数据通信原理期末总复习

第一章 数据通信概论

数据信号的3种基本传输方式：基带传输、频带传输和数字数据传输。

• 基带传输：是基带数据信号（数据终端输出的未经调制变换的数据信号）直接在电缆信道上传输。

• 频带传输：是基带数据信号经过调制，将其频搬移到相应的载频频带上再进行传输（频带传输时信道上传输的是模拟信号）。

• 数字数据传输：是利用PCM信道传输数据信号，即利用PCM30/32路系统的某些时隙传输数据信号。

数据通信定义：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它可实现计算机与计算机，计算机与终端或终端与终端之间的数据信息传递。数据通信的终端设备（产生的是数据信号）可以是计算机 ，也可能是除计算机以外的一般数据终端，一般数据终端简称数据终端或终端。

数据通信强调的是信源信号的形式，不管信道上的信号形式如何。

数据通信系统的基本构成：

数据通信系统的构成：数据终端设备，数据电路，中央计算机系统。

数据电路概念：数据电路位于DTE与计算机系统之间，它的作用是为数据通信提供传输通道。在数据电路两端收发的是二进制“1”或“0”的数据信号，数据传输电路要保证将DTE的数据信号送到计算机系统以及由计算机系统送回DTE。数据电路由传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成。

传输信道：包括通信线路和通信设备（可分为模拟通信设备和数字通信设备）。传输信道可分为模拟信道和数字信道，模拟信道上传输的是模拟信号，而数字信道上传输的是数字信号。

DTE由数据输入设备、数据输出设备、传输控制器组成。

• 传输控制器的作用是完成各种传输控制，如差错控制、终端连续控制等。

DCE是DTE与传输信道的接口设备。当数据信号采用不同的传输方式时，DCE的功能有所不同。

• 基带传输时，DCE是对来自DTE的数据信号进行某些变换，使信号功率谱与信道相适应，即使数据信号适合在电缆信道中传输。
• 频带传输时，DCE具体是调制解调器，它是调制器和解调器的结合。发送时，调制器对数据信号进行调制，将其频带搬移到相应的载频频带上进行传输。接收时，解调器进行解调，将模拟信号还原成数据信号。（注意：数据电路内部的传输信道上不一定是数字信号形式）
• 数字数据传输时，DCE是数据服务单元，其功能是信号格式变换，即消除信号中的直流成分和防止长串1或长串0的编码、信号再生和定时等等。

数据链路概念：数据电路加上数据传输控制功能后就构成了数据链路。只有在建立起数据链路之后，通信双方才能真正有效、可靠地进行数据通信。

PCM调制原理：模拟数据–>采样–>量化–>编码–>数字信号

了解信噪比：信噪比是用来描述信号传输过程所受到损耗和噪声干扰程度的量，是衡量传输系统性能重要指标之一。信噪比是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，可表示为：

• 式中，Ps是信号平均功率，Pn是噪声平均功率。信噪比通常是以分贝（dB）来表示的。

异步传输：异步传输是每次传送一个字符，各字符的位置不固定，字符可以连续发送，也可以单独发送；不发送字符时，连续发送“止”信号。异步传输的优点是实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要精准的同步，缺点是每个字符增加了起、止的比特位，降低了信息传输效率。

同步传输：同步传输是以固定时钟节拍来发送数据信号的，在串行数据码流中，各字符之间的相对位置都是固定的，因此不必对每个字符加“起”信号和“止”信号，只需在一串字符流前面加一个起始字符，后面加一个终止字符，表示字符流的开始和结束。

• 同步传输有两种同步方式：字符同步和帧同步。同步传输一般采用帧同步。
• 同步传输与异步传输相比，在技术上要复杂，但它不需要对每一个字符单独加起、止码元作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列，因此传输效率较高。

有效性指标：

1. 工作速率：通常使用3种不同的定义：调制速率、数据传信速率和数据传送速率。

   • 调制速率：每秒传输信号码元的个数，又称波特率，单位为波特（Baud）：

   • 数据传信速率：每秒传输的信息量（每秒所传输的二进制码元数），其单位为（bit/s），信息的不确定性程度越大，则其信息量越大，由此可见，当信号为M电平，即M进制时，传信速率与调制速率关系为

   • 数据传送速率：单位时间内在数据传输系统中的相应设备系统中的相应设备之间传送的 比特、字符或码组平均数。

2. 频带利用率：数据信号的传输需要一定的频带。真正衡量数据传输系统有效性的指标是单位频带内的传输效率，即频带利用率：
   
   可靠性指标：可靠性指标是用差错率来衡量的，衡量数据传输质量的最终指标是差错率。差错率可以有多种定义，在数据传输中，一般采用误码率、误字符率、误码组率来表示，它们分别定义为：

• 误码率=接受出现差错的比特数/总的发送比特数
• 误字符（码组）率=接受出现差错的字符（码组）数/总的发送字符（码组）数

信道容量：信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量，即信道的最大传信速率。单位是（bit/s）

1. 模拟信道的信道容量：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率为：
   式中，B为信道带宽，S/N信号功率与噪声功率之比。
2. 数字信道的信道容量：典型的数字信道是平稳、对称、无记忆的离散信道，它可以用二进制或多进制传输。带宽为B的离散无噪声数字信道所能传送的信号最高码元速率为2B，因此，无噪声数字信道容量为：

时分复用原理：适用于数字信号

1. 时分复用：利用各路信号在信道上占有不同的时间间隔的特征来分开各路信号。具体来说，将时间分成为均匀的时间间隔，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隔内，以达到互相分开的目的。时分复用优点：简单，易于大规模集成，不会产生信号间的串话，但时分复用容易产生码间串扰，而且信道利用率比统计时分复用低。

2. 统计时分复用：根据用户实际需要动态地分配线路资源的方法。统计时分复用的信道利用率较高。

第二章 数据信号的传输

基带数据信号画图：

1. 单极性不归零信号（不归零信号：NRZ）：

2. 单极性归零信号（归零信号：RZ）：

3. 双极性不归零信号：

4. 双极性归零信号：

5. 差分信号：

6. 多电平信号：

功率谱密度结论：

• 连续谱一定存在
• 某些情况下可能没有离散谱
• 绝对值符号中为0：P=1/2，G1(f)=-G2(f)

数据信号基带传输：不搬移基带信号频谱直接传输基带数据信号的方式称为基带传输。

基带传输系统的构成：如果信号能量最集中的频率范围与实际信道的传输特性不匹配，则会使接收端的信号产生严重的波形失真。基带传输系统模型：

• 发送滤波器：限制信号频带并和接收滤波器一起形成系统所需要的波形（用于采样判决）
• 如果波形完全由发送滤波器产生，则：
  1. 接收滤波器仅用来限制带外噪声
  2. 均衡器用来均衡信道畸变
  3. 采样判决器的作用是在最佳时刻进行采样

理想低通传输特性：

奈奎斯特第一准则：无码间串扰时，码元间隔等于抽样间隔。

理想基带传输系统的主要特点：

1. 满足奈氏第一准则（无符号间干扰）
2. 频带利用率达到极限
3. 物理实现极为困难
4. 波形尾巴很长，衰减很慢，当定时存在偏差时，可能出现严重的码间串扰。

部分响应系统有如下特点：

• 有码间干扰，但是固定的，在接收端可以消除；
• 频带利用率能达到2Baud/Hz的极限；
• 形成波形的前导和后尾衰减较快，降低了对接收端时的精度要求；
• 物理上可实现；
• 接收信号电平数大于发送信号电平数，抗干扰性能要差一些。

数据序列的扰乱与解扰作用：一段短时间的连“0”或连“1”和一些短周期的确定性数据序列，这样的数据信号对传输系统是不利的，主要是由于：

1. 造成对相邻信道数据信号的干扰
2. 造成接收端提取定时信息困难
3. 造成 均衡器调节信息丢失

综上所述，要使数据传输系统正常工作，需要保证输入数据序列的随机性，为了做到这一点，在数据传输系统中常在发送端首先对输入数据序列进行扰乱。经过扰乱的数据序列通过系统传输后，在接收端再还原成原始的数据序列，即为解扰。

扰乱和解扰的基本原理：最有效的数据序列扰乱方法是用一个随机序列与输入数据序列进行逻辑加。解扰即将接收到的已扰序列与扰乱时的随机序列进行同样的操作，即可恢复原始数据序列。

频带传输系统的构成：频带传输系统与基带传输系统的区别在于在发送端增加了调制，在接收端增加了解调，以实现信号的频谱变换。

频带传输系统的构成：

• 调制：用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化。所以调制的基带信号是数字信号，所以又称为数字调制。
• 在调制解调器中都选择正弦（或余弦）信号作为载波，因为正弦信号形式简单，便于产生和接收。由于正弦（或）余弦信号有幅度、频率、相应三种基本变量，因此可以构成数字调幅、数字调相和数字调频三种基本调制方式。

数字调幅：以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称福移键控，简写为ASK。

• 原理：2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”
• 
• 通常，二进制数字调幅（2ASK）信号的产生方法有两种：相乘法和键控法。相乘法是将基带信号s(t)与载波相乘，而键控法是用基带信号s(t)控制载波的开关电路。
• 福移键控信号的解调：

  1. 相干解调：利用同频率同相位的电磁波的相干特性（发送端与乘法器）

     • 带通滤波器：通过信号，隔离噪声

     • 乘法器：实现倍频

     • 低通滤波器：滤除倍频成分

     • 

     • 

  2. 非相干解调：利用低通滤波技术，也称包络检波法。

数字调相：以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。

• 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控（2PSK）信号。
• 二进制数字调相（2PSK）是用载波的两种相位来表示二进制的“1”和“0”，这种用载波的不同相位直接去表示基带信号的方法，一般称为绝对调相。
• 二进制相对调相信号的变换规则是：数据信号的“1”使已调信号的相位变化0°相位；数据信号的“0”使已调信号的相位变化180°相位。

多进制数字调相的频带利用率：如果基带形成采用滚降低通滤波器，并其滚降系数为α，则多相调相的频带利用率为：
正交幅度调制：又称正交双边带调制。它是将两路独立的基带波形分别对应两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，，所得到的两路已调信号叠加起来的过程。

• 由于正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即
• 多进制正交幅度调制（MQAM）的频带利用率为：
  • 这里的M为星点数，其值可取4、16、64、256等。M值越大，即星点数越多，其频带利用率就越高。但是M越大，相同信号空间内，星点的空间距离越小，则系统的抗干扰能下降，误码率增高。

数字调频：用基带数据信号控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控（FSK）

• 相位不连续的2FSK的带宽约为B=2fs+|f1-f0|=(2+h)fs，其中h=|f1-f0|/fs称为频移指数

数据信号数字传输的概念及特点：在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输，简称数字数据传输。

• 采用数字信道来传输数据信号与采用模拟信道的传输方式相比，主要有下属两个优点：
  1. 传输质量高
  2. 信道传输速率高

第三章 差错控制

差错控制方式：在数据通信系统中，差错控制方式一般可以分为4种类型：检错重发、前向纠错、混合纠错检错、信息反馈

• 在具体实现检错重发系统时，通常有3种重发方式，即停发等候重发，返回重发和选择重发。

编码效率：

汉明距离与检错和纠错能力的关系：在信道编码中，定义码组中非零码元的数目为码组的重量，简称码重。例如：“010”码组的码重为1，“011”码组的码重为2，把两个码组中对应码位上具有不同二进制码元的个数定义为两码组的距离，简称码距；而在一种编码中，任意两个许用码组间距离的最小值，称为这一编码的汉明距离。

奇偶监督码（理解）：这是一种最简单的检错码，又称奇偶校验码，在数据通信中得到广泛的应用。其编码规则是先将所要传输的数据码元分组，在分组信息码元后面附加1位监督码，使得该码组中信息码和监督码合在一起“1”的个数为偶数（称为偶校验）或奇数（称为奇校验）。

二维奇偶监督码（理解）：二维奇偶监督码检错能力强，又具有一定纠错能力，且实现容易，因而得到广泛的应用。

汉明码：汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。

线性分组码（运算）

• 线性分组码主要性质：
  1. 封闭性
  2. 码的最小距离等于非零码的最小重量

循环码（运算）

• 循环码编码器的工作过程：

第四章 数据交换

报文交换方式的原理：

• 概念：报文交换属于存储-转发交换方式，当用户的报文到达交换机时，先将报文存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。

• 原理：

• 优缺点：

  • 优点：
    1. 可使不同类型的终端设备之间相互进行通信。
    2. 大大提高线路利用率
    3. 用户不需要叫通对方就可以发送报文，所以无呼损
    4. 可实现同文报通信
  • 缺点：
    1. 信息的传输时延大，而且时延的变化也大
    2. 要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲存储器容量大，因此交换机的设备费用高。

分组传输的优缺点：

• 优点：
  1. 传输质量高
  2. 可靠性强
  3. 为不同种类的终端相互通信提供方便
  4. 能满足通信实时性要求
  5. 可实现分组多路通信
  6. 经济型好
• 缺点：
  1. 对长报文通信的传输效率比较低
  2. 要求交换机有较高的处理能力

帧中继发展的必要条件：

1. 光纤传输线路的使用
2. 用户终端的智能化

ATM信号：ATM信元长度为53字节，有利于硬件实现。

ATM的特点：

1. ATM以面向连接的方式工作
2. ATM采用异步时分复用
3. ATM网中没有逐段链路的差错控制和流量控制
4. 信头的功能被简化
5. ATM采用固定长度的信元，信息段的长度较小

集中交换方式的比较：

第五章 数据通信网络体系结构

HDLC帧结构：在高级数据链路控制规程中，在链路上以帧作为传输信息的基本单位，HDLC的帧的基本格式如下：

TCP/IP分层模型：TCP/IP分层模型及与OSI参考模型的对应关系如下：

附录 大题知识点

第一章

1-3

• 传输速率是衡量数据通信系统传输能力的主要指标，传输速率=字符数据位/字符总长度
• 注意：起位和止位各一位

1-5

• 调制速率：N=1/T 单位：bd
• 数据传信速率：R=Nlog2M 单位：bit/s

1-6

• 误码率=接收出现差错的比特数/总的发送比特数

1-7

• 

1-10

• 数据通信网按网络拓扑结构分有网状网与不完全网状网、星形网、树形网和环形网。

第二章

2-1

• “0”差分码中，用相邻前后两个码元电平极性改变来表示码元“0”，相邻前后两个码元电平极性不改变来表示码元“1”
• ”1“差分码中，用相邻前后两个码元电平极性改变来表示码元“1”，相邻前后两个码元电平极性不改变来表示码元“0”
• 曼彻斯特编码，也叫做相位编码是一个同步时钟编码技术，被物理层用来编码一个同步位流的时钟和数据；常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。
• 曼切斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在时钟周期的前一半为高电平，后一半为低电平；而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。
• 差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。

2-2和2-3

• 符合奈奎斯特第一准则的基带传输系统：如果符合奈奎斯特第一准则，则|H(f)|应以（fn，0.5）呈奇对称滚降
  1. 奈氏频带fn=2600+（3200-2600）/2 单位：HZ
  2. （码元速率）符号速率Nbd=fs=2fn 单位：Bd
  3. 滚降系数α=(3200-fn)/fn（滚降系数就是比奈圭斯特频点多出的频段部分除以奈圭斯特带宽） 单位：无
  4. 传信速率R=fslog2M（M是指M电平） 单位：bit/s
  5. 传信效率n=R/B
  6. 频带利用率n=2/(1+α)

2-4

• 求增益加权系数或波形y(t)在各采样点的值：（带入值求方程组）

2-5

• B2ASK=2BASK=2*1/T=2fs（注意：双极性（不）归零码功率谱的第一个零点值）
• n=fs/B

2-6

• 相位不连续的2FSK的带宽约为B=2fs+|f1-f0|=(2+h)fs
• 其中h=|f1-f0|/fs称为频移指数

2-7

• 若用于调制的二进制序列是单极性码，称为非抑制载频的2ASK；若应用于调制的是双极性码，称为抑制载频的2ASK

2-8

• fc=2N
  • 在一个码元周期中要画两个载波来示意

2-9

• 多进制正交幅度调制（MQAM）的频带利用率为：

• 滚降低通网络的带宽：B=（1+α）fn

• 总比特率R=fslog2M

• 正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即

2-10

• 正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即

• 传信速率R=fslog2M

2-11

• 正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即

• 传信速率R=fslog2M

2-12

• 

• 

第三章

3-1

• 发送数据序列和接收数据序列中位置相同但码元不同的位置，差错序列该位置的码元为“1”，否则为“0”

3-2

• 差错控制方式：在数据通信系统中，差错控制方式一般可以分为4种类型：检错重发、前向纠错、混合纠错检错、信息反馈
• 检错重发（ARQ）优缺点：
  • 因为ARQ方式在接收端检测到错误后，要通过反向信道发送NAK信号，要求发送端重发，所以需反向信道，实时性差；
  • ARQ方式在信息码后面所加的监督码不多，所以信息传输效率较高
  • 译码设备较简单
• 前向纠错（FEC）优缺点：
  • 纠错方式不需要反向信道，能自动纠错，不要求重发，因而延时小，实时性好
  • 缺点是所选择的纠错码必须与信道的错码特性密切配合，否则很难达到降低错码率的要求
  • 为了纠正较多的错码，译码设备复杂，而要求附加的监督码也较多，传输效率就低
• 混合纠错检错（HEC）优缺点
  • 混合纠错检错方式在实时性和译码复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折中，因而近年来，在数据通信系统中采用较多。
• 信息反馈（IRQ）优缺点
  • 这种方式的优点是不需要纠错、检错的编译器，设备简单
  • 缺点是需要和前向信道相同的反向信道，实时性差
  • 发送端需要一定容量的存储器以存储发送码组，环路时延越大，数据速率越高，所需存储容量越大

3-3

• ACK即是确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一类传输类控制字符，表示发来的数据已确认无误。

3-4

• 选择重发：发送端表示重发前面的所有N个码组，而是只重发有错误的那一个码组
• 选择重发系统的传输效率最高，但它的成本也最贵，因为它要求较复杂的控制，在发送端和接收端都要求有数据缓存器。

3-5

• 线性分组码 的性质
  • 码的最小距离等于非0码的最小重量

3-6

• 为检测e个错码，要求最小码距为d>=e+1
• 为纠正t个错码，要求最小码距d>=2t+1
• 为纠正t个错码，同时检测e个（e>t）错码，要求最小码距为d>=e+t+1

3-7

• 将信息码序列按行排成方阵，每行后面加一个奇或偶监督编码，即每行为一个奇偶监督码组，但发送时则按列的顺序传输，接收端仍将码元排成与发送端一样的方阵形式，然后按行进行奇偶校验。
• 由于发送端是按列发送码元而不是按码组发送码元，因此把本来可能集中发生在某一个码组的突发错误分散在了方阵的各个码组中，因此可得到整个方阵的行监督，采用这种方法可以发现某一行中所有奇数个错误以及所有长度不大于方阵中的行数的突发错误。

3-10

• 一般来说，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求：

3-11

• 求监督码：

3-12

• 错的位置参考较正子与错码位置表

3-13

• 将表中所给第1码组循环左移一位后得到第2码组，第2码组循环左移一位后得到第3码组，依此类推，第8码组为全0。

3-15

• 最高次幂指数为n-k
• 求生成矩阵
• 通过矩阵变换求典型生成矩阵
• 求指定信息码的监督位和整个码组

试卷大题

• 简单对比奈奎斯特第一准则与奈奎斯特第二准则的异同点
  • 第一准则表明，无码间串扰，在频带fn内，2fn是极限速率，所有数字传输系统的最高频带利用率为2Baud/Hz
  • 第二准则引入一定的受控的码间串扰，压缩传输频带，可达到2Baud/Hz理论极限，同时降低对定时精度的要求