数据通信基础

数据通信的基本概念

通信的目的就是传递信息。
信源： 通信中产生和发送信息的一端
信宿： 接收信息的一端
信道： 信源和信宿之间的通信线路
变换： 信息在进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接收的形式
噪声： 信息在传输过程中可能会受到外界的干扰（雷电、大功率电器、变压器等）
模拟通信： 信源产生的是模拟数据并以模拟传输
数字通信： 信源发出的是模拟数据且以数字信号的形式传输

通信系统模型

信道特性

信道带宽W（常考）

模拟信道：
信道带宽计算：$$W=f_2-f_1$$

f1是信道能通过的最低频率，f2 是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的，以赫兹(Hz)为单位。当组成信道的电路制成了，信道的带宽就决定了。

数字信道（无噪声）：
数字信道是离散信道，带宽为信道能够达到的最大数据传输速率，单位是bit/s
数据传输速率：
指每秒钟能够传输的二进制数据位数，单位为比特/秒（记作bit/s、b/s或bps）
码元：一个数字脉冲称为一个码元
码元速率：
单位时间内信道传送的码元个数。如果码元宽度（脉冲周期）为T，则码元速率（波特率）为B=1/T，单位是波特Baud
一个码元携带信息量n（位）与码元种类数（N）的关系 n=${\log }_{2}N$
尼奎斯特定理：
在一个理想的（没有噪音环境）信道中，若信道带宽为W，最大码元速率为：B=2W（Baud）
极限数据速率为：R=B${\log }_{2}N$=2W${\log }_{2}N$
香农定理：
在一个噪声信道的极限数据速率和带宽之间的关系
极限速率公式为：C=W${\log }_2（1+\frac{S}{N}）$
分贝与信噪比关系：dB=10${\log }_{10}\frac{S}{N}$
其中W为带宽，S为信号平均功率，N为噪声平均功率，S/N为信噪比

误码率

误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标
定义：传输出错的码元数占传输总码元数的比例，误码率越小，通信可靠性越高
Pe=Ne/N，其中Ne表示出错数，N表示传输总数
计算机通信网络中，误码率一般要求低于$10^6$
数据延时<200ms, 语音视频延时<50ms，抖动<20ms，丢包率<1%

信道延迟

信道延迟：
与源端和宿端距离有关，也与具体信道中的信号传播速率有关
光速为300m/us=300000km/s
电缆中传播速度一般为光速的77%，即200m/us=200000km/s
卫星信道的延时大约270ms（来回双向的延迟）
发送数据时间=路线延迟+调制延迟
线路延迟=传输距离/传输速度（路上跑的时间）
调制延迟=数据帧大小/速率（排队上车的时间）

传输介质

双绞线

无屏蔽双绞线：由不同颜色的（橙、绿、蓝、棕）4对双绞线组成
屏蔽双绞线：外层由铝箔包裹，价格相对高一些，需要支持屏蔽功能的特殊连接器和适当的安装技术，传输速率比无屏蔽双绞线高

同轴电缆

芯线与网状导体同轴，故名同轴电缆
同轴电缆的芯线为铜质导线，外包一层绝缘材料，再外面是由细铜丝组成的网状外导体，最外面加一层绝缘塑料保护层，具有高带宽和极好的噪声抑制特性
在局域网中常用的同轴电缆有两种：

1. 特性阻抗为50Ω的同轴电缆，用于传输数字信道，如：RG-8或RG-11粗缆和RG-58细缆
2. 特性阻抗为75Ω的CATV电缆，用于传输模拟信号，也叫宽带同轴电缆

光缆

利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理而达成的光传导工具
光传导损耗比电缆传导的损耗低得多，光纤适合用于长距离的信息传递
光纤特点：重量轻、体积小、传输远、容量大、抗电磁干扰
光纤的分类：
单模光纤
当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，一般为5~10um
光纤只允许一种模式在其中传播，单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量，长距离的光纤通信，比较贵
多模光纤
多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般为50um、62.5um，允许多种模式光信号传播
多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信，比较便宜
多模与单模对比

无线信道

通过空间传播信号，称之为无线信道。包括微波、红外和短波信道

数据编码

1、单极性码
只用正的（或负的）电压表示数据，用高电压表示二进制数“1”，用无电压表示二进制数“0”

2、极性码
分别用正、负电压表示二进制数“0”和“1”，这种代码电平相差较大，抗干扰能力较好

3、双极性码
信号三个电平（正、负、零）之间变化，一种典型的双极性编码就是信号交替反转编码（AMI）
如下图，0电平表示0，1则在正负之间交替翻转，1跳0不跳

4、归零编码
在归零编码（RZ）中，码元中间的信号回归到零电平
从负电平到零电平的转换边表示码元“1”，从正电平到零电平的转换边表示码元“0”

5、不归零编码
● 不归零编码(Not Return to ZeroNRZ)
● 规律是:当出现“1”时电平翻转，当“0”出现时电平不翻转，也叫差分码
● 主要用在终端到调制解调器的接口中

6、双相码
● 双相码要求每一位都有一个电平转换，一高一低，必须翻转
● 这种编码的特点是：具有自定时和检测错误的功能
● 曼彻斯特和差分曼彻斯特码就是典型的双相码

7、曼彻斯特编码(重点考点)
● 曼彻斯特编码是一种双相码，在每个比特中间均有一个跳变，第一个编码自定义，假如下图由高电平向低电平跳变代表“0”，由低电平向高电平跳变代表“1”
● 曼彻斯特编码常用于以太网中

8、差分曼彻斯特编码(重点考点)
● 差分曼彻斯特编码也是一种双相码，用在令牌环网中
● 有跳变代表“0”，无跳变代表“1”【有0无1】
● 不是比较形状，比较起始电平(上一个的终止与下一个起点)

两种曼彻斯特编码特点
● 两种曼彻斯特编码优点：将时钟和数据包含在信号数据流中，也称自同步码
● 编码效率低：每个码元都要调制为两个不同的电平，因而调制速率是码元速率的两倍，这对信道的带宽提出了更高的要求，例如当数据传输速率为100Mbps时，需要200MHz的脉冲
● 编码效率都是50%，一般指用于最早的10M以太网编码

9、多电平编码
● 多电平编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位
● 抗噪声特性不好

10、4B/5B编码（重点考点）
发送数据流每4bits，先使用不归零码(NRZ-I)，编码成5bit，多一位用于解决同步问题

各种编码效率
● 曼码和差分曼码效率50%，用于以太网
● 4B/5B效率80%，用于百兆以太网
● 8B/10B效率80%，用于千兆以太网
● 64B/66B效率97%，用于万兆以太网

数字调制技术

数字数据不仅可以用方波脉冲传输，也可以用模拟信号传输。用数字数据调制模拟信号叫作数字调制，将模拟信号转换为数字信号称为解调。可以调制模拟载波信号的3个参数–幅度、频移和相移来表示数字数据。

幅度键控(ASK):
● 用载波的两个不同振幅表示0和1
● 调幅技术实现简单，抗干扰性能较差

频移键控(FSK):
● 用载波的两个不同频率表示0和1
● 抗干扰性能较好，但占用的带宽较大

相移键控(PSK):
● 用载波的起始相位的变化表示0和1
● 抗干扰性能较好，相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟

正交幅度调制(QAM):
● 把两个幅度相同但相位差90°的模拟信号合成一个模拟信号
● 码元只取两个相位值叫2相调制，码元可取4个相位叫4相调制，则N=2，N=4
● DPSK是2相，QPSK是4相=N码元数量

脉冲编码调制

● 解调：把模拟信号转换为数字信号的过程
● 常用数字化技术就是脉冲编码调制技术(Pulse Code Modulation，PCM)，简称脉码调制
● PCM数字化过程3个步骤：采样、量化和编码

取样

采样:按照一定的时间间隔对模拟信号进行取样，把模拟信号的当前值作为样本。
奈奎斯特采样定理:如果模拟信号的最高频率为$f_{max}$，若以大于2$f_{max}$的采样频率对其进行采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。f=1/T≥2$f_{max}$

量化

量化：把取样后得到的样本由连续值转换为离散值，离散值的个数决定了量化的精度
● 如图，把量化等级分为8级，用000-111这8个二进制数分别代表不同的电平幅度

编码

● 编码：把量化后的样本值变成相应的二进制代码，可以得到相应的二进制代码序列，其中每个二进制代码都可以用一个脉冲串来表示，这一组脉冲序列就代表了经PCM编码的模拟信号
● 例如：对声音信号数字化时，由于语音最高频率是4kHz，所以取样频率是8kHz。对语音样本用128个等级量化，因而每个样本用7bit表示。在数字信道上传输这种数字化后的语音信号的速率是7*8000=56 Kbps 【重点理解】

通信方式和交换方式

数据通信方式

1、按通信方向分
单工通信：信息只能在一个方向传送，发送方不能接收，接收方不能发送(电视/广播)
半双工通信：通信的双方可以交替发送和接收信息，但不能同时接收或发送(对讲机/WIFI/HUB)
全双工通信：通信双方可同时进行双向的信息传送(电话/交换机)

2、按同步方式分
两种传输方式：异步传输和同步传输
异步传输：把各个字符分开传输，在字符之前插入一位起始位(0)，在字符之后插入一位停止位(1)，起始位对接收方的时钟起置位作用。在字符和停止位之间还要插入一位校验位，一般使用奇偶校验。

同步传输：比特分组(帧)要大得多。不是独立发送每个字符，而是把他们组合起来一起发送。我们称这些组合为数据帧，或简称帧。数据帧的第一部分包含同步字符，用于通知接收方一个帧已经达到。帧的最后一部分是一个帧结束标记。

交换方式

数据交换技术有3种：电路交换、报文交换和分组交换
电路交换：
将数据传输分为电路建立、数据传输和电路拆除3个过程。在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被用户完全占有（电话）
报文交换：
报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。报文中含有每一个小一跳节点，完整的报文在一个个节点间传送
分组交换：
两种方式，数据报和虚电路
数据报方式：每个分组被独立地处理，每个节点根据一个路由选择算法，为每个分组选择一条路径，使它们的目的地相同。（IP）
虚电路方式：在数据传送之前，先建立起一条逻辑上的连接，每个分组都沿着一条路径传输。（X.25、FR、ATM）
减小了延迟，提高了吞吐量
分组交换可以按分组纠错，发现错误只需重发出错的分组，通信效率提高

多路复用技术

多路复用技术是把多个低速的信道组合成一个高速的信道的技术
光纤入户：上网、电视、电话
这种技术要用到两个设备：
多路复用器（Mutiplexer），在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号符合成一个高带宽的信号；多路分配器（Demultiplexer），在接收端根据统一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号
多路复用器和多路分配器统称多路器，简写MUX

频分多路复用

频分多路复用是在一条传输介质上使用多个频率不同的模载波信号进行多路传输，这些载波可以进行任何方式的调制，如ASK、FSK、PSK以及它们白1组合。每一个载波信号形成了一个子信道，各个子信道的中心频率不相重合，子信道之间留有一定宽度的隔离频带。

时分多路复用

时分多路复用（Time Division Multip]exing，TDM)要求名个子通道按时间片冷前店叶开整个带宽。时间片的大小可以按一次传送一位、一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来确定。

波分多路复用

波分多路复用(Wave Division Multiplexing,WDM）使用在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所子信道的波长。这种技术在网络中要使用能
够对光波进行分解和合成的多路器。

数字传输系统

● 脉码调制已经介绍，对4kHz语音信道按8kHz速率采样，128级量化，则每个语音信道的比特流是56Kbps。
● 美国和日本使用T1标准，T1=56K*24+开销与间隔=1.544M

欧洲标准E1
● ITU-T标准E1信道数据速率是2.048Mbps，把32个8位一组的数据样本组装成125us的基本帧，其中30个子信道用于语音传送，2个子信道（CHO和CH16）用于控制信令
● 每4帧能提供64个控制位，除了北美和亚洲的日本外，E1载波得到广泛使用
● E1每语音64K（=8*8000）

E2=4个E1=8.448Mbps E3=4个E2=34.368Mbps E4=4个E3=139.264Mbps E5=4个E4=566.148Mbps

同步数字系列

光纤线路的多路复用标准有两个，美国标准叫作同步光纤网络（SynchronousOptical Network，SONET）

ITU-T以SONET为基础制订出的国际标准叫作同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH)。SDH 的基本速率是155.52Mbps，称为第1级同步传递模块（SynchronousTransferModule)，即STM-1, 相当于 SONET 体系中的 OC-3速率

差错控制

● 数据传输中出现错误不可避免，因此需要采用差错控制方法。数据通信中常用的办法是检错和纠错。
● 差错控制原理：传输k位，加入r位冗余（某种算法定义），接受方收到进行计算比较
● 接收方知道有差错发生，但不知道是怎样的差错，向发送方请求重传，称为检错
● 接收方知道有差错发生，而且知道是怎样的差错，这种策略称为纠错

验错码

奇偶校验是最常用的检错方法，能检出一位错位
原理：在7位ASCII码后增加一位，使码字中1的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）
奇校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为奇数1011010（1）
偶校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为偶数1011010（0）

海明码(重点考点）

海明（Hamming）码是通冗余数据位来检测和纠正差错的编码方式
海明距离：一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数
例如：7位ASCII码增加一位奇偶位成为8位的码字，这128个8位的码字之间的海明距离是2，所以，当其中1位出错时便能检测出来，两位出错无能为力
传输字符（偶校验） 1011010(0)
最后一位错误，两位不同 1011011(1)

海明码原理工作机制

海明码原理：
在数据中间加入几个校验码，码距均匀拉大，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。

海明不等式
校验码个数为k，可以表示$2^k$个信息，1个信息用来表示“没有错误”，其余$2^k$-1个表示数据中存在错误，如果满足$2^k$-1≥m+k（m+k为编码后的数总长度），则在理论上k个校验码就可以判断是哪一位（包括信息码和校验码）出现了问题。

海明码编码方法
第$2^i$（i=0，1，2，3…）位是校验位，其余位存放数据
假设传送信息1001011，把数据放在3，5，6，7，9，10，11位置，1，2，4，8留作校验位。（即2n）

校验位与数据位的关系：
3=2+1 5=4+1 6=4+2 7=4+2+1 9=8+1 10=8+2 11=8+2+1
则3，5，7，9，11号位参加第1位校验，若按偶校验计算，1号位应为1

类似3，6，7，10，11号位参加2位校验，5，6，7号位参加4位校验，9，10，11号位参加8位校验，全部按偶校验计算，最终得到：

如果这个码字传输中6号位出错，即变成：

当接收端按照同样规则计算出奇偶位时，发现1和8号位的奇偶性正确
2和4号位的奇偶性不对，于是2+4=6，立即可确认错在6号位

CRC循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check)

末尾加入CRC循环冗余校验码能检错不能纠错，广泛用于网络通信和磁盘存储
例：采用CRC进行差错校验，生成多项式为G（X）=X4+X+1，信息码字为10111，则计
算出CRC校验码是（）
A.0000 B.0100 C.0010 D.1100
步骤：
1.判断校验位数：生成多项式的最高次方是几，校验位就是几位4位检验位
2.补齐数据位后面的0 10111 0000
3.提取生成多项式的系数 G(X)=1X4+0X3+0X2+1X1+1*X0=10011
4.用第二步的结果，除以第三步的结果（异或运算）余数就是CRC校验码，余数不够位，前面补0
【参考答案】D

本章的学习笔记就到此结束啦！！！
剩下章节敬请期待。
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