數據通信基礎

一. 數據通信的基本概念

• 消息

  • 能感知的描述（聲音，文字，圖片…）

• 信息

  • 消息中包含有意義的內容，消息是信息的載體

• 數據

  • 對客觀事物進行記載的物理符號及其組合（數字，文字，圖像，抽象的符號）

• 信號

  • 傳遞信息的載體（光或電磁的形式）
  • 通過電平，電流和頻率的變化表示信息

• 數據通信

  • 是通信和計算機相結合產生的通信業務

• 通信系統模型

  • 包括噪聲源在內，6部分

• 信源

  • 將信號轉換為電信號的設備（計算機）

• 發送設備

  • 將信源產生的信號通過編碼和調制進行變化，便于在信道中傳輸

• 信道

  • 信號傳輸媒介，分為 無線 和 有線

• 噪聲

  • 對通信信號產生干擾和影響，無法避免

• 接收設備

  • 完成發送設備的反變化（譯碼和解碼），還原原始的發送信號

• 信宿

  • 信號的終點，將信號轉換為人們可以識別的消息

• 通信系統模型和數據通信模型的區別

  • 數據通信模型的信源，信宿是二進制設備（計算機，智能終端）

• 模擬通信和數字通信

  • 區別

    • 信道中傳輸的模擬信號還是數字信號

    • 模擬信號

• 數字信號

• 模擬信號與數字信號之間的轉化

  • 模擬轉數字
    • 采樣， 量化，編碼
    • 解調
  • 數字轉模擬
    • 解碼，平滑
    • 調制

• 數據通信系統和數字通信系統的區別
  • 數字通信系統
    • 信道中傳遞的是離散的數字信號
  • 數據通信系統
    • 信源和信宿端處理的是二進制數據
    • 信道既可以是模擬信號，也可以是數字信號

二. 數據傳輸方式

1. 單向，雙向交替，雙向同時通信

• 單向通信

  • 單工通信

  • 只能有一個方向的通信（無線電廣播，收音機等）

• 雙向交替通信

  • 半雙工通信
  • 雙方都可以收發信息，但是不能同時發（無線電對講機）

• 雙向同時通信

  • 全雙工通信
  • 發送和接收信息可以同時進行（計算機網絡，電話網）

2. 并行，串行通信

• 計算機中處理數據時，以字節（Byte）為單位的，一個字節由8個二進制位（bit）組成

• 并行通信

  • 一個bit位占一個傳輸通道

  • 所有的bit位同時進行傳輸

  • 一般存在于計算機內部總線上

• 串行通信

  • 信息傳輸通過一條通道
  • 每個字節中的每一個bit依次在這一條通道進行傳輸
  • 節省線路設備，速度慢，適合長距離的傳輸
  • RS-232和USB接口屬于串行通信

3. 異步 與 同步通信

• 同步技術就是使用一種技術保證收發兩端的動作一致，有兩種方式
  • 異步式同步
  • 同步式同步
  • 區別在于收發兩端的時鐘是獨立（異步）的還是同步的
• 異步數據傳輸
  • 以 字符（一般為1個字節） 為單位發送
  • 一次傳輸一個字符，每個字符 5-8 bit 表示
  • 字符前有一個起始位，后面 1 或 2個停止位
  • 無字符時一直發送停止位
  • 無需收發兩端傳輸時鐘信號，傳輸簡單
  • 效率低，速度慢
• 同步數據傳輸
  • 以 數據塊 為單位進行發送
  • 每個數據塊前面加上 起始標志，后面加上 結束標志
  • 傳輸效率高，開銷小
  • 需要雙方建立同步時鐘，實現復雜
  • 適合高速傳輸

4. 基帶 與 頻帶 傳輸

• 基帶傳輸

  • 基本頻帶信號

    • 計算機作為信源發出的原始數據信號
    • 固定的高低電平表示二進制1/0，簡稱基帶信號

  • 直接在信道中傳輸 基本頻帶信號 稱為 基帶傳輸（以太網，令牌環網）

    • 傳遞過程中都是高低電平的形式

• 頻帶傳輸

  • 一些信道不適合直接傳輸基帶信號，具有帶通性
    • 需要利用 基帶信號 去調制成 載波信號
  • 在信道中把經過調制的載波信號實現將基帶信號所攜帶的信息傳輸出去的方式為頻帶傳輸
  • 例如電話線不適合傳輸基帶信號，計算機（傳遞的是基帶信號）利用電話線上網。得經過一個modem調制成相應的頻帶信號

• 調制方法

  • 調制解調器（MODEM）

• 將調制 和 解調功能 做到一個設備上

• 數字調制的三種基本形式

  • 調幅（AM）

    • 載波的振幅隨數字基帶信號變化

  • 調頻（FM）

    • 載波頻率隨數字基帶信號變化

  • 調相（PM）

    • 載波初始相位隨著數字基帶信號變化

• 模擬信號傳輸的基礎是 載波

• 載波有三大要素

  • 幅度

  • 頻率

  • 相位

三. 數據通信系統的性能

• 數據通信系統的有效性指標

  • 帶寬
  • 碼元速率
  • 信息速率
  • 頻帶利用率
  • 衡量數據通信系統的可靠性指標主要有
    • 信躁比（信噪比越大，系統性能越好）
    • 誤碼率（越低越好，一般少于 10的-9此法）
      • 也就是說 傳輸 10 的9次方個比特，最多錯一個

• 模擬通信系統的有效指標

  • 帶寬
    • 信道帶寬
    • 信號傳輸帶寬
  • 衡量可靠性
    • 信噪比

• 數字通信系統的有效性

  • 傳輸速率
    • 碼元速率
    • 信息速率

• 可靠性

  • 頻帶利用率

• 碼元速率 RB，波特率

  • 數字系統中，用時間間隔相同的符號表示一個離散值，這個間隔稱為碼元
  • 按照一定的周期產生一個脈沖（碼元）
  • 時間間隔為碼元長度
  • 波特率
    • 每秒傳送的碼元數目
    • T表示碼元長度
    • 單位秒

• 信息速率，比特率

  • 每秒傳送的二進制比特數，單位為 比特/秒 （bit/s，bps）

• 碼元和比特的關系

  • 一個二進制碼元含有 1bit 信息量
  • 一個四進制碼元（四種形式碼元），攜帶有 2bit 的信息量（00，01，10，11）
    • 每一種碼元就可以攜帶 2bit（分別對應四種碼元）的信息量
  • 一個M進制碼元 可以攜帶 Log2M比特 的信息量
    • Rb代表信息速率
    • RB代表碼元速率

• 頻帶利用率
  • 衡量數字通信系統的通信有效性
  • 為每赫茲所實現的傳送速率
    • B為 帶寬

• 誤碼率和誤比特率

  • 衡量數字通信系統的可靠性

  • 一般小于 10的負9次方

• 信道極限信息傳輸速率（香農公式）這是有噪聲干擾情況下的信息傳輸速率

  • C：極限信息傳輸速率
  • W：信道帶寬
  • S：信號平均功率
  • N：高斯噪聲功率
  • S/N 就是信躁比

四. 傳輸信道

• 信道是通信系統中連接發送端和接收端 的通信設備

1. 有線信道

• 架空明線

  • 優點

    • 傳輸損耗低，適合長距離

  • 缺點

    • 易受天氣和外界干擾，帶寬有限

• 雙絞線

  • 兩根銅線絞合在一起
  • 非屏蔽雙絞線（UTP）
  • 屏蔽雙絞線（STP）貴一點
  • 主要用于基帶傳輸，以太網

• 同軸電纜

  • 導體和屏蔽層共用同一軸心的電纜
  • 基帶同軸電纜
    • 傳統總線型以太網
  • 寬帶同軸電纜
    • 有線電視
  • 主要用于頻帶傳輸，帶寬高達1GHz
  • 早期共享式局域網采用同軸電纜，已經被雙絞線代替

• 光纖

  • 損耗低，頻帶寬，抗腐蝕
  • 進入纖芯的光在兩層的邊界產生反射
  • 階躍型光纖：光波只在邊界發生折射
  • 梯度型光纖：折射率沿著半徑增大的方向逐漸減少
  • 光纖分為
    • 多模光纖：發光二極管
    • 單模光纖：光源采用激光

2. 無線信道

• 利用電磁波在空間的傳播來傳輸信號
• 為了避免相互干擾，國際電信聯盟ITU制定相關協議

五. 數據通信中的編碼

• 數據編碼
  • 二進制數據 轉變成 合適的電磁波信號的轉變過程
  • 數據編碼的方法分為
    • 模擬數據編碼
    • 數字數據編碼

1. 模擬數據編碼

• 將計算機的二進制數字信號 轉換為 模擬信號

• 調制

  • 在發送端將 數字信號 變為 模擬信號的過程
  • 基本思想
    • 通過載波信號的振幅，頻率和初始相位這3個參數來表示0和1兩種字符
    • 從而實現將數字信號變換為模擬信號

• 解調

  • 在接收端 將模擬信號變為 數字信號的過程

• 載波

  • 能在模擬信道中傳輸的模擬信號

• 振幅鍵控（ASK）
  • 通過改變載波信號的振幅來表示數字信號 0 和 1
  • 例如 振幅 為A 表示數字 1
  • 振幅為0 表示數字 0

• 相移鍵控（PSK）

  • 改變 初始相位 來表示數字信號 1 和 0

• 頻移鍵控（FSK）

  • 通過改變 頻率 來表示數字信號 1 和 0

2. 數字數據編碼

• 將原始的二進制數據（高低電平）變成 數字脈沖序列（離散的高低電平）實現基帶傳輸的方法

• 單極不歸零碼（NRZ）

  • 易于產生，不適合長距離傳輸

  • 一般用于計算機內部短距離通信

    • 使用 0 ：零電平
    • 使用 1 ：正電平

  • 單極性

    • 脈沖幅值只有一個級性

  • 不歸零

    • 脈沖持續期間，電平保持不變，結束時也不必回歸 0 電平

• 雙極性不歸零碼

  • 0：負電平

  • 1：正電平

  • ITU-T的V.24接口和 EIA的RS-232C接口標準都采用 雙極不歸零碼

  • 有利于在信道中傳輸，抗干擾能力強

• 單極歸零碼

  • 0：零電平
  • 1：正電平
  • 與單極不歸零碼不同，在每個正脈沖持續期中間時刻，需要從正電平回到零電平

• 雙極歸零碼

  • 0：負電平，且在 中間時刻電平 由 負電平 回到 零電平
  • 1：正電平，且在 中間時刻電平 由 正電平 回到 零電平

• 差分碼

  • 0：相鄰電平無跳變
  • 1：相鄰電平有跳變

• 雙相碼，曼徹斯特碼

  • 0：中間時刻，由負電平跳到正電平
  • 1：中間時刻，由正電平跳到負電平

• 差分曼徹斯特碼

  • 每個比特中間都有跳變，用于同步
  • 0：開始處無跳變
  • 1：開始處有跳變

• 多元碼

  • 將二進制數據映射為多進制信號
  • 實現高速數據傳輸，提高系統的頻帶利用率

3. 模擬信號的數字編碼

• 將模擬信號轉換為數字信號，便于在數字通信系統傳輸

• AD轉換要經過三個環節

  • 采樣
    • 按周期采集模擬信號的瞬間值
  • 量化
    • 將瞬間值用數值表達出來
  • 編碼
    • 將數值變為一組二進制碼
  • 例如將模擬信號 f(t)，在t=1T，2T，3T…時刻采樣
  • 得到瞬間值 f(t) = 5.2，將其取整量化 5
  • 最后對 5 進行 3位二進制編碼得到 101

• 抽樣定理

  • 假設模擬信號的頻率范圍是 fl ~ fh，則信號帶寬B = fh - fl

    • 若B>fl，為低通信號
    • B<=fl ，為帶通信號

  • 低通抽樣定理

    • 對于一個頻帶有限模擬信號 f(t)，假設頻帶為(0,fh)，若以 抽樣頻率 fs >= 2fh
    • 則信號 f(t) 將被抽樣值完全確定。采樣的結果可以完全的還原原來的信號

  • 帶通抽樣定理

    • fs = 2B(1+k/n)
    • n為 fs/B 整數部分
    • k為 fh/B 小數部分

• 脈沖編碼調制

  • 指定有限個 量化電平 ，把抽樣值用最接近的電平表示
  • 根據 量化間隔 是否相等，分為
    • 均勻量化
      • 取值域等間隔分割
    • 非均勻量化
      • 量化值 隨著抽樣值的變化而變化

• 編碼

  • 采樣信號經過量化得到有限個信號電平，將這些電平用二進制組表示
  • 自然二進制碼
  • 折疊二進制碼
    • 最高位為0，其他位取反
    • 最高位為1，其他位不變

六. 復用技術

1. 多路復用技術

• 目的就是充分利用信道的資源，提高信道利用率，提高通信效率
• 模型概念如下圖
  

2. 頻分多路復用（FDM）

• 頻域內將信道帶寬劃分為多個子信道，利用載波調制技術，將原始信號調制到各個對應的子信道載波信號上

• 整個物理信道內頻譜不重疊，達到共用一個信道

• 優點
  • 分路方便，有線和微波通信系統中應用廣泛
  • 電話線上網的寬帶網絡
• 缺點
  • 各路信號互相干擾（串擾）
  • 不提供差錯控制技術，不便于性能監測

3. 時分多路復用（TDM）

• 在時域內劃分多個等長的時隙，每個信號占有不同的時隙，在時域上不重疊，共用一個信道

• 優點

  • 便于信號的數字化
  • 生產成本低
  • 制造調試容易

• 同步時分多路復用（STDM）

  • 按照固定順序把時隙分配給各路信號
    • 假設一共有n路時隙，將第一個時隙分配給第一路信號，第二個時隙分配給第二路信號，第n個時隙分配給第n路信號
    • 然后再將第n+1給時隙分配給第一路信號，第n+2時隙分配給第二路信號
    • 如此循環，發送端以n個時隙為一個周期，分別將n路循環的采樣構成一共時分復用幀
    • 接收端只需要采用完全相同的接收順序，即可將多路信號分割，還原
    • 每一個幀的時隙是固定的，各個時隙不可互相轉讓
    • 會造成時隙的浪費

• 異步時分多路復用（ATDM）、

  • 為大量數據發送的用戶分配較多的時隙

  • 少量數據發送的分配相對較少的時隙

  • 沒有數據的用戶就不再分配

  • 時隙與各路信號之間沒有固定的關系

  • 需要攜帶地址信息

• 優點

  • 提高了設備的利用率
  • 應用于高速遠程通信

• 缺點

  • 技術復雜性較高
  • 需要傳輸用戶標識

• 典型的TDM

  • 時分制多路電話通信系統
    • 通過PCM對模擬信號進行數字化編碼
    • 將多個話路的PCM話音數據用TDM的方法組裝成幀
    • 每個時隙承載一路PCM信號
  • 對于時分制多路電話通信系統制定的標準
    • ITU 針對 同步數字體系PDH，制定了兩個建議
      • 我國及歐洲地區采用 E體系
      • 北美，日本等采用 I體系
  • E1載波：2.048Mbps
  • T1載波：1.544Mbps

4. 波分多路復用（WDM）

• 本質也是 頻分復用

• 一般用于光纖傳輸中

• 只是因為在光纖通信中，光波頻率很高，通常用光的波長來討論

• 波分復用
  • 在一根光纖中傳輸多種不同波長的光信號
  • 波長不同，各路信號互不干擾，最后使用 波長解復用器 將各路光載波分解出來

5. 碼分多路復用（CDM）

• 在編碼域上劃分，利用更長的互相正交的碼組分別編碼各路原始信息的每個碼元，使得編碼后的信號在同一信道中傳輸

• 碼片序列

  • 在碼分系統中，每個通信站點分配唯一一個的N為碼組S

• 每個站點在發送數據時，利用自己的碼片序列對原始碼元序列進行編碼

  • 當發送+1時，就發送碼片序列
  • 發送-1時，就發送碼片序列的反碼

• 接收處理

  • 接收端需要接收 站點i 的時候

  • 先獲取該站點的碼片序列Si

  • 然后在一個碼片周期內

  • 提取站點i發送的1bit原始信息

    • 運行結果為 1 ，表明站點 i 發送了一位 1

    • 結果為 -1，表明站點 i 發送了一位 -1

    • 結果為0，則沒有發送數據

    • p為原始數據

七. 差錯控制計算

1. 差錯控制的基本方式

• 典型的差錯控制方式有四種

  • 檢錯丟棄
  • 檢錯重發
  • 前向糾錯
  • 反饋校驗

• 檢錯重發

  • 對于出錯的數據，接收端自動請求發送端重發該數據加以糾正，直到正確

  • 稱為自動請求重傳方式（ARQ）

    • 停止-等待ARQ
    • 回退N步ARQ
    • 選擇性重傳ARQ

  • 停止-等待ARQ
    

    • 優點

      • 簡單，所需緩存儲存空間小

    • 缺點

      • 信道效率低

    • 經過差錯編碼的數據包發送完之后，發送端等待接收狀態反饋確認

    • 如果接收端正確收到數據包，則向 放送端 發送正確接收確認ACK

    • 發送端繼續發送數據包，如果接收端收到的有錯誤，則丟棄該數據包，并向發送端 發送 差錯反饋 NAK，發送端重新發送數據包

  • 回退N步（GBN）ARQ
    

    • 對發送端的緩存能力要求高，接收端緩存能力較低

    • 如果誤碼率低的情況下，信道利用率會大大提高

    • 誤碼率高則造成大量信道傳輸能力的浪費

    • 發送端 可以 連續發送多個數據包，每個數據包都要有 唯一的編號

    • 接收端 收到利用 差錯編碼進行檢測，無誤的進行 正確接收

    • 有差錯的會被丟棄，并進行差錯反饋，發送 NAKn

      • 其中 n 為數據包編號

    • 當發送了 NAKn 后，接收端暫停接收，直到收到重新發送并且正確的 NAKn

    • 發送方收到 NAKn時，要重新發送n號數據包以及后續的數據包

  • 選擇性重傳ARQ
    

    • 特點

      • 對于收發兩端都需要有較大的緩存能力
      • 與 回退N步ARQ相比，減少了重傳開銷

    • 發送端 連續發送多個數據包，每個數據包確保唯一編號

    • 接收端對于無差錯的數據包進行正常接收

    • 丟棄差錯數據包，并 發送 NAKn 進行差錯反饋

    • 對于 n 號數據包之后的到達的數據包 進行緩存

    • 直到收到重發正確的 n 號數據包，再依次接收

    • 發送端在收到 NAKn 時，只需要重新發送 n 號數據包即可

• 前后糾錯

  • 接收端進行差錯糾正的一種差錯控制方法
  • 適用于單工數據通信系統（多媒體實時通信系統）

• 反饋校驗

  • 接收端將收到的數據原封不動的發給發送端
  • 原理簡單，易于實現
  • 傳輸效率低，實時性差

• 檢錯丟棄

  • 不糾正出錯的數據，直接丟棄錯誤數據
  • 適用于可以允許存在一定比例的差錯存在，對實時性要求較高的系統

2. 差錯編碼

• 按照差錯編碼的糾錯/檢錯能力劃分

  • 檢錯碼
  • 糾錯碼

• 按照差錯編碼 冗余信息 和 數據信息分組映射關系 劃分

  • 分組碼
  • 卷積碼

• 按照數據信息是否發生變化

  • 系統碼
  • 非系統碼

• 按照檢錯/糾錯類型劃分

  • 隨機錯誤檢錯/糾正碼
  • 突發錯誤檢錯/糾正碼

• 奇偶校驗碼

  • 優點

    • 編碼簡單
    • 開銷小
    • 效率高

  • 缺點

    • 無法進行錯誤校正
    • 檢錯率不高

  • 奇校驗

    • 1位冗余比特的取值位 0 或者 1
    • 使得編碼后碼字中1 的個數為 奇數

  • 偶校驗

    • 1位冗余比特的取值為 0或者1
    • 使編碼后碼字中的 1 的個數為 偶數

八. 交換技術

• 通過一個由多個節點組成的中間網絡來將數據從源點發送到目的點

• 從而實現雙方的通信，這個中間網絡只負責提供交換功能

• 這個中間網絡稱為交換網絡，節點稱為中間節點

• 交換節點和傳輸介質的集合稱為 通信子網

• 常見的交換方式

  • 電路交換
  • 存儲-轉發
    • 報文交換
    • 分組交換

1. 電路交換

• 通過中間交換節點在兩個通信設備之間建立一條專用的通信線路
• 適用于語音和視頻這類實時性強的業務
  • 電話網絡就是電路交換網絡的典型例子
    • 一個人想給另外一個打電話
    • 在打電話之前要建立一個發送方與接收方之間的連接（撥號過程）
    • 這個連接要求發接雙方之間沿途所有的交換機都為該連接維護狀態信息
    • 此連接稱為電路
• 利用電路交換進行通信包括三個階段
  • 建立電路
    • 傳輸數據之前，必須建立一條端對端的物理連接
    • 這個連接過程就是一個個節點的接續過程
  • 傳輸數據
    • 電路建立之后即可進行數據傳輸了
    • 數據既可以是數字數據，也可以模擬數據
    • 傳輸既可以是全雙工也可以是單工的
    • 發送主機與接收主機會存在一條獨占的物理線路為本次通信服務
    • 本次通信結束之前，資源不能被其他主機使用
  • 拆除電路
    • 數據傳輸結束之后，要拆除該物理鏈路
    • 該動作可以由任何一方發起

2. 報文交換

• 報文的工作過程

  • 發送方把要發送的信息附加上，收 發主機的地址及其其他控制信息
  • 構成一個完整的報文

• 從源節點到目的節點以報文為單位采用 存儲-轉發 的方式，轉發報文時 占用一段通道

• 一個報文在每個節點的延遲時間

  • 等于接收報文所需的時間加上一個向下一個節點轉發所需的排隊延遲時間之和

• 典型應用

  • 諜戰時期的電報

3. 分組交換

• 是報文交換的一種改進，每個分組的長度有上限，使每個節點所需的存儲能力減低

• 分組可以存儲到內存中，提高了交換速度

• 將報文分成若干分組，每個分組獨立的以 存儲-轉發 方式從源節點傳送到目的節點

• 在傳輸的目的點再重新組合成完整的數據

• 適用于交互式通信（終端與主機通信）

• 虛電路交換技術

  • 與電路交換的區別

    • 相同點
      • 兩者都是面向連接的，數據按照正確的順序發送
      • 在連接建立階段都需要額外開銷
    • 不同點
      • 電路交換提供穩定的傳輸速率 和 延遲時間
      • 虛電路的傳輸速率 與 延遲時間取決于以下幾個因素
        • 分組隊列長度
        • 產生數據的速率
        • 共享同一網的其他用戶的負荷

  • 先建立一條邏輯通路，每個分組除了包含數據之外還包含一個虛電路標識符

  • 不再需要路由選擇判定

  • 分組在每個節點上仍然需要緩沖，并在線路上進行排隊等待輸出

  • 分組走的線路是固定的一條
    

?

• 數據報分組交換

  • 屬于無連接業務

  • 每個分組的傳送被單獨處理，每個數據報自身攜帶地址信息

  • 由不同路徑通過資源子網

  • 不能保證各個數據按序到達

  • 整個過程沒有虛電路建立，但要為每個數據報做路由選擇

總結

以上是生活随笔為你收集整理的第二章数据通信基础（冲！）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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