数据通信基础

信道特性

基本概念：通信的目的就是传递信息。通信中产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿，信源和信宿之间的通信线路，称为信道。

分类：模拟信号，连续的信号（比如电压、声波等等）

数字信号，离散的信号（脉冲，0/1）

信源可以产生数字信号或者模拟信号，如果要进行信号传送，中间会进行模拟信号和数字信号的转换。

信道中影响信号传输的决定性干扰因素是“噪声”。

信道带宽：常用W来表示

模拟信道的带宽:W=f2-f1（f2表示信道能通过的最高频率；f1表示信道能通过的最低频率），单位是Hz

数字信道带宽：数字信道是离散的信道，带宽为信道能够达到的最大传输速率，单位是bit/s

数据传输速率：指每秒钟能够传输的二进制数据位数，单位是比特每秒（bit/s、b/s或bps）

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）

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，则码元速率（波特率）为B=1/T，单位是波特（Baud）

一个码元携带的信息量（n）与码元种类数（N）的关系n=log2N

尼奎斯特定理：在一个理想的（没有噪声的环境）信道中，若信道带宽为W，最大码元速率为：B=2W（单位是：波特率、Baud），最大数据速率为：R=Blog2N

香农定理：在一个有噪声的环境下，最大数据速率与带宽之间的关系如下：最大数据速率：C=Wlog2（1+S/N）分贝与信噪比的关系：dB=10log10(S/N)

解释：S为信号平均功率；N为噪声平均功率；S/N为信噪比；W为带宽。dB=10，S/N=10；dB=30，S/N=1000。

带宽/码元速率/数据速率/信噪比关系图：

 信道延迟

误码率：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，通信可靠性越高。

公式：Pe=Ne/N，其中Ne表示传输出错的码元数；N表示传输总的码元数。计算通信系统中，误码率一般要求低于百万分之一。

常见计算机网络性能参数：数据延时<200ms；语音视频延时<50ms；抖动<20ms；丢包率<1%。

信道延迟：与源端和宿端的距离有关，也与具体信道中的信号传播速率有关。

光速为300m/us或者300000km/s；点传播速度为光速的77%，即200m/s或者200000km/s。例如500m的同轴电缆延时大概在2.5us。卫星的延时大概是270us（含双向）

发送数据时间=线路延时+调制延时；线路延时=传输距离/传输速率；调制延时=数据帧大小/速率。

传输介质

双绞线：8根铜导线每2根扭在一起（百兆用4根，千兆必须用8根）分类：直通线/交叉线；屏蔽线/非屏蔽线。传输距离：小于100m。

光纤：利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理而制成的光传导工具。光传导损耗比电传导损耗低的多，适合长距离传输。特点：重量轻/体积小/传输远/衰减小/容量大/抗电磁干扰。

光纤分类：单模光纤/多模光纤

单模光纤：光纤直径与光波长度相差不大（芯径一般在5-10um；光波波长：1310nm/1550nm），且只允许1种模式的光在其中传播。特点：带宽大，容量大，长距离，价格贵。

多模光纤：光纤直径远远大于光波长度（芯径一般为50um/62.5um/100um；光波波长：850nm/1300nm），且允许多种模式的光在其中传播。特点：容量较小，距离较短，价格较便宜。

注意：光纤本身没有带宽之说。光纤两端的光模块有10GB、40GB等规格，所以不存在10GB光纤的说法。

 数据编码

常用编码方案：极性码、单极性码、双极性码、归零码、不归零码、双相码（曼彻斯特码、差分曼彻斯特码）4B/5B编码、多电平码等，重点是曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。

极性码：分别用正、负电压表示二进制数“0”和“1”；例如：用+5代表“1”，用-5代表“0”。

单极性码：用正电压或者负电压表示二进制数“0”和“1”；例如：用+5代表“1”，用+1代表“0”。

双极性码：信号在3个电平（正、负、零）之间交替变化，就是双极性码，也称为交替反转编码。例如：0电平表示二进制数“0”，二进制数“1”则在正负之间交替反转。

归零码：每个码元的结束电平都回归到0电平，称为归零码；例如：一个码元从负电平到0电平表示二进制数“1”，则该码元从正电平到0电平表示二进制数“0”。

不归零码：当一种电平信号代表二进制数“1”的时候，该电平信号发生反转，如果电平信号代表二进制数“0”的时候，该电平信号不发生反转，初始电平信号含义是自定义的。

双相码：典型的双相码包含曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。双相码要求每一位都有一个电平转换，也就是一高一低，必须翻转。这种编码特点：具有自定时和检测错误的功能。

曼彻斯特码：是一种典型的双相码，每个码元中均有一个跳变，例如：由高电平跳转到低电平代表二进制数“1”那么由低电平跳转到高电平代表二进制数“0”。此编码常用于以太网中。

差分曼彻斯特码：是一种典型的双相码，码元开始电平与上一个码元结束电平进行比较，如果有跳变，则表示二进制数"0"，如果没有跳变，则表示二进制数“1”。常用在令牌环网中。

两种曼彻斯特编码优点：将时钟和数据包含在信号数据流中，也称为自同步码。缺点：编码效率低（每个码元都用2个电平信号来表示，所以编码效率只有50%）。例如：当数据速率是100Mbps时，需要200MHz的脉冲。

 4B/5B编码：把要发送的数据流，每4位分为一组，然后在每组中最后新增1位，编码完成后发送的数据是每组5位。（每组最后新增的1位用于解决同步问题）

各种编码效率汇总：曼彻斯特码/差分曼彻斯特码效率：50%（用于以太网中)。4B/5B效率80%（用于百兆以太网中）。8B/10B效率80%（用于千兆以太网中）。64B/66B效率97%（用于万兆以太网中）

调制技术

数字调制技术：将数字信号转换成模拟信号称为“调制”，将模拟信号转换成数字信号称为“解调”。常见调制技术如下：

幅度键控（ASK）：用载波的两个不同振幅来表示二进制数“0”和“1”；

频移键控（FSK）：用载波的两个不同频率来表示二进制数“0”和“1”；

相移键控（PSK）：用载波的起始相位的变化来表示二进制数“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；（目前在5G/WIFI领域用的最多）

码元只取2个相位值则称为2相调制；码元只取4个相位值则称为4相调制；那么N（码元种类数）=2；4  特殊值：DPSK代表2相调制，N=2；QPSK代表4相调制，N=4。

脉码调制PCM

脉码调制：也称为脉冲编码调制技术，简称PCM。只要是把模拟信号转换成数字信号的一项技术，在信号转换领域被称为“解调”。或称该技术为PCM数字化技术。

脉冲编码调制技术有3个步骤：1、采样；2、量化；3、编码。

采样：按照一定的时间间隔对模拟信号进行取样，把取到的值作为样本。尼奎斯特采样定理：对模拟信号进行采样时，采样频率必须大于等于模拟信号最高频率的2倍。

量化：把取到的样本由连续值转化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。量化等级就是码元种类数，也就是N。

编码：把量化后的样本值变成相应的二进制数“0”或者“1”，然后得到相应的二进制字符串，经过使用合适的编码方式编码后进行发送。

实际案例：在生活中对声音做数字化时，可以采用脉码调制（PCM）技术，由于声音最高频率是4kHz，那么取样频率为8kHz。对语音样本用128个等级进行量化，所以每个样本用7位数据来表示。那么在数字信号中传输这种经过脉码调制技术处理后的语音信号时，它的传输速率=7×8kHz=56kbit/s（重点理解）

通信和交换方式

数据通信方式：

按照通信方向来划分，则分为：单工模式（例如：广播、电视）；半双工模式（例如：对讲机）；全双工模式（例如：电话）

按照同步方式来划分，则分为：异步传输（主要传输字符，比如7位的ASCII码，在字符前插入起始位，在字符后插入停止位，然后进行传输）；同步传输（把比特流进行分组，每组被称为“帧”，数据帧的第一部分包含同步字符，用于通知接收方，一个帧已到达。帧的最后一部分是一个帧结束标志，用于通知接收方，帧已传输完成）

数据交换方式：

电路交换：将数据传输分为电路建立、数据传输、电路拆除3个过程，在数据传输前需要建立一条通路，在线路释放前，该通路会一直被占用（典型应用：打电话）

报文交换：报文从发送方传送到接受方，采用存储转发的方式，完整报文在一个一个节点间传送。特点：每个节点收到完成报文后才向下个节点发送。

分组交换：两种方式（数据报和虚电路），数据分组传送，接收方接受到完整数据后再进行组装。特点：延迟小，吞吐高，可以分组纠错。

数字传输系统E1/T1

多路复用技术：该技术是把多个低速的信道组合成一个高速信道的技术。（例如：光纤入户后，一条光纤既可以看电视、上网、打电话等等）包含以下技术：

频分复用技术：每个业务采用不同的频率，然后在一条通道中传输。例如：广播、ADSL、FDD-LTE（4G技术）

时分复用技术：把时间分成很小的时间片，每个时间片只能有一种信号传输。例如：T1/E1、WiFi、TDD-LTE（4G技术）

波分复用技术：不通波长的光波在同一光纤中传输，光纤信号传输使用。

T1标准：美国和日本目前使用的技术。T1=（56kbps×24路）+开销与间隔=1.544Mbps     也就是24路语音进行复用后得到T1技术标准。（56kbps计算公式看前面）

E1标准：欧洲和中国目前在用的技术。E1=（64kbps×30路）+2个控制信道=2.048Mbps   一共32个信道（其中30个用于语音，2个用于控制）进行复用得到E1标准。

其中，CH0和CH16是控制信道，不传输语音，其余30个信道传输语音。每条E1语音带宽是64kbps。

 常用多路复用速率表：

差错控制-奇偶校验

差错控制：数据传输过程中，出现错误不可避免，数据通信中常用的2个办法是检错和纠错。差错控制的一些技术有，奇偶校验、海明码、CRC循环冗余校验等技术。

奇偶校验：是一种最常见的检错方法，可以检测出1位的错误。原理：在7位的ASCII码后增加1位，使码位中”1“的个数变成奇数或者偶数，这技术奇偶校验。

奇校验：整个码字中（包含有效位和校验位）中”1“的个数为奇数；例如：1011 010（1）

偶校验：整个码字中（包含有效位和校验位）中”1“的个数为偶数；例如：1011 010（0）

差错控制-海明码

海明码是通过冗余数据位来检测和纠正差错的编码方式，它既可以检测错误又可以纠正错误，海明码是唯一个可以纠正差错的编码方式。

海明距离：一个码字要变成另一个码字，需要改变的最小位数被称为海明距离。例如：1011变成1000，那么海明距离就是2。

海明码原理：在数据中加入几个校验码，码距均匀拉大，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。

海明不等式：校验码个数位k，那么可以表示2的k次方个信息。1个信息用来表示没有错误，那么其余2的k次方-1个信息表示数据中存在错误。如果满足2的k次方-1大于等于m+k（m+k表示编码后的总长度），则在理论上k个校验码就可以判断是哪一位出现了错误。

差错控制-CRC循环冗余校验码

CRC循环冗余校验码，可以检错，但是无法纠错。广泛用于网络通信和磁盘存储中。

计算方式如下图：

本章节完。。。