数据通信基础

5. 数据通信基础

5.1. 数据通信系统的模型

5.1.1. 通信术语

模拟信号：是在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

数字信号：是信息用若干个明确定义的离散值表示的时间离散信号。

码元：单位时间内信号波形的变换次数。

5.1.2. 数据通信系统的模型

奈奎斯特定理（在无噪声干扰的信道上传输） 数据速率：

：信道带宽；单位是（）

：最大码元速率（波特率）

极限数据速率 （单位 ）：

香农定理（在有噪声干扰的信道上传输） 数据速率：

：极限数据速率（）

：信道带宽；单位是（）

使用香农定理时，由于 （信噪比）的比率通常过大，因此通常使用分贝数 来表示。

分贝与信噪比的关系：

例如，当 时，分贝表示是 30 ，带宽为 3，此时极限速率 为：

5.2. 调制技术-模拟信道传送数字数据

调制技术	说明	码元种类	比特位	特点
ASK（幅移键控）	用恒定的载波振幅值表示一个数，（通常是1），无载波表示另一个数。	2	1	实现简单，但抗干扰性差，效率低（典型数据率为1200bps）
FSK（频移键控）	由载波频率（）附近的两个频率（、）表示两个不同值，恰好为中值。	2	1	抗干扰性较ASK更强，但占用带宽较大，（典型数据率为1200bps）
PSK（相移键控）	用载波的相位偏移来表示数据值	2	2	抗干扰性最好，而且相位的变化可以作为定时信息来同步时钟。
4DPSK	四差分相移键控	4	2	每90 °表示一种状态。
QPSK	正交相移键控	4	2	每90 °表示一种状态。
MQAM	正交幅度调制			相位和幅度联合键控的调制方式。

5.3. 调制技术-数字信道传送模拟数据

PCM脉冲编码调制技术：采样，量化和编码。

• 采样：每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。（奈奎斯特采样定律：采样频率大于模拟信号的最高频率的2倍）

• 量化：用多少位的二进制值来表示这个样本。

• 编码：把各个样本串接起来，用编码。

5.4. 数字编码与编码效率-基本编码

单极性码：只有一个极性，正电平为0，零电平为1 ;

极性码：两个极性，正电平为0，负电平为1 ;

双极性码：零电平为0，正负电平交替翻转表示1，这种编码不能定时，需要引入时钟。

归零码：码元中间信号回归到零电平，正电平到零电平转换边为0，负电平到零电平的转换边为1 。这种码元自定时。

不归零码：码元中间信号不归零，1 表示电平翻转，0 不翻转。

双相码：低到高表示0，高到底表示1。这种编码抗干扰性好，实现自同步。

曼彻斯特码：低到高表示0，高到低表示1。相反亦可。码元中间电平转换既表示数据，又做定时信号。用于以太网编码，常用于10M以太网，编码效率为50%。

差分曼彻斯特码：比较始末电平。下一个起始电平与上一个终止电平一样表示1，反之表示0。编码效率为50%。

5.5. 数字编码与编码效率

编码方案	说明	效率	典型应用
4B/5B	每次对4位数据进行编码，将其转化为5位符号	1.25波特/位，即80%	百兆以太网，如100Base-FX，100Base-TX，FDDI
8B/10B	每次对8位数据进行编码，将其转化为10位符号	1.25波特/位，即80%	千兆以太网
8B/6T	8bit映射为6个三进制位	0.75波特/位	100Base-T4

5.6. 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。它可以有效地提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。

空分复用（SDM）：让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，称之为空分复用，比如在卫星通信中就使用该技术。

频分多路复用（FDM）：在同一物理连接上使用多个不同频率的模拟载波信号进行多路传输。

时分多路复用（TDM）：在同—物理连接的不同时段来传输不同的信号。

波分多路复用（WDM）： 在同—根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术。

码分多路复用（CDM）：依靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。

5.6.1. 常见复用标准

名称	原理与组成	应用场景
E1载波	采用同步时分复用技术将30个话音信道（64K）和两个控制信道CHO，CH16（64K）复合在一条2.048Mbps的高速信道上	欧洲发起，除美，日外多用
E2	8.488Mbps	相当于 4E1
E3	34.368Mbps	相当于 4E2
E4	139.264Mbps	相当于 4E3
T1载波	采用同步时分复用技术将24个话音通路复合在一条1.544Mbps的高速信道上	美国和日本
T2（DS2）	由4个T1时分复用构成，达到6.312Mbps	美国
T3（DS3B）	由7个T2时分复用构成，达到44.736Mbps	美国
T4（DS4B）	由6个T2时分复用构成，达到274.176Mbps	美国

5.7. 通信方式

5.8. 差错控制

检错：检查出错误，不知道错误在哪。

纠错：检查出错误，知道错误是哪一位并加以纠正。

码距：一种编码两个码字间变化的二进制数字为码距。

最小码距： 一种编码中任意两个码字之间最少变化的二进制位数。

在一个码组内为了检测e个误码，要求最小码距应满足 d>=e+1

在一个码组内为了纠正e个误码，要求最小码距应满足 d>=2t+1

5.8.1. 奇偶校验

检错码 = 信息字段 + 校验字段

添加 1 位校验码，使码字中 1 的个数为奇数，则为奇校验。

添加 1 位校验码，使码字中 1 的个数为偶数，则为偶校验。

设要传送比特信息为 C1C2C3C4C5，其中校验字段 C6 取值 “0”或“1”，经过编码以后变成六比特编码码字，其中校验位 C6 应满足下列关系：

算式中的加法使模二加，上式的右边等于零称为偶校验，此时代表等式的左边含偶数个1；

上式的右边等于一称为奇校验，此时代表等式的左边含奇数个1；

5.8.2. 海明校验

海明码校验位为,信息位为,则它们之间的关系应满足：

原始信息为 101101 ，确定海明码校验位长为：

，可得到 为 4。

推导过程忽略。

5.8.3. CRC校验

要计算CRC校验码，需根据CRC生成多项式进行。

例如：原始报文为 11001010101，其生成多项式为 ，如图：

最后将0011填写到原始报文的后面。

步骤：

1. 原始信息后填 "0"，根据CRC生成多项式最高幂次填写，生成多项式为 ，所以在原始信息后填4个0。
2. 把生成多项式转换为二进制数表示形式，存在 x 幂次方则为1，不存在则为0。如 11011 就是根据 与 x 幂次方进行计算。
3. 利用模2除法进行计算。实际上就是二进制的异或运算。余数不足则在前面添加足够位数的 0 来补全。

网络协议	CRC位	应用点
HDLC	CRC16/CRC32	除帧标志位外的全帧
FR（帧中继）	CRC16	除帧标志位外的全帧
ATM	CRC8	帧头校验
以太网（802.3）	CRC32	帧头（不含前导和帧起始符）
令牌总线（802.4）	CRC32	帧头（不含前导和帧起始符）
令牌环（802.5）	CRC32	帧头（从帧控制字段到LLC）
FDDI	CRC32	帧头（从帧控制字段到INFO）