自考“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”復(fù)習(xí)資料（2）

2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念

通信的目的就是 傳遞信息 . 一次通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫 信源 ，接收信息的一端叫 信宿 .通信線路稱為 信道 ，所以信源和信宿之間的 信息交換 是通過 信道 進(jìn)行的。（見 P8 圖 2.1 ）（填空、單選）

模擬信號(hào) 是 隨時(shí)間連續(xù)變化 的信號(hào)。 數(shù)字信號(hào) 只取有限個(gè) 離散值 ，而且 數(shù)字信號(hào) 之間的轉(zhuǎn)換幾乎是 瞬時(shí) 的。（判斷）

如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)并且以模擬信道傳輸則叫做模擬通信；如果信源發(fā)出的是模擬數(shù)據(jù)而以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸，那么這種通信方式叫做數(shù)字通信。（填空）

如果信源發(fā)出的是 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) ， 當(dāng)然也可有兩種傳輸方式 .這時(shí) 無論 是用模擬信號(hào)傳輸或是用數(shù)字信號(hào)傳輸都叫做 數(shù)據(jù)通信 .（判斷）

在模擬傳輸方式中，數(shù)據(jù)進(jìn)入信道之前要經(jīng)過調(diào)制，變換為模擬的調(diào)制信號(hào)。由于調(diào)制信號(hào)的頻譜較窄，因此信道的利用率較高。在數(shù)字傳輸方式中，可以直接傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)或經(jīng)過二進(jìn)制編碼的數(shù)據(jù)，也可傳輸數(shù)字化了的模擬信號(hào)。（判斷）

2.2 數(shù)字信號(hào)的頻譜和信道帶寬

諧波的最高頻率 f h 與最低頻率 f l 之差（ f h - f l ）叫做信號(hào)的頻帶寬度，簡稱帶寬。

信號(hào)帶寬與脈沖寬度成反比。（判斷）

信道的帶寬是指信道頻響應(yīng)曲線上幅度取其頻帶中心處值的 1/ √ 2 倍的兩個(gè)頻率之間的區(qū)間寬度。（判斷、填空、選擇）

2.3 數(shù)字信道的特性

數(shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送取離散值的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信道的通頻帶（即帶寬）決定了信道中能不失真地傳輸脈沖序列的最高速率。一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元，碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個(gè)數(shù)決定?？傊粋€(gè)碼元攜帶的信息量 n （比特）與碼元取的離散值個(gè)數(shù) N 有如下關(guān)系： n = log 2 N

用碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。若信號(hào)碼元的寬度為 T 秒，則碼元速率 B =1/ T ，碼元速率的單位叫波特（ Band ）。若信道帶寬為 W ，則尼奎斯特定理指出最大碼元速率為 B =2 W （ Band ）。

單位時(shí)間內(nèi)在信道上傳送的信息量（比特?cái)?shù)）稱為數(shù)據(jù)速率 R 。

R = B log 2 N =2 W log 2 N （b/s）

數(shù)據(jù)速率和波特率是兩不同的概念。僅當(dāng)碼元取 0 和 1 兩離散值時(shí)兩者才相等（ R=B ）。對(duì)于普通電話線路，帶寬為 3000Hz ，最高波特率為 6000Band .而最高數(shù)據(jù)速率可隨編碼方式的不同而有不同的取值。這些都是在無噪音的理想情況下的極限值，至于有噪聲影響的實(shí)際信道，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)極限。（判斷 0

香農(nóng)（ Shannon ）的研究表明，有噪聲信道的極限數(shù)據(jù)速率可由下面公式計(jì)算：

C = W log 2 （1+ S / N ）

W 為信道帶寬， S 為信號(hào)的平均功率， N 為噪聲平均功率， S/N 叫做信噪比。

在有噪聲的信道中（實(shí)際中的信道都是有噪聲的），數(shù)據(jù)速率的增加意味著傳輸中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率增加。我們用誤碼率來表示傳輸二進(jìn)制位時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。誤碼率可用公式表示： Pc = Ne （出錯(cuò)的位數(shù)） / N （傳送的總位數(shù)）

在電纜中的傳播速度一般為光速的 77% ，即 200m/us 左右。

500 米同軸電纜的時(shí)延大約是 2.5 us ，而衛(wèi)星信道的時(shí)延大約是 270ms。

2.4 物理信道

雙絞線既能用于傳輸模擬信號(hào)，也能用于傳輸數(shù)字信號(hào)。（判斷）

在局域網(wǎng)中常用的同軸電纜有兩種，一種是特性阻抗為 50 Ω 的同軸電纜，用于傳輸數(shù)字信號(hào)。通常把表示數(shù)字信號(hào)的方波所固有的頻帶稱為基帶，所以這種電纜也叫基帶同軸電纜，直接傳輸方波信號(hào)稱為基帶傳輸。另一種同軸電纜是特性阻抗為 75 Ω的 CATV電纜，用于傳輸模擬信號(hào)，這種電纜也叫寬帶同軸電纜。所謂寬帶在電話行業(yè)中是指比4 KHz更寬的頻帶。也可經(jīng)采用頻分多路技術(shù)（FDM），把整個(gè)帶寬劃分為多個(gè)獨(dú)立的信道，分別傳輸數(shù)字、聲音和視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種電信業(yè)務(wù)。

由雙絞線、同軸電纜和光纖等傳輸介質(zhì)組成的信道可統(tǒng)稱為有線信道?？臻g傳播信號(hào)的信道稱為無線信道。無線信道包括：微波、激光、紅外和短波信道。

2.5 數(shù)據(jù)編碼

單極性碼：這種編碼方案，只用正的（或負(fù)的）電壓表示數(shù)據(jù)。單極性的抗噪聲特性不好。

極性碼：分別用正和負(fù)電壓表示二進(jìn)制 0 和 1 .這種代碼的電平差比單極碼大，而抗干擾特性好。

雙極性碼：信號(hào)在三個(gè)電平（正、負(fù)、零）之間變化。

歸零碼：在歸零碼 RZ （ Return to Zero ）中，碼元中間的信號(hào)回歸到 0 電平。

不歸零碼： NRZ （ Non-Return to Zero ）的規(guī)律是當(dāng) 1 出現(xiàn)時(shí)電平翻轉(zhuǎn)，當(dāng) 0 出現(xiàn)時(shí)電平不翻轉(zhuǎn)。這種編碼的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來簡單而且費(fèi)用低，但不是自定時(shí)的。

曼徹斯特碼：曼徹斯特（ Manchester ）碼是一種雙相碼。用高電平到低電平的轉(zhuǎn)換邊表示 0 ，而用低電平到高高電平的轉(zhuǎn)換邊表示 1 。（重點(diǎn)）（ P18 圖 2.13 ）

差分曼徹斯特碼：這種編碼也是一種雙相碼，和曼徹斯特編碼不同的是，這種編碼的碼元中間的電平轉(zhuǎn)換邊只作為定時(shí)信號(hào)，而不表示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表示在每一位開始處是否有電平轉(zhuǎn)換：有電平轉(zhuǎn)換表示 0 ，無電平轉(zhuǎn)換表示 1 。（重點(diǎn)）

2.6 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

調(diào)制模擬載波信號(hào)的三個(gè)參數(shù)——幅度、頻率、和相位來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

三種基本調(diào)制方式：

幅度鍵控（ ASK ）：實(shí)現(xiàn)起來簡單，但抗干擾性能差。

頻移鍵控（ FSK ）：抗干擾性能好，但占用帶寬較大。

相移鍵控（ PSK ）：抗干擾性能最好，而且相位的變化也可以作為定時(shí)信息來同步發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的時(shí)鐘。

碼元只取二個(gè)相位值叫 2 相調(diào)制，碼元可取 4 個(gè)相位叫 4 相調(diào)制。 4 相調(diào)制時(shí)，一個(gè)碼元代表兩位二進(jìn)制數(shù)。

2.7 脈沖編碼調(diào)制

把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，要使用一種叫編碼解碼器（ Codec ）的設(shè)備。這種設(shè)備的作用和調(diào)制解調(diào)器的作用相反：調(diào)制解調(diào)器的作用是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變成模擬信號(hào)，經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)接收端再還原為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。（判斷）

用編碼解碼器把模擬數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號(hào)的過程叫模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化。常用的數(shù)字化技術(shù)就是所謂的脈沖編碼解碼調(diào)制技術(shù) PCM （ Pulse Code Modulation ），簡稱脈碼調(diào)制。（簡答）

PCM 的原理：（ 1 ）取樣：如果取樣速率大于模擬信號(hào)最高頻率的二倍，則可以用得到的樣本空間恢復(fù)原來的模擬信號(hào)。（ 2 ）量化。（ 3 ）編碼。

由脈碼調(diào)制的原理看出，取樣的速率是由模擬信號(hào)的最高頻率決定的，而量化級(jí)的多少則決定了取樣的精度。（填空、多選）

2.8 通信方式和交換方式

數(shù)據(jù)通信方式按傳輸方向分有：

單工通信：在單工信道上信息只能在一個(gè)方向傳送。

半雙工通信：在半雙工信道上，通信的雙方可交替發(fā)送和接收信息。

全雙工通信：一種可以同時(shí)進(jìn)行雙向信息傳送的通信方式。

按同步方式分：

異步傳輸：把各個(gè)字符分開傳輸，字符之間插入同步信息。其優(yōu)點(diǎn)是簡單，但由于起止位和檢驗(yàn)位的加入會(huì)引入 20%~30% 的開銷，傳輸?shù)乃俾室膊桓摺?/p>

同步傳輸：發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先發(fā)送一串同步字符 SYNC .

交換方式：

線路交換：交換的特點(diǎn)是建立連接需要等待較長的時(shí)間。特點(diǎn)： [1] 連接建立后通路是專用的。 [2] 不再有傳輸延遲，這種交換方式適合于傳輸大量的數(shù)據(jù)。 [3] 在傳輸少量信息時(shí)效率不高。

報(bào)文交換：特點(diǎn)： [1] 不建立專用鏈路。 [2] 線路利用率較高。電子郵件系統(tǒng)（例如 E-Mail ）適合采用報(bào)文交換方式。

分組交換：

有兩種方式： [1] 數(shù)據(jù)報(bào)：類似于報(bào)文交換。引入分組拆裝設(shè)備 PAD （ Packet Assembly and Disassembly device ）。

[2] 虛電路。類似于電路交換。

虛電路與線路交換的區(qū)別：邏輯連接并不意味著別的通信不能使用這條線路。它仍然具有線路共享的優(yōu)點(diǎn)。

虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的區(qū)別： ① 虛電路意味著可靠的通信，它涉及更多的技術(shù)，需要更在的開銷。 ②沒有數(shù)據(jù)報(bào)方式靈活，效率不如數(shù)據(jù)報(bào)方式高。③虛電路適合于交互式通信，數(shù)據(jù)報(bào)方式更適合于單向地傳送短信息。（簡答）

虛電路可以是暫時(shí)的，即會(huì)話開始建立，會(huì)話結(jié)束拆除，這叫虛呼叫；也可以是永久的，即通信雙方一開機(jī)就自動(dòng)建立，直到一方（或同時(shí)）關(guān)機(jī)才拆除。這叫永久虛電路。

分組交換的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)包有固定的長度。采用固定的、短的分組相對(duì)于報(bào)文交換是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。除了交換結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)緩沖區(qū)可以不些外，也帶來了傳播時(shí)延的減少，分組交換也意味著按分組糾錯(cuò)：發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤只需重發(fā)出錯(cuò)的分組，使通信效率提高。（簡答）

2.9 多路復(fù)用技術(shù)

兩種基本的多路復(fù)用技術(shù)：

頻分多路復(fù)用（ FDM ）： FDM （ Frequency Division Multiplexing ）是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個(gè)頻率不同的模擬載波信號(hào)進(jìn)行多路傳輸。

時(shí)分多路復(fù)用（ TDM ）： TDM （ Time Division Multiplexing ）要求各個(gè)子通道按時(shí)間片輪流地占用整個(gè)帶寬。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分制是對(duì)同步時(shí)分制的改進(jìn)，我們特別把統(tǒng)計(jì)時(shí)分制下的多路復(fù)合器稱為集中器。

在北美和日本使用很廣的一種通信標(biāo)準(zhǔn)是貝爾系統(tǒng)的 T 1 載波。 T 1 載波也叫一次群，它把 24 路話音信道按時(shí)分多路的原理復(fù)合在一條 1.544 Mb/s 的高速信道上。

CCITT 有一個(gè)類似于 1.544 Mb/s 的標(biāo)準(zhǔn)。 CCITT 還有一個(gè) 2.048 Mb/s 脈沖編碼調(diào)制載波標(biāo)準(zhǔn)。除了北美和日本外， 2.048 Mb/s 的載波在其他地區(qū)得到廣泛使用。

2.10 差錯(cuò)控制

通信過程中出現(xiàn)差錯(cuò)可大致分為兩類：一類是由熱噪聲引起的隨機(jī)錯(cuò)誤；另一類是由沖擊噪聲引起的突發(fā)錯(cuò)誤。熱噪的特點(diǎn)：熱噪聲時(shí)刻存在，具有很寬的頻譜，且幅度較小。通信線路的信噪比越高，熱噪聲引起的差錯(cuò)越少。這種差錯(cuò)具有隨機(jī)性，影響個(gè)別位。沖擊噪聲的特點(diǎn)：沖擊噪聲源是外界的電磁干擾，例如發(fā)動(dòng)汽車時(shí)產(chǎn)生的火花，沖擊噪聲持續(xù)時(shí)間短而幅度大，往往引起一個(gè)位串出錯(cuò)。

由于信號(hào)幅度和傳播速率與相位、頻譜有關(guān)而引起信號(hào)失真，以及相鄰線路之間發(fā)生串音等都會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)，這些差錯(cuò)也具有突發(fā)性的特點(diǎn)。

突發(fā)性差錯(cuò)影響局部，而隨機(jī)性差錯(cuò)總是斷續(xù)存在，影響全局。

奇偶校驗(yàn)是最常用的檢錯(cuò)方法。其原理是在 7 單位的 ASCII 代碼后增加一位，使碼字中 1 的個(gè)數(shù)成奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。這種方法簡單實(shí)用，但只能對(duì)付少量的隨機(jī)性錯(cuò)誤。

為了能檢測(cè)突發(fā)性的出錯(cuò)位串，可以使用檢查和的辦法。

海明碼。對(duì)某種長度的錯(cuò)誤串，要糾正它就要用比僅僅檢測(cè)它多一倍的冗余位。如果對(duì)于 m 位的數(shù)據(jù)，增加 k 位冗余位，則組成 n = m + k 位的糾錯(cuò)碼。

2 m （ n + 1 ） ≤ 2 n

因?yàn)?n = m+k 推出 m+k+1 ≤ 2 k

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC ）：所謂循環(huán)碼是這樣一組代碼，其中任一有效碼字經(jīng)過循環(huán)移位后得到的碼字仍然是有效碼字，不論是右移或是左移，也不論移多少位。循環(huán)冗余校驗(yàn) CRC （ Cyclic Redundancy Check ）是一種循環(huán)碼，它有很強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，而且硬件實(shí)現(xiàn)很容易，在局域網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用。（重點(diǎn)）（ P32 圖 2.28 以及用長除法求余數(shù)）

習(xí)題：

什么是數(shù)字通信？什么是數(shù)據(jù)通信？在數(shù)據(jù)通信中采用模擬傳輸和數(shù)字傳輸各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

答：如果信源發(fā)出的是模擬數(shù)據(jù)而以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸，那么這種通信方式叫做數(shù)字通信。如果信源發(fā)出的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這時(shí) 無論 是用模擬信號(hào)傳輸或是用數(shù)字信號(hào)傳輸都叫做數(shù)據(jù)通信。

模擬傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：調(diào)制信號(hào)的頻譜較窄，信道的利用率較高。

缺點(diǎn)：模擬信號(hào)在傳輸過程中會(huì)衰減，還會(huì)受噪聲干擾，如果用放大器將信號(hào)放大，混入的噪聲也同時(shí)被放大了。

數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：可以直接傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)或經(jīng)過二進(jìn)制編碼的數(shù)據(jù)，也可以傳輸數(shù)字化了的模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)只取有限個(gè)離散值，在傳輸過程中抗噪聲干擾能力較強(qiáng)。數(shù)字設(shè)備可以大規(guī)模的集成，比復(fù)雜的模擬設(shè)備便宜得多。

缺點(diǎn)：傳輸數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)所要求的頻帶要寬得多，因而信道 的利用率較低。

電視頻道的帶寬為 6MHz ，假定沒有熱噪聲，如果數(shù)字信號(hào)取 4 種離散值，那么可獲得的最大數(shù)據(jù)速率是多少？

解：已知： W =6MHz=6 × 10 6 N = 4 求： R

R =2 W log 2 N=2×6×10 6 ×log 2 4=24Mb/s

畫出比特流 0001110101 的曼徹斯特編碼的波形圖和差分曼徹斯特編碼的波形圖。

0 0 0 1 1 1 0 1 0 1

設(shè)碼元速率為 1600Baud ，采用 8 相 PSK 調(diào)制，其數(shù)據(jù)速率是多少？

解：已知： B=1600 Band N=8 求： R

R=Blog 2 N=1600×log 2 8=4800 b/s

在異步通信中每個(gè)字符包含 1 位起始位， 7 位 ASCII 碼， 1 位奇偶校驗(yàn)位和 2 位終止位，數(shù)據(jù)傳輸速率為 100 字符 / 秒，如果采用 4 相位調(diào)制，則傳輸線路的碼元速率為多少？數(shù)據(jù)速率為多少？有效數(shù)據(jù)速率為多少？

解：字符長度 =1+7+1+2=11 b/ 字符 數(shù)據(jù)速率 R1=11×100=1100 b/s

有效數(shù)據(jù)速率 R=7 × 100=700 b/s

碼元速率 B=R/ log 2 N=1100/ log 2 4=550 Baud

假設(shè)兩個(gè)用戶之間的傳輸線路由 3 段組成（兩個(gè)轉(zhuǎn)接結(jié)點(diǎn)），每段的傳輸延遲為 1 ／ 1000 s ，呼叫建立時(shí)間（線路交換或虛電路）為 0.2 s ，在這樣的線路上傳送 3200bit 的報(bào)文，分組的大小為 1024bit ，報(bào)頭的開銷為 16 bit ，線路的數(shù)據(jù)速率是 9600 b/s .試分別計(jì)算在下列各種交換方式下的端到端的延遲 

線路交換；

報(bào)文交換；

虛電路；

數(shù)據(jù)報(bào)。

解： t p =0.2 s t p1 =1/1000 s L=3200 bit L 1 =1024 bit L 報(bào) =16 bit R=9600 b/s

線路交換的延遲時(shí)間為： t p + L/ R=0.2+3200/960 ≈ 0.533s

報(bào)文交換的延遲   （ L+ L 報(bào) ）× 3/R+ t p1 × 3= （ 3200+16 × 3 ） /9600

+1/1000 × 3=1.008 s

虛電路的延遲  t p +3 × t p1 + （ L+ L 報(bào) × L/ L 1 ）× 3/R=0.2+3/1000

+（3200+16×3200/1024）×3/9600=0.2+3/1000+

（3200+16×4）×3/9600=1.223 s

（ 4 ）數(shù)據(jù)報(bào)的延遲  3 ×（ L+ L 報(bào) × L/ L 1 ） /R= （3200+16×4）×3/9600=1.02 s

在 T 1 的載波中，由非用戶數(shù)據(jù)引入的開銷占的百分比是多少？

解： T 1 載波是把 24 個(gè)話音信道多路復(fù)用在一條高速信道上，每個(gè)信道包含 7 位的數(shù)據(jù)和 1 位的控制信令位，此外加入一位幀同步位組成基本幀。

其中，用戶的開銷為 24 × 1 （控制位） +1 （基本幀） =25 b

總開銷為：（ 7+1 ）× 24+1=193 b

因此，用戶的開銷所占的百分比為： 25/193 × 100% ≈ 13%

10 個(gè) 9600 b/s 的信道按時(shí)分多復(fù)用在一條線路上傳輸，如果忽略控制開銷，那么對(duì)于同步 TDM ，復(fù)用線路的帶寬應(yīng)該是多少？在統(tǒng)計(jì) TDM 情況下，假定每個(gè)子信道有 50% 的時(shí)間忙，復(fù)用線路的利用率為 80% ，那么線路的帶寬應(yīng)該是多少？

解：（ 1 ）復(fù)用信道的帶寬應(yīng)為： 10 × 9600=96 kb/s

（ 2 ）復(fù)用信道的事寬應(yīng)為： 10 × 9600 × 50%/80%=60 kb/s

對(duì)于 7 位的數(shù)據(jù)要增加多少位冗余位才能構(gòu)成海明碼？若數(shù)據(jù) 1001000 ，寫出其冗余位。

解：已知： m=7 求： k

由于 m+k+1 ≤ 2 k

k ≤ 2 k –8 k=4 因此必須增加 4 個(gè)冗余位

由于海明碼的冗余位置于 2 0 、 2 1 、 2 2 、 2 k-1 位上，即 1 、 2 、 4 、 8

因此 1001000 的冗余位應(yīng)是：×× 1 × 001 × 000

試畫出 CRC 生成多項(xiàng)式 G （ X ） =X 9 +X 6 +X 5 +X 4 +X 3 +1 的硬件實(shí)現(xiàn)電路框圖。

解： —— 8 7 6 —— ? —— 5 —— ? —— 4 —— ? —— 3 —— ? —— 2 1 0 —— - ?←

利用上題的生成式檢驗(yàn)收到的報(bào)文 101010001101 是否正確？

解：正確的報(bào)文應(yīng)是： 1001111000 ，因此驗(yàn)收到的報(bào)文不正確。