软考网络工程师（二）

时间  2021-01-06 标签 软考 中级 网络工程师 知识点 笔记

第二章 数据通信基础

第一部分

2.1 一些概念

  1. 信源：通信中产生和发送信息的一端

  2. 信宿：接收信息的一端

  3. 变换：变换成适合信道传输的形式

  4. 噪声：信号在传输的过程中收到的外界干扰

    通信系统模型P27

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

  1. 尼奎斯特定理：B = 2W , 其中B为最大码元速率，W为信道带宽
  2. 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。
  3. 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

  1. 符号：S为信号平均功率(Symbol) , N为噪声平均功率(Noise)
  2. 信噪比：S/N
  3. 香农定理: C = Wlog2 (1 + S/N) (2为底)
  4. 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。

常用编码方案

  • 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%额外开销异步传输
  • 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

  1. 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

  2. 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°

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  1. 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

  1. A

  2. 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

  3. C

  4. C

    m+k+1<2^k，m=7，得k=4。

  5. C

    OC-3的16倍，约为2488。

  6. A；B

    8b*8000=64Kb/s。

  7. B；A

联系我们 沪ICP备13005482号-10