第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識

1、第3章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標信號分類：模擬信號和數(shù)字信號通信分類：模擬通信和數(shù)字通信數(shù)據(jù)傳輸率及其表示多路復(fù)用技術(shù)：頻分、時分、波分數(shù)據(jù)交換技術(shù)：電路、報文、分組調(diào)制解調(diào)器（modem）3本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容基本概念基本概念數(shù)據(jù)通信理論數(shù)據(jù)通信理論多路復(fù)用多路復(fù)用數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器4基本通信理論基本通信理論數(shù)據(jù)在信道中是以電信號的形式傳送的，電信號分為模擬信號和數(shù)字信號兩種。模擬信號模擬信號是連續(xù)變化的電壓或電流波形數(shù)字信號數(shù)字信號是一系列表示數(shù)字“0”或“1”的電脈沖（又程碼元）。數(shù)字信號與模擬信號傳輸相比，其傳輸?shù)馁|(zhì)量高，數(shù)字信號與

2、模擬信號傳輸相比，其傳輸?shù)馁|(zhì)量高，是今后數(shù)據(jù)通信的發(fā)展方向。是今后數(shù)據(jù)通信的發(fā)展方向。5數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標1.1.帶寬帶寬信號占據(jù)的頻率范圍，稱為信號的帶寬。 信道帶寬是指在該通信線路上能不失真地傳送信號的頻率范圍2.2.信號傳輸速率信號傳輸速率信號速率：單位時間里傳送信號波形的個數(shù)，單位為波特（baud） 。注意：帶寬為注意：帶寬為B B的信道，要輸出數(shù)字信號，其采樣速度的信道，要輸出數(shù)字信號，其采樣速度最高為最高為2B2B即可（高于此則無意義）即可（高于此則無意義）6數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標3.3.數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 數(shù)據(jù)傳輸率：比特

3、率，單位時間里傳送二進制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸率：比特率，單位時間里傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位位數(shù)，單位b/sb/s、Kb/sKb/s、Mb/sMb/s，簡寫為，簡寫為bpsbps、KbpsKbps、MbpsMbps。數(shù)據(jù)傳輸率和信號傳輸速率的關(guān)系：數(shù)據(jù)傳輸率和信號傳輸速率的關(guān)系： S=2BlogS=2Blog2 2N NS 數(shù)據(jù)傳輸率， B 信號傳輸速率，N 電平個數(shù)7電平變化電平變化00110001101100001010011184.4.信道容量信道容量 信道容量用來表征一個信道傳輸數(shù)字信號的能力，它信道容量用來表征一個信道傳輸數(shù)字信號的能力，它以數(shù)據(jù)傳輸速率作為指標，即信道所能支持的最大數(shù)據(jù)以

4、數(shù)據(jù)傳輸速率作為指標，即信道所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。傳輸速率。 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 最大數(shù)據(jù)率最大數(shù)據(jù)率 (C) (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps話音級線路的信道話音級線路的信道容量計算容量計算 (3000 Hz)數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標9 1942年，Nyquist證明：如果一個任意信號通過帶寬為B的理想低通濾波器，若每秒取樣2B次，就可完整地重現(xiàn)該濾波信號。在理想的條

5、件下(即無噪聲),有限帶寬為B的信道，其最大的數(shù)據(jù)傳輸速率C(信道容量)為 Cmax=2Blog2N（bps） 也稱奈奎斯特(Nyquist)定理或取樣定理。式中N是離散性信號或電平的個數(shù)。奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)定理定理10 例1 對一個無噪聲的3000Hz信道，若傳送二進制信號，試問可允許的數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？ 解 由于傳送的二進制信號是“1”、“0”兩個電平，所以N=2;又因為B=3000Hz，則信道容量，即數(shù)據(jù)傳輸速率R=2Blog2N=6000(b/s)。舉例舉例11例2 一個無噪聲的話音帶寬為4000Hz，采用8相調(diào)制解調(diào)器傳送二進制信號，試問信道容量是多少？解 由于8相

6、調(diào)制解調(diào)器傳送二進制信號的離散信號數(shù)為8，即N=8，則信道容量，即數(shù)據(jù)傳輸速率R=2Blog2N=24000log28=24k（bps）。舉例舉例12有噪聲信道容量（有噪聲信道容量（ShannonShannon定理）定理）R Rmaxmax=Blog=Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（bpsbps） S/N S/N （信號功率信號功率/ /噪聲功率噪聲功率）信噪比（）信噪比（dBdB分貝）分貝）信噪比通常不用絕對值表示，而是信噪比通常不用絕對值表示，而是10log10log1010S/NS/N表示，表示，單位是分貝（單位是分貝（dBdB）。）。對于對于S/NS/N1010的信道，的信

7、道，稱其稱其信噪比為信噪比為10 dB10 dB；同理，同理， S/NS/N100100的信道，的信道，稱其稱其信噪比為信噪比為20 dB20 dB；Shannon定理定理135.5.誤碼率誤碼率 傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例，是衡量數(shù)傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標誤碼率誤碼率= =傳錯的位數(shù)傳錯的位數(shù)/ /傳送的總位數(shù)傳送的總位數(shù)Pe= Ne / NPe= Ne / N 數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標14多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)定義復(fù)用就是共享使用公共信道 作用采用多

8、路復(fù)用技術(shù)，可以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(shè)備將各路信號分離開來，極大地提高了通信線路的利用率。15多路復(fù)用的基本概念多路復(fù)用的基本概念16lFDM (頻分復(fù)用)lWDM (波分復(fù)用)lTDM (時分復(fù)用)lCDMA (碼分多址)DEMUX共享信道MUX復(fù)用技術(shù)主要有以下四類復(fù)用技術(shù)主要有以下四類復(fù)用技術(shù)的分類復(fù)用技術(shù)的分類17頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，可以將信道分割成若干個子信道，每個子信道用來傳輸一路信號，這就是頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiplexing,FDM)。CH2CH1CH3原始帶寬原

9、始帶寬CH1CH2CH3頻分后帶寬頻分后帶寬MUXCH1 CH2 CH3帶寬復(fù)用帶寬復(fù)用f18頻分多路復(fù)用電話系統(tǒng)頻分多路復(fù)用電話系統(tǒng)CH1CH2CH3f80848892每一路電話信號占用每一路電話信號占用4KHz帶寬帶寬CCITT建議：每12路電話構(gòu)成一個基群(Group)，占用60-108 KHz每5個基群（Group），構(gòu)成一個60路的超群(Super Group )，占用312552 KHz的頻帶；每5個超群，構(gòu)成一個300路的主群（Master Group ），占用8122044 KHz的頻帶；每3個主群，構(gòu)成一個900路的超主群( Super-Master-Group )，占用85

10、1612388KHz的頻帶；每4個超主群，構(gòu)成一個3600路的巨群（ Giant-Group ），占用4261259684KHz的頻帶（56K）；19時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用當信道能達到的數(shù)據(jù)傳輸率大于各路信號的數(shù)據(jù)傳輸率總和時，可以將使用信道的時間分成一個個的時間片，按一定規(guī)則將這些時間片分配給各路信號，每一路信號只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進行傳輸，這就是時分多路復(fù)用（TDM）。（Time Division Multiplexing)20A2A1A3原始信號原始信號D2D1D3數(shù)字化信號數(shù)字化信號MUX復(fù)用后數(shù)據(jù)復(fù)用后數(shù)據(jù)時隙時隙1234D3D2D1時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用21統(tǒng)計統(tǒng)計TD

11、M與同步與同步TDM比較比較ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM帶寬浪費帶寬浪費A1B1C2B2周期周期1周期周期2統(tǒng)計統(tǒng)計TDM可用帶寬22數(shù)字載波標準數(shù)字載波標準北美、日本歐洲、中國、南美帶寬4kHz的電話信號，每秒采樣為8000次不失真地恢復(fù)話音信息脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation PCM）若每個采樣點用8位，則1路電話所需數(shù)據(jù)傳輸率：8800064Kbps24路電話則要24個采樣值23DS-1 幀幀channel#1channel#2. . . . . . .channel#24 每個信道稱

12、為每個信道稱為 DS0 DS024路電話復(fù)用一條路電話復(fù)用一條1.544 Mbps主干線主干線路，路，稱為稱為T1標準標準24T1 載波系統(tǒng)載波系統(tǒng)PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1 frame25復(fù)用到更高級線路復(fù)用到更高級線路012332104:14個個T1(1.544Mbps)復(fù)用到一個復(fù)用到一個T2（6.312Mbps）6個個T2復(fù)用到一個復(fù)用到一個T3（44.736Mbps）7個個T3復(fù)用到一個復(fù)用到一個T4（274.176Mbps）注意：每次向上一次復(fù)用會有幀定界及時鐘同步的開銷26E1-幀幀0121631幀同步信令信道30 話音信道+2 控制信道E1中，

13、每3030路電話復(fù)用1條2.048Mbps的E1線路基群基群4個基群組成二次群E2（120路，8.448Mbps）4個二次群組成三次群E3（480路，34.368Mbps）4個三次群組成四次群E4（1920路，139.246Mbps）27數(shù)字傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率數(shù)字傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率系統(tǒng)類型一次群二次群三次群四次群歐洲體制符號話路數(shù)數(shù)據(jù)率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美體制符號話路數(shù)數(shù)據(jù)率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.17628波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用F129棱柱棱柱

14、/ /衍射光柵衍射光柵F2F3 光譜光譜F1F2F3共享光纖的光譜共享光纖的光譜光纖光纖2 2光纖光纖3 3光纖光纖1 1共享光纖共享光纖 F1光纖波分復(fù)用示意圖光纖波分復(fù)用示意圖采用無源設(shè)備，更可靠采用無源設(shè)備，更可靠波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用30碼分多址（碼分多址（ CDMA）31l電路交換電路交換：電路交換是在通信的雙方之間建立一條實際的物理通路，并且在整個通信過程中，這條通路被獨占。數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù) 通信子網(wǎng)由傳輸線路和中間節(jié)點組成，當信源和信宿間沒有線路直接相連時，信源發(fā)出的數(shù)據(jù)先到達與之相連的中間節(jié)點，再從該中間節(jié)點傳到下一個中間節(jié)點，直至到信宿，這個過程稱為交換。32數(shù)據(jù)交

15、換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù) l報文交換報文交換：發(fā)送方先把待傳送的信息分為多個報文正文，在報文正文上附加發(fā)、收站地址及其他控制信息，形成一分完整的報文，以報文為單位在交換網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點間傳送。l分組交換分組交換：將一個大報文分割成一定長度的分組，以分組為單位存儲轉(zhuǎn)發(fā)，在接收端再將各分組重新組裝成一個完整的報文33電路交換的基本框架電路交換的基本框架 話機 AA終端設(shè)備Modem調(diào)制解調(diào)器電話網(wǎng)或CSPDNModem調(diào)制解調(diào)器傳輸系統(tǒng)交換機交換機話機 BB34包括呼叫建立呼叫建立、信息傳送信息傳送、連接釋放連接釋放三個階段 電路交換的過程電路交換的過程 1) 呼叫建立階段呼叫建立階段主叫(Calling

16、Party)用戶取機，聽撥號音，撥被叫(Called Party)號碼。若被叫用戶不在同一個交換局，則A局(本地局)向B局(中轉(zhuǎn)局)發(fā)送占用信號，轉(zhuǎn)接被叫號碼，再由B局轉(zhuǎn)發(fā)到C局(遠端局)。最終C局按被叫號碼向被叫發(fā)送振鈴信號。當被叫用戶取機后，C局接收應(yīng)答信號，然后通知各局加以連接。352)通信階段通信階段 此時始終在主叫與被叫用戶間保持這一條物理連接。 3) 連接釋放階段連接釋放階段 當主叫或被叫任一方掛機，局間互送正向或反向拆線信號，經(jīng)證實后釋放連接。電路交換的過程電路交換的過程 36電路交換的基本處理過程電路交換的基本處理過程 主叫用戶A局B局C局被叫用戶撥號音撥號占用信號占用信號振鈴

17、取機通話(信息傳送)被叫掛機反向拆線信號主叫掛機正向拆線信號掛機正向證實信號呼叫建立連接釋放回鈴音掛機37優(yōu)點：優(yōu)點：1、電路交換是一種實時交換，傳輸延遲小2、主、被叫用戶間建立端-端連接，共享信道電路交換的主要特點電路交換的主要特點缺點：缺點：1、建立物理線路時間比較長，不適合的傳輸；2、預(yù)分配帶寬，即使無信息傳送也虛占電路，帶寬不能為其它用戶占用38報文交換報文交換(Message Switch) 不事先建立連接，當發(fā)送方有數(shù)據(jù)發(fā)送時，它將數(shù)據(jù)做為一個整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報文存儲存儲起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)給下一交換設(shè)備，循環(huán)往復(fù)直，到數(shù)據(jù)到達目的

18、地。專業(yè)說法專業(yè)說法：在報文交換節(jié)點接收一份份報文，予以存儲存儲，再按報文的報頭(內(nèi)含收報人地址、流水號等)進行轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)。報文交換報文交換39報文交換的基本處理過程報文交換的基本處理過程 40報文交換的優(yōu)缺點報文交換的優(yōu)缺點優(yōu)點： 線路利用率高；不需要同時啟動發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可暫存；通信量大時仍可接收報文，但傳輸延遲會增加；一份報文可發(fā)往多個目的地；交換網(wǎng)絡(luò)可對報文進行速度和代碼等的轉(zhuǎn)換。缺點：中間節(jié)點必須具備很大的存儲空間；大報文的傳輸，增加小報文在網(wǎng)絡(luò)種的延遲時間；當信道誤碼率高時，頻繁重發(fā)。41報文和報文分組結(jié)構(gòu)報文和報文分組結(jié)構(gòu) l由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易

19、并且重傳花費的時間較少；l限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲空間利用率與傳輸效率；l公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術(shù)。42分組交換工作原理分組交換工作原理43(1)能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通信； 分組交換的特點分組交換的特點(2)傳輸介質(zhì)利用率高，經(jīng)濟性好（動態(tài)分配帶寬）；(3)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、可靠性高、交互性強（差錯流量控制）分組交換的缺點：(1)由于采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，分組在網(wǎng)內(nèi)的平均時延較大；(2)每個分組有額外的開銷，且實現(xiàn)的技術(shù)比較復(fù)雜分組交換適宜于計算機通信的突發(fā)性或斷續(xù)性業(yè)務(wù)的需求，而不適合在實時性要求高、信息量大的環(huán)境中應(yīng)用。44調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)45三種

20、調(diào)制方式三種調(diào)制方式(1)幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM，Amplitude Modulation)：簡稱調(diào)幅；使載波幅度隨原始的模擬數(shù)據(jù)(即調(diào)制信號)的幅度變化，而載波的頻率不變 (3)相位調(diào)制相位調(diào)制(PM，Phase Modulation)：簡稱調(diào)相；使載波相位隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。 (2)頻率調(diào)制頻率調(diào)制( (FM，F(xiàn)requency Modulation)：簡稱調(diào)頻；使載波頻率隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。ASK-Amplitude-Shift Keying(幅移鍵控幅移鍵控)46模擬傳輸和數(shù)字傳輸模擬傳輸和數(shù)字傳輸話音話音電話電話模擬模擬模擬數(shù)據(jù)模擬

21、數(shù)據(jù),模擬信號模擬信號數(shù)字數(shù)字Modem模擬模擬數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字數(shù)字數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸數(shù)字數(shù)字數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬模擬CODEC數(shù)字數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號47脈沖數(shù)字調(diào)制脈沖數(shù)字調(diào)制采樣電路采樣電路量化和比較量化和比較48l采樣信號：基于采樣信號：基于nyquistnyquist理論理論脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCM）49PCM 轉(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)化過程BACD采樣電路采樣電路量化和比較量化和比較50網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計的幾個基本問題網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計的幾個基本問題l數(shù)據(jù)傳輸類型數(shù)據(jù)傳輸類型 模擬通信模擬通信 數(shù)字通信數(shù)字通信l數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 單工通信、半雙工或全雙工通信單工通信、半雙工或全雙工通信l同步方式同步方式 同步通信同步通信 異步通信異步通信51并行通信用于距離較近、串行通信用于距離較遠時并行通信用于距離較近、串行通信用于距離較遠時并行通信與串行通信并行通信與串行通信并行傳輸并行傳輸：至少同時傳送8個數(shù)據(jù)位。接收設(shè)備在收到這些數(shù)據(jù)后，不需經(jīng)過任何改變就可以直接使用。計算機內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)傳送通常都是以并行方式進行傳輸?shù)摹４袀鬏敶袀鬏敚好看斡稍吹貍鞯侥康牡氐臄?shù)據(jù)只