数据通信技术基础

数据通信技术基础

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数据通信系统的性能指标

数据传输速率

1. 传码速率
   又称为调制速率、波特率，记作NBd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个，单位是波特（Baud）。

2. 传信速率
   又称为比特率，记作Rb, 是指在数据通信系统中，每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。

   千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
   兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
   吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
   太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）

计算方式

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信道带宽

• 信号带宽：(bandwidth)是指信号具有的频带宽度，单位 是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 模拟信道：表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为 线路带宽(通频带)。
• 数字信道：“带宽”是所能传送的“最高数据率”同义语 ，单位是“比特每秒”。

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误码率

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时延

发送时延

• 发送时延：又称为传输时延，发送数据时，使数据块从结点进入到 传输媒体所需要的时间。

• 信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输 速率。

• 发送时延 = 数据块长度（比特） / 信道带宽（比特/秒）

传播时延

• 传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

• 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不 同的概念。

• 传播时延 = 信道长度（米） / 信号在信道上的传播速率（米/秒）

处理时延

• 处理时延：交换结点为存储转发而进 行一些必要的处理所花费的时间。

• 结点缓存队列中分组排队所经历的时 延是处理时延中的重要组成部分。

• 处理时延的长短往往取决于网络中当 时的通信量。

数据从源点到达目的点所经历的总时延就是发送时延、 传播时延和处理时延之和：

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延

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信道容量

• 信道容量是指在一定的条件下，给定通信路径（信道）上所能达到的 最大数据传输速率。

• 奈氏准则：在理想的条件下，即一个无噪声，带宽为W 赫兹的信 道，其传码速率最高为2W 波特。

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信噪比（dB）= 10 log10 （S/ N)

香农定理

信道的极限信息传输速率 C(信道容量) , 可表达为

C = W log2 (1+S/N ) b/s

W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；

S /N为信道内信号和噪声的功率之比；

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多路复用技术

多路复用技术是指在一条通信线路中传输多路信号，以提高传输媒 介利用率的技术

频分复用 （ Frequency Division Multiplexing ）

• 当传输信道的带宽较大，而所传输的信号只需部分带宽就可 实现有效传送，则可以在信道中同时传输多路信号，每路信 号占用部分带宽。
• 频分复用是按频率划分不同的子信道，每个子信道占用不同 的频率范围。采用调制技术，将信号搬移到信道相应的频段 上。
• 频分复用常用于载波电话系统、电视等

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时分复用 （ Time Division Multiplexing ）

• 时分复用是采用时间分片方式来实现传输信道的多路复用，即每一路信 号传输都使用信道的全部带宽，但只能使用其中某个时隙。
• 从如何分配传输介质资源的观点出发，时分多路复用又可分为两种：静态的时分复用和动态的时分复用。

静态时分复用

• 静态时分复用中，多个数据终端的信号分别在预定的时隙内传输，其分 配关系固定，周期性使用，收发双方保持同步，又称同步时分复用。若 无数据传输时，对应时隙空闲。
• 静态时分复用中，每个数据终端的信号与传输时隙分配关系固定，无数 据传输时，对应时隙空闲。因此效率较低。

动态时分复用

• 动态时分复用又称异步时分复用，或称统计时分复用（STDM），是按需 分配媒体资源，提高了传输媒体的利用率。
• 动态时分复用中，用户数据传输速率之和可以大于高速线路传输容量。
• 动态时分复用中需要使用缓冲存储和流量控制技术来保证数据正确传送

码分复用 （ Code Division Multiplexing ）

• 码分复用是蜂窝移动通信中迅速发展的一种信号处理方式。
• 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声， 不易被敌人发现。
• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
• 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列.
  • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
  • 如发送比特 0，则发送该码片序列二进制反码。

波分复用（Wavelength Division Multiplexing ）

• 波分复用就是光的频分复用，即在一根光纤上传输多路光载波信号。
• 密集波分复用（DWDM）是一种支持巨大数量信道的系统。
• 波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容量，满足通信需求量的迅速 增长和多媒体通信。

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数据交换技术

电路交换

1. 在通信之前，需要在主、被叫用户之间建立一条物理连接。
2. 由于采用了静态的时分复用，是预分配带宽，数据到达了交换机不 需要排队等待，这样做的优点是电路交换是一种实时交换，适用于 实时要求高的话音通信 。缺点是即使双方无数据传送也白白占用线 路，所以线路利用率低。
3. 在传送数据时，没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高 的突发性数据业务。

报文交换

1. 交换节点采用存储－转发方式对每份报文完整地加以处理。
2. 每份报文中含有报头，包含收、发双方的地址，以便交换节点进行 路由选择，可以一对多地传送报文。
3. 存储－转发时延大，随机性也大。

分组交换

1. 在数据传输之前，不需要建立连接
2. 由于提供了动态时分复用，因此提高了通信线路的利用率。
3. 网络的生存性好，当网络内线路或设备产生故障后，可以自动为 分组选择一条迂回路由，避开故障点，不会引起通信中断。
4. 由于采用存储—转发方式处理分组，所以分组在网络内的平均时 延要比电路交换高。
5. 每个分组由于都要包含完整的目的地地址等信息，这些信息都放 在附加的分组头里，都会需要交换机分析处理，所以会增加开销。

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差错控制技术

• 传输差错指的是，通信接收端收到的数据和发送端发送的数据不一致 的情况。
• 由于数据通信系统本身传输特性的不理想和外部干扰的存在，传输中 出现差错是不可避免的。
• 差错控制的目的是采取有效的措施来发现和纠正差错，以提高数据传 输的质量。
• 一般来说，传输差错可以分成两类，一类是随机差错，一类是突发差错

差错的分类及产生的原因

• 随机差错

原因： 信道热噪声
特点： 随机的、单个的

• 突发差错

原因： 脉冲噪声（如闪电）
特点： 成片的、连续的

差错控制原理

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• 在通信信道中所传输的数据码元是独立的、随机的，接收方无法判断所接收的码元是否存在
  差错。
• 在发送的数据码元序列中加入监督位，并进行某种变换，使它们和原来相互独立的数据码元
  之间具有某种约束关系。
• 由于这些监督位对于表达信息是“冗余”的，差错控制在一定程度上会降低信息的传输效率。
• 接收端检测接收的数据码元和监督码元的约束关系，如果发现这种约束关系被破坏，则接收端可以检测到差错，甚至可以纠正差错。
• 如果这种约束关系没有被破坏，则可以认为没有差错。但也存在差错未被检测出来的可能性。

差错控制方式

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奇偶校验码

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循环冗余码

• 循环冗余码 （CRC）是一种特殊的线性分组码。
• 循环冗余码各码组中的码元循环左移(或右移)若干次，所形成的 码组仍然是一个许用码组(全零码组除外)，称为循环性。
• 循环冗余码具有较高的检错能力

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