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1、第第3 3章数据通章数据通讯讯根底知根底知识识主讲：谢昕主讲：谢昕主讲：谢昕主讲：谢昕学习目的学习目的1.信号分类：模拟信号和数字信号2.通讯分类：模拟通讯和数字通讯3.数据传输率及其表示4.多路复用技术：频分、时分、波分5.数据交换技术：电路、报文、分组6.调制解调器modem本讲主要内容本讲主要内容根本概念根本概念数据通讯实际数据通讯实际多路复用多路复用数据交换技术数据交换技术传输介质传输介质调制解调器调制解调器根本通根本通根本通根本通讯实际讯实际数据在信道中是以电信号的方式传送的，电信号分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号是延续变化的电压或电流波形模拟信号是延续变化的电压或电流波形数字信
2、号是一系列表示数字数字信号是一系列表示数字“0“0或或“1“1的的电脉脉冲又程冲又程码元。元。数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后数据通讯的开展方向。今后数据通讯的开展方向。数据通数据通数据通数据通讯讯中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的1.1.带宽带宽信号占据的频率范围，称为信号的带宽。信号占据的频率范围，称为信号的带宽。 信道带宽是指在该通讯线路上能不失真地传送信信道带宽是指在该通讯线路上能不失真地传送信号的频率范围号的频率范围2.2.信号传输速率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
3、信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特为波特baudbaud 。留意：带宽为留意：带宽为B B的信道，要输出数字信号，其采样速度的信道，要输出数字信号，其采样速度最高为最高为2B2B即可高于此那么无意义即可高于此那么无意义数据通数据通数据通数据通讯讯中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的3.3.数据传输率数据传输率 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，单位的位数，单位b/sb/s、Kb/sKb/s、Mb/sMb/s，简写为，简写为bpsbps、KbpsKbps、MbpsMbps。数据传输率和信号传
4、输速率的关系：数据传输率和信号传输速率的关系： S=2Blog2N S=2Blog2NS 数据传输率， B 信号传输速率，N 电平个数电电平平平平变变化化化化0011000110110000101001114.4.信道容量信道容量 信道容量用来表征一个信道传输数字信号的才干，信道容量用来表征一个信道传输数字信号的才干，它以数据传输速率作为目的，即信道所能支持的最大数它以数据传输速率作为目的，即信道所能支持的最大数据传输速率。据传输速率。 理想信道的容量理想信道的容量NyquistNyquist定理定理Rmax=2Blog2NRmax=2Blog2Nbpsbps N N 最大数据率最大数据率 (
5、C) (C) 2 6000 bps 2 6000 bps 4 12000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 8 18000 bps16 24000 bps16 24000 bps话音级线路的信道话音级线路的信道容量计算容量计算 (3000 Hz)数据通数据通数据通数据通数据通数据通讯讯讯中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的 1942年，Nyquist证明：假设一个恣意信号经过带宽为B的理想低通滤波器，假设每秒取样2B次，就可完好地重现该滤波信号。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
6、C(信道容量)为 Cmax=2Blog2Nbps 也称奈奎斯特(Nyquist)定理或取样定理。式中N是离散性信号或电平的个数。奈奎斯特奈奎斯特奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)定理定理定理定理 例1 对一个无噪声的3000Hz信道，假设传送二进制信号，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;又由于B=3000Hz，那么信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=6000(b/s)。举举举例例例例例例例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
7、制信号的离散信号数为8，即N=8，那么信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=24000log28=24kbps。举举举例例例例例例有噪声信道容量有噪声信道容量ShannonShannon定理定理Rmax=Blog2(1+S/N)Rmax=Blog2(1+S/N)bpsbps S/N S/N 信号功率信号功率/ /噪声功率信噪比噪声功率信噪比dBdB分贝分贝信噪比通常不用绝对值表示，而是信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10S/N10log10S/N表示，表示，单位是分贝单位是分贝dBdB。对于对于S/NS/N1010的信道，称其信噪比为的信道，称其信噪比为10 dB10 dB；同理
8、，同理， S/N S/N100100的信道，称其信噪比为的信道，称其信噪比为20 dB20 dB；ShannonShannonShannon定理定理定理定理定理定理5.5.误码率误码率 传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数据通讯系统在正常任务情况下传输可靠性的目的数据通讯系统在正常任务情况下传输可靠性的目的误码率误码率= =传错的位数传错的位数/ /传送的总位数传送的总位数Pe= Ne / N Pe= Ne / N 数据通数据通数据通数据通数据通数据通讯讯讯中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的几个主要目的中的
9、几个主要目的多路复用技多路复用技多路复用技多路复用技术术定义复用就是共享运用公共信道 作用采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进展传输，到接纳端再用专门的设备将各路信号别分开来，极大地提高了通讯线路的利用率。多路复用的根本概念多路复用的根本概念多路复用的根本概念多路复用的根本概念lFDM (频分复用)lWDM (波分复用)lTDM (时分复用)lCDMA (码分多址)DEMUX共享信道MUX复用技术主要有以下四类复用技术主要有以下四类复用技复用技复用技复用技术术的分的分的分的分类类频频分多路复用分多路复用分多路复用分多路复用当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成假设
10、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)。CH2CH1CH3原始带宽原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽频分后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f频频分多路复用系分多路复用系分多路复用系分多路复用系统统CH1CH2CH3f80848892每一路信号占用每一路信号占用4KHz带宽带宽CCITT建议：每12路构成一个基群(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
11、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；时时分多路复用分多路复用分多路复用分多路复用当信道能到达的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将运用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规那么将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在本人的时间片内独占信道进展传输，这就是时分多路复用TDM。Time Division Multiplexing)A
12、2A1A3原始信号原始信号D2D1D3数字化信号数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D3D2D2D1D1时时分多路复用分多路复用分多路复用分多路复用统计统计TDMTDM与同步与同步与同步与同步TDMTDM比比比比较较ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1 C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽数字数字数字数字载载波波波波规规范范范范T-T-T-T-规规范：北美、日本范：北美、日本范：北美、日本范：北美、日本E-E-E-E-规规范：欧洲、中国、南美范：欧洲、中国、南美范：
13、欧洲、中国、南美范：欧洲、中国、南美带宽4kHz的信号，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假设每个采样点用8位，那么1路所需数据传输率：8800064Kbps24路那么要24个采样值DS-1 DS-1 帧帧channel#1channel#2. . . . . . .channel#24定定定定帧帧位位位位193 bits193 bits数据数据数据数据传输传输率率率率 = (24x8 +1 bit)/125 ms = 1.544 Mbps = (24x8 +1 bit)/125 ms = 1.544 Mbps8 bit8 b
14、it 每个信道称为每个信道称为 DS0 DS0125 ms125 ms因此可利用一条因此可利用一条因此可利用一条因此可利用一条传输传输率率率率为为 1.544 Mbps 1.544 Mbps的信道同的信道同的信道同的信道同时传输时传输2424路，路，路，路，这这种种种种2424路复用一条路复用一条路复用一条路复用一条1.544 Mbps1.544 Mbps主干主干主干主干线线路，称路，称路，称路，称为为T1T1规规范范范范T1 T1 载载波系波系波系波系统统PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1 frame复用到更高复用到更高复用到更高复用到更高级线级线路路路路01233
15、2104:14个个T1(1.544Mbps)复用到一个复用到一个T26.312Mbps6个个T2复用到一个复用到一个T344.736Mbps7个个T3复用到一个复用到一个T4274.176Mbps留意：每次向上一次复用会有帧定界及时钟同步的开销E1-E1-帧帧0121631125 ms = 32 125 ms = 32 时时隙隙隙隙 = 2.048 Mbps = 2.048 Mbps帧同步信令信道30 话音信道+2 控制信道E1中，每30路复用1条2.048Mbps的E1线路基群4个基群组成二次群E2120路，8.448Mbps4个二次群组成三次群E3480路，34.368Mbps4个三次群组
16、成四次群E41920路，.246Mbps波分多路复用波分多路复用波分多路复用波分多路复用F1波分多路复用波分多路复用波分多路复用波分多路复用 WDM WDM WDM WDM Wavelength Division MultiplexingWavelength Division MultiplexingWavelength Division MultiplexingWavelength Division Multiplexing是是是是FDMFDMFDMFDM运用于光运用于光运用于光运用于光纤纤信道的一个信道的一个信道的一个信道的一个变变例。不同的信源运用不例。不同的信源运用不例。不同的信源运用
17、不例。不同的信源运用不同波同波同波同波长长的光波来的光波来的光波来的光波来传输传输数据，各路光波数据，各路光波数据，各路光波数据，各路光波经过经过一个棱一个棱一个棱一个棱镜镜或衍射光或衍射光或衍射光或衍射光栅栅合成一个光束在光合成一个光束在光合成一个光束在光合成一个光束在光纤纤干道上干道上干道上干道上传输传输，在接在接在接在接纳纳端利用一端利用一端利用一端利用一样样的的的的设备设备将各路光波分开。将各路光波分开。将各路光波分开。将各路光波分开。数字数字数字数字传输传输系系系系统统高次群的高次群的高次群的高次群的话话路数和数据率路数和数据率路数和数据率路数和数据率系统类型一次群二次群三次群四次群
18、欧洲体制符号话路数数据率E1302.048E21208.488E348034.368E41920.264北美体制符号话路数数据率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.176棱柱棱柱/ /衍射光栅衍射光栅F2F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2 2光纤光纤3 3光纤光纤1 1共享光共享光纤F1光纤波分复用表示图光纤波分复用表示图采用无源采用无源设备，更可靠，更可靠波分多路复用波分多路复用波分多路复用波分多路复用码码分多址分多址分多址分多址 CDMA CDMA码码分多址分多址分多址分多址Code Division Multiple
19、 AccessCode Division Multiple AccessCode Division Multiple AccessCode Division Multiple Access在在在在CDMACDMACDMACDMA中，每个比特中，每个比特中，每个比特中，每个比特时间时间又再分成又再分成又再分成又再分成m m m m个个个个码码片，片，片，片，每个站分配一个独一的每个站分配一个独一的每个站分配一个独一的每个站分配一个独一的m m m m比特比特比特比特码码序列，当某个站序列，当某个站序列，当某个站序列，当某个站欲欲欲欲发发送送送送“1“1“1“1时时，它在信道中，它在信道中，它在信
20、道中，它在信道中发发送它的送它的送它的送它的码码序列，当序列，当序列，当序列，当欲欲欲欲发发送送送送“0“0“0“0时时，它就，它就，它就，它就发发送它的送它的送它的送它的码码序列的反序列的反序列的反序列的反码码。l电路路交交换：电路路交交换是是在在通通讯的的双双方方之之间建建立立一一条条实践践的的物物理理通通路路，并并且且在在整整个个通通讯过程程中中，这条通路被独占。条通路被独占。数据交数据交数据交数据交换换技技技技术术 通讯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。
21、数据交数据交数据交数据交换换技技技技术术 l报文文交交换：发送送方方先先把把待待传送送的的信信息息分分为多多个个报文文正正文文，在在报文文正正文文上上附附加加发、收收站站地地址址及及其其他他控控制制信信息息，构构成成一一分分完完好好的的报文文，以以报文文为单位在交位在交换网网络的各的各节点点间传送。送。l分分组交交换：将将一一个个大大报文文分分割割成成一一定定长度度的的分分组，以以分分组为单位位存存储转发，在在接接纳端端再再将各分将各分组重新重新组装成一个完好的装成一个完好的报文文电电路交路交路交路交换换的根本框架的根本框架的根本框架的根本框架 包括呼叫建立、信息传送、衔接释放三个阶段 电电路
22、交路交路交路交换换的的的的过过程程程程 1) 呼叫建立阶段主叫(Calling Party)用户取机，听拨号音，拨被叫(Called Party)号码。假设被叫用户不在同一个交换局，那么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局接纳应对信号，然后通知各局加以衔接。2)通讯阶段 此时一直在主叫与被叫用户间坚持这一条物理衔接。 3) 衔接释放阶段 当主叫或被叫任一方挂机，局间互送正向或反向拆线信号，经证明后释放衔接。电电路交路交路交路交换换的的的的过过程程程程 电电路交路交路交路交换换的根本的
23、根本的根本的根本处处置置置置过过程程程程 主叫用户A局B局C局被叫用户拨号音拨号占用信号占用信号振铃取机通话(信息传送)被叫挂机反向拆线信号主叫挂机正向拆线信号挂机正向证明信号呼叫建立衔接释放回铃音挂机优点：优点：1 1、电路交换是一种实时交换，传输延迟小、电路交换是一种实时交换，传输延迟小2 2、主、被叫用户间建立端、主、被叫用户间建立端- -端衔接，共享信道端衔接，共享信道电电路交路交路交路交换换的主要特点的主要特点的主要特点的主要特点缺陷：缺陷：1 1、建立物理线路时间比较长，不适宜突发数据的传输；、建立物理线路时间比较长，不适宜突发数据的传输；2 2、预预分分配配带带宽宽，即即使使无无
24、信信息息传传送送也也虚虚占占电电路路，带带宽宽不不能能为其它用户占用为其它用户占用报文交换(Message Switch) 不事先建立衔接，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，然后选择一条适宜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：在报文交换节点接纳一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进展转发。报报文交文交文交文交换换报报文交文交文交文交换换的根本的根本的根本的根本处处置置置置过过程程程程 报报文交文交文交文交换换的的的的优优缺陷缺陷缺陷缺陷优点： 线路利用率高；不需求同时启
25、动发送器和接纳器来传输数据，网络可暂存；通讯量大时仍可接纳报文，但传输延迟会添加；一份报文可发往多个目的地；交换网络可对报文进展速度和代码等的转换。缺陷：中间节点必需具备很大的存储空间；大报文的传输，添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。报报文和文和文和文和报报文分文分文分文分组组构造构造构造构造 l由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重传破费的时间较少；l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；l公用数据网采用的是分组交换技术。分分分分组组交交交交换换任任任任务务原理原理原理原理(1)可以实现不同类型的数据终端设备之间的通讯； 分分
26、分分组组交交交交换换的特点的特点的特点的特点(2)传输介质利用率高，经济性好动态分配带宽；(3)数据传输质量高、可靠性高、交互性强过失流量控制分组交换的缺陷：(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讯的突发性或断续性业务的需求，而不适宜在实时性要求高、信息量大的环境中运用。调调制技制技制技制技术术将一种数据方式将一种数据方式转换转换成适宜于在信道上成适宜于在信道上传输传输的某种的某种电电信号方式，信号方式，调调制的方法：制的方法：选选取一个适宜在取一个适宜在线线路上路上传输传输的正弦波作的正弦波作为载为载波，令
27、波，令载载波的某些特征随基波的某些特征随基带带信号的信号的变变化而化而变变化。化。0 00 01 1 1 10 01 10 00 00 01 10 0ASKASKFSKFSKPSKPSK三种三种三种三种调调制方式制方式制方式制方式(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，Frequency Modulation)：简称调频；使载波频率随原始的模拟
28、数据的幅度变化，而载波的幅度不变。ASK-Amplitude-Shift Keying(幅移键控幅移键控)模模模模拟传输拟传输和数字和数字和数字和数字传输传输话音话音模拟模拟模拟数据模拟数据,模拟信号模拟信号数字数字Modem模拟模拟数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数字数字传输数字传输数字数字数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟模拟CODEC数字数字模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号脉冲数字脉冲数字脉冲数字脉冲数字调调制制制制模模模模拟拟话话音音音音采采采采样时钟样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采采样电路路量化和比量化和比较 数字化数字化数字
29、化数字化声音声音声音声音数字数字传输传输的的质质量好、价量好、价钱钱低、便于数据的交低、便于数据的交换换和和处处置，置，经经常需求把模常需求把模拟拟数据数据转换转换成数字信号来成数字信号来传输传输。l采样信号：基于采样信号：基于nyquistnyquist实际实际 PCM PCM PCM PCM 输输出出出出编码编码3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.23 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 原始信号原始信号 PAM PAM脉冲采脉冲采样样 PCM PCM 脉冲量化脉冲量化011100011
30、011001100011100011011001100脉冲脉冲脉冲脉冲编码调编码调制制制制PCMPCMPCM PCM 转转化化化化过过程程程程模模模模拟话拟话音音音音BACDAABBCCDD采采采采样时钟样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采采样电路路量化和比量化和比较数字化声音数字化声音数字化声音数字化声音网网网网络络通通通通讯讯系系系系统设计统设计的几个根本的几个根本的几个根本的几个根本问题问题l数据传输类型数据传输类型l 模拟通讯模拟通讯l 数字通讯数字通讯l数据通讯方式数据通讯方式l 串行通讯、并行通讯串行通讯、并行通讯l 单工通讯、半双工或全双工通讯
31、单工通讯、半双工或全双工通讯l同步方式同步方式l 同步通讯同步通讯l 异步通讯异步通讯并行通讯誉于间隔较近、串行通讯誉于间隔较远时并行通讯誉于间隔较近、串行通讯誉于间隔较远时并行通并行通并行通并行通讯讯与串行通与串行通与串行通与串行通讯讯并并行行传传输输：至至少少同同时时传传送送8 8个个数数据据位位。接接纳纳设设备备在在收收到到这这些些数数据据后后，不不需需经经过过任任何何改改动动就就可可以以直直接接运运用用。计计算算机机内内部部的的总总线线数数据据传送通常都是以并行方式进展传输的。传送通常都是以并行方式进展传输的。串串行行传传输输：每每次次由由源源地地传传到到目目的的地地的的数数据据只只需
32、需一一位位，串串行行数数据据传传输输的的传传输输速速度度要要比比并并行行传传输输慢慢，但但实实践践运运用用中中往往往往选选择择串串行行数数据据传输，这是由于实现串行数据传输的硬件具有经济性和适用性。传输，这是由于实现串行数据传输的硬件具有经济性和适用性。 串行通串行通串行通串行通讯讯与并行通与并行通与并行通与并行通讯讯 通通通通讯线讯线路的通路的通路的通路的通讯讯方式方式方式方式在通在通讯线讯线路上，数据只可按一个固定的方向路上，数据只可按一个固定的方向传传送而不能送而不能进进展展相反方向相反方向传传送的通送的通讯讯方式，称方式，称为单为单工通工通讯讯。1. 1. 单工通讯单工通讯数据可以双向
33、数据可以双向传输传输，但不能同，但不能同时进时进展，采用分展，采用分时间时间段段传输传输，在任一在任一时时辰只允辰只允许许在一个方向上在一个方向上传输传输主信息，主信息，这这种通种通讯讯方式方式称称为为半双工通半双工通讯讯。2. 2. 半双工通讯半双工通讯可同可同时时双向双向传输传输数据的通数据的通讯讯方式称方式称为为全双工通全双工通讯讯。3. 3. 全双工通讯全双工通讯单单工、半双工与全双工通工、半双工与全双工通工、半双工与全双工通工、半双工与全双工通讯讯 同步通同步通同步通同步通讯讯与异步通与异步通与异步通与异步通讯讯 同步就是接纳端按发送端发送的每个码元的起止时间及反复频率来接纳数据，并
34、且要校准本人的时钟以便与发送端的发送获得一致，实现同步接纳。 数据传输的同步方式普通分为位同步(识别每一位的开场和终了)、字符同步(识别每一个字符或一帧数据的开场和终了)、帧同步(数据和控制信息按一定的帧构造传输)同步通同步通同步通同步通讯讯与异步通与异步通与异步通与异步通讯讯 异步通讯中，发送端可以在恣意时辰发送字符，字符之间的间隔时间可以恣意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后各参与13位信息作为字符的开场和终了标志位，以便在每一个字符开场时接纳端和发送端同步一次，从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。 同步通同步通同步通同步通讯讯与异步通与异步通与异步通与异步通讯讯
