計算機與數(shù)字通信基礎(chǔ)知識

一、計算機基礎(chǔ)知識

一個完整的計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分。組成一臺計算機的物理設(shè)備的總稱叫做硬件系統(tǒng)，是計算機工作的基礎(chǔ)。指揮計算機工作的各種程序的集合稱為軟件系統(tǒng)，是控制和操作計算機工作的核心。

1.硬件系統(tǒng)

計算機硬件系統(tǒng)由主機、顯示器、鍵盤、鼠標等組成，如圖1-15所示。另外，計算機還可以外接打印機、掃描儀、數(shù)碼相機等設(shè)備。

（1）主機 計算機最主要的部分就是主機，主機內(nèi)部有主板、CPU、內(nèi)存、硬盤、光驅(qū)、顯卡、聲卡、電源等。

1）中央處理器（CPU）：CPU用來直接處理計算機的大部分數(shù)據(jù)，它處理數(shù)據(jù)速度的快慢直接影響著整機性能的發(fā)揮。CPU有主頻、倍頻、外膜三個重要參數(shù)，它們的關(guān)系是：主頻=外頻×倍頻。主頻是CPU內(nèi)部的工作頻率，外頻是系統(tǒng)總線的工作率，倍頻是它們相差的倍數(shù)。CPU的運行速度通常用主頻表示，以赫茲（Hz）作為計量單位。CPU的工作頻率越高，速度就越快，性能就

越好，價格也就越高。目前的CPU 最高工作頻率已達到3000MHz以上。目前主流CPU有：英特爾酷睿I系列，I3—2100、I5—2300和I7—2600k等；AMD速龍X4640和弈龍X4955等。圖1-16所示為常見Intel的CPU外形。

2)內(nèi)存與硬盤：內(nèi)存和硬盤都是計算機用來存儲數(shù)據(jù)的，它們的單位為字節(jié)(Bytes), 常用B表示。計算機在處理數(shù)據(jù)時，它把大量有待處理和暫時不用 的數(shù)據(jù)都存放在硬盤中，只是把需要立即處理的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中，處理完畢后 立即送回硬盤，再調(diào)出下一部分數(shù)據(jù)。計算機在實際工作時將一切要執(zhí)行的程 序和數(shù)據(jù)都要先裝人內(nèi)存。內(nèi)存是內(nèi)部存儲器的簡稱，包括隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM),因為RAM是其中最主要的存儲器，因此人們習(xí)慣將RAM 直接稱為內(nèi)存。RAM分為靜態(tài)RAM(SRAM)和動態(tài)RAM(DRAM)兩種。目前微型計算機中的內(nèi)存大都采用半導(dǎo)體存儲器，基本上是采用內(nèi)存條的形式 ，其優(yōu)點是擴展方便。容量以“MB”為單位(1MB=1024KB=1024x1024B),常見的內(nèi)存條有128MB、256MB的同步動態(tài)存儲器(SDRAM)內(nèi)存條，256MB或更大的雙倍數(shù)據(jù)速率存儲器(DDRAM)內(nèi)存條。目前內(nèi)存最大有1條8G,但對于個人計算機來說，有2G已足夠用了。比RAM運算速度還要快的是在CPU與內(nèi)存之間的高速緩沖存儲器(Cache),它固化在主板上，容量相對較小。現(xiàn)在家用計算機品牌機的硬盤通常為320～500G,高檔機硬盤可達2T(2000G)以上。硬盤容量要比內(nèi)存大得多，現(xiàn)在以“GB”為單位已屬常見(1GB=1024MB)。硬盤在使用時常將其容量分配給不同的邏輯驅(qū)動器，稱為硬盤分區(qū)；硬盤分區(qū)有利于計算機管理繁雜的信息，而且當某一區(qū)出現(xiàn)故障時，不會影響其他區(qū)的正常操作。常用的C、D、E是硬盤邏輯驅(qū)動器的名稱，操作系統(tǒng)一般放在C盤驅(qū)動器。內(nèi)存和硬盤容量都是越大越好。圖1-17所示為內(nèi)存和硬盤。

3)驅(qū)動器：驅(qū)動器分為硬盤驅(qū)動器(簡稱為硬驅(qū))、軟盤驅(qū)動器(簡稱為軟驅(qū))和光盤驅(qū)動器(簡稱為光驅(qū))。硬盤和硬驅(qū)是一體的，軟驅(qū)和軟盤、光驅(qū)和光盤是分開的。將軟盤插入軟盤驅(qū)動器時要注意方向，3.5in軟盤在插入時應(yīng)該使轉(zhuǎn)軸面向下，金屬片朝前，聽到驅(qū)動器口下方的彈出按鈕“喀噠”一聲彈出，說明軟盤插好了。取出時，應(yīng)該先按一下彈出按鈕，軟盤會自動彈出一部分，接著將軟盤抽出。值得注意的是，軟盤驅(qū)動器的上方或下方有一個小小的指示燈，當指示燈亮?xí)r，說明計算機正在讀或?qū)戇@個驅(qū)動器內(nèi)的軟盤；硬盤驅(qū)動器同樣有位于主機箱前面板上的指示燈，指示燈亮?xí)r，表明計算機正在讀或?qū)懹脖P。驅(qū)動器指示燈亮?xí)r，不能取出相應(yīng)驅(qū)動器內(nèi)的軟盤或關(guān)機，否則可能會對  磁盤造成損壞。光盤驅(qū)動器是讀取光盤信息的設(shè)備。驅(qū)動器的名字都是用單個的英文字母表示的，常用A和B來表示軟盤驅(qū)動器，用C、D、E來表示硬盤驅(qū)動器，光盤驅(qū)動器一般用硬盤驅(qū)動器后面的字母來表示。

4)光盤：光盤是計算機中數(shù)據(jù)運輸和存儲的得力助手。光盤通常分為CD光盤和DVD光盤兩大類。

CD光盤按功能和用途可分為CD-R和CD-RW兩種，其中：CD-R 光盤是只讀光盤，數(shù)據(jù)一次性寫入，容量在700MB以內(nèi)；CD-RW光盤是可以重復(fù)擦寫的VCD刻錄光盤，容量也在700MB以內(nèi)。

DVD光盤常見的有D5和D9兩種。其中：D5是普通單面單層DVD光盤，容量可達4.7G;D7是單面雙層DVD光盤，容量達8.5G。DVD 也可按功能和用途分為DVD-R、DVD+R和DVD-RW三種。其中：DVD-R適合一次性刻錄視頻資料，DVD+R適合一次性刻錄數(shù)據(jù)資料， DVD-RW是可以重復(fù)擦寫的大容量刻錄光盤。

5)電源(見圖1- 18):計算機內(nèi)部所需電壓不超過12V, 而供電電壓是220V。計算機電源相當于一個變壓器，把220V電壓轉(zhuǎn)化為計算機內(nèi)硬件設(shè)備所需的各組電壓，如：12V、5V、3.3V。電源上有一束顏色不同并帶接口的導(dǎo)線，

它們用來與主板、軟驅(qū)、光驅(qū)、硬盤、CPU、風(fēng)扇等部件的電源接口相連，給它們供電。

6)主板：主板上有一排排的插槽，呈棕色和白色，長短不一，聲卡、顯卡、內(nèi)存條等設(shè)備就是插在這些插槽里與主板聯(lián)系起來的。除此之外，還有各種元器件和接口，它們將機箱內(nèi)的各種設(shè)備連接起來。如果說CPU是計算機的心臟，那么，主板就是血管和神經(jīng)。有了主板，計算機的CPU才能控制硬盤、軟驅(qū)等周邊設(shè)備。目前市場上有Socket370、Socket478和Socket603架構(gòu)主板。不同架構(gòu)主板的插槽有所不同，功能也存在著差異。主板由芯片組、各種插槽等接口電路構(gòu)成。芯片組是主板的核心，是CPU與周邊設(shè)備溝通的橋梁。芯片組技術(shù)的高低就決定著主板性能的好壞�，F(xiàn)在主要的芯片組制造商有Intel、nV-dia、VIA和SiS公司。為了滿足計算機靈活性和升級的需要，人們已不在主板上直接焊接CPU, 而是裝上了插座。Socket架構(gòu)主板的CPU插座旁邊有一個杠桿，把它拉起來，CPU的每一根插腳就可以輕松地插入插座的孔里，然后，將杠桿壓回原來的位置，CPU就被牢牢地固定住，決不會脫離開。計算機的電源通過電源插頭接到主板上，為主板上的各個硬件設(shè)備供電。電源還通過插頭接到硬盤、光驅(qū)、軟驅(qū)的電源插座上。為了擴展計算機的功能，常通過擴展槽來連接聲卡、顯卡等設(shè)備，并把它們的信號傳給主板電路。擴展槽的接口有智能存儲體系結(jié)構(gòu)接口(ISA)、外圍設(shè)備接口(PCI)、圖形加速接口(AGP) 三種。ISA已比較少見，PCI用途較廣，AGP是3D圖形的加速端口。PCI擴展槽為白色，AGP和ISA擴展槽一般為黑色。在主板上我們還會看到數(shù)據(jù)線，一般為塑封的扁平帶子，帶子的一側(cè)標示了一條紅線，帶子中間有若干黑色或褐色的接口。數(shù)據(jù)線用來連接主板、硬盤、光驅(qū)、軟驅(qū)等設(shè)備，傳遞數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)線，計算機內(nèi)的各硬件才能建立聯(lián)系，交流數(shù)據(jù)。在主板上還有I/O接口，接口主要有串行口、并行口、USB接口等。串行口常用COM1、COM2、PS/2表示；并行口用LPT1、LPT2表示。通常情況下，COM1或PS/2連接鼠標或鍵盤，COM2連接外置調(diào)制解調(diào)器。LPT1通常連接并行口打印機，所以又叫做“PRN”口。近年來廣泛使用的是USB接口。在主板上還存在高速緩沖存儲器(Cache Memory), 高速緩沖存儲器是為增加內(nèi)存的存取效能、提高CPU 處理數(shù)據(jù)的效率而產(chǎn)生的。

7)聲卡：聲卡是計算機內(nèi)專用的聲音處理芯片。聲卡把計算機中反映聲音 的信息轉(zhuǎn)化成電流信號，用音頻放大器放大，使音箱的揚聲器產(chǎn)生震顫，造成空氣壓力的變化，最終形成人耳所能聽到的聲音。聲卡還負責將傳聲器的較低 的電壓信號采集到計算機內(nèi)。聲卡要插到擴展槽中與主板連為一體才能發(fā)揮作 用。目前常用的聲卡為PCI聲卡，其輸出有多個聲道。生產(chǎn)聲卡的著名廠家有創(chuàng)新、Aopen、Sound Blaster等公司。

8)顯卡：把影像信息由二進制碼轉(zhuǎn)化為我們看得見的影像的計算機部件就是顯示卡，簡稱顯卡。圖1-19所示為一塊顯卡。顯卡的主要結(jié)構(gòu)之一是顯示內(nèi)存，它與系統(tǒng)主存的功能是一樣的，只不過負責的區(qū)域不同。顯示內(nèi)存用來暫存顯卡芯片所處理的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)主存則用來暫存CPU所處理的數(shù)據(jù)。顯卡最基本的三項指標是分辨率、色深和刷新頻率。分辨率代表顯卡在顯示器屏幕上所能描繪的像素點的數(shù)量，一般以橫向點×縱向點表示。如標準的VGA顯卡最大分辨率為640×480像素。色深又稱為顏色數(shù)，是指顯卡在當前分辨率下能同屏顯示的色彩數(shù)量，以多少色或多少bit色來表示。如256色(8bit色=2⁸)。刷新頻率是指圖像在顯示器屏幕上更新的速度，單位是赫茲(Hz)。目前流行的顯卡大部分都能在分辨率為800×600像素下達到85Hz的刷新頻率。刷新頻率越高，屏幕上圖像的閃爍感越小，視覺效果越好。以上三項指標越高，要求的顯示內(nèi)存越大。當今著名的顯卡品牌有ATI、NVIDIA等。

(2)顯示器計算機顯示器常見的有傳統(tǒng)CRT顯示器和液晶顯示器兩種，規(guī)格有14in、15in和17in等幾種。傳統(tǒng) CRT顯示器體形巨大且笨重，功耗大，輻射大，維修困難，現(xiàn)已基本淘汰。液晶顯示器輕便緊湊，色澤柔和，電磁輻射小，可靠性高，深受廣大用戶喜愛。

(3)鍵盤 鍵盤上有很多按鍵，各個按鍵有著不同的功能，按鍵每受一次 敲擊，就給計算機的中樞神經(jīng)系統(tǒng)送去一個信號，計算機就是根據(jù)這些信號的指示來執(zhí)行一個又一個任務(wù)。如打字就是通過鍵盤將文字輸人到計算機中的。

(4)鼠標像鍵盤一樣，它是給計算機的中樞送信號、下指令的。鼠標按工作原理可分為光電鼠標和機械鼠標。通常的鼠標有左鍵、右鍵兩個按鍵，也有的增加一個中鍵，另外新型鼠標中間往往帶有滾輪。你只需握住它，移動其底部，這時，屏幕上就會有一個箭頭樣的“光標”移動，當光標停在屏幕上你要執(zhí)行的命令位置時，根據(jù)具體情況按動按鍵，計算機就會執(zhí)行你下達的操作命令。

(5)音箱和傳聲器 計算機的音箱通常有一對，有的音箱沒有電源線，只要和計算機相連，打開計算機，也就給音箱通上了電，叫做無源音箱；有的音箱備有自己的電源線，叫做有源音箱。傳聲器是用來將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能接受的電信號的。

(6)不間斷電源(UPS)計算機如果遇到突然斷電的情況，比如突然停電，就會丟失所有沒有存盤的數(shù)據(jù)，這往往會造成很糟糕的后果。UPS的出現(xiàn)使這一問題得到解決，它可以在斷電之后，發(fā)出蜂鳴聲告警，并繼續(xù)給計算機供電約10min,使操作者有時間進行必要的處理，避免產(chǎn)生令人頭疼的后果。這就是UPS的功能，同時UPS還具有穩(wěn)壓的作用。

2.軟件系統(tǒng)

(1)程序 計算機本身只能完成一些很簡單的基本操作，如加法、減法、 傳送數(shù)據(jù)、發(fā)送控制電壓脈沖等，這些簡單的基本工作叫做計算機指令。一臺計算機不過有幾十條指令，把它們合起來叫做計算機的指令系統(tǒng)。計算機無論 做多么復(fù)雜和高級的工作，都是靠著把指令適當?shù)嘏帕谐梢粋�序列，逐條地執(zhí)行指令，最后完成整個工作。這種把指令排列成一定的執(zhí)行順序并能完成一定目標工作的指令序列，就叫作程序。

(2)軟件 軟件就是一大段程序，具有專門且完善的功能。比如我們熟悉的WPS和Word字處理軟件，就具有完善的文字編輯功能。人類的著作用墨汁印刷在紙張上呈現(xiàn)給我們看，音樂錄制在磁帶上給我們欣賞，軟件則是存儲在軟盤或光盤上供我們使用。

(3)軟件分類 軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。為了方便地使用計算機及其輸入輸出設(shè)備，充分發(fā)揮計算機系統(tǒng)的效率，圍繞計算機系統(tǒng)本身開發(fā)的程序系統(tǒng)叫做系統(tǒng)軟件。如我們使用的操作系統(tǒng)(常用的有DOS、Windows、UNIX等)、語言編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理軟件。應(yīng)用軟件是專門為了某種使用目的而編寫的程序系統(tǒng)，常用的有文字處理軟件，如WPS和Word;專用的財務(wù)軟件、人事管理軟件；計算機輔助軟件，如AutoCAD;繪圖軟件，如3DS等。

(4)驅(qū)動程序 給計算機安裝聲卡等新硬件時，只把它們與計算機的其他 硬件連接起來是不夠的，必須把新硬件“驅(qū)動”一下，它才能工作。行使“驅(qū)動”任務(wù)的就是硬件的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序是設(shè)備與操作系統(tǒng)的接口，硬件與其他部件連接后，必須在操作系統(tǒng)下安裝該硬件的驅(qū)動程序，安裝完成后，該硬件才能被計算機系統(tǒng)承認并允許它工作。聲卡、顯卡、光驅(qū)、打印機、掃描儀等硬件在出售時都附帶裝有該硬件驅(qū)動程序的驅(qū)動盤，不同型號的設(shè)備有不同的驅(qū)動程序。

二、數(shù)字通信基礎(chǔ)

1.數(shù)字通信系統(tǒng)的基本模型

圖1-20所示為數(shù)字通信系統(tǒng)的模型框圖。圖中加密器和解密器的位置可前可后，例如加密器可以在信道編碼器之前，也可以在信道編碼器之后。另外，對于一個實際的數(shù)字通信系統(tǒng)來講，其中有的矩形框可能沒有。例如不使用保 密功能時，加密器和解密器就不要了；不需要抗干擾的信道編碼時，信道編碼器和信道譯碼器就不要了。此外，數(shù)字通信系統(tǒng)中必不可少的同步系統(tǒng)，由于它和很多部件結(jié)合在一起，沒有單獨畫出。

2.數(shù)字通信系統(tǒng)各部分的作用

(1)信息源信息源一般指的是由電傳機、紙帶讀出機等送來的數(shù)字基帶信號。最典型的數(shù)字基帶信號為二進制矩形脈沖，平常我們稱它為二進制碼或二進制代碼。這種二進制數(shù)字信號只有這兩個值，A和0(或-A)。在接收端判 決結(jié)果也只有這兩個值，這一點與模擬信號(取值是連續(xù)的)完全不同。

(2)信源編(譯)碼器 信源編碼器的主要作用是進行降低信號多余度，其目的是減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。如果信息源送來的是模擬信號，那么信源編碼還包含一個把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，即通過取樣、量化和編碼三個步驟把模擬信號變成數(shù)字信號。有時候就把模-數(shù)轉(zhuǎn)換稱作信源編碼。信源譯碼器的作用與信源編碼器相反，例如信源編碼器為模-數(shù)轉(zhuǎn)換器時，信源譯碼器就是數(shù)-模轉(zhuǎn)換器。

(3)信道編(譯)碼器信道編碼器又稱為抗干擾編碼器和糾錯編碼器。它是將信源編碼器輸出的數(shù)字基帶信號人為地按照一定的規(guī)律加入多余碼元，以便在接收端譯碼器中發(fā)現(xiàn)或糾正碼元在傳輸中的錯誤，這樣可以降低碼元傳輸?shù)腻e誤率。初看起來，信道編碼器增加多余度的作用與信源編碼器降低多余度的作用互相抵消了。其實不然，因為信源編碼器中降低的是輸入數(shù)字信號中的自然多余度，這種自然多余度不能起糾正錯碼的作用。而信道編碼器中加入的多余碼元是有一定規(guī)律的，這種規(guī)律能有效地提高傳輸性能，降低碼元傳輸?shù)腻e誤率。

(4)加(解)密器 它的位置可以在信道編(譯)碼器的前面，也可以在信道 編(譯)碼器的后面。加密的方法很多，例如可以把數(shù)字信號和一個周期很長的M序列進行模二相加，這樣將原來的數(shù)字信號變成一個不可理解的另一序列，被人竊取后就無法理解其內(nèi)容了。在接收端必須加上一個同發(fā)送端一樣的負序列，和收到的信號再次進行模二相加，就可以恢復(fù)原來發(fā)送的數(shù)字信號。

(5)數(shù)字調(diào)制(解調(diào))器前面得到的數(shù)字信號都是基帶信號，數(shù)字調(diào)制器 是將數(shù)字基帶信號經(jīng)過各種不同的調(diào)制變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)念l帶信號。數(shù)字調(diào)制的方法很多，有的可以和模擬通信系統(tǒng)中的調(diào)制方法一樣。但由于數(shù)字基帶信號往往是二進制脈沖序列，因此數(shù)字調(diào)制往往用鍵控方式調(diào)制，這樣就有振幅鍵控法(ASK)、頻率鍵控法(FSK)和相位鍵控法(PSK)等數(shù)字調(diào)制方式，其波形如圖1-21所示。其中圖1-21a所示為基帶信號；圖1-21b所示為ASK信號，幅度只有兩種A和0(或-A); 圖1-21c所示為FSK信號，1碼時頻率為fi,0碼時頻率為f2,FSK信號的頻率受基帶信號調(diào)制，F(xiàn)SK信號在時間上是連續(xù)的；圖1-21d所示為PSK信號，振幅頻率都是不變的，但它的相位受基帶信號調(diào)制，它的波形在時間上也是連續(xù)的。如果數(shù)字基帶信號不經(jīng)過調(diào)制，直接傳輸，則稱為數(shù)字信號的基帶傳輸。

3.數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點

數(shù)字通信的主要優(yōu)點是：

1)抗噪聲性能好。由于數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)字信號攜帶信息的參量只有有限個取值，一般都是采用只有兩個取值的二進制信號，這樣發(fā)送端傳輸?shù)暮徒邮斩诵枰�接收和判決的只有兩個值，例如二進制信號1碼取值為A,0碼取值為0。傳輸過程中，由于噪聲的引入對波形有影響，使波形產(chǎn)生失真，甚至產(chǎn)生很大的失真。接收端接收到受噪聲影響而失真的波形以后，對它進行判決，確定是1碼還是0碼，并再生1、0碼的波形。因此，只要不影響判決的正確性，即使波形有失真，也不會影響再生以后的波形。而模擬通信時，噪聲使模擬信號失真以后，哪怕噪聲很小，噪聲的影響也是無法消除的。因此和模擬通信相比，抗噪聲性能好是數(shù)字通信最主要的優(yōu)點。

2)數(shù)字通信中可以采用信道編碼技術(shù)使錯碼率降低。

3)數(shù)字通信便于加密。

4)數(shù)字信號便于處理、存儲、交換，便于和計算機等設(shè)備連接。

數(shù)字通信最主要的缺點是占用的頻帶比較寬。以通電話為例，模擬通信使用3-4kHz帶寬即可，而數(shù)字通信一般需要幾十千赫帶寬；另外，數(shù)字通信的設(shè)備一般比模擬通信的設(shè)備復(fù)雜。