考研笔记-数据通信技术基础

3 数据通信技术基础

 

3.1数据通信基本知识

　　3.1.1 信息、数据和信号

　　　　数据是传送信息的实体。信号是数据的电气或者电磁的表现。数据和信号都能用"模拟的""数字的"来修饰：（1）连续变化的数据    或信号称为模拟数据或模拟信号，如声音和压力数据；（2）取值仅为几个离散数值的数据或者信号称为数字数据或者数字信号，如，    文字与二进制数据。

　　　　目前常用的数据编码系统主要有三种：CCITT的国际5单位字符编码、扩充的二-十进制交换码（EBCDIC）、美国信息交换标准码应用   （ASCII）。ASCII码是目前应用最多的信息交换编码。

　　3.1.2 通信的基本要求

　　　　通信双方完成一次通信需要满足三个条件：一是双方有通信的愿望；二是双方之间有信息传递的信道；三是通信双方要遵守通信    的协议与约定。

　　　　 按信道中传输的是数字信号还是模拟信号分为数字信道和模拟信道。

　　　　 信道建立在传输介质之上，包括传输介质、通信设备和传输技术。信道表示信号的通路，一般是用来向某一个方向传输信息，一             条通信线路一般包含一条发送信道和一条接收信道。信道与传输介质也有区别，传输介质是连接两个或多个物理结点的物理传输线               路，如双绞线、同轴电缆、光纤。

　　　　 信道又有逻辑信道与物理信道之分。物理信道是用来传输信号的实际物理通路，由传输介质和通信设备组成。逻辑信道是为了实             现有效可靠通信，在物理信道上建立的一条数据传输通路。

　　3.1.3 数据通信传输系统模型

　　　　一个数字通信系统由源系统、传输系统、目的系统组成。源系统由信源和变换器组成，信源的作用是把要传输的各种信息转化为    原始电信号，变换器的作用是把原始电信号转化为适合在信道上传输的信号。传输系统是传输信号的通路，常用的传输设备有交换机    和路由器。目的系统由反变换器和信宿组成，反变换器将信号恢复成原始电信号，再由信宿转化成各种适用的信息。

　　　　信道传输时会受到各种各样的干扰，这些干扰称为噪声，噪声分为内部噪声和外部噪声，内部噪声是分子热运动造成的，外部噪    声为来自信道外部的干扰。

　　　　3.1.4信道的最大容量

　　　　　　几个重要概念：

　　　　　　　　码元是一个固定时长的信号波形（数字脉冲），表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字         信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。

　　　　　　　　波特率指的是信号每秒钟电平变化的次数，单位是Hz：比如一个信号在一秒钟内电平发生了365次变化，那么这个信号的         波特率就是365Hz。

　　　　　　　　比特率是信号每秒钟传输的数据的位数，我们知道在计算机中，数据都是用0，1表示的，所以比特率也就是每秒钟传输0         和1的个数，单位是bps。

　　　　　　　　带宽和容量 一般信道都有一个最高的信号频率（注意不是波特率哦，频率是指每秒钟的周期数，而每个周期都会有几         次电平变化。。恩，看到区别了吧）和最低的信号频率，只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道，这两个频率的差值就叫       做这个信道的带宽，单位是Hz。数据在信道中传输会有他们的速度——比特率，这里面最高的比特率就叫做这个信道的容量，单位       是bps。就好象每条公路都有他们的最高限速，那么所有在里面开的车都不会超过这个速度。

　　　　　　　　一般的，bit rate = buad rate × log2L，这里L就是信号电平的个数。

　　　　　　奈奎斯特定理

　　　　　　　　Cmax=2×W×log₂L

 　　　　　　　　　这里Cmax指的是信道的最大容量，W是信道的带宽，L还是信号电平的个数

　　　　　　　　奈奎斯特定理适用的情况是无噪声信道，用来计算理论值。

　　　　　　香农定理

　　　　　　　　Cmax=W×log₂（1+（S/N））

　　　　　　　　S/N指的是信道的信噪比，但是我们一般测量出来的以db为单位的是经过10×log₁₀（S/N）换算的，所以这里还要换算回          来才行。

　　　　　　此外，关于香农定理还有如下的要点：

 

• • • 信噪比越大，信道的极限传输速率就越高
    • 一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
    • 只要信道的传输速率低于极限传输速率，就一定还有进步的空间，就一定能找到某种方法实现无差错的传输
    • 实际传输速率比香农定理计算得出的传输速率要低不少。

 

　　　　　　　　此外两个定理的使用场景这样概括，无噪声直接用奈奎斯特。

 

　　　　　　　　有噪声，如果可以计算奈奎斯特，即给的条件有V，那么也要计算出来，和香农定理做比较。取最小值。

 　　　　　　　　（转自https://blog.csdn.net/u011240016/article/details/53334064）

　　　　3.1.5 基带传输和频带传输

　　　　　　1）基带传输：数据通信中，二进制比特序列数字信号是矩形脉冲信号，人们把基本频率分量对应的矩形脉冲信号称为基本          频带，对应的矩形脉冲信号称为基带信号。基带传输就是在数字信道上直接传输基带信号。计算机设备 输出的信号直接放          在传输介质上传输称为基带传输。

　　　　　　 2）频带传输：频带传输是利用模拟信道传输数据信号。由于基带传输收到传输距离的限制，远距离传输时均采用频带传          输。频带信号是将基带信号调制以后形成频分复用模拟信号，调制后将每一路基带信号的频谱搬移到不同的频段，实现频          分复用。

　　　　3.1.6 通信双方的交互方向

　　　　　　根据通信过程中信号的传输方向，通信双方的交互方向有3种：单向通信、双向交替通信、双向同时通信。分别对应以前的          单工、半双工、全双工。

　　　　3.1.7 计算机网络中的时延计算

　　　　　　时延：是指数据（或者报文或分组）从网络一端传送到另一端所需要的总时间，由四部分构成：发送时延、传播时延、处理          时延、排队时延。

 

         发送时延：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间，也称为传输时延。

 

         计算公式如下：

 

                        发送时延=分组长度/信道长度

 

         传播时延：一个比特从一端到另一端传播所需的时间。

         计算公式如下：

 

                        传播时延=信道长度/电磁波在信道上传播速率

　　　　　　

         处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一系列必要处理所花费的时间。

         排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队，在路由器确定了转发端口后，还要在输出队列中排队。

         时延带宽积：在第一个比特即将到达终点时，表示发送端已经发出的比特数。即：时延带宽积=传播时延*信道带宽

         往返时延：表示从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认，总共经历的时延。　　　　　　

                               吞吐量：表示单位时间内通过某网络的数据量，收到网络带宽和网络的额定速率的限制。

         速率：指连接在网络中的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率或比特率，单位b/s。

　　　　3.1.8 同步传输和异步传输

　　　　　　  在计算机网络中，数据传输分为并行和串行。并行一次传输若干二进制位，需要多根信号线。串行传输是在一根信号线上          连续传输二进制位。在计算机网络和通信网络中一般采用串行传输。

　　　　　　　串行传输中又分为同步传输和异步传输。现在主要采用同步传输。

　　　　　　 1）异步传输：

　　　　　　　　一次传输一个字符，字符间有不确定间隔，每个字符由一位二进制位作为起始标志，起始位为0，字符由5~8位二进制组          成，可以包括一位奇偶校验位。

　　　　　　 2）同步传输：

　　　　　　　　同步传输是一次传送一个数据块，数据块内容可以是若干二进制位，也可以是若干字符。同步传输的特征是数据块中每          一位与前一位之间的传输时间是确定的，这称为同步传输的主要原因。同步传输的数据块为帧。

 

3.2 传输介质

　　3.2.1 传输介质的分类

　　　　传输介质可分为有线传输介质（导向传输媒体）和无线传输介质（非导向传输媒体）。

　　　　有线传输介质中，电信号的传播速度是光速的2/3,即20万km/s。在无线传输介质中，电信号传播速度等于光速，即30万km/s。

　　 3.2.2 有线传输介质

　　　　1.双绞线

　　　　　　是最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合、相互绝缘的铜导线组成。为了进一步提到抗电磁干扰性，可在双绞线       外加上一层由金属网编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就被称为非屏蔽双绞线（UTP）。

　　　　　　双绞线价格便宜，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。模拟信号和数字信号传输       都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。对于远距离传输，模拟信号要用放大器放大衰减信号，数字信号要用中       继器将失真的信号整形。

　　　　2.同轴电缆

　　　　　　同轴电缆由导体铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外壳构成。按特性阻抗数值不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω       同轴电缆和75Ω同轴电缆。50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字型号，又称为基带同轴电缆，在局域网中广泛应用。75Ω同轴电缆       主要用于传送宽带信号，又称宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统。

　　　　　　同轴电缆具有良好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速的数据，其传输距离更远，但价格比双绞线更贵。

　　　　 3.光纤

　　　　　　光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。光纤主要由纤芯和包层构成，广播通过       纤芯传导，包层较纤芯有较低的折射率。

　　　　　　单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于       远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模       光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。

　　　　　　多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字       信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。

　　　　单模与多模的区别

　　　　　　1、 单模传输距离远

　　　　　　2、 单模传输带宽大

　　　　　　3、 单模不会发生色散，质量可靠

　　　　　　4、 单模通常使用激光作为光源，贵，而多模通常用便宜的LED

　　　　　　5、 单模价格比较高

　　　　　　6、 多模价格便宜，近距离传输可以

　　　　4.无线传输介质

　　　　　　1）无线电波

　　　　　　　　无线电波具有较强的穿透性，可以传输很长的距离，所以被广泛应用于通信领域，如无线手机通信，还有计算机网络中的         无线局域网（WLAN）。因为无线电波是将信号向所有方向散播，这样在有效距离范围内接收设备无需对正某发射源进行通信连         接，大大简化了通信连接。

　　　　　　2）微波、红外线和激光

　　　　　　　　目前高带宽的无线通信主要使用三种技术：微波、红外线和激光。他们都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，有         很强的的方向性，都是沿直线传播，有时统称这三者为视线介质。不同的是红外信号和激光通信要把传输的信号格子转化成各         自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再直接在空中传播。

　　　　

3.3 信道复用技术

　　3.3.1 频分复用（FDM）

　　　　 频分多路叠加复用是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术。在物理信道的可用    带宽超过单个原始信号所需的带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干与传输信号带宽相同或略宽的子信道，每个子信道传    播一种信号，就是频分多路复用。

　　　　每个子信道分配的带宽可不相同，但总和不超过总带宽。为了防止子信道之间的干扰，相邻信道间还要加上“保护频带”。

　　 3.3.2 时分复用（TDM）

　　　　将物理信道按时间分成若干时间片，轮流分配给多个信号使用，每个时间片由复用的一个信号占用，利用时间上的交叉，就可以在    一条物理信道上传输多个信号。

　　　　统计时分多路复用（STDM）是TDM的一种改进，采用STDM帧，动态分配时隙，当终端有数据要传输时才分配到时间片，提高线路利用    率。

　　　3.3.3 波分多路复用（WDM）

　　　　 波分多路复用就是光的频分复用，在一根光线中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以光信号互不干扰，最后采用波长     分解复用器分解出来。

 

3.4 数据编码技术

　　  把数据转化为模拟信号的过程称为调制，把数据变换成数字信号的过程叫编码。

　　   信号是数据的具体表现形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。数字数据可以通过数字发送器转换成数字信号，也可以通    过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号，也可以通过放大器转换成模拟信号传输。

 

　　

　　3.4.1 数字数据调制为模拟信号

　　　　基本的调制方法：

　　　　　　1）幅移键控（ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号的1和0，载波频率跟相位都不变，容易实现，抗干扰能力差。

　　　　　　2）频移键控（FSK）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号的1和0，而载波的振幅跟相位都不变，易实现，抗干扰强。

　　　　　　3）相移键控（PSK）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号的1和0，而载波的振幅跟相位都不变，又分为绝对调相和相对         调相。

　　　　　　4）正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将ASK与PSK相结合，形成叠加信号，设波特率为B，采用m个相位，每个相位         有n中振幅，该QAM技术数据传输率R为：

 

R = Blog₂（m*n）

 

3.5 交换技术

　　3 .5.1 电路交换

　　　　进行数据交换前，两个结点间必须建立一条专用的物理通信路径，该路径可能经过许多中间结点。该线路在整个数据传输期间一直    被独占，知道通信结束才被释放。电路交换技术分三个阶段：连接建立，数据传输，连接释放。

　　　　电路交换优点：（1）通信时延小 （2）有序传输 （3）没有冲突 （4）适用范围广 （5）实时性强 （6）控制简单

　　　　电路交换缺点：（1）建立连接时间长 （2）线路独占，使用率低 （3）灵活性差 （4）难以规格化

　　　　当电路建立以后，除了源节点和目的结点，电路上任何结点都采用“直通式”收发数据，不会存在存储转发所消耗的时间。

　　3.5.2 报文交换

　　　　数据交换的单位为报文，报文携带源地址、目的地址等信息。报文在结点采用存储转发的传输方式。

　　　　报文交换的优点：（1）无需建立连接 （2）动态分配路线 （3）提高线路可靠性 （4）提高线路利用率 （5）提供多目标服务（一    个报文可同时发往多个目的地址）

　　　　报文交换的缺点：（1）存在转发时延（包括接收报文、校验正确性、排队、发送时间等等） （2）要求结点需要大量的缓存空间

　　3.5.3 分组交换

　　　　采用存储转发方式，但限制了每次传输的数据块大小的上限，将大数据块分割成合理的小数据块，加上头部信息，组成分组。网络    结点根据控制信息将分组送到下一结点，下一结点收到分组后放入缓存，排队等待传输，根据控制信息选择吓一跳结点，直到到达目的    地。

　　　　分组交换优点：（1）无建立时延 （2）线路利用率高 （3）简化存储管理（相对于报文交换） （4）加速传输 （5）减少出错几率    和重发的数据量

　　　　分组交换缺点：（1）存在传输时延 （2）需要额外增加信息量 （3）分组达到目的结点时可能会产生失序、丢失、重复分组，要对    分组按编号进行排序。

　　3.5.4 交换技术的比较

　　　　若要连续传送大量数据，宜采用电路交换，因为数据传输时间大于电路建立时间，在电路建立的连接之上独占带宽传输大量数据的    效率较高。但电路交换健壮性较差，一段链路出现故障就不能使用了。

 　　　　 报文交换和分组交换都与存储转发相联系，报文或分组逐个结点传输。对于电路交换，若电路一段出现故障，报文或分组可以选贼别    的结点，提高了链路的健壮性。

　　　　分组交换技术采用的策略是断续或者动态分配传输信道，适合传输突发式计算机数据，提高通信线路利用率，降低了使用费用。不    足是存储交换需要时延，传输和处理每个分组的控制信息也需要一定的开销，分组交换网的管理和拥塞控制也比较复杂。

　　3.5.5 信元交换

　　　　使用在ATM网络中，信元可看做一份很小的快速分组，长度为53个字节，首部占5个字节，数据48个字节，长度固定。

　　　　信元交换特点：由于信元比较小，在交换结点时延很小。

 

3.6 差错控制技术

　　3.6.1 差错产生的原因

　　　　概括的来说，传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类：一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由于外界特    定的短暂原因所造成的冲击噪音。前者通过提高信噪比来减少干扰，后者不可能靠提高信号幅度来避免干扰造成的差错，是产生差错的    主要原因。

　　　　通常利用编码技术进行差错控制，主要有两类：自动重传请求（ARQ）和前向纠错（FEC）。在ARQ方式中，接收端检测出差错时，就    设法通知发送方重传，知道收到正确的码字为止。在FEC中，接收端不仅能发现差错，还能确定二进制数码错误的位置，从而加以纠      正。所以差错控制又分为检错编码和纠错编码。 

　　　　计算机网络中采用的差错控制的方法主要有4种：奇偶校验、海明校验、循环冗余校验（CRC）、校验和方法。

　　3.6.2 奇偶校验

　　　　奇偶校验码是奇校验码跟偶校验码的统称，是一种最基本的检错码。它由n-1位信息元和1位校验元组成，如果是奇校验，附加上一    个检验元后，码长n的码字中“1”的个数为奇数个。它又分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验、水平垂直奇偶校验。

　　3.6.3 海明校验

　　　　海明码是一种多重（复式）奇偶检错系统，用于检错和纠错。

　　　　 实现原理：

        它的实现原理，是在m个数据位之外加上k个校验位，从而形成一个m+k位的新的码字，使新的码字的码距比较均匀地拉大。把      数据的每一个二进制位分配在几个不同的偶校验位的组合中，当某一位出错后，就会引起相关的几个校验位的值发生变化，这不但      可以发现出错，还能指出是哪一位出错，为进一步自动纠错提供了依据。

　　　　须知：

　　　　　　（1）海明校验码是放在2的幂次位上的，即“1,2,4,8,16,32······”；

　　　　　　（2）信息位为m的原始数据，需要加入k位的校验码，它满足m+k+1<2^k；

　　　　关于海明校验码的计算可以参考：

　　　　https://www.cnblogs.com/VersionP1/p/7779251.html#3

　　3.6.4 循环冗余校验编码

　　　　CRC检验原理实际上就是在一个p位二进制数据序列之后附加一个r位二进制检验码(序列)，从而构成一个总长为n＝p＋r位的二进制    序列；附加在数据序列之后的这个检验码与数据序列的内容之间存在着某种特定的关系。如果因干扰等原因使数据序列中的某一位或某    些位发生错误，这种特定关系就会被破坏。因此，通过检查这一关系，就可以实现对数据正确性的检验。

 

　　　　基本概念

　　　　　　 1、帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）：为了进行差错检验而添加的冗余码。

　　　　　　2、多项式模2运行：实际上是按位异或(Exclusive OR)运算，即相同为0，相异为1，也就是不考虑进位、借位的二进制加减运         算。如：10011011 + 11001010 = 01010001。

　　　　　　3、生成多项式（generator polynomial）：当进行CRC检验时，发送方与接收方需要事先约定一个除数，即生成多项式，一般         记作G（x）。生成多项式的最高位与最低位必须是1。常用的CRC码的生成多项式有：

　　　　　　　　CRC8=X8+X5+X4+1

　　　　　　　　CRC-CCITT=X16+X12+X5+1

　　　　　　　　CRC16=X16+X15+X5+1

　　　　　　　　CRC12=X12+X11+X3+X2+1

　　　　　　　　CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1

　　　　　　每一个生成多项式都可以与一个代码相对应，如CRC8对应代码：100110001。

　　　　

　　　　 CRC检验码的计算

　　　　　　设信息字段为K位，校验字段为R位，则码字长度为N(N=K+R)。设双方事先约定了一个R次多项式g(x)，则CRC码：

　　　　　　(x)=A(x)g(x)=xRm(x)+r(x)

　　　　　　其中:   m(x)为K次信息多项式，r(x)为R-1次校验多项式。

　　　　　　这里r(x)对应的代码即为冗余码，加在原信息字段后即形成CRC码。

　　　　　　r(x)的计算方法为：在K位信息字段的后面添加R个0，再除以g(x)对应的代码序列，得到的余数即为r(x)对应的代码(应为R－1       位，若不足，而在高位补0)。

　　　　　　详细说明