数通期末复习

allenig

2024-11-07

数通, 期末

第一章概述

定义

数据通信以数据传输为基础，包括数据传输和数据交换，以及传输前后的数据处理。

数据通信主要是”人-机“ 通信或 ”机-机“ 通信。

数据通信系统的组成

数据通信系统由若干个子系统组成，以对数据的处理形式可分为以下三种：

终端设备子系统：由数据终端设备及有关的传输控制设备组成。
数据传输子系统：由传输信道和两端的数据电路终接设备组成。
数据处理子系统：指包括通信控制器在内的电子计算机

（终端设备子系统有终端+集中器+调制解调器，数据传输子系统有通信网络，数据处理子系统有计算机）

数据通信网络分类

按照覆盖的物理范围分类

广域网：指覆盖范围很广的远程网络，由结点交换机及其连接的线路组成。目前主要采用分组交换技术。
局域网：指通过通信线路，把较小地域范围内的各种设备连接在一起的通信网络。
城域网：指覆盖范围界于前两者之间的，面向企业的公用网络。

因特网组成

核心部分

因特网的核心部分相当复杂，其中包含着类型、结构完全不同的网络，以及连接这些网络的路由器。
核心部分由大量的各种网络和连接这些网络的路由器组成，它为周边部分提供连通性和交换服务。
在核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是一种专用计算机，它的主要功能是转发接收到的分组，是因特网上实现分组交换(packet switching)的关键部件。

周边部分

因特网的周边部分由连接在因特网上的所有主机组成。
位于因特周边部分任何两台主机之间的通信，实际上是指：“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。通常把这些主机称为端系统（end system）。
端系统之间的通信有两种模式：
⑴客户/服务器模式(Client/Server model)

⑵对等模式(Peer-to-Peer)

客户/服务器模式

客户和服务器是指通信过程中所涉及的两个应用进程。 C/S模式描述了两者之间的服务和被服务的关系，是因特网最常用的通信模式。

客户/服务器模式的两个特点：不对等服务；通信完全异步

客户/服务器模式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
客户/服务器模式在可扩展性、自治性、坚定性等方面存在诸多不足

对等模式

对等模式 (peer-to-peer，简写 P2P)是指两个主机通信时所处的地位是对等的，它们运行着对等软件就可以同时起着客户或服务器的作用向对方提供服务。

对等模式的特点：从本质上看仍然是使用客户/服务器方式，但是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

计算机网络的性能指标

计算机网络的主要性能指标，包括速率、带宽、吞吐量、时延、往返时间、时延带宽积和利用率（6个）。

速率

指计算机网络中的主机在信道上单位时间内传送数据量，又称数据率(data rate)或比特率(bit rate)。

单位是比特/秒(bit/s或bps，即bit per second)。当速率较高时，可在单位b/s前加上千($K=10^3$)、兆($M=10^6$)、吉($G=10^9)$、太($T=10^{12}$)、拍($T=10^{15}$)和艾($E=10^{18}$)。

带宽

在计算机领域，带宽指计算机网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能达到的“最高数据速率”。单位是比特/秒(bit/s) 。

一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

吞吐量

指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位是比特秒(bit/s或bps(bit per second))。吞吐量更经常用于对某个网络的性能测试，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

时延

时延指数据(一个报文或分组或比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。

时延(又称延迟或迟延)由四个部分组成：

发送时延：指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
$$传输时延=\frac{数据帧长度(bit)}{信道带宽(bit/s)}$$
传播时延：指电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。
$$传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波在信道上的传播速度(m/s)}$$
处理时延：指主机或网络结点(路由器或交换机) 处理分组所花费的时间。包括对分组的首部分析、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。
排队时延：指分组进入网络结点后，需先在输入队列中排队等待处理，以及处理完毕后在输出队列中排队等待转发的时间。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。

数据在网络中的总时延是上述4种时延之和：
$$总时延=传输时延+传播时延+处理时延+排队时延$$

时延带宽积

时延带宽积是指传播时延与带宽之乘积。
$$时延带宽积=传播时延 \times 带宽$$

利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率。

信道利用率：指在规定时间内信道上用于传输数据的时间比例。完全空闲的信道的利用率是零。
网络利用率：指全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率力求高些，但并非越高越好。因为信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

计算机网络模型

OSI模型

TCP/IP模型

(4) 应用层：该层向用务提供一组常用的应用程序，为不同主机上的进程或应用之间提供通信。
(3) 传输层：该层提供端对端系统的数据传送服务。
(2) 互联网层：该层使用网际协议实现穿越多个网络的路由选择功能。
(1) 网络接口层：该层是端系统和通信子网之间的接口，实现端系统与其相连的网络进行数据交换。

OSI与TCP/IP的比较

相同之处

两者都采用层次型的模型；
都以协议栈的概念为基础，且协议栈中的协议是彼此相互独立的；
两个模型中各层的功能大体相似。

不同之处

服务、接口和协议这三个概念，OSI非常明确，TCP/IP没有区分三者间的差异。前者的协议隐蔽性比后者好，这有利于协议的更新。
OSI是模型在先协议在后，这意味着该模型具有通用性，而TCP/IP模型却相反，模型只是已有协议的一个描述，但未必适合其他的协议栈。
两种模型层的数目不同。
OSI的网络层同时支持面向连接和无连接服务，但传输层只支持面向连接服务。而TCP/IP的网络层只有一种无连接服务模式，但在传输层同时支持两种服务模式。
网络管理TCP/IP考虑较早，而OSI后来才考虑的。

第二章数据通信基础知识

信号

在通信系统中，消息是通过电信号来传递的，信号是消息的载体。

信号的分类

（1）连续信号与离散信号

（2）随机信号与确知信号

随机信号是指其取值不确定、且不能事先确切预知的信号。
确知信号是指其取值在任何时间都是确定的和可预知的信号。确知信号还可分为周期信号与非周期信号。

信号的特性

信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面

时间特性主要指信号随时间变化的特性。信号随时间变化的表现包含了信号的全部信息量。
频率特性是指信号可用频谱函数来表示的特性。频谱函数表征信号的各频率成分，以及各频率成分的振幅和相位。

传输方式

1、基带传输和频带传输

按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬移其频谱，传输方式可分两类：

基带传输：指不搬移信号频谱的传输体制。
频带传输：指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制。

搬移频谱的目的是为了适应信道的频率特性。

2、串行传输和并行传输

按照传输数据的时空顺序，传输方式可分为两类：

1）串行传输：指数据在一个信道上按位依次传输的方式。

特点：

所需线路数少，投资省，线路利用率高；
在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换；
收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输。

2）并行传输：指数据在多个信道上同时传输的方式。

特点：

在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换；
需要n条信道的传输设施，故其成本较高。
适用于要求传输速率高的短距离数据传输。

串行传输：每次传输一个比特，传输一个字符需要按顺序发送多个比特。

并行传输：每次传输多个比特（通常是一个字节），因此传输一个字符时会一次性通过多个线路传输多个比特。

3、异步传输和同步传输

针对串行传输，每个字符按位串行传送，为使接收端能准确接收所传输的信息，接收端需要知道字符开始和结束的位置等，所以引申出异步传输和同步传输。

1）异步传输：被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位，起始位与停止位的极性不同。为了保证正确接收，利用一个频率为传输比特率的n(=16)倍的时钟，在每一个比特周期的中心采样。

2）同步传输：通常不是独立地发送每个字符（每个字符都有自己的开始位和停止位），而是把它们组合起来称为数据帧（简称帧）进行传送。

区别：

异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。
异步传输的单位是字符，而同步传输的单位是帧。
异步传输通过字符起止的起始位和停止位来实现，而同步传输则需从数据中抽取同步信息。
异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。
异步传输相对于同步传输效率较低。

4、单工、半双工和全双工

按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系，传输方式可分为三类：

1）单工：指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号。
2）半双工：指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行。又称“双向交替”模式。发/收之间的转向时间为20～50ms。
3）全双工：指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号。

传输速率

传输速率指单位时间内传送的信息量，是衡量数据通信系统传输能力的一个重要指标。常用的传输速率有两种：
1）调制速率(或波特率、码元速率)
指单位时间内调制信号波形的变换次数。其单位是波特。
$$R_B=1/T(s) (Baud)$$
2）数据信号速率(或传信率、比特率)
指单位时间内通过信道的信息量。其单位是比特/秒。
$$R_b = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{T_i} \log_2 M_i (b/s)$$

$M$表示每个码元的状态数或不同符号数（即调制的进制数）。例如，2态调制表示 $M=2$（每个码元代表1比特），而4态调制表示 $M=4$（每个码元代表2比特）。

调制速率与数据信号速率的关系：
$$R_b=R_Blog_{2}{M}$$

例题

若采用8路并行传输和二进制调制，每路调制信号波的最短持续时间$T_i=0.013s$，试求数据信号速率$R_b$和调制信号$R_B$。

解：

$R_b = \sum_{i=1}^{8} \frac{1}{T_i} \log_2 2=75\times1\times8=600(b/s)$

$R_B=\frac{1}{T_i}=\frac{1}{0.013}=75(Baud)$

按照$R_B和R_b$ 的关系也可以求出$R_b$，但因为是并行传输，所以记得乘以8，如果是串行的话就不需要累加了。

课后题：

200波特2态调制线路的数据传输速率$R_c$为多少？（采用ASCII编码，串行起止同步方式）

解：

已知条件：

$M=2$，则$R_b= R_B \times log_2 2=200(b/s)$

ASCII编码：每个字符使用8比特（数据位）

串行起止同步方式：每个字符包括起始位（1比特）和停止位（1比特）

加起来总共10比特

计算步骤：

每个字符需要传输的比特数为：
$$
\text{每个字符的比特数} = 1 (\text{起始位}) + 8 (\text{数据位}) + 1 (\text{停止位}) = 10 \text{比特}
$$

每秒钟传输的字符数为：
$$
R_c=\text{字符传输速率} = \frac{200 \text{b/s}}{10 \text{b/字符}} = 20 \text{字符/秒}
$$

转换为每分钟字符传输速率：
$$
R_c=\text{字符传输速率} = 20 \text{字符/秒} \times 60 \ \text{秒/分钟} = 1200 \text{字符/分钟}
$$

传输损伤

数据信号在数据通信系统的端到端连接的每个环节都可能受到伤害，ITU称之为传输损伤。
并推荐用误码、抖动、漂移、滑动、时延来表示。

传输质量

1）衰减与增益
衰减：当信号沿传输媒体传播时，其部分能量转换成热能或被传输媒体所吸收，而导致信号强度不断减弱的现象。

2）失真
信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变的现象称为失真。

3）畸变
数据信号畸变有两种：规则畸变和不规则畸变。

4）噪声和干扰
噪声：在数据信号的传输过程中，所引入的一些额外的非期望信号。
干扰：环境干扰、人为恶意干扰

5）信噪比
信噪比SNR 指信号通路某一点上的信号功率$P_s$与混在信号中的噪声功率$P_N$之比值（常用对数表示）。SNR用来描述信号在传输过程中受到噪声影响的度量。
$$SNR=10lg\frac{P_S}{p_N}$$

信噪比越高，意味着噪声的含量越低

6）误码率
平均误码率：指单位时间内接收到的出错码元数占总码元数的比例。

第三章数据传输信道

信号传输流程

（这张图要会画出来，问了老师这张图有点问题，解码器和解调器要调换一下位置，先解调之后再解码）
信号传输流程一般包含以下步骤（按照这个顺序背一下）：

信号源：原始信号从信号源产生，可能是模拟信号（如语音）或数字信号（如二进制数据）。
编码器编码：信号经过编码器编码，转化为适合传输的形式。这种编码可以包括信道编码，以增加信号的抗噪性和纠错能力。
调制器调制：编码后的信号送入调制器，将信号调制到适合传输的频率上。这一过程将信号转换成高频信号，便于在传输介质中传播（如无线电波或光纤中的光信号）。
载波调制：调制后的信号与载波信号相结合，形成一个频率稳定的载波信号，这个过程由载波机完成。载波可以是正弦波，用于在不同频段上传输不同信号。
传输系统传输：调制后的载波信号在传输介质（如无线信道、光纤、电缆等）中传播，过程中可能会受到衰减、噪声、干扰等因素的影响。
接收端载波解调：在接收端，载波机接收信号并将其解调，提取出原始的调制信号，使之返回基带信号。这一过程去除了载波频率，保留了信号本身的频率信息。
解调器解调：解调后的信号通过解调器还原出原始信号形式，将其转换回编码信号。
解码器解码：解码器对信号进行解码，去除传输中可能添加的冗余信息，并校正错误，最终得到原始的数据信号。
信号还原：经过解调和解码，恢复成发送端的原始信号，传递给终端设备，供使用或进一步处理。

传输介质

传输介质是指发送器与接收器之间的物理通路。
1）导引型传输介质：指电磁波被导向沿着某一媒体传播
包括双绞线、同轴电缆、电力线和光缆。

2）非导引型传输介质：指电磁波在大气层、外层空间或海洋中进行的无线传播。
包括短波传输、地面微波、卫星微波、散射传输和光波传输等。

第四章数据传输技术

模拟信号数字化的过程包括抽样、量化和编码三个步骤。

抽样：在一系列离散的时间点上进行抽取其样值（此时仍然是模拟信号）

量化：输入模拟信号的抽样值，然后通过量化器输出信号的量化值（此时转换成数字信号）

编码：对量化器输出的数字信号进行编码

脉冲编码调制(PCM)

习惯上把由模拟信号抽样、量化到编码的整个过程，称为脉冲编码调制。脉冲编码调制（PCM）完成了 将模拟信号转换为数字信号 的过程

（这个图也很重要！）
脉冲编码调制（PCM）系统的完整流程如下：

模拟信号：首先，模拟信号从信号源生成，通常是连续变化的电信号，如语音或音乐。
抽样保持电路：模拟信号进入抽样保持电路，按照奈奎斯特采样定理，以一定的采样频率对信号进行抽样，将连续信号转换为离散时间信号。
量化器：抽样后的离散信号进入量化器，根据信号的振幅对其进行量化。量化将信号的连续振幅值转换为离散的有限级别，通常用整数表示，这一步引入了量化误差。
编码器：量化后的信号通过编码器，将每个量化值编码为二进制数。这些二进制数的集合就是数字信号，即 PCM 信号，适合在数字系统中传输或存储。
传输：编码后的 PCM 信号经过传输系统传输到接收端。
解码器：在接收端，PCM 信号进入解码器，将二进制数解码还原为量化的信号值。
低通滤波器：解码后的离散信号通过低通滤波器，去除高频成分，平滑离散信号，恢复为连续的模拟信号。
形成模拟信号：经过低通滤波器处理，信号最终重建为模拟信号，可以还原为与输入信号相近的形式。

基带信号的波形及其传输码型

基带信号：把原始的数字信号称为基带信号。

基带传输是一种近距离数据通信广泛采用的一种传输方式。

基带传输对于传输信号的要求：1. 基带信号应有利于提高系统的频带利用率。2. 基带信号应尽量少地含有直流、甚低频及高频的分量。3. 基带信号的码型应基本不受信源统计特性的影响。

常用的基带信号波形：

单极性不归零脉冲(图4-7a)
单极性归零脉冲(图4-7b)
双极性不归零脉冲(图4-7c)
双极性归零脉冲(图4-7d)
(传号)差分脉冲(图4-7e)
四电平脉冲(图4-7f)

我的总结规律：

单极性不归零：0就是0，1就是E，如果多个1连续出现就一直E
单极性归零：0还是0，1的一半是E，一半归0
双极性不归零：0是-E，1是E，如果连续多个1或多个0就一直E或-E，跟0没有交点
双极性归零：0的一半是-E，一半要归0，1的一半是E，一半归0
传号差分：第一位0是0，1是E。后面如果出现1，则波形与前一个相反(发生跳变)，如果是0就保持跟前一个波形一致
例如(e) 第一个信号为0，第二个信号是1，波形从0-E，第三个信号0，则波形保持E，第四个信号为1，则波形发生跳变，从E-0，第五个还是1，波形再次跳变，从0-E……
四电平：按照规则来就行

数字频带传输技术

（只需要掌握这三个调制方式的画图，其中FSK的图已经问过老师了，书上画错了，信号“1”对应的正弦载波应该是一样的，图中红色的地方改成一样的波形即可。）

下面是细分解释：

数字幅度调制

（1）二进制幅度键控（2ASK）

基本思想：传送“1”信号输出正弦载波信号 $Acos(\omega_c t+\phi_c)$ ，传送“0”信号无载波输出。

数字频率调制

（1）二进制频移键控（2FSK）

传送“1”信号输出$Acos(\omega_1 t+\phi_1)$，传送“0”信号输出$Acos(\omega_2 t+\phi_2)$

数字相位调制

基本思想：利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”。

1）二进制相对相移键控(2DPSK)

若假定当传送的数字信号为“1”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位差为π；
当传送的数字信号为“0”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位不变。

解调的方法——相干解调法

关键：

要有一个与ASK信号的载波保持同频同相的相干载波c(t)
c(t) 与 s(t) 在相乘器相乘后通过低通滤波器即可得到基带信号

信道访问技术

轮询访问技术

主机依照一定的顺序探询各结点有无传递信息的要求，被探询的结点如有传送要求就占用共有信道，将信息发给主机；否则，主机继续探询下一个结点。

1. 轮叫轮询

流程：主机按照顺序从结点1开始，结点1有数据就发送给主机，没有数据就发送控制帧给主机。然后主机探询结点2，3……主机一直持有各结点的控制权。

在轮叫轮询访问控制时，假设主机向各节结点发送的探询帧为定长，其传输时间为 $t_0$，每个结点识别探询帧所需的时间是$t_s$。设各结点在多点线路上物理分布是均匀的，主机到最远结点的单程传播时间为$\tau$。

则探询系统的巡回时间$L$为：
$$
L=N(t_0+t_s)+(N+1)\tau
$$

2. 传递轮询

流程：主机先向1发送探询帧，当结点1响应并将数据发回主机或者通知主机没有发送的数据史，便将探询帧的接收地址修改为结点2，接着将探询帧转发给结点2……直到结点N将数据发回主机或通知主机没有发送的数据，再将探询帧的接收地址修改为主机，重新将探询控制权交还给主机。

传递轮询允许被探询结点修改探询帧的接收地址，从而克服了轮叫轮询方式中主机一直掌握着发送探询帧的控制权，造成通信开销大、帧的传送时延长的缺点。

特点：探询控制权顺序地从一个结点转到另一个结点。

整个系统巡回时间的计算公式：
$$
L=Nt_s+2 \tau
$$
递轮询与轮叫轮询的比较

在相同条件下，传递轮询帧的时延比轮叫轮询的时延要小，而且结点间距离越大，其效果越明显。
因为传递轮询技术的实现较复杂，所以实际使用中还是以轮叫轮询为主。

争用访问技术

争用技术是一种随机访问技术。由于所有用户都可以根据自己的需要向公用信道发送信息，于是就产生了争用信道使用权的问题。只有争用获胜者才取得了信道使用权可以发送信息，而争用的存在又必然会发生冲突(或碰撞)，这就须解决冲突所带来的问题。

1. ALOHA技术

1 纯ALOHA
每一站均可自由地发送帧，并利用应答技术来确保发送的成功。当从站发送一个帧之后，必须等待主站的应答帧予以确认，方能继续发送下一帧。如果未收到应答信号，就意味着发生了帧的冲突，必须进行重发。
纯ALOHA采用让发生帧冲突的从站各自等待一段随机的时间后再进行重发的策略，直到发送成功为止。

2 时隙ALOHA
为了提高纯ALOHA系统的吞吐量，可使各站在同步状态下工作，并把时间划分为等长的时隙，通过预约技术来争用信道的使用权。同时规定无论帧何时到达，都只能在每个时隙的开始时刻才能发送出去。这种ALOHA称为时隙ALOHA。

3 预约ALOHA。
预约ALOHA的基本思想是：在网络负载轻时按ALOHA方式工作，而当网络负载重时按近似于时分复用方式工作。

2. CSMA技术

CSMA是对用于有线信道ALOHA系统的一种改进，它要求每个站都设置一硬件(即载波监听装置， “载波”是指在公用信道上传输的信号。)，用来在发送数据之前监听同一信道上其他站是否也在发送数据。如果该站监听到有别的站正在发送，就暂不发送数据，从而减少发送冲突的可能性，也提高了整个系统的吞吐量和信道利用率。

根据每个站所采用的载波监听策略，CSMA可分为以下几种类型：

非坚持CSMA 如果进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去；如果监听到信道忙，就不再继续坚持听下去，而根据协议的算法延迟一个随机时间再重新监听。
1坚持CSMA 当监听到信道空闲时，就立即发送帧；如果监听到信道为忙，则继续监听下去，一直坚持到信道变成空闲为止。
P坚持CSMA 当监听到信道为空闲时，以概率p立即发送帧，而以概率(1- p)延迟一段时间τ (端─端传播时延)再重新监听信道；当监听到信道为忙时，则继续监听下去，一直坚持到信道空闲为止。

3. 环访问技术

（1）令牌环
令牌环是一种最早提出的环访问技术。利用令牌环技术构成的局域网有Newhall环网和IBM令牌环网。它们是制定IEEE 802.5标准的基础。令牌环技术的优点是易于调节通信量。缺点是令牌操作和管理复杂

原理：利用在环路中流动的唯一的令牌帧。初始状态时，不含有数据的令牌帧称为“闲”令牌帧。要求传输数据的站必须等待令牌帧的到达，如检测是“闲”的，于是就通过改变其比特组合将令牌由“闲”改成“忙”，并在此令牌后面传输待发送的数据。此时环路上因没有“闲”令牌，其他希望发送数据的站必须等待。当包含数据的“忙”令牌帧沿环路传送到非目的站时，则转发该帧。只有当它传送到目的站时，目的站才复制该帧的有关信息，并继续转发该帧。这个“忙”令牌帧绕环一周后又返回到源站，则由源站对数据实施检查和回收，并将“忙”改为“闲”。

（2）时隙环

原理：把信息在环路上的传送时间划分为固定长度的时间段(简称时隙)。每一个时隙都含有一先导标志位，表示该时隙的现行状态：空或满。若干时隙在环路上绕环运行。初始时，所有的时隙都是空的。要求传送数据的站必须等待一个空时隙到达，将先导标志位改为满，同时在时隙中加入所要传送的数据。当载有数据的时隙到达目的站时，目的站将复制时隙中的数据，同时设置响应位，以表征接收的状态(接收、拒收和忙)。只有当时隙返回到源站时，才将时隙先导标志位重新改为空，以便该时隙供下游的结点继续使用。

信道复用技术

1. 频分复用

频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)是按照频率参量的差别来分割信号的技术。

基本思路：把信道的可用频带分割为若干条较窄的子频带，用户自始至终使用分配到的子频带来传输信号。

典型例子：广播电视，无线通信。

FDM的主要优点：
实现简单；技术成熟；能较充分地利用信道频带，因而系统效率较高。

FDM的主要缺点：

保护频带的存在，大大地降低了FDM技术的效率；
信道的非线性失真，改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰；
所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化；
频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。

2. 波分复用

波分复用是传统的频分复用技术应用于光纤通信领域，因此波分复用的本质是频分复用。

波分复用是将1根光纤转换为多条“虚拟”光纤，每条虚拟光纤独立工作于不同波长，从而极大地提高了光纤的传输容量，充分发挥了光纤的潜在能力。

（例：光纤通信）

波分复用的特点（不用记）：

利用光纤低损耗波段，增加了光纤的传输容量。
在一根光纤中传送2个或数个非同步信号，这有利于数字信号和模拟信号的兼容。
对已建光纤系统，只要原系统有功率余量，便可进行增容，因而有较强的灵活性。
光纤使用量的减少，降低了建设成本。
有源光设备的共享性，降低了成本。
系统中有源设备的减少，提高了系统的可靠性。

3. 时分复用

例子：电话交换系统

1、传统时分复用
时分多路复用（TDM）是按照时间参量的差别来分割信号的技术。

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是 TDM帧的长度)。因此，TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

传统TDM的特点：

通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的，而且这种时间关系是固定不变的；
就某一瞬时来看，公用信道上仅传输某一对设备的信号，而不是多路复合信号，但就一段时间而言，公用信道上传送着按时间分隔的多路复合信号。
只要时分多路复用器的扫描操作适当，以及采取必要的缓冲措施和合理地分配时隙，就能够保证多路通信的正常进行。

2、统计时分多路复用

使用传统时分多路复用来传输计算机数据，由于计算机数据的突发性，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，从而造成资源浪费。

为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配(或动态分配)时隙，以避免每帧中出现闲置时隙的现象。这种动态分配时隙的TDM，称为统计时分多路复用STDM(Statistic TDM)。

STDM也存在技术缺陷。如当复用器连接的设备较多，又都处于工作状态,或者少数设备发送很长的数据块，将会出现与数据块和排队有关的时延加剧问题。又如当传输出现差错时造成一个或数个帧数据重发，将会导致时延的加剧。

4. 码分复用（重要）

提高语音质量和数据传输的可靠性

概念：码分复用是利用每个码元的码组的正交性来分割信号的一种技术。
常用的码分复用是码分多址CDMA。每个用户使用经过特殊挑选的不同码型，故在同样的时间内使用同样的频带进行通信，而不会造成相互干扰。

CDMA技术可提高话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量(是GSM的4～5倍)，以及减少平均发射功率等。

实现：每一个比特时间被划分为m个间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。
使用CDMA的每一个站被分派一个唯一的bit码片序列（chip sequence）。
一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
为了方便，我们以后将两码片中的0写成–1，将1写为+1。因此，S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

码分序列实现了扩频
假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。

CDMA系统采用的码片具有如下特性：
令向量A表示A站的码片向量，再令B表示其他任何站的码片向量。

分派给每一个站的码片不仅互不相同，并且必须互相正交(orthogonal)。向量A和B的内积都是0。
$$
A \bullet B = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}A_iB_i =0
$$
任何一个码片向量的规格化内积都是1。
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是– 1。
$$
A \bullet A = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}A_iA_i =\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}{A_i}^2=1
$$

题目：

若有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码片序列为：
A: (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
B: (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)
C: (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)
D: (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)
现收到这样的码片序列：（-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1），问哪个站发送了数据？发送的数据的站发送的1还是0？

解题：

$S\bullet A = \frac{1}{8}\sum_{i=1}^{8}SA = 1$ A 发送了数据，发送的是1

$S\bullet B = \frac{1}{8}\sum_{i=1}^{8}SB = -1$ B 发送了数据，发送的是0

$S\bullet C = \frac{1}{8}\sum_{i=1}^{8}SC = 0$ C 没有发送数据

$S\bullet D = \frac{1}{8}\sum_{i=1}^{8}SD = 1$ D 发送了数据，发送的是1

同步控制技术（四个）

同步——指通信双方在发送和接收信号时建立起来的确定通信关系，是数据通信系统不可或缺的重要环节。

按照要求同步的对象不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。

1）载波同步

同步的对象是载波信号本身。在相干解调系统中，接收端必须提供一个与发送端同频同相的相干载波，这一过程称为载波同步。
实现载波同步的方法有两类：

一类是如接收的已调信号频谱中已含有载波分量或载波导频分量，则直接提取；
另一类是对于抑制载波而又没有插入导频的已调信号，则通过非线性变换或采用锁相环来获取载波。

插入导频法

插入导频法(又称外同步法)可分为频域插入和时域插入。
基本原理：发送端在发送有用信号频谱的同时，在其适当的位置插入一个低功率的线谱(其对应的正弦信号称为导频信号)，这样接收端就可以利用窄带滤波器把它提取出来，再经适当处理后形成相干载波。
应注意：

导频的频率应与载频有关；
插入导频的位置应在信号频谱的零点处，且要求载频附近的信号分量尽量小。

2）位同步

同步的对象是每个比特位。在数据通信系统中，接收端必须有一个与发送端码元定时脉冲频率相同、相位与最佳取样时刻一致的码元定时脉冲序列。接收端产生这种码元定时信号的过程，称为位同步(或码元同步)。
位同步的关键是：

频率同步：接收端的定时脉冲的频率必须与发送端的码元定时频率相同。这样，接收端每隔一个固定的时间间隔就能够对接收到的信号进行采样。
相位同步：接收端的取样时刻必须与发送端的码元开始时刻一致，以便在接收到的信号的正确位置进行采样。这可以确保接收端在最清晰的时间点读取到码元，而不是在噪声较多的时刻。

3）群同步

同步的对象是数据帧或数据块。实现帧或信息包同步传输的过程，称为群同步。群同步一般是通过数据格式的特殊设计来达到的，亦即通过在数据码元序列中插入特定的同步码元或同步码组来实现群同步。

因此，实现群同步的关键在于如何识别插入的同步标志。

可以将群同步类比为读书时使用的章节标记。每一章的开头有一个章节标题（同步标志），读者（接收端）通过看到这个标题知道新的一章开始了。而有些书则通过内容的模式让读者自然分辨出章节的划分，这相当于内同步法。

4）网同步

同步的对象是网络中所有节点。

为保证通信网内各点之间的可靠通信，就必须在网内建立一个统一的时间标准，称为网同步。
网同步的任务就是使得整个通信网各复接点的时钟频率和相位相互协调一致。

数据交换技术

1）电路交换

需要长期连接，例：传统电话网络（传输信息大且通信对象比较确定）

电路交换源于电话交换原理的一种交换方式。它根据一方的请求在一对站(或数据终端)之间建立的电气连接过程，在该连接被拆除之前，所建立起来的电路一直被占用着。属于电路资源的预分配。

优点	缺点
传输时延小	接续时间长
处理开销少	电路利用率低
对数据格式和编码类型无限制	通信双方必须完全兼容，不利于用户终端互通
	呼叫失败（呼损）可能发生，如终端设备忙或交换网负载过重

2）报文交换

特点：不连续，例：电报业务，电子信箱

Ａ用户欲向Ｂ用户发送数据时，Ａ用户并不需要先接通至Ｂ用户的整条电路，而只需与直接连接的交换机接通，并将需要发送的报文作为一个独立的实体，全部发送给该交换机。

然后该交换机将存储着的报文根据报文中提供的目的地址，在交换网内确定其路由，并将报文送到输出线路的队列中去排队，一旦该输出线路空闲，就立即将报文传送给下一个交换机。依次类推，最后送到Ｂ用户。

报文交换的特点：交换机采取“存储—转发”技术对报文进行存储和处理。适用于电报业务和电子信箱业务。

优点	缺点
线路利用率较高	数据信息通过交换网的时延较长，变化大，不利于实时或交互型业务
存储—转发方式，匹配速率，防止呼叫阻塞，平滑业务量峰值	交换机需大容量存储和高速分析处理功能，增加了投资费用
易于实现不同类型终端之间的互通
不需要发、收两端同时处于激活状态
便于实现多种服务功能

3）分组交换

特点：大规模，例：互联网数据传输

分组交换(又称包交换)，是综合了电路交换和报文交换两者优点的一种交换方式

仍采用 “存储-转发”技术。
分组交换的特点同电路交换。

分组交换将一份较长的报文分解成若干个定长的“分组”，并在每个分组前都加上报头和报尾。

报头中含地址和分组序号等内容，
报尾是该分组的校验码。
分组作为一个独立的规定格式的实体，便于交换机存储、分析和处理。
既可以断续地传送，也可以经历不同的传输路径。

优点	缺点
传输时延较小，满足交互型实时通信的要求	网络附加传输信息较多，影响传输效率
易于实现统计时分多路复用，提高线路利用率	实现技术复杂
灵活的通信环境，便于不同类型数据终端之间的互通
可靠性好，便于实现差错控制，误码率低（可达10⁻¹¹以下）
经济性好

差错控制技术

基本的差错控制方式

1）自动请求重发(ARQ)方式（只能检错）
2）前向纠错(FEC)方式（可纠错）
3）混合纠错(HEC)方式（即可以检错也可纠错）
4）不用编码的差错控制方式

奇偶校验码

规则：将所要传送的数据信息分组，再在一组内诸信息码元后面附加一个校验码元，使得该组码元中“1”的个数成为奇数或偶数。按照此规则编成的校验码分别称为奇校验码或偶校验码。

同步传输用奇校验，异步传输用偶校验。

在实际应用中，奇偶校验又可分为垂直(纵向)奇偶校验、水平(横向)奇偶校验和垂直水平奇偶校验等三种。这三种奇偶校验除能检测出奇数个差错外，后两种奇偶校验尚能分别检测出突发长度小于(n-1)和n的全部突发差错。

试卷擦除_位字符CCCCCCCCCCCCCCC_001

循环冗余校验码

基本概念解释：

(n,k) 表示码长为n，信息码元为k的线性码
其中校验码元 $r=n-k$

试卷擦除_信息码元_001 图中信息码元为C6 C5 C4 校验码元为C3 C2 C1 C0
循环冗余码的含义是：右边码组任意向右移动一位都可以在表中找到对应的码组
例如：第二行0011101，向右移动一位变成0111010——刚好对应第四行

循环码编码原理：

在一个$(n,k)$循环码中有且仅有一个$(n-k)$次的生成多项式

$$g(x)=x^{n-k}+g_{n-k-1}x^{n-k-1}+\cdots+g_1x+1$$

假设待编码的k位信息的码组为
$$M=(m_{k-1},m_{k-2},\cdots,m_2,m_1,m_0)$$
它对应的码多项式为：
$$M(x)=m_{k-1}x^{k-1}+m_{k-2}x^{k-2}+\cdots+m_2x^2+m_1x+m_0$$
用$x^{n-k}$乘以$M(x)$:
$$x^{n-k}\bullet M(x)=m_{k-1}x^{n-1}+m_{k-2}x^{n-2}+\cdots+m_2x^{n-k+2}+m_1x^{n-k+1}+m_0x^{n-k}$$
再用给定的(n,k)循环码生成多项式$g(x)$除$x^{n-k}· M(x)$ 得到：
$$x^{n-k}· M(x)=g(x)·Q(x)+R(x)$$

将$R(x)$ 移到左边（这里加减法统一当作加法）

$$x^{n-k}· M(x)+R(x)=g(x)·Q(x)$$

其中$Q(x)$的幂次与码组中信息码元对应，
$R(x)$的幂次与码组中校验码对应。

【例题4-5】设待编码信息$M(X)=110$。利用生成多项式 $g(x)=x^4+x^3+x^2+1$ 生成(7,3)循环码。

解题：

已知：n=7，k=3

第一步：将$M(X)=110$ 转换成多项式 $M(x)=x^2+x$

第二步：$x^{n-k}\bullet M(x)=x^4\bullet M(x)=x^6+x^5$

第三步：$x^{n-k}\bullet M(x) $$ 除以 $$g(x)$

注意这里的加法减法都是一样的，可以把减法看作加法

得到的余项就是$R(x)=x^3+1$

则得到的循环码多项式为：$x^4· M(x)+R(x)=x^6+x^5+x^3+1$

然后写出对应码组为： 1101001

课后题4-33

设拟发送的码组为10011101，使用CRC校验，生成多项式$x^3+1$，试问实际传输的码组是什么？假设在发送时，拟发送的码组左边第三位变反10111101，试问在接收端能检测出来吗？

解：

(第一问)

拟发送的码组写成多项式形式：$$M(x)=x^7+x^4+x^3+x^2+1$$

生成多项式的最高项是3，所以$$x^3·M(x)=x^{10}+x^7+x^6+x^5+x^3$$

然后$x^3·M(x)$ 除以 $g(x)=x^3+1$ 得到余项 $$R(x)=x^2 =100$$

所以实际传输的码组是10011101100（末尾加上$R(x)$）

（第二问

第三位变反：$$M(x)=x^7+x^5+x^4+x^3+x^2+1$$

$$x^3·M(x)=x^{10}+x^8+x^7+x^6+x^5+x^3$$

然后$x^3·M(x)$ 除以 $g(x)=x^3+1$ 得到余项 $R(x)=0$

得到的实际传输的码组为：10111101000

错误比特流10111101000可以被多项式整除，所以错误无法被检测出来。

差错纠正

希望接收器能够在接收过程中，既有检错又有纠错功能的抗干扰编码，这种编码就是纠错码。

一种比较简单的纠错码──汉明码。

汉明码的码型结构与循环码相同，由信息码元和校验码元组成。发送端根据编码规则生成校验码元，接收端则按照译码规则找出差错的具体位置后自动进行纠正。
汉明码具有以下参数：

参数	表达式
码长 ( n )	$n = 2^r - 1$
信息码元数 ( k )	$k = 2^r - 1 - r$
检验码元数 ( r )	$r = n - k$ （其中 r 为不小于的任意数）
最小码距 ( d_{min} )	$d_{min} = 3$

例子：判断（7，3）和（7，4）是否为汉明码

解：

对于（7，3） $n = 2^4 - 1 =15 $ 不等于7，所以不是汉明码
对于（7，4） $n = 2^3 - 1 =7 $ 等于7，$k = 2^3 - 1 - 3=4$ 所以是汉明码

小题目

2PSK的相干解调的抗噪能力比2ASK和2FSK相干解调强。
下列关于差错控制编码的描述错误的是 A
- A. 检错重发法和反馈校验法都需要反向信道的支持。
- B. 前向纠错法使得接收端不仅能发现错码，还能够纠正错码。
- C. 一维奇偶效验可以检测所有奇数个错误。
- D. 二维奇偶效验可以检测奇数个和大部分偶数个错误。
反馈校验法并不需要反向信道的支持
一维奇偶效验可以检测所有奇数个错误。
二维奇偶效验可以检测奇数个和大部分偶数个错误。

（很多地方都很不严谨，而且很概括性，但因为是期末，所以就暂时写到这了，考完试之后有时间再仔细学一遍）

第 一 章 概述

定义