【备考-网络工程师】PART5-数据通信技术

信号	传输信道	特点	示例
模拟信号	模拟信道	连续信号，一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值	麦克风输出电压
数字信号	数字信道	在取值上是离散的、不连续的信号	电报信号、计算机输入输出信号

模拟信号：指的是连续的信号，即它的幅度，包括了相位包括了频率都是连续的；没办法实现远距离传输

数字信号：数字信号是人为抽象出来的不连续信号；因为数字信号是人为抽象出来的，在传递的过程中也会受到噪声的干扰，但在一定范围内，在受噪声干扰不那么严重的情况下，可以再次用人为的方法生成发送端一模一样的信号，从而实现远距离的传输

模拟信号波形图

数字信号波形图（方波，对应电平代表二进制的零或一）

码元

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号成为码元

码元速率：单位时间传输的码元个数，单位为波特；

码元速率 $B=\frac{1}{T}$ （T为单个码元发送的时间）

2、通信系统的组成

信源：发送方

发送器：将信源发送的消息转变为信号；调制、编码等是发送器所起到的作用

（调制：将数字信号转变为模拟信号；

编码：将数字信号转变为适合在信道当中传输的信号波形）

信道：传输介质（多路复用技术指的是如何提高信道的利用率）

接收器：把信号转化为接收方能收到的消息；解调、译码等是接收器所起到的作用

（解调）

信宿：接收方（差错控制指的是接收方收到信息能够判断这些信息有误）

3、多路复用技术

多路复用技术

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术，它可以有效的提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输

不同的复用技术

根据复用原理的不同，可以划分有不同的复用技术，常见的有：

①空分复用（SDM）

指利用空间的分割来实现的复用，进而让同一频段的信号能在不同的子信道内传输，常见应用如：光缆

②频分复用（FDM）与波分复用（WDM）

复用技术	特点	应用示例
频分复用FDM	通过信号的不同频率范围划分子信道	FM电台
波分复用WDM	以不同的光波长来划分子信道	光纤

③时分复用（TDM）

以信道的传输时间作为分割对象（划分时间片）来实现的复用，并且可以根据时间片是否固定分配，分为同步时分复用技术和统计时分复用技术（也叫异步时分复用）

（时间片固定分配->同步时分复用技术；时间片不固定分配->统计时分复用技术，能进一步提高信道的利用率）

同步时分复用技术的应用

⑴E1载波

（其实就是PDH机制，PDH机制即准同步数字体系，属于广域网里的东西）

E1载波：采用同步时分复用技术将30个话音信道和2个控制信道（两个控制信道为CH0、CH16，其余的为话音信道）复合在一条2.048Mb/s的高速信道上

·共划分为32个相等的时隙，编号为CH0~CH31

·每个时隙传送8bit，因此完整E1帧长为 8 * 32 = 256 bit

·每秒传送8000个E1帧，因此E1的数据率就是 256 * 8000 = 2.048 Mbps

⑵T1载波

T1载波：采用同步时分复用技术讲24个话音信道复合在一条1.544Mb/s的高速信道上

·共划分为24个相等的时隙，24个子信道均作为话音信道

·每个时隙传送8bit，额外加一个帧同步位，因此完整T1帧长为24*8+1=193bit

·每秒传送8000个T1帧，因此T1的数据率就是193*8000=1.544Mbps

（四个E1再次进行同步时分复用技术，就变成E2…以此类推）

④码分复用（CDM）

利用不同的码序列来区分不同的用户信号的复用技术，常见应用：CDMA、WCDMA等移动通信系统

考法

【考法1】各种复用技术区分

复用技术		特点及描述	应用
SDM（空分复用）		分隔空间来划分子信道	光缆
FDM（频分多路复用）		通过信号的不同频率范围划分子信道	电视广播系统
TDM	同步时分复用	以时间片划分子信道，用户固定占有时间片	E1、T1载波
TDM	统计时分复用（STDM）	不固定占有时间片，可实现按需分配	ATM
WDM（波分多路复用）		以不同的光波长来划分子信道	光纤
CDMA（码分复用）		以不同的码序列来实现的复用	CDMA、WCDMA 等移动通信系统

记忆技巧:Space空格、W=波长、FM电台调频、Time时间、Code代码

【考法2】E1/T1载波

名称	技术原理	载波速率	子信道	传送一帧的时间	每秒钟传多少个帧	子信道数据速率
E1载波	同步时分复用	2.048 Mbps	32个	125μs	8000(1/125μs=8000)	64kbps (8bit*8000)
T1载波	同步时分复用	1.544 Mbps	24个	125μs	8000(1/125μs=8000)	56kbps (7bit*8000)

4、通信方式

按消息传递的方向与时间分类

通信方式		消息传递方向	应用示例
单工通信		单向一条信道	无线电广播、电视广播
双工通信	半双工通信	双向一条信道	对讲机
双工通信	全双工通信	两条信道	实时电话通信

二、信道特征

1、通信系统的性能指标

从研究信息传输的角度来说，通信的有效性和可靠性是主要的矛盾所在有效性是指信息传输的“速度”问题；而可靠性则是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题

通信系统	有效性	可靠性
模拟通信系统	有效传输频带	接收端解调器输出信噪比
数字通信系统	传输速率、频带利用率	差错率(误码率和误信率)

在数字通信系统中，传输速率分为:码元传输速率(单位:波特)和信息传输速率(单位:bit/s)

2、信道容量计算

信道容量:指信道无差错传输信息的最大平均信息速率

理想无噪声信道的信道容量，奈奎斯特公式 : $R=Blog_{2}N$

有噪声连续信道的信道容量，香农公式 : $C=Wlog_{2}(1+S/N)$

· $log_{2}N$ 求解

只需要将N写成2的幂次方，结果即为其幂次方的值。

如 $log_{2}16=log_{2}2^{4}=4$

$log_{2}2=log_{2}2^{1}=1$

请问： $log_{2}128$ 的值为多少？

·信噪比SN，数值很大，常用分贝数DB表示

$DB=10log_{10}(S/N)$

如当 $S/N=1000$ 时， $10log_{10}(1000)=10log_{10}10^{3}=10*3=30DB$

$C=Wlog_{2}(1+S/N)=Wlog_{2}(1+1000)\approx Wlog_{2}2^{10}\approx 10W$

考法

【考法1】容量计算公式的应用

1、提取题干关键字，选择计算公式
2、带入数值进行计算

·奈奎斯特公式： $R=Blog_{2}N$ ；

`香农公式： $C=Wlog_{2}(1+S/N)$

参数	含义	试题关键字描述
R、C	信息传输速率(单位:bit/s;bps)	信道的(最大)数据速率
B	码元传输速率(单位:波特Baud)	信道带宽:B=2W
N	码元种类数( $log_{2}N$ :一个码元携带的比特位数)	1、N种码元数、N个信号状态 2、从编码/调制技术类型获取
S/N	信噪比，数值很大，常用分贝数表示(单位:DB)	$DB=10log_{10}(S/N)$ 信噪比30DB，S/N=1000 通常简化公式:C=W·10

三、编码与调制

通信信道

①模拟信道:只传送模拟信号

②数字信道:只传送数字信号

各技术的解释

数字数据要在模拟信道中传送（调制技术）；

模拟数据要在数据信道中传送（PCM脉冲编码调制技术）；

数字数据要在数字信道中传送（编码技术）；

1、数字调制技术

数字调制:用数字数据调制模拟信号，在模拟信道中进行数据传输

调制技术	说明	码元种类	比特位	特点
ASK	用恒定的载波振幅值表示1，无载波表示0	2	1	实现简单、但抗干扰性差、效率低
FSK	由载波的两个频率(f1、f2)表示0和1	2	1	抗干扰性较ASK更强，但占用带宽较大
PSK	用载波的相位来表示0和1	2	1	抗干扰性最好，而且相位的变化可以作为定时信息来同步时钟
2DPSK	用载波的相位差来表示0和I	2	1	码元为“1”时，2DPSK信号的相位变化180°。码元为“0”时，2DPSK信号的相位不变
4DPSK	四差分相移键控	4	2	每90°表示一种状态
QPSK	正交相移键控	4	2	每90°表示一种状态
QAM	正交幅度调制			幅度和相位都会变化，例如4幅度，8相位，最多组成4*8=32种码元

各数字调制技术如下图，tips：注意PSK与DPSK的区别

考法

【考法1】各种调制技术的特点

调制技术	码元种数N	比特位	码元速率和数据速率	载波数
ASK/FSK/PSK/DPSK	2	1	相等	看一个码元长度中的正弦波数量确定
QPSK	4	2	数据速率=2*码元速率	/
QAM	$2^{X}$	X	数据速率= $log_{2}N$ * 码元速率	/

·涉及奈奎斯特公式： $R=Blog_{2}N$

·这里主要由调制技术确定码元种类数参与相关运算

·也可已知数据速率逆推码元种类数得到调制技术

【考法2】调制技术的波形判断

调制技术	波形特点
ASK	用不同的振幅来表示0和1
FSK	使用两个(或多个)不同频率的连续波分别表示0和1
PSK	使用不同的相位的波形分别表示0和1
DPSK	相邻码元载波相对相位是否变化一般1表示相对相位改变；0表示相对相位不改变

2、PCM脉冲编码调制技术

PCM系统主要包括采样、量化与编码三个过程

·最小抽样频率 $f_{s}=2f_{H}$ 称为奈奎斯特频率

·最大抽样间隔 $T_{s}=1/2f_{H}$ 称为奈奎斯特间隔

·由于实际滤波器的不理想特性，使用的抽样频率必须比 $f_{s}$ 大得多一些

如：声音信号频率300~3400Hz，采样频率常取8000Hz，采样周期为125μs

记忆：采样频率应大于等于模拟信号的最高频率的2倍

考法

【考法1】PCM的相关要点

PCM	说明
过程	①釆样 ➁ 量化 ③ 编码
采样速率	最高频率的2倍
数据速率	采样速率*（量化后的二进制位数）

3、数字编码与编码效率

①基本编码——极性编码

②应用性编码

③编码效率

编码方案		说明	效率	典型应用
曼码		每传输1bit的信息，就要求线路上有2次电平状态变化(2Baud)，可自同步	50%	10M以太网
差分曼码		每传输1bit的信息，就要求线路上有2次电平状态变化(2Baud)，可自同步	50%	令牌环网
mB/nB编码	4B/5B	用5位代码表示4位有效信息与不归零编码(NRZ-1)配合使用	80%	100Base-FX、 100Base-TX（MLT-3）、 FDDI
mB/nB编码	8B/10B	用10位代码表示8位有效信息	80%	1000BASE-X、 1000BASE-TX、 1000BASE-T(PAM 5)
8B/6T		用6个代码表示4位有效信息	0.75波特/位	100Base-T4

考法

【考法1】曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的编码规则

	曼彻斯特编码	差分曼彻斯特编码
波形特点	固定波形表示相应的二进制数据	根据比特前沿是否有电平跳变表示进制数据二进制0翻转，二进制1不变
应用	传统以太网	令牌环网
相同点	双相码编码效率：50%

【考法2】应用环境的编码方案与效率判别

编码方案	效率	典型应用
NRZI(不归零码)	100%	100BASE-FX
曼码	50%	10M以太网
4B/5B	80%	100Base-FX
8B/10B	80%	1000BASE-X
8B/6T	\	100Base-T4
MLT-3	\	100BASE-TX
PAM5	\	1000BASE-T

4、差错控制

检错和纠错

检错：判断出错误；纠错：进一步纠正错误；

码距

任何编码都由一组码字组成，两个码字间变化的二进制位数称为码距

解析：而在一种编码中任意两个码字之间最少变化的二进制位数称为该数据编码的最小码距。比如2位长度的二进制编码中有两个码字A=11，B=00，A、B之间的最小码距为2（可以理解为最小变化单元，任何码距中变化的最小单元作为最小码距）

码距与检错、纠错的关系

1、在一个码组内为了检测e个误码，要求最小码距d应该满足：d>=e+1

2、在一个码组内为了纠正t个误码，要求最小码距d应该满足：d>=2t+1

解析：如何理解两个不等式（设甲为发送方，乙为接收方）

①d>=e+1

关于检验误码数e与最小码距d之间的关系，其实很好解释。首先我们得着眼于码距地定义，即两码字间变化的二进制数的位数。而二进制非0即1，即表明只要存在码距（码距不为0），码字之间必有一位是不同的，则接收方（乙）接收到的数据中必有一位二进制数与两码字其中一个一样，即能检测出的误码个数e始终比最小码距d（即最小变换单元）小一位。

②d>=2t+1

①奇偶校验

在信息码后增加一位校验位，确保整个数据码中1的个数为奇数（偶数）

检错码的构造：检错码=信息字段+校验字段

接收方检验原理：将所有数据位进行模2加运算，偶校验运算结果为0，奇校验运算结果为1，视为数据无误

例如：信息码为0110001，问校验位为数值（），可构成奇校验即满足0⊕1⊕1⊕0⊕0⊕0⊕1⊕C8=1，得到C8=0，即校验位为数值0

②海明校验

用冗余数据位来检测和纠正代码差错的理论和方法，特点：

·校验位数量：由 $2^{k}\geqslant m+k+1$ 决定，其中m为信息码，k为校验码

（其实真正理解上的等式是 $2^{k}-1\geqslant m+k$ ，校验码得出能校验的校验位要比测试的数据要长）

`校验位位置：在2的幂次方位置上

·隐藏条件：偶校验，确定校验位数值

例如：信息码101101100，采用海明校验，问最终数据码会是?

❶确定校验位数量

原信息码位数 $m=9$ ，代入公式： $2^{k}\geqslant m+k+1$ ，得 $2^{k}\geqslant k+10$ ， $k=4$ ， $2^{4}\geqslant 4+10$ ，即 $16\geqslant 14$ ，满足；确定校验位数量为4位

❷确定校验位位置： $2^{0}$ ， $2^{1}$ ， $2^{2}$ ， $2^{3}$

确定检验关系：与位置的二进制表示有关

❸确定校验位数值：校验位与其所有监督的数据遵循偶校验

即：

C1⊕C3⊕C5⊕C7⊕C9⊕C11⊕C13=0，得到C1=1，即1号校验位数值为1

C2⊕C3⊕C6⊕C7⊕C10⊕C11=0，得到C2=1

C4⊕C5⊕C6⊕C7⊕C12⊕C13=0，得到C4=0

C8⊕C9⊕C10⊕C11⊕C12⊕C13=0，得到C8=0

❹接收方检错和纠错判断

给定数据码中，判断错误位是哪个?

同样的分析思路：确定好校验码位置以及监督关系，列式，偶校验判断：

        C1⊕C3⊕C5⊕C7⊕C9⊕C11⊕C13=1
        C2⊕C3⊕C6⊕C7⊕C10⊕C11=1
        C4⊕C5⊕C6⊕C7⊕C12⊕C13=0
        C8⊕C9⊕C10⊕C11⊕C12⊕C13=1

计算结果为1表示有错误数据，对比找相同内容，锁定错误数据为C11

③CRC校验

是以太网（802.3）中常用的一种差错控制技术。其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定，只检错，不纠错

·校验码长度：多项式最高次的幂值

·校验码数值：借助于多项式除法，其余数为校验码

例如：信息字段代码为：1011001，假设生成多项式为： $g(x)=X^{4}+X^{3}+1$

❶将 $g(x)=X^{4}+X^{3}+1$ 视为进制转换中的按权展开”，得到：

$g(x)=\textit{1}*X^{4}+\textit{1}*X^{3}+\textit{0}*X^{1}+\textit{0}*X^{1}+\textit{1}*X^{0}$

提取其系数：11001

❷校验位长度=多项式最高次的幂值=4位，原信息码末尾补4个0，辅助运算

❸采用多项式除法（模2除：异或运算）

得余数为：1010（即校验码为:1010）

❹检错原理

发送方：发出的传输字段为：

接收方：使用相同的生成码进行校验，接收到的字段/生成码（二进制除法）；如果能够除尽，则正确，否则出错

考法

【考法1】差错控制技术基本概念与特点

校验类型	说明	特点
奇偶	所有数据位之后增加一个校验位，来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验）	只检错，不纠错
CRC	校验码长度：多项式最高次的幂值校验码数值：借助于多项式除法，其余数为校验码以太网（802.3）中常用
海明	校验位数量：由 $2^{k}\geqslant m+k+1$ ，其中m为信息码，k为校验码校验位位置：在2的幂次方位置上隐藏条件：偶校验	可检错与纠错

校验类型

说明

特点

奇偶

所有数据位之后增加一个校验位，来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者偶数（偶校验）

只检错，不纠错

CRC

校验码长度：多项式最高次的幂值

校验码数值：借助于多项式除法，其余数为校验码以太网（802.3）中常用

海明

校验位数量：由 $2^{k}\geqslant m+k+1$ ，其中m为信息码，k为校验码
校验位位置：在2的幂次方位置上

隐藏条件：偶校验

可检错与纠错

【考法2】检验码计算与判断

校验类型	校验码计算
奇偶	数1的个数，确定校验码
CRC	信息码与生成码（多项式系数组成的码组）进行模2除得余数
海明	依据校验码位置所得监督关系中的相关数据进行偶校验

（该PART已更新完~）