计算机网络概论和数据通信基础(下)

简介: 计算机网络概论和数据通信基础

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模拟数据编码为数字信号


模拟数据编码为数字信号的第一步就是对模拟信号实施时域离散化。通常,信号时域离散化是用一个周期T的脉冲信号控制采样电路对模拟信号f(t)实施采样,得到样值序列fs(t)。如果取出的样值足够多,这个样值序列就能好逼近原始的连续信号。但是采用周期T取多大才能码组用样值序列fs(t)可代表模拟信号f(t)的要求呢?采样定理可以解决这个问题


  • 低通采样定理:如果一个带限的模拟信号f(t)的最高频率分量为fm,当满足采样频率fs>=2fm(fs=1/T)时,所获得的样值序列fs(t)就可以完全代表原模拟信号f(t)


量化是将样值幅度离散化的过程,也就是按照某一个规律将一个无穷集合的值压缩到一个有限集合中。所谓的均匀量化是以等间隔对任意信号值来量化,即将信号样值幅度的变化范围[-U, +U]等分成N个量化级,记作Δ,则

delta=2U/N(其中U称做信号过载点电压)


根据量化规则,样值幅度落在某一个量化级区间内,则由该级的中心值一个值来量化。获得量化值后,再用n位二进制码对其进行编码即可,码组的长度n与量化级数N之间的关系为

N=2n


例如:一个模拟数据的电压变化范围为[-1, 1]V ,采样值为0.33V,采用线性PCM将其编码为3位的二进制,解码后的误差为多少?

首先求出N 根据N = 2n求得到N = 2^3 = 8,delta = 2*1/8 = 0.25V


得到量化编码表

变化区间 量化值 编码
[-1, -0.75] -0.875 000
[-0.75, -0.5] -0.625 001
[-0.5, -0.25] -0.375 010
[-0.25, 0] -0.125 011
[0, 0.25] 0.125 100
[0.25, 0.5] 0.375 101
[0.5, 0.75] 0.625 110
[0.75, 1] 0.875 111

其中0.33对应的编码是101 101解码为0.375,所以误差是0.375-0.33=0.045V


模拟数字调制为模拟信号


模拟数据经由模拟信号传输时不需要进行变换,但是模拟数据本身的频率由于考虑到天线发送的时候天线尺寸的问题,模拟形式的输入数据也需要在甚高频下进行调制,其输出信号是一种带有输入数据的频率极高的模拟信号。模拟数据调制为模拟信号有三种不同的调制技术:调幅AM、调频FM、调相PM。其中最常用的是调幅和调频。


扩频通信


为了提高通信系统抗干扰性能,往往需要从调制和编码多方面入手,改进通信质量,扩频通信就是方法之一。由于扩频通信利用了扩展频谱技术,在接收端对干扰频谱能量加一扩散,对信号频谱的能量压缩集中,因此在输出端就得到了信噪比的增益


扩频通信是指系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽(或信息比特率),且与原始信号带宽无关。通常规定:如果信息带宽为B,扩频信号带宽为fss,则扩频信号带宽与信息带宽之比fss/B称为扩频因子


当fss/B = 1~2 即射频信号带宽略大于信息带宽时候,称为窄带通信


当fss/B >= 50 即射频信号带宽大于信息带宽时,称为宽带通信


当fss/B >= 100 即射频信号带宽远大于信息带宽时,称为扩频通信


  • 直接序列扩频


直接序列扩频方式中,要传送的信息经伪随机序列编码之后对载波进行调制。发送端直接使用扩频码序列去扩展信号的频谱,在接收端,用相同的扩频码序列进行解扩,将展宽的频谱扩展信号还原成原始信号


  • 跳频

在跳频方式中,载波信息的信号频率受伪随机序列的控制,快速的在一个频中跳变,此跳变的频段范围远大于要传送信息所占用的频谱宽度


  • 跳时

在跳时方式中,把每个信息码元划分成若干个时隙,此信息受伪随机序列的控制,以突发的方式随机的占用其中的一个时隙进行传输,因为信号在时域中压缩其传输时间,相应地在频域中华要扩展其频谱宽度


  • 线性调频扩频

线性调频扩频是指在给定脉冲持续时间间隔内,系统的载频线性地扫过一个很宽的频带。因为频率在缴款的频带内变化,所以信号的带宽被扩展。


多路复用技术


在点对点通信方式中,两点间的通信线路是专用的,其利用率很低,一种提升线路利用率的卓有成效的方法是使多个数据源合用一条传输线,这就是多路复用技术。多路复用系统将来自若干信息源的信息进行合并,然后将这一合成的信息群经单一的线路和传输设备进行传输,在接收方,则设有能将信息群分离成各个单独信息的设备


多路复用的形式有时分多路复用、频分多路复用和波分多路复用。


  • 时分多路复用:时分多路复用TDM方法,其信号分割的参量是信号占用的时间,故要使复用的各路信号在时间上互不重叠,在传输时把时间分成小的间隙,每一时间隙由复用的一个信号占用。


  • 频分多路复用:频分多路复用FDM主要用于模拟信号。多路复用器接受来自多个源的模拟信号,每个信号有自己独立的带宽。接着这些信号被组合成另一个具有更大带宽的更加复杂的信号,产生的信号通过某种媒体被传送到目的地,在那里另一个多路复用器完成分解工作,把各个信号单元分离出来。


  • 波分多路复用:光纤技术的应用使得数据的传输速率空前的提高,目前一根单模光纤的传输速率可以达到2.5Gb/s,如果设法对光纤传输中的色散问题加以解决,则一根光纤的传输速率可以达到10GB/s,单这几乎已经到了单个光载波信号传输的极限值。使用一个光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号,又能使光纤的传输能力成倍的提高。由于光载波的频率很高,习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波,所以波分多路复用就是光的频分复用。


  • 统计时分多路复用:统计时分多路复用STDM是一种改进的时分复用方法,它明显提高信道的利用率。集中器长使用这种方法。统计时分多路复用使用STDM帧来传送复用的数据,但是每一个STDM帧中的时隙数小于或等于连接在几种器上的用户数量。


  • 数据交换方式:


线路交换:电话系统


报文交换:


分组交换:


数据报:在数据报方式中,每个分组的首部都带有完整的目的地址,交换机根据转发表转发分组

虚电路:虚电路方式要求在发送数据之前,再源主机和目的主机之前建立一个虚连接,在建立连接阶段,需要在源主机和目的主机之间的每一个交换机上建立“连接状态”,连接状态由连接经过的每个交换机中的“VC表”记录组成。


信元交换:


广播:


传输介质


  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
  • 陆地微波
  • 卫星微波
  • 无线电
  • 红外线


检错和纠错


在数据传输过程中,由于信道受到噪声或干扰的影响,信号的波形传到接收端就可能发生错误,为了把这些错误减少到人们预期的要求的最低限度,就需要进行差错控制。


差错控制的原理很简单。在被传送的K位信息后附加r位冗余位,被传送的数据工k+r位,而这r位冗余位是用某种明确定义的算法直接从k位信息导出的,接收方对收到的信息应用同一种算法,将结果与发送方给它的结果进行比较,若不想等则数据出现了差错。如果接收方知道有差错发生,但是不知道是怎么样的差错,然后向发送方请求重传,这种策略称为检错。如果接收方知道有差错发生,而且知道是怎样的差错,这种策略称为纠错。


  • 二维奇偶校验:二维奇偶校验是基于一维奇偶校验,除了把额外的1个比特附加到7个比特编上来平衡字节中1的个数外,还对数据中每一个字节的每一个比特位置进行类似的计算,产生一个额外的奇偶校验字节。


  • 循环冗余校验:循环冗余校验是一种通过多项式除法的检测错误的方法,把每个比特串看成是一个多项式,采用模2运算。bn1bn2...b0  解释成多项式 bn1(n1)+bn2(n2)...b00

如果采用多项式编码的方法发送方和接收方必须事先商定一个生成多项式G(x),生成多项式的高位和地位必须是1。


  • 检错重发:检错重发的方式中,发送端经信道编码后可以发出具有检错能力的码组,接收方收到后经检测如果发现错误,则通过反馈信息把这一个判断结果反馈给发送方,然后发送端把前面发出的信息重新传送一次,知道接收端认为已经正确为止。常用的检错重发系统有停发等候重发、返回重发和选择重发三种。


停发等候重发:停发等候重发系统的发送端在某一时刻向接收端发送一个码组,接收端收到后经检测若未发现传输错误,则发送与一个确认信号ACK给发送端,发送端收到ACK信号之后再发送下一个码组,如果接收端检测出错误则发送一个NAK信号,发送端收到NAK信号之后重发前一个码组,并再次等待ACK或者NAK信号,这种方式效率不高但是工作方式简单。


返回重发:在返回重发中,发送端无停顿的送出一个又一个码组,不等待ack信号,一旦接收端发现错误并且返回NAK信号之后,发送端开始重发检测出错误的码组以及该错误码组之后的码组。


选择重发:在选择重发系统中,发送端也是连续的发送码组,接收端发现错误并且返回NAK信号。与返回重发不同的是,发送端不是重发所有的码组,而是只重发有错误的那一组。显然这种选择重发系统传输效率最高,但是控制最复杂。


数据通信的概念


广义上的讲,把由一地向另外一地或者多地进行消息的有效传递称为数据通信


基本概念


  • 数据和信号:数据是运送信息的实体,而信号是数据的电气或者电磁表现。无论数据或信号,都是既可以是模拟的也可以是数字的。所谓的模拟的就是连续变化的,而数字的就表示取值仅允许为有限的几个离散数值。


  • 信道:信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体,因此,一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。


从通信的双方信息交互的方式看,可以有三种基本方式:


  • 单工通信
  • 半双工通信
  • 全双工通信


  • 码元:数字通信中对数字信号的计量单位采用码元这个概念。一个码元指的是一个固定时长的数字信号波形,该时长称为码元宽度


  • 传输速率:数字通信系统的传输有效程度可以用码元传输速率和信息传输速率来描述


码元传输速率:码元传输速率又称为码元速率、信号速率、符号速率、波形速率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(符号个数或者脉冲个数),单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的,也可以是二进制的。

信息传输速率:信息传输速率又可称为信息速率、比特率等,它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数,单位是比特/秒(b/s)。


  • 抖动:所谓的抖动,是指在噪声因素的影响下,数字信号的有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离,是数字通信系统中数字信号传输的一种不稳定现象,也即数字信号在传输过程中,造成的脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的,而是随时间变化的。


传输指标


通常需要对网络的效率和性能进行衡量,因此了解各种影响网络性能的传输指标是很重要的


  • 带宽:贷款苯海是指某个信号具有的频带宽度,单位是赫兹。带宽也称为吞吐量,实际应用中,吞吐量常用每秒发送的比特数。


  • 时延:时延是指一个报文或分组从一个网络一端传到另外一端需要的时间。通常,时延由三部分组成:

发送时延: image.png

传播时延: image.png


处理时延:指的是数据在交换节点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间

image.png

  • 时延带宽积:将网络性能的传播时延和带宽两个基本度量相乘,就得到了另外一个有用的度量,时延带宽积

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  • 误码率:在数字通信中是用脉冲信号携带信息,由于噪声、串音、码间干扰以及其他因素的影响,当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时,将会造成误判而成为误码。误码用误码率来表征

image.png


数字传输和模拟传输


按承载消息的电信号形式不同,通信可分为模拟传输和数字传输


  • 模拟传输是指以模拟信号来传输消息的通信方式。当信号的某一个参量可以取无限多个数值,且直接与消息相对应时,称为模拟信号。
  • 数字传输是指用数字信号来传送消息的通信方式。当信号的某一参量只能取有限个数值,且常常不直接与消息想对应时,称为数字信号,有时候也称为离散信号。


传输损害


由于各种的传输损害,任何通信系统接收到的信号和发送的信号会有所不同,而对于模拟信号而言,这些损害导致了各种随机的改变而降低了信号的质量。对数字信号而言,则引起位串错误,比特1变为比特0或者比特0变为比特1。


  • 衰减:在任何传输介质上信号强度将随着传输距离的延伸而减弱。对有线类传输介质,强度减弱或者衰减一般地具有对数函数性,对无线类传输介质,衰减则是距离和大气组成所构成的复合函数


  • 延迟变形:延时变形是有线传输介质独有的现象,这种变形是由有线介质上信号传播速率随着频率变化引起的,在一个有限的信号频带中,中心频率附近的信号速度最高,而频带两边的信号速度较低,这样,信号的各种频率成分将在不同的时间到达接收器


  • 噪声:因传输系统造成了各种失真,以及在传输和接收之间的某处插入的不必要的信号产生了噪声。噪声可分为热噪声、内调制杂音、串扰、脉冲噪声四种。


数据通信系统模型


数据通信系统的基本组成一般包括发送端、接收端以及收发两端之间的信道三个部分


按照信道中传输信号的形式不同,通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。


数据传输速率


即使信道比较理想,码元的传输速率也不是不受限制的。奈奎斯特推出理想的低通信道的最高码元传输速率=2W


其中W是理想低通信道的带宽,单位是赫兹。该公式就是著名的奈氏准则。若码元的传输速率超过了奈氏准则给出的数值,则将出现码元之间的相互干扰,以致接收方无法正确判定在发送方所发送的码元是1还是0.


香农定理:香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率。当使用此速率传输时候,可以做到不产生误差。

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其中W为信道的带宽,S为信道内所传信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率。


同步方式


  • 同步控制方法:同步控制方法包括异步起止方式和同步方式


异步起止方式:在异步起止方式中,接收方和发送方各自内部有时钟发生器,但频率必须一致。通信双方进行异步串行通信必须遵守异步串行通信控制规程,其特点是通信双方以字符作为传输单位,且发送方传送字符的间隔时间是不确定的


同步方式:同步的实现包括位同步,字符同步,帧同步几个方面


位同步:位同步是接收器从接收到信号中正确地恢复原来数据信号的基础。实现位同步的方法有插入导频法和自同步法两种


字符同步:字符同步是以字符为传输单位,一个字符单位除了表示信息的数据位除外还有若干个附加位:1位起始位恒为0;可选的1位奇偶位;可选的停止位,可为1位、1.5位或者2位,恒为1。传送一个字符,必须以起始位开始,以停止位结束。


帧同步:最初解决帧同步的方法是在帧之间插入时间间隔,依赖计时技术识别帧的开始和结束。


  • 字符计数法
  • 带字符填充的首尾界符法
  • 带位填充的首尾标志法
  • 物理编码违例法

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