数据通信基础知识

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1、1第第2章章 数据通信的根底知识数据通信的根底知识本章内容数据通信系统根本概念传输介质数据编码信道复用技术数据交换技术过失控制数据通信性能指标2数据通信系统数据通信系统源系统源系统 源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。 发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。目的系统目的系统 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。 终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。传输系统传输系统 可以是简单的物理通信线路 也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的

2、系统3数据通信根本过程数据通信根本过程5个阶段个阶段包含两项内容：数据传输和通信控制包含两项内容：数据传输和通信控制 过程过程 与打与打 比较比较建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份数据传输数据传输 互相通话互相通话断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。4一些根本概念一些根本概念数据与信号数据与信号信道信道通信方式通信方式传输方式传输方式同步方式同步方式5数据与信号数据与信号数据数据Data传递携带信息的实体。传

3、递携带信息的实体。信息信息Information数据的内容或解释。数据的内容或解释。信号信号Signal数据的物理量编码通常为电编码，数据以信号数据的物理量编码通常为电编码，数据以信号的形式在介质中传播的形式在介质中传播6模拟信号模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号数字信号 时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号ta 模拟信号tb 数字信号7周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成如正弦波信号由不断重复的固定模式组成如正弦波非周期信号非周期信号信号没有固定的模式和波形循环如语音的

4、音信号没有固定的模式和波形循环如语音的音波信号。波信号。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt8信息编码信息编码：将信息用二进制数表示的方法。将信息用二进制数表示的方法。 例如：例如：ASCII编码、编码、BCD编码等编码等数据编码数据编码：将数据用物理量表示的方法。：将数据用物理量表示的方法。 例如：字符例如：字符A的的ASCII编码为编码为01000001，其数据编码可能为，其数据编码可能为01000001t9信息通过数据通信系统进行传输的过程信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地目

5、的地信息和数据二进制位不能直接在信道上传输信息和数据二进制位不能直接在信道上传输编码：数据编码：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、便于同步、识别、纠错识别、纠错调制：数字信号调制：数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅按频率、幅度、相位度、相位解调：接收波形解调：接收波形数字信号数字信号解码：数字信号解码：数字信号原始数据原始数据信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001A01000001A信道信道信息编码信息编码信息解码信息解码10不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类

6、型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号数字信号数字信号信道信道：模拟信道：模拟信道数字信道数字信道11模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术话音话音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制12编码与调制的区别编码与调制的区别 编码编码：用数字信号承载数字或模拟数

7、据：用数字信号承载数字或模拟数据 调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字信号数字信号x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据编码与解码编码与解码数字信道数字信道数字信道数字信道发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码13调制与解调调制与解调数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道模拟信道模拟信道模拟信道发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制142.2

8、.2 信道信道信道信道Channel：传送信息的线路或通路。：传送信息的线路或通路。数字信道：以数字脉冲形式离散信号传输数据的信道。数字信道：以数字脉冲形式离散信号传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。CATV、无线电播送、无线电播送、 拨号线路拨号线路15数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信数字通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信模拟通

9、信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点数字通信的优点抗噪声干扰能力强抗噪声干扰能力强可以控制过失，提高了传输质量可以控制过失，提高了传输质量便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理易于加密、保密性强易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过通信，如通过 线拨号上网。线拨号上网。162.2.3 通信方式通信方式单工单工数据单向传输例：无线电播送数据单向传输例：无线电播送半双工半双工数据可以双向交替

10、传输，但不能在同一时刻双数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输例：对讲机向传输例：对讲机全双工全双工数据可以双向同时传输例：数据可以双向同时传输例： 需要具有两条物理上独立的传输线路；需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。用于不同方向的信号传输。17发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式：单工方式：半双工方式：半双工方式：全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时不可同时18基带传输：不

11、需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网局域网例如：以太网局域网频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。调。例如：通过例如：通过 网络传输数据网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百到几百MHZ的模拟信号后的模拟信号后再传送，接收方需要解调。再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输2.2.4 传输方式传输方式19同步的因素：同步的因素： 同步脉冲频率同步脉冲频率

12、 数据从什么时候开始，什么时候结束数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界位边界 数据块边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：数据通信中需要在三个层次上实现同步： 位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 帧帧(Frame)帧同步帧同步2.2.5 同步方式同步方式20同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元码元1 1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲t21目的：使接收端与

13、发送端在时间基准上一致目的：使接收端与发送端在时间基准上一致外同步外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步自同步通过特殊编码如曼彻斯特编码，使数据通过特殊编码如曼彻斯特编码，使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。位同步位同步22目的：找到正确的字符边界。目的：找到正确的字符边界。常用的为起止式异步式。在这种方式中，每个字符

14、的常用的为起止式异步式。在这种方式中，每个字符的传输需要：传输需要：1个起始位、个起始位、58个数据位、个数据位、1、或、或2个停止位个停止位采用这种同步方式的通信也称采用这种同步方式的通信也称“异步通信。异步通信。起止式的优缺点：起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用例如，采用1个起始位、个起始位、 8个数据位、个数据位、 2个停止位时，其个停止位时，其传输效率为传输效率为8/1

15、173起始位起始位数据位数据位停止位停止位字符间隔不固定字符间隔不固定1个字符时间个字符时间逻辑逻辑“0”逻辑逻辑“1”字符同步字符同步23目的：识别一个帧的起始和结束。目的：识别一个帧的起始和结束。帧帧Frame：数据链路中的传输单位：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息包含数据和控制信息的数据块的数据块面向字符的面向字符的以同步字符以同步字符SYN，16H来标识一个帧的开始，适来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧用于数据为字符类型的帧面向比特的面向比特的以特殊位序列以特殊位序列7EH，即，即01111110来标识一个帧来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧的开始，适用于任意数

16、据类型的帧帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和0 n bit8bit8bit8-32m7EH7EH帧同步帧同步242.3 传输介质传输介质l磁介质磁介质l高带宽、低费用、高延时小时高带宽、低费用、高延时小时 在通在通信中很少使用信中很少使用l 例：例：7GB/8mm磁带，磁带，1000盘盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。可送到任何地方。l 总容量总容量=7*1000*8Gbits，总时间，总时间=24*60*60=86400sl 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s l 假设让刘翔来传送假设让刘翔来传送1盘盘10GB的磁带，在的

17、磁带，在110米秒内其传输速率是多少？米秒内其传输速率是多少？l金属导体金属导体l双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质l无线电、微波、卫星、红外线无线电、微波、卫星、红外线25同轴电缆同轴电缆Coaxial Cable计算机网络中使用基带同轴电缆计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗阻抗50 ，有粗同轴和细同轴两种，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网以太网应用：总线局域网以太网性能：性能：10Mb/s，500米米/185米米铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套26双绞线双绞线Twist Pair，TP-螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线-

18、每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100mLAN-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点： 本钱低本钱低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易综合布线系统安装容易综合布线系统 平衡传输高速率平衡传输高速率 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域：应用领域： 网络、计算机局域网网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套27屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：常用的双绞线：3类类16M

19、b/s 和和5类类155Mb/s两种两种28双绞线的连接标准 色彩标记和连接方法： 交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口) 直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线交叉线EIA-568B直连线直连线EIA-568A29光纤光纤Optical Fiber依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制传输带宽高：仅受光电转换器件的限制100Gb/s传

20、输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便轻便价格较高价格较高需要光电转换需要光电转换纤芯材料：纤芯材料：塑料塑料二氧化硅二氧化硅 高纯玻璃高纯玻璃30光纤传输原理光纤传输原理光的反射光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角于两种介质的折射率。当入射角 临界值时产生全反射，不会泄漏。临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯纤芯- -折射率高，玻璃包层折射率高，玻璃包层- -折射率低折射率低亮度调制：有光

21、脉冲亮度调制：有光脉冲-1-1，无光脉冲，无光脉冲-0-0光传输系统：光源、介质、光检测光传输系统：光源、介质、光检测光源：光源：850nm/1300nm/1500nm850nm/1300nm/1500nm，发光二极管，发光二极管/ /激光二极管激光二极管光检测器：光电二极管光检测器：光电二极管PIN/PIN/雪崩二极管雪崩二极管APDAPD单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、效劳器连接应用领域：局域网主干、电信网络、效劳器连接31多模光纤多模光纤(MMF)单模光纤单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同

22、的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播32典型的光缆典型的光缆单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格：纤芯常见规格：纤芯50um缓变型缓变型-MMF缓变型缓变型/增强型增强型-MMF突变型突变型-SMF 包层包层125um33高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套外套加强芯加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束34无线介质信号在大气或外层空间自由传播无线介质信号

23、在大气或外层空间自由传播使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息优缺点：优缺点：无需物理连接无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合适用于长距离或不便布线的场合易受干扰易受干扰反射，为障碍物所阻隔反射，为障碍物所阻隔主要类型：主要类型：无线电、地面微波无线电、地面微波通信卫星通信卫星红外线红外线35微波通信微波通信 通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送 接力站之间距离：接力站之间距离：50 -100 km 速率：每信道速率：每信道 45 Mb/s地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔36地球同步卫星地球同步卫星与地面站相对固定位置与地面站

24、相对固定位置使用使用3颗卫星即可覆盖全球颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长传输延迟时间长270ms播送式传输播送式传输应用领域：应用领域：电视传输电视传输长途长途 专用网络专用网络广域网广域网35,784公里公里地球地球37激光传输 将激光束调制成光脉冲传输数据。 特点：激光的频率更高，可获得更高的带宽。激光束的方向性好，不受电磁干扰的影响，不怕偷听。 受天气影响只能在短距离通信中使用 38红无线通信红无线通信红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的播红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的播送通信系统。送通信系统。 特点：特点：红外通信的设备相对廉价，可获得高的

25、带宽红外通信的设备相对廉价，可获得高的带宽传输距离有限，而且易受室内空气状态例如有烟雾等的影响。传输距离有限，而且易受室内空气状态例如有烟雾等的影响。 39短波通信短波通信基站与终端之间通信采用无线链路基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网应用领域：移动通信、无线局域网WLANBS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端40常用传输介质的比较常用传输介质的比较传输介质传输介质传输方式传输方式速率速率/工作频带工作频带传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用双绞线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s模拟模拟: 10km数字数字: 5

26、00m较好较好低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆基带基带10Mb/s3km较好较好较低较低基带数字信基带数字信号号75同轴电缆同轴电缆宽带宽带450MHz100km较好较好较低较低模拟电视、模拟电视、数据及音频数据及音频光纤光纤基带基带40Gb/s20km以上以上很好很好较高较高远距离高速远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带4-6GHz几百几百km好好中等中等远程通信远程通信卫星卫星宽带宽带1-10GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信41数据编码数据编码数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输使数字数据能在数字信道上传输

27、数字数据的调制编码数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输421. 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码不归零码不归零码NRZ，Non-Return to Zero二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示；分别用两种电平来表示；常用常用5V表示表示1，5V表示表示0；缺点：缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。曼彻斯特编码曼彻斯特

28、编码Manchester Coding用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在每个码元的中间发生跳变：规定在每个码元的中间发生跳变：高高低的跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码信号。这种编码也称为自同步码Self-Synchronizing Code。缺点：需要双倍的传输带宽即信号速率是数据速率的缺点：需要双倍的传输带宽即信号速率是数据速率的2倍。倍。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码Differential 每个码元的中间仍

29、要发生跳变。每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示用码元开始处有无跳变来表示0和和1 ，有跳变代表，有跳变代表0，无跳变代表，无跳变代表1。43三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester差分差分差分差分ManchesterManchester442. 数字数据的调制数字数据的调制三种常用的调制技术：三种常用的调制技术：幅移键控幅移键控ASK Amplitude Shift Keying频移键控频移键控FSK Frequency Shift Key

30、ing相移键控相移键控PSK Phase Shift Keying原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号载波信号 S(t) = Acos( t+) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率、频率 、初相位、初相位调制就是要使调制就是要使A、 或或随数字基带信号的变化随数字基带信号的变化而变化而变化45 ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0和和1 FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0和和10 00 01 1 1

31、10 01 10 00 00 01 10 0ASKASKFSKFSKPSKPSK463. 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码采样定理：采样定理：如果模拟信号的最高频率为如果模拟信号的最高频率为F，假设以，假设以2F的采样的采样频率对其采样，那么从采样得到的离散信号序列频率对其采样，那么从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是要转换的模拟数据主要是 语音信号，模拟数语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。号。PCM编码：编码：采样：按一定间隔对语音信号进行采样采样：

32、按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号脉码调制信号脉码调制, Pulse Coded Modulation。47语音信号的数字化语音信号的数字化语音带宽语音带宽f2倍语音最大频率倍语音最大频率样本量化级数：样本量化级数：256级级8bit/每样本每样本数据率：数据率：8000次次/s*8bit = 64kb/s每路每路PCM信号的速率信号的速率 = 64kb/s模拟模拟模拟模拟语音信号语音信号语音信号语音信号采样时钟采样

33、时钟采样时钟采样时钟PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码 数字化数字化数字化数字化语音信号语音信号语音信号语音信号f4kHzf4kHzf fs s=8kHz=8kHz48PCM编码过程举例 语音信号语音信号语音信号语音信号011 100 011 011 001 100011 100 011 011 001 100 PCM PCM 输出输出输出输出3 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 PCM PCM 信号信号信号信号 （有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）3.23.23.93

34、.92.82.83.43.41.21.24.24.2 PAMPAM信号信号信号信号492.5 多路复用技术多路复用技术多路复用：多个信息源共享一个公共信道多路复用：多个信息源共享一个公共信道为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时类比：公共运输系统铁路、海运、航空类比：公共运输系统铁路、海运、航空DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿50复用的根本思想：复用的根本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数把公共共

35、享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。据。复用方法复用方法频分复用频分复用FDM Frequency Division Multiplexing按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统时分复用时分复用TDM Time Division Multiplexing按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛波分复用波分复用WDM Wave Division Multiplexing 按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输码分复用码分复用CDM Code Division Multiplexing按

36、地址码划分不同的信道，非常有开展前途按地址码划分不同的信道，非常有开展前途51频分复用频分复用FDM原理：整个传输频带被划分为假设干个频率通道，每路信号占用一原理：整个传输频带被划分为假设干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器52时分复用时分复用TDM原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为假设干个时隙，原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为假设干

37、个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t53由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。也称为同步时分复用。一个时间片内传输的多路数据称为帧。一个时间片内传输的多路数据称为帧。时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输把多个话路的把多个

38、话路的PCM语音数据用语音数据用TDM的方法装成帧帧中还包括了帧的方法装成帧帧中还包括了帧同步信息和信令信息同步信息和信令信息每帧在一个时间片内发送每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号54统计异步统计异步TDMSTDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。会造成带宽浪费。STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2

39、同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C255时分复用时分复用数字载波复用标准数字载波复用标准T-标准标准 北美、日本北美、日本E-标准标准 欧洲、中国、南美欧洲、中国、南美E1一次群标准一次群标准每每125us为一个时间片，每时间片分为为一个时间片，每时间片分为32个通道个通道时隙。每个时隙可容纳时隙。每个时隙可容纳8bit。通道通道0用于同步，通道用于同步，通道16用于信令，其他用于信令，其他30个通个通道用于传输道用于传输30个个PCM话音数据。话音数据。E1速率速率 = 32x8bit/125us = 2.048 Mb/s对对E1进一步复用

40、，还可构成进一步复用，还可构成E2到到E5等高次群。等高次群。E5可承载可承载7680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mb/s。新的新的TDM标准是同步光网络标准是同步光网络SONET和和ITU-T的同步数字系列的同步数字系列SDH。常用的线路速率为。常用的线路速率为近似值近似值 155Mb/s，622Mb/s，和，和10Gb/s。56E1-帧格式E1线路也可以用于计算机通信线路也可以用于计算机通信0121631时间片时间片时间片时间片125 125 m m m ms = 32 s = 32 时隙，时隙，时隙，时隙，2.048 2.048 Mb/sMb/s帧同步帧同步信令信令30 路

41、数字语音数据（路数字语音数据（PCM数据）数据）+2 路控路控制制用户话路用户话路用户话路用户话路151757波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为假设干个波长范围，每路信号占用一原理：整个波长频带被划分为假设干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅58码分复用码分复用CDM原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码任意两个原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码任意两个地址码序列

42、相互正交。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接地址码序列相互正交。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。地址码序列必须两两相互正交：地址码序列必须两两相互正交：码序列码序列A、B，应满足，应满足 A B =0，A B =0，A A =1，A A =-1 其中其中 为内积运算。为内积运算。在无线移动通信中应用广泛。在无线移动通信中应用广泛。592.6 数据交换技术数据交换技术什么是

43、交换？什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。按某种方式动态地分配传输线路资源。例如，例如， 交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后那么断开该线路，该线路又可分配给其它用户。用户挂机后那么断开该线路，该线路又可分配给其它用户。最初的交换：人工转接交换最初的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。60电路交换电路交换在通信双方之间建

44、立一条临时专用线路的过程。在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为称为“面向连接的典型例子：面向连接的典型例子： 过程：建立连接过程：建立连接通信通信释放连接释放连接优缺点：优缺点：建立连接的时间长；建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发不适用于计算机

45、通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到性的特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为秒，计算机以例如：建立连接的时间为秒，计算机以1Mb/s的的速率发送速率发送10k字节。线路利用率？字节。线路利用率？61 网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接62报文交换报文交换以报文为单位进行以报文为单位进行“存储存储-转发交换的技术。转发交换的技术。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的

46、地。这种数据传输技术称为存储直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。转发。传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。点传输报文时建立结点间的连接。称为称为“无无连接的典型例子：电报连接的典型例子：电报整个报文整个报文Message作为一个整体一起发送。作为一个整体一起发送。优缺点：优缺点：没有建立和撤除连接所需的等待时间；没有建立和撤除连接所需的等待时间；线路利用率高；线路利用率高；传输可靠性较高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量

47、大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；要求较高；出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。类比：下载时假设无断点续传功能，一旦出错你类比：下载时假设无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？会怎样做？63分组交换包交换分组交换包交换将报文分割成假设干个大小相等的分组将报文分割成假设干个大小相等的分组Packet进行存储转发。进行存储转发。数据传输前不需要建立一条端到端的通路数据传输前不需要建立一条端到端的通路也也是是“无连接的。无连接的。有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。选择功能。优缺点：优缺点：对转发结点的存储要求较低

48、，可以用内存来缓冲对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组分组速度快；速度快；转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。各分组可通过不同路径传输，容错性好。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。分组交换有两种交换方式：分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式数据报方式和虚电路方式64数据报方式Datagram各分组独立地确定路由传输路径不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装数据报方

49、式不能保证分组按序到达数据报方式不能保证分组按序到达分组可能通过多个路径穿越网络分组可能通过多个路径穿越网络65虚电路方式Virtual Circuit通信前预先建立一条逻辑连接虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的逻辑连接类比：铁路系统旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点“西安北京这条线路可以看成是一条虚路径也需要三个过程：建立数据传输撤除建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定，传输数据时那么不再需要数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络“数字管道提供的是“面向连接的效劳但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通

50、道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段与铁路系统类比！可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达永久虚电路PVC和交换虚电路SVC66分组通过预先建立好的虚电路穿越网络67三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼呼叫叫请请求求呼呼叫叫应应答答数数据据ABCD寻路延迟寻路延迟线路交换线路交换分组分组1分组分组2分组分组3ABCD分组交换分组交换分组分组4t t报文报文ABCD排队延迟排队延迟报文交换报文交换68各种交换方式各种交换方式692.7 过失控制过失控制什么是过失控制？什么是过失控制？在通信过程中，发现、检测过失并进行纠正在通信过程中，发现、检测过失并进行纠正为

51、何要进行过失控制？为何要进行过失控制？不存在理想的信道不存在理想的信道传输总会出错传输总会出错与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的过失率。过失率。产生过失的原因：产生过失的原因：信号衰减和热噪声信号衰减和热噪声信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；变；信号反射，串扰；信号反射，串扰；冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。70过失控制的根本方法：接收方进行过失检测，并向过失控制的根本方法：接收方进行过失检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。发送方应答，告知是否正确

52、接收。实际采用的过失控制技术实际采用的过失控制技术自动请求重传自动请求重传Automatic Repeat Request ARQ停等停等 ARQ 每发送一帧就需要一个应答帧每发送一帧就需要一个应答帧只重传刚刚出错的帧只重传刚刚出错的帧帧编号只需帧编号只需0和和1即可即可Go-back-N ARQ每发送每发送N帧需要一个应答帧帧需要一个应答帧需重传前面需重传前面N-i+1帧帧0iN帧编号从帧编号从0到到N-1选择重传选择重传 ARQ每发送每发送N帧需要一个应答帧帧需要一个应答帧只重传出错的帧只重传出错的帧前向纠错前向纠错FEC-Forward Error ControlFEC混合方式混合方式H

53、ybridFEC-ARQ71奇偶校验奇偶校验Parity Checking可以在两个级别上实现：可以在两个级别上实现：在原始数据字节的最高位或最低位增加一个奇偶校验位，使结在原始数据字节的最高位或最低位增加一个奇偶校验位，使结果中果中1的个数为奇数奇校验或偶数偶校验。的个数为奇数奇校验或偶数偶校验。例如：例如：1100010增加偶校验位后为增加偶校验位后为11100010假设接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发假设接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。生了错误。在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。只能用

54、于面向字符的通信协议中。只能用于面向字符的通信协议中。只能检测出奇数个位错，偶数个位错那么不能检出。只能检测出奇数个位错，偶数个位错那么不能检出。72循环冗余校验循环冗余校验CRC, Cyclic Redundancy Check过失检测原理：过失检测原理：收发双方约定一个生成多项式收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方根据发送的数据和，发送方根据发送的数据和G(x)计算出计算出CRC校验和并把它加在数据的末尾。接收方那么用校验和并把它加在数据的末尾。接收方那么用G(x)去去除接收到的数据，假设有余数，那么传输有错。除接收到的数据，假设有余数，那么传输有错。校验和是校验和是16位或位或32

55、位的二进制位串。位的二进制位串。CRC校验的关键是如何计算校验和。校验的关键是如何计算校验和。73*CRC校验和的计算校验和的计算以数据块帧以数据块帧, Frame为单位进行校验为单位进行校验将数据块构成的位串看成是系数为将数据块构成的位串看成是系数为0或或1的多项式的多项式如如110001，可表示成多项式，可表示成多项式 x5 + x4 + 1假设假设G(x)为为r阶，帧为阶，帧为m位，其多项式为位，其多项式为M(x)，那，那么在帧后面添加么在帧后面添加r个个0，成为，成为m+r位，相应多项式位，相应多项式2rM(x) 按模按模2除法用除法用2rM(x)除以除以G(x)：商：商Q(x)，余，

56、余R(x)即：即： 2rM(x) = G(x)Q(x)+R(x)按模按模2加法把加法把2rM(x)与余数与余数R(x)相加，结果就是要相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式传送的带校验和的帧的多项式T(x) ：即：即：T(x) = 2rM(x) + R(x)实际上，实际上，T(x)=2rM(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x) =G(x)Q(x) (模模2运算运算) 所以，假设接收的所以，假设接收的T(x)正确，那么它肯定能被正确，那么它肯定能被G(x)除尽。除尽。74CRC校验码的检错能力：校验码的检错能力： 可检出所有奇数个错；可检出所有奇数个错； 可检出所有单位可检出

57、所有单位/双位错；双位错； 可检出所有可检出所有G(x)长度的突发错。长度的突发错。常用的生成多项式常用的生成多项式G(x)： CRC16=x16+x15+x2+1 CRC32=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x8+x7+x5+x4 +x2+x+175校验和校验和发送方算法发送方算法将待发送的进行校验和运算的字符串分成假设干将待发送的进行校验和运算的字符串分成假设干16位的位串，每个位串位的位串，每个位串看成一个二进制数，这里的字符串不关注其语义。看成一个二进制数，这里的字符串不关注其语义。将将IP、ICMP、TCP或或UDP的的PDU首部中的校验和字段设置为首部中的校

58、验和字段设置为0，该字，该字段也参与校验和运算。段也参与校验和运算。对这些对这些16位的二进制数进行位的二进制数进行1的补码和的补码和ones complement sum运运算，累加的结果再取反作为校验和，并放置到算，累加的结果再取反作为校验和，并放置到PDU的校验和字段中。的校验和字段中。接收方算法接收方算法将接收的进行校验和运算的将接收的进行校验和运算的16位二进制按发送方的同样方法进行位二进制按发送方的同样方法进行1的补的补码和运算，包括校验和字段、累加的结果再取反。这样，其结果为码和运算，包括校验和字段、累加的结果再取反。这样，其结果为0，说明传输正确；否那么，说明传输有过失。说明传

59、输正确；否那么，说明传输有过失。 76数据通信性能指标数据通信性能指标时延与时延带宽积误码率与误比特率信息传输速率与码元传输速率信道的最大传输速率77时延时延时延：一个数据块帧、分组、报文段等从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。总时延发送时延 + 传播时延 + 转发时延发送时延发送时间数据块长度/信息传输速率传播时延传播时延信道长度/电磁波在信道上的传播速率转发时延78带宽带宽Band width，BW：信道传输能力的度量。：信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：在传统的通信工程中：BW fmax fmin 单位：赫兹单位：赫兹Hz在计算机网络中，用每秒允许传输的二进制位数作在计算机

60、网络中，用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：为带宽的计量单位。主要单位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万比特，例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万比特，它的带宽为它的带宽为10Mb/s。79时延带宽乘积时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。 时延带宽乘积=带宽传播时延 例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信信道道带宽带宽传播时延传播时延管道体积管道体积=时延带宽乘积时延带宽乘积80误码率与误比特率误码率与误比特率误码率：误码率：Pc是指传输的码元被传错的概

61、率是指传输的码元被传错的概率 Pc 传错的码元数 传输的码元总数误比特率：误比特率：Pb是指传输的比特被传错的概率是指传输的比特被传错的概率Pb 传错的比特数 传输的比特总数 81信息传输速率与码元传输速率信息传输速率信息传输速率比特比特bit：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数即数据传送速率。数即数据传送速率。信息传输速率：是指每秒传输的编码前的数字数据的二进信息传输速率：是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数制比特数 码元传输速率码元传输速率码元码元Code cell：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。码元传输速率

62、：是指每秒传输的码元数码元传输速率：是指每秒传输的码元数 一般情况下，如果码元状态数为一般情况下，如果码元状态数为MM为为2的整数次幂，的整数次幂，那么那么C=B* log2 Mbit/s一个码元中可以传送多个比特。一个码元中可以传送多个比特。例如：当波特率为例如：当波特率为9600时时假设假设M=2，数据传输率为，数据传输率为9600b/s假设假设M=16，数据传输率为，数据传输率为吞吐量：单位时间发送的比特数、字节数或帧数吞吐量：单位时间发送的比特数、字节数或帧数 82信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道公式：用于无噪声理想低通信道Nyquis

63、t公式为估算带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。公式为估算带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带例如，话音级线路的带 宽约为，根据上宽约为，根据上 式计算的信道最大数据式计算的信道最大数据 传输率如右表所示传输率如右表所示C = 2W log2 MC = 数据传输率，单位数据传输率，单位b/s W = 带宽，单位带宽，单位HzM = 信号编码级数信号编码级数M 最大数据率最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s83非理想信道非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在

64、损耗、延迟、噪声。损耗损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。延迟延迟会使接收端的信号产生畸变信号产生畸变。噪声噪声会破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间的干扰会破坏约560个比特。84Shannon公式：用于有噪声干扰信道公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽，例：信道带宽，S/N=2000，那么，那么 C = 3100log21+2000 34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。信噪比的单位也可用分贝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N所以，假设S/NdB=30d

65、B ，那么S/N=1000。C = W log2 （1+S/N） C: 传输率，单位传输率，单位b/sW: 带宽，单位带宽，单位HzS/N: 信噪比信噪比85Nyquist公式和公式和Shannon公式的比较公式的比较C = 2W log2M用于理想信道这样的信道存在吗？用于理想信道这样的信道存在吗？数据传输率随信号编码级数增加而增加。数据传输率随信号编码级数增加而增加。C = W log21+S/N用于有噪声信道实际的信道总是有噪声！用于有噪声信道实际的信道总是有噪声！无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能到达无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能到达的最大数据传输速率上限。的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。