软考网络工程师(二)
第二章 数据通信基础
第一部分
2.1 一些概念
-
信源:通信中产生和发送信息的一端
-
信宿:接收信息的一端
-
变换:变换成适合信道传输的形式
-
噪声:信号在传输的过程中收到的外界干扰
2.2 数字信号与模拟信号
数字信号 | 模拟信号 | |
---|---|---|
概念 | 随时间连续变化的信号 | 只取有限个离散值的信号 |
通信方式 | 信源产生模拟数据且以数字信号的方式传输叫做数字通信;若信源产生数字数据,无论是用数字信号传输还是模拟信号传输都叫数字通信(P28) | 信源产生模拟数据并以模拟信道传输叫做模拟通信 |
优缺点 | 抗干扰能力强 | 容易受噪声干扰 |
注意:数字信号与模拟信号是信源和信宿的信息,与使用什么信道无关
2.3 数字信道和模拟信道
模拟信道 | 数字信道 | |
---|---|---|
带宽计算 | W=f2-f1 其中f1是低频,f2是高频 (P28),单位: Hz | 最大数据速率,单位: bps 或 b/s |
2.4 相关定理
此处内容较复杂,建议仔细阅读书本P29
码元速率(波特率)基本公式
B = 1/T ,其中B为码元速率,T为码元宽度(秒)
码元速率与数据速率辨析
- 码元是数字信道的概念,数字信道不停传输脉冲序列,一个数字脉冲称为一个码元。
- 码元速率(B=1/T),单位为波特(Baud),所以又称为波特率。
- 一个码元携带的信息量由码元取的离散值的个数决定,码元的种类数N和码元携带的信息量n由关系
N=2^n
。例如信息量为2的码元可以看作一个两位的二进制数,两位的二进制数有00、01,10,11 四种取值即码元能够取得离散值。 - 码元速率即码元的传输速率,数据速率是信息量的传输速率,仅当信息量取1时(即两个离散值)两者才相等,数据速率 = 码元速率 * 信息量
尼奎斯特定理(Nyquist)——无噪声数字信道极限数据速率计算
- 尼奎斯特定理:B = 2W , 其中B为最大码元速率,W为信道带宽
- 注意:尼奎斯特定理计算的仅是码元速率,要计算数据速率还要乘上信息量。
- 无噪声数字信道带宽公式: R = B * n = 2W * n = 2W * log2 (N) (2为底)
香农定理 —— 有噪声数字信道极限数据速率计算
- 符号:S为信号平均功率(Symbol) , N为噪声平均功率(Noise)
- 信噪比:S/N
- 香农定理: C = Wlog2 (1 + S/N) (2为底)
- dB = 10lg10(S/N) (10为底)
模拟信道的带宽与数字信道的带宽
模拟信道的带宽按照公式W=f2-f1(单位Hz) , 数字信道的带宽为最大数据速率(单位bps) , 两者可以通过以上两个定理相互转化。
误码率
误码率 = 出错的位数 / 传送的总位数
2.5 需要记忆的小知识点
- 通信换算进率1000,如1G=1000M
- 存储换算进率1024,如1G=1024M
- 电缆传播速度:200m/us(200km/ms,200000km/s),即 2/3 光速
- 卫星信道延迟:270ms
第二部分
2.6 双绞线、同轴电缆、光纤
双绞线适用于短距离传输,屏蔽双绞线抗噪声更强,相同带宽下速率更快。
非屏蔽双绞线(UTP):
- 3类 16Mbps
- 4类 100Mbps
屏蔽双绞线(STP):
- 3类 19Mbps
- 4类 20Mbps
- 5类 100Mbps
- 超5类 155Mbps
- 6类 200Mbps
同轴电缆适用于长距离传输,常用于电视、监视视频、音响设备传送音、视频信号。
- 基带同轴电缆:使用数字信号,不需要调制解调器,覆盖范围小
- 宽带同轴电缆:使用模拟信号,需要调制解调器,覆盖范围大
双绞线和同轴电缆传递电信号,光纤传递光信号。光纤的光源处有光电二极管或激光二极管将电信号转化为光信号,接收端有一个光检测器将光信号转为电信号。
光纤具有高数据速率、宽频带、低误码率、低延迟等优点。
项目 | 单模光纤 | 多模光纤 |
---|---|---|
距离 | 长 | 短 |
速率 | 高 | 低 |
光源 | 注入时激光二极管 | 发光二极管 |
直径 | 小 | 大 |
传播方式 | 无反射地沿直线传播 | 不断反射地向前传播 |
造假 | 高 | 低 |
2.7 无线信道
此部分考察较少
无线信道包括微波、红外和短波信道
第三部分
2.8 数据编码
前面提过,二进制数据不适宜直接放入基带系统传输,需要先经过编码变成脉冲,
该用怎样的脉冲组合表示数据就涉及到数据编码。
- 单极性码:只有正的电压和零(或负的电压和零),用有无电压表示
- 极性码:只有正负电压没有零电压,用正负电压表示
- 双极性码:有正、负、零三个电压,正负电压表示1,零电压表示0 。当连续的1出现时电压表现为正负电压交替出现。
- 归零码:信号在每个码元周期的开始从零电压变到正电压(负电压),在码元周期的中间再从正电压(负电压)变回零电压。用码元周期中间的电压变化表示两种可能。
- 双向码:与归零码类似,在码元周期的中间从正电压变到负电压或从负电压变到正电压,用这种变化表示两种可能。
- 不归零码:电压反转表示1,电压不反转表示0
- 曼彻斯特编码:即双向码
- 差分曼彻斯特编码:也是一种双向码,但它的码元周期中间的电平转换仅用于定时。每一位开始时有电平转换表示0,无电平转换表示1。
- 多电平编码:不常考
- 4B/5B编码:不考察识图
注意:
- 以上编码中,单看图像的话,只有双极性码、不归零码、差分曼彻斯特编码是对应唯一结果的,其它的都有两种可能结果(即0、1交换)。
- 由于在码元周期中间变化这一特性,归零码、曼彻斯特编码(双向码)、差分曼彻斯特编码是自定时的。
- 在给出图像读图时,查分曼彻斯特编码是读不出第一位的。
- 由于双向码(曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码)需要两个码元才能表示一位信息,所以波特率是数据速率的两倍,效率是50%
- 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码必考,通常考识图
- 4B/5B编码常考,通常考察:
- 两级编码方案,先变成不归零码(NRZ-I),再将4位变成5位。
- 效率是80%
- 用途:
- 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码效率50%,用于以太网。
- 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;
2.9 数字调制
数字数据不仅可以用方波脉冲表示,还可以用模拟信号传输,将数字数据调制成模拟信号叫做数字调制
英文 | 方式 | |
---|---|---|
ASK | Amplitude Shift Keying | 改变振幅 |
FSK | Frequency Shift Keying | 改变频率 |
PSK | Phase Shift Keying | 改变相位 |
QAM(正交幅度调制): 书上写的是16-QAM , 即一个码元信息量为4,有16种,此时码元速率 = 载波频率 * 4
常考:给出图像,问是哪种调制,再问码元速率和载波频率的关系。如果一位信息用n个周期表示,则码元速率 = 载波频率 / n
2.10 脉冲编码调制(PCM Pulse Code Modulation)
用于将模拟信号转化为数字信号。
有两个考点:
- 尼奎斯特取样定理:取样频率要大于模拟信号最高频率两倍
- 信道的传输速率 = 取样频率 * 信息量
书本例题P41:
若取样速率为8kHz,对样本用128个等级量化,因而每个样本用7位二进制数字表示,所以在数字信道上传输这种数字化的话音信号的速率是 7 * 8000 = 56kps。
2.11 通信方式
通常不单独考察
通信方向:
- 单工:只能单向通信
- 半双工:能双向交替通信,不能双向同时通信
- 双工:能双向同时通信
同步方式:
- 异步传输:如图,优点是简单,缺点是会引入20%的额外开销,如果再加上校验位的话30%额外开销
- 同步传输:在传送开始前传送连续的SYNC字符,表示传输即将开始,双方以同一频率工作,在传输结束时再发送表示数据结束的控制字符。这种方式效率更高,**信号编码的定时作用就表现在这里。**短距离高速传输中多采用这种方式。
2.12 交换方式
通常不单独考察
交换方式 | 特点 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
电路交换 | 独享一条物理通路 | 独占性、实时性, 适合传输大量的数据 | 需建立一条物理 连接,利用率低。 |
报文交换 | 整个报文一起发送 | 不需要专用通道, 线路利用率高,存储转发节点可校验纠错。 | 需建立一条物理 连接,利用率低。 |
分组虚电路 | 拥有一条逻辑通路,但别的通信也可以使用 | 可靠性 | 通信效率不如数据报 |
分组数据报 | 就是把报文分组传送 | 通信效率高 |
补充:分组交换(虚电路、数据报)都拥有以下优点:
- 中间存储节点需要的内存小
- 传播时延小
- 按分组纠错,通信效率提高。
2.13 多路复用技术
常考,此部分建议仔细看书,英文简称要记
- 频分多路(FDM):在一条传输介质使用多个频率范围不同的信道,信道之间有一定的隔离频带,用于宽带系统中。
- 时分多路(TDM):多个子通道按时间片轮流使用整个带宽(或某个子信道),用在宽带系统中。
- 波分多路(WDM):用在光纤通信中,不同的子信道用不同波长的光波承载。
2.14 T1载波、E1载波、光纤复用
考计算
注意:由PCM我们可知对话音信道(4kHz) 采样频率为8kHz = 1/125us
- T1载波 , 单信道数据速率 = 8b * 8kHz = 64kps , 总数据速率 = 24 * 64kps = 1.544Mbps
- E1载波,数据速率2.048Mbps , 32个数据样本,CH0和CH16是控制信令,其它30个是话音数据
- T1 和 E1都是时分多路
- 光纤复用的两个标准:SONET标准(美国)和SDH标准(国际): 用于光纤网络。OC-3速率155.520(要我我.我爱你),OC-9的速率是OC-3的3倍 , 线性变化以此类推。
2.15 差错控制
- 检错码:由奇偶校验位、校验和多种方式
- 海明码:是一种纠错码,具有1位纠错能力,海明码详解
- 循环冗余检验码(Cyclic Redundancy Check CRC):只具有检错能力,不具有纠错能力,生成多项式是几次多项式冗余码就有几位。CRC简单介绍
2.16 习题
-
设信道带宽为4000Hz,信噪比为30dB,按照 香农定理,信道容量为( )。
A. 4Kb/s B. 1.6Kb/s C. 40Kb/s D. 120Kb/s
-
所谓正交幅度调制是把两个( )的模拟信 号合为一个载波信号。
A. 幅度相同相位相差90° B. 幅度相同相位相差180° C. 频率相同相位相差90° D. 频率相同相位相差180°
-
地面上相距2000km的两地之间通过电缆传输 4000bit长的数据包,数据速率为64Kb/s,从开 始发送到接收完成需要的时间为( )。
A. 48ms B. 640ms C. 32.5ms D. 72.5ms
-
PCM编码是把模拟信号数字化的过程,通常 模拟话音信道的带宽是4000Hz,则在数字化 采样频率至少( )次/秒。
A. 2000 B. 4000 C. 8000 D. 16000
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采用海明码进行差错校验,信息码字为1001011, 为纠正一位错,则需要( )位冗余位。 A. 2 B. 3 C. 4 D. 8
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按照美国制定的光纤通信标准SONET,OC-48 的线路速率是( )Mb/s。
A. 51.84 B. 622.08 C. 2488.32 D. 9953.28
-
E1载波把32个信道按( )方式复用在一条 2.048Mb/s的高速信道上,则每条话音信道的数 据速率是( )Kb/s。
A. TDM B. CDMA C. WDM D. FDM
A. 56 B. 64 C. 128 D. 512
-
E1载波的数据速率是( )Mb/s,T1载波的 数据速率是( )Mb/s。
A. 1.544 B. 2.048 C. 6.312 D. 8.448
答案
- C
使用香农公式C=Wlog2(1+S/N),和公式 dB=10lg10(S/N),由30dB得到S/N=1000; 于是C=4000log2(1+1000)=40000b/s,除于进率 1000(通信领域是1000,存储领域是1024)换 算成Kb/s为40Kb/s
-
A
-
D
传播延迟时间=2000km/(200km/ms) =10ms
发送时间=4000b/(64000b/s)=0.0625s=62.5ms
总时间=62.5+10=72.5ms
-
C
-
C
m+k+1<2^k,m=7,得k=4。
-
C
OC-3的16倍,约为2488。
-
A;B
8b*8000=64Kb/s。
-
B;A