四.數據通訊基本概念

　　●數據(Data):傳遞(攜帶)信息的實(shí)體。

　　●信息(Information):是數據的內容或解釋。

　　●信號(Signal):數據的物理量編碼(通常為電編碼)，數據以信號的形式傳播。

　　●模擬信號與數字信號

　　●基帶(Base band)與寬帶(Broad band)

　　●信道(Channel):傳送信息的線(xiàn)路(或通路)

　　●比特(bit):信息量的單位。比特率為每秒傳輸的二進(jìn)制位個(gè)數。

　　●碼元(Code Cell):時(shí)間軸上的一個(gè)信號編碼單元

　　●同步脈沖:用于碼元的同步定時(shí)，識別碼元的開(kāi)始。同步脈沖也可位于碼元的中部，一個(gè)碼元也可有多個(gè)同步脈沖相對應。

　　●波特(Baud):碼元傳輸的速率單位。波特率為每秒傳送的碼元數(即信號傳送速率)。

　　1 Baud = log2M (bit/s)

　　其中M是信號的編碼級數。也可以寫(xiě)成:Rbit = Rbaud log2M

　　上式中:Rbit-比特率，Rbaud-波特率。

　　一個(gè)信號往往可以攜帶多個(gè)二進(jìn)制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特。

　　例如，M=16，波特率為9600時(shí)，數據傳輸率為38.4kbit/s

　　●誤碼率:信道傳輸可靠性指標，是概率值

　　信息編碼:將信息用二進(jìn)制數表示的方法。

　　數據編碼:將數據用物理量表示的方法。

　　例如:字符‘A’的ASCII編碼(是信息編碼的一種)為01000001

　　●帶寬:帶寬是通信信道的寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質(zhì)傳輸能力的度量，在傳統的通信工程中通常以赫茲(Hz)為單位計量。

　　在計算機網(wǎng)絡(luò )中，一般使用每秒位數(b/s 或bps) 作為帶寬的計量單位。主要單位:Kb/s，Mb/s，Gb/s，一個(gè)以太局域網(wǎng)理論上每秒可以傳輸1千萬(wàn)比特，它的帶寬相應為10Mb/s。

　　●時(shí)延

　　△信息從網(wǎng)絡(luò )的一端傳送到另一端所需的時(shí)間

　　△時(shí)延之和=處理時(shí)延+排隊時(shí)延 +發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延

　　△處理時(shí)延=分組首部和錯誤校驗等處理(微秒)

　　△排隊時(shí)延=數據在中間結點(diǎn)等待轉發(fā)的延遲時(shí)間

　　△發(fā)送時(shí)延=數據位數/信道帶寬

　　△傳播時(shí)延=d/s(毫秒)d:距離 s:傳播速度≈光速

　　●時(shí)延帶寬乘積:某一鏈路所能容納的比特數。

　　時(shí)延帶寬乘積=帶寬×傳播時(shí)延。例如，某鏈路的時(shí)延帶寬乘積為100萬(wàn)比特，這意味著(zhù)第一個(gè)比特到達目的端時(shí)，源端已發(fā)送了100萬(wàn)比特。

　　●往返時(shí)延 (Round-Trip Time ，RTT)

　　從信源發(fā)送數據開(kāi)始，到信源收到信宿確認所經(jīng)歷的時(shí)間RTT≈2×傳播時(shí)延，傳輸可靠性?xún)蓚�(gè)含義:

　　1、數據能正確送達

　　2、數據能有序送達(當采用分組交換時(shí))

　　信息通信系統傳輸

　　1、信道及其主要特征:數字信道和模擬信道

　　●數字信道:以數字脈沖形式(離散信號)傳輸數據的信道。

　　●模擬信道:以連續模擬信號形式傳輸數據的信道。

　　模擬信號和數字信號

　　●模擬信號:時(shí)間上連續，包含無(wú)窮多個(gè)信號值

　　●數字信號:時(shí)間上離散，僅包含有限數目的信號值

　　周期信號和非周期信號

　　●周期信號:信號由不斷重復的固定模式組成(如正弦波)

　　●非周期信號:信號沒(méi)有固定的模式和波形循環(huán)(如語(yǔ)音的音波信號)。

　　2、數字數據的傳輸方式

　　●基帶傳輸:不需調制，編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送。例如:以太網(wǎng)

　　●寬帶傳輸:數字信號需調制成頻帶模擬信號后再傳送，接收方需要解調。例如:通過(guò)電話(huà)模擬信道傳輸。例如:閉路電視的信號傳輸。

　　3、數據同步方式:目的是使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準上一致 (包括開(kāi)始時(shí)間、位邊界、重復頻率等)。 　　有三種同步方法:位同步、字符同步、幀同步。 　　●位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步，有下面兩種方式: 　　△外同步——發(fā)送端發(fā)送數據時(shí)同時(shí)發(fā)送同步時(shí)鐘信號，接收方用同步信號來(lái)鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。 　　△自同步——通過(guò)特殊編碼(如曼徹斯特編碼)，這些數據編碼信號包含了同步信號，接收方從中提取同步信號來(lái)鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。 　　●字符同步:以字符為邊界實(shí)現字符的同步接收，也稱(chēng)為起止式或異步制。每個(gè)字符的傳輸需要:1個(gè)起始位、5～8個(gè)數據位、1，1.5，2個(gè)停止位。 　　●字符同步的性能評估: 　　△頻率的漂移不會(huì )積累，每個(gè)字符開(kāi)始時(shí)都會(huì )重新同步。 　　△每?jì)蓚�(gè)字符之間的間隔時(shí)間不固定。 　　△增加了輔助位，所以效率低。例如，采用1個(gè)起始位、 8個(gè)數據位、 2個(gè)停止位時(shí)，其效率為8/11<72%。 　　●幀同步:識別一個(gè)幀的起始和結束。 　　△幀(Frame)數據鏈路中的傳輸單位——包含數據和控制信息的數據塊。 　　△面向字符的——以同步字符(SYN，16H)來(lái)標識一個(gè)幀的開(kāi)始，適用于數據為字符類(lèi)型的幀。 　　△面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)來(lái)標識一個(gè)幀的開(kāi)始，適用于任意數據類(lèi)型的幀。 　　

　　4、信道最大數據傳輸率 　　●奈奎斯公式:用于理想低通信道 　　C = 2W×log2 M 　　C = 數據傳輸率，單位bit/s 　　W = 帶寬，單位Hz 　　M = 信號編碼級數 　　奈奎斯公式為估算已知帶寬信道的最高數據傳輸速率提供了依據。 　　●非理想信道 　　實(shí)際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引起信號強度減弱，導致信噪比S/N降低。延遲會(huì )使接收端的信號產(chǎn)生畸變。噪聲會(huì )破壞信號，產(chǎn)生誤碼。持續時(shí)間0.01s的干擾會(huì )破壞約560個(gè)比特(56Kbit/s) 　　△香農公式:有限帶寬高斯噪聲干擾信道 　　C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比 　　例:信道帶寬W=3.1KHz，S/N=2000，則 　　C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s 　　即該信道上的最大數據傳輸率不會(huì )大于34Kbit/s 　　●奈奎斯公式和香農公式的比較 　　△C = 2W log2M 　　數據傳輸率C隨信號編碼級數增加而增加。 　　△C = W log2(1+S/N) 　　無(wú)論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了信道能達到的最高傳輸速率。 　　原因:噪聲的存在將使編碼級數不可能無(wú)限增加。

　　5、數據編碼

　　●編碼與調制的區別

　　△用數字信號承載數字或模擬數據——編碼

　　△用模擬信號承載數字或模擬數據——調制

　　●數字數據的數字信號編碼:把數字數據轉換成某種數字脈沖信號常見(jiàn)的有兩類(lèi):不歸零碼和曼徹斯特編碼。

　　△不歸零碼(NRZ，Non-Return to Zero)二進(jìn)制數字0、1分別用兩種電平來(lái)表示，常常用-5V表示1，+5V表示0。缺點(diǎn):存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器;不具備自同步機制，傳輸時(shí)必須使用外同步。

　　△曼徹斯特編碼(Manchester Code)用電壓的變化表示0和1，規定在每個(gè)碼元的中間發(fā)生跳變:高→低的跳變代表0，低→高的跳變代表1。每個(gè)碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來(lái)作為同步信號。這種編碼也稱(chēng)為自同步碼(Self-Synchronizing Code)。缺點(diǎn):需要雙倍的傳輸帶寬(即信號速率是數據速率的2倍)。

　　△差分曼徹斯特編碼(Differential ～)每個(gè)碼元的中間仍要發(fā)生跳變，用碼元開(kāi)始處有無(wú)跳變來(lái)表示0和1 ，有跳變代表0，無(wú)跳變代表1。

　　●數字數據的調制編碼，三種常用的調制技術(shù):

　　△幅移鍵控ASK (Amplitude Shift Keying)

　　△頻移鍵控FSK (Frequency Shift Keying)

　　△相移鍵控PSK (Phase Shift Keying)

　　基本原理:用數字信號對載波的不同參量進(jìn)行調制。

　　載波 S(t) = Acos(ωt+ψ)

　　S(t)的參量包括: 幅度A、頻率ω、初相位ψ，調制就是要使A、ω或ψ隨數字基帶信號的變化而變化。

　　△ASK:用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1。

　　△FSK:用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1。

　　△PSK:用載波的起始相位的變化表示0 和1。

　　●模擬數據的數字信號編碼

　　采樣定理:如果模擬信號的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。

　　要轉換的模擬數據主要是電話(huà)語(yǔ)音信號，語(yǔ)音信號要在數字線(xiàn)路上傳輸，必須將語(yǔ)音信號轉換成數字信號。這需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟:

　　△采樣:按一定間隔對語(yǔ)音信號進(jìn)行采樣

　　△量化:對每個(gè)樣本舍入到量化級別上

　　△編碼:對每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼

　　編碼后的信號稱(chēng)為PCM信號

　　6、多路復用技術(shù)

　　復用:多個(gè)信息源共享一個(gè)公共信道。為何要復用?——提高線(xiàn)路利用率。

　　適用場(chǎng)合:當信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí)。

　　復用類(lèi)型

　　△頻分復用FDM (Frequency Division Multiplexing)

　　△波分復用WDM (Wave Division Multiplexing)

　　△時(shí)分復用TDM (Time Division Multiplexing)

　　●頻分復用原理:整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護頻帶以防相互干擾。

　　●波分復用——光的頻分復用。原理:整個(gè)波長(cháng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(cháng)范圍，每路信號占用一個(gè)波長(cháng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。

　　●時(shí)分復用原理:把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙，每路數據占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。由于每路數據總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復用也稱(chēng)為同步時(shí)分復用。

　　時(shí)分復用的典型例子CM信號的傳輸，把多個(gè)話(huà)路的PCM話(huà)音數據用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)，每幀在一個(gè)時(shí)間片內發(fā)送，每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號。

　　●統計(異步)TDM——STDM

　　TDM的缺點(diǎn):某用戶(hù)無(wú)數據發(fā)送，其他用戶(hù)也不能占用該時(shí)隙，將會(huì )造成帶寬浪費。

　　改進(jìn):用戶(hù)不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)隙就將數據放入。

　　7、差錯控制

　　與語(yǔ)音、圖像傳輸不同，計算機通信要求極低的差錯率。產(chǎn)生差錯的原因:

　　△信號衰減和熱噪聲

　　△信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變;

　　△信號反射，串擾;

　　△沖擊噪聲，閃電、大功率電機的啟停等。

　　差錯控制的基本方法是:接收方進(jìn)行差錯檢測，并向發(fā)送方應答，告知是否正確接收。差錯檢測主要有兩種方法:

　　●奇偶校驗(Parity Checking)

　　在原始數據字節的最高位增加一個(gè)奇偶校驗位，使結果中1的個(gè)數為奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。例如1100010增加偶校驗位后為11100010，若接收方收到的字節奇偶校驗結果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯誤。此方法只能用于面向字符的通信協(xié)議中，只能檢測出奇數個(gè)比特位錯。

　　●循環(huán)冗余校驗 (CRC, Cyclic Redundancy Check)

　　差錯檢測原理:將傳輸的位串看成系數為0或1的多項式。收發(fā)雙方約定一個(gè)生成多項式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項式，若有余數，則傳輸有錯。校驗和是16位或32位的位串，CRC校驗的關(guān)鍵是如何計算校驗和。

　　●差錯控制技術(shù)

　　△自動(dòng)請求重傳Automatic Repeat Request (ARQ)

　　△停等 ARQ

　　△Go-back-N ARQ

　　△選擇重傳 ARQ