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1、第3章 数据通信基础知识,2,学习目标,信号分类：模拟信号和数字信号 通信分类：模拟通信和数字通信 数据传输率及其表示 多路复用技术：频分、时分、波分 数据交换技术：电路、报文、分组 调制解调器（modem）,3,本讲主要内容,基本概念,数据通信理论,多路复用,数据交换技术,传输介质,调制解调器,4,基本通信理论,数据在信道中是以电信号的形式传送的，电信号分为模拟信号和数字信号两种。,模拟信号是连续变化的电压或电流波形,数字信号是一系列表示数字“0”或“1”的电脉冲（又程码元）。,数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。,5,数据通信中的几个主要指标,1.带宽 信
2、号占据的频率范围，称为信号的带宽。 信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围,2.信号传输速率 信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特（baud） 。 注意：带宽为B的信道，要输出数字信号，其采样速度最高为2B即可（高于此则无意义）,6,数据通信中的几个主要指标,3.数据传输率 数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的位数，单位b/s、Kb/s、Mb/s，简写为bps、Kbps、Mbps。 数据传输率和信号传输速率的关系： S=2Blog2N,S 数据传输率， B 信号传输速率，N 电平个数,7,电平变化,8,4.信道容量 信道容量用来表征一个信道传输数字信号的
3、能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能支持的最大数据传输速率。 理想信道的容量（Nyquist定理） Rmax=2Blog2N（bps）,N 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps,话音级线路的信道容量计算 (3000 Hz),数据通信中的几个主要指标,9,1942年，Nyquist证明：如果一个任意信号通过带宽为B的理想低通滤波器，若每秒取样2B次，就可完整地重现该滤波信号。在理想的条件下(即无噪声),有限带宽为B的信道，其最大的数据传输速率C(信道容量)为 Cmax=2Blog2N（bps） 也称奈奎斯特(Ny
4、quist)定理或取样定理。式中N是离散性信号或电平的个数。,奈奎斯特(Nyquist)定理,10,例1 对一个无噪声的3000Hz信道，若传送二进制信号，试问可允许的数据传输速率是多少？,解 由于传送的二进制信号是“1”、“0”两个电平，所以N=2;又因为B=3000Hz，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=6000(b/s)。,举例,11,例2 一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？,解 由于8相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为8，即N=8，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=24000log28=24k（bps
5、）。,举例,12,有噪声信道容量（Shannon定理） Rmax=Blog2(1+S/N)（bps） S/N （信号功率/噪声功率）信噪比（dB分贝）,信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10S/N表示， 单位是分贝（dB）。 对于S/N10的信道，称其信噪比为10 dB； 同理， S/N100的信道，称其信噪比为20 dB；,Shannon定理,13,5.误码率 传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标,误码率=传错的位数/传送的总位数 Pe= Ne / N,数据通信中的几个主要指标,14,多路复用技术,定义 复用就是共享使用公共信道,作用
6、 采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。,15,多路复用的基本概念,16,FDM (频分复用),WDM (波分复用),TDM (时分复用),CDMA (码分多址),复用技术主要有以下四类,复用技术的分类,17,频分多路复用,当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（Frequency Division Multiplexing, FDM)。,18,频分多路复用电话系统,每一路电话信号占用4KHz带宽,CCITT建议：每12路电话构
7、成一个基群(Group)，占用60-108 KHz,每5个基群（Group），构成一个60路的超群(Super Group )，占用312552 KHz的频带；,每5个超群，构成一个300路的主群（Master Group ），占用8122044 KHz的频带；,每3个主群，构成一个900路的超主群( Super-Master-Group )，占用851612388KHz的频带；,每4个超主群，构成一个3600路的巨群（ Giant-Group ），占用4261259684KHz的频带（56K）；,19,时分多路复用,当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间
8、分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，这就是时分多路复用（TDM）。 （Time Division Multiplexing),20,时分多路复用,21,统计TDM与同步TDM比较,22,数字载波标准,T-标准：北美、日本 E-标准：欧洲、中国、南美,带宽4kHz的电话信号，每秒采样为8000次不失真地恢复话音信息脉冲编码调制（Pulse Code Modulation PCM）,若每个采样点用8位，则1路电话所需数据传输率： 8800064Kbps 24路电话则要24个采样值,23,DS-1 帧,channel #1,cha
9、nnel #2,. . . . . . .,channel #24,定帧位,193 bits,数据传输率 = (24x8 +1 bit)/125 ms = 1.544 Mbps,8 bit,每个信道称为 DS0,125 ms,因此可利用一条传输率为 1.544 Mbps的信道同时传输24路电话，这种24路电话复用一条1.544 Mbps主干线路，称为T1标准,24,T1 载波系统,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,MUX,DEMUX,DS-1 frame,25,复用到更高级线路,4:1,4个T1(1.544Mbps)复用到一个T2（6.312Mbps）,6个T2复用到一个T3（4
10、4.736Mbps）,7个T3复用到一个T4（274.176Mbps）,注意：每次向上一次复用会有帧定界及时钟同步的开销,26,E1-帧,E1中，每30路电话复用1条2.048Mbps的E1线路基群 4个基群组成二次群E2（120路，8.448Mbps） 4个二次群组成三次群E3（480路，34.368Mbps） 4个三次群组成四次群E4（1920路，139.246Mbps）,27,数字传输系统高次群的话路数和数据率,28,波分多路复用,F1,波分多路复用（ WDM ） （Wavelength Division Multiplexing）是FDM应用于光纤信道的一个变例。不同的信源使用不同波长
11、的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜或衍射光栅合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。,29,F2,F3,光谱,共享光纤,F1,光纤波分复用示意图,采用无源设备，更可靠,波分多路复用,30,码分多址（ CDMA）,码分多址（Code Division Multiple Access） 在CDMA中，每个比特时间又再分成m个码片，每个站分配一个唯一的m比特码序列，当某个站欲发送“1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送“0”时，它就发送它的码序列的反码。,31,电路交换：电路交换是在通信的双方之间建立一条实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。,数据
12、交换技术,通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直至到信宿，这个过程称为交换。,32,数据交换技术,报文交换：发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，在报文正文上附加发、收站地址及其他控制信息，形成一分完整的报文，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。,分组交换：将一个大报文分割成一定长度的分组，以分组为单位存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文,33,电路交换的基本框架,34,包括呼叫建立、信息传送、连接释放三个阶段,电路交换的过程,1) 呼叫建立阶段 主叫(Calling
13、Party)用户取机，听拨号音，拨被叫(Called Party)号码。若被叫用户不在同一个交换局，则A局(本地局)向B局(中转局)发送占用信号，转接被叫号码，再由B局转发到C局(远端局)。最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。,35,2)通信阶段 此时始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。,3) 连接释放阶段 当主叫或被叫任一方挂机，局间互送正向或反向拆线信号，经证实后释放连接。,电路交换的过程,36,电路交换的基本处理过程,37,优点： 1、电路交换是一种实时交换，传输延迟小 2、主、被叫用户间建立端-端连接，共享信道,电路交换
14、的主要特点,缺点： 1、建立物理线路时间比较长，不适合突发数据的传输； 2、预分配带宽，即使无信息传送也虚占电路，带宽不能为其它用户占用,38,报文交换(Message Switch) 不事先建立连接，当发送方有数据发送时，它将数据做为一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一交换设备，循环往复直，到数据到达目的地。 专业说法：在报文交换节点接收一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发。,报文交换,39,报文交换的基本处理过程,40,报文交换的优缺点,优点： 线路利用率高；不需要同时启动发送器和接收器来传
15、输数据，网络可暂存；通信量大时仍可接收报文，但传输延迟会增加；一份报文可发往多个目的地；交换网络可对报文进行速度和代码等的转换。,缺点：中间节点必须具备很大的存储空间；大报文的传输，增加小报文在网络种的延迟时间；当信道误码率高时，频繁重发。,41,报文和报文分组结构,由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重传花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。,42,分组交换工作原理,43,(1)能够实现不同类型的数据终端设备之间的通信；,分组交换的特点,(2)传输介质利用率高，经济性好（动态分配带宽）；,(3)数据
16、传输质量高、可靠性高、交互性强（差错流量控制）,分组交换的缺点： (1)由于采用存储转发方式，分组在网内的平均时延较大； (2)每个分组有额外的开销，且实现的技术比较复杂,分组交换适宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。,44,调制技术,将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，调制的方法：选取一个适合在线路上传输的正弦波作为载波，令载波的某些特征随基带信号的变化而变化。,45,三种调制方式,(1)幅度调制(AM，Amplitude Modulation)：简称调幅；使载波幅度随原始的模拟数据(即调制信号)的幅度变化，而载波的频率不变,(3)相位调制(PM，Phase Modulation)：简称调相；使载波相位随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。,(2)频率调制(FM，Freque
