第二章：數(shù)據(jù)通信

1、2 數(shù)據(jù)通信本章對(duì)數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)以及通信接口等進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到以下要求：l 掌握數(shù)據(jù)通信的基本概念l 了解數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)和通信方式l 了解數(shù)據(jù)通信中的編碼技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)l 了解數(shù)據(jù)交換的工作過(guò)程、原理和應(yīng)用l 了解常用的通信接口通信模型與實(shí)例模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)，包含無(wú)窮多個(gè)值數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值（用離散的電脈沖表示0、1）數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)串行傳輸:兩個(gè)設(shè)備之間通過(guò)一對(duì)信號(hào)線進(jìn)行通訊，其中一根為信號(hào)線，另外一根為信號(hào)地線，這一對(duì)信號(hào)線每

2、次只傳送1bit（比特）的信號(hào) 特點(diǎn)：通信線路數(shù)小，抗干擾強(qiáng)，線路利用率高適合于遠(yuǎn)距離傳輸。串行傳輸結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但是相對(duì)速度低。在發(fā)送端和接收端需要并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸方式并行傳輸:使用了成倍的信號(hào)線路，從而一次可以傳送更多bit的信號(hào)。并行通訊通?？梢砸淮蝹魉?bit、16bit、32bit甚至更高的位數(shù)，相應(yīng)地就需要8根、16根、32根信號(hào)線，同時(shí)需要加入更多的信號(hào)地線。 特點(diǎn)：不需要對(duì)傳輸代碼進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要數(shù)據(jù)線數(shù)目多。傳輸速率高，抗干擾差，適宜近距離傳輸。并行設(shè)備需要嚴(yán)格同步時(shí)鐘信號(hào)，或者采用額外的時(shí)鐘信號(hào)線 數(shù)據(jù)傳輸方式單工發(fā)送端接收端信道數(shù)據(jù)單工、半雙工與全雙

3、工半雙工通信方式發(fā)送端接收端信道數(shù)據(jù)接收端發(fā)送端單工、半雙工與全雙工全雙工通信方式發(fā)送端發(fā)送端數(shù)據(jù)接收端接收端數(shù)據(jù)單工、半雙工與全雙工目的是使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準(zhǔn)上一致 (包括開始時(shí)間、位邊界、重復(fù)頻率等)。同步與異步傳輸以字符為邊界實(shí)現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個(gè)字符的傳輸需要：1個(gè)起始位58個(gè)數(shù)據(jù)位1，1.5，2個(gè)停止位起始位數(shù)據(jù)位停止位間隔, 不固定異步傳輸幀同步：識(shí)別一個(gè)幀的起始和結(jié)束。幀(Frame)數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊面向字符的以同步字符(SYN，16H)來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀面向比特的以特殊位序列(7EH，即011

4、11110)來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀幀起始控制信息數(shù)據(jù)幀結(jié)束校驗(yàn)和0 n bit8bit8bit8-32m同步傳輸基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號(hào)直接在信道上傳送。適合近距離傳輸例如：以太網(wǎng)頻帶傳輸：數(shù)字信號(hào)需調(diào)制成音頻模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)。適合遠(yuǎn)距離傳輸例如：通過(guò)電話模擬信道傳輸寬帶傳輸：數(shù)字信號(hào)需調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百M(fèi)HZ的模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)例如：閉路電視的信號(hào)傳輸適合遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制技術(shù)數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)編碼技術(shù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)ModulatorDemodula

5、tor數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)m(t)s(t)m(t)數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)載波調(diào)制/解調(diào)模擬信道發(fā)送方接收方數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制技術(shù)EncoderDecoder數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)g(t)x(t)g(t)數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)編碼/解碼數(shù)字信道發(fā)送方接收方數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制技術(shù)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)的調(diào)制ASK：用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1FSK：用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1PSK：用載波的起始相位的變化表示0 和100110100010ASKFSKPSK數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)的調(diào)制采樣定理：如果模擬信號(hào)的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對(duì)其采樣，則采樣得到的離散信號(hào)序列就能完整地恢復(fù)出原始信號(hào)。要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電

6、話語(yǔ)音信號(hào)語(yǔ)音信號(hào)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：采樣：按一定間隔對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣量化：對(duì)每個(gè)樣本舍入到量化級(jí)別上編碼：對(duì)每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼編碼后的信號(hào)稱為PCM信號(hào) (脈碼調(diào)制, Pulse Coded Modulation) 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼話音信道帶寬 2倍話音最大頻率)量化級(jí)數(shù)：256級(jí) (用8位二進(jìn)制碼表示)數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit = 64kbit/s每路PCM信號(hào)的速率 = 64000bit/s模擬話音采樣時(shí)鐘PCM 信號(hào)采樣電路量化和編碼 數(shù)字化聲音f4kHzfs=8kHzPCM轉(zhuǎn)換過(guò)程舉例 語(yǔ)音信號(hào)011 100 0

7、11 011 001 100 PCM 輸出343314011100011011001100 PCM 脈沖 （有量化誤差）3.23.92.83.41.24.2 PAM脈沖PAM: (Pulse Amplitude Modulaton),相位幅度調(diào)制PCM編碼優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1、抗干擾性好，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可消除部分干擾的疊加信號(hào)2、安全，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可加密等缺點(diǎn):1、編碼后的信號(hào)占有較寬的頻帶2、數(shù)字設(shè)備聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜等 基帶信號(hào)在數(shù)字信道的傳輸中,為準(zhǔn)確區(qū)分相鄰位碼和代碼”0”與”1”,需對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)作相應(yīng)處理, 即編碼. 有三種編碼方式,圖示如下: 三種編碼性能比較： 非歸零編碼可直接利用數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸速率

8、等于時(shí)鐘頻率，但需另外輸送同步時(shí)鐘，切產(chǎn)生直流干擾；后兩種編碼均需對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行加工，無(wú)需另送同步時(shí)鐘，還避免了直流分量的出現(xiàn)，信號(hào)傳輸可靠，但內(nèi)置同步卻付出了信號(hào)速率下降的代價(jià)（僅為時(shí)鐘頻率的一半）。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼數(shù)據(jù)的通信方式-信道復(fù)用復(fù)用：多個(gè)終端共享一條高速信道為何要復(fù)用？提高線路利用率適用場(chǎng)合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí)類比：公共運(yùn)輸系統(tǒng)(鐵路、海運(yùn)、航空)DEMUX復(fù)用器解復(fù)用器共享信道MUX信源信宿原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號(hào)占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾。CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移

9、頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用信號(hào)f復(fù)用器頻分多路復(fù)用（FDM）電磁波頻譜在通信中的應(yīng)用頻分多路復(fù)用實(shí)例原理：整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每路信號(hào)占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。F1F2F3 光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖 棱柱/衍射光柵波分多路復(fù)用（WDM）光的頻分復(fù)用原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙，每路數(shù)據(jù)占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。A2A1A3原始信號(hào)D2D1D3數(shù)字化信號(hào)MUX復(fù)用后的數(shù)據(jù)流時(shí)隙號(hào)1231D3D2D1時(shí)間片12時(shí)間片2D1時(shí)隙D2復(fù)用器時(shí)分多路復(fù)用（TDM）由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)

10、用也稱為同步時(shí)分復(fù)用。時(shí)分復(fù)用的典型例子：PCM信號(hào)的傳輸把多個(gè)話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)每幀在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號(hào)同步時(shí)分多路復(fù)用（STDM）統(tǒng)計(jì)(異步)TDMATDMTDM的缺點(diǎn)：某用戶無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時(shí)隙，將會(huì)造成帶寬浪費(fèi)。改進(jìn)：用戶不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)隙就將數(shù)據(jù)放入。異步時(shí)分多路復(fù)用（ATDM）ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2時(shí)間片1時(shí)間片2同步TDM帶寬浪費(fèi)A1B1B2時(shí)間片1時(shí)間片2統(tǒng)計(jì)TDM可用帶寬C2STDM與ATDM比較 交換技術(shù)是采用交換機(jī)或結(jié)點(diǎn)機(jī)等

11、交換系統(tǒng)，通過(guò)路由選擇技術(shù)在要進(jìn)行通信的雙方之間建立物理的或邏輯的連接，形成一條通信電路，實(shí)現(xiàn)通信雙方的信息傳輸和交換的一種技術(shù)。常用的交換技術(shù)有線路交換、報(bào)文交換、分組交換、幀中繼交換、信元交換等，其中幀中繼交換與信元交換又統(tǒng)稱為高速交換。 結(jié)（節(jié)）點(diǎn)：用于數(shù)據(jù)交換的中間設(shè)備， 站點(diǎn)：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的終端設(shè)備。 中間結(jié)點(diǎn)（交換設(shè)備）：不關(guān)心被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，僅提供數(shù)據(jù)交換的功能， 將數(shù)據(jù)從一個(gè)端口交換到另一端口，繼而傳輸?shù)搅硪慌_(tái)中間結(jié)點(diǎn)，直至目的地。 2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù)直接的交換方式 真實(shí)、專用的物理鏈路 一旦建鏈,數(shù)據(jù)以固定的傳輸速率傳輸 獨(dú)占性，線路的利用率較低，一旦建鏈,獨(dú)占線路資源

12、 實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t??； 線路交換不提供任何緩存裝置，數(shù)據(jù)透明傳輸；線路交換傳輸延遲時(shí)延信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間時(shí)延之和=處理時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延 +發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延處理時(shí)延=分組首部和錯(cuò)誤校驗(yàn)等處理（微秒）排隊(duì)時(shí)延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點(diǎn)等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時(shí)間發(fā)送時(shí)延=發(fā)送和接收時(shí)占用的時(shí)間傳播時(shí)延=d/s（毫秒）d:距離 s:傳播速度光速線路交換的三個(gè)過(guò)程 1)電路建立 2)數(shù)據(jù)傳輸 3)電路拆除 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文交換分組交換報(bào)文：是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊 ，其長(zhǎng)度不限且可變 報(bào)文交換報(bào)文交換特點(diǎn)線路利用率高中間結(jié)點(diǎn)有存儲(chǔ)功能，發(fā)送與接收不必同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)均做差錯(cuò)控制傳輸延遲增

13、加實(shí)時(shí)性差，以報(bào)文為單位傳輸，適用傳輸?shù)膱?bào)文較短 結(jié)合線路交換和報(bào)文交換兩者的優(yōu)點(diǎn)，使其性能達(dá)到最優(yōu) 類似報(bào)文交換，只是它規(guī)定了交換設(shè)備處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度（稱之為分組），將長(zhǎng)報(bào)文分成若干個(gè)小分組進(jìn)行傳輸。不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組可以交織在同一線路上傳輸。提高了線路的利用率,公平對(duì)待小分組。 固定分組的長(zhǎng)度，使得系統(tǒng)可以采用高速緩存技術(shù)來(lái)暫存分組，提高了轉(zhuǎn)發(fā)的速度分組交換分組交換實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵：分組長(zhǎng)度的選擇， 分組越小，冗余量（分組中的控制信息等）在整個(gè)分組中所占的比例越大，最終將影響用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩?分組越大，數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)的概率也越大，增加重傳的次數(shù)，也影響用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?分組長(zhǎng)度取決于支

14、持傳輸?shù)木€路質(zhì)量。X.25分組交換網(wǎng)： 分組長(zhǎng)度定義為131字節(jié)，（包括128字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)和3字節(jié)的控制信息）以太網(wǎng)中： 分組長(zhǎng)度定義為1500字節(jié)左右（較好的線路質(zhì)量和較高的傳輸速率，分組的長(zhǎng)度可以略有增加）。 分組交換采用了兩種方法進(jìn)行分組流的管理： 數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路。數(shù)據(jù)報(bào)又稱為面向無(wú)連接的數(shù)據(jù)傳輸， 工作過(guò)程類似于報(bào)文交換。各個(gè)分組獨(dú)立傳輸，被傳輸?shù)姆纸M稱為數(shù)據(jù)報(bào)； 通信雙方無(wú)需事先建立聯(lián)系（無(wú)連接）；數(shù)據(jù)報(bào)的前部增加地址信息的字段，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)，根據(jù)地址信息和一定的路由規(guī)則，獨(dú)立地選擇輸出端口，暫存和排隊(duì)數(shù)據(jù)報(bào)，并在傳輸媒體空閑時(shí)，發(fā)往相鄰結(jié)點(diǎn)，直至最終站點(diǎn)。數(shù)據(jù)報(bào) 當(dāng)一對(duì)站點(diǎn)之間需

15、要傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，由于每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)均被獨(dú)立地傳輸和路由，因此在網(wǎng)絡(luò)中可能會(huì)走不同的路徑，具有不同的時(shí)間延遲。按序發(fā)送的多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)可能以不同的順序達(dá)到終點(diǎn)。站點(diǎn)必須具有存儲(chǔ)和重新排序的能力。 虛電路又被稱為面向連接的數(shù)據(jù)傳輸， 工作過(guò)程類似于線路交換，但電路是虛擬的（分組在每個(gè)結(jié)點(diǎn)仍需緩沖，需存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)）。 物理媒體被復(fù)用為多個(gè)子信道（稱為邏輯信道LC）， 子信道的串接形成虛電路（VC），利用不同的虛電路來(lái)支持不同的用戶數(shù)據(jù)的傳輸。虛電路虛電路兩種類型的虛電路永久虛電路PVC和呼叫虛電路SVC。永久虛電路指在兩個(gè)站點(diǎn)之間事先建立固定的鏈接，占用固定的邏輯信道，類似于存在一條專用電路，任何時(shí)候，站

16、點(diǎn)之間都可以進(jìn)行通信。呼叫虛電路則根據(jù)需要，動(dòng)態(tài)建立和釋放虛電路。注意：由于虛電路的建立和釋放需要占用一定的時(shí)間，因此虛電路方式并不適合站點(diǎn)之間具有頻繁的、短小數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)合（交互式通信）。2.12.3 數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路的比較數(shù)據(jù)報(bào)：1。傳輸無(wú)需連接建立和釋放的過(guò)程；2。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中需帶地址信息（占用空間）；3。用戶的連續(xù)數(shù)據(jù)塊會(huì)無(wú)序地到達(dá)目的地；接受站點(diǎn)處理復(fù)雜（排序）。4。當(dāng)使用網(wǎng)狀拓?fù)浣M建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，任一中間結(jié)點(diǎn)或者線路的故障不會(huì)影響數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸（可以選擇不同的路徑），可靠性較高。5。數(shù)據(jù)報(bào)較適合站點(diǎn)之間少量數(shù)據(jù)的傳輸。 虛電路： 1。 具有虛電路（連接）建立和釋放的過(guò)程； 2。 數(shù)據(jù)塊中僅含

17、少量的地址信息（虛電路的電路標(biāo)識(shí)號(hào)），用戶的連續(xù)數(shù)據(jù)塊沿著相同的路徑，按序到達(dá)目的地；接受站點(diǎn)處理方便。 3。 如果虛電路中的某個(gè)結(jié)點(diǎn)或者線路出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致虛電路傳輸失效。 4。 虛電路方式較適合站點(diǎn)之間大批量的數(shù)據(jù)傳輸。分類 電路交換 報(bào)文交換 分組交換優(yōu) 缺 點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：信息延時(shí)短，并且固定不變；適用于連續(xù)、大批量的數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)：有呼損；不同速率和不同電碼之間的用戶不能進(jìn)行交換；效率低。優(yōu)點(diǎn)：信道可以進(jìn)行復(fù)用且需要時(shí)才分配信道，效率高；不同速率和電碼之間可以聯(lián)接；無(wú)呼損。缺點(diǎn)：延時(shí)長(zhǎng)；對(duì)中繼結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量要求較高優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)短；數(shù)據(jù)傳輸靈活（每個(gè)分組可按不同路徑不同順序到達(dá)）；轉(zhuǎn)發(fā)差錯(cuò)少；缺點(diǎn)：在目的結(jié)點(diǎn)要對(duì)分組進(jìn)行重組，增加了復(fù)雜性。實(shí)例 電話系統(tǒng) 電報(bào) 因特網(wǎng)高速交換技術(shù)(幀中繼）幀中繼是在X.25分組交換的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了差錯(cuò)控制、流量控制和路由選擇功能而形成的一種新型的交換技術(shù)。 優(yōu)點(diǎn)： 通信子網(wǎng)得到了簡(jiǎn)化，傳輸速率從64 Kb/s提高到2.048 Mb/s，較容易接入ATM骨干網(wǎng)。 高速交換技術(shù)(幀中繼）幀中繼網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)ATM技術(shù)是在