网工笔记-上午知识点

一、信道特性

1、通信术语

消息：通信的目的是传送消息
数据：数据是运送消息的实体（载体）
信号：数据的电气或电磁的表现

根据代表消息的参数的取值方式，将信号分为：

模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。如声波。
- 优点：可以对信号进行放大、相加等。
- 缺点：不适合长距离传输。
数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。如电信号的高低电平。
- 优点：适合长距离传输，收到噪声影响后，可以通过判决在生成进行还原。

码元：代表不同离散数值的基本波形就称为码元，一个数字脉冲（波形）就成称为一个码元。

2、数据通信系统的模型

数据终端设备（DTE）：作为数据的源点或终点，负责发送或接收信息。

数据通信设备（DCE）：进行数字信号与模拟信号之间的转换。

3、限制码元在信道上的传输速率的因素

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

限制码元在信道上的传输速率的因素：信道能够通过的频率范围、信噪比

（1）信道能够通过的频率范围

码间串扰：信号在传输时受到衰减，接收端收到的波形失去了码元之间的清晰界限。

奈氏（奈奎斯特）准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率（发送速率）的上限值。（带宽不受限，无噪声，不失真）

$$码元传输的最高速率 = 2W （码元/秒~或~波特Baud）$$

其中W为带宽（单位为Hz），也可以理解为载波频率。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

$$信息传输速率R=Blog_2N ~~~~~~(bit/s)$$

其中N为码元种类数，B为码元速度，单位为波特Baud。

一个码元的种类数有N种，则这一个码元可以表示log2N个二进制位的信息。

例如：一个码元种类数有128种，则一个码元可以代表log2(128)=7比特的二进制信息。

（2）信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

香农公式（实际情况的最大值） ：

$$C = Wlog_2(1+S/N) ~~~~~~(bit/s)$$

C 信道的极限信息传输速率
W 为信道的带宽 (Hz)；
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。

当信噪比用分贝数（dB）来表示时，需要用下面的公式进行转换：

$$dB=10lg(S/N)$$

例如，分贝是30dB，带宽是3kHz。将30dB带入上面的公式，计算出S/N

$$30=10lg(S/N)$$

计算得出S/N=1000。则这时极限数据速率应该是：

$$C=Wlog_2(1+N/S)=3000*9.97=30kbit/s=30kbps$$

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

提高信息传输速率的办法：用编码的方式让每一个码元携带更多的信息量。

例题

2、编码方案

2.1 调制技术-模拟信道传送数字数据

常见的调制技术

例题：

解：第二题

（1）码元速率是每秒传送多少码元，数据速率是每秒传送多少比特。

在这个题中，一个码元表示一个比特，所以码元速率和数据速率在数值上是相等的。

（2）2400Hz的载波频率表示1秒钟有2400个载波，（一个载波就是正弦函数的一个周期）。

在这个题中，两个载波表示一个比特（或码元），所以1秒钟传送1200个比特（或码元），所以码元速率为1200码元/秒=1200Baud。

什么是一个载波？

答：一个载波就是正弦函数的一个周期（2派）。

什么是码元？

码元就是一种符号，可以理解成波形的图像，不同的图像代表不同的码元。

概念详解

1.、数据传输速率

又称码率、比特率或数据带宽，描述通信中每秒传送数据代码的比特数，单位是bps。这个很好理解，是“刚需”，每秒传多少bit的数据。

2、码元（符号）

也可以叫符号（symbol）。通过不同的调制方式（诸如FSK、QAM等等），可以在一个码元符号上负载多个bit位信息。举个例子，下图是4QAM（即QPSK）调制的全部四种码元符号，一种符号可以带两个bit的信息。

3、符号率

符号率也就是码元速率，单位是Baud/s或sym/s，表示每秒传输码元符号的数目。符号率也叫波特率或符码率。符号率决定了通信效率，显然一种调制方式符号状态数（上例中4QAM是4种）越多，符号率数值越大，每秒可以传更多的bit信息。显然有

$$数据传输速率=符号率*一种符号所带的bit数$$

参考自：无线数字通信中数据速率、载波频率和带宽的关系 - 知乎 (zhihu.com)

2.2 编码技术-数字信道产生模拟数据

PCM脉冲编码调制技术

采样：奈奎斯特采样定律，采样频率应大于模拟信号的最高频率的两倍。

量化（分类）：量化为多少中不同的离散值。

编码：用二进制比特流进行传输。

例题

解：第二题

（1）因为采样周期为125us，表示每125us采集一个样本。所以采样速率=1/125us=8000Hz，所以1秒钟采样8000个。（1us=10^-6秒）

（2）每个样本量化为128个等级，所以需要用7bit的二进制数来表示一个样本。

每秒钟采样8000个，一个样本7bit，所以数据速率为7*8000=56kbps。

2.3 数字编码与编码效率

基本编码

极性编码

抗干扰能力差，需要用同步信号同步。

归零性编码

归零码：高电频归零为0，低电频归零为1。

不归零码（编码效率100%）：一种是用电频的翻转来定义，反转为1，不翻转为0。另一种是用低电频为0，高电频为1。

双向码：低电频变到高电频为0，高电频变到低电频为1。可实现自同步，抗干扰能力强。

应用性编码

曼彻斯特编码：低电频到高电频为0，高到低为1。也可以反过来。

差分曼彻斯特编码：比特的前沿是否有翻转，有表示0，无表示1。（比特的前沿就是比特开始的位置，下图中红点标出）

曼码常用于10M以太网，差分曼码常用于令牌环网。这两种编码的效率都只有50%。

编码效率

记住打钩的三项。

例题

三、信道复用技术

空分复用SDM：在空间上面划分不同的信道。例如光缆。

使用FDM或TDM技术可让多个用户共享信道资源。

1、频分复用FDM

各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源。使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置。

频分多址FDMA：让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。这种方式称为频分多址接入FDMA，简称频分多址。

2、时分复用TDM

（1）同步时分复用TDM

所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧）每一路用户在一个TDM帧中占用固定序号的时隙。又叫同步时分复用。

时分多址TDMA：让N个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这N各时隙。这种方法称为时分多址接入TDMA，简称时分多址。

（2）统计时分复用STDM

用户把数据发往集中器的缓存，集中器按顺序将缓存中的数据放入STDM帧中，一个帧的数据放满了就发出去。按需动态分配时隙。STDM是TDM的改进，能明显提高信道利用率，又叫做异步时分复用。

STDM帧中还需有用户的地址信息，会造成一定开销。

集中器： 使用STDM的集中器又叫做智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力。

3、波分复用WDM

光的频分复用，用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

密集波分复用DWDM：一条光纤传输很多信号。

4、码分复用CDM

特点：通过使用不同的码型，使各用户可以在同样的时间使用同样的带宽进行通信，且互不干扰。具有很强的抗干扰能力，且不易被发现。

码分多址CDMA：码分复用信道为多个不同地址的用户共享时，称为码分多址。

扩频通信：分为直接序列扩频DSSS和跳频扩频FHSS

5、常见复用标准

E1载波：采用同步时分复用技术将30个话音信道（64kbps）和两个控制信道（64kbps）复合在一条2.048Mbps的高速信道上。

共有32个信道（CH0~CH31），其中CH0（用于同步）和CH16是控制信道。

每个信道传送8bit信息，完整的E1帧有32*8=256bit。

T1载波：采用同步时分复用技术将24个话音通路复合在一条1.544Mbps的高速信道上。

每个信道的速率为64kbps。

每个信道传送8bit信息，但因为每个T1帧都有一个比特的同步数据帧，所以完整的T1帧有24*8+1=193bit。

E1与T1每传送一个帧所需的时间都是125us。

所以E1载波的速率为256/125us=2.048Mbps。T1载波的速率为193/125us=1.544Mbps。

例题

解：最后一个例题

（1）5个信道复用，占5*64=320kbps的带宽，又因为每个子信道利用率为90%，所以复用后速率为320*0.9=288kbps。

（2）主线路开销为%4，说明这5个信道实际用来传输数据的带宽只有96%，也就是288bps，所以这些信道在主线路所占用的带宽为288/0.96=300kbps。

？？？这样算出来的难道不是主线路上的总带宽吗？这5个信道占用的带宽应该是288kbps才对吧。？？？

主线路开销占%4，这里还是理解不了。

四、通信方式

1、信息交互的三种方式

单向通信（单工通信）：单方向通信，没有反方向。如无线电广播。
双向交替通信（半双工）：双方都可通信，但同时只有一方能发或收。
双向同时通信（全双工）：双方都可同时发送和接收。

单工只需要一条信道，双工要两条。

2、同步传输与异步传输

同步：速度快，开销小。
异步：开销大。

3、并行通信与串行通信

并行：一次同时传送多个比特。适合近距离传输。
串行：一次同时传送一个比特。适合远距离传输。

五、差错检测

码距：整个编码系统中任意（所有）两个码字的最小距离。

（也就是两个码字之间对应位上不同的二进制位的个数之和。例如1011和1101的码距为2，因为两个二进制数的第2和第3位上数字不同，总共有两个位位上的数字不同，所以码距为2。）

码距与检错、纠错有何关系？
1、在一个码组内为了检测e个误码，要求最小码距d应该满足：d>=e+1
2、在一个码组内为了纠正t个误码，要求最小码距d应该满足：d>=2t+1

用下面的例子来解释：

若用1位长度的二进制编码。若A=1,B=0。这样A,B之间的最小码距为d=1。
若用2位长度的二进制偏码，若以A=11,B=00为例，A、B之间的最小码距为d=2。
若用3位长度的二进制编码，可选用111,000作为合法编码。A,B之间的最小码距为d=3。