最新型号:

微信扫一扫
关注我们

当前位置:首页 >> 技术资料 >> 通信与网络 >> 通信网络底层知识梳理

通信网络底层知识梳理

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2017/08/09 | 184 次阅读

  一、相关概念
  无源器件:指工作时不需要外部能量源的器件,电容电阻
  有源器件:指工作时需要外部能量源的器件,该器件有个输出,并且是输入信号的一个函数,LED、比较器等
  高频通信的好处:
  1 无线通信中,为获得较高辐射效率,天线尺寸必须与波长差不多,因此只有高频(短波长)信号能满足要求。
  2 可把多个基带信号搬移到不同的频段的载波信号上,实现信道复用,提高信道利用率。
  3 频率越高,衰落越大,因此对基站的发射机有更高要求,同时其频段内用户数量少,抗干扰能力自然更好。
  模拟通信系统两种基本变换:
  1 发送端消息转换为电信号,接收端作逆变换
  2 基带信号变换为适合在信道中传输的信号,即调制和解调
  基带信号:频谱从零频附近开始的原始信号,如语音信号频谱300~3400Hz,图像信号频谱0~6MHz
  带通信号:基带信号经调制后都具有带通特性,故称带通信号
  带宽与宽带:
  带宽定义一:两频率间的差值,即某个特定频率成分占据的频率范围。
  带宽定义二:单位时间内,通信网络中某一点到另一点所能传输的数据量。数字通信(二进制)带宽的计算公式是 时钟频率*总线位数/8
  比特率和波特率:
  波特率: 每秒传输码元个数(批注:每个码元可以取2、4、8...个可能值)
  比特率: 每秒传输的二进制位数.单位bps
  两者关系: (比特率)S = (波特率)B Log2 N (码元可能值的个数)
  讨论带宽时,一般采用波特率,讨论线路实际传输数据的能力时,一般采用比特率.
  宽带是相对窄带而言的,一般带宽较大,能满足一般需求的通信网络称为宽带.
  PCM: pulse code modulation,脉冲编码调制。对音频、图像、视频信号的离散化、数字化的一种编码方式,由取样、量化和编码三个基本环节构成
  并行通信和串行通信:从原理上讲,并行通信拥有更多数据线,理应拥有更高的信息传输能力。但现实并非如此,因为并行传输的前提是各路信号同一时序传播且同一时序接收,时钟频率过高时各路信号难以合拍,布线稍有差异就会引起错误。另外,并行线路占用了更多空间,消耗更多成本。因此近几年串行通信技术回归主流,典型代表无疑就是USB
  同步通信和异步通信:同步通信要求发收双方具有同频的时钟信号,只要传送报文前添加同步字符即可;异步通信无需同步时钟,两字符间的时间间隔是不固定的,所以比较自由,但要求接收方时刻做好接收准备,异步通信的优点正在于此,缺点是每个字符帧都包含起始位和停止位,有效信息位占比降低。
  信道中的干扰分为有源干扰和无源干扰:有源干扰即来自外界的因素产生的干扰,一般指噪声;无源干扰即与外界因素无关的干扰,即信道本身传输特性不良。
  无线通信中,根据通信距离、频率和位置的不同,电磁波分为地波、天波和视线传播三种:
  地波:频率较低,2MHz以下,沿地球表面传播,有一定绕射能力,传播范围数百千米到数千千米
  天波:(2~30MHz)依赖电离层(距离地面60~400千米)反射传播,通过这种方式覆盖到地面上可能不是连续区域。经多次反射后传播距离可达10000千米以上。
  视线:30MHz以上,即像光波那样沿直线传播,为了扩大传输距离,最简单的办法就是提升天线高度,有公式天线高度h=pow(d,2)/50,d为传输距离,由于视距传输距离有限通常可以采用无线电中继的方法,即多次转发实现远程通信。理论上有一个较好的方法全球覆盖,即用三个相对静止卫星做中继站,这样增加了一次转发可达距离,但是提升了对发射功率的要求,也增加了传输延时,另外发射卫星也是个巨大的工程。今年来一个类似的想法是平流层(17~22km)通信,即把基站用冲氮飞艇悬在半空,这样只要250个飞艇就能覆盖全球90以上人口和地区,性价比极高。
  有线信道主要分为明线(裸线,传输损耗低,但易受环境影响),双绞线(对称电缆)和同轴电缆。
  信道特性的描述可以用幅频特性或者相频特性,无失真的传输要求幅频特性曲线是一条直线,即振幅与频率无关,相频曲线为一条过原点的直线,即传输时延与频率无关。幅频特性不理想则称有频率失真、相位特性不理想则称为有相位失真,两种失真都是线性的,故可以通过线性补偿解决。
  热噪声,一种自然噪声,导线、电阻、半导体内部电子热运动产生的噪声,不可避免,也称白噪声,由于其噪声是自由电子运动产生,具有正态分布特性,故又称高斯白噪声。
  vsb残留便带调制是介于dsb双边带调制和ssb单边带调制之间的一种调制方式,它既克服了dsb信号占用频带宽的缺点,又解决了ssb信号实现中的困难。
  DSB一般用于点对点通信,其他应用较少。
  SSB一般用于频分多路复用系统,带宽利用和功率利用都较好。
  VSB抗噪声性能与频带利用率与SSB相当,一般用于电视广播系统。
  AM是最简单的调制方式,但抗干扰能力差,功率利用率低,一般用于中短波调幅广播。
  FM抗干扰能力强,在长距离高质量通信中常用,如卫星通信、调频广播电台等。
  数字调制与模拟调制基本原理相同,但数字信号具有取值离散的特点,一般有两种数字调制技术方法,一是用模拟调制的方法调制数字信号,将数字信号视为待调制信号的一个特例;而是使用键控法(2ASK,2FSK,2PSK)。
  模拟信号的数字化:抽样、量化、编码。其中量化分为均匀量化和非均匀量化,对小信号而言,信噪比较小,均匀量化并不科学,例如话音信号,因此有了A律和u律等非均匀量化法。我国采用的是A律13折线。美国日本使用的是u律。
  以A律13折线为例简要介绍编码方法,13折线法8位,c1位表示正负,c2~c4位表示8个非均匀划分的段落,c5~c8表示16个均匀量化的电平。
  按照加性干扰引起的错吗分布规律不同,信道分为三类:随机信道、突发信道、混合信道
  随机信道:错码随机出现,相互统计独立
  突发信道:错码集中出现,在一些短暂的时间片上集中,之后又存在较长的无错码段
  混合信道:上面二者共存的信道
  四种主要差错控制技术:
  1 检错重发:在发送时附加监督码元,接收端利用这些码元检测到有错时,通知发送端重发,它的局限是不能判断错码位置以及如何纠正,如奇偶校验。
  2 前向纠错(FEC:forward error correction):能纠正错码,优点是不需重发,没有因反复重发引发的时延。
  3 检错删除:即以码元为单位,发现错误码元即删除,这种方式使用于少数特定系统,那些即使删除部分码元不影响接受的系统。
  4 反馈校验:无需差错码元或监督码元,接收端接到码元后回发给发送端,在发送端进行比较,如一致则认为无错,否则重发。这种技术优点是简单易理解,缺点是需要双向信道且传输时间翻倍,且有可能发送过来时无错回发时出错也被判错,降低了传输效率。
  在评价信道的检错能力时有一个矛盾点,即检错能力与冗余度(监督码元数目与总码元数目之比)的矛盾,一般来讲,检错能力越强,需要越多的监督码元,冗余度也越高,作选择时应根据具体情况取舍。
  四个同步:
  1 载波同步:即在接收端产生一个和接收信号的载波同频同相的本地震荡,供解调器使用。
  2 码元同步:即在接收端产生一个与接收码元严格同步的时钟脉冲序列,确定接收码元的起止时刻,以便判决。
  3 群同步:即帧同步,即在发送端插入辅助同步信息,确定帧接收的起止时刻。
  4 网同步:在多个通信对象组成的数字通信网中,为了使各站点保持同步,还需解决网同步的问题。例如时分复用通信网中,为了正确地将来自不同地点的两路时分多路信号复接时,就需使各路信号同步后开始合并。
  有线通信和无线通信:
  1 理论上讲,无线通信速率要优于有线通信,无线通信介质是空气或真空,传输速率接近光速,有线通信是不可能达到的,一来介质的限定,而来不可能实现直线传播。假若实现月亮和地球的点对点通信,无线通信必须建立中继站,否则月球背对我们的时候是无法通信的
  2 有线通信开通必须架设电缆,面临挖沟和架线的问题,时间成本和材料、人力成本较高,另外,除电信部门外,其他部门没有在城区内挖沟铺设电缆的权力,相比之下,搭建无线通信系统成本更低
  另外时间成本优势在应急、抗灾时的无可替代性将被凸显
  3 有线通信系统的通信质量会随着线路扩展急剧下滑,超过5公里后误码率提升,传输速率下降,而对于无线扩频通信(扩展带宽)方式,50公里内几乎没有影响
  4 有线通信铺线受地理限制,不能任意铺设,无线通信覆盖范围广,几乎不受地理条件限制
  5 在后续改善通信方面,无线通信仅需架设扩频设备,而有线通信光缆深埋地底下,灵活性极低
  6 当出现故障时,有线网络需沿线检查,难以及时找出故障点,而无线扩频通信很容易试出故障点,维护扩频电台即可,可快速恢复通信。
  7 安全方面,无线电路可能被搭线监听,而无线扩频通信本身就起源于军事上的防监听,广袤的频带大大提升了监听的难度。
  综上,无线通信在时间、财力、人力上的低成本,安全性、灵活性、可维护性等方面具有很大优势。有线通信目前的优势在于媒介的限定提升了稳定性、减少了对人体辐射。无线通信信号较差原因在于母机与子机之间可能存在障碍物,而高频无线信号的衍射能力是比较弱的;此外也有可能是(来自家电)同频段信号的干扰
  IPV4:32位,约40亿个地址,这个分配是非常不均的,北美独占30亿个,中国才3千万,仅相当于一个麻省理工学院,擦
  IPV6:128位,多的不好形容了,一般用8*4个十六进制数表示
  0000:3333:6666:9999:CCCC:FFFF:0000:0000
  通信网:指多点之间传递信息的通信系统。(批注:仅两点间传递信息的通信系统称为专线)
  通信网的基本组成:终端设备、通信链路、交换设备,有些还有转发设备。
  通信链路:占用给定空域和频域的通信渠道。其占用的空域可以是大气层、水下或者人造电磁传到煤质,前者为无线通信,后者为有线通信。
  时分复用:TDM time-division multiplexing 一条链路在不同时间段内可以被不同用户使用
  频分复用:FDM frequency-division multiplexing 给定频带划分给不同用户使用,要求总频带大于各个子频带之和,同时为保证安全性,各个子频带之间会有一段隔离带
  信令:网络中传输的信号一般包括两部分,一是使用信息(语音、数据包等),二是控制信息(还有计费、监控信息等),即信令。
  终端设备:发送和接收信号的设备。包括电话机、传真机、电台、计算机
  交换设备:依照信令将通信链路传来的信号转接到另一条链路
  路由器:网络通信的交通警察,负责信息的分流,与交换机的区别在于,交换机处于osi模型的第二层数据链路层,而路由器处于第三层网络层。两者工作时使用不同的控制信息。
  综合业务数字网:Integrated Services Digital Network , ISDN
  20世纪80年代诞生,主要是将电话、电报等低速率业务,综合在一个通信网中传输。
  随着视频、多媒体信号传输需求的逼近,传统的低速率(2Mb/s以下)传输已经不能符合需求了,随之诞生了宽带综合业务数字网 Broadband ISDN ,故将前者又称为窄带综合业务数字网 Narrowband ISDN
  随后,随着通信技术向个人通信方向发展,蜂窝网应运而生
  通信网拓扑结构:
  1 网形:要求任意两节点间都有一条链路直接相连,故假设N个节点的话,会有N(N-1)/2条链路,当节点增加时,链路条数急剧上涨,且链路利用率低,经济性差,它可以不需要转发设备,但是若各节点有转发功能,则系统可靠性极高
  2 星形:除中心节点外,其他节点间的通信都需要中心节点转接。从可靠性上考虑,极度依赖中心节点,中心瘫痪,全局皆崩
  3 环形:每个节点都有转发功能,任意两点间有两条可达路线,这一点好于于星形,但多次转发可能带来较长延时,可靠性也可能降低
  4 总线形:利用一条总线连接所有节点,总线一个时间段只为两个节点通信服务,节点数目较多时会有较大延时,故它跟环形一样不适合节点过多的网络
  几项典型的通信网:
  1 电话网:以公共交换电话网(PSTN Public Switch Telephone Network)为例
  本地网:一般各电话机通过用户线接到端局,一个端局内部一般是星形网,端局与汇接局通过(中继线)大容量电缆连接
  国内长途网:分为四级树状结构
  国际长途网:每个国家至少设定一个,连入国际网
  我国目前的公用电话网中电话机到端局的用户线是模拟线路,端局中继线是数字线路
  电话机信令分为两类:拨号脉冲和双音多频
  拨号脉冲:每个脉冲占100ms,脉冲个数表示数字(0用十个脉冲表示),平均拨号时长是0.55秒
  双音多频:16组频率组合使用,两位表示一个数字,共可表示16种,已经投入使用12种,除十个数字外还有*和#
  电话网性能指标有两个:话务量和呼损率
  话务量:单位时间内 每次平均呼叫时间*呼叫次数
  成功话务量:单位时间内 每次平均呼叫时间*呼叫成功的次数
  呼损率:
  1 - 成功话务量/话务量
  2 数据通信网:传输内容包括信件、语音、图片、视频、计算机软件、数据、控制指令等,事实上当前数据通信网已经部分取代电话网,但尚未完全取代
  依据覆盖范围,可划分为局域网和广域网
  通信协议:即数据通信网中的信令
  通信网中交换方式分为两大类:电路交换和信息交换
  电路交换要求通话时间内有一条通信电路始终处于连接状态,这会造成时间上的浪费,信息交换是按照存储-转发方式工作的,即发送端发来的信息先保存起来再按信令转发,直到达到目的地,这节省了时间片,但也随之带来了延时的问题,一个缓冲延时问题的方法是分组交换,即将整个报文分成若干组,分别编号传输,这样多路并行虽不能保证每组信息都准时到达,却能保证一定的实时性,另外,若分组数据都经过同一路由并用同一方式处理,可以认为这是一条虚拟信道。
  通信协议:拨号脉冲长度、双音多频的频率、拨号音和忙音等的频率和持续、间隔时间等一系列终端和交换设备必须遵守的规定。
  OSI七层:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
  TCP/IP四层:网络接口层(HDLC)、网络层(选择适当路由和交换节点,使数据透明地传输到目的地IP,IPX)、传输层(TCP/UDP)、应用层(HTTP、SMTP、FTP)
  以太网:局域网的典型代表。星形结构,中心是集线器
  集线器分两大类:转发网络集线器(将某一台设备上发送的信号转发给所有其他连接的设备,目标设备选择接收,非目标设备选择放弃)和开关网络集线器(只向目标网络集线器发送信号)
  光纤电缆分两种:单模光缆(直径短,带宽高,但连接困难,一般用于远距离传输)和多模光缆(一般用于局域网)
  以太网中,数据是以帧为单位进行交换的,这里必须提到的一个技术是CSMA/CD带碰撞检测的载波侦听多址访问,即任何设备在发送数据前先确认网络是否忙碌,只有空闲状态下才发送信息,但是这里有个问题,如果两台机器同时判定空闲,同时发送信息就会引发冲突从而导致数据包毁坏,解决办法是确认空闲后等待一个随机决定的时间重新发送,这样随机数小的网络设备先发送,这个随机决定的时间叫做补偿时间。根据网络的拥挤程度,可以调整最大补偿时间值,当较为拥挤时扩大它的值,相反则可以减小之。
  以太网中的帧,即数据包包含两部分,报头和报文,类似于信封和信件内容,信封理所当然包含接收端和发送端的地址,以及监督码,报文则是有效信息内容。最开始是64位的前同步码(56位1010101010.。。)和帧首界定符(8位10101011),随后接收端mac址(48位,全部为1时表示广播址,即对所有相连设备发送)和发送端mac址(48位),类型字段(16位,上层协议),数据(最大12000位)和错误检验校正码(32位)。
  蜂窝网:移动通信网典型代表,1981年瑞典爱立信在北欧建立第一个蜂窝网。蜂窝网中每个小区域用一个六边形包含,这样的优点是可以无缝覆盖整个区域同时单位区域也接近圆形,在微波频段附近,电磁波仅在视距范围内传播,距离较远时使用同一频段相互之间没有影响,为保证安全性,相邻两个单元不使用同一频段,即便这样,也可以极大的复用频段,当用户激增时,可以减小服务半径(降低基站天线高度和发射功率)进一步复用频段。
  蜂窝网的缺陷是要求每个单元的中心建一个电台,即基站,理论上讲可以无缝的覆盖全球,但沙漠、海洋、山区是不大可能建立蜂窝网的,因此未来的希望可能是卫星移动通信网,典型代表是“铱”系统,它实现了全球覆盖,但如要提升性能则需要更高的技术,添加卫星、降低高度、提升速率等。
  二、通信发展史(三代)及其主要特征
  第一代:模拟通信,主要特征为频分多址技术
  英文名称:frequency-division multiple access;
  FDMA 定义:利用不同的频率分割成不同信道的多址技术
  这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号;任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转,因而必须同时占用4个频道才能实现双工通信。不过,移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的,它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的,通信结束后,移动台将退出它占用的频道,这些频道又可以重新给别的用户使用。
  第二代:数字通信,主要特征为时分多址技术和码分多址技术
  time division multiple access 简称tdma
  原理就是时分复用,把信息按帧传输,每一帧分多个时隙(比如32个),每个时隙为一个特定用户传输信号。
  随着通信网发展,时分复用设备的各路输入信号不再是单路模拟信号,在通信网中又多次多重复用,低层次复用信号经过整合再次复用构成高层复用信号,这个过程称为复接。
  code division multiple access 即cdma
  它不同于时分复用技术和频分复用技术,而是利用不同的如波形类特征来区分子信道,引用以前看到的网友的一个比方,一群人在一个大房子里,如果他们用一样的语言(波形)一起说话,我们就很难区分哪些信息是要接受的,但是如果他们使用不同的语言说话,我们就能够过滤掉那些不感兴趣的信息,这便是cdma的基础,因此不需要分频段或是时隙就可以同时传输多路信号,提升了信道利用率,进一步提升了传输速率。
  数字通信相对于模拟通信有很多好处,主要是抗干扰能力强、传输差错可控、安全性高等,但数字通信有一个缺点就是一般需要较大的传输带宽,以电话为例,一路模拟通话只占用4kHz带宽,但一路接近同样话音质量的数字电话要占据20~60kHz带宽。
  第三代:多媒体通信,相较于第二代主要是带宽的改进使得其具备传输图像、多媒体等数据的能力。
  同样使用了tdma和cdma技术,通信能力进一步提升。
  现在我们正在历经第四代通信技术的改革,其实纵观通信发展史,都是不断提升的用户需求拉动的变革,那话怎么说来着,没什么是革命性的,全是进化。通信、计算机或者说整个IT行,就是这样。我们网页开的慢啊,网银安全问题啊,游戏延时啊等等都是拉动技术变革的动力。
  三、通信业划时代事件
  1 莫尔斯电报:1844年5月24日,莫尔斯向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹!”,此举开创了人类用电信号传输信息的历史。(说到这里,还有一个故事必须提到,1912年“泰坦尼克”号撞到冰山后,发出电报“SOS,速来,我们撞上了冰山。”几英里之外的“加利福尼亚”号客轮本应能够救起数百条生命,但是这条船上的报务员不值班,因此没有收到这条信息。从此以后,所有的轮船都开始了全天候的无线电信号监听。)
  2 电话:1892年纽约芝加哥的电话线路开通。电话发明人贝尔第一个试音:“喂,芝加哥”,这一历史性声音被记录下来。

技术资料出处:捷配电子市场网
该文章仅供学习参考使用,版权归作者所有。
因本网站内容较多,未能及时联系上的作者,请按本网站显示的方式与我们联系。现在联系我们

顶我一下 1次

关闭】【推荐】【打印】【收藏此页

本文已有(0)篇评论

发表评论

验证码:  验证码,看不清楚?请点击刷新验证码

字符数不能超过255

用户评论

  • 暂且没有评论!
IC现货资源
PCB打样
PDF资料