通信基础的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输介质上传输数据比特流，而不是具体的传输介质。本节先把术语钉死：数据与信号、码元与比特、波特率与比特率、带宽的两种含义——第 2 章的计算题几乎都卡在这几个词的换算上。

本页 2 道错题，考的正是”哪个词对应哪个量”：信息传输速率说的是比特不是码元，并行传输用在计算机内部。

机制

数据、信号与码元

通信的目的是传输信息，如文字、图像和视频等。数据是指传送信息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都有模拟或数字之分：模拟数据（或模拟信号）的取值是连续的；数字数据（或数字信号）的取值是离散的。

在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形表示一个进制数，这个时长内的信号称为码元（可称进制码元），而该时长称为码元宽度（也称信号周期）。1 码元可携带若干比特的信息量：在一个信号周期内可能出现 2 个信号，每个信号对应一个二进制数（1bit）；若一个信号周期内可能出现 4 个信号，则每个信号就对应一个四进制数（2bit）。

信源、信道与信宿

数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。信道是信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。

flowchart LR
  S["信源"] --> T["变换器"] --> C["信道"] --> R["反变换器"] --> D["信宿"]
  N["噪声源"] --> C
  subgraph TX["发送端"]
    S
    T
  end
  subgraph RX["接收端"]
    R
    D
  end

发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号首先由反变换器转换成原始信息，然后发送给信宿。噪声源是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

信道的分类：

分类依据	类别
传输信号的形式	传送模拟信号的模拟信道、传送数字信号的数字信道
传输介质	无线信道、有线信道

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号是由信源发出的未经过调制的原始电信号，当在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输；宽带信号首先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到信道上传输，称为宽带传输。

数据传输方式

串行传输是指逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行传输适用于长距离通信，如计算机网络；并行传输适用于近距离通信，常用于计算机内部，如 CPU 与主存之间。

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：

方式	含义	需要几个信道
单向通信	只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播	1 个
半双工通信	通信双方都可发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息	2 个（每个方向一个）
全双工通信	通信双方可同时发送和接收信息	2 个（每个方向一个）

速率、波特与带宽

速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述形式（调制速率的概念 2014 年考过）：

码元传输速率。又称波特率或调制速率，表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是波特（Baud）。码元既可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。
信息传输速率。又称比特率，表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位是比特/秒（b/s）。

王道的注意框：波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带比特的信息量，则波特率 Baud 对应的比特率为 b/s。 $比特率波特率为码元的离散电平数$ 带宽有两种含义：在模拟信号系统中，带宽（又称频率带宽）用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）；在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率，此时带宽的单位不再是 Hz，而是 b/s。

边界

错题复盘：一条双向通信的电路包含两个信道；波特率 = 比特率 ÷ 每码元比特数

王道 2.1.4 第 1 题：下列关于通信基础的基本概念的说法中，正确的是（A. 信道与通信电路类似，一条可通信的电路往往包含一个信道　B. 调制是指把模拟数据转换为数字信号的过程　C. 信息传输速率是指通信信道上每秒传输的码元数　D. 在数值上，波特率等于比特率与每符号所含的比特数的比值）。答案 D。

信道不等于通信电路：一条可双向通信的电路往往包含两个信道，一个是发送信道，一个是接收信道；另外，多个通信用户共用通信电路时，每个用户在该通信电路都有一个信道（A 错）。调制是将数据转换为模拟信号的过程（B 错）。信息传输速率数的是比特，每秒传输的码元数是码元传输速率（C 错）。

D 就是那条换算关系： $波特率比特率每码元比特数$ 。四个选项正好把本节四个术语各错一遍，逐词对定义是唯一的做法。

错题复盘：计算机内部用并行传输

王道 2.1.4 第 3 题：（）被用于计算机内部的数据传输（A. 串行传输　B. 并行传输　C. 同步传输　D. 异步传输）。答案 B。

并行传输的特点是距离短、速度快；串行传输的特点是距离长、速度慢。因此，在计算机内部（距离短）传输时应选择并行传输。同步、异步传输是通信方式，而不是传输方式，与题干问的维度不同。

网络里见到的几乎都是串行传输（一条线上逐比特发），所以容易惯性选 A；题干问的是”计算机内部”，如 CPU 与主存之间（计组第 6 章总线）。

信息传输速率的单位是比特，码元传输速率的单位才是码元。 两者只有在”一个码元携带 1 比特”（二进制）时才相等。

波特率与进制无关，比特率与进制有关。 同一条线路上每秒发 1000 个码元，波特率恒为 1000Baud；采用 16 进制码元时比特率是 4000b/s。

并行传输用于计算机内部，串行传输用于计算机网络。 并行需要多条信道，长距离时成本高且各条线的时延不一致。

半双工和全双工都需要两个信道。 区别在于能否同时收发，不在于有几条信道。

调制是把数据变成模拟信号，编码是把数据变成数字信号。 两者的方向在 2.1.3 展开（2.1.3）。

对照速查

说法	对错
一条可通信的电路往往包含一个信道	❌（双向通信的线路包含发送和接收两个信道）
调制是把模拟数据转换为数字信号	❌（数据转换为模拟信号）
信息传输速率是指每秒传输的码元数	❌（比特数；码元数是码元传输速率）
波特率 = 比特率 ÷ 每个码元所含的比特数	✅
码元速率与进制有关	❌（与进制无关）
并行传输用于计算机内部	✅
单向通信只需一个信道	✅
计算机网络中的”带宽”单位是 Hz	❌（b/s；模拟系统中才是 Hz）

考点

数据、信号、码元、码元宽度；1 码元可携带多个比特
信源 / 信道 / 信宿模型；基带传输与宽带传输
串行与并行；单向、半双工、全双工与所需信道数
波特率（码元/秒，与进制无关）与比特率（比特/秒）（2014）
带宽的两种含义（Hz 与 b/s）

考研笔记