网络工程师学习笔记——数据通信基础

一、信道特性

1、信道带宽W

• 模拟信道：W = f2 - f1 （f1/f2分别便是信道能通过的最大/最低频率，单位为Hz
• 数字信道：带宽为信道能够达到的最大数据传输速率，单位是bit/s

2、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）

3、码元：一个数字脉冲称为一个码元（可以理解为时钟周期的信号）

4、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，码元速率（波特率）为 B = 1/T，单位是波特Baud

5、一个码元携带的信息量n（位）与码元种类数（N）的关系 n = log2N

6、尼奎斯特定理：在一个理想的（没有噪声环境）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 = Blog2N = 2Wlog2N

7、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。

 

• 极限数据速率公式为：C = Wlog2 (1 + S/N）
• 分贝与信噪比关系：dB = 10log10S/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
  • dB = 10 , S/N = 10
  • dB = 30 , S/N = 1000

二、信道延迟

1、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，通信越可靠。（计算机通信中，误码率一般要求低于10^-6）
• Pe = Ne/N，其中Ne表示出错数，N表示传送总数
• 数据延时 < 200ms , 语音视频延时 < 50ms , 抖动 < 20ms , 丢包率 < 1%

2、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。
• 光的传播速率为300ms/us = 30 0000 km
• 电缆中的传播速率一般为光速的77%，即200m/us = 20 0000 km/s
• 卫星信道的时延大约270ms（来回双向）
• 发送数据时间 = 线路延迟 + 调制延迟
  • 线路延迟 = 传输距离/传输速度
  • 调制延迟 = 数据大小/速率

三、传输介质

前言

10BaseT含义：

10：表示传输速率为10M（100M、1000M、10G）

Base：表示传输机制为基带（宽带Broad）

T：代表传输介质为非屏蔽双绞线

C：为屏蔽双绞线

F：为光纤

Lx：为长波长 （1300nm、1310nm、1550nm）

Sx：为短波长（850nm）

数字：最大传输距离，单位是100m（10base5-->最大传输距离为500米）

同轴电缆

双绞线

分类：无屏蔽双绞线（UTP）；屏蔽双绞线（STP）

常见线序：

568A：绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕

568B：橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕

直通线：两端都为568A或者568B，一般用在不同层设备。

交叉线：一端为568A，另一端为568B，或反过来， 一般用在同层设备。

常见以太网标准：

光纤

光纤传输数据时使用的是光信号，支持的传输速率包括10Mbps，100Mbps，1Gbps，10Gbps，甚至更高。光纤连接器种类很多，常用的连接器包括ST，FC，SC，LC连接器。

多模光纤：多模光纤纤芯的集合尺寸远大于光波波长，一般为50um、62.5um；允许多种模式的光信号传输，多模光纤主要用于局域网中较小容量的短距离传输。（便宜）

单模光纤：光纤的几何尺寸可以与光波波长相差不大时，一般为5 ~ 10um，只能传输一种模式的光，具有极宽的带宽，因此特别适用于大容量、长距离光纤传输。（贵）

多模与单模对比：

常见标准：

四、数据编码

1、单极性码和极性码

单极性码：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”）。

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。

2、双极性码：

信号在三个电平 ( 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 ( Altemate Mark Inversion ,AMI )

如下图，0 电平表示 0，1 则在正负之 间交蔡翻转 ，1跳0不跳。

3、归零编码

在 归 零 编码 ( Return Zero ，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”。

4、不归零编码( Not Return to Zero ，NRZ )

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。

5、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。

1）曼彻斯特编码：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

2）差分曼彻斯特编码：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）。

3）两种曼码特点：

优点 : 将 时 钟 和 数据 包含 在 信号 数据 流 中 ， 也 称 自 同步 码

缺点：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

6、4B/5B编码

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

注：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 干 兆 以 太 网

64B/66B 效 率 97%， 用 于 万 兆 以 太 网

五、调制技术

将 数字 信号 转换 成 模拟 信号 称 为 调制 ， 将 模拟 信号 转换 为 数字 信和 号 称 为 解 调

幅度 键 控 ( ASK ) : 用 载波 的 两 个 不 同 振幅 表示 0 和 1

频 移 键 控 ( FSK ) : 用 载波 的 两 个 不 同 频率 表示 0 和 1

相 移 键 控 ( PSK ) : 用 载波 的 起 始 相位 的 变化 表示 0 和 1

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

六、脉码调制PCM

1、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。

2、采样和量化

1）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 。

奈夺斯特采样定理 : 如果模拟信号的最高频率为fmax，若以大 于两倍频率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。

2）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（计算时8级就代表N=8）。

七、通信和交换方式

1、数据通信方式

1）按通信方式分：

单工通信：数据只能单向传输，即发送方只能发送，接收方只能接收。

半双工通信：在半双工模式（half-duplex mode）下，通信双方都能发送和接收数据，但不能同时进行。当一台设备发送时，另一台只能接收，反之亦然。对讲机是半双工的典型例子。

全双工通信：在全双工模式（full-duplex mode）下，通信双方都能同时接收和发送数据。电话网络是典型的全双工例子。

2）按同步方式分

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 , 在字符之后插入一位停止位 ,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。

2、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

3、分组交换技术

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 )

特点：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

4、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。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；

复用技术分类：

频分多路复用FDM：将信道划分为不同频率，变成多个子信道，例如WiFi；

时分多路复用TDM：将信道划分多个时间片，轮流占用。

波分多路复用WDM：将信道划分为不同波长，与频分复用类似。

八、数字传输系统E1/T1

1、PCM体制标准

PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准；

1）T1标准：共24个信道和一个1bit控制信息组成，每个信道有8bit，其中包含7bit数据位和1bit控制位，所以一帧为24 * 8bit + 1bit = 193bit， 因为一帧传输的时间为125us(频率)，1秒传输8000帧。

传输速率：193bit / 125us = 193bit * 8000 = 1.544Mb/s

注：

4T1 = T2；

7T2 = T3；

6T3 = T4；

2）E1标准：共32个信道（编号为CH0-CH31，CH0作同步帧，CH16作传送信令，其他都用来传输数据）。

传输速率：（30 + 1 + 1） * 8 * 8000 = 2.048Mbit/s

注：

E2 = 4E1;

E3 = 4E2;

E4 = 4E3;

E5 = 4E4;

常考点：

2、光纤线路的多路复用标准

1）SONET（同步光纤网络）--美国标准

是使用光纤进行数字化信息通信的一个标准。今天SONET和SDH两种技术体制都被广泛的应用；SONET应用在美国和加拿大，SDH应用在世界其他国家。

2）SDH（同步数字系列）--国际标准

SDH的定义 Synchronous Digital Hierarchy -- 同步数字系列 是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的标准化数字信号结构等级，在传输媒质上（如光纤、微波等）进行同步信号的传送。 它是一种新的数字传输体制。 将称为电信传输体制的一次革命。

3）SDH/SONET速率（重点）

九、差错控制

1、奇偶校验

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)。

注：奇偶校验是最常用的检错方法,能检出一位错位。

2、CRC循环冗余校验

原理图：（此处的除法为模2运算）

示例：发送方要发送的帧为1101011011，生成多项式 G（x）= x4 + x + 1，则最后生成要发送的数据为（）。

首先，确定生成多项式最大次幂为 4 ，则需要先在数据后添加4个0，再把生成多项式写出来：

得到10011，再将加上了4个0之后的数据除以10011，进行模2运算，得到做后的余数1110，所以最后传输的数据就是11010110111110

3、海明码校验

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