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数据通信

1 数据通信,数据网络和因特网

  • T-1连接:1.544Mbps
  • T-3连接:44.736Mbps

3 数据传输

3.1 概念和术语

3.1.1 传输术语

  • 单工
  • 半双工
  • 全双工

3.1.2 频率,频谱和带宽

  • 数据率和带宽之间的关系

3.2 模拟和数字数据传输

3.2.1 模拟数据和数字数据

3.2.2 模拟信号和数字信号

  • 调制解调器
  • 解编码器
  • 数字传送器

3.2.3 模拟传输和数字传输

3.3 传输损伤

3.3.1 衰减

  • 衰减失真:频率越高,衰减越严重,并将导致失真

3.3.2 时延失真

3.3.3 噪声

假设噪声与频率的大小无关,在$B$Hz带宽内的热噪声为$N = kTB$

$k=$玻尔兹曼常量$=1.38 \times 10^{-23} J/K$

或用分贝-瓦表示$N=10 \lg k + 10 \lg T + 10 \lg B = -228.6dBW + 10 \lg T + 10 \lg B$

3.4 信道容量

  • 数据率:数据能够通信的速率,用比特每秒bps表示
  • 带宽:在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽,用Hz或每秒的周数表示
  • 噪声
  • 误码率:即差错发生率

3.4.1 奈奎斯特带宽

$B$:信道带宽,为避免串扰,极限码元传输速率为$2B$Baud,$B$单位Hz,Baud为每秒钟传送码元的数目

奈奎斯特公式:$C = 2B \log_2 M$,$M$是离散信号的个数或电平的个数

3.4.2 香农容量公式

信噪比(SNR或S/N):$SNR_{dB} = 10 \lg \dfrac{\text{信号功率}}{\text{噪声功率}}$

信道的最大容量$C = B \log_2(1 + SNR)$,无误码容量

3.4.3 表达式$E_b/N_0$

每比特信号的能量与每赫兹噪声功率密度之比

$$ \dfrac{E_b}{N_0} = \dfrac{S / R}{N_0} = \dfrac{S}{kTR} $$

$S$是信号功率,$R$数据率

4 传输媒体

决定数据率和传输距离的许多设计因素都与传输媒体及信号有关

  • 带宽
  • 传输损伤
  • 干扰
  • 接收器的数量

4.1 导向传输媒体

4.1.1 双绞线

4.1.2 同轴电缆

4.1.3 光纤

4.2 无线传输

4.2.1 天线

  • 各向同性天线
  • 抛物面反射天线
  • 天线增益

4.2.2 地面微波

4.2.3 卫星微波

4.2.4 广播无线电

4.3 无线传播

4.3.1 地波传播

4.3.2 天波传播

4.3.3 视距传播

  • 折射

  • 光学视距和无线电视距

    • 在没有中间障碍物的情况下,光学视距$d = 3.57 \sqrt{h},h$是天线和地平线之间的距离,以km为单位
    • 到地平线的有效视距或无线电视距$d = 3.57 \sqrt{Kh},K$是折射引起的调整系数,经验值$K = 4/3a$
    • 因此,视距传播的两个天线之间的最大距离为$3.57(\sqrt{Kh_1} + \sqrt{Kh_2})$

4.4 视距传输

4.4.1 自由空间损耗

表示为发射率$P_t$与天线接收到的功率$P_r$的比值,$\dfrac{P_t}{P_r} = \dfrac{(4\pi d)^2}{\lambda^2} = \dfrac{(4\pi fd)^2}{c^2}$,其中

  • $P_t$:发送天线的信号功率
  • $P-r$:接收天线的信号功率
  • $\lambda$:载波波长
    可以被改写为$L_{dB} = 10\lg(\dfrac{4\pi d}{\lambda^2})^2$

4.4.2 大气吸收

4.4.3 多径

4.4.4 折射

5 信号编码技术

  • 模拟信号传输的基础是一种连续且频率恒定的信号,成为载波信号
  • 基带信号

5.1 数字数据,数字信号

术语 单位 定义
数据元素 比特(bit) 单个的二进制1或0
数据率 比特每秒(bps) 数据元素传输的速率
信号元素 数字:一个固定振幅的电压脉冲;模拟:一个具有固定频率,相位和振幅的脉冲 在一个信号传输编码中占据最短时间间隔的那部分信号
信号传输速率或调制速率 信号元素每秒(波特) 信号元素传输的速率

在其他条件保持不变的情况下:

  • 数据率增加,则比特差错率(BER,也成为误码率)增加
  • SNR增加,则差错率减小
  • 增加带宽可使数据率增加

数字信号编码格式的定义

  • 不归零电平(NRZ-L)
  • 不归零1制(NRZI)
  • 双极性AMI
  • 伪三进制码
  • 曼彻斯特编码
  • 差分曼彻斯特编码
  • 8零替换(B8ZS)
  • 双极性3零码(HDB3)

5.1.1 不归零码(NRZ)

5.1.2 多电平二进制

5.1.3 双相位

5.1.4 调制率

$$ D = \dfrac{R}{L} = \dfrac{R}{\log_2M} $$
其中

  • $D$:调制率,波特
  • $R$:数据率,bps
  • $M$:不通信号元素个数,$2^L$
  • $L$:每个信号元素中的比特数目

5.1.5 扰码技术

5.2 数字数据,模拟信号

5.2.1 振幅键控

5.2.2 频移键控

5.2.3 相移键控

5.2.4 性能

5.2.5 正交调幅

5.3 模拟数据,数字信号

5.3.1 脉码调制

5.3.2 增量调制

5.3.3 性能

5.4 模拟数据,模拟信号

5.4.1 调幅

5.4.2 角度调制

6 数字数据通信技术

6.1 异步和同步传输

6.1.1 异步传输

6.1.2 同步传输

6.2 差错类型

6.3 差错检测

6.3.1 奇偶校验

6.3.2 循环冗余校验

6.4 差错纠正

6.4.1 块码原理

6.5 线路配置

6.5.1 拓扑结构

6.5.2 全双工和半双工

7 数据链路控制

7.1 流量控制

7.1.1 停止等待流量控制

  • 链路的比特长度$B = R \times \dfrac{d}{V}$
    • $B$:以比特为单位的链路长度.即当比特流完全占满整个链路时,链路上的比特数量
    • $R$:链路的数据率,bps
    • $d$,链路的长度,m
    • $V$传播速率,m/s
  • 传输时间取归一化值1,并且传播时延用变量a表示,$a = \dfrac{B}{L} = \dfrac{d/V}{L/R}$

7.1.2 滑动窗口流量控制

  • 捎带
  • 数据帧
  • 确认帧

7.2 差错控制

7.2.1 停止等待ARQ

7.2.2 返回N ARQ

7.2.3 选择拒绝ARQ

7.3 高级数据链路控制(HDLC)

7.3.1 基本特点

7.3.2 帧结构

7.3.3 运行方式

8 复用

8.1 频分复用

8.1.1 特点

8.1.2 模拟载波系统

8.1.3 波分复用

8.2 同步时分复用

8.2.1 特点

8.2.2 TDM链路控制

8.2.3 数字载波系统

8.2.4 SONET/SDH

8.3 统计时分复用

8.3.1 特点

8.3.2 性能

8.3.3 电缆调制解调器

8.4 非对称数字用户线路

8.4.1 ADSL设计

8.4.2 离散多音调

8.4.3 宽带访问配置

8.5 xDSL

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