笨贼别跑评价:第2章 数据通信基础

第二章 数据通信基础 2.1 数据通信的基本概念
1．通信的目的就是传递信息。 一次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。通信线路称为信道，所以信源和信宿 之间的信息交换是通过信道进行的。（见P8图2.1）（填空、单选）
2．模拟信号是随时间连续变化的信号。数字信号只取有限个离散值，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的。（判断）
3．如果信源产生的是模拟数据并且以模拟信道传输则叫做模拟通信；如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输，那么这种 通信方式叫做数字通信。（填空）
4．如果信源发出的是数字数据，当然也可有两种传输方式。这时无论是用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫做数据通信。（判断）
5．在模拟传输方式中，数据进入信道之前要经过调制，变换为模拟的调制信号。由于调制信号的频谱较窄，因此信道的利用率较高。在数 字传输方式中，可以直接传输二进制数据或经过二进制编码的数据，也可传输数字化了的模拟信号。（判断）
2.2 数字信号的频谱和信道带宽
1．谐波的最高频率fh与最低频率fl之差（fh-fl）叫做信号的频带宽度，简称带宽。
2．信号带宽与脉冲宽度成反比。（判断）
3．信道的带宽是指信道频响应曲线上幅度取其频带中心处值的1/√2倍的两个频率之间的区间宽度。（判断、填空、选择）
2.3 数字信道的特性
1．数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号。数字信道的通频带（即带宽）决定了信道中能不失真地传输脉冲序列的最 高速率。一个数字脉冲称为一个码元，码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。总之一个码元携带的信息量n（比特）与码元取 的离散值个数N有如下关系：n = log2N
2．用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元的宽度为T秒，则码元速率B=1/T，码元速率 的单位叫波特（Band）。若信道带宽为W，则尼奎斯特定理指出最大码元速率为 B=2W （Band）。
3．单位时间内在信道上传送的信息量（比特数）称为数据速率R。 R =Blog2N=2Wlog2N (b/s)
4．数据速率和波特率是两不同的概念。仅当码元取0和1两离散值时两者才相等（R=B）。对于普通电话线路，带宽为3000Hz，最高波特率 为6000Band。而最高数据速率可随编码方式的不同而有不同的取值。这些都是在无噪音的理想情况下的极限值，至于有噪声影响的实际 信道，则远远达不到这个极限。（判断)
5．香农（Shannon）的研究表明，有噪声信道的极限数据速率可由下面公式计算： C = Wlog2(1+S/N) W为信道带宽，S为信号的平均功率 ，N为噪声平均功率，S/N叫做信噪比。
6．在有噪声的信道中（实际中的信道都是有噪声的），数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。我们用误码率来表示传输二进 制位时出现差错的概率。误码率可用公式表示：Pc = Ne（出错的位数）/N（传送的总位数）
7．在电缆中的传播速度一般为光速的77%，即200m/us左右。
8．500米同轴电缆的时延大约是2.5 us，而卫星信道的时延大约是270ms。
2.4 物理信道
1．双绞线既能用于传输模拟信号，也能用于传输数字信号。（判断）
2．在局域网中常用的同轴电缆有两种，一种是特性阻抗为50Ω的同轴电缆，用于传输数字信号。通常把表示数字信号的方波所固有的频带 称为基带，所以这种电缆也叫基带同轴电缆，直接传输方波信号称为基带传输。另一种同轴电缆是特性阻抗为75Ω的CATV电缆，用于传 输模拟信号，这种电缆也叫宽带同轴电缆。所谓宽带在电话行业中是指比4 KHz更宽的频带。也可经采用频分多路技术（FDM），把整个 带宽划分为多个独立的信道，分别传输数字、声音和视频信号，实现多种电信业务。 3．由双绞线、同轴电缆和光纤等传输介质组成的 信道可统称为有线信道。空间传播信号的信道称为无线信道。无线信道包括：微波、激光、红外和短波信道。 2.5 数据编码 1．单极 性码：这种编码方案，只用正的（或负的）电压表示数据。单极性的抗噪声特性不好。 2．极性码：分别用正和负电压表示二进制0和1 。这种代码的电平差比单极码大，而抗干扰特性好。
3．双极性码：信号在三个电平（正、负、零）之间变化。
4．归零码：在归零码RZ（Return to Zero）中，码元中间的信号回归到0电平。
5．不归零码：NRZ（Non-Return to Zero）的规律是当1出现时电平翻转，当0出现时电平不翻转。这种编码的特点是实现起来简单而且费 用低，但不是自定时的。
6．曼彻斯特码：曼彻斯特（Manchester）码是一种双相码。用高电平到低电平的转换边表示0，而用低电平到高高电平的转换边表示1。（ 重点）（P18图2.13）
7．差分曼彻斯特码：这种编码也是一种双相码，和曼彻斯特编码不同的是，这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示 数据。数据表示在每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示0，无电平转换表示1。（重点）
2.6 数字调制技术
1．调制模拟载波信号的三个参数——幅度、频率、和相位来传送数字数据。
2．三种基本调制方式：
（1） 幅度键控（ASK）：实现起来简单，但抗干扰性能差。
（2） 频移键控（FSK）：抗干扰性能好，但占用带宽较大。
（3） 相移键控（PSK）：抗干扰性能最好，而且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟。
3．码元只取二个相位值叫2相调制，码元可取4个相位叫4相调制。4相调制时，一个码元代表两位二进制数。
2.7 脉冲编码调制
1．把模拟数据转化成数字信号，要使用一种叫编码解码器（Codec）的设备。这种设备的作用和调制解调器的作用相反：调制解调器的作 用是把数字数据变成模拟信号，经传输到达接收端再还原为数字数据。（判断）
2．用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是所谓的脉冲编码解码调制技术PCM（Pulse Code Modulation），简称脉码调制。（简答）
3．PCM的原理：
（1）取样：如果取样速率大于模拟信号最高频率的二倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。
（2）量化。
（3）编码。 由脉码调制的原理看出，取样的速率是由模拟信号的最高频率决定的，而量化级的多少则决定了取样的精度。
2.8 通信方式和交换方式
1．数据通信方式按传输方向分有：
（1） 单工通信：在单工信道上信息只能在一个方向传送。
（2） 半双工通信：在半双工信道上，通信的双方可交替发送和接收信息。
（3） 全双工通信：一种可以同时进行双向信息传送的通信方式。
按同步方式分：
（1） 异步传输：把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。
其优点是简单，但由于起止位和检验位的加入会引入20%~30%的开销，传输的速率也不高。
（2） 同步传输：发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYNC。
2．交换方式：
（1） 线路交换：交换的特点是建立连接需要等待较长的时间。
特点：[1]连接建立后通路是专用的。
[2]不再有传输延迟，这种交换方式适合于传输大量的数据。
[3]在传输少量信息时效率不高。
（2） 报文交换：
特点：[1]不建立专用链路。
[2]线路利用率较高。电子邮件系统（例如E-Mail）适合采用报文交换方式。
（3） 分组交换：
有两种方式：
[1] 数据报：类似于报文交换。引入分组拆装设备PAD（Packet Assembly and Disassembly device）。
[2] 虚电路。类似于电路交换。 虚电路与线路交换的区别：逻辑连接并不意味着别的通信不能使用这条线路。它仍然具有线路共享的优点。
虚电路与数据报的区别：
①虚电路意味着可靠的通信，它涉及更多的技术，需要更在的开销。
②没有数据报方式灵活，效率不如数据报方式高。
③虚电路适合于交互式通信，数据报方式更适合于单向地传送短信息。（简答）
虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除，这叫虚呼叫；也可以是永久的，即通信双方一开机就自动建立，直到一方（或同时）关机才拆除。这叫永久虚电路。 分组交换的特点：数据包有固定的长度。采用固定的、短的分组相对于报文交换是一个重要的优点。除了交换结点的存储缓冲区可以不些外，也带来了传播时延的减少，分组交换也意味着按分组纠错：发现错误只需重发出错的分组，使通信效率提高。（简答）
2.9 多路复用技术
1．两种基本的多路复用技术：
（1） 频分多路复用（FDM）：FDM（Frequency Division Multiplexing）是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。
（2） 时分多路复用（TDM）：TDM（Time Division Multiplexing）要求各个子通道按时间片轮流地占用整个带宽。 统计时分制是对同步时分制的改进，我们特 别把统计时分制下的多路复合器称为集中器。
2．在北美和日本使用很广的一种通信标准是贝尔系统的T1载波。T1载波也叫一次群，它把24路话音信道按时分多路的原理复合在一条1.544 Mb/s的高速信道上。 CCITT有一个类似于1.544 Mb/s的标准。CCITT还有一个2.048 Mb/s脉冲编码调制载波标准。除了北美和日本外，2.048 Mb/s的载波在其他地区得到广泛使用。
2.10 差错控制
1．通信过程中出现差错可大致分为两类：一类是由热噪声引起的随机错误；另一类是由冲击噪声引起的突发错误。热噪的特点：热噪声时刻存在，具有很宽的频谱 ，且幅度较小。通信线路的信噪比越高，热噪声引起的差错越少。这种差错具有随机性，影响个别位。冲击噪声的特点：冲击噪声源是外界的电磁干扰，例如发 动 汽车时产生的火花，冲击噪声持续时间短而幅度大，往往引起一个位串出错。
2．由于信号幅度和传播速率与相位、频谱有关而引起信号失真，以及相邻线路之间发生串音等都会产生差错，这些差错也具有突发性的特点。
3．突发性差错影响局部，而随机性差错总是断续存在，影响全局。
4．奇偶校验是最常用的检错方法。其原理是在7单位的ASCII代码后增加一位，使码字中1的个数成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。这种方法简单实用，但只能 对付少量的随机性错误。
5．为了能检测突发性的出错位串，可以使用检查和的办法。
6．海明码。对某种长度的错误串，要纠正它就要用比仅仅检测它多一倍的冗余位。如果对于m位的数据，增加k位冗余位，则组成n = m+k位的纠错码。 2m（n + 1）≤2n 因为n = m+k 推出 m+k+1≤2k
7．循环冗余校验码（CRC）：所谓循环码是这样一组代码，其中任一有效码字经过循环移位后得到的码字仍然是有效码字，不论是右移或是左移，也不论移多少位。循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）是一种循环码，它有很强的检错能力，而且硬件实现很容易，在局域网中有广泛的应用。（重点）（P32图2.28以及用长除法求余数）
习题：
1．什么是数字通信？什么是数据通信？在数据通信中采用模拟传输和数字传输各有什么优缺点？
答：如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输，那么这种通信方式叫做数字通信。如果信源发出的是数字数据，这时无论是用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫做数据通信。 模拟传输的优点：调制信号的频谱较窄，信道的利用率较高。 缺点：模拟信号在传输过程中会衰减，还会受噪声干扰，如果用放大器将信号放大，混入的噪声也同时被放大了。 数字传输的优点：可以直接传输二进制数据或经过二进制编码的数据，也可以传输数字化了的模拟信号。数字信号只取有限个离散值，在传输过程中抗噪声干扰能力较强。数字设备可以大规模的集成，比复杂的模拟设备便宜得多。 缺点：传输数字信号比模拟信号所要求的频带要宽得多，因而信道 的利用率较低。
2．电视频道的带宽为6MHz，假定没有热噪声，如果数字信号取4种离散值，那么可获得的最大数据速率是多少？
解：已知：W=6MHz=6×106　 N = 4 求：R
R =2Wlog2N=2×6×106×log24=24Mb/s
3．画出比特流0001110101的曼彻斯特编码的波形图和差分曼彻斯特编码的波形图。 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1
4．设码元速率为1600Baud，采用8相PSK调制，其数据速率是多少？
解：已知：B=1600 Band N=8 求：R
R=Blog2N=1600×log28=4800 b/s
5．在异步通信中每个字符包含1位起始位，7位ASCII码，1位奇偶校验位和2位终止位，数据传输速率为100字符/秒，如果采用4相位调制，则传输线路的码元速率为多少？数据速率为多少？有效数据速率为多少？
解：字符长度=1+7+1+2=11 b/字符 数据速率R1=11×100=1100 b/s 有效数据速率R=7×100=700 b/s 码元速率B=R/ log2N=1100/ log24=550 Baud
6．假设两个用户之间的传输线路由3段组成（两个转接结点），每段的传输延迟为1／1000 s，呼叫建立时间（线路交换或虚电路）为0.2 s，在这样的线路上传送3200bit的报文，分组的大小为1024bit，报头的开销为16 bit，线路的数据速率是9600 b/s。
试分别计算在下列各种交换方式下的端到端的延迟时间：
（1） 线路交换；
（2） 报文交换；
（3） 虚电路；
（4） 数据报。
解：tp=0.2 s tp1=1/1000 s L=3200 bit L1=1024 bit L报=16 bit R=9600 b/s
（1） 线路交换的延迟时间为：tp+ L/ R=0.2+3200/960≈0.533s
（2） 报文交换的延迟时间：（L+ L报）×3/R+ tp1×3=（3200+16×3）/9600 +1/1000×3=1.008 s
（3） 虚电路的延迟时间：tp+3×tp1+（L+ L报×L/ L1）×3/R=0.2+3/1000 +(3200+16×3200/1024)×3/9600=0.2+3/1000+ (3200+16×4)×3/9600=1.223 s
（4）数据报的延迟时间：3×（L+ L报×L/ L1）/R=(3200+16×4)×3/9600=1.02 s
7．在T1的载波中，由非用户数据引入的开销占的百分比是多少？
解：T1载波是把24个话音信道多路复用在一条高速信道上，每个信道包含7位的数据和1位的控制信令位，此外加入一位帧同步位组成基本帧。 其中，用户的开销为24×1（控制位）+1（基本帧）=25 b 总开销为：（7+1）×24+1=193 b 因此，用户的开销所占的百分比为：25/193×100%≈13%
8．10个9600 b/s的信道按时分多复用在一条线路上传输，如果忽略控制开销，那么对于同步TDM，复用线路的带宽应该是多少？在统计TDM情况下，假定每个子信道有50%的时间忙，复用线路的利用率为80%，那么线路的带宽应该是多少？
解：（1）复用信道的带宽应为：10×9600=96 kb/s
（2）复用信道的事宽应为：10×9600×50%/80%=60 kb/s
9．对于7位的数据要增加多少位冗余位才能构成海明码？若数据1001000，写出其冗余位。
解：已知：m=7 求：k 由于 m+k+1≤2k k≤2k –8 k=4 因此必须增加4个冗余位 由于海明码的冗余位置于20、21、22、2k-1位上，即1、2、4、8 因此1001000的冗余位应是：××1×001×000
10． 试画出CRC生成多项式G（X）=X9+X6+X5+X4+X3+1的硬件实现电路框图。
　　　　　
11． 利用上题的生成式检验收到的报文101010001101是否正确？
　　　 解：正确的报文应是：1001111000，因此验收到的报文不正确。