數據通信基礎

1. 信道特性

1.1. 帶寬

模擬帶寬：W=f2-f1(最高頻率-最低頻率)

數字信道：能達到的最大傳輸速率bps

1.2. 數據傳輸速率

又稱比特率

每秒傳輸的二進制數據位數，比特/秒（bit/s,bps）

1.3. 碼元和碼元速率

碼元：一個固定時長的數字信號波形，該時長稱爲碼元寬度

碼元速率：每秒鐘發送的碼元數，單位波特（Baud），又稱波特率

一個碼元攜帶的信息量n（位）與碼元的種類數N的關係爲：n=log2N

1.4. 數據傳輸速率和碼元速率關係

某數字傳輸系統碼元狀態爲M，則該系統的數據傳輸速率C(單位bps)和碼元速率B(單位Baud)的關係：C=B*log2M

1.5. 誤碼率

傳輸出錯碼元數Ne佔傳輸總碼元數N的比例

Pe=Ne/N

1.6. 傳輸延遲

信號在信道中傳輸，從源端到達宿端需要的時間

500m同軸電纜時延大約2.5ms，衛星通道大約270ms

1.7. 那奎斯特定理

理想信道中（無噪聲），若信道帶寬爲W，則最大碼元速率爲B=2W(baud)，其速率取決於一碼元攜帶的比特數

1.8. 香農理論

有噪聲的極限數據速率計算(b/s)：C=W*log2(1+S/N)

W表示信道帶寬，S表示信道內所傳送信號的平均功率，N爲信道內的噪聲功率，S/N叫做信噪比

實際中S/N的比值太大，故取其分貝數(dB)，dB=10log10(S/N)

2. 傳輸介質

2.1. 雙絞線

l STP(屏蔽)，UTP（非屏蔽）

l 3類：帶寬10MHz，最高傳輸速率10Mbps，最大傳輸距離100 米

l 4類：帶寬20MHz，最高傳輸速率16Mbps

l 5類：帶寬100MHz，最高傳輸速率100Mbps（STP155Mbps），最大傳輸距離可達150 米（100Mbps裏爲100米）

l 超5類：帶寬155MHz，最高傳輸速率155Mbps

l 6類：帶寬200MHz，最高傳輸速率1000Mbps，最大傳輸100 米

2.2. 同軸電纜

l 特性阻抗爲50歐姆的同軸電纜又稱爲基帶同軸電纜，用於傳輸數字信號，主用於大型局域網

l 特性阻抗爲75歐姆的CATV電纜，又稱爲寬帶同軸電纜，用於傳輸模擬信號

2.3. 光纜

l 單模：傳輸一種模式的光，芯線10微米，傳輸距離長，規格類型OS1/OS2，一般爲×××

l 多模：傳輸多鐘模式的光，芯線50微米，傳輸距離短，規格類型OM1/2/3/4/5，一般爲淺綠色

3. 數字編碼

3.1. 單極性碼

只用正負電壓表示數據，高電壓表示1，無電壓表示0

3.2. 極性碼

分別用正、負電壓表示0和1，電平差較大，抗干擾能力較好

3.3. 雙極性碼

在三個電平（正負零）之間變化，典型的是信號交替反轉編碼(Altemate Mrak Inversion，AMI)

在AMI中，遇到1時使電平在正負之間交替，遇到0時保持零電平

抗噪聲強，且有自檢錯能力，缺點當傳送長串0時會失去同步信息

3.4. 不歸零碼

Not Return to Zero,NRZ，也叫差分碼，用在終端到調製調解器的接口中

當出現1時電平翻轉，當0出現時電平不翻轉

3.5. 歸零編碼

Return Zero,RZ

碼元中間的信號迴歸到零電平，從正電平到零電平表示0，從負電平到零電平表示1

解決了不歸零編碼收費雙方無法保持同步的問題

3.6. 雙相碼

要求每一位中都有一個電平轉換，具有自定時和檢測錯誤的功能

曼徹斯特編碼

每個比特中間均有一個跳變，由高電平向低電平跳變表示0，由低電平向高電平跳變表示1

既作爲時鐘信號，也作爲數據信號

電平不發生變化的位稱爲非數據位，常用作傳輸數據塊的控制符

常用於以太網

差分碼徹斯特編碼

與曼徹斯特編碼區別是每比特中間的跳變僅做同步用，每比特二進制取值根據其開始的邊界是否存在跳變來決定

每比特的開始有跳變代表0，無跳變代表1

用在令牌環網中

兩種曼徹斯特編碼特點

最大優點是將時鐘和數據包含在信號數據流中，也稱爲自同步

缺點是編碼效率低(50%)，每個碼元都要調製爲兩個不同的電平，因而調製速率是碼元速率的兩倍，對信道帶寬提出了更高要求

如當傳輸速率爲100Mbps時，需要200MHz的脈衝

3.7. 多電平編碼

此編碼的碼元可取多個電平之一，每個碼元可代表幾個二進制位

如下碼元的狀態數爲4，碼元可取4個電平之一

與雙相碼相反，多電平碼數據速率大於波特率提高了頻帶的利用率

3.8. 4B/5B編碼

l 將欲發送的數據流每4bit作爲一個組，每四位二進制代碼由5位編碼表示，這5位編碼稱爲編碼組，並且由NRZI方式傳輸

l 自同步編碼，爲了保證接收端能提取同步時鐘，編碼規則保證：無論4bits數據爲何種組合，轉成5bits後至少有兩個1，既保證在傳輸過程中至少發生兩次跳變，從而保證接收端同步時鐘的提取

l 解決同步問題，具有檢錯功能，編碼效率80%

l 以太網100Base-T和光纖分佈式接口FDDI採用

4. 調製與編碼

4.1. 調製

載波信號u(t)=A(t)sin(wt-φ),振幅A、角頻率w,相位φ

ASK(幅度鍵控)

載波幅度A變化，頻率w、相位φ保持不變

用載波的不同振幅表示0和1

FSK(移頻鍵控)

載波頻率w變化，幅度A、相位φ保持不變

用載波的不同頻率表示0和1

PSK(移相鍵控)

載波相位φ變化，頻率w、幅度A保持不變

用載波的起始相位變化表示0和1，分相對PSK和絕對PSK

QAM(正交調幅)

將振幅和相位變化結合

效率最高

基本方法：將發送的數據流分爲兩路，分部對正弦載波和餘弦載波進行數字調幅，然後相加傳輸

4.2. 脈衝編碼調製AD

將模擬數據轉換爲數字信號

PCM(脈碼調製)，以奈奎斯採樣定理爲基礎，包括取樣/量化/編碼

取樣

模擬信號最高頻率爲fmax，以大於2fmax採樣

量化

取樣後由連續值舍入爲離散值，離散值的個數決定量化的精度

編碼

將量化後的樣本值編程相應的二進制碼

5. 數據交換技術

5.1. 按通信方向

單工通信

半雙工通信

全雙工通信

5.2. 按同步方式

同步

異步

5.3. 電路交換

數據傳送之前需建立物理通道，線路釋放前，通路一直被用戶佔有

分爲電路建立、數據傳輸、電路拆除

5.4. 報文交換

存儲轉發

傳送報文時只佔用一段通路

交換節點緩衝存儲，報文排隊

5.5. 分組交換

數據包方式：每個分組獨立處理，每個節點爲每組單獨選路

虛電路方式：數據傳送前先建立一條邏輯連接

6. 複用技術

6.1. FDM頻分多路複用

將可用傳輸頻率範圍分爲多個較細的頻帶

每個頻帶最爲獨立信道分配給用戶做數據傳輸子通道

主要用於無線電廣播、CATV、ADSL

6.2. TDM時分多路複用

各個子通道按時間片輪流佔用整個帶寬

按子通道動態利用情況分爲同步時分和統計時分

同步TDM採用固定時間片分配

T1/E1，SONET/SDH

T1載波

北美和日本廣泛使用

1.54Mbps信道，按TDM分爲24路語音信道（時隙）

每路7位數據位，1位信令位，週期125us

總共容納8*24=192位長的數字串，組成一幀

每幀再加入一個幀同部位，幀長爲193位

每路語音信道的速率：7b/125us=56Kbps

傳輸控制信息速率：1b/125us=8Kbps

總的速率：193b/125us=1.544Mbps

E1載波

其他國家使用

2.048Mbps信道，按TDM分爲32路（時隙），CH0~CH31

CH0用作幀同步，CH16用作傳送信令，剩餘30個話路

總共容納8*32=256bit，週期也是125us

總的速率：256b/125us=2.048Mbps

E2/E3/E4/E5

E2由4個E1組成，2.048*4=8.448Mbps

E3由4個E2組成，8.448*4=34.368Mbps

E4由4個E3組成，34.368*4=139.24Mbps

E5由4個E4組成，139.24*4=565.148Mbps

SONET

同步光纖網，美國標準

各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘

定義了同步傳輸的線路速率等級結構，以51.840Mb/s爲基礎，對於電信號稱爲STS-1，對於光信號稱爲OC-1

SDH

同步數字系列，ITU-T以SONET爲基礎制定的國際標準

基本速率155.52Mb/s,稱爲第一級同步傳遞模塊STM-1

6.3. WDM波分多路複用

光纖信道上使用FDM的變種

將不同信道的信號調製成不同波長的光，複用到光纖信道上

6.4. CDMA碼分多路複用

也叫碼分多址，擴頻多址的數字通信技術

每個移動站都有相互正交的碼片(chip)，發送碼片序列表示1，發送碼片序列反碼錶示0。主流應用爲3G通信