通信基础理论及试题

数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 1 一 概念 1 数据通信系统的模型 数据 data 运送消息的实体 信号 signal 数据的电气的或电磁的表现 DTE 数据终端设备 DCE 数据连接 通信 设备 2 传输方式 基带传输 传输基带信号 基带信号多数是数字信号 如 LAN 传输方式 频带传输 将数字信号转换为频率表示的模拟信号传输 如 使用 MODEM 上网 宽带传输 将信道分成几个子信道传输模拟信号 如 ADSL 3 码元与比特 1 一个码元可以携带一个或多个比特 一个码元如果有两种状态或两种离散值 则它可以表示 0 1 这两个数 即它可以携带 1 个比特 因为 1 个比特也只有这两种可能 0 和 1 一个码元如果有四种状态或四种离散值 则它可以表示 00 01 10 11 这四个数 即它可以携带 2 个比特 因为 2 个比特也 只有这四种可能 00 01 10 11 由此可以推出 一码元携带比特数 LOG2 状态数或离散数 2 码元的传输速率 波特率 BAUD 比特的传输速率 比特率 b s bps 也叫数据率 带宽 当一码元携带一比特时 比特率 波特率 当一码元携带 n 比特时 比特率 n 波特率 有关马元的计算 例 已知使用 QPSK 正交相移调制 或 QAM 正交振幅调制 调制及波特率 求数据率 QPSK 1 码元带 2 比特 16 QAM 1 码元带 4 比特 32 QAM 1 码元带 5 比特 4 奈奎斯特定理 理想条件下的定理 模拟信道的带宽单位 HZ 数字信道的带宽单位 bps 1924 年 奈奎斯特 Nyquist 就推导出了著名的奈氏准则 他给出了在假定的理想条件下 为了避免码间串扰 码元的传输 速率的上限值 在任何信道中 码元传输的速率是有上限的 否则就会出现码间串扰的问题 使接收端对码元的判决 即识别 成为不可能 如果信道的频带越宽 也就是能够通过的信号高频分量越多 那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰 有关奈奎斯特定理的计算 例 已知无噪声 或理想 信道带宽为 w Hz 求该信道能提供的极限波特率为多少 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 2 解 对于无噪声信道 使用奈奎斯特定理 B 2W baud s B 是该信道能提供的极限波特率 5 香农公式 非理想条件下的公式 香农 Shannon 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限 无差错的信息传输速率 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C W log2 1 S N b s W 为信道的带宽 以 Hz 为单位 S 为信道内所传信号的平均功率 N 为信道内部的高斯噪声功率 香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大 则信息的极限传输速率就越高 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率 就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输 若信道带宽 W 或信噪比 S N 没有上限 当然实际信道不可能是这样的 则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少 有关香农公式的计算 例 1 已知信噪比为 x 分贝 传输模拟信道带宽为 w HZ 求该信道的极限数据率 解 对于有噪声信道 使用香农公式 C W LOG2 1 S N S N 是信噪比 即信号功率 噪声功率 由于通常情况下 S N 很大 常用分贝表示 它们的关系如下 1dB 分贝 10log10 S N 如 若某信道信噪比为 30dB 求信噪比的值 解 30dB 分贝 10log10 S N 则 S N 103 真题 在一个带宽为 3KHZ 没有噪声的信道 传输二进制信号时能够达到的极限数据传输率为 6 一个带宽为 3KHZ 信噪比 为 30dB 的信道 能够达到的极限数据传输率为 7 上述结果表明 8 6 A 3Kbps B 6Kbps C 56Kbps D 10Mbps 7 A 12Kbps B 30Kbps C 56Kbps D 10Mbps 8 A 有噪声信道比无噪声信道具有更大的带宽 B 有噪声信道比无噪声信道可达到更高的极限数据传输率 C 有噪声信道与无噪声信道没有可比性 D 上述值都为极限值 条件不同 不能进行直接的比较 二 传输介质 1 双绞线 UTP 分为以下几个类型 类型带宽 Mb s 3 类 16 4 类 20 5 类 100 超 5 类 155 6 类 200 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 3 STP 分为以下几个类型 类型带宽 Mb s 3 类 16 5 类 100 2 同轴电缆 75 欧同轴缆用于有线电视网络 50 欧同轴缆用于计算机网络的数字信号传输 3 光纤 单模光纤与多模光纤相比 单模光纤有较高的传输率 较长的传输距离 较高的成本 较细的纤芯 且单模光纤的光源采用激光光源 多模的可以采用二极管作光源 三 编码 调制 复用 1 数字信号要在数字信道上传输 需经过编码 常见的编码有不归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 4B 5B 8B 10B 编码 图 1 曼码 差分曼码 曼码特点 1 规定了每位中间有脉冲且 1 和 0 的脉冲方向相反 但是不规定 1 是向上还是向下脉冲 同样 也不规定 0 是向上还是向下脉冲 2 相邻两个相位边缘有翻转 编码效率 50 常用于 10BASE T 10BASE F 差分曼码特点 规定每位中间有脉冲 0 的位起始边缘有翻转 编码效率 50 常用于令牌环网 2 4B 5B 用 5 位的编码代表 4 位的有效数据 编码效率 80 2 模拟信号要在数字信道上传输 需经过脉冲编码 用编码译码器实现 常用的编码是 脉冲编码调制 PCM 图 PCM 过程 取样 量化 编码 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 4 若取样频率大于模拟信号最高带宽的 2 倍 则可以达到不失真取样 量化主要是为采样的标本用数字表示出来 如 16 级量化就是用 16 个大小不同的数字来表示标本的值 编码是把量化结果用 2 进制表示出来 3 数字信号要在模拟信道上传输 需调制 使用调制解调器 常用的调制方法有 ASK 辐移键控 FSK 频移键控 PSK 相移键控 QPSK 正交相移调制 QAM 正交幅移调制 ASK FSK PSK 4 复用技术 使用多路复用器实现复用 多个信号复用到一条线路传输 常用的复用技术有 FDM TDM STDM WDM CDMA 码分多址 SDMA 空分多址 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 5 5 T1 E1 载波 数字传输系统中常用的多路复用技术 1 T1 载波 24 路话音按 TDM 复用在一条 1 544Mbps 的高速信道上 对 4kHz 的话音按 8kHz 的速率采样 128 7 位二进制可表示 128 级量化 24 7 1 信令位 192 1 帧同步位 193bit 是 T1 帧长 T2 叫做二次群速率 4T1 T3 7T2 T4 6T3 2 E1 载波 将 32 路 64kbps 信号按 TDM 复用到一条信道上传输 其中 2 个 64Kbps 信道用于信令控制 另 30 路是话音信号 E1 2 048Mbps E2 4E1 E3 4E2 E4 4E3 图 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 6 3 光纤上的多路复用 SONET 同步光纤网 SDH 同步数字系列 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词 SONET 中 第 1 级同步传送信号 STS 1 Synchronous Transport Signal 的传输速率是 51 84 Mb s 光信号则称为第 1 级光载波 OC 1 OC 表示 Optical Carrier SDH 的基本速率为 155 52 Mb s 称为第 1 级同步传递模块 Synchronous Transfer Module 即 STM 1 相当于 SONET 体系中的 OC 3 速率 四 通信方式和交换方式 1 通信方式 单工 半双工 全双工 2 传输方式 1 异步传输 在字符前插入起始位 0 字符末尾插入停止位 1 以便接收方确认开始和终止 1 7 1 1 0 数据校验 1 开销 20 30 2 同步传输 发送数据块之前先发一段同步字符 SYNC 告诉接收方同步信息 例如 SYNC 01111110 接收方若连续收到 2 个 SYNC 则进入同步状态 双方就会以相同频率工作 直到遇到结束字符 结束字符也是 SYNC 在传输大段数据时 其传输效率比异 步传输要高 3 交换方式 1 电路交换 和打电话一样 需要经过建立连接 保持连接和 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 7 释放连接三个阶段 且连接保持时不可以有其他信号共用信道 他的效率可以很高也可以很低 2 报文交换 把要传输的数据称为报文 报文中指明目的地的地址 由交换节点负责寻找路径转发出去 要求节点有较大的缓存 空间 优点是 不使用专用信道 健壮性好 缺点 时延比较大 3 分组交换 把要传输的数据切割成固定长度的分组 该分组比报文要短 具有更高的灵活性 对交换节点缓存的要求不是很大 时延比报文交换的小 健壮性更好 分组交换分为 2 大类 数据报和虚电路 数据报 每分组独立选择路径 到达目的要重新排序 交换网把进网的任一个分组都当作单独的 小报文 来处理 被称为数据报 datagram 虚电路 两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接 旦这种连接建立 直至用户不需要发 送和接收数据时清除这种连接 所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输 存在一个虚呼叫建立阶段和拆除阶段 清除阶段 虚电路与数据报方式的比较 1 在传输方式上 虚电路服务在源 目的主机通信之前 应先建立一条虚电路 然后才能进行通信 通信结束应将虚电路拆除 而 数据报服务 网络层从运输层接收报文 将其装上报头 源 目的地址等信息 后 作为一个独立的信息单位传送 不需建立和释放 连接 目标结点收到数据后也不需发送确认 因而是一种开销较小的通信方式 但发方不能确切地知道对方是否准备好接收 是否正 在忙碌 因而数据报服务的可靠性不是很高 2 关于 IP 地址 虚电路服务仅在源主机发出呼叫分组中需要填上源和目的主机的 IP 地址 在数据传输阶段 都只需填上虚电路号 而数据报服务 由于每个数据报都单独传送 因此 在每个数据报中都必须具有源和目的主机的 IP 地址 以便网络结点根据所带地 址向目的主机转发 这对频繁的人 机交互通信每次都附上源 目的主机的 IP 地址不仅累赘 也降低了信道利用率 3 关于路由选择 虚电路服务沿途各结点只在呼叫请求分组在网中传输时 进行路径选择 以后便不需要了 可是在数据报服务时 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 8 每个数据每经过一个网络结点都要进行一次路由选择 当有一个很长的报文需要传输时 必须先把它分成若干个具有定长的分组 若 采用数据报服务 势必增加网络开销 4 关于分组顺序 对虚电路服务 由于从源主机发出的所有分组都是通过事先建立好的一条虚电路进行传输 所以能保证分组按发 送顺序到达目的主机 但是 当把一份长报文分成若干个短的数据报时 由于它们被独立传送 可能各自通过不同的路径到达目的主 机 因而数据报服务不能保证这些数据报按序列到达目的主机 5 可靠性与适应性 虚电路服务在通信之前双方已进行过连接 而且每发完一定数量的分组后 对方也都给予确认 故虚电路服务 比数据报服务的可靠性高 但是 当传输途中的某个结点或链路发生故障时 数据报服务可以绕开这些故障地区 而另选其他路径 把数据传至目的地 而虚电路服务则必须重新建立虚电路才能进行通信 因此 数据报服务的适应性比虚电路服务强 6 关于平衡网络流量 数据报在传输过程中 中继结点可为数据报选择一条流量较小的路由 而避开流量较高的路由 因此数据报 服务既平衡网络中的信息流量 又可使数据报得以更迅速地传输 而在虚电路服务中 一旦虚电路建立后 中继结点是不能根据流量 情况来改变分组的传送路径的 4 信元交换 ATM 异步传输模式 提供无确认的面向连接的信元传送服务 ATM 信元格式 53 字节的信元由 5 字节的头部和 48 字节有有效载荷构成 信元头 5 字节 GFC 字段 只用于主机与网络间 进行流量控制和表示优先级 VPI 字段 虚通路标识 在 UNI User network Interface 为 8 位 在 NNI Network networkInterface 为 12 位 这时没有 GFC 注 NNI UNI UNI 用户网络接口NNI 网络网络接口 VCI 字段 虚通道标识 PTI Payload Type Identifier 字段 有效载荷类型 表示数据类型和传送状态 是否经历拥塞 CLP 字段 主机赋予的传输优先级 用于丢弃时的选择 1 为低优先级 网络阻塞时被先丢弃 HEC 字段 信元头的校验和 例题分析 1 图中画出曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图 实际传送地比特串为 28 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 9 28 A 0 1 1 0 1 0 0 1 1 B 0 1 1 1 1 0 0 1 0 C 1 0 0 1 0 1 1 0 0 D 1 0 0 0 0 1 1 0 1 五 CRC 码 冗余校验码 原理 DATA 传输时 在发送端根据要传送的 m 位二进制码 以一定的规原则 除以一个生成多项式 G 取 r 位余数跟在数据位后 产生一个校验用的监督码 CRC 码 r 位 加在信息位后 形成一个新的序列 m r 位发出去 接收受方把收到的序列用来除以同 一个 G X 若余数为 0 则收到的编码正确 否则错误 除法用模二除法 例 假设使用生成多项式 对报文 10100110 进行 CRC 编码 则编码后的报文是什么 54 1G xxxx 解 1 将最高幂为 R 的生成多项式换成对应的 R 1 位二进制 1 1 RR G xxxx 110011 R 1 6 G x 2 将信息码左移 R 位 即后补 R 个 0 1010011000000 3 作异或运算 得 R 位余数 2 和 1 1010011000000 异或 110011 0110101 110011 000110000 110011 000011000 R 5 位 4 将余数放在信息码后 1010011011000 特点 电路设计简单 r 位生成多项式可检测出所有双数位错 奇数位错和突发位错 r 的突发错误 几个常用 CRC CRC CCITT广域网协议 X 25 用 16125 1G xxxx CRC 16磁盘读写 16152 1G xxxx CRC 32 LAN 中 五 海明码 对于给定的 m 位数据 可加入 K 位校验位 形成 n 位码字 n m K 有 m K 1 要检测出 d 个错 则海明距离至少为2k d 1 要纠正 d 个错 海明距离至少 2d 1 例 因为 m K 1 K 5 至多可检测多少个数据位 2k 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 10 所以 m 26 5 21 5 即可检验 26 个数据位 例 求 1101001 数据传送时 用海明码编码后的码字 解 1 确定 K 值 因为 1101001 有 7 位 则 m K 1 所以 K 8 2k2k 当 K 1 时 不行 当 K 2 时 不行 当 K 3 时 不行 当 K 4 时 可以 2 确定校验位位置 位于 1 2 4 8 的位置 0123 21 22 24 28 7 I 6 I 5 I 3 r 4 I 3 I 2 I 2 r 1 I 1 r 0 r 3 确定各校验位校验哪几个数据 A 确定校验规律 10 1 20 2 21 3 210 4 30 5 31 6 310 7 075421 176431 2432 3765 322 522 622 7222 922 1022 11222 I I I I I I I rIIIII rIIIII rIII rIII B 确定各校验位校验哪几个数据位 R0 检验 I1 I2 I4 I5 I7 R1 检验 I1 I3 I4 I6 I7 R2 检验 I2 I3 I4 R3 检验 I5 I6 I7 0 1 2 3 1 0 1 0 11 1 1 1 0 10 1 001 1 1 00 r r r r 4 决定校验位的值 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 11 0 1 2 3 1 0 1 0 r r r r 则得海明编码后 11001001101 例 求 1011 的海明码 解 1 求 K m k 1 已知 m 42k K 5 2k 当 K 1 时 6 2 不行 当 K 2 时 7 4 不行 当 K 3 时 8 8 可以 7 6 5 4 3 2 1 I4 1 I3 0 I2 1 R2 I1 1 R1R0 I4 7 22 21 20 I3 6 22 21 I2 5 22 20 I1 3 21 20 上四式推出 R2 I4 I3 I2 1 0 1 0 R1 I4 I3 I1 1 0 1 0 R0 I4 I2 I1 1 1 1 1 得海明码 1010101 海明纠错 例 信息位为 8 位的海明码 收到报文为 110010100000 判断传输是否有出错 并求出发送端发送的信息 解 1 报文长 12 位 根据 m k 1 S N 103 码是一些码字组成的集合 一对码字之间的海明距离是 16 一个码的海明距离是所有不同码字的海明 距离的 17 如果要检查出 d 位错 那么码的海明距离是 18 如果信息长度为 5 位 要求纠正 1 位 错 按照海明编码 需要增加的校验位是 19 位 以太网中使用的校验码标准是 20 16 A 码字之间不同的位数 B 两个码字之间相同的位数 C 两个码字的校验和之和 D 两个码字的校验和之差 17 A 平均值 B 最大值 C 最小值 D 任意值 18 A d 1 B d 1 C 2d 1 D 2d 1 19 A 3 B 4 C 5 D 6 20 A CRC 12 B CRC CCITT C CRC 16 D CRC 32 数据通信基础 请内部传阅 也是网工考试要点 13 设信道的码元速率为 300 波特 采用 4 相 DPSK 调制 则信道的数据速率为 26 bps 26 A 300 B 600 C 800 D 1000 光纤通信中使用的复用方式是 27 E1 载波把 32 个信道按照 28 方式复用 在一条 2 048Mbs 的高 速信道上 每条话音信道的数据速率是 29 27 A 时分多路 B 空分多路 C 波分多路 D 频分多路 28 A 时分多路 B 空分多路 C 波分多路 D 频分多路 29 A 56Kb s B 64Kb s C 128Kb s D 512Kbs 10 个 9 6KB s 的信道按时分多路路复用在一条线路上传输 如果忽略控制开销 在同步 TDM 情况下 复用线路的 带宽应该是 24 在统计 TDM 情况下 假定每个子信道只有 30 的时间忙 复用线路的控制开销为 10 那么 复用线路的带宽应该是 25 供选择的答案 24 A 32Kb s B 64Kb s C 72Kb s D 96Kb s 25 A 32Kb s B 64Kb s C 72Kb s D 96Kb s 9 6 10 0 3 0 9 32 或设复用后线路的带宽为 x 则 9 6 10 0 3 x 0 1 x x 32 使用海明码进行前向纠错 如果冗余为 4 位 那么信息位最多可以用到 26 位 假定码字位 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 并且有下面地监督关系式 S2 a2 a4 a5 a6 S1 a1 a3 a5 a6 S0 a0 a3 a4 a6 若 S2 S1 S0 110 则表示出错位是 27 供选择的答案 26 A 6 B 8 C 11 D 16 27 A a3 B a4 C a5 D a6 按照同步光纤网传输标准 SONET OC 3 的数据率为 13 Mb s 13 A 150 336 B 155 250 C 622 080 D 2488 320 设信号的波特率为 600Baud 采用幅度 相位复合调制技术 由 4 种幅度和 8 种相位组成 16 种码元 则信道的 数据率为 14 14 A 600b s B 2400 b s C 4800 b s D 9600 b s 若信息码字为 11100011 生成多项式 g x x5 x4 x 1 则计算出的 CRC 校验码为 16 16 A 01101 B 11010 C 001101 D 0011010 使用海明码进行纠错 7 位码长 x7x6x5x4x3x2x1 其中 4 位数据 监督关系式为 c0 x1 x3 x5 x7 c1 x2 x3 x6 x7 c2 x4 x5 x6 x7 如果接收到的码字为 1000101 那么纠错后的码字是 58 58 A 1000001 B 1000101 C 1001101 D 1010101 下图中 12 位曼彻斯特编码的信号波形表示的数据是 14 14 A 100001110011 B 111100110011 C 011101110011 D 011101110000 设信道带宽为 4kHz 采用 4 相调制技术 则信道支持的最大数据速率是 15 15 A 4 kb s B 8kb s C 16kb s D 32kb s 数