数据通信基础

1. 信道特性

1.1. 带宽

模拟带宽：W=f2-f1(最高频率-最低频率)

数字信道：能达到的最大传输速率bps

1.2. 数据传输速率

又称比特率

每秒传输的二进制数据位数，比特/秒（bit/s,bps）

1.3. 码元和码元速率

码元：一个固定时长的数字信号波形，该时长称为码元宽度

码元速率：每秒钟发送的码元数，单位波特（Baud），又称波特率

一个码元携带的信息量n（位）与码元的种类数N的关系为：n=log2N

1.4. 数据传输速率和码元速率关系

某数字传输系统码元状态为M，则该系统的数据传输速率C(单位bps)和码元速率B(单位Baud)的关系：C=B*log2M

1.5. 误码率

传输出错码元数Ne占传输总码元数N的比例

Pe=Ne/N

1.6. 传输延迟

信号在信道中传输，从源端到达宿端需要的时间

500m同轴电缆时延大约2.5ms，卫星通道大约270ms

1.7. 那奎斯特定理

理想信道中（无噪声），若信道带宽为W，则最大码元速率为B=2W(baud)，其速率取决于一码元携带的比特数

1.8. 香农理论

有噪声的极限数据速率计算(b/s)：C=W*log2(1+S/N)

W表示信道带宽，S表示信道内所传送信号的平均功率，N为信道内的噪声功率，S/N叫做信噪比

实际中S/N的比值太大，故取其分贝数(dB)，dB=10log10(S/N)

2. 传输介质

2.1. 双绞线

l STP(屏蔽)，UTP（非屏蔽）

l 3类：带宽10MHz，最高传输速率10Mbps，最大传输距离100 米

l 4类：带宽20MHz，最高传输速率16Mbps

l 5类：带宽100MHz，最高传输速率100Mbps（STP155Mbps），最大传输距离可达150 米（100Mbps里为100米）

l 超5类：带宽155MHz，最高传输速率155Mbps

l 6类：带宽200MHz，最高传输速率1000Mbps，最大传输100 米

2.2. 同轴电缆

l 特性阻抗为50欧姆的同轴电缆又称为基带同轴电缆，用于传输数字信号，主用于大型局域网

l 特性阻抗为75欧姆的CATV电缆，又称为宽带同轴电缆，用于传输模拟信号

2.3. 光缆

l 单模：传输一种模式的光，芯线10微米，传输距离长，规格类型OS1/OS2，一般为×××

l 多模：传输多钟模式的光，芯线50微米，传输距离短，规格类型OM1/2/3/4/5，一般为浅绿色

3. 数字编码

3.1. 单极性码

只用正负电压表示数据，高电压表示1，无电压表示0

3.2. 极性码

分别用正、负电压表示0和1，电平差较大，抗干扰能力较好

3.3. 双极性码

在三个电平（正负零）之间变化，典型的是信号交替反转编码(Altemate Mrak Inversion，AMI)

在AMI中，遇到1时使电平在正负之间交替，遇到0时保持零电平

抗噪声强，且有自检错能力，缺点当传送长串0时会失去同步信息

3.4. 不归零码

Not Return to Zero,NRZ，也叫差分码，用在终端到调制调解器的接口中

当出现1时电平翻转，当0出现时电平不翻转

3.5. 归零编码

Return Zero,RZ

码元中间的信号回归到零电平，从正电平到零电平表示0，从负电平到零电平表示1

解决了不归零编码收费双方无法保持同步的问题

3.6. 双相码

要求每一位中都有一个电平转换，具有自定时和检测错误的功能

曼彻斯特编码

每个比特中间均有一个跳变，由高电平向低电平跳变表示0，由低电平向高电平跳变表示1

既作为时钟信号，也作为数据信号

电平不发生变化的位称为非数据位，常用作传输数据块的控制符

常用于以太网

差分码彻斯特编码

与曼彻斯特编码区别是每比特中间的跳变仅做同步用，每比特二进制取值根据其开始的边界是否存在跳变来决定

每比特的开始有跳变代表0，无跳变代表1

用在令牌环网中

两种曼彻斯特编码特点

最大优点是将时钟和数据包含在信号数据流中，也称为自同步

缺点是编码效率低(50%)，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，对信道带宽提出了更高要求

如当传输速率为100Mbps时，需要200MHz的脉冲

3.7. 多电平编码

此编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表几个二进制位

如下码元的状态数为4，码元可取4个电平之一

与双相码相反，多电平码数据速率大于波特率提高了频带的利用率

3.8. 4B/5B编码

l 将欲发送的数据流每4bit作为一个组，每四位二进制代码由5位编码表示，这5位编码称为编码组，并且由NRZI方式传输

l 自同步编码，为了保证接收端能提取同步时钟，编码规则保证：无论4bits数据为何种组合，转成5bits后至少有两个1，既保证在传输过程中至少发生两次跳变，从而保证接收端同步时钟的提取

l 解决同步问题，具有检错功能，编码效率80%

l 以太网100Base-T和光纤分布式接口FDDI采用

4. 调制与编码

4.1. 调制

载波信号u(t)=A(t)sin(wt-φ),振幅A、角频率w,相位φ

ASK(幅度键控)

载波幅度A变化，频率w、相位φ保持不变

用载波的不同振幅表示0和1

FSK(移频键控)

载波频率w变化，幅度A、相位φ保持不变

用载波的不同频率表示0和1

PSK(移相键控)

载波相位φ变化，频率w、幅度A保持不变

用载波的起始相位变化表示0和1，分相对PSK和绝对PSK

QAM(正交调幅)

将振幅和相位变化结合

效率最高

基本方法：将发送的数据流分为两路，分部对正弦载波和余弦载波进行数字调幅，然后相加传输

4.2. 脉冲编码调制AD

将模拟数据转换为数字信号

PCM(脉码调制)，以奈奎斯采样定理为基础，包括取样/量化/编码

取样

模拟信号最高频率为fmax，以大于2fmax采样

量化

取样后由连续值舍入为离散值，离散值的个数决定量化的精度

编码

将量化后的样本值编程相应的二进制码

5. 数据交换技术

5.1. 按通信方向

单工通信

半双工通信

全双工通信

5.2. 按同步方式

同步

异步

5.3. 电路交换

数据传送之前需建立物理通道，线路释放前，通路一直被用户占有

分为电路建立、数据传输、电路拆除

5.4. 报文交换

存储转发

传送报文时只占用一段通路

交换节点缓冲存储，报文排队

5.5. 分组交换

数据包方式：每个分组独立处理，每个节点为每组单独选路

虚电路方式：数据传送前先建立一条逻辑连接

6. 复用技术

6.1. FDM频分多路复用

将可用传输频率范围分为多个较细的频带

每个频带最为独立信道分配给用户做数据传输子通道

主要用于无线电广播、CATV、ADSL

6.2. TDM时分多路复用

各个子通道按时间片轮流占用整个带宽

按子通道动态利用情况分为同步时分和统计时分

同步TDM采用固定时间片分配

T1/E1，SONET/SDH

T1载波

北美和日本广泛使用

1.54Mbps信道，按TDM分为24路语音信道（时隙）

每路7位数据位，1位信令位，周期125us

总共容纳8*24=192位长的数字串，组成一帧

每帧再加入一个帧同部位，帧长为193位

每路语音信道的速率：7b/125us=56Kbps

传输控制信息速率：1b/125us=8Kbps

总的速率：193b/125us=1.544Mbps

E1载波

其他国家使用

2.048Mbps信道，按TDM分为32路（时隙），CH0~CH31

CH0用作帧同步，CH16用作传送信令，剩余30个话路

总共容纳8*32=256bit，周期也是125us

总的速率：256b/125us=2.048Mbps

E2/E3/E4/E5

E2由4个E1组成，2.048*4=8.448Mbps

E3由4个E2组成，8.448*4=34.368Mbps

E4由4个E3组成，34.368*4=139.24Mbps

E5由4个E4组成，139.24*4=565.148Mbps

SONET

同步光纤网，美国标准

各级时钟都来自一个非常精确的主时钟

定义了同步传输的线路速率等级结构，以51.840Mb/s为基础，对于电信号称为STS-1，对于光信号称为OC-1

SDH

同步数字系列，ITU-T以SONET为基础制定的国际标准

基本速率155.52Mb/s,称为第一级同步传递模块STM-1

6.3. WDM波分多路复用

光纤信道上使用FDM的变种

将不同信道的信号调制成不同波长的光，复用到光纤信道上

6.4. CDMA码分多路复用

也叫码分多址，扩频多址的数字通信技术

每个移动站都有相互正交的码片(chip)，发送码片序列表示1，发送码片序列反码表示0。主流应用为3G通信

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