传输数据，而不涉及在这样一个链路的两端使用的计算机系统。这样一条链路两端所使用的设备不是计算机的一部分，或者至少不是立即使数据可用于计算机的处理过程中，即数据在发送或接收时是离线的。这种数据通信相对来说比较便宜和简单。
（2）远程批次处理是这样一种术语：采用数据通信技术来使数据的输入和输出在地理上按批处理模式处理它们的计算机分离得方式。
（3）在线数据采集指的是利用数据通信技术来即时提供输入刚产生的数据到计算机，当采用这样的输入方法时，当时的数据是被存储在计算机里（比如磁盘上），并按预定时间间隔或者根据需求进行处理。
（4）询问—应答系统提供，顾名思义，是为用户提供从计算机提取信息的功能。这个询问功能是被动的。也就是说，它不修改所存储的信息。提问可以很简单，比如：'检索雇员号码为1234的记录'也可以是复杂的。这类系统可能要使用能产生硬拷贝和（或）可视显示的终端。
（5）实时系统是这样一类系统，其中计算机系统是在动态情况下取得和处理信息的，以使这些计算机可以安排采取行动来影响正在发生的事件（比如在一个进程影响事件控制应用程序中）或人类操作者可通过准确且不断更新的信息存储在计算机里，比如在预约系统的信息。
2 信号的频谱与带宽
信号是被电磁编码的数据，信号中包含了所要传递的数据。信号一般以时间为自变量，以显示该消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）作为因变量。信号按其自变量时间的取值是否连续，可分为连续信号和离散信号；按其因变量的取值是否连续，又可分为模拟信号和数字信号。
信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性。时域特性反映信号随时间推移而不断变化的情况。频域特性不仅包含信号时域中相同的信息域，而且通过对信号的频谱分析，还可以清楚地了解该信号的频谱分布情况以及所占有的频带宽度。为了接收所传输的信号对接收设备及信道的要求，只知道该信号的时域特性是不够的，还必须知道该信号的频谱的分布情况。信号的时域特性显示出信号随时间变化的情况。由于信号中的大部分能量都集中在一个比较窄的频带范围之内，所以我们将信号大部分能量集中的那段频带称为有效带宽，简称带宽。任何信号都有带宽。在一般情况下，信号的带宽越大，使用该种信号传递数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也越大。下面我们将简单介绍常见信号的频谱和带宽。
声音信号的频谱大约在20 Hz～2000 kHz的范围内（低于20 Hz的信号为次声波，高于2000 KHz的信号为超声波），但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，以及标准语音频率信号的频谱为0～4 MHz，因此其带宽为4 MHz。
作为一个特殊的例子，单稳态脉冲信号的带宽是无穷大的。至于二进制信号，其带宽一般取决于信号波形的确切形状以及0、1的顺序。该信号的带宽越大，它就越忠实地表达序列的数量。
3 信道的截止频率与带宽
根据傅立叶级数我们知道，如果一个信号的所有频率分量都可以完全不变地通过信道传输到接收端，那么在接收端由这些频率分量叠加起来而形成的信号则和发送端的信号是完全一样的，即接收端完全恢复了发送端发出的信号。但在现实世界中，不存在有任何信道能毫无磨损地通过所有频率分量。如果所有的傅立叶分量都有相等的衰减，那么接收端接收到的信号虽然在振幅上有所衰减，但并没有发生失真。然而，所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的，有些频率分量几乎没有衰减，而有些频率分量被衰减了一些，这就是说，信道也具有一定的振幅增加的频率特性，因而导致输出信号发生失真。通常情况是频率为0 Hz到fc Hz范围内的谐波在信道传输过程中不发生衰减（或者其衰减是一个非常小的常量），而在此fc频率之上的所有谐波在传输过程中透射交叉衰减过程很多，我们把信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707（即输出信号的功率降低了一半）时所对应的那个频率称为信道的截止频率（信道的截止频率）。
截止频率反映了传输介质本身固有所的物理特性。另一些情况下，这是因为人们有意地在线路中安装了滤波器以限制每个用户使用的带宽。在一些情况下，由于在信道中加入双通滤波器，因而该信道对应着两个截止频率f 1和f 2，它们分别被称为下截止频率和上截止频率。
而这两个截止频率之差f 2-f 1被称为信道的带宽.如果输入信号的带宽小于信道的带宽，则输入信号的全部频率分量都能通过信道，因而信道输出端得到的输出波形将是真实不失真的。但如果输入信号的带宽大于信道的带宽，则信号中某些频率分量就不能通过信道，这样输出得到的信号将与发送端发送的信号有些不同，即产生了失真。为了保证数据传输的正确性，就必须要限制信号的带宽。
4 数据传输率
信道的最大数据传输速率单位时间内能够传输的二进制位数称为数据传输率。提高数据传输率意味着每一位所占用的空间时间的减小，即二进制数字脉冲序列的周期时间会减少，当然脉冲宽度也会减小。
在上一节里我们已经知道，即使二进制数字脉冲信号通过有限带宽的理想信道时也会产生波形失真，而且当输入信号的带宽一定时，信道的带宽越小，输出的波形失真就会越大。换个角度说，当信道的带宽一定时，输入信号的带宽越大，输出信号的失真就越大，因此当数据传输率提高到一定程度时（信号带宽增大到一定程度），在信道输出端上的信号接收器也根本不能从已失真的输出信号中恢复出所发送的数字序列。这就是说，即使对于一个理想的信道，有限的带宽也限制了系统的信道数据传输率。
早在1924年，H. Nyquist（奈奎斯特）就认识到这个基本限制的存在，并推断出表示无噪声有限带宽信道的最大数据传输率的公式。在1948年，C. Shannon（香农）把奈奎斯特的工作一步一步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况。在这里我们就不加证明简述这些现在视为经典的结果。
奈奎斯特证明，任意连续信号f（t）通过一个无噪声的带宽为B的信道后，其输出信号为一个带宽为B的时间连续信号g（t）。如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对g（t）进行等间隔的抽样。抽样速度高于每秒2B就是无意义的，因为在信号中高于信道带宽B以外的高频分量已经被信道衰减掉。如果g（t）的离散程度为V，即每次抽样的可能结果为V个离散化电平之一，则该信道的最大的数据传输率Rmax 为： Rmax = 2Blog 2V（比特/秒）
例如，一个无噪声带宽为3000 Hz的信道无法传送速率超过6000比特/秒的二进制数字信号。
前面我们只考虑了理想的无噪声信道。对于有噪声的信道，情况将会迅速恶化。信道中的热噪声我们用信号功率与噪声功率的比来度量，信号功率与噪声功率的比值称为信噪比（Signal-to Noise Ratio）。如果我们用S来表示信号功率，用N来表示噪声功率，则信噪比应被表示为S/N。但人们通常不使用信噪比的绝对值，而是使用10log10S/N来表示，单位是分贝（dB）。对于S/N等于10的信道，则称其信噪比为10dB；同样的道理，如果信道的S/N等于100，则它的信噪比为20dB；以此类推。Shanno关于有噪声信道的最大数据传输率的结论是：对于带宽为BHz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输速率Rmax如下：
Rmax = Blog 2 (1 S/N）（比特/秒）
例如，对于一个带宽为3 kHz，信噪比为30 dB的信道，无论它使用多少个量化电平，也不管采样速度有多快，它的数据传输率都不可能大于30000比特/秒。Shanno的结论是根据信息论推导而来的，适用的范围非常广泛，要想超越这一结论就好比想要发明永动机一样，因为它几乎是不可能的。
值得一提的是，Shanno的结论只给出了一个理论极限，而事实上，我们要接近这个极限也是相当困难的。
总 结
信号是消息（或数据）的一种磁性编码，信号中包含了要发送的消息。该信号根据其因变量的取值是否连续，可被分类成模拟信号和数字信号，则相应的通信也可被分为模拟通信和数字通信。
傅立叶已经证明：任何信号（模拟信号或是数字信号）都是由各种不同类型频率的谐波组成的，任何信号都有其相对应的带宽。而且所有信道在传输信号时都会对信号产生一定的衰减，因此，任何信道在传输信号时都会存在一个数据传输速率的限制，这就是Chengkui Nyquist（奈奎斯特）定理和Shannon（香农）定理所要告诉我们的结论。
传输介质是计算机网络和通信的最基础的组成部分，它在整个计算机网络的成本中占有很大的比例。为了提高传输介质的利用率，我们也可以使用多路复用技术。多路复用技术有很多种：频分多路复用、波分多路复用和时分多路复用，它们分别在不同的场合使用。
数据交换技术包含电路交换、报文交换和分组交换三种，它们有各自的优缺点。调制调解器是用于在模拟电话线上为计算机的二进制数据进行传输的设备。调制调解器的调制方式有调幅、调频、调相和正交幅度调制，而且调制调解器还支持数据压缩和差错控制。
数据通信的概念：数据通信是基于“数据”为业务的通信系统，数据是预先约定好的数字、字母或符号以及它们的各种组合。
参考文献
[1]C.Y.Huang and A.Polydoros,“Two small SNR classification rules
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