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数据通信基础01

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[TOC]

1 数据通信基本概念

1.1 信源

  • 信源,是产生各类信息的实体。信源给出的符号是不确定的,可用随机变量及其统计特性描述。

1.2 信道

  • 通信的通道

1.3 信宿

  • 信息接收者指在信息传递过程中,发出信息一方称发信息者,接受信息的一方称信息接受者,又称受信息或信宿。

1.4 数字信号

  • 数字信号是信息用于若干个明确定义的离散值表示的时间离散星火

1.5 模拟信号

  • 模拟信号是在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间程序为任意数值的信号

1.6 模拟通信

  • 利用正弦波的幅度、频率或相位的变化,或利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号,以达到通信的目的

1.7 数字通信

  • 用数值信号作为载体来传输消息,或用数字信号对载波就行数字调制后再传输的通信方式

数据通信基础01

2 数据通信计算

2.1 模拟信道带宽计算

W=f2−f1

  • 其中 f1 是低频,f2 是高频

2.2 尼奎斯特定理

最大数据速率 = 2W \log_2 N=B \log_2 N

  • 其中,W 表示带宽,B 表示波特率,N 是码元总的种类数

2.3 信息量 n 与码元种类 N 的关系

n =\log_2 N

2.4  香农公式

极限数据速率 = 带宽 \times \log_2 (1+S/N)

  • 其中,S 为信号功率,N 为噪声功率

2.5  误码率

  • 指接收到的错误码元数在总传送码元数中所占的比例

P_C = 错误码元数 / 码元总数

2.6  信噪比

信噪比 = 信号功率 / 噪声功率 = S/N

2.7  码元速率(波特率)

  • 即单位时间内载波参数(相位、振幅、频率等)变化的次数,单位为波特,符号 Baud ,简写 B

2.8  比特率(信息传输速率、信息速率)

  • 指单位时间内在信道上传达的数据量(即比特数),单位为比特每秒( bit/s ),简写 b/sbps

2.9  波特率与比特率的关系

比特率 = 波特率 \times 单个调制状态对应的二进制位数 = 波特率 \times\log_2 N

2.10 分贝数与信噪比的关系

dB =10 \lg (S/N)

2.11 公式总结

数据通信基础01

3 常用考试数据

3.1 单位换算

  • 通信换算进制 1000   1G=1000M
  • 存储换算进制 1024   1G=1024M

3.2 信道延迟

  • 总延迟时间
    T_{总延迟}=T_1+T_2

    其中 T_1 为发送延迟,T_2 为传输延迟

  • 电缆信道延迟:200m/us(200km/ms、200000km/s)为光速的 2/3
  • 卫星信道延迟:270ms
  • 双绞线分为 非屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP
  • 100 米可达到 100MB/s

4 双绞线

4.1 屏蔽双绞线

  • 三类线 —— 带宽 10Mbps—cat3
  • 五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5
  • 超五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5e
  • 六类线 —— 带宽 250Mbps—cat6

4.2 非屏蔽双绞线

  • 三类线 —— 带宽 16Mbps—cat3
  • 五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5
  • 超五类线 —— 带宽 100Mbps—cat5e

4.3 双绞线线序标准

  • 分为 T568A 与 T568B

T568A–交叉线

绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕

T568B–直通线

橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕

4.4  交叉线与直通线的适用范围

线缆连接设备情况 采用的线缆种类
计算机 —— 计算机 交叉线
计算机 —— 交换机 直通线
计算机 —— 路由器 交叉线
交换机 —— 交换机 交叉线
交换机 —— 路由器 直通线
路由器 —— 路由器 交叉线

5 同轴电缆

  • 分为粗同轴电缆与细同轴电缆。 传送距离长,信号稳定的特点,常用于电监控、音响设备

  • 由里到外分别是:中心铜线,塑料绝缘体,网状导电层和电线外皮

  • 优点是传送距离长,信号稳定

  • 同轴电缆分为 RG-58(基带),RG-59(宽带)

    数据通信基础01

6 光纤

  • 分为单模光纤 SMF 与多模光纤 MMF,黄色为单模,橙色水蓝色为多模

    数据通信基础01

6.1 单模光纤与多模光纤的对比

项目 单模光纤 单模光纤
距离
速率
光源 激光 发光二极管
直径
端接 较难 较易
造价

7 无线信道

  • 分为 无线电波红外光波

  • 无线电波

    • 长波
    • 中波
    • 短波
    • 超短波
    • 微波
      • 地面微波
      • 卫星微波
  • 红外光波

    • 近红外线
    • 中红外线
    • 远红外线

8 模拟信道调制

  • 分为 调幅 ASK调频 FSK调相 PSK正交调幅 QAM

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9 数字信道编码

  • 分为采样、量化、编码三步骤

10 调制技术与码元数

调制技术 名称 码元种类 N 比特位 n
ASK 幅度键控 2 1
FSK 频移键控 2 1
PSK 相移键控 2 1
DPSK 4 相键控 4 2
QPSK 正交相移键控 4 2

参考视频:https://www.bilibili.com/video/BV1n441117x5?from=search&seid=10487131280885074075

11 极性编码

  • 分为单极性、极性、双极性

    数据通信基础01

    • 单极性码
      • 只有 一个极性,正电平为 0,零电平为 1
    • 极性码
      • 两个极性,正电平为 0,零电平为 1
    • 双极性码
      • 零电平为 0,正负电平交替翻转表示 1,这种编码不能定时,需要引入时钟

12 归零性编码

  • 分为归零码、不归零码、双相码

    数据通信基础01

    • 归零码
      • 码元中间 信号回归到零电平,正电平到零电平转换变为 0,负点平到零电平转换变为 1,这种码元自定时
      • 通过 “归零” 这一步骤,相当于代替时钟信号编码在数据中,即可做到同步
      • 该编码效率较低
    • 不归零码
      • 码元中间信号不归零,1 表示电平翻转,0 不翻转,正电为 1,负电为 0
      • 因存在同步问题,计算机网络不使用该类编码
    • 双相码
      • 低到高表示 0,高到低表示 1,这种编码抗干扰性好,实现自同步

13 曼彻斯特码与差分曼码

  • 曼彻斯特码降 0 升 1,降 1 升 0,效率 50%

  • 差分曼码折 0 平 1,效率 50%

    数据通信基础01

    • 曼彻斯特码
      • 低到高表示 0,高到低表示 1,码元中间电平转换既表示数据,又做定时信号
      • 使用在 10Mb/s 的传统以太网中,跳变时刻即表示数据,也表示时钟
    • 差分曼彻斯特码
      • 每一位开始处是否有电平翻转,有着表示 0,没有则表示 1
      • 跳变仅表示时钟,码元开始处才表示数据的变化

练习例题

  1. 设信道带宽为 4000Hz,信噪比为 30dB,按照香农定理,信道容量为 。

    • 4Kb/s
    • 1.6Kb/s
    • 40Kb/s
    • 120Kb/s
    • 使用香农公式 C = W $log⁡2(1+S/N)\log_2 (1+S/N)$log2​(1+S/N) , 和公式 dB = 10 $lg⁡10(S/N)\lg_10 (S/N)$lg1​0(S/N), 由 30dB 得到 S/N = 1000;于是 C = 4000 $log⁡2(1+1000)\log_2 (1+1000)$log2​(1+1000)  =  40000b/s;除以进率 1000,换算为 Kb/s 等于 40Kb/s
  2. 所谓正交幅度调制是把两个 的模拟信号合为一个载波信号。

    • 幅度相同相位相差 90°
    • 幅度相同相位相差 180°
    • 频率相同相位相差 90°
    • 频率相同相位相差 180°
  3. 地面上相距 2000km 的两地之间通过电缆传输 4000bit 长的数据包,数据速率为 64Kb/s,从喀什发送到接收完成需要花费的时间为 。

    • 48ms
    • 640ms
    • 32.5ms
    • 72.5ms
    • 一个数据包从开始发送到接收完成的总时间 = 发送时间 + 传播延迟时间;传播延迟时间 = 2000km/(200km/ms)=10ms; 发送时间 = 4000b/(6400b/s)=0.065s=62.5ms; 总时间 = 62.5+10=72.5ms
  4. PCM 编码是把模拟信号数字化的过程,通常模拟话音信道的带宽为 4000Hz,则在数字化采用频率至少 次 / 秒。

    • 2000
    • 4000
    • 8000
    • 16000
  5. 在异步通信中,每个字符包含一位起始位、7 位数据位、1 位奇偶位和 1 位终止位,每秒钟传送 200 个字符,采用 DPSK 调制,则码元速率为 B。

    • 200
    • 500
    • 1000
    • 2000
    • R=200*(1+7+1+1)=2000bps,根据 DPSK 默认是 2DPSK,也就是 2 相 N=2,带入 R=B$log⁡2(N)\log_2 (N)$log2​(N),数值为:2000=B$log⁡2(2)\log_2 (2)$log2​(2),得出波特率 B=2000
  6. 设信道带宽为 4000Hz,采用 PCM 编码,采用周期为 125us,每个样本量化为 128 个等级,则信道的数据速率为 Kb/s。

    • 10
    • 16
    • 56
    • 64
    • 128 个等级即 2^7=128,需要 yong7 位来表示,125us 的周期是每秒变化 8000 次,则有 7*8000=56000b/s=56Kb/s

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