計算機網絡與數(shù)據通信+-+第2章+數(shù)據通信基礎知識(lds).ppt

1 第2章數(shù)據通信的基礎知識 本章內容信道傳輸介質數(shù)據編碼多路復用技術數(shù)據交換技術差錯控制及檢錯 2 2 1基本概念 數(shù)據及計算機通信術語數(shù)據 Data 傳遞 攜帶 信息的實體 信息 Information 是數(shù)據的內容或解釋 信號 Signal 數(shù)據的物理量編碼 通常為電編碼 數(shù)據以信號的形式在介質中傳播 模擬信號 數(shù)字信號基帶 Baseband 寬帶 Broadband 基帶傳輸是指在通信電纜上原封不動地傳輸由計算機或數(shù)據通信終端產生的0或1數(shù)字脈沖信號 大多數(shù)局域網 LAN 使用的都是基帶傳輸 直接使用數(shù)字信號傳輸數(shù)據時 數(shù)字信號幾乎要占用整個頻帶 頻帶越寬 傳輸線路的電容電感等對傳輸信號波形衰減的影響越大 基帶傳輸?shù)木嚯x一般不超過2km 超過時需通過稱為中繼器的設備對信號進行放大 以延長傳輸距離 寬帶傳輸是指傳輸介質在信息傳輸時能夠支持較寬的頻帶 一般在300MHz 400MHz左右 系統(tǒng)設計時將此頻帶分割成若干個子頻帶 通過使用多路復用方法 在一個信道中可以同時傳播聲音 圖像和數(shù)據多種信息 使系統(tǒng)具有多種用途 3 數(shù)據 信息 信息是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認識 數(shù)據是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式 信號是數(shù)據的具體的物理表現(xiàn) 4 數(shù)據通信的基本概念 雪六角形涼白色 信息 數(shù)據 信號 例子 5 數(shù)據通信的基本概念 信息 人對雪花和馬的認識數(shù)據 文字 二進制數(shù) 十進制數(shù)信號 電壓 光 磁場強度 6 信道 Channel 傳送信息的線路 或通路 比特 bit 即一個二進制位 比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財?shù) 即數(shù)據傳送速率 碼元 Codecell 時間軸上的一個信號編碼單元 7 同步脈沖 用于碼元的同步定時 識別碼元從何時開始 同步脈沖也可位于碼元的中部 一個碼元也可有多個同步脈沖相對應 t 碼元1 碼元2 碼元3 碼元4 碼元5 信號 同步脈沖 t 8 DNS 寫入脈沖 讀出脈沖 緩沖存儲器 數(shù)字交換網絡 數(shù)字網示意圖 從輸入數(shù)字碼流中提取 本局時鐘 在通信信號的傳輸過程中 同步是十分重要的 如果不能同步 就會在數(shù)字交換機的緩存器中產生信息比特的溢出和取空 導致數(shù)字流的滑動損傷 造成數(shù)據出錯 9 波特 Baud 碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?波特率為每秒傳送的碼元數(shù) 即信號傳送速率 比特率 波特率和信號編碼級數(shù)的關系如下 Rbit Rbaudlog2M上式中 M 信號的編碼級數(shù) Rbit 比特率 Rbaud 波特率一個信號往往可以攜帶多個二進制位 所以在固定的信息傳輸速率下 比特率往往大于波特率 換句話說 一個碼元中可以傳送多個比特 例如 當波特率為9600時若M 2 數(shù)據傳輸率為9600b s若M 16 數(shù)據傳輸率為38 4kb s 10 誤碼率 信道傳輸可靠性指標 是一個概率值 傳輸中的誤碼 所傳輸?shù)目偞a數(shù)信息編碼 將信息用二進制數(shù)表示的方法 例如 ASCII編碼 BCD編碼等數(shù)據編碼 將數(shù)據用物理量表示的方法 例如 字符 A 的ASCII編碼為01000001 其數(shù)據編碼可能為 11 帶寬 Bandwidth BW 信道傳輸能力的度量 在傳統(tǒng)的通信工程中 BW fmax fmin單位 赫茲 Hz 100300500700900 頻率 帶寬 900 100 800 12 在計算機網絡中 一般用每秒允許傳輸?shù)亩M制位數(shù)作為帶寬的計量單位 主要單位 b s kb s Mb s Gb s 例如 傳統(tǒng)以太網理論上每秒可以傳輸1千萬比特 它的帶寬為10Mb s 在理解帶寬這個概念之前 我們首先來看一個公式 帶寬 時鐘頻率x總線位數(shù) 8 從公式中我們可以看到 帶寬和時鐘頻率 總線位數(shù)是有著非常密切的關系的 其實在一個計算機系統(tǒng)中 不僅顯示器 內存有帶寬的概念 在一塊板卡上 帶寬的概念就更多了 完全可以說是帶寬無處不在 那到底什么是帶寬呢 帶寬的意義又是什么 簡單的說 帶寬就是傳輸速率 是指每秒鐘傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù) MB S 即每秒處理多少兆字節(jié) 高帶寬則意味著系統(tǒng)的高處理能力 為了更形象地理解帶寬 位寬 時鐘頻率的關系 我們舉個比較形象的例子 工人加工零件 如果一個人干 在大家單個加工速度相同的情況下 肯定不如兩個人干的多 帶寬就象是加工零件的總數(shù)量 位寬仿佛工人數(shù)量 時鐘工作頻率相當于加工單個零件的速度 位寬越寬 時鐘頻率越高則總線帶寬越大 其好處也是顯而易見的 13 時延 Delay 信息從網絡的一端傳送到另一端所需的時間 時延 處理時延 排隊時延 發(fā)送時延 傳播時延處理時延 對數(shù)據進行處理和錯誤校驗所需的時間排隊時延 數(shù)據在中間結點等待轉發(fā)的延遲時間發(fā)送時延 數(shù)據位數(shù) 信道帶寬傳播時延 d sd 距離 s 介質中信號傳播速度 0 7c 14 延遲在每個步跳中產生的延遲可分為四種 處理時延 校驗錯誤確定輸出鏈路排隊時延 在輸出鏈路中等待被發(fā)送取決于路由器的擁塞程度 15 發(fā)送時延 R 鏈路帶寬 b s L 分組長度 bits 將分組位流發(fā)送到鏈路上的時間 L R 傳播時延 d 物理鏈路的長度s 介質中的信號傳播速度 2x108m s 傳播延遲 d s 注意 s和R是完全不同的兩個概念 16 時延帶寬乘積 某一信道所能容納的比特數(shù) 時延帶寬乘積 帶寬 傳播時延例如 某信道的時延帶寬乘積為100萬比特 這意味著第一個比特到達目的端時 源端已發(fā)送了100萬比特 管道體積 時延帶寬乘積 17 往返時延 Round TripTime RTT 從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據開始 到發(fā)送端收到接收端的確認所經歷的時間RTT 2 傳播時延傳輸可靠性兩個含義 數(shù)據能正確送達數(shù)據能有序送達 當采用分組交換時 18 1 數(shù)據通信的一般概念 通信的三個要素 信源 信宿和信道 任何信道都不是完美無缺的 因此會對傳輸?shù)男盘柈a生干擾 稱為 噪聲 外界 閃電 串擾 電氣設備內部 介質特性 衰減 延遲 與頻率有關 19 信息通過數(shù)據通信系統(tǒng)的傳輸過程把攜帶信息的數(shù)據用物理信號形式通過信道傳送到目的地信息和數(shù)據 二進制位 不能直接在信道上傳輸編碼 數(shù)據 適合傳輸?shù)臄?shù)字信號 便于同步 識別 糾錯調制 數(shù)字信號 適合傳輸?shù)男问?按頻率 幅度 相位解調 接收波形 數(shù)字信號解碼 數(shù)字信號 原始數(shù)據 20 2 數(shù)據通信系統(tǒng)的構成 數(shù)據傳輸系統(tǒng)傳輸線路有線介質 無線介質傳輸設備調制解調器 中繼器 多路復用器 交換機等調制解調器等網絡接入設備也稱為DCE DataCircuitEquipment 數(shù)據處理系統(tǒng) 計算機 終端等又分為 源系統(tǒng) 信源 發(fā)送器 發(fā)出數(shù)據的計算機目的系統(tǒng) 信宿 接收器 接收數(shù)據的計算機計算機 終端等設備也稱為DTE DataTerminalEquipment 21 數(shù)據通信基本過程 5個階段包含兩項內容 數(shù)據傳輸和通信控制過程與打電話比較建立物理連接撥號 撥通對方建立邏輯連接互相確認身份數(shù)據傳輸互相通話斷開邏輯連接互相確認要結束通話斷開物理連接雙方掛機 注意 并不是所有的數(shù)據通信都需要全部5個階段 22 2 2信道及其主要特征 1 數(shù)字信道和模擬信道數(shù)字信道 以數(shù)字脈沖形式 離散信號 傳輸數(shù)據的信道 計算機網絡中主要采用數(shù)字信道進行數(shù)據傳輸ADSL ISDN DDN ATM 局域網模擬信道 以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據的信道 CATV 無線電廣播 電話撥號線路 23 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號時間上連續(xù) 包含無窮多個信號值數(shù)字信號時間上離散 僅包含有限數(shù)目的信號值 最常見的是二值信號 t a 模擬信號 b 數(shù)字信號 24 周期信號和非周期信號周期信號信號由不斷重復的固定模式組成 如正弦波 非周期信號信號沒有固定的模式和波形循環(huán) 如語音的音波信號 周期信號 非周期信號 25 數(shù)字通信與模擬通信數(shù)字通信在數(shù)字信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸模擬通信在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸數(shù)字通信的優(yōu)點抗噪聲 干擾 能力強可以控制差錯 提高了傳輸質量便于用計算機進行處理易于加密 保密性強可以傳輸語音 數(shù)據 影像 通用 靈活計算機通信僅在不得已的情況下 才會采用模擬通信 如通過電話線撥號上網 26 2 信道的最大數(shù)據傳輸率 Nyquist公式 用于無噪聲理想低通信道Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據傳輸速率提供了依據 例如 話音級線路的帶寬約為3 1kHz 根據上式計算的信道最大數(shù)據傳輸率如右表所示 M最大數(shù)據率26200b s412400b s818600b s1624800b s3231000b s 27 非理想信道實際的信道上存在損耗 延遲 噪聲 損耗引起信號強度減弱 導致信噪比S N降低 延遲會使接收端的信號產生畸變 噪聲會破壞信號 產生誤碼 例如 數(shù)據傳輸速率為56kb s時 持續(xù)時間0 01s的干擾會破壞約560個比特 28 Shannon公式 用于有噪聲干擾信道例 信道帶寬W 3 1kHz S N 2000 則C 3100 log2 1 2000 34kb s即該信道上的最大數(shù)據傳輸率不會大于34kb s 信噪比的單位也可用分貝 dB 表示 S NdB 10log10S N所以 若S NdB 30dB 則S N 1000 29 Nyquist公式和Shannon公式的比較 C 2Wlog2M用于理想信道 這樣的信道存在嗎 數(shù)據傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加 C Wlog2 1 S N 用于有噪聲信道 實際的信道總是有噪聲 無論信號編碼級數(shù)增加到多少 此公式給出了有噪聲信道可能達到的最大數(shù)據傳輸速率上限 原因 噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加 30 3 通信網絡中站點的連接方式 31 4 數(shù)據傳輸方式 單 雙工通信 單 雙向傳輸單工 數(shù)據單向傳輸 例 無線電廣播 半雙工 數(shù)據可以雙向交替?zhèn)鬏?但不能在同一時刻雙向傳輸 例 對講機 全雙工 數(shù)據可以雙向同時傳輸 例 電話 需要具有兩條物理上獨立的傳輸線路 或者需要具有一條物理線路上的兩個信道 分別用于不同方向的信號傳輸 32 發(fā)送器 接收器 發(fā)送器 接收器 發(fā)送器 接收器 發(fā)送器 接收器 發(fā)送器 接收器 單工方式 半雙工方式 全雙工方式 A站 B站 可同時 不可同時 33 基帶 頻帶 寬帶傳輸基帶傳輸 不需調制 編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送 例如 以太網 局域網 頻帶傳輸 數(shù)字信號調制成音頻 20Hz 20KHz 模擬信號后再傳送 接收方需要解調 例如 通過電話網絡傳輸數(shù)據寬帶傳輸 把信號調制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信號后再傳送 接收方需要解調 例如 閉路電視的信號傳輸 34 數(shù)據同步方式目的是使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致 同步脈沖頻率數(shù)據從什么時候開始 什么時候結束位邊界數(shù)據塊邊界數(shù)據通信中需要在三個層次上實現(xiàn)同步 位 位同步字符 字符同步幀 Frame 幀同步 35 位同步 目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步 2種同步方法 外同步 發(fā)送端發(fā)送數(shù)據之前發(fā)送同步脈沖信號 接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率 自同步 通過特殊編碼 如曼徹斯特編碼 使數(shù)據編碼信號中包含同步信號 接收方從數(shù)據編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率 36 在曼徹斯特編碼中 每一位的中間有一跳變 位中間的跳變既作時鐘信號 又作數(shù)據信號 從高到低跳變表示 1 從低到高跳變表示 0 還有一種是差分曼徹斯特編碼 每位中間的跳變僅提供時鐘定時 而用每位開始時有無跳變表示 0 或 1 有跳變?yōu)?0 無跳變?yōu)?1 37 字符同步 找到正確的字符邊界 常用的為起止式 異步式 在這種方式中 每個字符的傳輸需要 1個起始位 5 8個數(shù)據位 1 1 5或2個停止位采用這種同步方式的通信也稱 異步通信 起止式的優(yōu)缺點 頻率的漂移不會積累 每個字符開始時都會重新獲得同步 每兩個字符之間的間隔時間不固定 增加了輔助位 所以傳輸效率低 例如 采用1個起始位 8個數(shù)據位 2個停止位時 其傳輸效率為8 11 73 38 幀同步 識別一個幀的起始和結束 幀 Frame 數(shù)據鏈路中的傳輸單位 包含數(shù)據和控制信息的數(shù)據塊面向字符的 以同步字符 SYN 16H 來標識一個幀的開始 適用于數(shù)據為字符類型的幀面向比特的 以特殊位序列 7EH 即01111110 來標識一個幀的開始 適用于任意數(shù)據類型的幀 7EH 7EH 39 2 3傳輸介質 磁介質高帶寬 低費用 高延時 小時 在通信中很少使用金屬導體雙絞線 同軸電纜 粗 細 光纖無線介質無線電 微波 衛(wèi)星 紅外線 40 雙絞線 TwistPair TP 螺旋絞合的雙導線 每根4對 25對 1800對 典型連接距離100m LAN RJ45插座 插頭 優(yōu)缺點 成本低組裝密度高 節(jié)省空間安裝容易 綜合布線系統(tǒng) 平衡傳輸 高速率 抗干擾性一般連接距離短 應用領域 電話網絡 計算機局域網 41 雙絞線 TwistedPair 雙絞線減少相互間的干擾電纜常常包括多對雙絞線雙絞線分為兩類 屏蔽雙絞線STP ShieldedTwistedPair 非屏蔽雙絞線UTP UnshieldedTwistedPair 3類UTP 常用來傳輸話音5類UTP 可以100Mbps傳輸數(shù)據超5類UTP 支持的數(shù)據速率更高 42 物理層中的傳輸媒體 a Category3UTP b Category5UTP 雙絞線 43 物理層中的傳輸媒體 雙絞線 44 平行線的噪聲干擾 45 雙絞線的噪聲干擾 46 雙絞線小結 一般在一根線內有多對 常在2 1800對之間 雙絞線分為 UTP 非屏蔽雙絞線 成本低 安裝容易 易受外部或附近雙絞線的干撓 STP 屏蔽雙絞線 在線的外層加上金屬包層來屏蔽外界的干撓 成本高 安裝難度大 根據1995年的電子工業(yè)協(xié)會EIA公布的標準EIA 586 A 其中100 的3類UTP和5類UTP STP是150 其中CAT3和CAT5的區(qū)別在于旋絞次數(shù) CAT5一般是3 4次 英寸 而CAT3則是3 4次 英尺 47 48 UTP的主要性能參數(shù)和用途 49 50 2020 3 14 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 從性價比和可維護性出發(fā) 大多數(shù)局域網使用非屏蔽雙絞線 UTP UnshieldedTwistedPair 作為布線的傳輸介質來組網 網線由一定距離長的雙絞線與RJ45頭組成 雙絞線 RJ45頭 51 2020 3 14 雙絞線做法有兩種國際標準 EIA TIA568A和EIA TIA568B如圖 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 52 2020 3 14 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 53 2020 3 14 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 雙絞線的連接方法 直通線纜和交叉線纜 直通線纜的水鏡頭兩端都遵循568A或568B標準 雙交線的每組線在兩端是一一對應的 顏色相同的在兩端水晶頭的相應槽中保持一致 它主要用在交換機 或集線器 Uplink口連接交換機 或集線器 普通端口或交換機普通端口連接計算機網卡上 54 2020 3 14 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 交叉線纜的水晶頭一端遵循568A 而另一端則采用568B標準 即A水晶頭的1 2對應B水晶頭的3 6 而A水晶頭的3 6對應B水晶頭的1 2 它主要用在交換機 或集線器 普通端口連接到交換機 或集線器 普通端口或網卡連網卡上 55 水晶頭的八根針腳的定義 拿著水晶頭 頭部朝向自己 塑料彈片朝下 從右到左依次為1 2 3 4 5 6 7 8 56 2020 3 14 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 網線的制作 主要用到的工具 57 2020 3 14 雙絞網線的正線反線制作方法及應用場合 測線器的使用 網線測試儀 在把水晶頭的兩端都做好后即可用網線測試儀進行測試 如果測試儀上8個指示燈都依次為綠色閃過 證明網線制作成功 如果出現(xiàn)任何一個燈為紅燈或黃燈 都證明存在斷路或者接觸不良現(xiàn)象 注 直通線測試儀上的燈應該是依次順序的亮 交叉雙絞線那測試儀的一段的閃亮順序應該是3 6 1 4 5 2 7 8 58 光纖 OpticalFiber 依靠光波承載數(shù)據 光脈沖在玻璃纖維中傳播優(yōu)缺點 傳輸帶寬高 僅受光電轉換器件的限制 100Gb s 傳輸損耗小 適合長距離傳輸抗干擾性能極好 誤碼率低 保密性好輕便價格較高需要光電轉換纖芯材料 塑料二氧化硅 高純玻璃 59 光纖 OpticalFiber 光纖傳送電信號的過程單模光纖 直線 距離更長 數(shù)據速率更高多模光纖 折射 60 光纖 光纖是寬帶網絡中多種傳輸媒介中最理想的一種 它的特點是傳輸容量大 傳輸質量好 損耗小 中繼距離長等 而光纖通信系統(tǒng)的構成如圖所示 61 光纖的組網范例 62 光纖 物理特性物理成份 5 100um芯 超純SiO2 成本高 生產工藝難度大 傳輸距離遠 多塑纖維 成本低 但傳輸距離短構成 根據光纖的波長分為多模和單多模光纖 多模是光線沿著光纖以多種角度不斷被包層反射而向前傳播 多模指反射角的多樣性 其波長為0 85um 單模是指光纖的芯縮小到與波長相當 此時相當于光沿直線在光纖的軸芯上傳播 單模光纖由于減少了反射過程中光能量被包層材料吸收 故損耗小 能傳輸?shù)母h 但由于要把光纖的芯拉的更細 1 3um 所以工藝難度大 成本高 光纖芯直徑是單模8 3um 多模是50um和62 5um兩種 速度 2 4G 5G 10G在推廣 20G正在研制 無中繼達20Km以上 影響光纖的因素 衰減和色散 63 傳輸原理用1014 1015HZ的光 利用光的折射和全反射原理 折射率作為衡量它的一個標準 其定義為 cos a cos b 64 利用不同的介質密度的差異 引起全反射 65 傳輸過程電信號 驅動器 光源 光纖信號 光纖 光檢波器 放大器 電信號發(fā)送端 發(fā)光二極管LED 可見光 多模 注入型激光二極管ILD 激勵性電效應 單模 昂貴 有穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)接收端 光檢測PIN檢測器 PN結中加純硅 價格低 靈敏度低APP檢測器 雪崩光電二極管 靈敏度高光調制 ASK調制 復用技術 WDM DWDM 光纖傳輸?shù)膬?yōu)點 輕便 低衰減和大容量 66 傳輸模式 Mode Singlemode Step index Multimode Graded index 67 傳輸模式 多模突變 Multimodestep indexfiber 68 傳輸模式 多模漸變 Multimodegraded indexfiber 69 傳輸模式 單模 Single modefiber 70 同軸電纜 CoaxialCable 計算機網絡中使用基帶同軸電纜阻抗50 有粗同軸和細同軸兩種應用 總線局域網 以太網 性能 10Mb s 500米 185米 71 無線介質 信號在大氣或外層空間自由傳播 使用電磁波或光波攜帶信息優(yōu)缺點 無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾反射 為障礙物所阻隔主要類型 無線電 地面微波通信衛(wèi)星紅外線 72 無線電基站與終端之間通信采用無線鏈路應用領域 移動通信 無線局域網 WLAN 基站覆蓋的無線電區(qū)域 基站 用戶計算機和終端 73 地面微波通過地面站之間接力傳送接力站之間距離 50 100km速率 每信道45Mb s 地球 地面站之間的直視線路 微波傳送塔 74 地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長 270ms 廣播式傳輸應用領域 電視傳輸長途電話專用網絡廣域網 35 784公里 地球 75 常用傳輸介質的比較 p46表2 1 76 2 4數(shù)據編碼 不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況 77 模擬傳輸和數(shù)字傳輸所使用的技術 78 編碼與調制的區(qū)別編碼 用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據調制 用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據 Encoder Decoder 數(shù)字或模擬數(shù)據 數(shù)字信號 x t g t 數(shù)字或模擬數(shù)據 編碼與解碼 數(shù)字信道 發(fā)送方 接收方 g t 編碼 解碼 79 調制與解調 80 1 數(shù)字數(shù)據的數(shù)字信號編碼 使數(shù)字數(shù)據能在數(shù)字信道上傳輸把數(shù)字數(shù)據轉換成某種數(shù)字脈沖信號常見的有兩類 不歸零碼和曼徹斯特編碼不歸零碼 NRZ Non ReturntoZero 二進制數(shù)字0 1分別用兩種電平來表示 常用 5V表示1 5V表示0 缺點 存在直流分量 傳輸中不能有變壓器或電容 不具備自同步機制 傳輸時必須使用外同步 81 曼徹斯特編碼 ManchesterCoding 用電壓的變化表示0和1 規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變 高 低的跳變代表0 低 高的跳變代表1每個碼元中間都要發(fā)生跳變 接收端可將此變化提取出來作為同步信號 這種編碼也稱為自同步碼 Self SynchronizingCode 缺點 需要雙倍的傳輸帶寬 即信號速率是數(shù)據速率的2倍 差分曼徹斯特編碼 Differential 每個碼元的中間仍要發(fā)生跳變 用碼元開始處有無跳變來表示0和1 有跳變代表0 無跳變代表1 82 三種數(shù)字編碼的波形圖 83 2 數(shù)字數(shù)據的調制 使數(shù)字數(shù)據能在模擬信道上傳輸三種常用的調制技術 幅移鍵控ASK AmplitudeShiftKeying 頻移鍵控FSK FrequencyShiftKeying 相移鍵控PSK PhaseShiftKeying 原理 用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調制 載波信號S t Acos t S t 的參量包括 幅度A 頻率 初相位 調制就是要使A 或 隨數(shù)字基帶信號的變化而變化 84 ASK 用載波的兩個不同振幅表示0和1FSK 用載波的兩個不同頻率表示0和1PSK 用載波的起始相位的變化表示0和1 85 3 模擬數(shù)據的數(shù)字信號編碼 使模擬數(shù)據能在數(shù)字信道上傳輸采樣定理 如果模擬信號的最高頻率為F 若以 2F的采樣頻率對其采樣 則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號 要轉換的模擬數(shù)據主要是電話語音信號模擬數(shù)據要在數(shù)字線路上傳輸 必須將其轉換成數(shù)字信號 三個步驟 采樣 按一定間隔對語音信號進行采樣量化 把每個樣本舍入到最接近的量化級別上編碼 對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號 脈碼調制 PulseCodedModulation 86 語音信號的數(shù)字化語音帶寬f2倍語音最大頻率 樣本量化級數(shù) 256級 8bit 每樣本 數(shù)據率 8000次 s 8bit 64kb s每路PCM信號的速率 64kb s 87 PCM 采樣信號 基于nyquist理論 3 2 3 9 2 8 3 4 1 2 4 2 3 4 3 3 1 4 011 100 011 011 001 100 原始信號 PAM脈沖 采樣 PCM脈沖 量化 有量化差錯 011100011011001100 PCM輸出 編碼 88 2 5多路復用技術 多路復用技術就是將多路信號組合在一條物理信道上進行傳輸 到接收端再用專門的設備將各路信號分離開來 這樣使一條物理信道資源被多路信號共享 多路復用技術包括 頻分多路復用 FDM 時分多路復用 TDM 波分多路復用 WDM 碼分多址 CDMA 89 Multiplexingvs NoMultiplexing 90 多路復用技術 頻分多路復用 FDM 時分多路復用 TDM 波分多路復用 WDM 碼分多址 CDMA 91 頻分多路復用 FDM 頻分多路復用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 當傳輸介質的可用帶寬超過各路給定信號所需帶寬的總和時 可以把多個信號調制在不同的載波頻率上 從而在同一介質上實現(xiàn)同時傳送多路信號 這就是頻分多路復用 92 頻分多路利用 FDM 圖 93 頻分多路復用 續(xù) 94 頻分多路復用帶寬分配例 f A 95 FDM多路復用過程例 FDM多適用于模擬信號傳輸 96 FDM解多路復用過程例 97 FDM中的移頻與疊加 頻譜 98 FDM多路復用與解復用全過程例 99 多路復用技術 頻分多路復用 FDM 時分多路復用 TDM 波分多路復用 WDM 碼分多址 CDMA 100 時分多路復用 TDM 時分多路復用TDM TimeDivisionMultiplexing 當傳輸介質所能達到的數(shù)據傳輸速率超過各路信號的數(shù)據傳輸速率的總和時 可以將物理信道按時間分成若干時間片輪換地分配給多路信號使用 每一路信號在自己的時間片內獨占信道傳輸 這就是時分多路復用 時分多路復用可分為同步TDM和異步TDM 101 時分多路利用 102 時分多路復用 續(xù) 時分多路復用TDM多用來傳輸數(shù)字信號 但并不局限于傳輸數(shù)字信號 有時也可以用來分時傳輸模擬信號 另外 對于模擬信號 有時可把TDM和FDM結合起來一起使用 比如第二代移動電話的GSM標準中 將一個傳輸系統(tǒng)的可用頻帶頻分成許多子信道 每個子信道再利用時分多路復用來細分 103 時分多路復用 續(xù) TDM多適用于數(shù)字信號傳輸 104 時分多路復用 續(xù) 105 統(tǒng)計 異步 TDM STDM TDM的缺點 某用戶無數(shù)據發(fā)送 其他用戶也不能占用該通道 將會造成帶寬浪費 改進 使用統(tǒng)計時分多路復用 STDM 用戶不固定占用某個通道 有空時間片就將數(shù)據放入 統(tǒng)計TDM 各數(shù)據之前要附有該路地址 以便接收方能分出各路信號 106 TDM和STDM的比較 107 多路復用技術 頻分多路復用 FDM 時分多路復用 TDM 波分多路復用 WDM 碼分多址 CDMA 108 波分多路復用 WDM 目前一根單模光纖的傳輸速率可達到2 5Gb s 如能采用色散補償技術解決光纖傳輸中的色散問題 指光脈沖中由于不同頻率分量傳輸速率不同導致信號失真產生誤碼的現(xiàn)象 則一根單模光纖的傳輸速率可達到10Gb s 這已是當前單個光載波信號傳輸?shù)臉O限值 109 波分多路復用 續(xù) 波分多路復用 WavelengthDivisionMultiplexing WDM 是光的頻分復用 不同的信源使用不同波長的光波來傳輸數(shù)據 各路光波經過一個棱鏡 或衍射光柵 合成一個光束在光纖干道上傳輸 在接收端利用相同的設備將各路光波分開 這樣復用后 可以使光纖的傳輸能力成幾倍幾十倍的提高 110 多路復用技術 頻分多路復用 FDM 時分多路復用 TDM 波分多路復用 WDM 碼分多址 CDMA 111 碼分多址 CDMA 每個比特時間分成m個碼片 每個站分配一個唯一的m比特碼片序列 當某個站欲發(fā)送 1 時 它就在信道中發(fā)送它的碼片序列 當欲發(fā)送 0 時 就發(fā)送它的碼片序列的反碼 滿足條件 不同的碼片序列之間是相互正交的 由于原始數(shù)字信號的頻率被擴展 這種通信方式又叫做擴頻通信 112 碼片序列 每個站被指派一個唯一的m位碼片序列 如發(fā)送比特1 則發(fā)送自己的m位碼片序列如發(fā)送比特0 則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼例如 S站的8位碼片序列是00011011 發(fā)送比特1時 就發(fā)送序列00011011發(fā)送比特0時 就發(fā)送序列11100100為數(shù)學運算方便 將S站的碼片序列表示成 1 1 1 1 1 1 1 1 113 設向量S表示站S的碼片向量 T表示站T的碼片向量 兩個不同站的碼片序列正交 必須向量S和T的歸一化內積 innerproduct 為0 例如 設S 1 1 1 1 1 1 1 1 T 1 1 1 1 1 1 1 1 則 碼片序列間要相互正交 114 推論 由可推知 115 CDMA接收 CDMA接收時 接收站從空中收到多站發(fā)送信號后的線性疊加碼片序列的和 將其與某一發(fā)送站碼片序列進行歸一化內積運算 則可恢復出該站發(fā)送的數(shù)據 設接收站接收到的碼片序列和為S 接收站要聽碼片序列為C的站發(fā)出的數(shù)據 并設站A發(fā)送1 站B發(fā)送0 站C發(fā)送1 則接收站計算C站發(fā)出的數(shù)據為 116 2 6數(shù)據交換技術 什么是交換 按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源 例如 電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù) 用戶掛機后則斷開該線路 該線路又可分配給其它用戶 最初的交換 人工轉接交換為什么要采用交換技術 節(jié)省線路投資 提高線路利用率 實現(xiàn)交換的方法主要有 電路交換 報文交換和分組交換 117 電路交換在通信雙方之間建立一條臨時專用線路的過程 可以是真正的物理線路 也可以是一個復用信道 特點 數(shù)據傳輸前需要建立一條端到端的通路 稱為 面向連接的 典型例子 電話 過程 建立連接 通信 釋放連接優(yōu)缺點 建立連接的時間長 一旦建立連接就獨占線路 線路利用率低 無糾錯機制 建立連接后 傳輸延遲小 不適用于計算機通信 因為計算機數(shù)據具有突發(fā)性的特點 真正傳輸數(shù)據的時間不到10 例如 建立連接的時間為0 5秒 計算機以1Mb s的速率發(fā)送10k字節(jié) 118 電話網絡中的電路交換電路交換也能在多路復用信道上實現(xiàn)在物理線路的某個信道上建立連接 119 報文交換以報文為單位進行 存儲 轉發(fā) 交換的技術 在交換過程中 交換設備將接收到的報文先存儲 待信道空閑時再轉發(fā)出去 一級一級中轉 直到目的地 這種數(shù)據傳輸技術稱為存儲 轉發(fā) 傳輸之前不需要建立端到端的連接 僅在相鄰結點傳輸報文時建立結點間的連接 稱為 無連接的 典型例子 電報 整個報文 Message 作為一個整體一起發(fā)送 優(yōu)缺點 沒有建立和拆除連接所需的等待時間 線路利用率高 傳輸可靠性較高 報文大小不一 造成存儲管理復雜 大報文造成存儲轉發(fā)的延時過長 且對存儲容量要求較高 出錯后整個報文全部重發(fā) 比較 下載時若無斷點續(xù)傳功能 一旦出錯你會怎樣做 120 分組交換 包交換 將報文分割成若干個大小相等的分組 Packet 進行存儲轉發(fā) 數(shù)據傳輸前不需要建立一條端到端的通路 也是 無連接的 有強大的糾錯機制 流量控制 擁塞控制和路由選擇功能 優(yōu)缺點 對轉發(fā)結點的存儲要求較低 可以用內存來緩沖分組 速度快 轉發(fā)延時小 適用于交互式通信 某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組 效率高 各分組可通過不同路徑傳輸 容錯性好 需要分割報文和重組報文 增加了端站點的負擔 分組交換有兩種交換方式 數(shù)據報方式和虛電路方式 121 數(shù)據報方式 Datagram 各分組獨立地確定路由 傳輸路徑 不能保證分組按序到達 所以目的站點需要按分組編號重新排序和組裝 數(shù)據報方式不能保證分組按序到達 分組可能通過多個路徑穿越網絡 122 虛電路方式 VirtualCircuit 通信前預先建立一條邏輯連接 虛電路虛電路是由其路徑上的所有交換機中的路由表定義的類比 鐵路系統(tǒng) 旅客 列車 分組 鐵路網 網絡 火車站 節(jié)點 西安 北京 這條線路可以看成是一條虛路徑也需要三個過程 建立 數(shù)據傳輸 拆除建立虛電路時 交換機將預留傳輸時所需的所有資源虛電路的路由在建立時確定 傳輸數(shù)據時則不再需要數(shù)據傳輸時只需指定虛電路號 分組即可按虛電路的路由穿越網絡 數(shù)字管道 提供的是 面向連接 的服務但卻沒有像電路交換那樣始終占用一條端到端的物理通道 只是斷續(xù)地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段 與鐵路系統(tǒng)類比 可以看成是采用了電路交換思想的分組交換能夠保證分組按序到達永久虛電路PVC和交換虛電路SVC 123 分組通過預先建立好的虛電路穿越網絡 124 三種交換方式的事件順序 125 2 7差錯控制與檢錯 什么是差錯控制 在通信過程中 發(fā)現(xiàn) 檢測差錯并進行糾正為何要進行差錯控制 不存在理想的信道 傳輸總會出錯與語音 圖像傳輸不同 計算機通信要求極低的差錯率 產生差錯的原因 信號衰減和熱噪聲信道的電氣特性引起信號幅度 頻率 相位的畸變 信