数据通信基础

一. 数据通信的基本概念

  • 消息

    • 能感知的描述(声音,文字,图片…)
  • 信息

    • 消息中包含有意义的内容,消息是信息的载体
  • 数据

    • 对客观事物进行记载的物理符号及其组合(数字,文字,图像,抽象的符号)
  • 信号

    • 传递信息的载体(光或电磁的形式)
    • 通过电平,电流和频率的变化表示信息
  • 数据通信

    • 是通信和计算机相结合产生的通信业务
  • 通信系统模型

    • 包括噪声源在内,6部分

  • 信源

    • 信号转换为电信号的设备(计算机)
  • 发送设备

    • 将信源产生的信号通过编码和调制进行变化,便于在信道中传输
  • 信道

    • 信号传输媒介,分为 无线 和 有线
  • 噪声

    • 对通信信号产生干扰和影响,无法避免
  • 接收设备

    • 完成发送设备的反变化(译码和解码),还原原始的发送信号
  • 信宿

    • 信号的终点,将信号转换为人们可以识别的消息
  • 通信系统模型和数据通信模型的区别

    • 数据通信模型的信源,信宿是二进制设备(计算机,智能终端)
  • 模拟通信和数字通信

    • 区别

      • 信道中传输的模拟信号还是数字信号

      • 模拟信号

  • 数字信号

  • 模拟信号与数字信号之间的转化

    • 模拟转数字

      • 采样, 量化,编码
      • 解调
    • 数字转模拟
      • 解码,平滑
      • 调制

  • 数据通信系统和数字通信系统的区别

    • 数字通信系统

      • 信道中传递的是离散的数字信号
    • 数据通信系统
      • 信源和信宿端处理的是二进制数据
      • 信道既可以是模拟信号,也可以是数字信号

二. 数据传输方式

1. 单向,双向交替,双向同时通信

  • 单向通信

    • 单工通信

    • 只能有一个方向的通信(无线电广播,收音机等)

  • 双向交替通信

    • 半双工通信
    • 双方都可以收发信息,但是不能同时发(无线电对讲机)
  • 双向同时通信

    • 全双工通信
    • 发送和接收信息可以同时进行(计算机网络,电话网)

2. 并行,串行通信

  • 计算机中处理数据时,以字节(Byte)为单位的,一个字节由8个二进制位(bit)组成

  • 并行通信

    • 一个bit位占一个传输通道

    • 所有的bit位同时进行传输

    • 一般存在于计算机内部总线上

  • 串行通信

    • 信息传输通过一条通道
    • 每个字节中的每一个bit依次在这一条通道进行传输
    • 节省线路设备,速度慢,适合长距离的传输
    • RS-232和USB接口属于串行通信

3. 异步 与 同步通信

  • 同步技术就是使用一种技术保证收发两端的动作一致,有两种方式

    • 异步式同步
    • 同步式同步
    • 区别在于收发两端的时钟是独立(异步)的还是同步的
  • 异步数据传输
    • 字符(一般为1个字节) 为单位发送
    • 一次传输一个字符,每个字符 5-8 bit 表示
    • 字符前有一个起始位,后面 1 或 2个停止位
    • 无字符时一直发送停止位
    • 无需收发两端传输时钟信号,传输简单
    • 效率低,速度慢
  • 同步数据传输
    • 数据块 为单位进行发送
    • 每个数据块前面加上 起始标志,后面加上 结束标志
    • 传输效率高,开销小
    • 需要双方建立同步时钟,实现复杂
    • 适合高速传输

4. 基带 与 频带 传输

  • 基带传输

    • 基本频带信号

      • 计算机作为信源发出的原始数据信号
      • 固定的高低电平表示二进制1/0,简称基带信号
    • 直接在信道中传输 基本频带信号 称为 基带传输(以太网,令牌环网)

      • 传递过程中都是高低电平的形式

  • 频带传输

    • 一些信道不适合直接传输基带信号,具有带通性

      • 需要利用 基带信号 去调制成 载波信号
    • 在信道中把经过调制的载波信号实现将基带信号所携带的信息传输出去的方式为频带传输
    • 例如电话线不适合传输基带信号,计算机(传递的是基带信号)利用电话线上网。得经过一个modem调制成相应的频带信号
  • 调制方法

    • 调制解调器(MODEM)
  • 将调制 和 解调功能 做到一个设备上

  • 数字调制的三种基本形式

    • 调幅(AM)

      • 载波的振幅随数字基带信号变化
    • 调频(FM)

      • 载波频率随数字基带信号变化
    • 调相(PM)

      • 载波初始相位随着数字基带信号变化

  • 模拟信号传输的基础是 载波

  • 载波有三大要素

    • 幅度

    • 频率

    • 相位

三. 数据通信系统的性能

  • 数据通信系统的有效性指标

    • 带宽
    • 码元速率
    • 信息速率
    • 频带利用率
    • 衡量数据通信系统的可靠性指标主要有
      • 信躁比(信噪比越大,系统性能越好)
      • 误码率(越低越好,一般少于 10的-9此法)
        • 也就是说 传输 10 的9次方个比特,最多错一个
  • 模拟通信系统的有效指标

    • 带宽

      • 信道带宽
      • 信号传输带宽
    • 衡量可靠性
      • 信噪比
  • 数字通信系统的有效性

    • 传输速率

      • 码元速率
      • 信息速率
  • 可靠性

    • 频带利用率
  • 码元速率 RB,波特率

    • 数字系统中,用时间间隔相同的符号表示一个离散值,这个间隔称为码元
    • 按照一定的周期产生一个脉冲(码元)
    • 时间间隔为码元长度
    • 波特率
      • 每秒传送的码元数目
      • T表示码元长度
      • 单位秒

  • 信息速率,比特率

    • 每秒传送的二进制比特数,单位为 比特/秒 (bit/s,bps)
  • 码元和比特的关系

    • 一个二进制码元含有 1bit 信息量
    • 一个四进制码元(四种形式码元),携带有 2bit 的信息量(00,01,10,11)
      • 每一种码元就可以携带 2bit(分别对应四种码元)的信息量
    • 一个M进制码元 可以携带 Log2M比特 的信息量
      • Rb代表信息速率
      • RB代表码元速率

  • 频带利用率

    • 衡量数字通信系统的通信有效性
    • 为每赫兹所实现的传送速率
      • B为 带宽

  • 误码率和误比特率

    • 衡量数字通信系统的可靠性

    • 一般小于 10的负9次方

  • 信道极限信息传输速率(香农公式)这是有噪声干扰情况下的信息传输速率

    • C:极限信息传输速率
    • W:信道带宽
    • S:信号平均功率
    • N:高斯噪声功率
    • S/N 就是信躁比

四. 传输信道

  • 信道是通信系统中连接发送端和接收端 的通信设备

1. 有线信道

  • 架空明线

    • 优点

      • 传输损耗低,适合长距离
    • 缺点

      • 易受天气和外界干扰,带宽有限

  • 双绞线

    • 两根铜线绞合在一起
    • 非屏蔽双绞线(UTP)
    • 屏蔽双绞线(STP)贵一点
    • 主要用于基带传输,以太网
  • 同轴电缆

    • 导体和屏蔽层共用同一轴心的电缆
    • 基带同轴电缆
      • 传统总线型以太网
    • 宽带同轴电缆
      • 有线电视
    • 主要用于频带传输,带宽高达1GHz
    • 早期共享式局域网采用同轴电缆,已经被双绞线代替
  • 光纤

    • 损耗低,频带宽,抗腐蚀
    • 进入纤芯的光在两层的边界产生反射
    • 阶跃型光纤:光波只在边界发生折射
    • 梯度型光纤:折射率沿着半径增大的方向逐渐减少
    • 光纤分为
      • 多模光纤:发光二极管
      • 单模光纤:光源采用激光

2. 无线信道

  • 利用电磁波在空间的传播来传输信号
  • 为了避免相互干扰,国际电信联盟ITU制定相关协议

五. 数据通信中的编码

  • 数据编码

    • 二进制数据 转变成 合适的电磁波信号的转变过程
    • 数据编码的方法分为
      • 模拟数据编码
      • 数字数据编码

1. 模拟数据编码

  • 将计算机的二进制数字信号 转换为 模拟信号

  • 调制

    • 在发送端将 数字信号 变为 模拟信号的过程
    • 基本思想
      • 通过载波信号的振幅,频率和初始相位这3个参数来表示0和1两种字符
      • 从而实现将数字信号变换为模拟信号
  • 解调

    • 在接收端 将模拟信号变为 数字信号的过程
  • 载波

    • 能在模拟信道中传输的模拟信号

  • 振幅键控(ASK)

    • 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 0 和 1
    • 例如 振幅 为A 表示数字 1
    • 振幅为0 表示数字 0

  • 相移键控(PSK)

    • 改变 初始相位 来表示数字信号 1 和 0
  • 频移键控(FSK)

    • 通过改变 频率 来表示数字信号 1 和 0

2. 数字数据编码

  • 将原始的二进制数据(高低电平)变成 数字脉冲序列(离散的高低电平)实现基带传输的方法

  • 单极不归零码(NRZ)

    • 易于产生,不适合长距离传输

    • 一般用于计算机内部短距离通信

      • 使用 0 :零电平
      • 使用 1 :正电平
    • 单极性

      • 脉冲幅值只有一个级性
    • 不归零

      • 脉冲持续期间,电平保持不变,结束时也不必回归 0 电平

  • 双极性不归零码

    • 0:负电平

    • 1:正电平

    • ITU-T的V.24接口和 EIA的RS-232C接口标准都采用 双极不归零码

    • 有利于在信道中传输,抗干扰能力强

  • 单极归零码

    • 0:零电平
    • 1:正电平
    • 与单极不归零码不同,在每个正脉冲持续期中间时刻,需要从正电平回到零电平
  • 双极归零码

    • 0:负电平,且在 中间时刻电平 由 负电平 回到 零电平
    • 1:正电平,且在 中间时刻电平 由 正电平 回到 零电平

  • 差分码

    • 0:相邻电平无跳变
    • 1:相邻电平有跳变
  • 双相码,曼彻斯特码

    • 0:中间时刻,由负电平跳到正电平
    • 1:中间时刻,由正电平跳到负电平
  • 差分曼彻斯特码

    • 每个比特中间都有跳变,用于同步
    • 0:开始处无跳变
    • 1:开始处有跳变

  • 多元码

    • 将二进制数据映射为多进制信号
    • 实现高速数据传输,提高系统的频带利用率

3. 模拟信号的数字编码

  • 将模拟信号转换为数字信号,便于在数字通信系统传输

  • AD转换要经过三个环节

    • 采样

      • 按周期采集模拟信号的瞬间值
    • 量化
      • 将瞬间值用数值表达出来
    • 编码
      • 将数值变为一组二进制码
    • 例如将模拟信号 f(t),在t=1T,2T,3T…时刻采样
    • 得到瞬间值 f(t) = 5.2,将其取整量化 5
    • 最后对 5 进行 3位二进制编码得到 101
  • 抽样定理

    • 假设模拟信号的频率范围是 fl ~ fh,则信号带宽B = fh - fl

      • 若B>fl,为低通信号
      • B<=fl ,为带通信号
    • 低通抽样定理

      • 对于一个频带有限模拟信号 f(t),假设频带为(0,fh),若以 抽样频率 fs >= 2fh
      • 则信号 f(t) 将被抽样值完全确定。采样的结果可以完全的还原原来的信号
    • 带通抽样定理

      • fs = 2B(1+k/n)
      • n为 fs/B 整数部分
      • k为 fh/B 小数部分
  • 脉冲编码调制

    • 指定有限个 量化电平 ,把抽样值用最接近的电平表示
    • 根据 量化间隔 是否相等,分为
      • 均匀量化

        • 取值域等间隔分割
      • 非均匀量化
        • 量化值 随着抽样值的变化而变化
  • 编码

    • 采样信号经过量化得到有限个信号电平,将这些电平用二进制组表示
    • 自然二进制码
    • 折叠二进制码
      • 最高位为0,其他位取反
      • 最高位为1,其他位不变

六. 复用技术

1. 多路复用技术

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

2. 频分多路复用(FDM)

  • 频域内将信道带宽划分为多个子信道,利用载波调制技术,将原始信号调制到各个对应的子信道载波信号上

  • 整个物理信道内频谱不重叠,达到共用一个信道

  • 优点

    • 分路方便,有线和微波通信系统中应用广泛
    • 电话线上网的宽带网络
  • 缺点
    • 各路信号互相干扰(串扰
    • 不提供差错控制技术,不便于性能监测

3. 时分多路复用(TDM)

  • 时域内划分多个等长的时隙,每个信号占有不同的时隙,在时域上不重叠,共用一个信道

  • 优点

    • 便于信号的数字化
    • 生产成本低
    • 制造调试容易
  • 同步时分多路复用(STDM)

    • 按照固定顺序把时隙分配给各路信号

      • 假设一共有n路时隙,将第一个时隙分配给第一路信号,第二个时隙分配给第二路信号,第n个时隙分配给第n路信号
      • 然后再将第n+1给时隙分配给第一路信号,第n+2时隙分配给第二路信号
      • 如此循环,发送端以n个时隙为一个周期,分别将n路循环的采样构成一共时分复用帧
      • 接收端只需要采用完全相同的接收顺序,即可将多路信号分割,还原
      • 每一个帧的时隙是固定的,各个时隙不可互相转让
      • 会造成时隙的浪费

  • 异步时分多路复用(ATDM)

    • 大量数据发送的用户分配较多的时隙

    • 少量数据发送的分配相对较少的时隙

    • 没有数据的用户就不再分配

    • 时隙与各路信号之间没有固定的关系

    • 需要携带地址信息

  • 优点

    • 提高了设备的利用率
    • 应用于高速远程通信
  • 缺点

    • 技术复杂性较高
    • 需要传输用户标识
  • 典型的TDM

    • 时分制多路电话通信系统

      • 通过PCM对模拟信号进行数字化编码
      • 将多个话路的PCM话音数据用TDM的方法组装成帧
      • 每个时隙承载一路PCM信号
    • 对于时分制多路电话通信系统制定的标准
      • ITU 针对 同步数字体系PDH,制定了两个建议

        • 我国及欧洲地区采用 E体系
        • 北美,日本等采用 I体系
    • E1载波:2.048Mbps
    • T1载波:1.544Mbps

4. 波分多路复用(WDM)

  • 本质也是 频分复用

  • 一般用于光纤传输中

  • 只是因为在光纤通信中,光波频率很高,通常用光的波长来讨论

  • 波分复用

    • 在一根光纤中传输多种不同波长的光信号
    • 波长不同,各路信号互不干扰,最后使用 波长解复用器 将各路光载波分解出来

5. 码分多路复用(CDM)

  • 在编码域上划分,利用更长的互相正交的码组分别编码各路原始信息的每个码元,使得编码后的信号在同一信道中传输

  • 码片序列

    • 在码分系统中,每个通信站点分配唯一一个的N为码组S
  • 每个站点在发送数据时,利用自己的码片序列对原始码元序列进行编码

    • 当发送+1时,就发送码片序列
    • 发送-1时,就发送码片序列的反码
  • 接收处理

    • 接收端需要接收 站点i 的时候

    • 获取该站点的码片序列Si

    • 然后在一个码片周期内

    • 提取站点i发送的1bit原始信息

      • 运行结果为 1 ,表明站点 i 发送了一位 1

      • 结果为 -1,表明站点 i 发送了一位 -1

      • 结果为0,则没有发送数据

      • p为原始数据

七. 差错控制计算

1. 差错控制的基本方式

  • 典型的差错控制方式有四种

    • 检错丢弃
    • 检错重发
    • 前向纠错
    • 反馈校验
  • 检错重发

    • 对于出错的数据,接收端自动请求发送端重发该数据加以纠正,直到正确

    • 称为自动请求重传方式(ARQ)

      • 停止-等待ARQ
      • 回退N步ARQ
      • 选择性重传ARQ
    • 停止-等待ARQ

      • 优点

        • 简单,所需缓存储存空间小
      • 缺点

        • 信道效率低
      • 经过差错编码的数据包发送完之后,发送端等待接收状态反馈确认

      • 如果接收端正确收到数据包,则向 放送端 发送正确接收确认ACK

      • 发送端继续发送数据包,如果接收端收到的有错误,则丢弃该数据包,并向发送端 发送 差错反馈 NAK,发送端重新发送数据包

    • 回退N步(GBN)ARQ

      • 对发送端的缓存能力要求高,接收端缓存能力较低

      • 如果误码率低的情况下,信道利用率会大大提高

      • 误码率高则造成大量信道传输能力的浪费

      • 发送端 可以 连续发送多个数据包,每个数据包都要有 唯一的编号

      • 接收端 收到利用 差错编码进行检测,无误的进行 正确接收

      • 有差错的会被丢弃,并进行差错反馈,发送 NAKn

        • 其中 n 为数据包编号
      • 发送了 NAKn 后,接收端暂停接收,直到收到重新发送并且正确的 NAKn

      • 发送方收到 NAKn时,要重新发送n号数据包以及后续的数据包

    • 选择性重传ARQ

      • 特点

        • 对于收发两端都需要有较大的缓存能力
        • 与 回退N步ARQ相比,减少了重传开销
      • 发送端 连续发送多个数据包,每个数据包确保唯一编号

      • 接收端对于无差错的数据包进行正常接收

      • 丢弃差错数据包,并 发送 NAKn 进行差错反馈

      • 对于 n 号数据包之后的到达的数据包 进行缓存

      • 直到收到重发正确的 n 号数据包,再依次接收

      • 发送端在收到 NAKn 时,只需要重新发送 n 号数据包即可

  • 前后纠错

    • 接收端进行差错纠正的一种差错控制方法
    • 适用于单工数据通信系统(多媒体实时通信系统)
  • 反馈校验

    • 接收端将收到的数据原封不动的发给发送端
    • 原理简单,易于实现
    • 传输效率低,实时性差
  • 检错丢弃

    • 不纠正出错的数据,直接丢弃错误数据
    • 适用于可以允许存在一定比例的差错存在,对实时性要求较高的系统

2. 差错编码

  • 按照差错编码的纠错/检错能力划分

    • 检错码
    • 纠错码
  • 按照差错编码 冗余信息 和 数据信息分组映射关系 划分

    • 分组码
    • 卷积码
  • 按照数据信息是否发生变化

    • 系统码
    • 非系统码
  • 按照检错/纠错类型划分

    • 随机错误检错/纠正码
    • 突发错误检错/纠正码
  • 奇偶校验码

    • 优点

      • 编码简单
      • 开销小
      • 效率高
    • 缺点

      • 无法进行错误校正
      • 检错率不高
    • 奇校验

      • 1位冗余比特的取值位 0 或者 1
      • 使得编码后码字中1 的个数为 奇数
    • 偶校验

      • 1位冗余比特的取值为 0或者1
      • 使编码后码字中的 1 的个数为 偶数

八. 交换技术

  • 通过一个由多个节点组成的中间网络来将数据从源点发送到目的点

  • 从而实现双方的通信,这个中间网络只负责提供交换功能

  • 这个中间网络称为交换网络,节点称为中间节点

  • 交换节点和传输介质的集合称为 通信子网

  • 常见的交换方式

    • 电路交换
    • 存储-转发
      • 报文交换
      • 分组交换

1. 电路交换

  • 通过中间交换节点在两个通信设备之间建立一条专用的通信线路
  • 适用于语音和视频这类实时性强的业务
    • 电话网络就是电路交换网络的典型例子

      • 一个人想给另外一个打电话
      • 在打电话之前要建立一个发送方与接收方之间的连接(拨号过程)
      • 这个连接要求发接双方之间沿途所有的交换机都为该连接维护状态信息
      • 此连接称为电路
  • 利用电路交换进行通信包括三个阶段
    • 建立电路

      • 传输数据之前,必须建立一条端对端的物理连接
      • 这个连接过程就是一个个节点的接续过程
    • 传输数据
      • 电路建立之后即可进行数据传输了
      • 数据既可以是数字数据,也可以模拟数据
      • 传输既可以是全双工也可以是单工的
      • 发送主机与接收主机会存在一条独占的物理线路为本次通信服务
      • 本次通信结束之前,资源不能被其他主机使用
    • 拆除电路
      • 数据传输结束之后,要拆除该物理链路
      • 该动作可以由任何一方发起

2. 报文交换

  • 报文的工作过程

    • 发送方把要发送的信息附加上,收 发主机的地址及其其他控制信息
    • 构成一个完整的报文
  • 从源节点到目的节点以报文为单位采用 存储-转发 的方式,转发报文时 占用一段通道

  • 一个报文在每个节点的延迟时间

    • 等于接收报文所需的时间加上一个向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和
  • 典型应用

    • 谍战时期的电报

3. 分组交换

  • 是报文交换的一种改进,每个分组的长度有上限,使每个节点所需的存储能力减低

  • 分组可以存储到内存中,提高了交换速度

  • 将报文分成若干分组,每个分组独立的以 存储-转发 方式从源节点传送到目的节点

  • 在传输的目的点再重新组合成完整的数据

  • 适用于交互式通信(终端与主机通信)

  • 虚电路交换技术

    • 与电路交换的区别

      • 相同点

        • 两者都是面向连接的,数据按照正确的顺序发送
        • 连接建立阶段都需要额外开销
      • 不同点
        • 电路交换提供稳定的传输速率 和 延迟时间
        • 虚电路的传输速率 与 延迟时间取决于以下几个因素
          • 分组队列长度
          • 产生数据的速率
          • 共享同一网的其他用户的负荷
    • 先建立一条逻辑通路,每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符

    • 不再需要路由选择判定

    • 分组在每个节点上仍然需要缓冲,并在线路上进行排队等待输出

    • 分组走的线路是固定的一条

  • 数据报分组交换

    • 属于无连接业务

    • 每个分组的传送被单独处理,每个数据报自身携带地址信息

    • 由不同路径通过资源子网

    • 不能保证各个数据按序到达

    • 整个过程没有虚电路建立,但要为每个数据报做路由选择

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