數(shù)據(jù)通信的基本原理ppt課件

1、1第二章第二章 物理層物理層數(shù)據(jù)通訊的根本原理數(shù)據(jù)通訊的根本原理物理層接口及其協(xié)議物理層接口及其協(xié)議2Part 數(shù)據(jù)通訊的根本原理1 數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底1.1傅立葉分析傅立葉分析1.2有限帶寬信號有限帶寬信號1.3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率2 數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的根本構(gòu)造數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的根本構(gòu)造2.2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.3多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)2.4通訊線路的通訊方式通訊線路的通訊方式3 通訊交換技術(shù)通訊交換技術(shù)3.1電路交換電路交換3.2報(bào)文交換報(bào)文交換3.3分組交換分組交換3.4交換構(gòu)造交換構(gòu)造31數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通

2、訊的實(shí)際根底 ( 1 )主要內(nèi)容：信號在通訊信道上傳輸時(shí)的數(shù)學(xué)表示及其所遭到的限制。1.1傅立葉分析 任何一個(gè)周期為T的有理周期性函數(shù) g(t) 可分解為假設(shè)干項(xiàng)能夠無限多項(xiàng)正弦和余弦函數(shù)之和：g(t) = c + + f = 1/T根本頻率an, bnn次諧波項(xiàng)的正弦和余弦振幅值21)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn41數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ()知 g(t)，求c, an, bn1) 將等式兩邊從到積分可得cc = 2) 用sin(2kft)乘等式兩邊，并從到積分，可得an an = 3) 用cos(2kft)乘等式兩邊，并從到積分，可得bnbn = T2T

3、dtnfttg0)2sin()(T2T2Tdttg0)(Tdtnfttg0)2cos()(51數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ( 3 )1.2有限帶寬信號 (Bandwidth Limited Signals)對于二進(jìn)制編碼，其輸出電壓波形為： g(t) = 01010TtTTtTTtTTtTTt87878686838388061數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ( 4 )其傅立葉分析的系數(shù)為：an = cos(n/4) - cos(3 n/4) + cos(6 n/4) - cos(7 n/4)bn = sin(3n/4) - sin( n/4) + sin(7 n/4) - si

4、n(6 n/4)c = 3/8Fig. 2-1信號在信道上傳輸時(shí)的特性：對不同傅立葉分量的衰減不同，因此引起輸出失真；信道有截止頻率fc, 0 fc的振幅不衰減， fc以上的振幅衰減厲害，這主要由信道的物理特性決議， 0 fc稱為信道的有效帶寬；實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，可以接入濾波器，限制用戶的帶寬；經(jīng)過信道的諧波次數(shù)越多，信號越逼真。n1n1781數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ( 5 )波特率baud和比特率bit的關(guān)系：波特率：信號每秒鐘變化的次數(shù)，也稱調(diào)制速率。比特率：每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。波特率與比特率的關(guān)系取決于信號值與比特位的關(guān)系。例：每個(gè)信號值可表示位，那么比特率是波特率的倍； 每

5、個(gè)信號值可表示位，那么比特率和波特率一樣。對于比特率為bps的信道，發(fā)送位所需的時(shí)間為 8/B秒，假設(shè)位為一個(gè)周期，那么一次諧波的頻率是：f1 = B/8 Hz能經(jīng)過信道的最高次諧波數(shù)目為：N = fc / f191數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ( 6 )音頻線路的截止頻率為3000HzN = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/BFig. 2-2結(jié)論：即使對于完善的信道，有限的帶寬限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率。10111數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ( 7 )1.3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率1924年，奈魁斯特H. Nyquist推導(dǎo)出無噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳

6、輸率公式：最大數(shù)據(jù)傳輸率 = 2Hlog2V (bps)恣意信號經(jīng)過一個(gè)帶寬為的低通濾波器，那么每秒采樣次就能完好地重現(xiàn)該信號，信號電平分為級。1948年，香農(nóng)C. Shannon把奈魁斯特的任務(wù)擴(kuò)展到信道遭到隨機(jī)熱噪聲干擾的情況。熱噪聲出現(xiàn)的大小用信噪比信號功率與噪聲功率之比來衡量。：信號功率，：噪聲功率10log10S/N單位：分貝db121數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底數(shù)據(jù)通訊的實(shí)際根底 ( 8 )香農(nóng)的主要結(jié)論是： 帶寬為 H 赫茲，信噪比為S/N的恣意信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為最大數(shù)據(jù)傳輸率 = Hlog2(1 + S/N) (bps)系統(tǒng)的典型信噪比為30db;此式是利用信息論得出的，具有普遍意義

7、；與信號電平級數(shù)、采樣速度無關(guān)；此式僅是上限，難以到達(dá)。132數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 1 )主要內(nèi)容：數(shù)據(jù)在通訊信道上的各種傳輸方式及其所采用的技術(shù)。2.1數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的根本構(gòu)造根本構(gòu)造數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算機(jī)信號變換器計(jì)算機(jī)信號變換器信道過失控制142數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 2 )數(shù)據(jù)表示和傳輸方式數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)： 模擬數(shù)據(jù) (Analog Data) 延續(xù)值數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) (Digital Data) 離散值數(shù)據(jù)傳輸方式信號： 模擬信號 (Analog Signals)數(shù)字信號 (Digital Signals)信號發(fā)送方式：模擬信號發(fā)送模擬信道數(shù)字信號發(fā)送數(shù)字信道152數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)

8、 ( 3 )模擬信號發(fā)送：模擬數(shù)據(jù)聲音模擬信號數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)二進(jìn)制脈沖模擬信號數(shù)字信號發(fā)送：模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)二進(jìn)制脈沖數(shù)字信號數(shù)字信號發(fā)送的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)錢廉價(jià)，對噪聲不敏感； 缺陷是：易受衰減，頻率越高，衰減越厲害。系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器MODEM編碼解碼器CODEC數(shù)字編碼解碼器162數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 4 )2.2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)研討數(shù)據(jù)在信號傳輸過程中如何進(jìn)展編碼變換數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字傳輸基帶傳輸基帶：根本頻帶，指傳輸變換前所占用的頻帶，是原始信號所固 有的頻帶。基帶傳輸：在傳輸時(shí)直接運(yùn)用基帶信號。基帶傳輸是一種最簡單最根本的傳輸方式，普通用低電平表示“0，高電平表示“1。適用范圍：低速和高速

9、的各種情況。限制：因基帶信號所帶的頻率成分很寬，所以對傳輸線有一定的要求。172數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 5 )常用的幾種編碼方式：1不歸零制碼NRZ：Non-Return to Zero原理：用兩種不同的電平分別表示二進(jìn)制信息“0和“1，低電平表示“0，高電平表示“1。缺陷： a難以分辨一位的終了和另一位的開場； b發(fā)送方和接納方必需有時(shí)鐘同步； c假設(shè)信號中“0或“1延續(xù)出現(xiàn)，信號直流分量將累加。結(jié)論：容易產(chǎn)生傳播錯(cuò)誤。2曼徹斯特碼Manchester，也稱相位編碼原理：每一位中間都有一個(gè)跳變，從低跳到高表示“0，從高跳到低表示“1。優(yōu)點(diǎn)：抑制了NRZ碼的缺乏。每位中間的跳變即可作為數(shù)

10、據(jù)，又可作為時(shí)鐘，可以自同步。182數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 6 )3差分曼徹斯特碼Differential Manchester原理：每一位中間都有一個(gè)跳變，每位開場時(shí)有跳變表示“0，無跳變表示“1。位中間跳變表示時(shí)鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：時(shí)鐘、數(shù)據(jù)分別，便于提取。4逢“1變化的NRZ碼原理：在每位開場時(shí)，逢“1電平跳變，逢“0電平不跳變。5逢“0變化的NRZ碼原理：在每位開場時(shí)，逢“0電平跳變，逢“1電平不跳變。19 001101NRZ曼徹斯特差分曼徹斯特逢“1變化NRZ逢“0變化NRZ202數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 7 )數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬傳輸頻帶傳輸頻帶傳輸：指在一定頻率范圍內(nèi)

11、的線路上，進(jìn)展載波傳輸。用基帶信號對載波進(jìn)展調(diào)制，使其變?yōu)檫m宜于線路傳送的信號。調(diào)制Modulation：用基帶脈沖對載波信號的某些參量進(jìn)展控制，使這些參量隨基帶脈沖變化。解調(diào)Demodulation：調(diào)制的反變換。調(diào)制解調(diào)器MODEMmodulation-demodulation) Figure21Caption: Modem showing RS-232 connector for serial connection to computer and RJ-11 jack for connection to phone line. 22Caption: Computer system wit

12、h modems, showing serial cable to modem and cable to phone jack. 23Caption: Dialup modem for voice telephone lines. 24Caption: Modems in a computer center for dial-up modem access to the organization network. 25Caption: An Ascend Pipeline ISDN modem. 26Caption: Two examples of PCMCIA fax/modem/Ether

13、net adapters. 272數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 8 )根據(jù)載波 Asin(t + )的三個(gè)特性：幅度、頻率、相位，產(chǎn)生常用的三種調(diào)制技術(shù)：幅移鍵控法 Amplitude-shift keying (ASK)頻移鍵控法 Frequency-shift keying (FSK)相移鍵控法 Phase-shift keying (PSK) 282數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 9 )1幅移鍵控法調(diào)幅 幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，即： A(t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0，A2表示“1。 Fig. 2-18NAAAtAtt

14、,)()()(2100292數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 10 )2頻移鍵控法調(diào)頻 頻移就是把振幅、相位作為常量，而把頻率作為變量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0， 2表示“1。 Fig. 2-18NttAtA,)()()(2100302數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 11 )3相移鍵控法調(diào)相 相移就是把振幅、頻率作為常量，而把相位作為變量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0， 2表示“1。 Fig. 2-24NttAtA,)()()(210031322數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 12

15、)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸處理模擬信號數(shù)字化問題，也稱為脈沖代碼調(diào)制PCMPulse Code Modulation。根據(jù)Nyquist原理進(jìn)展采樣。1常用的PCM技術(shù)將模擬信號振幅分成多級2n，每一級用 n 位表示。例如：貝爾系統(tǒng)的 T1 載波將模擬信號分成128級，每次采樣用7位二進(jìn)制數(shù)表示。2差分脈沖代碼調(diào)制原理：不是將振幅值數(shù)字化，而是根據(jù)前后兩個(gè)采樣值的差進(jìn)展編碼，輸出二進(jìn)制數(shù)字。3 調(diào)制原理：根據(jù)每個(gè)采樣值與前一個(gè)值之間差“+1或“-1來決議輸出二進(jìn)制“1或“0。缺陷：編碼速度跟不上變化太快的信號。33342數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 13 )2.3多路復(fù)用技術(shù)由于一條傳輸線路的才干遠(yuǎn)遠(yuǎn)

16、超越傳輸一個(gè)用戶信號所需的才干，為了提高線路利用率，經(jīng)常讓多個(gè)信號同時(shí)共用一條物理線路。常用的有三種方法：時(shí)分復(fù)用 TDMTime Division Multiplexing主要用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸T1載波，分成 24 個(gè)信道Fig. 2-33頻分復(fù)用 FDMFrequency Division MultiplexingFig. 2-31波分復(fù)用 WDMWavelength Division MultiplexingFig. 2-32353637382數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 14 )2.4通訊線路的通訊方式銜接方式為順應(yīng)不同的需求，通訊線路采用不同的銜接方式。點(diǎn) 點(diǎn)方式多點(diǎn)方式ABABCD3

17、92數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 15 )通訊方式從信息傳送方向和時(shí)間的關(guān)系角度研討。單工通訊方式信息只能單向傳輸，監(jiān)視信號可回送。半雙工通訊方式信息可以雙向傳輸，但在某一時(shí)辰只能單向傳輸。AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號402數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 16 )全雙工通訊方式信息可以同時(shí)雙向傳輸，普通采用四線式構(gòu)造。AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號413.2數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 17 )同步方式目的：接納方必需知道每一位信號的開場及其寬度，以便正確的采樣接納。以字符傳輸字符為根本傳輸單位為例，在基于字符的信息傳送中，可以采用異步方式，也可以采用同步方式。1異步方式信息是以字符為單位傳送的；每個(gè)字符

18、由發(fā)送方異步產(chǎn)生，有隨機(jī)性；字符普通采用5，6，7或8位二進(jìn)制編碼；需求輔助位，每個(gè)字符能夠需求用10位或11位才干傳送，例如：起始位，1位；字符編碼，7位；奇偶校驗(yàn)位，1位；終止位，1 2位。422數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 18 )特點(diǎn)：傳輸效率低；主要用于字符終端與計(jì)算機(jī)之間的通訊。0 1 0 1 0 11 00 1起始位字符編碼奇偶校驗(yàn)終止位432數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 19 )2同步方式信息是以報(bào)文為單位傳送的；傳輸開場時(shí)，以同步字符使收發(fā)雙方同步；從傳輸信息中抽取同步信息，修正同步，保證正確采樣。特點(diǎn)：可以不延續(xù)地傳輸信息，傳輸效率較高；字符間減少了輔助信息；傳輸?shù)男畔⒅胁?/p>

19、能有同步字符出現(xiàn)，透明性較差。SYN SYN 信 息 SYN SYN442數(shù)據(jù)通訊技術(shù)數(shù)據(jù)通訊技術(shù) ( 20 )3基于位的傳送中，采用同步方式。信息以二進(jìn)制位流為單位傳送；傳輸過程中收發(fā)雙方以位為單位同步；傳輸?shù)拈_場和終了由特定的八位二進(jìn)制位同步。特點(diǎn)：傳輸效率高；透明性好。標(biāo)志 二進(jìn)制位流 標(biāo)志45Communication networks can be classified based on the way in which the nodes exchange information:A Taxonomy of Communication NetworksCommunication C

20、ommunication NetworkNetworkSwitchedSwitchedCommunication Communication NetworkNetworkBroadcastBroadcastCommunication Communication NetworkNetworkCircuit-SwitchedCircuit-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkPacket-SwitchedPacket-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkDatagramD

21、atagram Network NetworkVirtual Circuit NetworkVirtual Circuit Network463通訊交換方式通訊交換方式1在多結(jié)點(diǎn)通訊網(wǎng)絡(luò)中，為有效利用通訊設(shè)備和線路，普通希望動(dòng)態(tài)地設(shè)定通訊雙方間的線路。動(dòng)態(tài)地接通或斷開通訊線路，稱為“交換交換方式分類：電路交換報(bào)文交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式分組交換包交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式混合交換 473通訊交換方式通訊交換方式23.1電路交換circuit switching原理直接利用可切換的物理通訊線路，銜接通訊雙方。三個(gè)階段建立電路傳輸數(shù)據(jù)撤除電路特點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必需建立起點(diǎn)到點(diǎn)的物理通路；建立物理通路時(shí)間較長，數(shù)據(jù)傳

22、送延遲較短。例Telephone networksISDN (Integrated Services Digital Networks)4849503通訊交換方式通訊交換方式4A node (switch) in a circuit switching networkincoming linksoutgoing linksNode513通訊交換方式通訊交換方式5Multiplexing/DemultiplexingTime divided in frames and frames divided in slotsRelative slot position inside a frame det

23、ermines which conversation the data belongs toNeeds synchronization between sender and receiverIn case of non-permanent conversationsneeds to dynamic bind a slot to a conservation523通訊交換方式通訊交換方式63.2報(bào)文交換message switching原理信息以報(bào)文邏輯上完好的信息段為單位進(jìn)展存儲轉(zhuǎn)發(fā)。Fig. 2-39特點(diǎn)線路利用率高；要求中間結(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備緩沖大；延遲時(shí)間長。 533通訊交換方式通訊交換方

24、式73.3分組交換packet switching原理信息以分組為單位進(jìn)展存儲轉(zhuǎn)發(fā)。源結(jié)點(diǎn)把報(bào)文分為分組，在中間結(jié)點(diǎn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)，目的結(jié)點(diǎn)把分組合成報(bào)文。分組：比報(bào)文還小的信息段，可定長，也可變長。Fig. 2-38Fig. 2-39特點(diǎn)每個(gè)分組頭包括目的地址，獨(dú)立進(jìn)展路由選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)設(shè)備中不預(yù)先分配資源線路利用率高；結(jié)點(diǎn)存儲器利用率高；易于重傳，可靠性高；543通訊交換方式通訊交換方式8- 易于開場新的傳輸，讓緊急信息優(yōu)先經(jīng)過；- 額外信息添加。- 分組交換分為- 數(shù)據(jù)報(bào)datagram和虛電路virtual circuit553通訊交換方式通訊交換方式9A node in a packet s

25、witching networkincoming linksoutgoing linksNodeMemory563.3通訊交換方式通訊交換方式10Data from any conversation can be transmitted at any given timeHow to tell them apart?use meta-data (header) to describe data573通訊交換方式通訊交換方式11數(shù)據(jù)報(bào)每個(gè)分組均帶有全稱網(wǎng)絡(luò)地址源、目的，可走不同的途徑。例: IP networks虛電路電路交換和分組交換的結(jié)合data is transmitted as pack

26、etsall packets from one packet stream are sent along a pre-established path (=virtual circuit)Guarantees in-sequence delivery of packetsHowever: Packets from different virtual circuits may be interleaved583通訊交換方式通訊交換方式12- 分三個(gè)階段- 建立：發(fā)帶有全稱網(wǎng)絡(luò)地址的呼叫分組，建立虛電路- 傳輸：沿建立好的虛電路傳輸數(shù)據(jù)；- 撤除：撤除虛電路。- Fig. 2-43(3rd edi

27、tion)- Note: packet headers dont need to contain the full destination address of the packet - 例: ATM networks59603通訊交換方式通訊交換方式13電路交換與分組交換的比較Most important advantage of packet-switching over circuit switching: Ability to exploit statistical multiplexing:efficient bandwidth usage; ratio between peek a

28、nd average rate is 3:1 for audio, and 15:1 for data trafficHowever, packet-switching needs to deal with congestion:more complex routersharder to provide good network services (e.g., delay and bandwidth guarantees)In practice they are combined:IP over SONET, IP over Frame RelayFig. 2-4061623通訊交換方式通訊交

29、換方式14結(jié)論：電路交換適用于實(shí)時(shí)信息和模擬信號傳送，在線路帶寬比較低的情況下運(yùn)用比較經(jīng)濟(jì)；報(bào)文交換適用于線路帶寬比較高的情況，可靠靈敏，但延遲大；分組交換縮短了延遲，也能滿足普通的實(shí)時(shí)信息傳送。在高帶寬的通訊中更為經(jīng)濟(jì)、合理、可靠。是目前公認(rèn)較最好的一種交換技術(shù)。633通訊交換方式通訊交換方式153.3交換構(gòu)造switch fabriccrossbar 交換Fig. 2-38(3rd edition)空分交換Fig. 2-39(3rd edtion)時(shí)分交換Fig. 2-40(3rd edition) 64656667(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMa

30、I7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u

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