2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念
1．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行的。（見P8圖2.1）（填空、單選）
2．模擬信號是隨時間連續(xù)變化的信號。數(shù)字信號只取有限個離散值，而且數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換幾乎是瞬時的。（判斷）
3．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)字信號的形式進行傳輸，那么這種 通信方式叫做數(shù)字通信。（填空）
4．如果信源發(fā)出的是數(shù)字數(shù)據(jù)，當然也可有兩種傳輸方式。這時無論是用模擬信號傳輸或是用數(shù)字信號傳輸都叫做數(shù)據(jù)通信。（判斷）
5．在模擬傳輸方式中，數(shù)據(jù)進入信道之前要經(jīng)過調(diào)制，變換為模擬的調(diào)制信號。由于調(diào)制信號的頻譜較窄，因此信道的利用率較高。在數(shù) 字傳輸方式中，可以直接傳輸二進制數(shù)據(jù)或經(jīng)過二進制編碼的數(shù)據(jù)，也可傳輸數(shù)字化了的模擬信號。（判斷）
2.2 數(shù)字信號的頻譜和信道帶寬
1．諧波的最高頻率fh與最低頻率fl之差（fh-fl）叫做信號的頻帶寬度，簡稱帶寬。
2．信號帶寬與脈沖寬度成反比。（判斷）
3．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
1．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。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。一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元，碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個數(shù)決定?？傊粋€碼元攜帶的信息量n（比特）與碼元取 的離散值個數(shù)N有如下關(guān)系：n = log2N
2．用碼元速率表示單位時間內(nèi)信號波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)。若信號碼元的寬度為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=2W （Band）。
3．單位時間內(nèi)在信道上傳送的信息量（比特數(shù)）稱為數(shù)據(jù)速率R。 R =Blog2N=2Wlog2N (b/s)
4．數(shù)據(jù)速率和波特率是兩不同的概念。僅當碼元取0和1兩離散值時兩者才相等（R=B）。對于普通電話線路，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際 信道，則遠遠達不到這個極限。（判斷)
5．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算： C = Wlog2(1+S/N) W為信道帶寬，S為信號的平均功率 ，N為噪聲平均功率，S/N叫做信噪比。
6．在有噪聲的信道中（實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)差錯的概率增加。我們用誤碼率來表示傳輸二進 制位時出現(xiàn)差錯的概率。誤碼率可用公式表示：Pc = Ne（出錯的位數(shù)）/N（傳送的總位數(shù)）
7．在電纜中的傳播速度一般為光速的77%，即200m/us左右。
8．500米同軸電纜的時延大約是2.5 us，而衛(wèi)星信道的時延大約是270ms。
2.4 物理信道
1．雙絞線既能用于傳輸模擬信號，也能用于傳輸數(shù)字信號。（判斷）
2．在局域網(wǎng)中常用的同軸電纜有兩種，一種是特性阻抗為50Ω的同軸電纜，用于傳輸數(shù)字信號。通常把表示數(shù)字信號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，直接傳輸方波信號稱為基帶傳輸。另一種同軸電纜是特性阻抗為75Ω的CATV電纜，用于傳 輸模擬信號，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 帶寬劃分為多個獨立的信道，分別傳輸數(shù)字、聲音和視頻信號，實現(xiàn)多種電信業(yè)務(wù)。 3．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

1．單極 性碼：這種編碼方案，只用正的（或負的）電壓表示數(shù)據(jù)。單極性的抗噪聲特性不好。 2．極性碼：分別用正和負電壓表示二進制0和1 。這種代碼的電平差比單極碼大，而抗干擾特性好。
3．雙極性碼：信號在三個電平（正、負、零）之間變化。
4．歸零碼：在歸零碼RZ（Return to Zero）中，碼元中間的信號回歸到0電平。
5．不歸零碼：NRZ（Non-Return to Zero）的規(guī)律是當1出現(xiàn)時電平翻轉(zhuǎn)，當0出現(xiàn)時電平不翻轉(zhuǎn)。這種編碼的特點是實現(xiàn)起來簡單而且費 用低，但不是自定時的。
6．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）（P18圖2.13）
7．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)換邊只作為定時信號，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）
2.6 數(shù)字調(diào)制技術(shù)
1．調(diào)制模擬載波信號的三個參數(shù)——幅度、頻率、和相位來傳送數(shù)字數(shù)據(jù)。
2．三種基本調(diào)制方式：
（1） 幅度鍵控（ASK）：實現(xiàn)起來簡單，但抗干擾性能差。
（2） 頻移鍵控（FSK）：抗干擾性能好，但占用帶寬較大。
（3） 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信息來同步發(fā)送機和接收機的時鐘。
3．碼元只取二個相位值叫2相調(diào)制，碼元可取4個相位叫4相調(diào)制。4相調(diào)制時，一個碼元代表兩位二進制數(shù)。
2.7 脈沖編碼調(diào)制
1．把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，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)字數(shù)據(jù)變成模擬信號，經(jīng)傳輸?shù)竭_接收端再還原為數(shù)字數(shù)據(jù)。（判斷）
2．用編碼解碼器把模擬數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號的過程叫模擬數(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）
3．PCM的原理：
（1）取樣：如果取樣速率大于模擬信號最高頻率的二倍，則可以用得到的樣本空間恢復(fù)原來的模擬信號。
（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的最高頻率決定的，而量化級的多少則決定了取樣的精度。
2.8 通信方式和交換方式
1．數(shù)據(jù)通信方式按傳輸方向分有：
（1） 單工通信：在單工信道上信息只能在一個方向傳送。
（2） 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。
（3） 全雙工通信：一種可以同時進行雙向信息傳送的通信方式。
按同步方式分：
（1） 異步傳輸：把各個字符分開傳輸，字符之間插入同步信息。
其優(yōu)點是簡單，但由于起止位和檢驗位的加入會引入20%~30%的開銷，傳輸?shù)乃俾室膊桓摺?BR>（2） 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。
2．交換方式：
（1） 線路交換：交換的特點是建立連接需要等待較長的時間。
特點：[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]在傳輸少量信息時效率不高。
（2） 報文交換：
特點：[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）適合采用報文交換方式。
（3） 分組交換：
有兩種方式：
[1] 數(shù)據(jù)報：類似于報文交換。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。
虛電路與數(shù)據(jù)報的區(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)報方式靈活，效率不如數(shù)據(jù)報方式高。
③虛電路適合于交互式通信，數(shù)據(jù)報方式更適合于單向地傳送短信息。（簡答）
虛電路可以是暫時的，即會話開始建立，會話結(jié)束拆除，這叫虛呼叫；也可以是永久的，即通信雙方一開機就自動建立，直到一方（或同時）關(guān)機才拆除。這叫永久虛電路。 分組交換的特點：數(shù)據(jù)包有固定的長度。采用固定的、短的分組相對于報文交換是一個重要的優(yōu)點。除了交換結(jié)點的存儲緩沖區(qū)可以不些外，也帶來了傳播時延的減少，分組交換也意味著按分組糾錯：發(fā)現(xiàn)錯誤只需重發(fā)出錯的分組，使通信效率提高。（簡答）
2.9 多路復(fù)用技術(shù)
1．兩種基本的多路復(fù)用技術(shù)：
（1） 頻分多路復(fù)用（FDM）：FDM（Frequency Division Multiplexing）是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個頻率不同的模擬載波信號進行多路傳輸。
（2） 時分多路復(fù)用（TDM）：TDM（Time Division Multiplexing）要求各個子通道按時間片輪流地占用整個帶寬。 統(tǒng)計時分制是對同步時分制的改進，我們特 別把統(tǒng)計時分制下的多路復(fù)合器稱為集中器。
2．在北美和日本使用很廣的一種通信標準是貝爾系統(tǒng)的T1載波。T1載波也叫一次群，它把24路話音信道按時分多路的原理復(fù)合在一條1.544 Mb/s的高速信道上。 CCITT有一個類似于1.544 Mb/s的標準。CCITT還有一個2.048 Mb/s脈沖編碼調(diào)制載波標準。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 差錯控制
1．通信過程中出現(xiàn)差錯可大致分為兩類：一類是由熱噪聲引起的隨機錯誤；另一類是由沖擊噪聲引起的突發(fā)錯誤。熱噪的特點：熱噪聲時刻存在，具有很寬的頻譜 ，且幅度較小。通信線路的信噪比越高，熱噪聲引起的差錯越少。這種差錯具有隨機性，影響個別位。沖擊噪聲的特點：沖擊噪聲源是外界的電磁干擾，例如發(fā) 動 汽車時產(chǎn)生的火花，沖擊噪聲持續(xù)時間短而幅度大，往往引起一個位串出錯。
2．由于信號幅度和傳播速率與相位、頻譜有關(guān)而引起信號失真，以及相鄰線路之間發(fā)生串音等都會產(chǎn)生差錯，這些差錯也具有突發(fā)性的特點。
3．突發(fā)性差錯影響局部，而隨機性差錯總是斷續(xù)存在，影響全局。
4．奇偶校驗是最常用的檢錯方法。其原理是在7單位的ASCII代碼后增加一位，使碼字中1的個數(shù)成奇數(shù)（奇校驗）或偶數(shù)（偶校驗）。這種方法簡單實用，但只能 對付少量的隨機性錯誤。
5．為了能檢測突發(fā)性的出錯位串，可以使用檢查和的辦法。
6．海明碼。對某種長度的錯誤串，要糾正它就要用比僅僅檢測它多一倍的冗余位。如果對于m位的數(shù)據(jù)，增加k位冗余位，則組成n = m+k位的糾錯碼。 2m（n + 1）≤2n 因為n = m+k 推出 m+k+1≤2k
7．循環(huán)冗余校驗碼（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CRC（Cyclic Redundancy Check）是一種循環(huán)碼，它有很強的檢錯能力，而且硬件實現(xiàn)很容易，在局域網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用。（重點）（P32圖2.28以及用長除法求余數(shù)）
習題：
1．什么是數(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？
答：如果信源發(fā)出的是模擬數(shù)據(jù)而以數(shù)字信號的形式進行傳輸，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)字數(shù)據(jù)，這時無論是用模擬信號傳輸或是用數(shù)字信號傳輸都叫做數(shù)據(jù)通信。 模擬傳輸?shù)膬?yōu)點：調(diào)制信號的頻譜較窄，信道的利用率較高。 缺點：模擬信號在傳輸過程中會衰減，還會受噪聲干擾，如果用放大器將信號放大，混入的噪聲也同時被放大了。 數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)點：可以直接傳輸二進制數(shù)據(jù)或經(jīng)過二進制編碼的數(shù)據(jù)，也可以傳輸數(shù)字化了的模擬信號。數(shù)字信號只取有限個離散值，在傳輸過程中抗噪聲干擾能力較強。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：傳輸數(shù)字信號比模擬信號所要求的頻帶要寬得多，因而信道 的利用率較低。
2．電視頻道的帶寬為6MHz，假定沒有熱噪聲，如果數(shù)字信號取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=6×106　 N = 4 求：R
R =2Wlog2N=2×6×106×log24=24Mb/s
3．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
4．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=Blog2N=1600×log28=4800 b/s
5．在異步通信中每個字符包含1位起始位，7位ASCII碼，1位奇偶校驗位和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/ log2N=1100/ log24=550 Baud
6．假設(shè)兩個用戶之間的傳輸線路由3段組成（兩個轉(zhuǎn)接結(jié)點），每段的傳輸延遲為1／1000 s，呼叫建立時間（線路交換或虛電路）為0.2 s，在這樣的線路上傳送3200bit的報文，分組的大小為1024bit，報頭的開銷為16 bit，線路的數(shù)據(jù)速率是9600 b/s。
試分別計算在下列各種交換方式下的端到端的延遲時間：
（1） 線路交換；
（2） 報文交換；
（3） 虛電路；
（4） 數(shù)據(jù)報。
解：tp=0.2 s tp1=1/1000 s L=3200 bit L1=1024 bit L報=16 bit R=9600 b/s
（1） 線路交換的延遲時間為：tp+ L/ R=0.2+3200/960≈0.533s
（2） 報文交換的延遲時間：（L+ L報）×3/R+ tp1×3=（3200+16×3）/9600 +1/1000×3=1.008 s
（3） 虛電路的延遲時間：tp+3×tp1+（L+ L報×L/ L1）×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)報的延遲時間：3×（L+ L報×L/ L1）/R=(3200+16×4)×3/9600=1.02 s
7．在T1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：T1載波是把24個話音信道多路復(fù)用在一條高速信道上，每個信道包含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%
8．10個9600 b/s的信道按時分多復(fù)用在一條線路上傳輸，如果忽略控制開銷，那么對于同步TDM，復(fù)用線路的帶寬應(yīng)該是多少？在統(tǒng)計TDM情況下，假定每個子信道有50%的時間忙，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
9．對于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≤2k k≤2k –8 k=4 因此必須增加4個冗余位 由于海明碼的冗余位置于20、21、22、2k-1位上，即1、2、4、8 因此1001000的冗余位應(yīng)是：××1×001×000
10． 試畫出CRC生成多項式G（X）=X9+X6+X5+X4+X3+1的硬件實現(xiàn)電路框圖。
　　　　　
11． 利用上題的生成式檢驗收到的報文101010001101是否正確？
　　　 解：正確的報文應(yīng)是：1001111000，因此驗收到的報文不正確。