結合本人在清華學習數字通訊原理這門課程的下經驗和體驗,來談談對數字通訊原理的理解吧,這門課程屬於電子和通訊專業的專業課,電子和通訊專業的課程主要有:矩陣論、泛函分析、數值分析、半導體光電子學導論、半導體器件物理、固體電子學、電子資訊材料與技術、現代材料分析技術、電路設計自動化、電路最佳化設計、數字資訊處理、資訊檢測與估值理論、導波原理與方法、導波光學、微波電路理論、高等電磁場理論、應用資訊理論基礎、數字通訊、系統通訊網路理論基礎。

數字通訊課程到底是什麼,總的來說,學習理解好這門課程之前,你的高等數學,隨機過程與機率論,矩陣論、泛函分析、數值分析等數學課程的功底要求好,但也可能你數學功能好,學習完這這門功課以後,也有可能卻對數字通訊原理一無所知。

如果要對數字通訊原理有更加深入的理解,首先,就必須先明白通訊的概念,通訊到底是什麼呢？其實每一本有關通訊的書裡，一般都會介紹類似下面的三個：一、通訊的目的：將資訊從發端”搬運“到收端。二、衡量通訊過程的指標：有效性和可靠性。三、完成通訊的手段：和具體通道和收發端有關係。其實這也是題主問題裡所問的一切，那一切的東西，都是手段。

一切通訊都離不開這三個方面。就如同你和其他人交流的時候可以透過聲音，你想表達的是你的資訊，透過的通道是空氣。那麼你的通訊手段就是: 首先將你想說的內容調製到聲音訊率上，然後傳送你想說的話給你的聽眾，然後你的聽眾接收到了你的傳送訊號（聲音），然後理解（解調和譯碼）了你的意思。你看這就是一個通訊過程。

那麼考慮這樣或那樣的問題，面對不同的通道，不同的人群，如何能有效並可靠的將你的資訊給別人呢？那就要考慮各種實際的問題了。如果你在太空中，沒有任何聲音可以傳播的介質，你能透過大聲喊（就認為這是一種編碼、調製併發送的過程好了）讓別人聽見嗎？答案當然是否啦。不過近距離的話你可以透過手勢，眼神等其他（編碼、調製）方式來完成交流，這就是面對不同通道的一種解決方案了。那麼再考慮另外一種情況，如果你和一個略通中文歪果仁用中文對話，你當然不可能用很快的語速來交流了，那麼降低你的說話頻率（位元速率或者速率）就是一種不錯的解決方案了。這個過程你可以看做是一個面對條件不好的接收機，所作出的次優選擇了。

回過頭來，題主所問的隨機訊號呀，通道呀，編碼呀，這些都是面對實際中的具體問題而出現的。我們最常用的地面無線通道，傳送的是電磁波，傳送端和接收端是天線，介質是空氣。因為衰落和天線尺寸的關係，我們只能選取高頻的電磁波作為載體，那麼就需要調製。經過的通道由隨機的衰落和噪聲（噪聲的來源有機器的電子噪聲，也有其他訊號的干擾混疊），那麼想研究這個通訊過程，就必須考慮隨機的噪聲，那麼這就到了隨機訊號分析。調製過的訊號頻寬並不是無窮的（這個你透過高數里的傅立葉變換就可以看出），因此這個訊號是在一定頻帶內傳輸的，那麼我們設計濾波器的時候，只考慮訊號頻帶內的傳輸就可以，這就是帶通系統。等你學了資訊理論之後，你會發現，模擬訊號的熵是正無窮，也就是說，你無法透過有限長度的有限進位制的陣列表示任意一個浮點數。換句話說，當資訊是模擬訊號，在透過一個有噪通道之後，無法完完全全的恢復原始訊號。並且為了便於實際數位電路和運算處理，二進位制表述的訊號，是最容易處理的一種方式（當然不是最優方式）；因此現代的通訊系統，都是數字系統。在將原始訊號轉化成數字訊號，同時希望數字訊號越短越好（信源編碼：取樣和壓縮）

按照剛才討論的那一通，現代通訊的過程，就是講原始資訊模擬數字轉換和信源壓縮（降低冗餘），然後做一些通道編碼（增加冗餘，以降低錯誤），然後調製成傳輸符號（BPSK，QPSK, 64-QAM,OFDM...）,經過通道傳輸，然後接收機解調，通道譯碼，解壓縮，數字訊號轉模擬訊號，最後生成一個很接近原始資訊的訊號。這個過程就是夏農給出的通訊系統模型。

以上就是通訊的概念及內容,那麼,資料通訊原理是什麼?

　　資料通訊討論的是從一個裝置到另一個裝置傳輸資訊。協議定義了通訊的規則，以便傳送者和接收者能夠協調他們的活動。在物理層上，資訊被轉換成可以透過有線媒體(銅線或光纜)或無線媒體(無線電或紅外線傳輸)傳輸的訊號。高層協議則定義了傳輸資訊的封裝、流控制和在傳輸中被丟失或破壞資訊的恢復技術。

　　通訊協議

　　可以將通訊協議比喻成外交大使館中使用的外交協議。各種級別的外交官們負責處理不同型別的協議。他們與其他大使館同等級別的外交官進行聯絡。同樣，通訊協議也有一個分層的體系結構。當兩個系統交換資料時，每層中協議互相通訊以處理通訊的各個方面。圖D-2是一個簡表。

　　圖D-2 分層網路結構示意簡表

　　很久以前，ISO(國際標準化組織)於1979年開發了OSI (開放系統互連)模型。該模型採用分層結構，把網路協議分為七個層次，由下向上依次是物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。模型中規定了各層的功能及其與相臨層的介面。按照"開放系統OSI互連參考模型"設計和組建的網路是彼此開放和可以互連的，從而可以保證世界各地的網路連為一體。儘管OSI模型從未成為流行的標準，但是它仍用於描述協議分層。

　　物理層傳輸媒體和訊號

　　通訊系統由傳輸媒體和它所連線的裝置組成。媒體可以是有向的或無向的。其中有向媒體是指金屬電纜或光纜，而無向媒體是指無線傳輸。

　　涉及資料傳輸的裝置可以是傳送器、接收器減兼有這兩種功能的裝置。如果一個系統只進行傳輸而另一個系統只進行接收，則該鏈路稱為單工。如果兩個裝置都可以傳送和接收，但是，一時間只能有一個裝置進行，則這種鏈路稱為半雙工。全雙工鏈路則允許兩個系統同時進行傳送和接收。

　　網路通訊可以採取一對一傳輸、一對多或多對多傳輸的形式。連線兩個裝置的通訊系統稱為點對點系統。而共享系統則連線可以在同一媒體上進行傳輸的的很多裝置(但一時間只有一個裝置能進行傳輸)。圖D-3對兩種系統都進行了闡釋。

　　圖D-3 共享資訊系統和點對點資訊系統

　　與點對點系統相比，端對端鏈路指跨越多個鏈路的兩個系統之間的鏈路。圖D-3中的系統A和系統Z之間的鏈路就是端對端鏈路。

　　多路複用指透過單個鏈路傳送多個傳輸的技術。透過多路複用技術，多個終端能共享一條高速通道，從而達到節省通道資源的目的。在TDM(時分複用)系統中，每個通道由時隙流中的週期時隙定義。在FDM(頻分複用)系統中，每一個通道佔用一個特定的頻率。在資料分組交換和信元交換系統中，各個資料分組或信元在網路中穿行，與汽車在高速公路上行駛類似。

　　模擬和數字訊號

　　裝置使用介面卡(產生用於透過某些媒體傳輸資料的訊號)被連線到傳輸媒體中。模擬通訊系統傳輸的是幅值和頻率隨時間連續變化的模擬訊號。這些正弦波訊號頻率的度量單位是每秒的週期數，或Hz(赫茲)。而數字通訊系統則使用離散的高和低的電壓值來表示資料訊號。

　　頻寬表示通訊通道的資訊傳送能力。通道可以是模擬或數字的。對於數字系統，容量這個術語指它的資訊傳送能力，通常以通道的資料傳輸速率或線速表示。吞吐量是與系統規定效能相對立的系統“實測”效能。吞吐量考慮了由阻塞、硬體低效和傳輸距離而導致的延遲。

　　隨著Internet的日益普及，網路使用者訪問Internet的需求在不斷增加，一些企業也需要對外提供諸如WWW頁面瀏覽、FTP檔案傳輸、DNS域名解析等服務，這些因素會導致網路流量的急劇增加，而流量管理作為內網路之間的資料通道，如果吞吐量太小，就會成為網路瓶頸，給整個網路的傳輸效率帶來負面影響。

　　調變解調器(調製器/解調器)是一種可用於透過模擬傳輸線路傳輸數字訊號的裝置。在傳輸的兩端都需要調變解調器，以對訊號進行調製，然後再解調。如圖D-4所示，傳送端調變解調器將數字訊號轉換成模擬訊號，然後接收端調變解調器又將模擬訊號轉換成離散的數字訊號。

　　圖D-4 數字-模擬-數字轉換

　　在透過模擬系統傳輸數字資料時，頻率越高，資料速率越高。圖D-5闡釋了這種現象的原因。在圖A中，頻率較低，因此在模擬傳輸中移動離散數字訊號就比較困難。注意，此時離散訊號沒有很好地表示出來，這將會導致在接收端的失真。在圖B中，頻寬要高很多因此能更好地表示離散數字訊號，並且沒有失真。

　　圖D-5 表示模擬傳輸的離散數字訊號

　　同步傳輸和非同步傳輸

　　並不是所有的傳輸都是穩定的字元流。由很多開始和停止組成的傳輸是非同步傳輸。非同步傳輸將位元分成小組進行傳送，小組可以是8位的1個字元或更長。傳送方可以在任何時刻傳送這些位元組，而接收方從不知道它們會在什麼時候到達。

　　假設回到20世紀60年代，使用者坐在連線到大型計算機的啞終端前。當鍵入時，每個字元透過非同步鏈路傳輸到計算機中。如果您暫停輸入，則計算機就暫停傳輸。這是因為系統是以非同步方式操作的，接收器不能指望穩定的位元流。它將在任意時間等待進一步的傳輸並在傳輸停止時不能以為鏈路己經被中斷。

　　與之相反，同步傳輸是以一個長的位元串為特徵，其中位元串中的每個字元都用定時訊號分隔。同步傳輸時，為使接收方能判定資料塊的開始和結束,還須在每個資料塊的開始處和結束處各加一個幀頭和一個幀尾,加有幀頭、幀尾的資料稱為一幀(Fram)。幀頭和幀尾的特性取決於資料塊是面向字元的還是面向位的。

　　這兩種傳輸型別都普遍用於透過電話線路或其他通道連線的計算機系統。選擇這兩種型別的哪一種取決於裝置的不同。實際上，為使用者提供非同步操作的調變解調器可以轉換為擴充套件傳輸的同步模式。同步傳輸技術設計用於連續的資料傳輸，而非同步傳輸技術更適用於個人使用者會話。

　　序列介面

　　序列介面，簡稱串列埠，也就是COM介面，是採用序列通訊協議的擴充套件介面。串列埠的出現是在1980年前後，資料傳輸率是115kbps～230kbps，串列埠一般用來連線滑鼠和外接Modem以及老式攝像頭和寫字板等裝置，目前部分新主機板已開始取消該介面。

　　需要標準介面將通訊裝置(如調變解調器)連線到計算機上。最常見的用於調變解調器的介面是最初稱為RS-232的EIA-232標準。在這種標準中，計算機或其他類似的裝置稱為DTE(資料終端裝置)，而類似於調變解調器的裝置稱為DCE(資料電路終接裝置)。介面聯結器具有與其相對應的聯結器相連的多條導線。每個引腳代表一個數據傳輸的通道或傳送的特定控制訊號。例如，有一個請求要傳送到線路上，DTE用它給出想進行傳送的訊號。DCE向線路傳送清除訊號以表示它已經準備好接收。

　　傳輸媒體

　　有很多傳輸媒體，包括銅線電纜、光纜和無線系統。媒體受衰減(訊號遠距離傳輸損耗)、失真、背景噪聲和其他因素的影響。通訊系統的設計者在設計網路系統，如乙太網、令牌環、FDDI(光纖分佈資料介面)和其他系統時要考慮所有這些因素。因此，網路必須在它們的規範內建立以避免這些問題。

　　在不可能使用導線線路的情況下，計算機資料可以透過RP(無線電頻率)或光線(通常是紅外線)進行傳輸。這些傳輸發生在一個單獨的房間或跨越城鎮的傳送器和接收器之間。在需要設定跨越道路、河流和物理空間(通常是指不能敷設電纜的地方)的鏈路時，無線網路為校園和商業園區環境提供了惟一的解決方案。地面微波系統可在建築物和塔頂端看到。光網路和衛星通訊系統提供了其他解決方案。

　　資料鏈路協議

　　資料鏈路層是恰好位於OSI協議棧中緊靠硬體(物理)層的上層。該層中的協議管理連線的系統之間的位流。來自上層的資料分組被封裝為幀並透過資料鏈路傳送出去。其中還使用了流控制和糾錯技術。資料鏈路層處理點對點或點對多點鏈路。在OSI協議棧中，較高的網路層負責處理透過多個路由器連線資料鏈路的連線。

　　成幀

　　成幀技術是一種用來在一個位元流內分配或標記通道的技術，為電信提供選擇基本的時隙結構和管理方式、錯誤隔離合分段傳輸協議的手段。

　　成幀對於經過物理媒體傳輸的資料位元提供了控制方法。它提供了錯誤控制並可以根據服務的型別提供資料重傳服務。位元塊與幀頭封裝成幀且附加了檢查和，以便可以檢查出被破壞的幀。如果一個幀被破壞或丟失，則只需重新發送這個幀而無需重發整個資料組。

　　幀具有特定的結構，根據使用的資料鏈路的不同而不同。稱為HDLC(高階資料鏈路控制)的流行資料鏈路協議的幀結構如圖D-6所示。請注意“資訊”欄位是放入資料的位置，它的長度可變。“資訊”欄位可以放入一個整個的資訊包。“起始標記”欄位代表幀的起始，“地址”欄位裝有目地地址，“控制”欄位描述資訊欄位裝有的是資料、命令，還是響應，FCS欄位包含檢錯編碼。

　　圖D-6 HDLC幀格式

　　差錯檢測和控制

　　差錯控制方式基本上分為兩類，一類稱為“反饋糾錯”，另一類稱為“前向糾錯”。在這 兩類基礎上又派生出一種稱為“混合糾錯”。 對於不同型別的通道，應採用不同的差錯控制技術，否則就將事倍功半。反饋糾錯可用於雙向資料通訊，前向糾錯則用於單向數字訊號的傳輸，例如廣播數字電視系統，因為這種系統沒有反饋通道。

　　資料鏈路層還負責差錯檢測和控制。一種差錯控制的方法是檢測差錯，然後請求重傳。另一種方法是接收器檢測出一個差錯，然後重建幀。後一種方法需要隨幀傳送足夠的附加資訊，以便在檢測出差錯後接收器可以重建幀。當不可能重傳(如將資訊傳輸到航天探測器)時使用該方法。

　　在資料鏈路層中執行差錯恢復任務通常是效率很低的。這樣很多網路實施依靠上層協議完成該任務。在大多數情況下，資料鏈路層用於儘可能快速並有效地傳遞資料，而不執行大量的資料恢復任務。上層協議則提供了恢復服務。

　　流控制

　　流量控制是在計算機之間和網路結點之間控制資料流量以達到資料同步的目的的。在裝置能夠處理前過多的資料到達會引起資料的拋棄或資料重發。對於序列資料傳輸，採用Xon/Xoff協議進行控制。在網路中，流量控制也參與加入新裝置，當流量大時，不能加入新裝置。

　　可以將資料傳輸想象為流經管道並在接收端注滿水桶的水流。接收者從水桶取水，但需要一些方法減少水流以使水桶不會溢位。在這個比喻中，水桶代表接收器使用的資料緩衝區，該緩衝區儲存輸入的必須被處理的資料。一些NIC(網路介面卡)上的緩衝區大得足可以裝下整個輸入的傳輸。如果緩衝區溢位，則幀通常被丟掉，因此接收器使用一些方法告訴傳送器降低傳送幀的速度或停止傳送將會很有用。

　　共享LAN的網路接入和邏輯鏈路控制接入方法對於由多個裝置共享的網路是必需的。因為一時間只有一個裝置可以在網路上進行傳輸，所以需要一種媒體接入控制方法來提供仲裁。

　　在由IEEE定義的區域網絡環境中，媒體接入協議位於稱為MAC(媒體接入控制)子層的資料鏈路層的子層。MAC子層位於LLC子層的下方，LLC子層對於任意在其下方安裝的MAC驅動程式都提供了資料鏈路。在圖D-7中可以看到該層的子分割槽

　　圖D-7資料鏈路層包括兩個子層:MAC (媒體訪問控制)和LLC(邏輯鏈路控制)

　　MAC子層支援各種不同的網路型別，其中每種型別都有一種仲裁網路接入的特定方法。三種可能的接入方法如下：

　　載波監聽方法 載波監聽技術即傳送站點在傳送幀之前，先要監聽通道上是否有其他站點發送的載波訊號，若無其他載波，可以傳送訊號;否則，推遲傳送幀。使用該技術，裝置監聽網路傳輸，並等待直到線路空閒出來以傳輸它們自己的資料。如果兩個站試圖同時進行傳輸，則兩個站都退出並等待一段長短不定的時間，然後重發。

　　令牌訪問 令牌是在令牌環、令牌匯流排和光纖分散式資料介面(FDDI)網路中控制網路訪問的特殊分組。令牌環構成了邏輯環，其中每個傳輸沿環從一個站到另一個站行進。只有擁有特殊令牌的站才可以進行傳輸。

　　預留方法 在該方案中，每個傳輸裝置都有一個分配給它的特定的時隙或頻率。TDM(時分複用)就是一個例項。裝置可以有選擇地將資料放入時隙中進行傳輸。如果裝置不傳輸任何資料，則該技術可能會浪費頻寬。

　　橋接

　　“橋接”，是指依據OSI網路模型的鏈路層的地址，對網路資料包進行轉發的過程。當路由器配置了橋接選項後，會處理所有介面上的所有的資料幀，並實時調查每個主機的位置。若在某個介面上收入一個幀，就會在一個橋接內建入一個條目，列出傳送資料的主機和接收到資料幀的介面MAC地址，這樣路由表就被不斷地在通訊中完善起來。透明橋接使路由器對主機來講是透明的，其作用就相當於一個區域網交換機。若是同一個LAN內的兩個主機通訊，資料幀就不會被髮送到其它的介面，因為在橋接表裡，資料幀都來自相同的介面;若是收到一個幀，而其中的MAC地址不在自己的橋接表裡，就會將這個幀擴散到所有的介面，橋接還會擴散所有的廣播包，佔用網路的有效頻寬，造成網路的堵塞。Cisco IOS支援多種型別的橋接，比如：透明橋接、封裝橋接、源路由橋接、源路由透明橋接、源路由轉換橋接。

　　網橋是一種將兩個或更多的網段連線為一個單獨LAN的裝置。新連線的LAN上的所有裝置可以互相通訊，但是網橋提供了過濾功能，可以阻止不必要的通訊從一個網段傳播到其他網段。網橋通常用於將一個大型的LAN分隔成兩個單獨的網段。如果LAN是乙太網，則網橋建立一個廣播域和兩個衝突域。在乙太網中，衝突域具有較少的計算機比較好，這樣有利於用網橋劃分網路。請注意，交換機基本上是多埠網橋。

　　交換

　　正如上面提到的，網橋可以用於將一個LAN分成兩個網段，這兩個網段又有效地產生兩個較小的衝突域。交換機是基於這個理論擴充套件的裝置。網橋通常有兩個埠連線兩個LAN網段，而交換機有一組埠，可以連線更多的網段。圖D-8闡釋了交換機如何提供用於多個集線器的橋接功能。每個集線器都有一個衝突域，但是圖中所示的整個網路是一個單獨的廣播域。每個交換機埠基本上是一個可以透過交換機中的內部電路隨時“橋接”到其他任何埠的單獨LAN網段。

　　圖D-8 一個交換網路

　　橋接的所有優點如前面部分所述。

　　大多數交換裝置提供了配置VLAN(虛擬LAN)的方法。在用交換機建立網路時，有一種建立大型平坦網路而不是多個不同的 LAN(即所有的節點是同一廣播網路的一部分)的傾向。VLAN技術可以用於在平坦交換環境中建立虛擬LAN。例如，如果用具有VLAN功能的交換機替代圖D-8中的集線器，則工作站A和D可以配置到一個VLAN中;而工作站B、E和H可以配置到另一個VLAN中。來自A的廣播可以被D接聽到，而來自B的廣播可以被E和H接聽到。然後需要一個路由器以傳送VLAN之間的資料分組。

　　路由選擇、網路互聯和網路層

　　儘管網橋將兩個分離的LAN網段連線為一個單獨的廣播域(或將一個大的LAN拆分成兩個或更多的不同衝突域)，路由器還是提供了網路互聯的功能。在網橋級上，資訊以幀(幀在資料鏈路層中定義)的形式傳送到其他系統中。在路由器級上，資訊必須被封裝在包含目的網路地址的資料分組內，然後透過路由器邊界轉發。路由器將網路連線到網際網路中。

　　有時，透過在地址下方寫下具體地址和單詞“市”可以將信件郵寄到同一城市中的某個人那裡。但是如果信件有一個“城市間”地址，則將需要在信封上寫下城市名和ZLP編碼(郵政區號)。同樣，網際網路絡由很多互相連線的網路組成。因特網是最大的網際網路絡。若要在不同的網路之間傳送資料分組，則需要分層的命名方案，其中，以用於路由目的的名稱或數字識別每一個網路。ZLP編碼方案在郵政系統中就起這樣的作用。IP(網際協議)則是網際網路絡的定址和路由選擇協議。

　　在圖D-9中，LAN被連線到路由器上並且路由器組成了相互連線的路徑網，資料分組可以透過路徑網行進到它們的目的地。注意可以從任意其他點到達網路中的任意路由器和所連線的LAN。

　　圖D-9路由器用來建立多連線點和多路徑的網路有關網路

　　傳輸層

　　服務傳輸層提供了面向連線服務。這意味著兩個系統可以建立一個會話，透過會話它們進行有關資料交換狀態的“對話”。雖然建立連線花費一些時間並增加了資料傳輸的一些開銷，但是它向傳送器提供了保證接收器接收到全部已傳送資料的服務。傳送器傳送一組資料分組，然後接收器確認它已經接收了該資料分組。如果接收器未對接收作出確認，則傳送重傳資料分組。會話控制還提供流控制以防止接收器溢位或在某些情況下網路溢位。

　　圖D-10闡釋了傳輸層會話如何成為跨越中間裝置的(如路由器)邏輯端對端連線。兩個對等的傳輸層透過面向連線的虛擬線路進行對話。　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　圖D-10傳輸層能夠從事網間的端對端轉換

　　傳輸層的功能包括是否選擇差錯恢復協議還是無差錯恢復協議，及在同一主機上對不同應用的資料流的輸入進行復用，還包括對收到的順序不對的資料包的重新排序功能。例如：TCP，UDP，SPX等。

　　傳輸層提供可靠的面向連線服務。例如，如果網路鏈路暫時發生故障，則面向連線的會話並不立即中止連線，而是試圖保持連線有效直到基礎鏈路重新建立。在會話重新建立後，資料從被中斷處繼續傳輸。

　　應用層

　　在協議棧中最高層執行的應用程式實際上並沒有涉及通訊，但是它們確實使用了通訊裝置並在它們的使用者介面(利用基礎網路)中實現了功能。應用層的作用是在實現多個系統程序相互通訊的同時，完成一系列業務處理所需的服務。它不僅要提供應用程序所需的資訊交換和遠地操作，而且還要作為互相作用的應用程序的使用者代理( User agent)。網路檔案共享服務，如NCP( NetWare核心協議)、UNIX環境中的NFS(網路檔案系統)或Windows環境中的SMB (伺服器資訊塊)都是特意為使用網路服務而開發的，這樣使用者可以透過網路共享檔案。

　　應用層是網路可向終端使用者提供應用服務的唯一視窗，其目的是支援使用者聯網的應用的要求。由於使用者的要求不同，應用層含有支援不同應用的多種應用實體，提供多種應用服務，如電子郵件、檔案傳 輸、虛擬終端、電子資料交換等。

　　在TCP/IP環境中，套接API提供了應用程式和基礎網路服務之間的程式設計介面。

以上就是我個人對資料通訊原理的一些理解,就算是對學習和理解這門課程的一些分享吧!