网络工程师 第2章 数据通信基础

一、数据通信的基本概念

• 通信的目的就是传递信息
• 信源，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
• 模拟通信，信源产生的是模拟数据并以模拟信道传输
• 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
• 数据通信，信源发出的是数字数据，用模拟信号传输或是用数字信号传输

二、信道特性

（一）信道带宽

• 模拟信道的带宽，$W=f_2-f_1$， $f_1$是信道能通过的最低频率， $f_2$是信道能通过的最高频率
• 一个数字脉冲称为一个码元
• 码元速率，单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数
• 若码元宽度为 $T$ 秒，则码元速率（波特率） $B=1/T$ （Baud，波特）
• 1924 年，贝尔实验室的研究员亨利·奈奎斯特(Harry Nyquist) 就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特定理
• 若信道带宽为 $W$, 则尼奎斯特定理指出最大码元速率为 $B=2W$（Baud）
• 一个码元可以携带多个信息量，如1个信息量0,1，2个信息量00,01,10,11
• 码元种类由信道的物理特性决定，例如电压、相位等
• 信息量n (位）与码元的种类数N的关系：
  $$\begin{gathered} n=lo{g}_{2}N \\ N=2^n \end{gathered}$$
• 数据速率，单位时间内在信道上传送的信息量（位数）,即码元速率乘信息量
  $$R=Bn=Blo{g}_{2}N=2Wlo{g}_{2}N（R：rate；bps，b/s，bitpersecond）$$
• 普通电话线路，带宽为3000Hz, 最高波特率为6000Baud
• 香农定理，$C=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})$
• 信噪比，$\frac{S}{N}$,$S$为信号的平均功率，$N$为噪声平均功率
• 信噪比与分贝数的关系
  $$\begin{gathered} dB=10lo{g}_{10}\frac{S}{N} \\ \frac{S}{N}=10^{\frac{dB}{10}} \end{gathered}$$
• 数字信道的带宽为信道能够达到的最大数据速率

（二）误码率

• 误码率
  $$\begin{gathered} P_c=\frac{N_e}{N} \\ (N_e为出错的位数，N为传送的总位数) \end{gathered}$$
• 误码率一般要求低千$10^{-6}$, 即平均每传送1兆位才允许错1位

（三）信道延迟

• 信号传播速度一般以接近光速的速度（300m/μs) 传播
• 1s=1000ms=1000 000us
• 在电缆中的传播速度一般为光速的77%, 即200m/μs 左右
• 500m 同轴电缆的时延大约是2.5μs
• 卫星信道的时延大约是270ms

三、传输介质

（一）双绞线

• 无屏蔽双绞线电缆（Unshielded Twisted Pair, UTP)
• 屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP)

（二）同轴电缆

（三）光缆

（四）无线信道

四、数据编码

• 数据编码，用一个编码符号代表一条信息或一串数据
• 单极性码，只用正的（或负的）电压表示数据
• 极性码，分别用正电压和负电压表示二进制数"0" 和"1"
• 双极性码，信号在3 个电平（正、负、零）之间变化
  • 交替反转编码(A lternate Mark Inversion, AMI)，数据流中遇到"1"时使电平在正和负之间交替翻转，而遇到"0"时则保持零电平
• 归零码（Return to Zero, RZ），码元中间的信号回归到零电平
• 双相码，每一位中都要有一个电平转换，有自定时和检测错误，编码效率50%
  • 曼彻斯特编码（Manchester Code)，用高电平到低电平的转换边表示“0”, 用低电平到高电平的转换边表示“1”相反的表示也是允许的，用在以太网中
  • 差分曼彻斯特编码，数据的表示在千每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示"0",无电平转换表示"1" （有0无1），差分曼彻斯特编码用在令牌环网和局域网中
• 不归零码（Not Return to Zero, NRZ），当" 1 “出现时电平翻转，当"0” 出现时电平不翻转，也叫差分码
• 多电平编码，码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位
• 4B/5B 编码，编码效率80%，百兆网
• 8B/10B编码，编码效率80%，千兆网
• 64B/66B编码，编码效率97%，万兆网

五、数字调制

• 数字调制，用数字数据调制模拟信号
• 幅度键控（ASK，Amplitude-shift keying)
• 频移键控（FSK，Frequency-shift keying）
• 相移键控（PSK，Phase-shift keying）
• 正交幅度调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation），把两个幅度相同但相位相差90° 的模拟信号合成为一个模拟信号，4 位二进制数据
• 正交相移键控（QPSK，Quadrature Phase Shift Keying），4位二进制相位调制
• 差分相移键控（DPSK，Differential Phase Shift Keying），2位二进制相位调制

六、脉冲编码调制，(Pulse Code Modulation, PCM），简称脉码调制。

• 编码解码器（Codec），把模拟数据转化成数字信号

（一）取样

• 奈奎斯特取样定理，取样速率大于模拟信号最高频率的两倍，可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号
  $$\begin{gathered} f=\frac{1}{T}>2f_{max} \\ (f为取样频率，T为取样周期，f_{max}为信号的最高频率) \end{gathered}$$

（二）量化

• 量化等级表明了码元种类既$N$

（三）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，既比特流
• 取样的速率不要太高，以免编码解码器的工作频率太快；量化等级不要太多，以免得到的数据量太大，所以这些参数都取下限值

七、通信方式和交换方式

（一）通信方式

• 通信方向
  • 单工通信
  • 半双工通信
  • 全双工通信
• 同步方式
  • 异步传输，即把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息
  • 同步传输，在数据块的前后加入控制字符SYNC

（二）交换方式

• 电路交换，发送方和接收方用一系列链路直接连通
• 报文交换，节点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标节点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个节点接收整个报文，检查目标节点地址，然后根据网络中的“交通情况”在适当的时候转发到下一个节点
• 分组交换，发送节点先要对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源地址和目标地址以及约定的分组头信息，这个过程叫作信息的打包
  • 数据报（Datagram），每个分组在网络中的传播路径完全是由网络当时的状况随机决定的
    • 分组拆装设备（Packet Assembly and Disassembly device，PAD），在发送端要有一个设备对信息进行分组和编号，在接收端也要有一个设备对收到的分组拆去头、尾并重排顺序
  • 虚电路（Vntual Circuit），在发送端和接收端之间建立一条逻辑连接
    • 虚呼叫，虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除
    • 永久虚电路，通信双方一开机就自动建立连接，直到一方请求释放才断开连接

八、多路复用技术

• 多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术
• 多路器（MUX）
  • 多路复用器（Multiplexer），在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号
  • 多路分配器（Demultiplexer），在接收端根据同一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号

（一）频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）

• 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拟载波信号进行多路传输

（二）时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）

• 时分多路复用 要求各个子通道按时间片轮流地占用整个带宽
  • 同步时分，整个传输时间被划分为固定大小的周期
  • 统计时分

（三）波分多路复用（WDM，Wave Division Multiplexing）

• 波分多路复用使用在光纤通信中，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有子信道的波长

（四）数字传输系统

• 4kHz语音信道，8kHz采样率，128级量化，码元信息量7，数据速率56Kbps。
• $T_1$载波，把24 路话音信道按时分多路的原理复合在一条1.544Mbps 的高速信道上
  • 取样周期中（125μs)，$编码数=56Kbps\times 125\mu s$=7b
  • $T_1$载波速率为$$\frac{((7+1)\times 24+1)b}{125\mu s}=\frac{139b}{125\mu s}=1.544Mbps$$

载波	关系	速率$/Mbps$
$T_1$		$1.544$
$T_2$	$4\times T_1$	$6.312$
$T_3$	$7\times T_2$	$44.736$
$T_4$	$6\times T_3$	$274.176$

• $E_1$载波，把32 个8 位一组的数据样本组合成125μs的基本帧，按时分多路的原理复合在一条2.048Mbps的高速信道上

载波	关系	速率$/Mbps$
$E_1$		$2.048$
$E_2$	$4\times E_1$	$8.448$
$E_3$	$4\times E_2$	$34.368$
$E_4$	$4\times E_3$	$565.148$

(五）同步数字系列

• 光纤线路的多路复用标准
  • 同步光纤网络（Synchronous Optical Network，SONET），美国标准
  • 同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），国际标准，基本速率是155.52Mbps
    • 同步传递模块（Synchronous Transfer Module），即STM-1，155.52Mbps

SDH	速率
$STM-1$	$155Mbps$
$STM-4$	$622Mbps$
$STM-16$	$2.5Gbps$
$STM-64$	$10Gbps$

九、差错控制

• 通信差错
  • 随机错误，由热噪声引起，热噪声是由电子的热运动产生
  • 突发错误，由冲击噪声引起，冲击噪声源是外界的电磁干扰

（一）检错码

• 奇偶校验，是在7 位的ASCII 代码后增加一位，使码字中1 的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位（甚至奇数个位）出错，则接收端按同样的规则就能发现错误，随机错误
• 校验和，把数据块中的每个字节当作一个二进制整数，在发送过程中按模256 相加。数据块发送完后，把得到的和作为校验字节发送出去。接收端在接收过程中进行同样的加法，数据块加完后用自已得到的校验和与接收到的校验和比较，从而发现是否出错

（二）海明码

$$\begin{gathered} 对于m位的数据增加k位冗余位 \\ m+k+1<2^k \end{gathered}$$

（三）循环冗余校验码（CRC，Cyclic Redundancy Check）