數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)
2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念
信源：通信的目的就是傳遞信息。通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息的 一端。
信道：信源和信宿之間的通信線路。
噪聲：，信息在傳輸過(guò)程中可能會(huì)受到外界的干擾，把這種干擾稱為噪聲。電信號(hào)會(huì)受電磁場(chǎng)干擾。
模擬數(shù)據(jù)取連續(xù)值，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)取離散值。
模擬數(shù)據(jù)：是隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，這種信號(hào)的某種參 （如幅度、相位和頻率等）可以表示要傳送的信息。
話音信號(hào)、電視攝像機(jī)產(chǎn)生的圖像信號(hào)等都是模擬信號(hào)。
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：數(shù)字信號(hào)只取有限個(gè)離散值，而且數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換幾乎是瞬時(shí)的，數(shù)字信號(hào)以某一瞬間的狀態(tài)表示它們傳送的信息。
模擬通信；如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)并以模擬信道傳輸。
數(shù)字通信：如果信源發(fā)出的是模擬數(shù)據(jù)且以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸。
2.2 信道特性
2.2.1 信道帶寬
信道帶寬w： 等于高頻f2減f1低頻, 其中， f1是信道能通過(guò)的最低頻率，f2信道能通過(guò)的最高頻率.
碼元：一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元。
碼元速率：表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。
碼元速率的單位叫波特，所以碼元速率也叫波特率。
尼奎斯特定理（無(wú)干擾）：
尼奎斯特定理指出最大碼元速率為B：B等于2w（帶寬）。
n：一個(gè)碼員攜帶的信息量。
N：碼員種類數(shù)。
數(shù)據(jù)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在信道上傳送的信息量（位數(shù)）稱為數(shù)據(jù)速率。
R：表示數(shù)據(jù)速率，單位bps或者b/s。
香農(nóng)定理（有干擾）：
C：數(shù)據(jù)速率。
S：信號(hào)平均功率。
N：噪聲平均功率。
S/N：信噪比。
信噪比：
S：信號(hào)平均功率。
N：噪聲平均功率。
2.3 傳輸介質(zhì)
2.3.1 雙絞線
雙絞線：雙絞線由粗約 1mm 的互相絕緣的一對(duì)銅導(dǎo)線絞扭在一起組成，對(duì)稱均勻地絞扭可以減少
線對(duì)之間的電磁干擾。
雙絞線分為屏蔽雙絞線和無(wú)屏蔽雙絞線。
2.3.2 同軸電纜
同軸電纜：的芯線為銅質(zhì)導(dǎo)線，外包 層絕緣材料，再外面是由細(xì)銅絲組成的網(wǎng)狀外導(dǎo)體，
最外面加 層絕緣塑料保護(hù)層。
2.3.3 光纜
光纜由能傳送光波的超細(xì)玻璃纖維制成，外包一層比玻璃折射率低的材料
2.4 數(shù)據(jù)編碼
二進(jìn)制數(shù)字信息在傳輸過(guò)程中可以采用不同的代碼，各種代碼的抗噪聲特性和定時(shí)功能各
不相同，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用也不一樣。下面介紹幾種常用的編碼方案。
1. 單極性碼
在這種編碼方案中，只用正的（或負(fù)的）電壓表示數(shù)據(jù)。
方法：是用不同的電壓電平來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。
2. 極性碼
在這種編碼方案中，分別用正電壓和負(fù) 電壓表示二進(jìn)制數(shù) 'O' '1'。
3 . 雙極性碼
在雙極性編碼方案中，信號(hào)在 個(gè)電平（正、負(fù)、零）之間變化。
一種典型的雙極性碼就是所謂的信號(hào)交替反轉(zhuǎn)編碼 (Alternate Mark Inversion, AMI) 。數(shù)據(jù)流中遇到' I '時(shí)使電平在正和負(fù)之間交替翻轉(zhuǎn) ，而遇到 'O' 時(shí)則保持零電平。
4. 歸零碼
在歸零 Return to Zero, RZ) 中，碼元中間的信號(hào)回歸到零電平，因此，任意兩個(gè)碼元之間被零電平隔開。
5. 雙相碼
雙相碼要求每一位中都要有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換。
6. 不歸零碼（也叫：差分碼）
不歸零碼 (Not Return to Zero, NRZ) 的規(guī)律是當(dāng)' 1 '出現(xiàn)時(shí)電平翻轉(zhuǎn)，'0' 出現(xiàn)時(shí)電平不翻轉(zhuǎn).
特點(diǎn)：電平的轉(zhuǎn)換。
7. 曼徹斯特編碼（重要）
曼徹斯特編碼 (Manchester Code) 一種雙相碼。 高電平到低電平的轉(zhuǎn)換
邊表示 'O', 用低電平到高電平的轉(zhuǎn)換邊表示 '1 ''相反的表示也是允許的。位中間的電平轉(zhuǎn)
換邊既表示了數(shù)據(jù)代碼，同時(shí)也作為定時(shí)信號(hào)使用。曼徹斯特編碼用在以太網(wǎng)中。
8. 差分曼徹斯特編碼（重要）
這種編碼也是一種雙相碼，和曼徹斯特編碼不同的是，這種碼元中間的電平轉(zhuǎn)換邊只作為
定時(shí)信號(hào)，不表示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的表示在千每一位開始處是否有電平轉(zhuǎn)換：有電平轉(zhuǎn)換表示 'O',
無(wú)電平轉(zhuǎn)換表示 '1' 。差分曼徹斯特編碼用在令牌環(huán)網(wǎng)中。
9. 多電平編碼
這種編碼的碼元可取多個(gè)電平之一，每個(gè)碼元可代表幾個(gè)二進(jìn)制位。
10 . 4B/5B 編碼
在曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼中，每位中間都有一次電平跳變，因此波特率是數(shù)據(jù)
速率的兩倍。
2.5 數(shù)字調(diào)制技術(shù)
數(shù)字調(diào)制技術(shù)：概念數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)不僅可以用方波脈沖傳輸，也可以用 擬信號(hào)傳輸 用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制模擬信號(hào)叫
字調(diào)制。
有三個(gè)參數(shù)：幅度，頻移，相移。
1. 幅度鍵控 ASK
按照這種調(diào)制方式，載波的幅度受到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制而取不同的值，例如對(duì)應(yīng)二進(jìn)制 'O',
載波振幅為 'O'; 對(duì)應(yīng)二進(jìn)制 '1 ''載波振幅取 'I' 。調(diào)幅技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，但抗干擾
性能較差。
總結(jié)：相同振幅波（有波峰波谷）取二進(jìn)制1。
2. 頻移鍵控 FSK
按照數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值調(diào)制載波的頻率叫作頻移鍵控。例如，對(duì)應(yīng) 進(jìn)制 'O' 的載波頻率為
Ji, 對(duì)應(yīng)二進(jìn)制 '1' 的載波頻率為兒。這種調(diào)制技術(shù)的抗干擾性能好，但占用的帶寬較大。在
有些低速調(diào)制解調(diào)器中，用這種調(diào)制技術(shù)把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變成模擬音頻信號(hào)傳送。
3. 相移鍵控 PSK
用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值調(diào)制載波相位，這就是相移鍵控 。例如，用 18 相移表示 '1 '; 相移
表示 。這種調(diào)制方式抗干擾性能好，而且相位的變化也可以作為定時(shí)信息來(lái)同步發(fā)送機(jī)和接
收機(jī)的時(shí)鐘。碼元只取兩個(gè)相位值叫 相調(diào)制，碼元可取 個(gè)相位值叫 相調(diào)制。 相調(diào)制時(shí)，
個(gè)碼元代表兩位二進(jìn)制數(shù)（如表 2-3 所示） 采用 相或更多相的調(diào)制能提供較 的數(shù)據(jù)速率，
但實(shí)現(xiàn)技術(shù)更復(fù)雜。
4 . 正交幅度調(diào)制
就是把兩個(gè)幅度相同但相位90° 的模擬信號(hào)合成為一個(gè)模擬信號(hào)。
2.7 通信方式和交換方式
2.7.1 數(shù)據(jù)通信方式
分為三種：
(1) 單工通信
在單工信道上，信息只能在 個(gè)方向傳送，發(fā)送方不能接收，接收方也不能發(fā)送。
只能單方向傳送。
例子：電視。
(2) 半雙工通信
在半雙工信道上，通信的雙方可交替發(fā)送和接收信息，但不能同時(shí)發(fā)送和接收。
雙方可交替?zhèn)魉停遣荒芡瑫r(shí)傳送。如：對(duì)講機(jī)。
(3) 全雙工通信
同時(shí)進(jìn)行雙向信息傳送的通信方式。
如電話。
2. 同步方式
傳送過(guò)程中發(fā)送方和接收方必須在時(shí)間上保持同步才能傳送信息。
(1) 異步傳輸（叫起止式）。即把各個(gè)字符分開傳輸，字符之間插入同步信息。
起始位作用：對(duì)接收方的時(shí)鐘起 位作用。
校驗(yàn)位：是檢查傳輸中的錯(cuò)誤，一般使用奇偶校驗(yàn)。
停止位：告訴接收方該字符傳送結(jié)束，然后接收方就可以檢測(cè)后續(xù)字符的起始位了。
(2) 同步傳輸。異步傳輸不適合于傳送大的數(shù)據(jù)塊（例如磁盤文件），同步傳輸在傳送連
續(xù)的數(shù)據(jù)塊時(shí)比異步傳輸更有效。
2.7.2 交換方式
交換節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息的方式可分為電路交換、報(bào)文交換和分組交換3種。
l. 電路交換
這種交換方式把發(fā)送方和接收方用一系列鏈路直接連通.。電話交換系統(tǒng)就是采用這種交換方式。
當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)呼叫后就在網(wǎng)絡(luò)中尋找一條臨時(shí)通路供兩端的用戶通話，這條臨時(shí)通路可能要經(jīng)過(guò)若干個(gè)交換局的轉(zhuǎn)接，并且一旦建立連接就成為這 對(duì)用戶之
間的臨時(shí)專用通路，其他用戶不能打斷，直到通話結(jié)束才拆除連接。
電路交換的特點(diǎn)：是建立連接需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間。由千連接建立后通路是專用的，因而不
會(huì)有其他用戶的干擾，不再有 待延遲。這種交換方式適合千傳輸大 的數(shù)據(jù)，傳輸少量信息時(shí)效率不高。
2. 報(bào)文交換
這種方式不要求在兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間建立專用通路。
報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)是不建立專用鏈路，線路是共 的，因而利用較高，這是由通信中 的等待時(shí)延換來(lái)的。
3. 分組交換
在這種交換方式中數(shù)據(jù)包有固定的長(zhǎng)度，因而交換節(jié)點(diǎn)只要在內(nèi)存中開辟一個(gè)小的緩沖區(qū)
就可以了。
在進(jìn)行分組交換時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)先要對(duì)傳送的信息分組，對(duì)各個(gè)分組編號(hào)，加上源地
址和目標(biāo)地址以及約定的分組頭信息，這個(gè)過(guò)程叫作信息的打包。一次通信中的所有分組在網(wǎng)
絡(luò)中傳播又有兩種方式，一種叫數(shù)據(jù)報(bào) (Datagram), 種叫虛電路
(I) 數(shù)據(jù)報(bào)。
每個(gè)分組在網(wǎng)絡(luò)中的傳播路徑完全是由網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)的狀況隨機(jī)決定的。
(2) 虛電路。
發(fā)送端和接收端之間建立一條邏輯連接.
2.8 多路復(fù)用技術(shù)
多路復(fù)用技術(shù)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道的技術(shù)。
2.8.1 頻分多路復(fù)用
頻分多路復(fù)用是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個(gè)頻率不同的模擬載波信號(hào)進(jìn)行多路傳輸，這些
載波可以進(jìn)行任何方式的調(diào)制，如 ASK FSK PSK 以及它們的組合。
2.8.2 時(shí)分多路復(fù)用
時(shí)分多路復(fù)用 CTime Division Multiplexing, TDM) 要求各個(gè)子通道按時(shí)間片輪流地占用
整個(gè)帶寬。
2.8.3 波分多路復(fù)用
波分多路復(fù)用 (Wave Division Multiplexing, WDM) 使用在光纖通信中，不同的子信道用不同波長(zhǎng)的光波承載，多路復(fù)用信道同時(shí)傳送所有子信道的波長(zhǎng)。這種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中要使用能
夠?qū)獠ㄟM(jìn)行分解和合成的多路器，
2.9 差錯(cuò)控制
必須考慮怎樣發(fā)現(xiàn)和糾正信號(hào)傳輸差錯(cuò)。
2.9.1 檢錯(cuò)碼
奇偶校驗(yàn)是最常用的檢錯(cuò)方法，其原理是在 位的 ASCII 代碼后增加一位，使碼字中個(gè)數(shù)成奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。經(jīng)過(guò)傳輸后，如果其中一位（甚至奇數(shù)個(gè)位）出錯(cuò)，
則接收端按同樣的規(guī)則就能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。
2.9.2 海明碼
M：表示數(shù)據(jù)位
K：表示校驗(yàn)位
2.9.3 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼
所謂循環(huán)碼是這樣 組代碼，其中任 有效碼字經(jīng)過(guò)循環(huán)移位后得到的碼字仍然是有效
碼字，不論是右移或左移，也不論移多少位。
WDM (Wave Division Multiplexing）波分多路復(fù)用 ：使用在光纖通信中，不同的子信道用
不同波長(zhǎng)的光波承載，多路復(fù)用信道同時(shí)傳送所有子信道的波長(zhǎng)。這種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中要使用能
夠?qū)獠ㄟM(jìn)行分解和合成的多路器。
TDM（ Time Division Multiplexing, TDM ）時(shí)分多路復(fù)用：要求各個(gè)子通道按時(shí)間片輪流地占用
整個(gè)帶寬。
PCM (Pul seCode Modulation, ), 簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制：用編碼解碼器把模擬數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程叫模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化。常用的數(shù)字化技術(shù)就是脈沖編碼調(diào)制技術(shù)。
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度調(diào)制 ：就是把兩個(gè)幅度相同但相位
90° 的模擬信號(hào)合成為一個(gè)模擬信號(hào)。
RZ（歸零 Return to Zero,）：碼元中間的信號(hào)回歸到零電平，因此，任意兩個(gè)碼元之間被零電平隔開。
AMI（信號(hào)交替反轉(zhuǎn)編碼：）：數(shù)據(jù)流中遇到' I '時(shí)使電平在正和負(fù)之間交替翻轉(zhuǎn) ，而遇到 'O' 時(shí)則保持零電平。
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