概念：通信模型、資料傳輸率與帶寬、資料調制與編碼、多路複用、檢錯與糾錯、同步、異步傳輸、交換技術
2.1 資料通信－通信模型
資訊源：信源是發出資訊的源，其作用是把消息轉換成原始資訊電信号。産生資料的裝置。發送器：是将信源和信道比對，将信源産生的信号變換成适合信道傳輸的信号，通常不是将信号原始形式的直接傳輸，而是由發送器将其進行變換和編碼後再送入某種形式的傳輸系統進行傳輸。信道：是指傳輸信号的通道，是連接配接信源和信宿的傳輸線路，可以是有線，也可以是無線的。信道既給信号以通路，也對信号産生各種幹擾和噪聲接收器：從傳輸系統接收信号并将其轉換成信宿裝置能夠處理的形式。主要進行解調、譯碼、解碼等，恢複原始信号。
收信者：從接收器上取得傳入資料的裝置，是将複原的原始信号轉換成相應的消息。
2.2資料通信---資料率與頻帶
數字信号傅氏變換
.任何正常的周期為T的函數f(t)，都可以由(無限個)正弦和餘弦函數合成
.方波信号可以分解成若幹個正弦波的疊加。
數字通信系統的主要參數：傳輸速率
碼元傳輸速率：也叫波特率
.數字信号由碼元組成，碼元攜帶有一定的資訊量，定義機關時間傳輸的碼元數
.如果一個機關調制信号波的時間長度為T 秒，則波特率為：Rb=1/T (Baud)
資訊傳輸速率
.機關時間内傳輸的資訊量(比特數)為資訊速率，機關記為比特/秒。
.如果一個碼元傳輸速率為Rb 的M 進制碼元，其資訊傳輸速率為： Rs=Rb log2M（bit/s）
資料傳輸的概念及術語
.頻率：機關時間内信号重複的速度，通常以周/秒或赫茲（Hz）表示。
.頻譜：信号所包括頻率的範圍。
.帶寬：信号的大部分能量往往包含在頻率較窄的一段頻帶中，這個頻帶稱為有效帶寬
帶或帶寬
例：人耳頻率範圍大約在20 Hz 到2000 Hz，其實際值取決于各個人和其年齡，是以
其帶寬即為2000 Hz 一20Hz。實際上人耳的頻率範圍是從300Hz 到3400Hz——帶寬為
3100Hz。
關于帶寬的結論
任何數字信号的波形都有無限的帶寬。
對任何給定的媒體，傳輸帶寬越寬，則成本越高。
帶寬越限制，信号失真越大，接收器出錯的機率越高。
資料傳輸速率和帶寬的關系
.資料信号傳輸速率越高，所需的有效帶寬越寬
.同樣，傳輸系統的帶寬越寬，該系統能傳送的資料傳輸速率越高。
.Nyquist(奈奎斯特)定理：
帶寬為W Hz 的信道，碼元速率最大為2W bps
信道容量：
.信道容量是指它每秒能傳輸的最大比特數，即信道的極限傳輸速率。比特傳輸率越高，信道的容量也就越大
.Nyquist（奈奎斯特）定理（無噪聲）：
.在隻有兩個離散值的二進制信道中，即一個符号以1 比特發送，那麼信道就能發送C=B =2W b／s
.當符号具有L 個離散值時，無噪聲信道容量：C=B1og2L=2W1og2L (b／s)
.香農（Shannon）定理：
.在有噪聲幹擾下的信道中，信道容量：
. C＝W1og2 (1+S/N) (b／s)
B:碼元速率，W：信道帶寬 S：信号功率，N：噪聲功率
信噪比S/N 一般用分貝（db）表示
db=10log(S/N)
例：在話音信道上，設帶寬為3100Hz，話音信道上的信噪比為30 分貝，則信道的最大
容量是多少？
30=10log（S/N），S/N＝103＝1000
C＝3100log2（1+1000）＝30894 b/s
2.3 資料通信－資料調制與編碼
概念：模拟和數字資料傳輸
.模拟信号：是連續變化的信号
.數字信号：是指狀态變化為可數或離散型的信号
.模拟資料：是時間的函數，且占據有限的頻譜，這種資料能用占據相同頻譜的電磁信
号表現。
.數字資料：可用數字信号表現
關系
.數字資料可用數字信号編碼表現
.數字資料通過數據機調制，用模拟信号表現
模拟資料用編碼譯碼器進行數字編碼，可用數字化比特流近似地表示
模拟資料通過載波調制進行傳輸
.模拟傳輸
.不關心傳送的内容，通過放大器傳播，來提高信号的能量。
.數字傳輸
.關心信号的内容，信号通過中繼器傳播，在每個中繼器從入口處取得信号後，将由1
和0 構成的比特流再生後産生新的資料信号并将其從出口送出
.資料資訊傳輸的基本形式
基帶傳輸
.由計算機或終端産生的數信号，包含有直流、低頻和高頻等分量是一串脈沖信号
随着頻率的升高，其相應幅度減小，最後趨于零。
.這種由計算機或終端産生的頻譜從零開始，而未經調制的數字信号所占用的頻率範
圍就叫基本頻帶(這個頻帶從直流起可高到數百千赫，甚至若幹兆赫)，簡稱基帶(baseband)。
.這種數字信号就稱基帶信号。
.區域網路中采用基帶同軸電纜作傳輸媒體進行資料傳輸。
頻帶傳輸
在計算機通信遠端線路中，不能直接傳達原始的電脈沖信号(即基帶信号)，不能傳
輸近似于零頻率的分量
.需要利用頻帶傳輸，就是用基帶脈沖對載波波形的某些參量進行控制，使這些參量 随基帶脈沖變化，也就是調制。
.經過調制的信号稱為已調信号。已調信号通過線路傳輸到接收端，然後經過解調恢
複沖。
.頻帶傳輸不僅克服了目前許多長途電話線路不能直接傳輸基帶信号的缺點，而且能
實作多路複用的目的，進而提高了通信線路的使用率
.頻帶傳播在發送端和接收端都要設定數據機。
調制基本概念
.調制是使載波信号的幅度、頻率或相位(其中的一種或幾種)随發送信号變化的過程。
波信号是利用信号發生器産生的高頻正弦波。
.發送信号(模拟資料或數字資料) 一經調制，就将作為模拟信号(已攜帶發送信号的載 波——已調波)，通過送信媒體發送出去。
.在接收端接收後要進行解調(從已調波中取出發送信号的過程)，再變換成原來的信号
形式。
數字資料的模拟信号調制
.三種基本形式：
. 幅移健控法（amplitude-shift keying ASK）
.用載波頻率的兩個不同振幅表示兩個二進制值
.效率低，易受增益變化影響
.頻移健控法（frequency-shift keying FSK）
.用載波頻率附近的兩個不同頻率表示兩個二進制值
.相移健控法（phase-shift keying ASK）
.用載波信号的相位移動來表示資料
.如：相位差0 表示“0”信号，相位差180 表示“1”信号
.較強的抗幹擾能力
. 各種技術的組合
.如：幅移與相移的組合
數字資料的數字信号編碼
.在通過傳輸媒體發送資訊之前、資訊必須被編碼形成信号
常用的編碼：
.非歸零法(NRZ)
.信号的電壓位或正或負
.曼徹斯特編碼
.用在以太區域網路中
.在每個比特間隙中間引入躍遷來同時代表不同比特和同步資訊
.一個正電平到負電平的跳變代表比特1
.一個負電平到正電平的跳變則代表比特0
.獲得了同步信号且僅需要兩種電平振幅
.差分曼徹斯特編碼
. 用在令牌環區域網路中
.比特間隙中間的躍遷用于攜帶同步資訊
.在比特間隙開始位置
.有躍遷代表比特0
.沒有躍遷則代表比特1
. 模拟資料的數字信号編碼
.在資料通信中，要通過抽樣、量化将模拟信号數字化
. 抽樣定理
.抽樣定理在時域上表述為：“ 設有一個頻帶限制在0~fmHz 内的模拟信号x(t)進行等間隔抽樣，則x(t) 可被所得到的抽樣值完全地确定，或者說可以通過這些抽樣值無失 真地重建x(t) 。” .滿足上述抽樣定理的抽樣頻率是fs >= 2fm
例：聲音資料限于4000Hz 以下的頻率，則每秒種8000 次的采樣就可完整地表示聲音信号。若每個采樣用7 位二進制，則需要在信道的資料傳輸率為8000 × 7=56000bps
2.4資料通信-多路複用
. 多路複用
. 把許多信号在單一的傳輸路上用單一傳輸裝置來進行傳輸，提高線路的使用率
. 頻分多路複用（FDM）
.把傳輸線的總頻帶劃分成若幹個分頻帶，以提供多條資料傳輸信道
.每個信道以某一固定頻率提供給一個固定終端使用。
.利用頻率調制技術将各路信号的頻譜搬移到實體信道頻譜的不同段上，實作實體線路信号複用。
. 多用于模拟信号傳輸。
. 時分多路複用（TDM）
.将一條實體的傳輸線路按時間分為若幹時間片，輪換地為多個信号使用，每個時間片上隻能由複用的一個信号占用。
.各路信号按時間相位錯開共享同一信道，在時間上按順序排隊輪流傳輸
.多用于數字信号的傳輸。
.統計時分複用（STDM）
.在時分複用的基礎上能夠動态配置設定時隙，即動态配置設定帶寬。
.碼分複用（CDMA）
.碼分複用允許所有站點同時在整個頻段上進行傳輸，不同站點的信号采用不同的
編碼加以區分。
.波分複用（WDM）
.主要應用光纖通信，由于頻率與波長有一一對應關系，是以實質上仍然是頻分複
用
.利用光學器件對不同的波長進行合成和分解
.空分複用
通過信号在空間上的分離來達到信道的複用。
2.5 資料通信－檢錯與糾錯
.檢錯糾錯技術
..檢錯碼僅能檢測誤碼
.糾錯
.兼有糾錯和檢錯能力
.糾錯編碼和自動請求重發（ARQ）實作
.檢錯：
.奇偶校驗
.循環備援碼
.奇偶校驗碼
.奇偶校驗碼是最簡單的檢錯碼
.通過信号在空間上的分離
.由于實作起來比較容易而被廣泛采用。這種碼的校驗關系可以用一個簡單的方程來表
示。設要要傳送5比特C1C2C3C4C5，其中Ci 取值“0”或“1”。經過編碼以後變成六比特
編碼其中校驗位C6 應滿足下列關系
. C1+ C2 + C3 + C4 + C5 + C6＝0(或1) 式中的加法是模2 加
.上式的右邊等于零稱為偶校驗，此時等式的右邊含偶數個1
.等于 1 就是奇校驗，則含奇數個l。
.水準垂直校驗碼
.水準垂直校驗碼是在兩個維上的奇偶校驗碼
.為增加檢測出多個比特錯誤和突發錯誤的可能性，需要通過對資料中每個比特掃描兩
次來加大校驗的複雜性。
. 循環備援校驗碼(CRC)
.多項式碼就是将二進制形式的碼元看作是僅具有“0”或“1”兩種取值的多項式的系數
.k 個碼元看作是k 項多項式xk-1 + … x0 表達式的系數+ 。
.例：1101: X3+ X2+1
.生成多項式G(x)
.收發雙方進行運算的一個二進制序列對應的多項式
.CRC 編碼過程
.将要發送的二進制序列看作是一個多項式
.除以生成多項式
. 把餘數挂在源多項式之後。
.CRC 譯碼過程
.接收方用同一生成多項式除以接收到的CRC 編碼
.若餘數為零，則證明傳輸無錯
循環備援校驗碼(CRC)
.餘數生成過程
.若生成多項式G(x)=xr+….+1
.将r 個“0” 在發送資料（M(x)）的低端，使其長度變為k+r 位，相當于一個多項式xrM
.xrM(x)除以G(x)，得餘數 （r 位）
.三個的生成多項式（已成國際标準）：
.CRC-12：G (x) = x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1
.CRC-16：G(x) = x16 + x15 + x2 + 1
.CRC-CCITT：G(x) = x16 + x12 + x5 + 1
.CRC-32：G(x) = x32 + x26 + x23 + x16 + x12 + x11 + x10 + x6 + x7 + x5 +x4 + x2 + 1
.循環備援校驗碼(CRC)計算要點
.若生成多項式G（x）最高為 r 次幂，則
.發送的二進制資料後填r 個0，然後
.除以G（x）對應的二進制（模2 除）
.最後得到的餘數為r 位
.如果CRC的生成多項式為G（x）=x4+x+1，資訊碼字為10110，則計算出的CRC校驗碼 4）。101100000/10011=10101 餘數 1111
注意：除法過程中，被被減數隻要最高位為1，就商1。
.循環備援校驗碼(CRC)性質.CRC 校驗碼能檢測出雙錯、寄數位錯和突發長度小于等于r 的突發錯
.糾錯
.ARQ（自動請求重發）
.常用的方法
.接收站發現錯誤就丢棄，發一個否定應答給發送站，發送站重新發送資料。
.接收站正确接收，就發一個肯定應答
.正向糾錯
.适合于沒有反向信道的場合或傳輸時間較長的場合
.海明碼編碼，增加備援位使接收方糾正錯誤的位
. 海明碼
.概念
.海明距離：
兩個碼字的對應比特取值不同的比特稱為這兩個碼字的海明距離，如100001001
和10110001，海明距離為3，表示一個碼字必須錯3 位才能變成另一個碼字。
.性質
要檢測出d 個錯誤，則海明距離至少為d＋1。即一個碼字錯d＋1 個比特才能變
成另一個，<=d隻能變成無效碼字，能被檢測出來。
要糾正d 個錯誤，海明距離至少應為2d＋1
.海明編碼：
. 校驗位數r 計算：
設效驗位位數是r，可以有2r 個編碼，其中一個用于表示資料無差錯，剩下2r-1
個編碼用于訓示哪一位資料位出錯。由于k 個資料位和r 個效驗位都可能出錯，是以r 必須滿足：2r -1≥k+r。例如r=4，則4 位海明碼可以效驗15 位編碼（包 括資料位和效驗位） 并糾正一位錯。
. 與資料位形成一定的偶校驗關系。
.編碼方法：
校驗位數
以7-4 碼（即k=4,r=3）為例：
資料為I4I3I2I1 檢驗位：r2r1r0
資料排列：r2 22 位置（4），r1 在21 位置（2），r0 在20 位置（1），則形成I4I3I2r2I1r1r0
. 關系：
.7（I4）＝4＋2＋1
. 6（I3）＝4+ 2
.5（I2）＝4＋1
. 3(I1）＝2+1
則：I4 參加r2 r1 和r0 校驗
I3 參加r2 r1 校驗
I2 參加2 r0 校驗
I1 參加r1 r 0 校驗
是以:r2＝I4＋I3＋I2
r1＝I4＋I3＋I1
r0＝ I4＋I2＋I1
驗證:s2=r2+I4 ＋I3＋I2
s1=r1+I4＋I3＋I1
s0=r0+I4＋I2＋I1
若s2s1s0=000 沒出錯，否則在s2s1s0 上出錯。
例：
資訊位：1011
則 r2＝I4＋I3＋I2＝1+0+1=0
r1＝I4＋I3＋I1＝1+0+1=0
r0＝I4＋I2＋I1＝1+1+1=1
得最後海明碼：1010101
接收方是1000101
則s2=r2+I4 ＋I3＋I2=0+1+0+0＝1
s1=r1+I4＋I3＋I1＝0+1+0+1＝0
s0=r0+I4＋I2＋I1＝1＋1+0+1＝1
第101位即5位出錯
2.6 資料通信－同步、異步傳輸
異步傳輸
?資料以字元為傳輸機關
?字元間發送時間是異步的,即後一字元的發送時間與前一字元的發送時間無關。
?時序或同步僅在每個字元的範圍内是必須的
?接收機可以在每個新字元開始時抓住再同步的機會
?異步傳輸：即把各個字元（例如ASCII 碼）分開傳輸，字元之間插入同步資訊。
?也叫起止式，即在字元的前後分别插入起始位（“0”）和停止位（“1”）。起始位對接收方的時鐘起置位作用。接收方時鐘置位後隻要在8～11 位的傳送時間内準确，就正确接收一個字元。最後的停止位告訴接收方該字元傳送結束，然後接收方就可以檢測 後續字元的起始位了。當沒有字元傳送時，連續傳送停止位
?異步傳輸的優點：簡單
?但是由于起止位和檢驗位的加入會引入20％～30％的開銷，傳輸的速率也不會很 高。
同步傳輸
?以資料塊為機關進行傳輸
?資料塊開始和結束加控制資訊（控制字元或控制位） ?
?分面向字元和面向位同步
?同步傳輸效率遠遠比異步傳輸高
?如傳輸鍊路控制協定HDLC 為面向位的同步傳輸。
?同步傳輸：
? 發送方在發送資料之前先發送一串同步字元SYNC。
? 接收方隻要檢測到連續兩個以上SYNC字元就确認已進入同步狀态，準備接收資訊。
? 随後的傳送過程中雙方以同一頻率工作（信号編碼的定時作用也表現在這裡），直到傳送完訓示資料結束的控制字元。
? 這種同步方式僅在資料塊的前後加入控制字元SYNC，是以效率更高。在短距離高速資料傳輸中，多采用同步傳輸方式
2.7 交換技術
.線路交換
.封包交換
.分組交換
.信元交換
.電路交換:
.在交換的兩台計算機中直接選擇一條電路連接配接,在連接配接期間,該線路一直給一個使用者使用.
. 交換效率低
分組交換:
.分組交換屬于“ 存儲／轉發” 交換方式
.以更短的、标準的“ 封包分組”(packet) 為機關進行交換傳輸。
.分組是一組包含資料和呼叫控制信号的二進制數，把它作為一個整體加以轉接，這些
資料、呼叫控制信号以及可能附加的差錯控制資訊是按規定的格式排列的。兩種方式：
資料報
.交換網把進網的任一個分組都當作單獨的“ 小封包” 來處理，被稱為資料報(datagram) 。
虛電路
.兩個使用者的終端裝置在開始互相發送和接收資料之前需要通過通信網絡建立邏輯上的連接配接，— 旦這種連接配接建立，直至使用者不需要發送和接收資料時清除這種連接配接
所有分組都必須沿着事先建立的虛電路傳輸，存在一個虛呼叫建立階段和拆除階段( 清除階段)
. 虛電路與資料報方式的比較:
分組的開銷：虛電路小
分組接收的順序：虛電路好
分組的流量控制：虛電路好
傳輸路徑的健壯性：資料報
信元交換
.ATM（異步傳輸模式）
提供無确認的面向連接配接的信元傳送服務。ATM 信元格式：
53 位元組的信元由5 位元組的頭部和48 位元組有有效載荷構成。
位 數 4 8 16 3 1 8
GFC VPI VCI PTI CLP HEC
. GFC 字段：隻用于主機與網絡間，進行流量控制和表示優先級。
. VPI 字段：虛通路辨別。在UNI(User-network Interface) 為8 位，Interface) 為12 位( 這時沒有GFC)
. VCI 字段：虛通道辨別。
? PTI（Payload Type Identifier）字段：有效載荷類型，表示資料類型和傳送狀态（是否經曆擁塞）。
? CLP 字段：主機賦予的傳輸優先級，用于丢棄時的選擇。1 為低優先級。
? HEC 字段：信元頭的校驗和
VP與VC的概念
VP 交換
.VC 保持不變
VC 交換
.VP 、VC 值都變化
VPC( 即用VPI 和VCI) 的交換示意圖：
例題分析（2）為了進行差錯控制，必須對傳送的資料幀進行校驗。在區域網路中廣泛使用的校驗方法是（1）校驗。CRC-16 标準規定的生成多項式為G（x）=x16+x15+x2+1, 它産生的校驗碼是（2） 位，接收端發現錯誤後采取的措施是（3）。如果CRC 的生成多項式為G（x）=x4+x+1，資訊碼字為10110，則計算出的CRC 校驗碼是（4）。要檢查出d 位錯，碼字之間的海明距離最小值應為（5）。
(1) A 奇偶B 海明C 格雷D 循環備援
(2) A2 B4 C16 D32
(3) A 自動糾錯B 報告上層錯誤C 自動請求重發D 重新生成原始資料
(4) A 0100 B 1010 C 0111 D 1111
(5) Ad B d+1 Cd-1 D2d+1
答案(1)D (2)C (3)C (4)D (5)B
例題分析（3） 設信道寬度為3000Hz，根據尼奎斯特（Nyquist）定理，理想信道的波特率為（16）波特，若采用QPSK 調制，其資料速率應為（17），如果該信道信噪比為30dB， 則該信道的帶寬約為（18）。設信道誤碼率為10-5 ，幀長為10K 比特，差錯為單個錯，則幀出錯的機率為（19）。若整個封包被分成5 個幀，幀出錯的機率為0.1,糾錯重發以封包為機關，則整個封包的平均發送次數約為（20）次。(2003)
(16) A 3000 B 6000 C 12000 D 24000
(17) A 6Kb/s B 12Kb/s C 18Kb/s D 24Kb/s
(18) A 10Kb/s B 20Kb/s C 30Kb/s D 40Kb/s
(19) A 1-(1-10-5)10K B (1-10-5)10K C 10-5×10K D (1-10-5)10K
(20) A 1.24 B 1.33 C 1.54 D 1.69
答案 （16）B （17）B （18）C （19）C （20）D （17） QPSK 調制：
相移健控 π/ 4，M＝4 log24＝2，6000×2＝12000
（20） 1/(1-0.1)5=1.69
例題分析（4） 與線路交換相比，分組交換最大優點是（11），最大的缺點是（12）。設
待傳送資料總長度為L位，分組長度為P位，其中頭部開銷為H位，源結點到目的結點之間的鍊路數為h，每個鍊路上的延遲時間為D秒，資料傳輸率為Bb/s，線路交換和虛電路建立連接配接的時間都為S秒，在分組交換方式下每個中間結點産生d位的資料延遲時間，則傳送所有資料，線路交換所需時間為（13）秒，虛電路分組交換所需時間為（14）秒，資料報分組交換所需時間為（15） 秒。（〔x〕表示對x向上取整）(2002)
（11）A 延遲時間小 B 可進行差錯控制 C 緩沖區易于管理 D 便于标準化
（12）A 增大延遲 B 不能實作鍊路共享 C 不能實作速率轉換 D 不能滿足實時應用要求
（13）A. hD＋L/B B. S+hD+L/P C. S +hD+L/B D. S+L/B
答案： （11）B （12）A （13）C(14) A. S+(hd/B+P/B)*[L/(P-H)]
B. S+(hD+P/B)*[L/(P-H)]
C . S+[(h-1)D+P/B]*[L/(P-H)]
D. S+[(h-1)d /B +hD +P/B]*[L/(P-H)]
(15) A. (hd/B+P/B)*[L/(P-H)]
B. (hD+P/B)*[L/(P-H)]
C . [(h-1) d /B +hD +P/B]*[L/(P-H)]
D. S+[(h-1)d /B +hD +P/B]*[L/P]
設待傳送資料總長度為L位，分組長度為P位，其中頭部開銷為H位，源結點到目的結點之間的鍊路數為h，每個鍊路上的延遲時間為D秒，資料傳輸率為B b/s，線路交換和虛電路建立連接配接的時間都為S秒，在分組交換方式下每個中間結點産生d位的延遲時間，則傳送所有資料，線路交換所需時間為（13）秒，虛電路分組交換所需時間為（14）秒，資料報分組交換所需時間為（15） 秒。（〔x〕表示對x向上取整）
（13）線路交換： 發送時間：L/B ， 建立時間：S， 延遲時間： hD
（14）虛電路： 建立時間：S,分組數： [L/(P-H)], 中間結點h-1,每個分組:在中間結點共産生延遲(h-1)d/B ,發送時間：P/B,鍊路上延遲時間為hD 是以：共：S+[(h-1)d/B ＋hD+P/B]*[L/(P-H)]
（15）資料報： 建立時間：0, 其它同虛電路共： [(h-1)d/B ＋hD+P/B]*[L/(P- H)]
是以：（13）C （14）D （15） D
通信部分知識點總結
1 信道容量、傳輸率
2 個公式 .
2 模拟、數字（資料－信号轉換）
.編碼（NRZ、曼徹斯特、4b/5b、 8b/10b）
.調制（ask、psk、fsk 及組合）
.采樣（信号頻率、采樣頻率、傳輸率）
3 多路複用
.頻分、時分、波分、碼分
4 檢錯糾錯：
.CRC 校驗碼
.海明碼編碼
5 同步、異步傳輸
.面向字元
.面向比特
.起止式
6 交換技術
線路交換
分組交換
虛電路
資料報
信元交換
![8個道理，讓你的程式人生受益終生[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)