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1、第第3 3章数据通信基础知识章数据通信基础知识主讲：谢昕学习目标学习目标1.信号分类：模拟信号和数字信号2.通信分类：模拟通信和数字通信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）数据通信基础知识 最新本讲主要内容本讲主要内容基本概念基本概念数据通信理论数据通信理论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数据通信基础知识 最新基本通信理论基本通信理论基本通信理论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。模拟信号模拟信号是连续变化的电压或电流波形数
2、字信号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。今后数据通信的发展方向。数据通信基础知识 最新数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标1.1.带宽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信线路上能不失真地传送信号的频率范围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，单位为波特（baud） 。注意：带宽为注意：带宽为B B的信道，要输出数字信号，其采样速度的信道
3、，要输出数字信号，其采样速度最高为最高为2B2B即可（高于此则无意义）即可（高于此则无意义）数据通信基础知识 最新数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标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的数据传输率：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输速率的关系：数据传输率和信号传输速率的关系： S=2BlogS=2Blog2 2N NS 数据传输率， B 信号传
4、输速率，N 电平个数数据通信基础知识 最新电平变化电平变化电平变化电平变化001100011011000010100111数据通信基础知识 最新4.4.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能力，它信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力，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。传输速率。 理想信道的容量（理想信道的容量（NyquistNyquist定理）定理）Rmax=2BlogRmax=2Blog2 2N N（bpsbps） N N 最大数据率最大数据率 (C) (C) 2 6000 bps 4 120
5、00 bps 8 18000 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)数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信基础知识 最新 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(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
6、特(Nyquist)(Nyquist)定理定理定理定理数据通信基础知识 最新 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)。举例举例举例举例数据通信基础知识 最新例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=24
7、000log28=24k（bps）。举例举例举例举例数据通信基础知识 最新有噪声信道容量（有噪声信道容量（ShannonShannon定理）定理）R Rmaxmax=Blog=Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（bpsbps） S/N S/N （信号功率信号功率/ /噪声功率噪声功率）信噪比（）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10log10log1010S/NS/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，的信道，称其称其信噪比为信噪比为10 dB10 dB；同理，同理， S/NS/N
8、100100的信道，的信道，称其称其信噪比为信噪比为20 dB20 dB；ShannonShannon定理定理定理定理数据通信基础知识 最新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，是衡量数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据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标误码率误码率= =传错的位数传错的位数/ /传送的总位数传送的总位数Pe= Ne / NPe= Ne / N 数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标数据通信基础知识 最新多路复用技术多路复用技术多路复用技
9、术多路复用技术定义复用就是共享使用公共信道 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。数据通信基础知识 最新多路复用的基本概念多路复用的基本概念多路复用的基本概念多路复用的基本概念数据通信基础知识 最新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术的分类复用技术的分类复用技术的分类复用技术的分类数据通信基础知识 最新频分多路复用频分多路复用频分多路复用频分多路复用当信道带宽大于各路
10、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)。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数据通信基础知识 最新频分多路复用电话系统频分多路复用电话系统频分多路复用电话系统频分多路复用电话系统CH1CH2CH3f80848892每一路电话信号占用每一路电话信号占用4KHz带宽带宽CCITT建议：每12路电话构成一个基群(Group)，占用60-108 KHz每5个基群（Group），构成一个60路的超
11、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）；数据通信基础知识 最新时分多路复用时分多路复用时分多路复用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
12、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)数据通信基础知识 最新A2A1A3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时分多路复用时分多路复用时分多路复用时分多路复用数据通信基础知识 最新统计统计统计统计TDMTDM与同步与同步与同步与同步TDMTDM比较比较比较比较ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2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
13、统计TDM可用带宽数据通信基础知识 最新数字载波标准数字载波标准数字载波标准数字载波标准T-T-T-T-标准：标准：标准：标准：北美、日本E-E-E-E-标准：标准：标准：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：8800064Kbps24路电话则要24个采样值数据通信基础知识 最新DS-1 DS-1 帧帧帧帧channel#1channel#2. . . . . . .channel#24定帧位定帧位定帧位定帧位
14、193 bits193 bits数据传输率数据传输率数据传输率数据传输率 = (24x8 +1 bit)/125 = (24x8 +1 bit)/125 m m m ms = 1.544 Mbpss = 1.544 Mbps8 bit8 bit 每个信道称为每个信道称为 DS0DS0125 125 m m m ms s因此可利用一条传输率为因此可利用一条传输率为因此可利用一条传输率为因此可利用一条传输率为 1.544 Mbps 1.544 Mbps的信道同时传输的信道同时传输的信道同时传输的信道同时传输2424路电话，这种路电话，这种路电话，这种路电话，这种24路电话复用一条路电话复用一条1.
15、544 Mbps主干线主干线路，路，称为称为T1标准标准数据通信基础知识 最新T1 T1 载波系统载波系统载波系统载波系统PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1 frame数据通信基础知识 最新复用到更高级线路复用到更高级线路复用到更高级线路复用到更高级线路012332104:14个个T1(1.544Mbps)复用到一个复用到一个T2（6.312Mbps）6个个T2复用到一个复用到一个T3（44.736Mbps）7个个T3复用到一个复用到一个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数据通信基础知识 最新E1-E1-帧帧帧帧012163
16、1125 125 m m m ms = 32 s = 32 时隙时隙时隙时隙 = 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3030路电话复用1条2.048Mbps的E1线路基群基群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）数据通信基础知识 最新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
17、 Division MultiplexingWavelength Division Multiplexing）是）是FDMFDM应用应用于光纤信道的一个变例。不同的信源使用不同波长的光于光纤信道的一个变例。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，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。将各路光波分开。数据通信基础知识 最新数字传输系统高次群的话路数和数据率数字传输系统高次群的话路数和数据率数字传输系统高次群的话路数和数据率数字传输系统高次群的
18、话路数和数据率系统类型一次群二次群三次群四次群欧洲体制符号话路数数据率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美体制符号话路数数据率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.176数据通信基础知识 最新棱柱棱柱/ /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共享光纤共享光纤F1光纤波分复用示意图光纤波分复用示意图采用无源设备，更可靠采用无源设备，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数据通信基础知识 最新码分多址（码分多址
19、（码分多址（码分多址（ CDMA CDMA）码分多址码分多址码分多址码分多址（Code Division Multiple AccessCode Division Multiple Access）在在CDMACDMA中，每个比特时间又再分成中，每个比特时间又再分成mm个码片，每个码片，每个站分配一个唯一的个站分配一个唯一的mm比特码序列，当某个站欲发送比特码序列，当某个站欲发送“1”“1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送“0”“0”时，它就发送它的码序列的反码。时，它就发送它的码序列的反码。数据通信基础知识 最新l电电路路交交换换：电路交换是在通信的
20、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。数据交换技术数据交换技术数据交换技术数据交换技术 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。数据通信基础知识 最新数据交换技术数据交换技术数据交换技术数据交换技术 l报报文文交交换换：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。l分分组组交交换换：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
21、，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文数据通信基础知识 最新电路交换的基本框架电路交换的基本框架电路交换的基本框架电路交换的基本框架 数据通信基础知识 最新包括呼叫建立呼叫建立、信息传送信息传送、连接释放连接释放三个阶段 电路交换的过程电路交换的过程电路交换的过程电路交换的过程 1) 呼叫建立阶段呼叫建立阶段主叫(Calling Party)用户取机，听拨号音，拨被叫(Called Party)号码。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
22、，然后通知各局加以连接。数据通信基础知识 最新2)通信阶段通信阶段 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。电路交换的过程电路交换的过程电路交换的过程电路交换的过程 数据通信基础知识 最新电路交换的基本处理过程电路交换的基本处理过程电路交换的基本处理过程电路交换的基本处理过程 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实信号呼叫建立连接释放回铃音挂机数据通信基础知识 最新优点：优点：1、电路交换是一种
23、实时交换，传输延迟小2、主、被叫用户间建立端-端连接，共享信道电路交换的主要特点电路交换的主要特点电路交换的主要特点电路交换的主要特点缺点：缺点：1、建立物理线路时间比较长，不适合突发数据突发数据突发数据突发数据的传输；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数据通信基础知识 最新报报文文交交换换(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存储储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转转发发给下一交换设备，循环往复直，到数据到达目的地。专专业业说说法法：在报文交换节点接收一份份报文
24、，予以存存储储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发转发。报文交换报文交换报文交换报文交换数据通信基础知识 最新报文交换的基本处理过程报文交换的基本处理过程报文交换的基本处理过程报文交换的基本处理过程 数据通信基础知识 最新报文交换的优缺点报文交换的优缺点报文交换的优缺点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。数据通
25、信基础知识 最新报文和报文分组结构报文和报文分组结构报文和报文分组结构报文和报文分组结构 l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；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。数据通信基础知识 最新分组交换工作原理分组交换工作原理分组交换工作原理分组交换工作原理数据通信基础知识 最新(1)能够实现不同类型的数据终端设备之间的通信； 分组交换的特点分组交换的特点分组交换的特点分组交换的特点(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：
26、(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。数据通信基础知识 最新调制技术调制技术调制技术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，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。载波的某些特征随基带信号的变化而变化。0 00 01 11 10 01 10 00
27、00 01 10 0ASKASKFSKFSKPSKPSK数据通信基础知识 最新三种调制方式三种调制方式三种调制方式三种调制方式(1)幅幅度度调调制制(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)相相位位调调制制(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)频频率率调调制制( (FM，Frequency Modulation)：简称调频；使载波频率随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。ASK-Amplitude-Shift K
28、eying(幅移键控幅移键控)数据通信基础知识 最新模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输话音话音电话电话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，数字信号数据通信基础知识 最新脉冲数字调制脉冲数字调制脉冲数字调制脉冲数字调制模拟模拟模拟模拟话音话音话音话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和比较量
29、化和比较 数字化数字化数字化数字化声音声音声音声音数字传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，数字传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，常常需要把模拟数据转换成数字信号来传输。常常需要把模拟数据转换成数字信号来传输。数据通信基础知识 最新l采采样样信信号号：基基于于nyquistnyquist理理论论 PCM PCM PCM PCM 输出（输出（输出（输出（编码编码编码编码）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 PA
30、M脉冲（脉冲（采样采样） PCM PCM 脉冲（脉冲（量化量化）10011001001100脉冲编码调制脉冲编码调制脉冲编码调制脉冲编码调制（PCMPCM）数据通信基础知识 最新PCM PCM 转化过程转化过程转化过程转化过程模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音BACDAABBCCDD采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和比较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数据通信基础知识 最新网络通信系统设计的几个基本问题网络通信系统设计的几个基本问题网络通信系统设计的几个基本问题网络通信系统设计的几个基本问题l数
31、据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信l数据通信方式数据通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信l同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信数据通信基础知识 最新并行通信用于距离较近、串行通信用于距离较远时并行通信用于距离较近、串行通信用于距离较远时并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行通信与串行通信并并行行传传输输：至少同时传送8个数据位。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。计算机内部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。串串行行传传输输：每次由源地传
32、到目的地的数据只有一位，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢，但实际应用中往往选择串行数据传输，这是因为实现串行数据传输的硬件具有经济性和实用性。 数据通信基础知识 最新串行通信与并行通信串行通信与并行通信串行通信与并行通信串行通信与并行通信 数据通信基础知识 最新通信线路的通信方式通信线路的通信方式通信线路的通信方式通信线路的通信方式在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式，称为单工通信。相反方向传送的通信方式，称为单工通信。1. 1. 单工通信单工通信数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间段传输，数
33、据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间段传输，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息，这种通信方式在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息，这种通信方式称为半双工通信。称为半双工通信。2. 2. 半双工通信半双工通信可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。3. 3. 全双工通信全双工通信数据通信基础知识 最新单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 数据通信基础知识 最新同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信 同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间
34、及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。 数据传输的同步方式一般分为位位同同步步(识别每一位的开始和结束)、字字符符同同步步(识别每一个字符或一帧数据的开始和结束)、帧同步帧同步(数据和控制信息按一定的帧结构传输)数据通信基础知识 最新同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信 异步通信中，发送端可以在任意时刻发送字符，字符之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前前后后各加入13位信息作为字符的开始和结束标志位，以便在每一个字符开始时接收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。 数据通信基础知识 最新同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信同步通信与异步通信数据通信基础知识 最新
