数据通信原理复习资料.pdf
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1、数据通信原理复习资料整理(期末考试必备)第一章概述12、传输代码常用的传输代码有:国际5 号码IA5(7 单位代码)一一ASCII码(常在后面加1 位奇偶校验码)国际电报2 号码ITA2(5 单位代码)EBCDIC码(8 单位代码)信息交换用汉字代码(7 单位代码)3、数据通信系统的构成 数据终端设备DTE 数据输入、输出设备一一数据数据信号 传输控制器一一主要执行与通信网络之间的通信过程控制(即传输控制),包括差错控制、终端的接续控制、传输顺序控制和切断控制等(完成这些控制要遵照通信协议)。数据电路 传输信道一一为数据通信提供传输通道数据电路终接设备(DCE)(综合练习习题与解答简答题第2
2、题)是 DTE与传输信道之间的接口设备,其主要作用是将来自DTE的数据信号进行变换,使之适合信道传输。当传输信道为模拟信道时,DCE是调制解调器(MODEM),发送方将DTE送来的数据信号进行调制,将其频带搬移到话音频带上(同时变成模拟信号)再送往信道上传,收端进行相反的变换。DCE是数字接口适配器,其中包含数据服务单元与信道服务单元。前者执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步等功能;后者则执行信道均衡、信号整形等功能。中央计算机系统主机一一进行数据处理通信控制器(又称前置处理机)一一用于管理与数据终端相连接的所有通信线路,其作用与传输控制器相同。数据电路与数据链路的关系一一数据链路由数据电
3、路及两端的传输控制器组成。只有建立了数据链路通信双方才能有效、可靠地进行数据通信。4、信道类型物理实线?双绞线?同轴电缆电话网传输信道;数字数据传输信道;5、传输损耗传输衰减=网络的输入端功率-输出端功率;P发送传输损耗:D=10lg;P接收信噪比:?P信号?S?;=10lg?N?dB?P 噪声?6、计算机通信网包含数据通信网;计算机通信网不等于计算机网络,前者明显地参与管理;7、数据传输方式并行传输与串行传输(按代码传输的顺序分)1、并行传输概念一一并行传输指的是数据以成组的方式,在多条并行信道上同时进行传输。优点一一不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步。缺点一一必须有多条并行信道,成本
4、比较高,不适宜远距离传输。适用场合一一计算机等设备内部或两个设备之间距离比较近时的外线上采用。2、串行传输概念一一串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。优缺点优点一一只需要一条传输信道,易于实现。缺点一一要采取措施实现字符同步。适用场合一一是目前外线上主要采用的一种传输方式。异步传输和同步传输(按同步方式分)1、异步传输概念一一异步传输方式一般以字符为单位传输,每个字符的起始时刻可以是任意的。为了正确地区分一个个字符,不论字符所采用的代码为多少位,在发送每一个字符时,都要在前面加上一个起始位,长度为一个码元长度,极 性 为“0”,表示一个字符的开始;后
5、面加上一个终止位,长度 为 1,1.5或 2个码元长度,极 性 为“1”,表示一个字符的结束。以国际5号码为例:1 X X X X X X X 1 2(起始位)(信息码)(终止位)优缺点优点一一实现字符同步比较简单,收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点一一对每个字符都需加入起始位和终止位,因而信息传输效率低。例:如字符采用国际5号码,终止位为1 位,并采用1 位奇偶校验位,求传输效率。解:传输效率为7 /(7+1 +1 +1)=70%。2、同步传输概念一一同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的,因此在一个串行数据流中,各信号码元之间的相对位置是固定的(即同步)。优缺点优点一一传输效率较高
6、。缺点一一接收方为了从接收到的数据流中正确地区分一个个信号码元,必须建立准确的时钟同步等,实现起来比较复杂。单工、半双工和全双工传输(按数据电路的传输能力分)1、单工传输一一传输系统的两端数据只能沿单一方向发送和接收。2、半双工传输一一系统两端可以在两个方向上进行双向数据传输,但两个方向的传输不能同时进行,当其中一端发送时,另一端只能接收,反之亦然。3、全双工传输一一系统两端可以在两个方向上同时进行数据传输,即两端都可以同时发送和接收数据。8、主要性能指标工作速率一一衡量数据通信系统通信能力1.调 制 速 率(又称符号速率或码元速率)NBd(或 fs)定义一一每秒传输信号码元的个数,单位为波特
7、(Bd)。公式:NBd=l(T 为符号间隔)T数据传信速率(简称传信率)R(或 fb)定义一一每秒传输的信息量(即比特个数或二进制码元的个数),单位为b it/s等。数据传信速率与调制速率之间的关系为R=NBdlog2M例:设信号码元时间长度为833?10s,当采用4 电平传输时,求数据传信速率和调制速率。解:调制速率为NBd=-611=1200Bd-6T833710数据传信速率为R=NBdlog2M=1200log24=2400bit/s 数据传送速率定义一一单位时间内在数据传输系统的相应设备之间实际传送的平均数据量,又称有效数据传输速率。单位为比特/秒(b it/s)、字符/秒或码组/秒。
8、实际的有效数据传送速率是小于数据传信速率的。有效性指标一一频带利用率定义n=系统的传输速率/系统的频带宽度(B)(2-3)即 n=NBd Bd/Hz Bq=R bit/(s?Hz)B 可靠性指标一一传输的差错率常用的有误码率、误字符率、误码组率等。它们的定义分别为:误码率=接收出现差错的比特数/总的发送比特数误字符(码组)率=接收出现差错的字符(码组)数/总的发送字符(码组)数 信道容量C=带宽?Iog2(l+信噪比);无噪声数字信道的信道容量:C=2Blog2M;第二章数据信号的传输一、数据信号及特性描述1、数据序列的电信号表示单极性不归零信号:1为正,0为平;单极性归零信号:1为正零,0为
9、平;双极性不归零信号:1为正,0为负;双极性归零信号:1为正零,。为负零;伪三进制:1为正零或负零,0为零;差分信号:电位变化为正,不变为零;(注:图(f)中的差分信号是“1”一一电平改变,“0”一一电平不变,其规则也可以相反。)例1:已知二进制数据序列为1010110,以矩形脉冲为例,画出双极性归零信号的波形图(设T=T/2)。解:例2:已知二进制数据序列为1100101,以矩形脉冲为例,画出差分信号的波形图(假 设“1”电平改变,“0”电平不变;初始电平为0)解:二、传输信道及数据信号的基本传输方法,基带传输频 带 传 输(或称调制传输)数字数据传输基带数据信号的频谱特性单极性码一一既有连
10、续谱,也有离散谱;双极性码一一只有连续谱,没有离散谱;不归零码一一连续谱第一个零点为fs 1;T归零码一一连续谱的第一个零点为2fs;第二节数据信号的基带传输基带传输一一不搬移基带数据信号频谱的传输方式称为基带传输。一、基带传输系统构成模型(能画出下图)波形形成一一信号从1点到2点的过程叫波形形成。各部分的作用:发送滤波器一一限制信号频带并起波形形成作用;信道一一是信号的传输媒介,可以是各种形式的电缆;接收滤波器一一用来滤除带外噪声和干扰,并起波形形成作用;均衡器一一用来均衡信道特性的不理想。网孔均衡一一用来消除“1”与8(t)的误差。二、理想低通形成网络1、理想低通形成网络特性 H(f)=H
11、(f)?e-j 2 时,xk=O,求当输出波形y满足无符号间干扰的条件时,各增益加权系数应为多少?解:yn=k=-NlScxZckNkn-k=xn-kk=-ly-l=c-lx0+c0 x-l+clx-2yO=c-lxl+cOxO+clx-lyl=c-lx2+cOxl+clxO满足无符号间干扰时,有:c-l-O.2cO+O.lcl=O0.4c-l+c0-0.2cl=l-0.2c-l+0.4c0+cl=0解方程求得:c-l=0.20c0=0.85cl=-0.30(注:教材中的示例假设x(t)只有3个取值,即当k l时,xk=O)数据传输系统的眼图最佳采样时刻:在眼睛张开得最大的地方代表最佳采样时.
12、刻;垂直张开度:反映系统对噪声的容限;水平张开度:反映了传输系统的过门限点失真;正负不对称度:表示系统所存在的非线性失真的程度;定时抖动灵敏度:斜率,反映了系统对定时偏差的灵敏度;第三节数据信号的频带传输频带传输一一又称调制传输,它是需要对基带数据信号进行调制以实现频带搬移,即将基带数据信号的频带搬到话音频带上再传输。数字调制的基本方法有三种:数 字 调 幅(ASK)数 字 调 相(PSK)数 字 调 频(FSK)一、频带传输系统参见教材P 6 9图3-33各部分的作用:1点:数据信号为单或双极性不归零码 发送低通一一数据信号经发送低通基本上形成所需要的基带信号(2点的信号叫基带信号s(t);
13、发送低通一般是基带形成滤波器的一部分,2点的功率谱近似为基带形成滤波器的H形状)调制一一将基带信号的频带搬到载频(载波频率)附近的上下边带,实现双边带调制。假设基带形成滤波器为第一类部分响应系统,2点的功率 谱Ps与调制后的双边功率谱PE(f)如附图27所示。(Ps(f)中有直流分量一PE(f)中便有载频fc分量,直流分量调到fc处)发送带通一一形成信道可传输的信号频谱(取单或双边带等传输)。接收带通一一除去信道中的带外噪声。.解调一一是调制的反过程,解调后的信号中有基带信号和高次产物。接收低通一一除去解调中出现的高次产物,并起基带波形形成的作用(接收低通是基带形成滤波器的另一部分)。取样判决
14、一一对恢复的基带信号取样判决还原为数据序列。(8点的信号要满足无符号间干扰的条件)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,以实现信号的频带搬移,调制和解调合起来称为Modemo从信号传输的角度,一个频带传输系统就相当于一个等效的基带传输系统。符号速率fs=2fN二、数字调幅概念一一以基带数据信号控制一个载波的幅度,称为数字调幅,又称幅移键控,简写为ASK。1、ASK信号及功率谱分析2ASK-1不变,0归零;抑制载频的2ASK-1不变,0相反;2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍;调制后实现了双边带调制数据序列是单极性码-PS(f)中有直流分量-PE(f)中
15、有载频分量(2ASK)数据序列是双极性码PS(f)中无直流分量PE(f)中无载频分量(抑制载频的2ASK)调制后的带宽B调=2B基=(21+a)fN (设基带形成滤波器为滚降低通)例:发送数据序列为1001 1 0,分别画出单极性不归零和双单极性不归零调制的2ASK信号波形(设 fc=2fs)o解:三、数字调相概念一一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。二相调相分类四相调相八相调相十六相调相绝对调相一一参考相位:未调载波相对调相一一参考相位:前一符号的已调载波相位1、二相数字调相画图方法:1、信息代码一2PSK波形规律:“异变,同不变”,指:若本码元与前一码
16、元相异,则本码元内2PSK信号的初相位相对于前一码元内2PSK信号的末相变化n;否则不变。2、信息代码-2 D P S K波形规律:“1变,0不变”,指:信息代码(绝对码)为1时,本码元内2DPSK信号的初相位相对于前一码元内2DPSK信号的末期相变化h否则不变。解:例2:已知2DPSK的波形如下图所示,设初始相位为0,数据信号为“0”时.,载波相位改变0,数据信号为“1”时,载波相位改变试写出所对应的数据序列(设 fc=NBd)。解:所对应的数据序列为:0 10 0 1 0(3)二相调相的功率谱密度及频带利用率二相调相(包括2PSK和2DPSK)的功率谱密度及频带利用率与抑制载频的2ASK的
17、功率谱密度及频带利用率相同。B=2(l+a)fNn=1bit/(s?Hz)1+a例1:四相调相的相位变化如附图4 0所示,假设基带数据信号序列为0111001001,试写出4DPSK已调波对应的相位,并画出其矢量图(假设初始相位为0)。综合练习习题与解答画图题第8题)解:解题思路:首先将数据信号序列以二位数字为单位进行分组,然后再求每组数字的相位,如下题:01的相位为(初始相位为0+3 n/4=3 n/4),11的相位为(前一相位 3 n/4+n/4=n),00例2:已知4DPSK已调波对应的相位如下表所示(假设初始相位为0,相位变化规则按B方式工作),写出所对应的基带数据信号序列。四、数字调
18、频画图方法:相位连续的2FSK:1不变,0频率扩大一倍;相位不连续的2FSK:1不变,0频率扩大一倍,且0的初始相位为0;第 三 章 差 错控制第一节差错控制的基本概念一、差错分类和错误图样1、差错分类差错可以分为两类:随机差错 突发差错三、差错控制方式1、检错重发或叫自动反馈重发(ARQ)实时性差;2、前 向 纠 错(FEC)监督码多3、混合纠错检错(HEC)前两者的混合,效率折中4、信息反馈又称回程校验(IRQ)发送端不需要纠错能力第二节检错和纠错的基本概念一、差错控制的基本原理码的纠检错能力是靠信息的冗余度换取的。信息码+监督码=码组k+r=n 编码效率R=kn二、码距与检错和纠错能力1
19、、几个概念 码组的重量 码距 汉明距离例:一码组集合2此码组集合的汉明距离dmin=22、汉明距离与检错和纠错能力的关系为检测e 个错码,要求最小码距为:dmine+1为纠错t 个错码,要求最小码距为:4-6)(dmin2t+l为纠错t 个错码,同时检测e 个错码,要求最小码距为:dmine+t+1三、纠错编码的分类(1)按码组的功能分一一有检错码和纠错码两类。(2)按码组中监督码元与信息码元之间的关系分一一有线性码和非线性码两类。(3)按照信息码元与监督码元的约束关系一一可分为分组码和卷积码(前后若干组的信息码元有关)两类。(4)按照信息码元在编码前后是否保持原来的形式不变一一可划分为系统码
20、和非系统码。(5)按纠正差错的类型一一可分为纠正随机错误的码和纠正突发错误的码。(6)按照每个码元取值来分一一可分为二进制码与多进制码。第三节简单的差错控制编码一、奇偶监督码(r=l,k 不一定)1、概念 偶监督码一一信息码与监督码合在一起“1”的个数是偶数 奇监督码一一信息码与监督码合在一起“1”的个数是奇数2、监督方程 偶监督方程 奇监督方程例:10 110 11 1(偶)0(奇)收端根据监督方程是否满足可判断是否有误码最小码距为2;3、检错能力(1)只能检测奇数个错误,而不能检测出偶数个错误。(2)适合检测随机差错。二、水平奇偶监督码1、构成思路将经过奇偶监督编码的码元序列按行排成方阵,
21、每行为一组奇偶监督码,但发送时则按列的顺序传输,接收端仍将码元排成发送时方阵形式,然后按行进行奇偶校验。例:数 据 序 列11011010 1110 1001.(设每4位码元为一组)110 1 110 10 0(以偶监督为例)1110 110 0 1 0监督码发送的数据序列为:11111010011010011010.2、检错能力(1)可发现某一行上所有奇数个错误。(2)能检测出所有长度不大于方阵中行数的突发错误。例:某系统采用水平奇监督码,其信息码元如下表,试填上监督码元,并写出发送的数据序列,这样的发送数据序列能检测突发差错的长度最大为多少?解:发送的数据序列为:1011100111000
22、100110000001100111011110100010011010101100能检测突发差错的长度最大为5二、二维奇偶监督码(又称行列监督码、方阵码或水平垂直奇偶监督码)1、思路二维奇偶监督码是将水平奇偶监督码推广而得。它的方法是在水平监督基础上对方阵中每一列再进行奇偶校验(即将数据序列排成方阵,每一行每一列都加奇或偶监督码),发 送 按 列(或行)的顺序传输。接收端仍将码元排成发送时方阵形式,然后每一行每一列都进行奇偶校验。例:数 据 序 列1100 1010 1110 1001.(设每4位码元为一组)1100 0(以偶监督为例)1 010 0 1110 1 1 00 1 00001
23、1 监督码监督码 发送的数据序列为(按列的顺序传输):1111010100011000001100101.2、检错能力(1)可发现某行或某列上奇数个错误。(2)能检测出所有长度不大于方阵中行数(或列数)的突发错误。(3)能检测出偶数个错误。但若偶数个错误恰好分布在矩阵的四个顶点上时、这样的偶数个错误是检测不出来的。(4)可以纠正一些错误,当某行某列均不满足监督关系而判定该行该列交叉位置的码元有错,从而纠正这一位上的错误。例1:某系统采用水平垂直偶校验码,试填出下列矩阵中5个空白码位。0 1 0 1 1 0 1 011 1 0 0 0 0()00 0()1 10010()1 1 10 100 0
24、 0()0 1()解:0 1 0 1 1 0 1 011 10000(1)0 00(0)1 10010(1)1 110 100 0 0(1)0 1(0)例2:如果水平垂直奇偶校验码中的码元错误情况如下图所示,试问能否检验出来?解:不能检验出来第四节 汉明码及线性分组码、汉明码(综合练习习题与解答计算题第10题)1、(n,k)汉明码n 为码长,k 为信息位数,监督位数=11;r 与 n 的关系为2r-l2n 或 2r2k+r+l(4-12)例 1:n=15-r24,k=15-4=ll n=7-r23,k=7-3=4例 2:如信息位为7 位,要构成能纠正1 位错码的汉明码,至少要加几位监督码?其编
25、码效率为多少?解:k=72r-12n=k+r=7+r2r28+r根据估算得出r24kk7=63.6%nk+r7+4或者说RW63.6%编 码 效 率 为 R=2、(7,4)汉 明 码(n=7,k=4,r=3)(1)监 督 方 程(可产生(7,4)汉明码)参见教材 P113(4-16)或(4-17)由此监督方程可求出监督码,附在信息码后即可得到(7,4)汉明码例:已知信息码为1101,求所对应的(7,4)汉明码。解:由监督方程求监督码a2=a6 a5 a4=l 1 0=0al=a6 a5 a3=l ffi 1 ffi 1=1a0=a6 a4 a3=l ffiOffi 1=0此(7,4)汉明码为1
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