物联网通信技术复习知识点汇总

第一部分 概述第0章 概述l 物联网的框架结构信息的感知控制层 数据采集子层 短距离通信传输子层 协同信息处理子层网络传输层应用层l 物联网通信系统感知控制层通信 目的:将各种传感设备所感知的信息在较短的通信距离内传送到信息汇聚系统,并由该系统传送或互联到网络传输层。 特点:传输距离近,传输方式灵活,多样 承载平台：有线、无线等网络传输层通信：如基于IP的通信协议 由数据通信主机或服务器、网络交换机、路由器等构成,在数据传送网络支撑下的计算机通信系统。 可由公众电话交换网PSTN、全球移动通信系统GSM,码分多址CDMA、时分同步码分多址TDCDMA,数字数据网DDN、异步传输模式ATM,帧中继第1 篇 数据通信基础第1章 通信的基本模型与概念1. 基带信号：信源信息源,也称发送端发出的没有经过调制进行频谱搬移和变换的原始电信号,信号频谱从零频附近开始,具有低通形式。根据原始电信号的特征,基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号相应地,信源也分为数字信源和模拟信源。其由信源决定。2. 频带信号：已调信号。在通信中,由于基带信号具有频率很低的频谱分量,出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输,需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号,变换后的信号就是频带信号。3. 模拟通信系统模型4. 数字通信系统模型5. 通信系统的分类按调制方式分:载波调制脉冲调制 按信号特征分:模拟通信数字通信按传输媒介分:有线无线按信号复用分:频分时分码分6. 通信方式 单工通信半双工通信全双工通信 串行通信方式并行通信方式7. 信息量: 信息多少的量度。 在信息论中,认为信源输出的消息是随机的。即在未收到消息之前,是不能肯定信源到底发送什么样的消息。而通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后,尽可能多的解除接收者对信源所存在的疑义不确定度,因此这个被解除的不定度实际上就是在通信中所要传送的信息量。例,设二进制离散信源以相等的概率发送0或1,且相互独立,则信源输出的每个符号所含信息量为多少？ 消息的信息量：一条消息由若干个事件组成,如果 各事件相互独立,那么所有事件发生的概率即为各个事件信息量的总和例,一离散信源由0,1,2,3,四个符号组成,它们出现的概率分别3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的出现相互独立,则试求以下信息的信息量是多少？ 收到一个符号时获得的平均信息量例,一离散信源由0,1,2,3,四个符号组成,它们出现的概率分别3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的出现相互独立,则试求信息2010230213的平均信息量是多少？8. 数据通信系统中的主要性能指标 比特: 是信息量的计量单位,1位二进制数所携带的信息量即为1bit,例如,10010110是8位二进制数字,所携带的信息量为8bit。 码元： 是携带信息的数字单位,是指在数字信道中传送数字信号的一个波形符号,也即时间轴上的一个信号编码单元。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。 码元和比特的关系:一个以m波特传送信号的线路,其传送二进制数据的速率不一定是m比特/秒,因为每个信号可以运载几个比特,例如,若使用0、1、2、3、4、5、6、7共8个电平级,则需要23,即3个比特来表示一个信号值,可以理解为一个码元为三个比特。 信息传输速率:通信线路单位时间内传输的信息量,即每秒能传输的二进制位数,通常用Rb表示,其单位是比特/秒。 码元传输速率:其定义为每秒钟传送码元的数目,单位为波特,又可以称为波特率 码元速率和数据速率的关系:Rb=RBlbM 误比特率=传输中出错信息的比特个数/传输信息的比特总数*100%。 误码率=传输中的出错码元的个数/传输的码元的总个数*100%。 误码率与误比特率的关系:误比特率=误码率/ 信噪比是信号与噪声的平均功率之比 第2章 数据通信的基础理论1. 时域分析：在时域内对信号进行滤波、放大、统计特征计算、相关性分析等处理,统称为信号的时域分析。波长: 在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离,叫做波的波长周期：任一质点完成一次全振动所用的时间用符号T表示,周期的单位是s。频率：介质中任一质点在单位时间内完成的全振 动的次数,用符号f表示。单位是Hz.波速：单位时间内振动波形所传播的距离。2. 频域分析：在信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号x变换为频域信号X,从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。频域任一信号,只要符合一定条件都可以分解为一系列不同频率的正弦或余弦分量的线性叠加；每一个特定频率的正弦分量都有它相应的幅度和相位。3. 频谱：对于一个信号,它的各分量的幅度和相位分别是频率的函数；或者合起来,它的复数幅度是频率的函数。这种幅度或相位关于频率的函数,就称为信号的频谱。频谱图：当把信号频谱,即幅度或相位关于频率的变化关系用图来表示,就形成频谱图4. 傅里叶级数:展开其实只是在做一个动作,那就是把函数投影到一系列由三角函数构成的坐标轴上5. 傅里叶变换:傅里叶级数针对的是周期信号。即可针对周期信号,也可针对非周期信号的是傅里叶变换傅里叶逆变换6. 信号带宽:是信号频谱的宽度,也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差例：如果方波信号基频为500Hz,最高频率分量是11次谐波的频率为5.5kHz,其带宽只需要5kHz,远小于信道带宽,是否就能很好地通过信道通带为1.5kHz至15kHz,其带宽为13.5kHz呢？其实,该信号在信道上传输时,基频被滤掉了,仅各次谐波能够通过,信号波形一定是不堪入目的。7. 交换技术：电路交换、报文交换和分组交换电路交换：由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成。报文交换：报文交换是以报文为数据交换的单位,报文携带有目标地址、源地址等信息,在交换结点采用存储转发的传输方式。分组交换：分组交换仍采用存储转发传输方式,但将一个长报文先分割为若干个较短的分组,然后把这些分组携带源、目的地址和编号信息逐个地发送出去。分组交换有数据报和虚电路两种交换方式数据报：在目的地需要重新组装报文。优点：如有故障可绕过故障点。缺点：不能保证按顺序到达,丢失不能立即知晓。虚电路：在数据传输之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。它适用于两端之间长时间的数据交换。优点：可靠、保持顺序；缺点：如有故障,则经过故障点的数据全部丢失.第三章 数据通信中的信道1. 信道的模型2. 狭义信道:发送设备和接收设备之间用以传输信号的传输媒介定义为狭义信道3. 广义信道: 从研究消息传输的角度,我们所关心的是通信系统的基本问题,除了传输媒介,还包括调制器,加密,编码等部分,这种扩大了范围的信道叫广义信道。4. 恒参信道:信道的各项参数不随时间变化的信道,它对信号 的影响 是确定的。恒参信道是对信号的影响是确定的或者是变化极其缓慢的,通常包括明线,对称电缆,同轴电缆,光纤,卫星中继等。5. 随参信道:信道的各项参数 随时间变化的信道,它对信号 的影响一般是不确定的。随参信道是指信道传输特性承时间快速变化的信道,常见的随参信道有陆地移动信道,短波电离层反射信道,超短波流星余迹散射信道,超短波及微波对流 层散射信道等。6. 离散信道:信道中信号在时间和幅度上都是离散的,则信道是离散信道。7. 连续信道:信道中信号在时间和幅度上都是连续的,则信道是连续信道。8. 无记忆信道:信道的当前输出仅与当前输入有 关。9. 有记忆信道:信道当前输出不仅与当前输入有关,而且还与以前的输入有关。10. 模拟信道:传输模拟信号的信道。11. 数字信道:传输数字信号的信道12. 物理信道:一个实际存在的物理实体信道称为物理信道,包含实际存在的物理设备和传输物理媒质。13. 逻辑信道:采用多路复用技术在一个物理信道中来传输多路信号而划分的信道称为逻辑信道。14. 信道的容量:是衡量最大传输能力的重要参数。离散信道的信道模型用转移概率表示！连续信道的信道模型用时变线性系统来表示！15. 是发送端发送 的概率是信道输出符号为 而信道输入符号为 的条件概率.16. 互信息量:后验概率与先验概率之比的对数称为互信息量:17. 信道传输的平均信息量:例:设信息源由符号0和1组成,顺次选择两符号构成所有可能的消息,如果消息传输速率是每秒1000符号,且符号出现的概率相等。传输中,平均每100符号 中有一个符号不正确,试问这时传输的信息的平均信息量是多少？18. 信息传输速率:指信道在单位时间内所传输的平均信息量,用R表示,即例:设信息源由符号0和1组成,顺次选择两符号构成所有可能的消息,如果消息传输速率是每秒1000符号,且符号出现的概率相等。传输中,平均每100符号 中有一个符号不正确,试问这时传输的信息的速率是多少？19. 信道容量:一个信道的传输通力应用信道最大可能传输的速率来衡量,即对于一切可能 的信源概率分布,信道传输信息的速率R的最大值为信道容量,记为C信道容量定义为信道中每个符号平均所能传递的最大信息量,也就是最大 I 值。此时输入的概率分布称为最佳输入分布.20. 连续信道的信道容量:在有噪声信道中,若信道带宽为 ,信道输出的信号功率为 ,以及连续信道的容量为上式也叫香农公式。它表明,当信号与作用在信息上的起伏噪声的平均功率时,在具有一定频带宽度B的信道上, 理论上单位时间内可能 传输的信息量的极限值。电视图像可以大致认为由300000个小像元组成。对于一般要求的对比度,每一像元大约取10个可辨别的亮度电平例如对应黑色,深灰色,浅灰色,白色等。现假如对于任何像元,10个亮度电平是等概率出现的,每秒发送30帧图像；还已知,为了满意地重现图像,要求信噪比为1000即30dB.在这种条件下,我们来计算传输上述信号所需要的带宽。 每一个像元能以概率取10个亮度电平,所以每个像元的信息量 为每秒内传送的信息量为无线信道21. 双绞线Twisted Pair:双绞线是两根绝缘铜线相互缠绕而成的有规则的螺旋形介质,由1对线作为一条通信线路,计算机网络中常用的是由4对双绞线构成双绞线电缆。22. 同轴电缆Coaxial Cable以硬铜线为芯,外包一层绝缘材料和网状的外屏蔽层,上面又覆盖一层保护性材料。23. 光纤:光导纤维简称为光纤,它是发展最为迅速的传输介质。无线信道24. 无线电波:波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；25. 微波:波长从0.3米到10-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统；26. 红外线:波长从10-3米到7.810-7米；27. 可见光:这是人们所能感光的极狭窄的一个波段.波长从783.810-6厘米.光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波.由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；28. 紫外线:波长从310-7米到610-10米.这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出.由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强；29. 伦琴射线:这部分电磁波谱,波长从210-9米到610-12米.伦琴射线X射线是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；30. 射线:是波长从10-1010-14米的电磁波.无线电波的传播方式31. 地波传播：无线电波沿地球表面传播到达接收端的传播方式32. 天波传播：自发射天线发射的电波,在高空被电离层反射回来到达接收端的传播方式33. 地波-电离层波导传播:电波在地面-电离层传播,通常用来长距离通信。34. 视线传播：发射的电磁 波像光线一样直线传播或经过大地反射到接收端的传播方式。35. 散射传播：利用对流层或电离层中的不对称性来散射无线电波,使无线电波传播到视距以外的地方的传播方式。36. 外大气层及行星际空间电波传播：电波传播的空间主要是在外大气层或行星际空间,并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或星体为对象,在地空或空空之间传播方式。第四章 信源编码抽样1. 抽样：对模拟信号在时域上的离散化,即对一个时间连续,幅度也连续的信号转变成时间离散,幅度连续的信号的过程。2. 自然抽样：在调制中,得到的已调信号xs的脉冲顶部和原模拟信号波形相同。这种抽样常称为自然抽样。3. 平顶抽样：在实际应用中,则常用抽样保持电路产生的抽样信号,平顶抽样。4. 低通抽样定理：对于一个频率范围在0, fH范围的时间连续信号x, 若抽样频率fs 2fH,对其均匀抽样,则x被xs 完全确定,或者说抽样信号xs将无失真地恢复出x即若抽样频率fs 2fH,则Xs中包含的每个X互不重叠,就能够用一个低通滤波器分离X,也就是能从抽样信号中恢复原信号。这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率。与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔。5. 带通模拟信号的抽样定理：设带通模拟信号的频带限制在fL和fH之间,信号带宽B = fHfL。则此带通模拟信号所需最小抽样频率fsn 为小于 的最大整数部分,n =1,2,；量化6. 均匀量化：把输入信号的取值区域按距离均匀分割的量化称为均匀量化。即量化间隔是均匀的。7. 非均匀量化：把输入信号的取值区域按距离非均匀分割的量化称为非均匀量化。量化间隔随信号抽样值的不同而变化：信号抽样值小时,量化间隔D也小；信号抽样值大时,量化间隔Dv也变大。在信号发射端,为实现非均匀量化,信号需要进行适当的变换,通常这一变换过程称为压缩压缩 y = f,在信号接收端,信号需要进行适当的反变换,通常这一变换过程称为扩张扩张x= f-1,关于电话信号的压缩特性,国际电信联盟制定了两种建议,即A压缩律和m压缩律,以及相应的近似算法 13折线法和15折线法。我国大陆、欧洲各国以及国际间互连时采用A律及相应的13折线法；北美、日本和韩国等少数国家和地区采用m律及15折线法。8. 非均匀量化的过程：书上41页。9. 均匀量化和非均匀量化比较 若用13折线法中的第一和第二段最小量化间隔作为均匀量化时的量化间隔,则13折线法中第一至第八段包含的均匀量化间隔数分别为16、16、32、64、128、256、512、1024,共有2048个均匀量化间隔,而非均匀量化时只有128个量化间隔。因此,在保证小信号的量化间隔相等的条件下,均匀量化需要11比特编码,而非均匀量化只要7比特就够了。 10. 量化噪声：在语言编码通信中,解调后信号和原传递信号的差异是因幅度和时间的量化而产生的,这种失真称为量化失真。因为这种失真和杂乱的干扰一样,听起来和元件产生的热噪声相似,所以叫做量化噪声。11. 加性噪声：一般指热噪声、散弹噪声等,它们与信号的关系是相加,不管有没有信号,噪声都存在12. 脉冲编码调制PCM：是Pulse Code Modulation的缩写。脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样,使其离散化,同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化,同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。13. 逐次比较法编码原理：14. 自然二进制码、格雷二进制码,折叠二进制码书4515. 增量调制：增量调制的基本原理是于1946年提出的,它是一种最简单的差值脉冲编码。每个抽样值不是独立编码,而是先根据前几个抽样值计算出一个预测值,再取当前抽样值和预测值之差。将此差值编码并传输；基本量化噪声： 基本量化噪声e过载量化噪声： 过载量化噪声e第五章 数字基带传输1. 基带传输：不经过调制直接进行数字信号传输的传输方式2. 频带传输：将数字基带信号经过载波调制后传输的传输方式3. 码型: 数字信号的电脉冲结构。4. 码型变换:数字信息的电脉冲表示过程中传输代码之间的变换。码型变换相当于信道编码,其目的是使信号利于信道传输。5. 单极性码,6. 双极性码,7. 单极性归零码过渡码型：8. 双极性归零码,9. 差分编码10. 过渡码型,可以直接提取同步信号,是针对其他适合信道传输,但不能直接提取同步信号的码型,可将其变换为单极性归零码后提取同步信号！11. 带限系统对脉冲信号的影响：数字信号是由一个个脉冲组合而成的序列,其输入信号的频谱较宽,而信道对于信号的各个频率成分传输的衰耗是不同的,各个频率成分在经过不同衰减后,再叠加在一起的波形肯定与原来的有形状不同了。当一个脉冲通过低通信道号,输出的是一个时间上展宽的信号,这是由于输入冲激函数的频谱无限宽,而其中只有一部分能通过信道,这部分对应的时域信号就有一个长长的拖尾。12. 码间干扰：通信时,发送端是一个脉冲码元一个脉冲码元传输的,在接收端接收信号时,恢复数据时,信号的拖尾可能 会影响前一个码元和下一个码元的判决即它对其它码元的判决引起的干扰称为码间干扰13. 均衡：指对系统传输特性的补偿和校正。14. 均衡器：在基带系统中插入的可以校正或补偿的系统,其位置在接收滤波器之后抽样判决前。目的是减少码间干扰。15. 时域均衡：时域均衡,则是直接从时间响应考虑,使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。时域均衡原理：利用均衡器产生相应波形去补偿畸变的波形,关在最后通过抽样判决来最有效地消除码间干扰16. 时域均衡器：由横向滤波器构成,具有固定的延迟间隔,增益可调的多抽头滤波器。将输入端抽样时刻上有码间串扰的响应波形变成抽样时刻上无码间串扰的响应波形。17. 频域均衡：频域均衡是从频率响应考虑,使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件。18. 眼图：是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形。例：一个完整的眼图应该包含从000到111的所有状态组,且每一个状态组发生的次数要尽量一致,否则有些信息将无法呈现在屏幕上,八种状态形成的眼图如下所示。19. 眼图的几点结论 最佳抽样时刻应是眼睛张开最大的时刻； 眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度： 斜率越大, 对定时误差越灵敏； 图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围； 图中央的横轴位置对应于判决门限电平； 抽样时刻上, 上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限, 噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决； 图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围, 即过零点畸变,它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。 第6章 数字调制系统1. 调制 ：待传输的低频信号托附到高频振荡的过程就叫调制！2. 调制技术概念延伸：用基带信号来控制高频载波信号某个参数,即高频载波信号的某个参数的变化与基带信号的变化具有一一对应的关系！3. 按调制器的功能进行分类幅度调制：用调制信号s改变载波信号c的幅度参数！频率调制：用调制信号s改变载波信号c的频率参数！相位率调制：用调制信号s改变载波信号c的相位参数！4. 按调制信号的不同进行分类模拟调制、数字调制5. 按载波信号的不同进行分类连续波调制、脉冲调制6. 键控法：由于数字基带信号是离散的,即数字基带信号的每个码元仅表示一个状态,数字基带信号就像一个开关的键一样,所以数字调制采用的方法也叫键控法,即通过开关键控载波。幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK的基本原理7. 模拟调制法基本原理双边带调幅,相干解调设信号 的频谱为 ,将 乘以载波信号 ,得到信号的已调信号 即其中 称为调制信号, 称为载波频率, 称为已调信号.从频域上看,已调信号 的频谱为原调制信号 的频谱搬移到 处,幅度变为原来的一半,即如果利用相干解调方法, 即在解调的过程中,将接收信号 乘以载波 以后得到即将信号 通过低通滤波器, 只保留低频信号将得到 与 相比,除了幅度为原来的外,完全携带了原始信号的信息.8. 2ASK振幅调制：通过高频载波信号的输出有,无来表示数字基带信号0和1的。调制方法：直接相乘法、键控监控法解调方法：包络解调和相干解调非相干解调 相干解调 9. 2FSK振幅调制：通载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。调制方法：直接调频、频移键控法解调方法：包络解调、频移键控法、相干解调法、过零检测法、差分检测法直接调频: 是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率。频移键控法:用基带信号s分别控制两个电子开关,即分别与一个载波相乘即可得到调制后的2FSK信号,解调方法：包络解调和频移键控法包络检测法频移键控法相干解调过零检测法：过零检测法解调器的基本原理是,二进制频移键控信号的过零点数随载波频率不同而异,通过检测过零点数从而得到频率的变化差分检测法：输入信号经带通滤波器滤除带外无用信号后被分成两路,一路直接送乘法器,另一路经时延后送乘法器,相乘后再经低通滤波器去除高频成分即可提取基带信号10. 二进制相移键控2PSK：在2PSK中,通常用初始相位0和p分别表示二进制0和1。因此,2PSK信号的时域表达式为 式中,jn表示第n个符号的绝对相位： 2PSK信号的调制：调制方法：直接调制的方法 、相移键控法解调方法：相干解调法直接调制：键控法：2PSK信号的解调：由于2PSK是一单频信号,只能用相干解调方法来解调,该方法也称为极性比较法倒现象：在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊,即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相,也可能反相,这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反,即1变为0,0变为1,判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK 方式的倒现象或反相工作11. 相对相移键控DPSK：利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息,又称相对相移键控。假设Dj为当前码元与前一码元的载波相位差,定义数字信息与Dj之间的关系为国际标准调制方法：直接调相法 、移键控法 书上71页解调方法：相干差分译码和相位差分检测 书上71页相位差分检测用这种方法解调时不需要专门的相干载波,只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔,然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用,相乘结果反映了前后码元的相位差,经低通滤波后再抽样判决,即可直接恢复出原始数字信息,故解调器中不需要码反变换器。总结：幅度调制直接相乘法幅移键控法包络解调法、相干解调法频率调制直接法频移键控法包络检测法,相干解调法、过零检测法,差分检测法相移调制直接调相法相移键控法相干解调法相对相移调制直接调相法相移键控法差分译码解调,相位比较差分检测法第7章 差错控制技术1) 差错控制编码：为控制差错所采用的编码称为差错控制编码。基本原理概述：对二进制数字序列进行适当变化 使原来彼此独立,互不相关的信息码元序列产生某种规律,从而在接收端可根据这种规律来检测所传输信息的正确性或纠正传输中所产生的差错。 检错码：只能发现错误但不能纠正的编码叫 检错码。 纠错码：不但能发现错误还不能纠正的编码 叫纠错码。2) 码长：码组中码元的总位数,又称为码组长度。3) 码字的汉明重量：在分组码中,把码组中1的个数称为码组的重量,简称码重。4) 码距：把两个码组中对应位上数字不同的位数称为码组的距离,简称码距。码距又称汉明距离。码距反映的是码组之间的差异程度,比如,00和01两组码的码距为1；011和100的码距为3。5) 最小码距：多个码组之间相互比较,可能会有不同的码距,其中的最小值被称为最小码距。比如,000、001、110三个码组相比较,码距有1和2两个值,则最小码距为1。6) 纠检错能力与最小码距dmin的关系根据理论推导,可以得出以下结论：在一个码组内要想检出e位误码,要求最小码距为 dmine+1 在一个码组内要想纠正t位误码,要求最小码距为dmin2t+1 在一个码组内要想纠正t位误码,同时检测出e位误码et,要求最小码距为dmint+e+1 et7) 编码效率：分组码一般用符号n,k表示,其中n是码组的总位数,又称为码组的长度码长,k是码组中信息码元的数目,n-k=r为码组中的监督码元数目,或称监督位数目编码效率=信息码位数/码组总位数8) 差错控制方式：9) 前向纠错法FEC 接收端不仅能在收到的信码中发现有错码,还能够纠正错码。对于二进制系统,如果能够确定错码的地方,就能够纠正它。优点：不需要反向信道,也不存在由于反复重发而延误时间,实时性好,缺点：但是纠错设备要比检错设备复杂。10) 检错重发法ARQ：接收端在收到的信码中检测出发现错码时,即设法通知发送端重发,直到正确收到为止。 所谓检测出错码是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的,但不一定知道该错码的准确位置。采用这种差错控制方法需要具备双向信道。11) 混合纠错HEC ：这一方式实质上是 FEC和 ARQ方式的综合。当收端接收到少量错码时,就在接收端直 接纠正,即采用前向纠错方案；当错码太多超过其纠错能力时,则采用检错重发方式。HEC充分利用了前向纠错和检错重发系统的特点,性能较好。但需要双向信道,且系统设备较复杂。12) 信息反馈IRQ：接收端将收到的信码原封不动地转发回发送端,并与原发送信码相比较。如果发现错误,则发送端再进行重发,否则不做任何处理,继续发送后面的信息。这种方法原理和设备都较简单,但需要有双向信道,传输效率较低。13) 奇偶监督码：是数据通信中最常见的一种简单检错码,其编码规则是：把信息码先分组,形成多个许用码组,在每一个许用码组最后最低位加上一位监督码元即可。加上监督 码元后使该码组中1的数目为奇数的编码称为奇数监督码,为偶数的编码称为偶数监督码。对于偶数监督码必须保证 对于奇数监督码必须保证简单的奇偶监督码只能检测出发生奇数个错误的码组。14) 定比码：又称等比码或等重码,它的每个许用码组中含1、0的个数是固定的。编码时,取所有含l、0个数符合要求的码组为许用码组,其余则为禁用码组。15) 二维奇偶监督码：又称方阵码。二维奇偶校验码比一维奇偶校验码多了个列校验。因为比一维奇偶校验码多了个列校验,因此,其检错能力有所提高。除了检出行中的所有奇数个误码及长度不大于行数的突发性错误外,还可检出列中的所有奇数个误码及长度不大于列数的突发性错误。二维奇偶监督码不仅可用来检错,还可用来纠正一些错码。例如,当码组中仅在一行中有奇数个错误时,则能够确定错码位置,从而纠正它。16. 正反码：每一个正反码字由10个码元组成,其中5位信息码,5位监督码。当信息码中的1为奇数时,监督码和信息码相同：如信息码为10101 监督码为10101当信息码中的1为偶数时,监督码和信息码相反：如信息码为10010 监督码为01101步骤A. 在接收端,先将所接收码字中的信息位和监督位,按对应的位进行模2加,得到一个5位的合成码,然后用合成码产生一个校验码；B. 如果接收的码字中的信息码中1的个数为奇数,则合成码作为校验码,如果信息码中1个数为偶数,则合成码的反码作为校验码,C. 并根据书上表作判决。例如发送码为1010110101,接收码为1010110101, 合成码为 10101 10101=00000,因为接收码字中的信息码中1的个数为奇数个,因此校验码为00000,根据表7.3.1 无传输错误如发送码为1010110101,接收码为1010100101, 合成码为 10101 00101=10000,因为接收码字中的信息码中1的个数为奇数个,因此校验码为10000因根据表7.3.1 可看到错误发生在监督码1的位置上,故自动纠正为10101。17. 线性分组码定义 线性码中信息位和监督位是由一些线性代数方程联系着的,或者说,线性码是按一组线性方程构成的,且监督码元仅由本码组的信息码元确定。18. 循环码：若线性分组码各码字中的码元循环左移位右移位所形成的码字仍然是码组集合中的一个码字除全零码外,则这种码这是循环码。 将k位信息位对应的码多项式m乘以xn-k,得y； 用y除以生成多项式g ,得余式r ； 将余式r对应的码列出,即为其校验码监督码； 将信息码与监督码一起构成循环码。 例：信息码110,编7,3码信息码多项式m=x2+x生成多项式g=x4+x2+x+1即于是,编出码字1100000+101=1100101第九章 短距离有线通信技术1. 数据终端间通信的系统结构数据终端间通信时需要通过数据通信设备对数据信息进行某种变换和处理才能适合有线或无线信道的传输。2. 数据终端设备: 指物联网终端或物联网中的计算机设备、以及其他数据终端设备。3. 数据通信设备:可以是调制解调器、线路适配器、信号变换器等。4. 接口标准：对于不同的通信线路,为了使不同厂家的产品能够互联,DTE与DCE在插接方式、引脚分配、电气性能及应答关系上均应符合统一的标准及规范。5. 接口标准包括了机械性能、电气特性、功能特性、过程特性4个方面机械性能：涉及的是DTE和DCE的实际物理连接。例： 典型的是,信号以及控制信息的交换电路被捆扎成一根电缆,该电缆的两端各有一个终接插头,该插头或者是公插头、或者是母插头。位于电缆两端的DCE和DCE必须具有性别相反的插头,以实现物理上的连接。如一端为公插头、则另一端必须为母插头。电气特性：与电压电平及电压变换的时序相关。 DET和DCE都必须使用相同的编码,相向的电压电平必须不是相同的含义,还必须使用持续时间相同的信号元素等。这些特性决定了能够达到的数据传输速率和传输距离功能特性：定义的各种功能由具有不同含义的各种交换电路 来执行这些功能分为数据电路、控制电路、时序电路以及电气接地过程特性：定义了传输数据时发生的时间序列,它依据的是接口的功能特性。6. EIA RS-232C接口是美国电子工业协会于1969年颁布的一个使用串行二进制方式的DTE与DCE间的接口标准。RS是Recommended Standard的缩写,232是标准的标记号码。RS-232C接口标准是一种非常广泛使用的标准,它广泛应用在数据通信、自动化、仪器仪表等领域机械性能：第一排,从左到右共13针,第二排从左到右共12针。各针的功能如表所示。虽然RS-232C定义了25个引脚,但实际应用于串行通信时仅需要9个电压信号,即2个收发数据信号RXD和TXD、6个控制信号和1个信号地。电气特性：电气标准特性主要规定了发送端驱动器与接收端接收器的电平关系、负载要求、信号速率及连接距离等。在TxD和RxD上要求,逻辑1为-3V-15V；逻辑0为+3V+15V。在RTS、CTS、DTR和DCD等控制线上要求信号有效电压为+3V+15V,信号无效电压为-3V-15V功能特性： DTE/DCE接口连线的功能特性主要是各引脚的功能进行定义,并说明了它们之间的相互关系。RS-23C规定了21条信号线和25芯连接,表9.2.2为接口电路的功能约定。过程特性：见书114。7. RS-422A标准是一种以平衡方式传输的标准。平衡方式是指双端发送和双端接收,因此传输信号须采用两条线路,发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器。RS-422A标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条线间的电压差来决定的。当A的电平比B,的电平低-2V-6V时,表示逻辑0；当A的电平比B,的电平高+2+6V时,表示逻辑1。当A的电平比B的电平大于200mA时,表示逻辑1；当A的电平比B的电平小于200mA时,表示逻辑0。RS-422标准规定了发送端只有1个发送器,而接收端可以有多个接收器,这就意味着,它可以实现点对多点通信,最多可接256个节点。即一个主设备Master,其余为从设备Slave,从设备之间不能通信 。常用的RS-422A标准接口的芯片为 ： MC3487/MC3486、SN75174/SN75175等,它们是平衡驱动/接收器集成电路。8. RS-423A标准：是非平衡方式传输的,即以单线来传输信号,规定信号的参考电平为地。该标准规定电路中只允许有1个单端发送器,但可以有多个接收器。因此,允许在发送器和接收器间有一个电位差。标准规定逻辑1的电平必须超过4V,但不能超过6V；逻辑0的电平必须低于-4V,但不能低于-6V。RS-423A标准由于采用了差动接收,提高了抗共模干扰能力,因此与RS-232C相比,传输距离较远、传输速率较快。当传输距离为90m时,最大传输速率为100kbit/s；若传输速率为1kbit/s时,传输距离可达1200m。9. RS-485接口标准：是一种平衡传输方式的串行通信接口标准,它与RS-422A兼容,并且扩展了RS-422A的功能。RS-422A只允许电路中有一个发送器,而RS-485标准允许有多个发送器,RS-485采用共线电路结构,即在一对平衡传输线的两端配置终端电阻,其发送器、接收器、以及组合收发单元可以挂在平衡传输线上的任何位置,实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多路传输。RS-485接口标准的抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远。采用双绞线,不用调制解调器等通信设备的情况下,当传输速率为100kbit/s时,传输距离可达1200m；在9600bit/s时,传输距离可达15km。在传输距离为15m时,它的最大传输速率可达10Mbit/s。10. 通用串行总线：是一种串行技术规范,其主要目的是简化计算机与外围设备的连接过程,USB并不完全是一个串行接口,而是一种串行总线。目前,计算机设备均配置了多个USB接口,它可以接入种类繁多的外设,成为了计算机及数据通信等电子、电气设备的通用接口USB的方便性体现在可自动设置、连接便捷、无需外部电源、接口通用等方面。在连接方面,USB等外设可直接插入到计算机的USB接口上。不需要时,可直接将其拔下,USB设备的插拔不会损坏计算机和USB外设。 USB接口处包含了一个+5V的电源和地线接口,USB外设可直接使用接入系统的电源和地,因此USB外设无需提供额外的电源,但当所接入的系统所提供的电源功率不足时,才需要给USB外设供电。19. CAN现场总线：是在上世纪八十年代初,德国BOSCH公司为实现现代汽车生产中众多的汽车内部测量与执行部件之间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线,具有很高的可靠性,支持分布式控制和实时控制1通信方式灵活。CAN为多主方式工作,网络上的任意节点均可在任意时刻主动地向其他节点发送信息,而不分主从,且不需站地址等结点信息；2CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,以满足和协调各自不同的实时性要求；3采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时发送信息时,按优先级顺序通信,大大节省总线冲突仲裁时间,避免网络瘫痪；4CAN通过报文滤波实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送数据,无需专门的调度；5传输速率最高可以达到1Mbit/s,直接传输距离最远可以达到10km；6CAN上的结点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个。报文标志符可达2032种,扩展标准的报文标志符几乎不受限制；7短帧,传输时间短,抗干扰能力强,检错效果好。其中每帧字节数最多为8个,能够满足工业领域的一般要求,也能保证通信的实时性；8CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,保证了通信的可靠性；9CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成数据通信的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等；10通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活；11网络结点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能,使总线上其他节点的操作不受影响；12已经实现了标准化、规范化国际标准ISO 11898。CAN的通信协议基于如下5条基本规则进行通信协调：1) 总线访问。 CAN控制器只能在总线空闲时开始发送,并采用硬同步,所有CAN控制器同步都位于帧起始的前沿。为避免异步时钟因累计误差而错位,CAN总线中用硬同步后,满足一定条件的跳变进行重同步。信号使用差分电压传送,两条信号线被称为CAN_H和CAN_L。静态时均是2.5v左右,此时状态表示为逻辑1,也可以叫做隐性。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑0,称为显性,2) 非破坏性的位仲裁方式。当总线空闲时呈隐形电平,此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送,就会产生总线冲突。CAN总线采用载波监测/冲突避免的通信技术。载波监测的意思是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测到总线上有一段时间的空闲状态,一旦此空闲状态被监测到,那么每个节点都有均等的机会来发送报文。这被称为多主掌控。冲突避免是指在两个以上节点同时发送信息时,节点本身首先会检测到出现冲突,然后采取相应的措施来解决这一冲突情况。当总线出现发送冲突时,通过仲裁后原发送信息不会受到影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容,也不会对其发送产生任何时延。3) 编码/解码：帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列均使用位填充技术进行编码。在CAN总线中,每连续5个同状态的电平插入一位与它相补的电平,还原时每5个同状态的电平后的相补电平删除,从而保证了数据的透明。4) 出错标注：当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时,检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。5) 超载标注：一些CAN控制器会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。Can 2.0 报文的帧格式：数据帧,远程帧,错误帧,超载帧第十章 短距离无线通信技术1. 蓝牙：是一种支持设备短距离通信一般10m内的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换2. 蓝牙特点1) 功耗低：由于蓝牙在的链路管理器中有功耗管理功能,可以根据工作状况对功耗进行有效的管理。在不通信时,系统自动进入休眠模式,来降低功耗。典型的蓝牙通信峰值电流一般不超过30mA,低功耗蓝牙峰值电流不超过15mA。蓝牙的三种类型的功耗分别为,远距离蓝牙发射功率为100mw ,典型蓝牙发射功率为2.5mw,低功耗蓝牙的发射功率为1mw2) 通信速率高：作为一种短距离无线通信技术,蓝牙具有通信速率高的特点。低功耗的蓝牙,其空中的传输速率可达1MbPs,实际有效数据传输速率可达200KbpS以上；高速蓝牙空中的传输速率可达3MbPs,实际有效数据传输速率可达2.1MbPS。3) 工作频段不受限制：蓝牙工作在2.4 GHz的ISM波段,而全球大多数国家的ISM频段范围是在2.4 2.4835 GHz,4) 可靠性高：蓝牙采用跳频扩频技术,可以降低受同频的干扰影响,还由于载波频率的不停跳变,使监听设备很难达到载波同步,而无法侦听。蓝牙网络提供了三种安全模式：模式一,无加密；模式二,应用层加密；模式三,链路层加密。5) 通信距离短：蓝牙通信典型的通信距离为10m。但它是一种通信距离随功率而变的通信技术6) 成本低廉和技术成熟7) 应用范围广3. 蓝牙组网：1) 主从设备：主动提出通信要求的设备是主设备,被动进行通信的设备为从设备。1台主设备最多可同时与7台从设备进行通信,并可以和多达256个从设备保持同步但不通信。首先提出通信要求的设备称为主设备,被动进行通信的设备称为从设备。一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave最多可超过200个保持同步但不通信。2) 微微网：1台主设备和1台以上从设备构成的网络称为微微网皮克网：Piconet。一个蓝牙单元作为微网的主单元,其余的可作为从单元看待。在一个微网中最多可有七个活动从单元,更多的从单元被锁定在休眠状态中,微微网的信道特性由主设备决定的,主设备的时钟作为微微网的主时钟,所有设备的时钟需要与主时钟同步。3) 微微网内通信：一旦组成了微微网之后,同一个微微网内的2个设备之间进行通信,必须经过主设备进行中转。即使设备之间相聚很近,分别处在对方的传输范围之内,它们之间也不能建立链路进行通信。微微网中,主从设备以轮询的调度方式。主设备首先启动发送过程,传送数据给从设备,或者询问从设备是否有数据传送给主设备。从设备随后回应是否收到主设备发送的数据,或发送数据给主设备。没有被轮询到的从设设备则不被请允许传送数据,直到被轮询才可以被传送。4) 扩散网：若两个以上的Piconet之间存在着设备间的通信,则构成了蓝牙的扩散网路。连接两个或两个以上扩散网节点称为桥节点/网关节点。桥节点可以在多个微微网中都充当从设备,这样的桥节点称为从/从桥。桥节点可以在多个微微网中即充当从设备,又充当 主设备,这样的桥节点称为主/从桥。相邻微微网之间的2种基本的通信模型,即分级结构与平面结构。4. 蓝牙系统的构成无线射频通信模块：它以无线LAN的IEEE802.11 技术为基础,使用2.4GHz的ISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线,以天线电平为0dBm的基础上建立空中接口,并遵从美国联邦通信委员会有关 0dBm电平的ISM频段标准。发射功率可达100mW。系统最大跳频速率1600跳/秒,在2.402GHz到2.480GHz之间,采用了79个间隔为1MHz的频点来实现。系统设计的通信距离为10m,如经过增大发射功率,其通信距离可达到100m。基带与链路控制模块：链路控制单元的作用是用于基带链路控制器的数字信号处理,并且由基带链路控制器处理基带协议和其他一些低层的常规协议。链路控制单元的主要功能如为：建立物理链路以及网络的连接包括面向连接的同步链路SCO、异步链路 ACL以及微微网、进行差错控制、在物理层提供验证加密,以保护链接中的个人信息不外露。链路管理器：其主要作用是用于链路的数据设置、鉴权、硬件配置等一些协议,并发现其它蓝牙设备的链路管理,然后通过链路管理协议LMP 建立通信联系。链路管理提供了诸如发送/接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商及建立等功能。高层协议：蓝牙基带协议结合电路交换和分组交换机,适用于语音和数据传输。蓝牙软件构架规范要求从设备支持基本水平的互操作性。蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求,对某些设备,涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对像交换格式。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能。主机控制器与主机控制器接口：主机控制器提供了与蓝牙应用模块的控制接口,包括数据总线、控制总线等。主机控制器接口是与蓝牙通信相结合的中间环节。两者相互配合,共同完成蓝牙通信与应用。5. 蓝牙协议体系蓝牙的核心协议由基带、链路管理、逻辑链路控制与适应协议和服务发现协议等四部分组成。第十一章 无线传感器网络1. 无线传感器网络Wireless Sensor Network, WSN：就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息,并发送给观察者。2. 无线传感器网络的三要素： 传感器、感知对象、观察者。3. 无线传感器结点结构：由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成。4. 无线传感器网络协议体系结构：5. 无线传感器网络的特点：电源供给有限；通信能力有限；计算能力有限；网络规模大,分布广；自组织,动态性网络；以数据为中心；与应用相关的网络第十二章IEEE802.15.4及ZigBee 协议规范1. IEEE802.15 系列：IEEE 802.15是由IEEE制定的一种蓝牙无线通信规范标准,基于蓝牙的个人局域网标准,应用于无线个人区域网。2. 标准：是短距离无线通信的个域网WPAN标准。该标准规定了个域网PAN中设备间的无线通信协议和接口。1) 标准采用了CSMA/CA载波侦听Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,CSMA/CA,多址接入/冲突检测的媒体接入或媒体访问控制方式,网络的拓扑结构可以是点对点或星形结构。2) 通信协议主要描述了物理层和MAC层标准,通信距离一般在数十米的范围之内。的物理层是实现WSN通信基础,3) 定义