數(shù)據(jù)通信原理

數(shù)據(jù)通信原理 2022-2022 1） 數(shù)據(jù)通訊：依照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個(gè)功能單元之間 傳遞數(shù)據(jù)信息，他可以實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與終端，終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。 2） 數(shù)據(jù)信號的根本傳輸方式：基帶傳輸，頻帶傳輸，數(shù)字傳輸。 3） 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：是通過數(shù)據(jù)電路將分布在遠(yuǎn)地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲和處理的系統(tǒng)。 4〕數(shù)據(jù)終端設(shè)備〔DTE〕：數(shù)據(jù)輸入設(shè)備 ，數(shù)據(jù)輸出設(shè)備和傳輸掌握器組成。 5） 傳輸信道：通信線路、通信設(shè)備〔模擬通信設(shè)備、數(shù)字通信設(shè)備〕。 6） 通信掌握器：數(shù)據(jù)電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口。 7） 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的信道〔按傳輸方式分〕：物理實(shí)線傳輸媒介 信道〔雙絞線電纜、同軸電纜、光纖〕、 網(wǎng)傳輸信道、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸信道。 - 10 - 0 8） 傳輸損耗：D=10 lg P P 1 ?！睵0 為發(fā)送功率，P1 為接收功率，單位 dB〕 9） 信噪比：〔 S N 〕dB=10 lg〔 s P P n 〕?！睵s 為信號平均功率，Pn 為噪聲平均功率〕 ì 10） 數(shù)據(jù)傳輸方式： ï 傳輸挨次： 并行傳輸、 串行傳輸 ü ï 同步方式： 異步傳輸、 同步傳輸 í ý î þ ï數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r(shí)間關(guān)系： 單工、 半雙工、 全雙工ï 11） 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的有效性指標(biāo)：調(diào)制速率，數(shù)據(jù)傳信速率、數(shù)據(jù)傳送速率。 12） 調(diào)制速率：N = 1 ?！睳 為每秒傳輸信號碼元的個(gè)數(shù)，又稱波特率， Baud T ( s ) Baud 單位 Baud，T(s)為碼元持續(xù)時(shí)間。13〕數(shù)據(jù)傳信速率：每秒所傳輸?shù)男畔⒘?，單位bit/s〔二進(jìn)制〕。當(dāng)信號為 M 進(jìn)制時(shí)，傳信速率〔R〕與調(diào)制速率〔N〕的關(guān)系為 R=Nlog2M。 14） 頻帶利用率：η= 符號速率 頻帶速率 〔Baud/Hz〕，η= 信息傳輸速率 頻帶寬度 [bit/(s·Hz)]。 15） 過失率：用 誤碼率、誤字符率、誤碼組率來表示。誤碼率：接收消滅過失的比特?cái)?shù)/總的發(fā)送比特?cái)?shù)。 誤字符率：接收消滅過失的字符〔碼組〕數(shù)/總的發(fā)送字符〔碼組〕數(shù)。 例：某數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)調(diào)制速率為 2400Baud，承受八電平傳輸，假設(shè) 1000s 誤了 8 個(gè)比特：〔1〕求誤碼率；〔2〕設(shè)系統(tǒng)的寬帶為 1200Hz，求頻率利用率為多少 bit/ 〔s·Hz〕。 解：〔1〕數(shù)據(jù)傳信速率為： R=Nbaudlog2M=2400log28=7200 bit/s 誤碼率=接收消滅過失的比特?cái)?shù)/總的發(fā)送比特?cái)?shù) = 8 =1.11×10-6 1000 ´ 7200 〔2〕η= R B = 7200 =6 bit/(s·Hz) 1200 16)信道容量：香農(nóng)定律：C=Blog2 (1+ S N ) B 為信號帶寬， S N 為信噪比。 例：有一個(gè)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)信號的 網(wǎng)信道，該信道帶寬為 3000Hz, 信道噪聲為加性高斯白噪聲，其信噪比為 20dB,求該信道的信道容量。 解： 〔S/N〕dB =101g(S/N)=20dB-------------- 先將 dB 值化為香農(nóng)公式可用值S/N=102=100 C=Blog2(1+S/N) = 3000log2(1+100) ≈ 19975 bit/s 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的構(gòu)成：數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是一個(gè)由分布在各地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)交換 設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸鏈路所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。 其次章 數(shù)據(jù)信號的傳輸 數(shù)據(jù)信號的傳輸一般有 3 種方法：基帶傳輸、頻帶傳輸、數(shù)字傳輸。 基帶：消息對應(yīng)的原始信號所占據(jù)的頻帶通常從零頻或低頻開頭，稱為“根本頻帶”，簡稱基帶。 基帶傳輸：不搬移基帶信號頻譜直接傳輸基帶信號。 頻帶傳輸：需要經(jīng)過調(diào)制將基帶信號的頻譜搬移到相應(yīng)的載頻頻帶再進(jìn)展傳輸。數(shù)字傳輸：在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號稱為數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸，簡稱數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。 基帶數(shù)據(jù)信號的功率譜密度表達(dá)式：連續(xù)譜+離散譜 p ( f ) = p u ( f ) + p v ( f ) = f s P (1 - P ) | G 1 ( f ) - G 2 ( f ) |2 + f 2 å ¥ s n = -¥ | PG 1( nf ) + (1 - P )G 2( nf s ) |2 d ( f - nf ) s s 幾種根本的基帶數(shù)據(jù)信號： 單極 A 性 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 不歸零 信 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10 11T 12T 號 單 A 極 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 性 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10 11T 12T 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 歸零信號 雙 極 A 性不 歸 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10 11T 12T 零 信號 雙 A 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 極 性歸 零 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10 11T 12T 信號 差 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 分 A 信 號 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10 11T 12T 1 0.5 0 2022 4000f/Hz 例：一形成濾波器幅度特性如下圖〔P-36〕，假設(shè)符合奈奎斯特第一準(zhǔn)則，問： ① 其符號速率為多少？α 為多少？ ② 承受八電平傳輸時(shí)，傳輸速率為多少？ ③ 頻帶利用率η 為多少 Baud/Hz？ 解：假設(shè)符合奈奎斯特第一準(zhǔn)則，則|H(f)|應(yīng)以〔f ，0.5〕呈基對稱滾降，由 N 圖示可得： f N = (2022 + 4000 - 2022 ) H z = 3000 H z 2 符號速率 : f s = 2 f N = 2×3000Baud=6000Baud 滾降系數(shù)： α= 4000 - 3000 = 1 3000 3 傳信速率：R= f s log 2 M = 6000 ´ log 8bit / s = 18000 bit 2 頻帶利用率:η = f s B = 6000 4000 Baud / H z = 1.5 Baud / H z 注：符號速率為： 2 倍帶寬；滾降系數(shù)與頻譜寬度的關(guān)系： B =(1+ a )f N / s η = f log M s 2 = L bit / ( s gH z ) B η = 2 1 + a 局部響應(yīng)系統(tǒng)：(第一類) 數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸： 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅〔2ASK〕信號 P46 圖 2-23 特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了雙邊帶調(diào)制；調(diào)制信號功率譜密度打算了已調(diào)信號的功率譜密度， 調(diào)制后的帶寬為基帶信號帶寬的 2 倍。 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)相〔2PSK〕 P51 圖 2-31 二進(jìn)制移鍵控〔2FSK〕 P57 圖 2-41 P58 圖 2-42 帶寬 B=2fs +|f1 -f0 |=(2+h)fs h= f 1 f 0 fs 稱為頻移指數(shù)。 數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸： 利用數(shù)字信道來傳輸數(shù)據(jù)信號與利用模擬信道的傳輸方式相比，優(yōu)點(diǎn)為：〔1〕傳輸質(zhì)量高，〔2〕信道傳輸速率高 第三章 過失掌握1〕隨機(jī)過失又稱獨(dú)立過失，它是只那些獨(dú)立地、稀疏地和互不相關(guān)地發(fā)生的過失。 2〕突發(fā)過失是指一串，甚至是成片消滅的過失，過失之間有相關(guān)性，過失消滅是密集的。 3〕過失掌握的核心是抗干擾編碼，或過失掌握編碼，簡稱糾錯(cuò)編碼，也稱信道編碼。 4） 信息位〔k〕+監(jiān)視碼〔r〕=碼組〔n〕 5） 過失掌握方式：〔1〕檢錯(cuò)重發(fā)〔 ARQ〕 (2)前向糾錯(cuò)〔FEC〕 〔3〕混合糾錯(cuò)檢錯(cuò)〔HEC〕 〔4〕信息反響〔IRQ〕 優(yōu)缺點(diǎn)：P90-P92 6） 編碼效率：R= k n R 越大→編碼效率越高。 碼距：兩個(gè)碼組中對應(yīng)碼位上具有不同二進(jìn)制碼元的個(gè)數(shù)。 漢明距離：在一種編碼中任意兩個(gè)需用碼組間距離的最小值。檢測 e 個(gè)錯(cuò)碼：dmin≥e+1。 訂正 t 個(gè)錯(cuò)碼：dmin≥2t+1 訂正 t 個(gè)錯(cuò)碼，同時(shí)檢測 e 個(gè)錯(cuò)碼：dmin≥e+t+1。擦錯(cuò)掌握編碼的分類： ① 碼組功能：檢錯(cuò)碼 、糾錯(cuò)碼 ② 碼組中監(jiān)視碼元與信息碼元的關(guān)系：線性碼 、非線性碼 ③ 信息碼元與監(jiān)視碼元的約束關(guān)系：分組碼 、卷積碼 ④ 信息碼元在編碼前后是否保存原來形式不變：系統(tǒng)碼、非系統(tǒng)碼 ⑤ 訂正錯(cuò)誤的類型：訂正隨機(jī)錯(cuò)誤碼、訂正突發(fā)錯(cuò)誤碼 ⑥ 每個(gè)碼元取值：二進(jìn)制碼、多進(jìn)制碼 奇偶監(jiān)視填表 漢明碼〔訂正一位錯(cuò)誤的線性分組碼〕。碼長：n 信息位：k 監(jiān)視位：r=n-k 〔7,4〕漢明碼 編寫碼表 S1 S2 S3 碼錯(cuò)位置 〔7,4〕漢明碼 許用碼組，求監(jiān)視碼： 依據(jù)碼表求 S1 =。。。。S2 =。。。。S3=。。。。解出 a1=。。a2=。。 a3=。。 〔7,4〕漢明碼的碼距位 3 3≥e+1 e≤2 2t=e t≤1 線性分組碼 監(jiān)視矩陣 H=PIr H ： r×n 階矩陣 Ir ：r×r 階單位陣Q=PT [監(jiān)視碼元]=[信息碼]Q 該式適合于全部的線性碼假設(shè)信息碼元和典型形式的監(jiān)視矩陣 H，求監(jiān)視碼元： 由矩陣 H 求矩陣 P----Q 得出監(jiān)視碼元 生成矩陣 G=[IkQ] Ik k×k 階單位陣 G 位典型的生成矩陣 可以生成整個(gè)碼組 A A=[an-1 an-2…a0]=[信息碼]G(典型的) 信息碼 1 行 k 列 G k 行 n 列 由典型生成矩陣得出的碼組 A 中，信息位不變，監(jiān)視位附加于其后，則為系統(tǒng)碼。 線性分組碼的主要性質(zhì): ① 封閉性 ② 碼的最小距離等于非零碼的最小重量。 循環(huán)碼〔線性分組碼的一種〕 碼多項(xiàng)式：碼組中的碼元為一個(gè)多項(xiàng)式的系數(shù)：A=〔an-1 an-2…a0〕 A(x)= an-1 xn-1 +an-2 xn-2+ a1x1…a0 循環(huán)碼的特性 xiA(x)≡Ai(x) 〔模 xn+1〕 一個(gè)(n,k)循環(huán)碼共有 2k 個(gè)碼組；在(n,k)循環(huán)碼中除全 0 碼組外，連“0”的長度最多只能有〔k-1〕位。 生成矩陣 é x k -1 g ( x ) ù ê ú ê x k - 2 g ( x ) ú G(x)= ê ú ê ú ê xg ( x ) ú ë û ê g ( x ) ú 典型的生成矩陣為 G=[I Q] 將非典型的生成矩陣轉(zhuǎn)換為典型的生成矩陣：任意 k 幾行模 2 加取代某一行。 生成多項(xiàng)式的另一種求法： 循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式 g(x)應(yīng)當(dāng)是 xn+1 的一個(gè)(n-k)次因子。例如：x7+1=(x+1)(x3+x2+1)(x3+x+1) 則 g (x)= (x+1)(x3+x2+1) g (x)= (x+1)(x3+x+1) 開放因式 用模二加 1 2 卷積碼(不屬于線性碼，是非分組碼，連環(huán)碼) (n,k,N) n 碼元,k 監(jiān)視位,N 段時(shí)間 編碼效率 R= k 。 n 第四章 數(shù)據(jù)交換(電路交換、報(bào)文交換、分組交換、幀中繼、ATM 交換) 電路交換優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （1） 信息的傳輸時(shí)延小，且對一次連續(xù)而言，傳輸時(shí)延固定不變。 （2） 交換機(jī)對用戶的數(shù)據(jù)信息不存儲、分析和處理。所以，交換機(jī)在處理方面的開銷比較小，傳用戶數(shù)據(jù)信息時(shí)不必附加很多掌握信息，信息傳輸?shù)男时容^高。 （3） 信息的編碼方法和信息格式由通信雙方協(xié)調(diào)，不受網(wǎng)絡(luò)的限制。 缺點(diǎn)： （1） 電路連續(xù)時(shí)間較長。當(dāng)傳輸較短信息時(shí)，電路接續(xù)時(shí)間可能大于通信時(shí)間， 網(wǎng)絡(luò)利用率低。 （2） 電路資源被通信雙方獨(dú)占，電路利用率低。 （3） 不同類型的終端〔終端的數(shù)據(jù)速率、代碼格式、通信協(xié)議等不同〕不能相互通信。這是由于電路交換機(jī)不具備變碼、變速等功能。 （4） 有呼損。當(dāng)對方用戶終端忙或交換網(wǎng)負(fù)載過重而叫不通，則消滅呼損。 （5） 傳輸質(zhì)量較差。電路交換機(jī)不具備過失掌握、流量掌握等功能，只能在“端 -端”間進(jìn)展過失掌握，其傳輸質(zhì)量較多地依靠于線路的性能，因而過失率較高。 報(bào)文交換概念、原理： 概念：報(bào)文交換屬于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，當(dāng)用戶的報(bào)文到達(dá)交換機(jī)時(shí)，先將報(bào)文存儲在交換機(jī)的存儲器中〔內(nèi)存或外存〕，當(dāng)所需要的輸出電路有空閑時(shí)，再將該報(bào)文發(fā)向接收交換機(jī)或用戶終端。 在報(bào)文交換方式中是以報(bào)文為單位接收、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)信息。為了準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，一份報(bào)文應(yīng)包括三局部： （1） 報(bào)頭或標(biāo)題。它包括發(fā)信站地址。終點(diǎn)收信地址和其他關(guān)心掌握信息等。 （2） 報(bào)文和正文。傳輸用戶信息。 （3） 報(bào)尾。表示報(bào)文的完畢標(biāo)志，假設(shè)報(bào)文長度有規(guī)定，則可以省去此標(biāo)志。原理：報(bào)文交換方式原理如圖〔書 P-136〕所示。 報(bào)文交換機(jī)主要由通信掌握器、中心處理器和外存儲器組成，如圖〔書 P36〕 所示。 實(shí)現(xiàn)報(bào)文交換的過程是這樣的：交換機(jī)中的通信掌握器探尋各條輸入用戶線路，假設(shè)某條用戶線路由報(bào)文輸入，則向中心處理機(jī)發(fā)出中斷懇求，并逐字把報(bào)文送入內(nèi)存儲器。一旦接收到報(bào)文完畢標(biāo)志，則表示一份報(bào)文已全部接收完畢，中心處理機(jī)對報(bào)文進(jìn)展處理。如分析報(bào)頭、判別和確定路由，登輸出派對表等。然后，將報(bào)文轉(zhuǎn)存到外部大容量存儲器，經(jīng)通信掌握器向線路發(fā)送出去。 由圖 4-3〔書 P-136〕可見，對于報(bào)文交換，來自交換機(jī)不同輸入線路的報(bào) 文〔不同用戶的報(bào)文〕可以去往同一條輸出線路，在交換機(jī)內(nèi)部要排隊(duì)等待，一般本著先進(jìn)先出的原則。而在局間中繼線上不同用戶的報(bào)文占用同一條線路傳輸，承受統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。 在報(bào)文交換中，由于報(bào)文是經(jīng)過存儲的，因此通信就不是交互或?qū)崟r(shí)的。不 過，對不同類型的信息流設(shè)置不同的優(yōu)先等級，則優(yōu)先級高的報(bào)文可以縮短排隊(duì)等待時(shí)間。承受優(yōu)先等級方式也可以在肯定程度上支持交互通信，在通信頂峰時(shí)也可以把優(yōu)先級低的報(bào)文送入外存儲器排隊(duì)，以削減由于繁忙引起的堵塞。 報(bào)文交換優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （1） 可使不同類型的終端設(shè)備之間相互進(jìn)展通信。由于報(bào)文交換機(jī)具有存儲和處理力量，可對輸入輸出電路上的速率、編碼格式進(jìn)展交換。 （2） 在報(bào)文交換過程中沒有電路接續(xù)過程，來自不同用戶的報(bào)文可以在同一條線路上以報(bào)文為單位實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用，線路可以以它的最高傳輸力量工作，大大提高了線路的利用率。 （3） 用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報(bào)文，可以無呼損。 （4） 可實(shí)現(xiàn)同報(bào)文通信，即同一報(bào)文可以由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到不同的收信地點(diǎn)。 缺點(diǎn)： （1） 通信的傳輸時(shí)延大，而且時(shí)延的變化也大。 （2） 要求報(bào)文交換機(jī)有高速處理力量，且緩沖存儲器容量大，因此交換機(jī)設(shè)備費(fèi)用高。 可見，報(bào)文交換不利于實(shí)時(shí)通信，它適用于公眾電報(bào)和電子信箱業(yè)務(wù)。分組交換：虛電路、數(shù)據(jù)報(bào) 幀中繼進(jìn)展的兩個(gè)必要條件：光纖傳輸線路的使用；用戶終端的智能化。 幀中繼的特點(diǎn)：高效性、經(jīng)濟(jì)性、牢靠性、敏捷性、長遠(yuǎn)性。第五章 通信協(xié)議 數(shù)據(jù)通信是在各種類型的數(shù)據(jù)終端盒計(jì)算機(jī)之間進(jìn)展的，它不同于 通信方式，其通信掌握也簡單的多。 物理層 根本單位 比特 數(shù)據(jù)鏈路層 根本單位 幀 網(wǎng)絡(luò)層 根本單位 分組 運(yùn)輸層 根本單位 報(bào)文 數(shù)據(jù)鏈路層常用的協(xié)議有根本傳輸掌握規(guī)程和高級數(shù)據(jù)鏈路掌握規(guī)程(HDLC) ， 在 TCP/IP 體系構(gòu)造中 用的較多的協(xié)議為 點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(PPP)。 數(shù)據(jù)鏈路傳輸規(guī)程中數(shù)據(jù)通信的過程： ① 建立物理過程②建立數(shù)據(jù)鏈路③數(shù)據(jù)傳輸④傳輸完畢，撤除數(shù)據(jù)鏈路⑤撤除物理連接。 HDLC 幀構(gòu)造 P 183 第六章 數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 分組交換網(wǎng)的構(gòu)成 設(shè)備組成：分組交換機(jī)、用戶終端設(shè)備、遠(yuǎn)程集中器、網(wǎng)絡(luò)治理中心以及傳輸線路等組成。 分組交換網(wǎng)的路由選擇 常見的集中路由選擇算法：非自適應(yīng)型和自適應(yīng)型路由選擇算法。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)(DDN)是利用數(shù)字信道(PCM)來傳輸信號的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。 DDN 的構(gòu)成：本地傳輸系統(tǒng)；復(fù)用及數(shù)字穿插連接系統(tǒng)；局間傳輸及網(wǎng)同步系統(tǒng)； 網(wǎng)絡(luò)治理系統(tǒng)。 DDN 的三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造：一級干線網(wǎng)，二級干線網(wǎng)，本地網(wǎng)。