网络工程师——数据通信基础

数据通信基础概念

• 基本概念：信源、信道、信宿；数字信号、模拟信号；模拟通信、数字通信（信道传输）。

数据通信计算

• 模拟信道带宽计算：W=f2-f1，其中f1是低频，f2是高频。

数字信道带宽计算：奈奎斯特定理（无噪音）

W为带宽 奈奎斯特定理：B=2W （B码元速率、波特率）（模拟信号转换成数字信号，数字信号是模拟信号的两倍）

信息量n（位）与码元种类N：n=log2N
数据速率R=Blog2N=2Wlog2N (N=电变次数)
对数计算：N=4，log24=log(22)4
                 N=8，log28=log2(23)=3
log10N=lgN N=100，lg100=lg(102)=2
                  N=1000，lg1000=lg(103)=3

数字信道带宽计算：香农定理（有噪音）

香农定理：

其中，C为数据速率，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪音平均功率，S/N为信噪比（一般用分贝dB来表示）。

分贝数和信噪比关系：dB=10lg（S/N）

20dB（S/N=100）    30dB=(S/N=1000)

• 计算汇总：模拟带宽、数字带宽（1、无噪声：奈奎斯特定理。2、有噪声：香农定理）

• 常用考试数据：
  • 单位换算：通信换算进率1000，如1G=1000M
  • 存储换算进率1024，如1G=1024M
  • 信道延迟：电缆信道延迟200m/us
  • （200km/ms，200000km/s）
  • 卫星信道延迟：270ms
• 双绞线：分为非屏蔽双绞线UTP，屏蔽双绞线STP。100米可以达到100Mb/s。

通信传输介质

• 同轴电缆：分为粗同轴电缆、细同轴电缆。传送距离长，信号稳定，常用于电视、监视系统，音响设备传送音、视频信号。

• 光纤（光缆）：分为单模光纤SMF(左图)、多模光纤MMF（右图）。

• 区别对比：单（身）美女的眼光：高贵细远（大涛老师真是鬼才）

• 无线信道：分为无线电波和红外光波。

数据调制与编码

• 模拟信道调制：分为调幅ASK、调频FSK、调相PSK、正交调幅QAM.

数字信道编码：分为采样（两倍）、量化（等级）、编码（二进制）三个步骤

• 调制技术与码元数:n=log2N

• 极性编码：分为单极性，极性，双极性。

• 归零性编码：归零码、不归零码（遇翻转），双相码（电平翻转）。

• 曼码和差分曼码：曼码降0升1（降1升0）效率50%；差分曼码折0平1，效率50%。

• 各种编码效率：
  • 4B/5B效率80%，用于百兆以太网；
  • 8B/10B效率80%，用于千兆以太网；
  • 64B/66B效率97%，用于万兆以太网；
  • 曼码和差分曼码效率50%，用于以太网。

数据通信方式

• 通信方向：单工（电视）、全双工（手机）、半双工（对讲机）。

• 传输方式：异步传输、同步传输特点。

数据交换方式

• 电路交换：优点：独占性、实时性，适合传输大量的数据；缺点：需建立一条物理连接，利用率低。比如早期的电话系统。

• 报文交换：优点：不需要专用通道，线路利用率高，存储转发节点可校验纠错。缺点:有通信时延，比如物流包裹。

• 分组交换：优点：利用率更高，可选路径、数据率转换、支持优先级。缺点：时延、开销大。比如邮局寄信。分为数据报和虚电路。

• 分组数据报：单向传送、无连接的。如普通信

• 分组虚电路：交换式、逻辑链接。如挂号信。

多路复用技术

• 频分复用FDM：不同的频率，子信道隔离频带防串扰，如CATV,WIFI.

时分复用TDM：不同的时间，轮流占用，如手枪、手机。分为同步时分T1\E1;统计时分

• 波分复用WDM：不同的波长，如光纤。

数据传输标准

• T1标准（TDM）：1.544Mbps、125us=8000次（1s/125us）。
• 1.544Mbps=【24*(7+1)+1]*8000.T2、T3、T4口诀：T476踢屎去喽。（美国和日本）T2=4*T1 T3=7*T2 T4-6*T3

• E1标准(TDM)：2.048Mbps、125us=8000次。2.048Mpbs=【32*(7+1)]*8000。CH0和CH16控制信令，30个话音数据。E2、E3、E4口诀：E444。（中国和欧洲）

• SONET标准(美国)和SDH标准(国际):用于光纤网路。155.520Mbps

数据检错纠错

• 检验码：奇偶校验看1的个数是奇数/偶数。只能检错不能纠错。移动通信广泛使用。 1的数量是奇数就是1 偶数就是0

海明码

• 海明码：在数据位m后面增加冗余校验位k，组成信息m+k，则满足m+k<$2^{k}$-1可纠正一位错误。不但检错还能纠错（m=码的数量）

 码距d：也叫海明距离，两个码字之间不同的最小的位数（比特数）。

可以查出多少位错误：≤d-1

可以纠正多少位错误：<d/2

CRC码

• CRC码：冗余循环校验码，是一种循环码，通过循环移位，实现检错，硬件容易实现，广泛用于局域网。只能检错不能纠错。计算CRC验证码：多项式除法，不进位加法。

如生成多项式为G(X)=X^4+X+1,信息码字为10111，求CRC校验码。（多项式和信息吗都是出题给的）

G(X)=X^4+X+1    1X^4 + 0X^3 + 0X^2 + 1X^1 + 1^1

1. 写除数   得10011 (补位是$X^{4}$中的4，补4个0)
2. 写被除数 1+1=0 1+0=1 0+1=1 0+0=0
3. 摸2计算 余数的个数少于除数的个数即不需要算下去

本文要点

• [label color="indigo"]数据通信基础[/label]
• 信源 信道 信噪 信宿
• [label color="indigo"]数据通信计算[/label]
• 模拟信道带宽：W=f2-f1
• 无噪音：奈奎斯特定理
• B=2W
• 有噪音：香农定理C=Wlog2（1+S/N）
• 调制速率R=Wlog2（N）
• 延迟：
• 卫星 270ms
• 200m/us
• 200km/ms
• 200000km/s
• 通信1G=1000G
• 储存1G=1024M
• 
  [label color="indigo"]通信传输介质[/label]
• 双绞线（同交叉，不同直通）
• 光纤（单模对比多模“高贵细远”）
• 同轴电缆 电波 光波
• [label color="indigo"]数据调制与编码[/label]
• APK FSK PSK QAM DPSK QPSK
• 模拟信道转数字信号：
• 采样（2倍） 量化（等级） 编码（二进制）
• [label color="indigo"]数据通信方式[/label]
• 方向：单工 全双工 半双工
• 传输方式：异步传输、同步传输
• [label color="indigo"]数据交换方式[/label]
• 电路交换 报文交换
• 分组交换（数据报、虚电路）
• 分组数据报 分组虚电路
• [label color="indigo"]多路复用技术[/label]
• 频分复用FMD
• 同步时分TDM(T1\E1)
• 波分复用WDM
• [label color="indigo"]数字传输标准[/label]
• T1=1.544Mbps
• 1.544Mbps=【24*（7+1}+1】*8000。
• T467(美国和日本)

• E1=2.048Mbps
• 2.048Mbps=[32*(7+1)]*8000
• E444(中国和欧洲)

• 光纤标准（SONET(美国),SDH（国际））155.520（OC-3,STS-3）（求OC-96可根据96/3得32 32*155.520得出4976.64）
• [label color="indigo"]数据检错纠错[/label]

检错码：主要看1的个数是偶还是奇

海明码：

满足m+k＜2k-1可纠 正一位错误。不但检错还能纠错。

CRC码：写除数 写被除数 模2计算