§7.2  数据通信的基本原理

1.通信系统模型

通信的基本目的是在接收端准确或近似地再现另一端发送出来的消息，因而通信系统的基本问题是信源、信道以及编码问题。

通信系统最简单的概念模型如图所示：

计算机数据通信系统的模型

2.数字通信系统中带宽的概念

模拟通信系统中的带宽是媒体能够传输的信号最高频率和最低频率的差值。如电话信号的频率是300～3300Hz，它的带宽就是3000Hz。

数字通信系统通常是指数字系统中数据的传输速率。数据传输速率是衡量系统传输数据能力的主要指标，数据传输速率是指单位时间内传送的信息量，即每秒钟传送的二进制位比特数，单位为比特/每秒，记作bit/s或bps。

常用的带宽单位：

千比特每秒：Kb/s(10³b/s)

兆比特每秒：Mb/s(10⁶b/s)

吉比特每秒：Gb/s(10⁹b/s)

这里的b是比特，bit的意思

【例】某网络运营商为用户提供了20M带宽，请问用户实际下载速度是多少？

[分析] 下载速度通常指的是 Byte/s，即字节/秒或千字节/秒，1Byte=8bit，这是一个换算的问题，1byte=8bit，

20M带宽=20*106b/s=20*106/8(byte/s)

=2500Kbyte/s

【例】当网络的传输速率为100Mb/s，则理论上接收1.4GB的视频文件至少需要（  ）秒。

[分析]  视频文件大小=1.4*1024M*1024K*1024Byte

需要的时间=文件容量/下载速度

=1.4*1024*1024*1024（Byte)/(100*106/8) (Byte/s）=120.26s≈ 120s     

3.基带传输的概念

在通信术语中，基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输，即未经频率变换的原始信号。在数字信道中以基带信号形式直接传输数据的方式称为基带传输。

基带传输占用的频率范围为信道提供的全部带宽。

基带系统中的每个设备都共享相同的信道,当基带系统上的一个节点在传输数据，网络中所有的其他节点在发送数据前必须等待前面的传输结束。

单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带系统可以以半双工的方式支持双向信号流，即基带系统可在同一条线路上进行数据的发送和接收。基带信号的能量在传输过程中很容易衰减，只能利用有线介质近距离传输，传输距离不大于2.5km.

以太网，令牌环网等计算机局域网都是基带传输的例子。

4.多路复用技术

采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，通过复用器和分用器实现“共享信道”，在远距离传输时可大大提高信道的利用率。

频分多路复用技术（FDM）用于模拟信号。 最普遍的应用是在有线电视和无线电传输中。

• 按频率分成多个互不干扰的子频带，频带的宽度称为带宽

• 各用户占用不同的带宽资源，用户在分配到一定的频带之后，在通信过程中自始至终占用这个频带

波分多路复用技术（WDM）主要应用在光纤通道上，WDM实质上也是一种频分多路复用技术。光波的波长和频率有固定的换算关系。WDM按不同的波长范围分成若干个子信道。

时分多路复用技术（TDM）不是将一个物理信道划分成为若干个子信道，而是不同的信号在不同的时间轮流使用这个物理信道。这个不同的时间称为时间片。在一个时间片内，信号占用信道的全部带宽。它是数字电话多路通信的主要方法

• 原理：时分复用是将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TMD帧中占用固定序号的时隙。

• 特点：每用户所占用的时隙是周期性出现的（周期为TMD帧长度）。

• 实质：时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。

5.信道容量

信道容量是指在给定带宽的物理信道上，我们可以可靠传送信息的数据速率。

1.奈奎斯特定理（Nyquist）

奈奎斯特定理指出，在带宽为B的传输系统上所能达到的最大数据传输速率以每秒位数表示时可达到2B。更一般地，如果被传输的信号包含N个状态值（即信号的状态数为N），那么带宽为B赫兹信道所能承载的最大数据传输速率（信道容量）是：

它描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。用于理想低通信道，单位为bps或b/s。对于二进制数据信号的最大数据传输速率Cmax与通信信道带宽B（单位Hz)的关系可以写为：Cmax＝2*B(bps)

对于二进制数据，若信道带宽B=3000Hz,则最大数据传输速率为6000bps.

例：在一个带宽为4000Hz并用4种电压对数据编码的传输系统上，用奈奎斯特定理计算其最大数据传输率是？

解： Nyquist定理表述：

     理想信道最高数据传输速率为 2Blog2N (bps)

     本题带宽为B = 4000Hz  状态数N= 4

   则：该信道最大数据传输速率为   2* 4000 * log24 =16000(bps)

例：根据奈奎斯特定理，在带宽为20MHz的传输系统上所能达到的最大数据传输速率是（  ）。  

解：  2* 20M * log22 =40Mb/s 

2.有噪信道编码定理

香农(Shannon)在1948年的文章中，推广了奈奎斯特的结果，提出并证明了在噪声影响下传输系统所能达到的最大数据传输速率。该定理被称为有噪信道编码定理，也称为香农第二定理。

其中 C是用每秒位数表示的线路容量的实际限制值，W是信道带宽，S是平均信号强度，N是平均噪声强度。由于在实际使用中S与N的比值太大，S/N 并不直接给出，常取其分贝数(db)，信噪比S /N与功率db的换算公式：

        XdB=10lg（S/N）即S/N =10X

香农和奈奎斯特公式最大的差别在于是否有噪声的影响。

6.量子通信

1900年，德国物理学家 M.普朗克大胆提出“量子”假设，即能量不能无限分，世界上有最小的能量单位，能量不连续，能很好的解释“黑体辐射”的实验结果。1905年爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子”(光子)的概念，很好的解释了大名鼎鼎的“光电效应”。

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本单元，是能量的最基本携带者。它是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称。可以说，整个世界都是由量子组成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子组成。量子有不同于宏观物理世界的奇妙现象，其中最为著名的就是量子叠加和量子纠缠。

量子叠加：量子世界跟宏观世界最大的区别，就是量子有多个可能状态的叠加态即量子叠加。打个比方:这就好比孙悟空的分身术。在日常生活中，一个人不可能同时出现在两个地方。但在量子世界里，作为一个微观的客体，它能够同时出现在许多地方。

量子纠缠：也是量子叠加的一种表现，是指两个处在纠缠态的量子一旦分开，不论分开多远，如果对其中的一个粒子测量，另一个粒子就会立即发生变化，且是不需要时间的变化。例如：在美国的女儿生下孩子那一瞬间，远在中国的母亲就变成了姥姥，即便她自己还不知道。

1993年,美国科学家C．H．Bennett提出量子通信的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，也就是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的保密的通讯方式。

传统通信存隐患 传统的通信方式主要有两种：电缆和光纤。这两种通信方式都存在窃听手段简单且窃听过程和窃听者无法被察觉的问题。

目前可以采用软件加密的方式保护信息安全，虽然破解难度高，但未来超级计算机技术和量子计算机的出现，密码破译的速度将会越来越快。因此，目前的通信技术并不是绝对的安全。

量子通信技术能够完美地解决信息传输过程中的安全问题，真正做到“绝对”安全。当通信载体是量子时，根据薛定谔的猫原理，由于微观粒子位置是不可能被确定的，总是以不同概率出现在某个位置，而且每次测量的微粒相比测量前必然发生变化。其次，

借助量子力学的基于量子态不可克隆原理和海森堡测不准原理，把密钥分配给需要保密通信的双方，密文的发送仍然通过标准的通信手段来完成。这个过程保证能够在AB两人之间实现密钥的分配，其次保证分配的过程中不会使未授权的第三方得到密钥的内容。

量子通信具有以下几个特点：

   1)量子通信实际不是通信方式，也不加密，只分配密钥;

   2)量子密钥分配只是被动探测并发现窃听，不能主动防护窃听;

   3)量子密钥分配需要借助常规通信，无法超光速传输;

   4)窃听的探测基于量子力学的不可克隆和测不准原理，所以叫量子密钥分配。

量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合新的研究领域，其主要研究内容包括量子密钥分发(量子保密通信)和量子隐形传态(传输)，从而 实现信息传递，涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。

我国在量子通信方面取得的重要进展

2016年8月16日凌晨，我国成功发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，通过近地真空发送光子对，成功地测量相隔１２０３公里的量子密钥，解决了纠缠态的量子会在通过空 气等介质的时候急剧衰减的棘手的问题 ，实现千公里级的星地双向量子纠缠分发。

2017年6月，潘建伟团队在«科学»(Science)杂志上发表论文，证明了可以最大限度地减少这种衰减的新技术的可行性，这意味着量子通信向实用迈出一大步。2019年2月获得美国科学促进会(AAAS)的2018年的克利夫兰奖颁给了由潘建伟领导的中国“墨子号”量子科学实验卫星团队。