数据通信基础）

Posted 2022-12-04 fadeless_3

目录

• 一、数据通信基础（物理层面）
• • 1.信道特性
  • • （1）信道带宽
    • （2）码元、波特率、数据速率、数字信道宽带
    • （3）误码率、信道延迟
  • 2.传送介质
  • • （1）双绞线
    • （2）同轴电缆
    • （3）光纤
    • （4）串口电缆（HCIA知识点）
    • （5）无线信道
  • 3.数据编码
  • • （1）单极性码
    • （2）极性码
    • （3）双极性码
    • （4）归零码
    • （５）双相码（一种自定义标准）
    • （６）不归零码
    • （７）曼切斯特编码（双相码的一种）
    • （8）差分曼切斯特编码(双相码的一种)
    • （9）多电平编码
    • （10）4B/5B编码
  • 4.数字调制技术(数字数据->模拟信号)
  • • (1)调幅(幅度键控ASK)
    • (2)调频(频移键控FSK)
    • (3)调相(相移键控PSK)
    • (3)正交调幅(QAM)
  • 5.脉冲编码调制(PCM)(模拟数据->数字信号)
  • • (1)采样
    • (2)量化
    • (3)编码
  • 6.通信方式和交换方式
  • • (1)按通信方向分
    • • 1)单工
      • 2)半双工
      • 3)全双工
    • (2)按同步方式分
    • • 1)同步传输
      • 2)异步传输
    • (1)电路交换（==建立专线==）
    • • 1)建立线路
      • 2)数据传输
      • 3)释放线路
    • (2)报文交换
    • (3)分组交换
    • • 1)数据报（类似于报文交换）
      • 2)虚电路（类似电路交换）
  • 7.多路复用技术
  • • （1）频分多路复用（FDM）
    • （2）时分多路复用（TDM）
    • （3）波分多路复用（WDM）
    • （4）码分多路复用（CDMA）
    • （5）数字传输系统
    • • 1）T1载波
      • 2）E1载波
    • （6）同步数字系列
    • • 1)同步光纤网SONET（美国标准）
      • 2)同步数字系列SDH（国际标准）
  • 8.差错控制
  • • （1）奇偶校验
    • • 1）水平奇偶校验码
      • 2）垂直奇偶校验码
      • 3）水平垂直奇偶校验码
    • （2）海明码
    • （3）循环冗余校验码（CRC）

一、数据通信基础（物理层面）

1.信道特性

（1）信道带宽

(信道带宽)W=f2(最高频率)-f1(最低频率）

（2）码元、波特率、数据速率、数字信道宽带

（码元速率）B=1/T(信号码元宽度)=2W(无噪声信道的带宽)(尼奎斯特定理)

无噪声的信道的极限数据速率为R=B log₂N=2W log₂N

有噪声的信道的极限数据速率为C=W log₂（1+S/N）（香农定理）

W为信道带宽
S为信号的平均功率
N为噪声的平均功率
S/N为信噪比

（3）误码率、信道延迟

误码率：传输二进制时出错的概率（一般要求误码率低于10^-6 平均1兆位错1位）

P_c =N_c （出错的位数）/ N（传送的总位数）

信道延迟：是信源（起点）到信宿（终点）需要的时间

信道中的传送过程：

（信源—>变换—>信道—>变换—>信宿）

2.传送介质

（1）双绞线

由粗约1mm的相互绝缘的一对铜导线扭在一起组成，对称均匀的绞扭能减少线对电磁的干扰。

大量运用于传统的电话系统中。

双绞线分为：1.屏蔽双绞线2.非屏蔽双绞线

568A的排线顺序：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕
568B的排线顺序：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕
接口为RJ45（又称水晶头）

直通线（用于不同种设备相连）的两端排线：568B-568B
交叉线（用于同种设备相连）的两端排线：568A-568B
反转线（用于交换机和路由器的COM口，管理口）的两端排线：两端顺序完全相反

（2）同轴电缆

芯线是铜线导线

外包一层绝缘材料

在外面是由细铜丝组成的网状导体

最外面加一层塑料保护膜

（简称：两导两隔绝）

具有高宽带和较好的噪声抑制特性。

在局域网常用的同轴电缆有两种：
1.特性阻抗为50Ω，用于传输数字信号，叫做基带同轴电缆
2.特性阻抗为75Ω的CATV电缆，用于传输模拟信号，叫做宽带同轴电缆

最大传输速率为10M

（3）光纤

产生的是光信号

接口分为ST，FC，SC，LC

光纤又分为两种：
1.单模光纤（亮黄色）
2.多模光纤（橙黄色），由于光波以多种模式传播，不适用于远距离传播

（4）串口电缆（HCIA知识点）

RS-232接口（COM口，管理口） 6米（不适用于远距离）
V.24 和V.35使用于较远的距离，用于帧中继以及ATM异步传输网
最大传输速率2M

（5）无线信道

5.1微波通信系统可分为1.地面微波系统 2.卫星微波系统
频段一般为1~11GHz。
优点：带宽高、容量大、天线小便于安装和移动。
缺点：容易受电磁干扰，微波通信相互也存在干扰，微波信号容易被大气层中的雨雪吸收。
卫星微波系统中，信号时延也比较大

5.2红外传输系统，利用墙壁或屋顶红外线，从而形成整个房间内的广播通信系统
优点：设备相对便宜，带宽高
缺点：传输距离有限，且易受室内空气状态的影响。

5.3无线电短波通信使用甚高频和超高频的电视广播频段。
优点：通信设备比较便宜，便于移动，没有方向性
缺点：容易受到电磁干扰和地形地貌的影响，且带宽比微波通信小

3.数据编码

（1）单极性码

用正的（或负的）电压表示数据

【有电压时表示二进制数字0，用0V表示二进制数字1】

缺：需要单独的是时钟信号配合定时，抗噪声特性也不好

（2）极性码

用正负电压表示二进制数0和1

【如：+3V为0，-3V为1】

代码抗干扰性好，但仍需要另外的时钟信号

（3）双极性码

信号在3个电平（正、负、零）之间变化
【数字流为０，电平为零电平，数字流为１时，正负电平之间交替翻转】
典型的双极性码是信号交替反转编码（AMI）

使用三进制信号编码方法，与二进制相比抗噪特性更好。

（4）归零码

码元中间的信号回归到0电平，因此任意两个码元之间被0电平隔开。
【即是：一个码元包含（正/付电平+零电平）】

优：有较好噪声抑制性

（５）双相码（一种自定义标准）

要求每一位码元中都有一个电平转换

有检测错误的功能

（６）不归零码

【当１出现时电平翻转，当０出现时电平不翻转（即是保持不变）】
区别１和０的是否电平翻转。这种代码也叫差分码，用在终端到调制解调器的接口中。

（７）曼切斯特编码（双相码的一种）

【高电平到低电平的转换为０，低电平到高电平的转换为１，码元中间转换边既表示数据代码，也作为定时信号使用。(即是一个码元包含高电平和低电平)】

这种编码用在以太网中。

（8）差分曼切斯特编码(双相码的一种)

【不归零码的(电平翻转)相反特性+曼切斯特的码元单位】

（9）多电平编码

这种编码可取多个电平之一,每个码元代码几个二进制。

如:表示码元的脉冲取4个电平之一,则一个码元可表示两个二进制位.

（10）4B/5B编码

数据流4位(即是4bit)作为一个组,然后按照编码规则将其转换成相应的5位码.

该编码属于自同步编码方式,无论4位数据为何种组合(含全0情况),所转换成5位码中至少有两个"1",既保证在传输过程中码元至少发生两次跳变,从而保证接收端同步时钟的提取.(效率为80%)

快速以太网(100Base-T)和光纤分布式接口(FDDI)都采用4B/5B编码方式

4.数字调制技术(数字数据->模拟信号)

(1)调幅(幅度键控ASK)

将不同的数据信息1和0调制成不同幅度但相同频率的载波信号.

(即是 : 调整载波信号的显示高低程度)

(2)调频(频移键控FSK)

将不同的数据信息1和0调制成相同幅度但不同频率的载波信号.

(即是 : 调整载波信号的显示宽窄程度)

(3)调相(相移键控PSK)

利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值,此时的幅度和频率均保持不变.

(判断前后部分的载波信号是否相同)

(3)正交调幅(QAM)

其基本方法是将发送数据流分成两路,分别对正弦载波和余弦载波进行数字条幅,然后相加传输.

如果每路载波的幅度有n个不同幅度,则QAM信号的星座图上有$n^2$个状态点.

优 : 这种方式的频谱利用率可以做得很高,设备也不太复杂.

缺 : 但是,当它得信号状态数很多时,则对信道的线性和非线性失真变得十分敏感,需要采用多种措施来对抗.

5.脉冲编码调制(PCM)(模拟数据->数字信号)

(1)采样

采样技术依据尼奎尔特采样定理:如果采样速率大于模拟信号最高频率的两倍,则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号

如:数字语音的采样频率定义为8kHz,这是因为语音信号定义的频率最高值为4kHz
(即是 : 采样频率=模拟信号频率*2)

(2)量化

对采样的模拟新型号进行取整量化->得到离散信号的具体数值

量化级越高,离散信号的值精度越高

(3)编码

将量化后的样本值变成相应的二进制码.当量化级为N时,二进制位数位$log2(N)$.

6.通信方式和交换方式

(1)按通信方向分

1)单工

单向通信

2)半双工

双向通信,但每次通信只能是一个方向的

3)全双工

双向通信,且可以同时进行收发通信

(2)按同步方式分

1)同步传输

发送数据前先发SYNC,对方收到连续两个以上的STNC字符就确认已进入同步状态,准备接受信息
之后双方在同一频率下工作

2)异步传输

字符前后分别插入起始位(“0”)和停止位(“1”).

起始位对接收方的时钟起置位作用.(提醒对方要收数据了)

停止位告诉接收方该字符传输结束(提醒对方数据发完了).然后可以检测后续字符的起始位了

(1)电路交换（建立专线）

1)建立线路

通过中间（多个）节点传输请求至终点。线路一旦被分配，在未被释放之前，其他站点将无法使用。

2)数据传输

在建立物理线路上，发送方和接收方进行数据传输

3)释放线路

数据传输完毕后，执行释放线路的动作。

线路被释放之后，进入空闲状态，可供其他站点通信使用。

(2)报文交换

也称储存-转发交换，其中传输的交换节点需要有足够大的储存空间，用以缓冲收到的长报文。
交换节点对各个方向上收到的报文排队，并寻找下一个转发节点，然后在转发出去，这些都带来了排队等待延迟。

(3)分组交换

1)数据报（类似于报文交换）

到达顺序可能与发送的顺序不一致，所以要在目标主机上要进行分组重新排序。

这需要发送端有分组拆装设备对信息进行分组和编号，
而在接受端需要有拆装设备对收到的分组去头去尾并重新排序。

数据报方式适合于单向地传送消息。

2)虚电路（类似电路交换）

发送端和接受端建立逻辑连接，但逻辑连接允许别的通信使用这条线路。可以共享。

使用于交互式通信。

7.多路复用技术

（1）频分多路复用（FDM）

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。

该技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，利用载波调制技术实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道允许的范围内实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。为了防止相互干扰，子信道间有一定的隔离频带。（多条跑道防止运动员相互干扰）

（2）时分多路复用（TDM）

用于数字信道的复用

当物理信道可支持的位传输速率超过单个原始信号要求的数据传输速率时，可以将该物理划分成若干时间片，并将各个时间片轮流分配给多路信号，使得他们在时间上不重叠。时间片的宽度可以容纳一位、一个字节或一个固定大小的数据块。（类似公交座位，同一时间只有固定大小的座位，且同一时间只有一位乘客）

（3）波分多路复用（WDM）

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。因此，要使用能够对光波进行分解和合成的多路器。

（4）码分多路复用（CDMA）

也称码分多址，是一种扩频多址的数字通信技术。在CDMA系统中，每个移动站都有相互正交的一个码片（chip），当发送码片序列表示1，当发送码片序列的反码表示0。其典型的应用是3G技术。

（5）数字传输系统

1）T1载波

北美和日本广泛使用
把24路按时分多路的原理在一个（总速率）1.544Mb/s的高速信道上。

每路7位数据位和1位信令位，周期位125微秒

8x24=192位长的数字串。这192位组成一帧，再加入一个帧同步位，故帧长193位。

传输数据速率=7b/125微秒=56Kb/s

传输控制信息=1b/125微秒=8K/s

总的速率=193b/125微秒=1.544Mb/s

2）E1载波

在北美和日本以外的国家中使用（欧洲标准）

该载波把一个时分复用帧（其长度T=125微秒）共划分为32个相等时隙，每个时隙8位，时隙的编号为CH0~CH31，其中时隙CH0用作帧同步，CH16用作传送信令，其他30个时隙用作话路。

E1信道的传输速率=8x32b/125微秒=2.048Mb/s

E2由4个E1载波组成，数据速率为8.448Mb/s
E3由4个E2载波组成，数据速率为34.368Mb/s
E4————————————— 139.24Mb/s
E5————————————— 565.148Mb/s

（6）同步数字系列

1)同步光纤网SONET（美国标准）

传输速率=51.840Mb/s
（此速率对电信号称为第一级同步传送信号，即STS-1）
（此速率对光信号称为第一级光载波，即OC-1）

2)同步数字系列SDH（国际标准）

是以美国标准SONET为标准制定的。

基本速率=155.52Mb/s
（称为第一同步传递模块，即STM-1
相当于SONET体系的OC-3速率（3倍速率））

8.差错控制

（1）奇偶校验

1）水平奇偶校验码

7位ASCII代码+1位，使码字的“1”的个数为奇数或偶数

异步传输方式中采用偶校验
同步传输方式中采用奇校验
(异偶同奇)

2）垂直奇偶校验码

将被传输的信心进行分组，并排列为若干行和列。
组中每个字符的相同位进行奇偶校验，最终由校验位形成的校验字符，并附加载信息组之后传输。

3）水平垂直奇偶校验码

水平奇偶校验特性+垂直奇偶效验特性

（2）海明码

$$m(数据位)+k(冗余校验位)+1<=2^k$$

如果任意码字之间的海明码距离是d，则所有少于d-1位的错误都可以检查出来，所有d/2位的错误都可以纠正。

对于某种长度的错误串，要纠正它就要用比仅仅检测它多一倍的冗余位。

（3）循环冗余校验码（CRC）

在局域网中广泛应用

$$N（码字长度）=K（信息字段）+R（校验码字段）$$

根据生成多项式的最高次幂，对原始报文添0，然后再用添0后的原始报文除以生成多项式的二进制数。（其中二进制采用“模2除法”）

（“模2除法”与“算术除法”类似，但它既不向上位借位，也不比较除数和被除数的相同位数值的大小，只要以相同位数进行相除即可。模2加法运算为：1+1=0，0+1=1，0+0=0，无进位，也无借位；模2减法运算为：1-1=0，0-1=1，1-0=1，0-0=0，也无进位，无借位。相当于二进制中的逻辑异或运算。也就是比较后，两者对应位相同则结果为“0”，不同则结果为“1”。）

如：例题（2016年下半年试题28）
在采用CRC校验时，若生成多项式G（x）=$X^5$+$X^2$+$X$+1,传输数据为1 0111 1001 0101时，生成的帧校验序列为_C__.
A)10101 B)01101 C)00000 D)11100

解释：根据题目将生成多项式G（x）=$X^5$+$X^2$+$X$+1转换成二进制形式100111，然后对原始报文进行添0操作，由于生成多项式的报文最高次幂为5，所以添加5个0，即是1 0111 1001 0101 00000，然后用这个添0后的原始报文作被除数，生成多项式作为除数进行运算。最后结果为00000.

推荐的CRC生成多项式g（x）为
CRC12=$x^{12}$+$x^{11}$+$x^3$+$x^2$+$x^1$+1 R=12
CRC16=$x^{16}$+$x^{15}$+$x^2$+1 R=16 IBM专用
CRC16=$x^{16}$+$x^{12}$+$x^5$+1 R=16 CCITT专用
CRC132=$x^{32}$+$x^{26}$+$x^{23}$+$x^{22}$+$x^{16}$+$x^{12}$+$x^{11}$+$x^{10}$+$x^8$+$x^7$+$x^5$+$x^4$+$x^2$+$x^1$+1 R=32 LAN中常用