第一章 通信基础.docx
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第一章 通信基础.docx
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第一章通信基础
第一章通信基础
1.1信号、数据、信息
信息、数据和信号
(1)信息
信息是人脑对客观物质的反映,既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等特性的描述,也可以是物质与外部的联系。
(2)数据
数据是指描述物体的数字、字母或符号,有模拟数据和数字数据之分。
模拟数据是指在某个区间内连续变化的值。
例如,声音和视频是幅度连续变化的波形,温度和压力(传感器收集的数据)也是连续变化的值。
数字数据在某个区间内是离散的值。
例如,文本信息和整数等。
(3)信号
信号是数据在传输过程中的表示形式,是用于传输的电子、光或电磁编码,有模拟信号和数字信号之分。
(4)信息、数据和信号三者之间的联系
从上面的表述中可以得出如下结论:
数据是信息的载体,信息是数据的内容和解释,而信号是数据的编码。
2.信道和带宽
信道是传输信号的通路,一条传输线路上可以存在多个信道。
信号带宽指信号的频率范围,而信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围。
注意,信号带宽不能大于信道带宽,否则信号在信道上无法实现通信。
1.1.1模拟信号
模拟信号(也称为连续信号)是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。
用模拟信号表示要传输的数据,是指利用其某个参量(如幅度、频率或相位等)的变化来表示数据。
1.1.2数字信号
数字信号(也称为离散信号)是一系列离散的电脉冲。
用数字信号表示要传输的数据,是指利用其某一瞬间的状态来表示数据。
如下图所示。
图 模拟信号 图 数字信号
1.2数据编码方式
1.2.1模拟信号编码
为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信,必须首先将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号,经传输后,再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。
数字信号变换成音频信号的过程称调制(Modulate),音频信号逆变换成对应数字信号的过程称解调(Demod1date)。
一般,每个工作站既要发送数据又要接收数据,所以总把调制和解调功能合做成一个设备,称作调制解调器(MODulaterDEModulater,简称Modem)。
为什么在公共交换电话网中传输数字信号必须使用调制解调器呢?
因为电话公共交换网是一种频带模拟信道,它的频带范围仅为300Hz~3400Hz,而数字信号由于所含的极其丰富的高次谐波成份使得频宽范围可从OEfz一直延伸达几千兆Efz,如不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号,必定出现极大的失真和差错。
所以,要在公共电话网上传输数据,必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围,即300Hz~3400Hz。
可以这么说,在最终实现称作综合业务数据网(ISDN)的数字通信系统之前,很大一部分远程数据通信系统仍需要用调制解调器.
这里,与调制解调器相连的工作站可以是计算机、远程终端、外部设备甚至局域网。
调制解调器将数字信号调制成模拟信号,传输到对方后又将模拟信号解调成数字信号的过程。
模拟信号传输的基础是载波,载波具有三大要素,即幅度、频率和相位,数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。
数字调制三种基本形式:
移幅键控法ASK
移频键控法FSK
移相键控法PSK
在移幅键控法ASK方式下,用载波的两种不同幅度来表示二进制值的两种状态。
例如,用幅度恒定的载波的存在表示"1",而用载波不存在来表示"0"。
ASK方式容易受增益变化的影响,是一种效率相当低的调制技术。
在电话线路上,通常只能达到1200bps的速率。
在移频键控法FSK方式下,用载波频率附近的两种不同频率表示二进制的"0"和"1"。
在电话线路上使用FSK可以实现全双工操作,全双工指的是可以同时在两个方向传输数据。
为了达到这个目的,可以将电话频带分为300~1700Hz和1700~3000HZ两个子频带,其中一个用于发送,另一个用于接收。
在一个方向上,调制解调器可以用1070Hz和1270Hz两种频率表示"0"和"1";对于另一个方向,则可以用2025Hz和2225Hz两种频率表示"0"和"1"。
由于两套频率相互之间不存在重叠,因此几乎没有什么干扰。
在电话线路上,FSK通常也可达1200bps速率。
在移相键控法PSK方式下,利用载波信号相位移动来表示数据。
图2.7中是一个二相系统的例子,在这个系统中,用相移为旷的频率表示"0",用相移为180。
(即反相)的频率表示"1"。
实际应用中,PSK也可以使用多于二相的相移,例如四相、八相,甚至更多相。
这样,便可使一个码元取4种、8种或更多种离散状态,由此使数据传输速率增加到原来的2倍、3倍或更多。
将信号频率分别移相四种不同角度的移相键控法称为2DPSK,利用这种技术,可以对传输速率起到加倍的作用,例如信号速率为600波特的调制解调器,则2DPSK的有效数据速率可为1200bps;将一个信号分别移相8种不同角度的移相键控法称为3DPSK,这种技术若使用在1600波特的调制解调器上,便可以获得4800bps的数据传输率。
采用多相PSK可以有效地提高数据传输速率,但受实际电话传输网的限制,相移数已达到上限,再要提高数据传输速率,只能另寻它法。
PSK和ASK技术的结合可以解决这个问题,这种方式称相位幅度调制PAM(PulseAmplitudeModulation)。
例如采用12种相位,其中的4种相位每个信号取2种幅度,这样就得到16种不同的相位幅度离散状态,可使一个码元表示4位二进制数据,从而大大提高了数据传输速率。
这种类型的调制解调器有效数据传输率可达9600bps。
另外还有一种正交幅度调制QAM(QuadratureAmplitudeModula-tbn),它是一种改进了的PAM技术。
调制解调器之间通过公用电话网相连接时所采用的传输方式有全双工、半双工之分,而连线方式有二线制、四线制之分。
采用的连接线可以是专用线路,也可以是公共电话交换网。
全双工可以是二线制全双工,也可以是四线制全双工,半双工只有二线制半双工。
由于全双工能在同一时刻进行双向的信号传输,不像半双工需要进行收、发切换,所以同一速率的调制解调器,全双工通信的效率要优于半双工的。
对于二线制全双工,因为收与发合在一个回路里传输,所以要用适当的技术来分割信道。
1.2.2数字信号编码
不归零NRZ(NonReturntoZero)码
差分不归零DNRZ码
曼彻斯特(Manchester)码
差分曼彻斯特(DifferentialManchester)码
(1)NRZ码
NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的,通常用正电压表示数据“1”,用负电压表示数据“0”,并且在表示一个码元时,电压均无需回到零,故称不归零码。
NRZ码的特点是一种全宽码,即一位码元占一个单位脉冲的宽度。
全宽码的优点:
一是每个脉冲宽度越大,发送信号的能量就越大这对于提高接收端的信噪比有利;二是脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系,即全宽码在信道上占用较窄的频带,并且在频谱中包含了码位的速度。
NRZ码的主要缺点是:
当数据流中连续出现0或1时,接收端很难以分辨1个信号位的开始或结束,必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要的信号定时同步。
同时,这种编码还会产生直流分量的积累问题,这将导致信号的失真与畸变,使传输的可靠性降低,并且由于直流分量的存在,使得无法使用一些交流耦合的线路和设备。
因此,一般的数据传输系统都不采用这种编码方式。
(2)DNRZ码
DNRZ码是一种NRZ码的改进形式,它是用信号的相位变化来表示二进制数据的,一个信号位的起始处有跳变表示数据“1”,而无跳变表示数据“0”。
DNRZ码不仅保持了全宽码的优点,同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。
近年来,越来越多的高速网络系统采用了DNRZ码,成为主流的信号编码技术,在FDDI、100BASE-T及100VG-AnyLAN等高速网络中都采用了DNRZ编码。
其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽,以利于提高传输的可靠性和降低对传输介质带宽的要求。
而DNRZ编码中的码元速率与编码时钟速率相一致,具有很高的编码效率,符合高速网络对信号编码的要求。
同时,为了解决数据流中连续出现0或1时所带来的信号编码问题,通常采用两级编码方案,第一级是预编码器,对数据流进行预编码,使编码后的数据流不会出现连续0或连续1,常用的预编码方法有4B5B、5B6B等;第二级是DNRZ编码,实现物理信号的传输。
这种两级编码方案的编码效率可达到80%以上。
例如,在4B5B编码中,每4位数据用5位编码来表示,即4位数据就会增加1位的编码开销,编码效率仍为80%。
(3)曼彻斯特码
在曼彻斯特码中,用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据“1”和“0”,它用正的电压跳变表示“0”;用负的电压跳变表示“1”。
因此,这种编码也是一种相位码。
由于电压跳变都发生在每一个码元的中间,接收端可以方便地利用它作为位同步时钟,因此这种编码也称为自同步码。
10Mb/s以太网(Ethernet)采用这种曼彻斯特码。
(4)差分曼彻斯特码
差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形式,其差别在于:
每个码元的中间跳变只作为同步时钟信号;而数据“0”和“1”的取值是用信号位的起始处有无跳变来表示,若有跳变则为“0”;若无跳变则为“1”。
这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示,因而始终能保持直流的平衡。
这种编码也是一种自同步编码。
令牌环(Token-Ring)网采用这种差分曼彻斯特编码。
这两种曼彻斯特编码主要用于中速网络(Ethernet为10Mb/s;Token-Ring最高为16Mb/s)中,而高速网络并不采用曼彻斯特编码技术。
其原因是它的信号速率为数据速率的两倍,即对于10Mb/s的数据速率,则编码后的信号速率为20Mb/s,编码的有效率为50%。
对于100Mb/s的高速网络来说,200Mb/s的信号速率无论对传输介质的带宽的要求,还是对传输可靠性的控制都未免太高了,将会增加信号传输技术的复杂性和实现成本,难以推广应用。
因此,高速网络主要采用两级的DNRZ编码方案,而中速网络采用曼彻斯特编码方案,尽管它增加了传输所需的带宽,但在实现起来简单易行。
1.2.3采样、量化、编码
采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号,也就是在时间上将模拟信号离散化.量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值.编码则是按照一定的规律,把量化后的值用二进制数字表示.
把模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换,它主要包括:
采样:
在时间轴上对信号数字化;
量化:
在幅度轴上对信号数字化;
编码:
按一定格式记录采样和量化后的数字数据。
采样频率
采样频率是指一秒钟内采样的次数。
奈奎斯特(HarryNyquist)采样理论:
如果对某一模拟信号进行采样,则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半,或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍,就能从采样信号系列重构原始信号。
根据该采样理论,CD激光唱盘采样频率为44KHz,可记录的最高音频为22KHz,这样的音质与原始声音相差无几,也就是我们常说的超级高保真音质(SuperHighFidelity-HiFi)。
采样的三个标准频率分别为:
44.1KHz,22.05KHz和11.025KHz。
量化位数
量化位是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化,它决定了模拟信号数字化以后的动态范围。
由于计算机按字节运算,一般的量化位数为8位和16位。
量化位越高,信号的动态范围越大,数字化后的音频信号就越可能接近原始信号,但所需要的存贮空间也越大。
量化位等份动态范围(dB)应用
825648-50数字电话
166553696-100CD-DA
声道数
有单声道和双声道之分。
双声道又称为立体声,在硬件中要占两条线路,音质、音色好,但立体声数字化后所占空间比单声道多一倍。
编码算法
编码的作用一是采用一定的格式来记录数字数据,二是采用一定的算法来压缩数字数据。
压缩编码的基本指标之一就是压缩比:
压缩比通常小于1。
压缩算法包括有损压缩和无损压缩;有损压缩指解压后数据不能完全复原,要丢失一部分信息。
压缩比越小,丢掉的信息越多、信号还原后失真越大。
根据不同的应用,可以选用不同的压缩编码算法,如PCM,ADPC,MP3,RA等等。
数据率=采样频率(Hz)×量化位数(bit)×声道数(bit/s)
1.3常用数据校验方式
奇偶校验
串行数据在传输过程中,由于干扰可能引起信息的出错,例如,传输字符‘E’,其各位为:
0100,0101=45H
D7D0
由于干扰,可能使位变为1,这种情况,我们称为出现了“误码”。
我们把如何发现传输中的错误,叫“检错”。
发现错误后,如何消除错误,叫“纠错”。
最简单的检错方法是“奇偶校验”,即在传送字符的各位之外,再传送1位奇/偶校验位。
可采用奇校验或偶校验。
奇校验:
所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中,“1”的个数为奇数,如:
10110,0101
00110,0001
偶校验:
所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中,“1”的个数为偶数,如:
10100,0101
00100,0001
奇偶校验能够检测出信息传输过程中的部分误码(1位误码能检出,2位及2位以上误码不能检出),同时,它不能纠错。
在发现错误后,只能要求重发。
但由于其实现简单,仍得到了广泛使用。
为了能检测和纠正内存软错误,首先出现的是内存“奇偶校验”。
内存中最小的单位是比特,也称为“位”,位有只有两种状态分别以1和0来标示,每8个连续的比特叫做一个字节(byte)。
不带奇偶校验的内存每个字节只有8位,如果其某一位存储了错误的值,就会导致其存储的相应数据发生变化,进而导致应用程序发生错误。
而奇偶校验就是在每一字节(8位)之外又增加了一位作为错误检测位。
在某字节中存储数据之后,在其8个位上存储的数据是固定的,因为位只能有两种状态1或0,假设存储的数据用位标示为1、1、1、0、0、1、0、1,那么把每个位相加(1+1+1+0+0+1+0+1=5),结果是奇数。
对于偶校验,校验位就定义为1,反之则为0;对于奇校验,则相反。
当CPU读取存储的数据时,它会再次把前8位中存储的数据相加,计算结果是否与校验位相一致。
从而一定程度上能检测出内存错误,奇偶校验只能检测出错误而无法对其进行修正,同时虽然双位同时发生错误的概率相当低,但奇偶校验却无法检测出双位错误。
循环冗余校验
CRC(CyclicRedundancyCheck)循环冗余校验码
是常用的校验码,在早期的通信中运用广泛,因为早期的通信技术不够可靠(不可靠性的来源是通信技术决定的,比如电磁波通信时受雷电等因素的影响),不可靠的通信就会带来‘确认信息’的困惑,书上提到红军和蓝军通信联合进攻山下的敌军的例子,第一天红军发了条信息要蓝军第二天一起进攻,蓝军收到之后,发一条确认信息,但是蓝军担心的是‘确认信息’如果也不可靠而没有成功到达红军那里,那自己不是很危险?
于是红军再发一条‘对确认的确认信息’,但同样的问题还是不能解决,红军仍然不敢贸然行动。
对通信的可靠性检查就需要‘校验’,校验是从数据本身进行检查,它依靠某种数学上约定的形式进行检查,校验的结果是可靠或不可靠,如果可靠就对数据进行处理,如果不可靠,就丢弃重发或者进行修复。
CRC码是由两部分组成,前部分是信息码,就是需要校验的信息,后部分是校验码,如果CRC码共长n个bit,信息码长k个bit,就称为(n,k)码。
它的编码规则是:
1、首先将原信息码(kbit)左移r位(k+r=n)
2、运用一个生成多项式g(x)(也可看成二进制数)用模2除上面的式子,得到的余数就是校验码。
非常简单,要说明的:
模2除就是在除的过程中用模2加,模2加实际上就是我们熟悉的异或运算,就是加法不考虑进位,公式是:
0+0=1+1=0,1+0=0+1=1
即‘异’则真,‘非异’则假。
由此得到定理:
a+b+b=a也就是‘模2减’和‘模2加’直值表完全相同。
有了加减法就可以用来定义模2除法,于是就可以用生成多项式g(x)生成CRC校验码。
例如:
g(x)=x4+x3+x2+1,(7,3)码,信息码110产生的CRC码就是:
对于g(x)=x4+x3+x2+1的解释:
(都是从右往左数)x4就是第五位是1,因为没有x1所以第2位就是0。
11101|110,0000(设a=11101,b=)
取b的前5位11000跟a异或得到101
101加上b没有取到的00得到10100
然后跟a异或得到01001
也就是余数1001
余数是1001,所以CRC码是110,1001
标准的CRC码是,CRC-CCITT和CRC-16,它们的生成多项式是:
CRC-CCITT=x^16+x^12+x^5+1
CRC-16=x^16+x^15+x^2+1
1.4数据交换方式
通信子网由传输线路和中间节点组成,当信源(源节点)和信宿(目的节点)间没有线路直接相连时,信源发出的数据先到达与之相连的中间节点,再从该中间节点传到下一个中间节点,直至到信宿,这个过程称为交换。
在数据通信中,数据交换方式主要包括:
电路交换和存储交换两类。
其中“存储交换”又分为“报文交换”和“分组交换”两种。
1.4.1电路交换
“电路交换”(CircuitSwitching)又称为“线路交换”,是一种面向连接的服务。
两台计算机通过通信子网进行数据电路交换之前,首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。
最普通的电路交换例子是电话系统。
电路交换是根据交换机结构原理实现数据交换的。
其主要任务是把要求通信的输入端与被呼叫的输出端接通,即由交换机负责在两者之间建立起一条物理通路。
在完成接续任务之后,双方通信的内容和格式等均不受交换机的制约。
电路交换方式的主要特点就是要求在通信的双方之间建立一条实际的物理通路,并且在整个通信过程中,这条通路被独占。
1.电路交换的分类
电路交换又分为时分交换(TimeDivisionSwitching,TDS)和空分交换(SpaceDivisionSwitching,SDS)两种方式。
时分交换是把时间划分为若干互不重叠的时隙,由不同的时隙建立不同的子信道,通过时隙交换网络完成话音的时隙搬移,从而实现入线和出线间话音交换的一种交换方式。
时分交换的关键在于时隙位置的交换,而此交换是由主叫拨号所控制的。
为了实现时隙交换,必须设置话音存储器。
在抽样周期内有n个时隙分别存入n个存储器单元中,输入按时隙顺序存入。
若输出端是按特定的次序读出的,这就可以改变时隙的次序,实现时隙交换。
空分交换是指在交换过程中的入线通过在空间的位置来选择出线,并建立接续。
通信结束后,随即拆除。
比如,人工交换机上塞绳的一端连着入线塞孔,由话务员按主叫要求把塞绳的另一端连接被叫的出线塞孔,这就是最形象的空分交换方式。
此外,机电式(电磁机械或继电器式)、步进制、纵横制、半电子、程控模拟用户交换机及宽带交换机都可以利用空分交换原理实现交换的要求。
2.电路交换的三个阶段
整个电路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数据传输和释放线路三个阶段。
下面分别予以介绍。
(1)电路建立
如同打电话先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路一样,数据通信的电路交换方式在传输数据之前也要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。
它的具体过程如下。
①发起方向某个终端站点(响应方站点)发送一个请求,该请求通过中间节点传输至终点。
②如果中间节点有空闲的物理线路可以使用,接收请求,分配线路,并将请求传输给下一中间节点;整个过程持续进行,直至终点。
如果中间节点没有空闲的物理线路可以使用,整个线路的连接将无法实现。
仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后,才允许进入数据传输阶段。
③线路一旦被分配,在未释放之前,其他站点将无法使用,即使某一时刻,线路上并没有数据传输。
(2)数据传输
电路交换连接建立以后,数据就可以从源节点发送到中间节点,再由中间节点交换到终端节点。
当然终端节点也可以经中间节点向源节点发送数据。
这种数据传输有最短的传播延迟,并且没有阻塞的问题,除非有意外的线路或节点故障而使电路中断。
但要求在整个数据传输过程中,建立的电路必须始终保持连接状态,通信双方的信息传输延迟仅取决于电磁信号沿媒体传输的延迟。
(3)电路拆除
当站点之间的数据传输完毕,执行释放电路的动作。
该动作可以由任一站点发起,释放线路请求通过途经的中间节点送往对方,释放线路资源。
被拆除的信道空闲后,就可被其他通信使用。
2.电路交换的特点与优缺点
电路交换的特点如下。
独占性:
在建立电路之后、释放线路之前,即使站点之间无任何数据可以传输,整个线路仍不允许其他站点共享。
就和打电话一样,我们讲话之前总要拨完号之后把这个连接建立,不管你讲不讲话,只要不挂机,这个连接是专为你所用的,如果没有可用的连接,用户将听到忙音。
因此线路的利用率较低,并且容易引起接续时的拥塞。
实时性好:
一旦电路建立,通信双方的所有资源(包括线路资源)均用于本次通信,除了少量的传输延迟之外,不再有其他延迟,具有较好的实时性。
电路交换设备简单,无需提供任何缓存装置。
用户数据透明传输,要求收发双方自动进行速率匹配。
电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速,数据不会丢失,且保持原来的序列。
缺点是在某些情况下,电路空闲时的信道容量被浪费;另外,如数据传输阶段的持续时间不长,电路建立和拆除所用的时间就得不偿失。
因此,它适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。
这种通信方式的计费方法一般按照预订的带宽、距离和时间来计算。
1.4.2存储转发
所谓“存储交换”是指数据交换前,先通过缓冲存储器进行缓存,然后按队列进行处理。
其交换原理如图所示。
图3-35 存储交换原理
“存储交换”又分为“报文交换”(MessageSwitching)和“分组交换”(PacketSwitching)两种,本节先介绍其中的“报文交换”。
报文交换的基本思想是先将用户的报文存储在交换机的存储器中,当所需要的输出电路空闲时,再将该报文发向接收交换机或用户终端,所以,报文交换系统又称“存储—转发”系统。
报文交换适合公众电报等。
1.报文交换原理
实现报文交换的过程如下。
(1)若某用户有发送报文需求,则需要先把拟发送的信息加上报文头,包括目标地址和源地址等信息,并将形成的报文发送给交换机。
当交换机中的通信控制器检测到某用户线路有报文输入时,则向中央处理机发送中断请求,并逐字把报文送入内存器。
(2)中央处理机在接到报文后可以对报文进行处理,如分析报文头,判别和确定路由等,然后将报文转存到外部大容量存储器,等待一条空闲的输出线路。
(3)一旦线路空闲,就再把报文从外存储器调入内存储器,经通信控制器向线路发送出去。
2.报文交换的特点
“存储-转发”:
报文交换方式首先是由交换机存储整个报文的,然后在有线路空闲时才进行必要的处理。
不独占线路,多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路。
无线路建立的过程,提高了线路的利用率。
支持多点传输(一个报文传输给多个用户,只需在报文中增加“地址字段”,中间节点根据地址字段进行复制和转发)。
中间节点可进行数据格式的转换,方便接收站点的收取。
增加了差错检测功能,避免出错数据的无谓传输等。
3.报文交换方式的优缺点
报文交换的优点有如下几个方面。
线路利
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