《计算机网络原理》课堂笔记(3):数据通信基本原理

数据通信基础理论

主要内容:研究信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制

傅里叶分析

在网络通信中,信号是以电磁信号(或简称信号)的形式传输的
电磁信号是时间的函数(时域观)
也可以表示成频率的函数(频域观)
理解数据传输:频域观更重要
时域观:

  • 模拟信号:信号强度随时间平滑变化
  • 数字信号:不连续,在一段时间内保持恒定值

频域观:

  • 基本频率:信号的所有频率成分是某一个频率的整数倍
  • 信号的周期:基本频率的周期

傅里叶分析:任何一个周期为T的有理周期性函数g(t)可分解为若干项(可能无限多项)正弦和余弦函数之和
$g(t) = 1/2 c + \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(2\pi n ft)} + \sum_{n=1}^{\infty} b_n\cos{(2\pi n ft)}$
f=1/T:基本频率
an, bn:n次谐波项的正弦和余弦振幅值
已知g(t),可得c,an,bn
$c = 2/T \int_0^T g(t) dt$
$a_n = 2/T \int_0^T g(t)\sin{(2\pi nft)}dt$
$b_n = 2/T \int_0^T g(t)\cos{(2\pi nft)}dt$

结论:可以用很多正弦信号逼近方波
可以用各种正弦波构造任何信号。

有限带宽信号

频谱(spectrum):一个信号包含的频率范围
信号的绝对带宽等于频谱的宽度
(有效)带宽(bandwidth):信号的主要能量集中的频带
带宽越宽,信息承载能力越强
信号在信道上传输时的特性:

  • 对不同傅里叶分量的衰减不同,引起输出失真
  • 信道有截止频率f_c,0-fc的振幅衰减较弱,fc以上的振幅衰减厉害,主要由信道的物理特性决定,0-fc是信号的有限带宽
  • 实际使用时,可以接入滤波器,限制用户带宽
  • 通过信道的谐波次数越多,信号越逼真

波特率(baud)和比特率(bit)的关系:

  • 波特率:每秒钟信号变化的次数,也称调制速率
  • 比特率:每秒钟传送的二进制位数
  • 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系

例子:
对于比特率为Bbps的信道,发送8位所需的时间为8/B秒,若8位为一个周期T
电话线的截止频率为3000Hz
N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B

结论:
B不能无限大
即使对于完善的信道(没有任何衰减),有限的带宽限制了数据的传输速率

信道的最大数据传输速率

奈奎斯特定理:无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式
最大数据传输率=$2H log_2 V (bps)$(H是带宽)
任意信号通过一个带宽为H的低通滤波器,则每秒采样2H次就能完整地重现该信号,信号电平分为V级

香农定律:信号受到随机(热)噪声干扰的情况:噪声大小用哪个信噪比(信号功率S与噪声功率N纸比)来衡量,$10log_10⁡(S/N)$,单位:分贝
带宽为H赫兹,信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为:$Hlog_2 (1+S/N)(bps)$

  • 与信号电平级数、采样速度无关
  • 此式仅是上限,很难达到

数据通信技术

主要内容:研究数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术

数据通信系统的基本结构

计算机->信号变换器->信道->信号变换器->计算机
数据通信技术:编码技术、多路复用、交换技术

传输和传输方式

  • 数字传输/模拟传输
  • 并行传输/串行传输
  • 点到点传输/点到多点传输:通信线路用不同的连接方式
  • 单工、半双工和全双工传输

单工:信息单向传输,监视信号可回送
半双工:信息可以双向传输,但在某一时刻只能单向传输
全双工:信息可以同时双向传输

  • 同步传输/异步传输

目的:接收方必须知道每一位信号的开始及其持续时间,以便正确地采样接收
以字符传输为例,在基于字符的信息传送中,可以采用异步传输,也可以采用同步传输

异步传输:

  • 信息传输以字符为单位
  • 每个字符由发送方异步产生,有随机性
  • 字符一般采用5,6,7或8位二进制编码
  • 需要辅助位,每个字符可能需要用10或11位才能传送(起始位*1;字符编码*7;奇偶校验*1;终止*1/2)
  • 特点:传输效率低;主要用于字符终端和计算机之间的通信

同步传输(以字符传输为例)

  • 信息传送时以报文为单位
  • 传输开始时,以同步字符使收发双方同步
  • 从传输信息中抽取同步信息,修正同步,保证正确采样
  • 特点:可以不间断地传输信息,效率提高;减少了字符间的辅助信息;数据中不能有同步字符,需要透明传输

基于位的传输,一般采用同步传输

  • 信息以二进制位流为单位传送
  • 传输过程中收发双方以位为单位同步
  • 传输的开始和结束由特定的八位二进制位同步
  • 特点:传输效率高

数据编码技术

数据是有一定含义的,信号是数据的载体
数据表示:

  • 模拟数据(Analog data),连续值
  • 数字数据(Digital data),离散值

数据传输方式

  • 以信号作为载体
  • 模拟信号(Analog Signals)
  • 数字信号(Digital Signals)

信号发送方式

  • 模拟信号发送:模拟数据->模拟信号(电话系统);数字数据->模拟信号(调制解调器)
  • 数字信号发送:模拟数据->数字信号(编码解码器);数字数据->数字信号(数字编码解码器)
  • 数字信号发送的优缺点:价格便宜,对噪声不敏感;易受衰减,频率越高,衰减越厉害

数字数据的数字传输(基带传输)

  • 基带:基本频带,指传输变换前所占用的频带,是原始信号所固有的频带
  • 基带传输:在传输时直接使用基带信号
  • 基带传输:在传输时直接使用基带信号
  • 基带传输是一种最简单最基本的传输方式,一般用低电平表示“0”,高电平表示“1”
  • 适用范围:低速和高速的各种情况
  • 限制:因基带信号所带的频率成分很宽,所以对传输线有一定的要求

常用的几种编码方式

不归零编码(NRZ:Non-Return to Zero)

  • 原理:用低电平表示0,高电平表示1
  • 缺点:难以分辨一位的结束和另一位的开始;发送方和接收方必须有时钟同步;若信号中0或1连续出现,信号直流分量将累加
  • 结论:容易产生传播错误

曼彻斯特码(Manchester),也称相位编码

  • 原理:每一位中间都有一个跳变,低到高=0,高到低=1
  • 优点:克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变既可作为数据,又可作为时钟,能够自同步

差分曼彻斯特码(Differential Manchester)

  • 原理:每一位中间都有一个跳变,表示时钟;每位开始时有跳变表示0,无跳变表示1
  • 优点:时钟、数据分离,便于提取

逢1变化的NRZ码

  • 原理:在每位开始时,逢1电平跳变,逢0电平不跳变

逢0变化的NRZ码

  • 原理:在每位开始时,逢0电平跳变,逢1电平不跳变
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数字数据的模拟传输(频带传输)

  • 指在一定频率范围内的线路上,进行载波传输。用基带信号对载波进行调制,使其变为适合于线路传送的信号
  • 调制(Modulation):用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制,使这些参量随基带脉冲变化
  • 解调(Demodulation):调制的反变换
  • 调制解调器MODEM(modulation-demodulation)

根据载波Asin(ωt+ϕ)的三个特性:幅度、频率、相位,产生常用的三种调制技术:
1. 幅移键控法(调幅)(Amplitude-shift keying)(ASK)
幅移就是把频率、相位作为常量,把振幅作为变量
A(t)取不同的值表示不同的信息码
2. 频移键控法(调频)(Frequency-shift keying)(FSK)
频移就是把振幅、相位作为常量,而把频率作为变量
ω(t)取不同的值表示不同的信息码。
3. 相移键控法(调相)(Phase-shift keying)(PSK)
相移就是把振幅、频率作为常量,而把相位作为变量
ϕ(t)取不同的值表示不同的信息码

pic2.PNG

模拟数据的数字传输

解决模拟数据数字化问题,也称为脉冲代码调制PCM(Pulse Code Modulation)
根据Nyquist原理进行采样
常用的PCM技术

  • 将模拟信号振幅分成多级(2^n),每一集用n位表示

差分脉冲代码调制

  • 原理:不是将振幅值数字化,而是根据前后两个采样值的差进行编码,输出二进制数字

δ调制:

  • 原理:根据每个采样值与前一个值之间的差来决定输出二进制“1”或“0”
  • 缺点:编码速度跟不上变化太快的信号

多路复用技术

由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力,为了提高线路利用率,经常让多个信号同时共用一条物理线路
常用的有三种方法

  • 时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
  • 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)
  • 波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)

交换技术

通信网络可以根据其结点交换信息的方式进行分类
在多节点通信网络中,为有效利用通信设备和线路,一般希望动态地设定通信双方间的线路
动态地接通或断开通信线路,称为“交换”
交换方式分类:

  • 电路交换
  • 报文交换,存储转发方式
  • 分组交换(包交换),存储转发方式

电路交换(circuit switching)

原理:直接利用可切换的物理通信线路,连接通信双方
三个阶段:建立电路,传输电路,拆除电路
特点:

  • 在发送数据前,必须建立起点到点的物理通路
  • 建立物理通路时间较长,数据传送延迟较短

例:

  • 电话网
  • ISDN(Integrated Services Digital Networks)

复用/解复用

  • 一般采用时分复用
  • 时间被分为帧(frame),帧被分为时槽(slot)
  • 时槽在帧内的相对位置决定这个槽所传输数据所属的会话
  • 发送方和接收方间需要同步
  • 非永久绘画需要动态绑定时槽到一个会话

报文交换(message switching)

原理:信息以报表(逻辑上完整的信息段)为单位进行存储转发
特点:

  • 线路利用率高
  • 要求中间结点(网络通信设备)缓冲大
  • 延迟时间长

分组交换(packet switching)

原理:

  • 分组:比报文还小的信息段,可定长,也可变长
  • 信息以分组为单位进行存储转发。源节点把报文分为分组,在中间节点存储转发,目的节点把分组合成报文

特点:

  • 每个分组头包括源地址和目的地址,独立进行路由选择
  • 网络结点设备中不预先分配资源
  • 线路利用率高
  • 易于重传,可靠性高
  • 易于开始新的传输,让紧急信息优先通过
  • 开销增加

分组交换分为

  • 数据报(datagram)分组交换
  • 虚电路(virtual circuit)分组交换

复用/解复用

  • 采用统计复用,按需分配信道资源
  • 来自任意会话的数据可以立即发送,不需要等待时槽
  • 用附加的分组头来区分数据

数据报分组交换:每个分组均带有网络地址(源、目的),可走不同的路径

虚电路分组交换

电路交换和分组交换的结合

  • 数据以分组形式传输
  • 来自同一流的分组通过一个预先建立的路径(虚电路)传输
  • 确保分组的顺序
  • 但是来自不同虚电路的分组可能会交错在一起

分三个阶段:

  • 建立:发带有全称网络地址的呼叫分组,建立虚电路
  • 传输:沿建立好的虚电路传输数据
  • 拆除:拆除虚电路

注意:分组头不需要包含完整的地址信息
电路交换与分组交换的比较

  • 分组交换相比电路交换的最大优势是可以实现统计复用,有效地利用贷款
  • 但是分组交换需要处理拥塞

不同交换技术的比较

电路交换适用于实时信息和模拟信号传送,在线路带宽比较低的情况下使用比较经济
报文交换适用于线路带宽比较高的情况,可靠灵活,但延迟大
分组交换缩短了延迟,也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较(最)好的一种交换技术

交换结构

crossbar交换
空分交换
时分交换


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