数据通信：期中复习

第二章：网络体系结构

  • 通信模型
    • 源系统（源点，发送器），传输系统，目的系统（接收器，终点)
  • 传输方式
    • 单工：一个信道，只能单向
    • 半双工：一个信道，同一时间只能上/下行，有选择器
    • 全双工：两个信道，同时上下行
  • 数字通信与模拟通信
    • 数字系统：数字-数字编码，模拟-数字编码
    • 模拟系统：模拟信号以固有频率基带传输（不编码），频谱搬移后传输（模拟-模拟编码）
    • 混成系统：同一系统既包含模拟也包含数字
  • 网络体系结构：TCP/IP
    • 应用层，传输层，网际层，数据链路层，物理层
  • 套接字及其类型
    • 流套接字：TCP：可靠，按时
    • 数据包套接字：UDP：快速乱序无保证
    • 原始套接字：IP：直接访问底层

第三章：数据传输

  • 概念与术语
    • 导向媒体：电磁波沿某一物理路径前进（光纤，双绞线，同轴电缆
      • 点对点：直连链路
      • 多点：共享
    • 非导向媒体：无线传输，不引导传输方向（空气，真空，海水
  • 数据与信号
    • 数据：信源产生，可能为模拟或数字
    • 信号：经过调制，电磁信号居多
  • 周期信号的傅里叶级数表示
    • 傅里叶表示：
      $$x(t)=\frac{A_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}(A_n\cos(2\pi nf_0t)+B_n\sin(2\pi nf_0t))$$
      $$A_n = \frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\cos(2\pi nf_0t)dt$$
      $$B_n = \frac{2}{T}\int_{0}^{T}x(t)\sin(2\pi nf_0t)dt$$
    • 方波的傅里叶表示
      $$f(x)=\frac{4}{\pi}\sum_{n=2k-1}^\infty \frac{1}{n}\sin(\frac{n\pi x}{L})$$
  • 信号功率计算
    • 任意时段功率：
      $$P_x=\frac{1}{t_2-t_1}\int_{t_1}^{t_2}|x(t)|^2dt$$
    • 周期平均功率
      $$P=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}|x(t)|^2dt$$
  • 信号的频谱与带宽
    • 频谱：信号的频率范围
    • 绝对带宽：频谱宽度，最大减最小
    • 有效带宽：包含绝大多数能量的带宽，某频率区间的功率积分是总功率的一半（-3dB）
    • 直流分量：频率为0的部分
  • 数据率与带宽的关系
    • $R_b=2f$，$R_b$数据率，$f$带宽
  • 模拟/数字数据与模拟/数字传输
    • 模拟信号：放大器
    • 数字信号：转发器
  • 数字信号传输的优势
    • 大规模集成电路
    • 数据完整性
    • 容量利用率
    • 安全和保密
    • 综合性、存储
  • 传输损伤
    • 衰减：放大器与转发器解决
    • 失真
      • 衰减失真：高频失真多，衰减均衡和高频高倍放大解决
      • 时延失真：中心频率附近传输快，仅限数字信号，码间串扰
    • 噪声
      • 信噪比：$SNR_{db}=1o\lg{\frac{S}{N}}$
      • 热噪声：$N_0=kT$，$k$玻尔兹曼常量，$T$热力学温度
      • 互调噪声、串扰（双绞线扭绞）、冲激噪声
  • 信道容量：最大数据传输速率
    • 数据率bps，带宽Hz，噪声，误码率
    • 奈奎斯特带宽：信道无噪声时：$C=2B\log_2{M}$，$M$指信号的电平数
    • 香农容量公式：只有热噪声时：$C=B\log_2(1+SNR)$，$SNR=10^{0.1SNR_{db}}$为信噪比

第四章：传输媒体

  • 光纤
    • 优势：容量大，体积小，衰减小，电磁隔离，转发器间隔远
    • 折射率分类：
      • 阶跃型：折射率阶跃，会有失真
      • 渐变型：光路周期性汇聚
    • 模式分类
      • 单模、多模
  • 无线传播：高频天线小
    • 地波：-2MHz
    • 天波：2MHz-30MHz
    • 视距传播：30MHz-
  • 视距传播损伤
    • 自由空间损耗模型
      $$L=10\lg(\frac{4\pi d}{\lambda})^2dB$$

第五章：信号编码技术

  • 编码与调制技术
    • 数字信号传输：数字或模拟数据->(编码器)->数字信号->(解码器)->原数据
    • 模拟信号传输：数字或模拟基带信号<->(调制解调器)<->模拟信号
  • 数字信号编码格式
    • NRZ-L：高电平0，低电平1
    • NRZI：区间起始无变化0，区间起始有变化1
    • 双极性AMI：零电平0，正电平负电平1交替出现
    • 伪三进制：正电平负电平0交替出现，零点平1
    • 曼彻斯特：区间正中高到低0，低到高1
    • 差分曼彻斯特：区间正中总是变化，区间起始变化0，区间起始不变1
  • 扰码
    • 扰码产生替代连续电压的序列
    • 填充序列：提供足够的信息用于同步，可被识别替换还原，长度相同
    • 目标：不含直流，定时信息丰富，不降低数据率，可检错，易于判断还原
  • HDB3：会给出编码方式
自上一次替换后双极性 脉冲（比特1）数
前面脉冲的极性 奇数 偶数
- 000- +00+
+ 000+ -00-
  • 调制技术：开关键控载波
    • 振幅ASK：01由振幅表示
      • 相干解调：乘上同周期的信号，低通滤波
    • 频移FSK：不同频率表示01
      • 应用：话音，高频无线电（天波，同轴电缆局域网
    • 相移PSK：不同相位表示信息
      • 二进制相移键控：$0,\pi$
      • QPSK：四个相位，$\pm\frac{\pi}{4},\pm\frac{3\pi}{4}$
    • 正交调幅QAM：两个载波正交（差90相位，分别ASK，两个独立信号
    • 补点公式：
      • ASK，PSK
        $$B_T=(1+r)R$$
      • FSK
        $$B_T=2\Delta f+(1+r)R$$
      • MPSK
        $$B_T=\frac{1+r}{\log_2M}R$$
      • MFSK
        $$B_T=\frac{(1+r)M}{\log_2M}R$$
  • 模拟数据数字化
    • 脉码调制PCM
      • 定时采样，每次采样有几个bit进行量化
      • 压扩函数：非线性编码，振幅低的地方密集
    • 增量调制DM
      • 近似信号的导数，有过载噪声
  • 模拟调制系统
    • 模拟数据加载到载波，利于传输，允许频分复用，扩展带宽，抗干扰
    • 调幅AM
      • 数据与载波相加
        $$s_{AM}=[A_0+m(t)]\cos\omega_ct$$
        归一化，小于1时可以包络解调，否则只能正交解调
        $$s(t)=[1+n_ax(t)]\cos2\pi f_ct, n_a<1$$
    • 调频FM
      $$s(t)=A_c\cos[2\pi f_c+\varphi(t)],\varphi’(t)=n_fm(t)$$
    • 调相PM
      $$s(t)=A_c\cos[2\pi f_c+\varphi(t)],\varphi(t)=n_pm(t)$$
      与FM转化：频率可定义为相位变化率，因此将PM后面的积分即可得到FM

第六章：差错检测与矫正

  • 奇偶校验
    • 偶校验：末尾加校验比特，整个字符中的1的个数为偶数
  • 因特网校验和
    • 两个数字视为无符号二进制整数，相加，高位进位就在最低位加1
  • 循环冗余检验CRC
    • k位信息，生成n-k位比特，作为检验序列（会给出公式，公式最高位$X^{n-k}$
  • 块码原理
    • 2k+1的距离，最多检2k=$d_{min}-1$，最多纠k=$\lfloor\frac{d_{min}-1}{2}\rfloor$
    • 冗余度：(n-k)/k，码字共n位，k个信息位
    • 编码率：k/n