数据通信基础篇——软考

信道特性

通信的目的就是为了传递信息
产生和发送信息的一端叫信源
接收信息的一端叫信宿
信源和信宿之间的通信线路叫信道
这里的噪声可以比作干扰，信道容易被外界所干扰

信道带宽

模拟信道

信道可以分为模拟信道和数字信道
模拟信道的带宽计算公式是W=f2-f1最总单位是赫兹Hz

• f2（信道能通过的最高频率）
• f1（信道能通过的最低频率）

比如信道最高频率是8Hz，最低频率是4Hz，那么根据模拟信道带宽计算公式可以得出
W=f2（8）-f1（4）结果等于4Hz

数字信道

数字信道是离散信道，带宽就是信道能最大的数据传输速率，单位是bit/s
例如我最大传输速率的10mbit/s，那信道带宽就是10

码元和码元速率

码元

一个数字脉冲称作一个码元，就是一个时钟周期的信号

码元速率

单位时间内信道传送的码元的个数
如果码元宽度（脉冲周期）为T则码元速率波特率为B=1/T单位是波特（Baud）
码元携带是信息量n（位）与码元种类数（N）的关系是n=log₂N

假如我的码元种类数是4
那么一个码元携带的信息量就是n=n=log₂4结果等于2
就是求2^=4

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理是指，在一个理想的没有噪声环境的信道中，若最大信道带宽为W，最大码元速率为B=2W（Baud）
极限数据速率为R=Blog₂N又等于2Wlog₂N
N表示码元种类数，就是上面那个码元携带信息量的公式
可以举个例子来表示

因此，数据速率=码元速率x码元携带信息量

香农定理

上面的奈奎斯特定理是基于理想环境下
那么香农定理就是包含了噪声在里面的一个关系
指的是：在一个噪声信道的件数据速率和带宽之间的关系
公式如下：
极限速率公式：C=Wlog₂（1+S/N）
分贝与信噪比关系公式：dB=10log₁₀S/N
W为带宽，S为信号平均功率，N为噪声平均功率，S/N为信噪比
在考试中题目一般会告诉你W带宽值，但不会直接告诉你信噪比S/N的值，题目会直接给你db分贝值， 通过分贝值和信噪比关系公式逆推出信噪比值S/N

例如，直接告诉你db值是10，和30，求这两个的信噪比
根据公式我们可以算的
db=10log₁₀S/N
10=10log₁₀S/N
1=log₁₀S/N
换个思路就是10¹=S/N
S/N就是10
db=30
30=10log₁₀S/N
3=log₁₀S/N
10³=S/N
S/N就是1000

如果db=30，求极限速率

这边我们上面根据db求出来信噪比值S/N是1000
那么带入最大速率公式
R=Wlog₂（1+S/N）
R=Wlog₂（1001）
题目一般会直接告诉你W值，但是log₂（1001）是算不出来的，我们这边就要用约等，将他估到最近的2次方数值，1001离得最近的就是1024，2的10次方
解题我们就可以直接写
R≈Wlog₂（1024）也就是
R≈W10

带宽、码元速率、数据速率梳理

2两个特殊调制技术需要记忆的点
QPSK中N=4
DPSK中N=2
为固定关系
注意单位换算
1us微秒=10负3次方毫秒=10负6次方秒

信道延迟

信道的延迟：和源端和宿端距离有关，也和信道种的信号传播速率有关
这里有几个计算单位我们需要了解一下

光速为300000km/s = 300m/us
电缆传播速度为光速的67%，即200000km/s=200m/us
卫星信道延迟大约270ms（单向传输）双向来回延迟约540ms
1字节（byte）=8比特（bit）
1mbps=1000kbps
1kbps=1000bits
也就是1mbps=10^6bits

总延时的计算公式

总延时=线路延时+发送延迟

线路延时

线路延迟可以根据如下公式可以算出
线路延迟=传输距离/传输速率
例题：
1000米的电缆，求他的线路延迟

发送延时

发送延时课根据如下公式可以算出
发送延时=数据帧大小/速率
例题：
100M线路，发送1000字节数据，求他的延时

传输介质

一般来讲，两个终端能用一条能够承载数据传输的传输介质连接起来，就组成了一个最简单的网络
传输介质这里我们分为有线传输介质、无线传输介质

有线传输介质

有线传输主要有：同轴电缆（不常见）、双绞线、光纤

无线传输介质

无线传输介质主要有：无线电波、微波、红外线、激光
无线电波：500kHZ-1000Mhz是能量小，波长最高，频率最低的电池波，用于广播电视和无线通信
微波：300MHz-300GHz是一种波长较低、评率较高的电磁波，特点是高频高能量，用于雷达、飞机导航
可以参考如下信息

频谱资源划分

具体的频段资源划分情况如下表所示

注意：1Khz=10^3，1MHz=10^6Hz，1GHz=10^9Hz，1THz=10^12Hz，1mm=10-^3m，1um=10-^6m

微波波段

双绞线

由多对绝缘铜导线两两相互缠绕而成
缠绕的目的是降低信号干扰的程度

100M传输只用得到4跟线
1000M传输8根线全会使用
2根线常用于电话线

双绞线的规格

这是电信工业协会和电子工业协会定义的双绞线的规格
我们在网线上可以看到CAT-6 或者CAT-5E的一些表示，其内容就是如下所示

其中双绞线又分为了非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线，具体的关系图和作用如下图所属

光纤（重点）

光纤是利用光在玻璃或者塑料纤维里面的全反射原理而达成的光传导工具
光在光纤中的传导损耗很低，适合较长距离的信息传递
光纤特点：重量轻、体积小、传输源、衰减小、容量大、抗电磁干扰强
光纤的内部结构图：

光缆：光缆是由很多根光纤和塑料保护套管以及塑料外皮构成，光缆内部结构图如下：

目前常见的有24芯、48芯、128芯组成的光缆

光纤的分类

光纤分为单模光纤、多模光纤

单模光纤

单模光纤纤芯较细，波长一般5~10um，单模光纤只允许一种光在其中传播，单模光纤有较高的带宽，适用大容量、长距离的光纤通信，成本较高

多模光纤

多模光纤纤芯较粗，一般为50um、62.5um，多模光纤允许多种模式光信号传播，可用于较小容量、短距离的光纤传输通信，成本便宜

单多模光纤的对比

单模光纤一般用LX或者SM来表示（为黄颜色，波长1310nm）
多模光纤一般用SX或者MM来表示（颜色为橘色或浅绿色，波长850nm）

尾纤参考颜色

单模多模光信号传播示意图

光纤的连接

LC、SC、ST、FC四种常见接口，了解即可

曼切斯特&差分曼彻斯特编码

曼切斯特编码

曼切斯特编码是双相码，在每个比特中间均有一个跳变，但是第一个编码是自定义如下图所示，高电平向低电平跳变代表0由低电平向高电平跳变代表1
要注意的是，曼切斯特编码常用于以太网中

差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码常用于环网中，也是一种双相码
我们只需要记住，有跳变代表0，无跳变代表1
简称有0无1

两个编码的特点

曼码和差分曼码是典型的双相码，双相码要求每一位都有一个电平转换，一高一低，必须翻转。
曼码和差分曼码具有自定时和检测错误的功能

两者优点

两种曼彻斯特编码优点：将时钟和数据包含在信号数据流中，也叫自同步码。

两者缺点

编码效率较低：编码效率都是50%

记忆点

两中曼码数据速率是码元速率的一半当数据传输速率为100Mbps时，码元速率为200M baud波特

其他编码

4B/5B

发送的数据流每4bits，先转换成5bits，再转换为不归零码（NRZ-I）多用一位是用于同步问题
编码效率80%，此编码一般用于百兆以太网

8B/10B

编码效率80%，此编码一般用于千兆以太网

64B/66B

编码效率97%，用于万兆以太网

数字调制技术

数字数据不仅可以用脉冲传输，也可以用模拟信号传输
用数字数据调制模拟信号叫做数字调制

• 幅度键控（ASK）
• 频移键控（FSK）
• 相移键控（PSK）
• 正交幅度调制（QAM）

幅度键控（ASK）

用载波的两个不同的振幅表示0和1，如上图所示，一个波幅度就是代表着1，没有则代表0

频移键控（FSK）

用载波的两个不同频率表示0和1，如上图所示，一个频率之间越快代表1，慢代表0

相移键控（PSK）

用载波的起始位的变化表示0和1，如上图所示，起始位到第二个表示1，反之则表示0

正交幅度调制（QAM）

把两个幅度相同，但相位差90°的模拟型号合成为一个模拟型号

记忆点

之前在讲奈奎斯特定理和香农定理的时候说过两个特殊的比调制编码
QPSK和DPSK
DPSK是2相调制，即N=2，波形图看也是有0无1
QPSK是4相调制，即N=4
他两也是属于相移键控

脉冲编码调制PCM

常用数字化技术就是脉冲编码调制技术Pulse Code Mdulation简称PCM或者脉码调制
PCM数字化过程分为3个步骤：采样、量化、编码

采样

按照一定，或者特定的时间间隔对模拟信号进行取样，把模拟信号的当前值作为样本
这里我们需要知道一个定理：奈奎斯特采样定理：如果模拟信号的最高频fmax，若以大于等于2fmax的采样评率对其进行采样，则采样得到的离散信号序列，就能完整地恢复出原始信号
还需记住一个公式f=1/T≥于2fmaxT为周期

量化

把取样后的样本由连续值变成相应值转换为离散值，离散值的个数决定了量化的精度

编码

最终，会把量化后的样本值变成相应的二进制代码

PCM计算

例题理解：
对声音信号数值化生活，由于语音最高频率是4Khz（fmax），所以取样评率是8Khz（2fmax）对语音用128个登记量化（N=128，用另个公式求得log₂N），因而每个样本用7bit表示（log₂128=7）所以在数字信道上传输这种数字化的语音信号的速率是7*8000=56kbps

数据交换的方式

目前有三种分别是电路交换（很少用）、报文交换（淘汰）、分组交换（常用）

电路交换

将数据的传输分为三个步骤，1.电路建立、2.数据传输、3.电路拆除
在数据传输之前必须建立一条物理链路，该链路被用户使用的话会被用户一直占用
应用场景：早期电话（PSTN）、特殊应急通信场景
取代方案：分组交换、VOIP

报文交换

报文的发送和接收，都是采用存储转发的方式，报文里面包含有每个下一跳的节点，报文在每个节点中完整的传输，不压缩，现在已被淘汰
应用场景：早期电报
取代方案：分组交互

分组交换

分组交换又被分为两类：数据报和虚电路
数据报用于IP网络
虚电路用于X.25、FR、ATM网络
分组交换的优势：
减少了延时
提高吞吐量
交换可以按分组纠错，那个分组的数据出错，只需重传出错的数据，而无需整个数据重传，提高通信效率

【1】数据报：

将数据分割成小组，每个小组独立传
所到达的网络节点根据路由表动态转发
分割成小组的报文到达的先后顺序可能不一致，但最总会重组还原成原始报文
应用场景：IP网络

【2】虚电路：

数据在传输之前先建立一条逻辑的链路
每个分组都会沿着同一条路径去传输报文，传输报文不会乱序
应用场景：X.25、FR、ATM

多路复用技术

光网络

多路复用技术，将多个低速信道组合成一个高速信道的技术
常见的场景：光纤入户FTTH

频分复用

FDM
用不同的频率承载不同的业务数据
常见的场景：无线电广播通信、ADSL、FDD-LTE（4G）

时分复用

TDM
用不同的时间分片，根据时间分片来承载不同的业务数据
例如CPU，人无法感知的底层时间节点瞬间是给一个应用程序在运算使用，另一时间节点就是给另一个应用程序在使用
常见的场景：SDH、WIFI、TDD-LTE（4G）

统计时分复用

STDM
是前者时分复用的改进版本，有效的提升信道利用率
他不是分时复用那种固定时隙，而是按照需要动态分配时隙给应用使用

波分复用

WDM
波分复用的本质也是频分复用
将不同频率波长的光，通过共享一个光纤链路，进行传输

# 光纤频率与波长的关系：
光速C=波长x频率

数字传输系统

了解一下即可
美国和日本早期用的T1载波
北美等其他地区用的E1载波
T1载波的速率=1.544Mbps
E1载波的速率=2.048Mbps
E2载波速率为4倍E1=8.448Mbps
E3载波速率为4倍E2=34.368Mbps
E4载波速率为4倍E3=139.264Mbps
E5载波速率为4倍E4=565.148Mbps

同步数字序列

SDH
美国标准叫同步光纤网络SONET，以此为准，做了国际标准也就是现在的SDH
这篇主要记忆几个速率和标准
SONET多路复用的速率

差错控制&海明码

差错控制

数据的传输过程中难免会有错误出现
因此需要采用差错控制的办法解决此类错误
常见的方式的检错和纠错

检错

只检查错误，接收方知道有错误发生，但不知道是什么错误，会发请求让对方重传

纠错

接收方知道有错误发生，并且知道是什么样的错误，会纠错

了解一下差错控制的原理：

传输k位，加入r位冗余（根据使用的算法定义），接收方收到进行计算比较

奇偶校验

是一个常见的检错方式，能检查1位错位
原理是在7位ASCII码后面加1位，让码字中的数成为奇数（奇校验）或者成为偶数（偶校验）
例如：

奇校验
1010011
---------
1010011 + 1
10100111

偶校验
1010011
---------
1010011+0
10100110

海明码

海明码，是通过冗余数据位来实现，对数据的检查和纠错的编码方式
需要了解几个概念
海明距离，也可以叫码距，指一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数，就是两个码字之间不同的比特数
例如：

10110100
10110111
有2位不同数，0和1

10101
00110
一位一位的对比一共有3位

海明码原理&不等式

在数据中间加入几个校验码
码距均匀拉大
如果某一位出错
会引起几个校验位的值变化

需要重点记忆一下海明不等式

用如下例题去理解

像这个例题

第二个问就需要我们带入答案和公式2k-1≥m+k去算，看哪个满足最小条件

CRC循环冗余校验码

这个只能检错，不能纠错，通过在数据尾部加入CRC循环校验码来检错，广泛用于网络通信和磁盘存储

还是一样通过一个例题来了解计算方式和大致原理

大致4个步骤

1. 判断校验位数
2. 补齐数据位后面0
3. 提取生成多项式系数
4. 用第二步的结果除以第三步结果，异或运算，取余就是校验码，余数不够，前面补0

就如上题
G(x)=x4+x+1，信息码10111
x4次方，那么校验位数就是4位
根据步骤，将信息码后面补0
10111 0000
接下来提取多项式的系数
G(x)=x4+x+1=1*X4+0*x3+0*x2+1*x1+1*x0=提取系数=10011
与第二步的结果相除
101110000/10011，取余=1100

例题：

总结

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