数据通信基础

数据通信基础

前面学习了 LaTex 后,就可以直接在网页种书写一些数学公式了。数据通信基础这一章节将会出现非常的的公式以及相关的计算。

在数据通信基础这一章节,主要涉及的考点有数据通信基础传输交换差错控制技术

数据通信基础这一点主要是信道特征数字编码与编码效率调制技术

(1)信道特征

信道特征主要是涉及到对信道的数据速率的计算。在计算信道的数据速率时有两种考虑,一种是考虑噪声,另一种是不考虑噪声(理想传输),而是否考虑噪声分别是香农定理尼(奈)奎斯特

【小香】香农定理(有噪)

$$ C = W \log_{2}{\left( 1 + \frac{1}{N} \right) } $$

$$ \text{C 为数据速率,W 为信道带宽,S 为信号的平均功率,N 为噪声平均功率,} \frac{S}{N} \text{为信噪比(一般用分贝 dB 来表示)。} $$

$$\text{分贝数和信噪比关系:} dB=10lg_{}{\frac{S}{N}} $$

$$\text{Eg:} 20dB \left( \frac{S}{N}=100 \right) \text{、} 30dB \left( \frac{S}{N}=1000 \right) $$

$$\text{例如,}  \frac{S}{N} = 1000 \text{时,用分贝表示就是 30dB。如果带宽是 3kHz,则这是的极限数据速率就应该是:} C = 3000 \times \log_{2}{ \left( 1+1000 \right) } ≈ 3000 \times 9.97 ≈ 30Kbps $$

$$\text{对于有噪声的信道中,用误码率来表示传输二进制时出现差错的概率(} \frac{出错的位数}{传输的总位数}  \text{,通常的要求是小于}  10^{-6} \text{)。} $$

【小尼】尼(奈)奎斯特定理(无噪)

$$ B=2W \text{(B 码元速率、波特率)} $$

$$ \text{信息量 n (位)与码元种类 N:}  n= \log_{2}{N} $$

$$ \text{数据速率}  R = B \log_{2}{N} = 2W \log_{2}{N} $$

码元 N 是一个数据信号的基本单位,而比特是一个二进制位,即比特位,一位可以表示 2 个值。因此,如果码元可以取 2 个离散值,则 N 值为 2,只需 1 比特表示。若可取 4 个离散值,则 N值为 4,需要用 2 个比特表示。

+----------+---------------------+----------+--------+
| 调制技术 |         名称        | 码元种类 | 比特位 |
+----------+---------------------+----------+--------+
|    ASK   |       幅度键控      |     2    |    1   |
+----------+---------------------+----------+--------+
|    FSK   |       频移键控      |     2    |    1   |
+----------+---------------------+----------+--------+
|    PSK   | 相位键控(2相调制) |     2    |    1   |
+----------+---------------------+----------+--------+
|   DPSK   |     4相键控调制     |     4    |    2   |
+----------+---------------------+----------+--------+
|   QPSK   |     正交相移键控    |     4    |    2   |
+----------+---------------------+----------+--------+
\begin{table}[]
\begin{tabular}{cccc}
调制技术 & 名称       & 码元种类 & 比特位 \\
ASK  & 幅度键控       & 2    & 1   \\
FSK  & 频移键控       & 2    & 1   \\
PSK  & 相位键控(2相调制)   & 2    & 1   \\
DPSK & 4相键控调制    & 4    & 2   \\
QPSK & 正交相移键控   & 4    & 2  
\end{tabular}
\end{table}

值得注意的是,任何信道都是有延迟的,而且根据距离的不同也会增加延迟的值。

在电缆信道中的延迟是 200m/us(200km/ms,200000km/s)是光速(300m/us)的67%。

在卫星信道的延迟是 270ms。

光速 = 299792458 m/s。

1 us = 0.000001 s 即 1s = 1000000 us。

另外,传输通信换算进率和存储换算进率是不同的。

通信换算进率1000,如 1G = 1000M(bit)

存储换算进率1024,如 1G = 1024M (byte)

例:100M 带宽网速一般要除以8(比特),加上损耗通常除以10,10M 左右才是正常网速。

(2)数字编码与编码效率

数字编码主要分为基本编码应用性编码

基本编码包括极性编码归零编码双相码

极性编码

极性编码分为单极性编码、极性编码、双极性编码。

单极性编码就是只使用一个极性,再加零电平(正极表示0,零电平表示1)。

极性编码就是使用了两个极性(正极表示0,负极表示1)。

双极性编码则使用了正负两极和零电平(其中有一种典型的双极性编码是信号交替反转编码 AMI ,它用零电平表示0,1则使电平在正、负两极交替翻转)。

归零编码

归零编码指的使编码信号量是否回归到零电平。归零码就是指码元中间的信号归到 0 电平。

不归零码则是不回归零(而是当 1 时电平翻转,0 时不翻转),也称差分机制。

双相码

通过不同方向的电平翻转(低到高代表0,高到低代表1),这样不仅可以提高抗干扰性,还可以实现自同步,它也是曼码的基础。

如下图:

1.png

应用性编码主要有曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码4B/5B 编码8B/6T 编码8B/10B 编码等。

①曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是一种双相码,用低到高的电平转换表示 0 ,用高到低的电平转换表示 1。因此它九二一实现自同步,常用于以太网。

②差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码是在曼彻斯斯特编码基础上加了翻转的属性,遇0翻转,遇1不变,常用于令牌环网。

2.png

值得注意的是,使用曼彻斯特或者差分曼彻斯特编码的时候,每传输1bit的信息,要求线路上有两次电平变化(2Baud),因此要实现100Mbps 的传输速率,就要求的200MHz 的带宽,即编码效率只有 50%。 

③4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码

正是因为曼码的编码的效率不高,因此在带宽资源宝贵的广域网,以及速度要求更高的局域网中,就面临了困难。因此就出现了mBnB编码,也就是将m位数据编码成n位符号(代码位)。

3.png

(3)调制技术

最基本的调制技术包括幅度键控(ASK)频度键控(FSK)相移键控(PSK)

4.png

最常用的是脉冲编码调制技术(PCM),简称脉码调制。关于 PCM 原理中有一下几个关键知识点。

 PCM 要经过取样量化编码三个步骤。

①根据奈奎斯特取样定理,取样速率应该大于模拟信号的最高频率的2倍。我们都知道 44kHz 的音乐让人感觉最保真,这是因为人耳可识别的最高频率约为 22kHz,因此当采样频率达到 44kHz时就可以得到最满意的效果。

$$② \text{量化就是将样本的连续值转换成离散值,采用的方法类似于求圆周长时,用内切正多边形的方法。而平时,我们说的8位,16位的声音指的就是} 2^{8} \text{,} 2^{16} \text{位量化。}$$

③编码就是将量化后的样本值编程相应的二进制代码。

传输交换主要涉及的点有多路复用技术

(1)多路复用技术

常见的多路复用技术包括频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)和波分多路复用(WDM),其中时分多路复用又包括同步十分复用和统计时分复用。

5.png

(2)常见复用标准

在电话的语音信号中,通常是对4kHz 的语音通道按8kHz 的速率采样,用128级(27,因此需要7bit)量化,因此每个语音信道的比特率是56Kbps。而由于在传输时,需要在每个7bit组后加上1bit 的信令位,因此构成了 64Kbps 的数字信道。

6.png

差错控制技术

(1)海明码校验


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发布时间:2020-07-21 21:49:46

修改时间:2020-09-15 11:12:16

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