計算機通信與網絡-ch02-數據通信技術- 課件

1、計算機通信與網絡Computer Telecommunications & Networks第2章 數據通信技術基礎數據傳輸: 著重于數據的傳輸，不涉及數據所表示的原始信息。數據通信: 實現(xiàn)計算機與計算機、計算機與終端之間信息交互的一種通信技術(計算機通信)。著重于信息的交互。內容概要內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接口特征2.1數據通信的基本概念1、數據、信息和信號2、數據通信系統(tǒng)3、傳輸媒體4、數據通信系統(tǒng)的性能指標2.1數據通信的基本概念1、 數據、信息和信號數據(data) 預先約定的具有某種含義的數字、符號和

2、字母的組合。信號(signal) 數據在傳輸過程中的電磁波表示。 模擬信號(analogous)：時間、取值連續(xù)變化。數字信號(digital)： 時間、取值離散。調制把數字信號轉換為模擬信號的過程。解調把模擬信號轉換為數字信號的過程。信道表示向某一方向傳送數據的傳輸介質。2.1數據通信的基本概念模擬數據模擬信號放大器調制器模擬數據數字信號 PCM編碼器數字數據模擬信號調制器數字數據數字信號 數字發(fā)送器1、 數據、信息和信號2.1數據通信的基本概念2、 數據通信系統(tǒng)2.1數據通信的基本概念2、 數據通信系統(tǒng)信源：信息的發(fā)送端，是發(fā)送信息的設備。信宿：信息的接收端，是接收信息的設備。信號轉換設備

3、：將信源發(fā)出的信息轉換成適合于在信道上傳輸的信號的設備。2.1數據通信的基本概念2、 數據通信系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC 機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號 正文正文數據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機2.1數據通信的基本概念2、 數據通信系統(tǒng) 數據通信系統(tǒng)舉例2.1數據通信的基本概念2、 數據通信系統(tǒng) 數據通信系統(tǒng)舉例(b) 局域網用戶通過Internet上網通信2.1數據通信的基本概念纜(cable)：雙絞線、同軸電纜、光纜微波(microwave)：地面微波、衛(wèi)星微波、 無線電波紅外線技

4、術、藍牙技術3、 傳輸媒體3、傳輸媒體 雙絞線銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 雙絞線A扭絞距線徑0.41.4 mmB近端串擾遠端串擾白綠 綠白橙 藍白藍 橙白棕 棕12345678 局域網 EIA/TIA 568A UTP內4對8線的編號與線色2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體把兩根互相絕緣的銅導線并排放置，再用規(guī)則的方法絞合起來。絞合的導線可以減少相鄰線對的相互干擾。多對絞合導線構成了雙絞線電纜。雙絞線可用于模擬傳輸和數字傳輸。價格低，安裝方便，但帶寬窄，抗干擾性能較差。 雙絞線2.1數據通信的

5、基本概念3、傳輸媒體 類型 阻抗 返回損耗 近端串擾 1Mhz 100m 100m 3類UTP 100 12db 43db4類UTP 100 12db 58db5類UTP 100 12db 64db 雙絞線2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 同軸電纜外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層組成。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有較好的抗干擾特性（特別是高頻段），適合高速數據傳輸。通常按特性阻抗數值不同，可分為兩類：50 同軸電纜：數據通信中傳輸基帶信號75 同軸

6、電纜：模擬傳輸系統(tǒng)（CATV） 同軸電纜2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體RG-8/RG-11 10Base5 阻抗50 粗纜 0.4” RG-58A/U 10Base2 阻抗50 細纜 0.18” RG-59U 10Broad3600 阻抗75 CATV 0.25” RG-63 ARCnet 阻抗93 0.25” (0.635cm) 同軸電纜傳輸特性2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 光纜遠供電源光纖及包層填充物外護套包帶層包層纖芯（a）光纜結構剖面圖（b）光波在纖芯中傳播2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體光纖：透明石英玻璃拉成細絲，由纖芯和包層構成。 纖芯直徑為8100um，折射率高

7、包層折射率低。光纜：多根光纖構成光纜。光波：利用光的全反射原理通過纖芯傳導。通過傳遞光脈沖進行通信。光纖通信： 衰耗小，距離長，抗干擾能力強，傳輸 容量大，保密性好。多模光纖：多條不同入射角光線在一條光纖中傳輸。單模光纖：直徑只有一個光波長大小，直線傳輸。 光纜2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 光線在光纖中的折射折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 光纜高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 光纖輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出

8、脈沖多模光纖2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體無線傳輸方式：在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距離較遠的情況下，成本較低。無線電波可以在自由空間各個方向傳播，實現(xiàn)多種通信，故稱為“非導向傳輸媒體”。長波、中波、短波、甚高頻(Very high)、特高頻(Ultra)、超高頻(Super)、極高頻(Extremely )2.1數據通信的基本概念電信領域使用的電磁波的頻譜無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調幅無線電 調頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104 105 106 107 10

9、8 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體無線電波是全向傳播，微波是定向傳播。 無線電波不同頻段用于不同通信方式 3 30 MHz，用于短波通信； 30300MHz，用于數據通信； 蜂窩無線電移動通信。 無線電波2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體微波通信（240GHz，直線傳播)地面接力微波：在地面建立若干微波中繼站，中繼站將前一站信號接收，放大后轉發(fā)到下一站，實現(xiàn)“接力”式傳輸。衛(wèi)星通信

10、：將微波中繼站放在衛(wèi)星上實現(xiàn)。通信建立遠，覆蓋面積大。2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體地面微波的工作頻率范圍一般為120 GHz，其特點是直線傳播，因此只能在視距(LOS: line of sight)范圍內進行傳輸。由于受到地形和天線高度的限制，兩微波站間的通信距離一般為3050 km。 地面微波2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 衛(wèi)星通信的最大特點是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區(qū)的跨度達18000多公里。只要地球赤道上空的同步軌道上，等距離地放置3顆相隔120度的衛(wèi)星，就能基本上實現(xiàn)全球的通信。 衛(wèi)星微波2.1數據通信的基本概念

11、3、傳輸媒體 衛(wèi)星微波波段頻率(GHz)下行(GHz)上行(GHz)問題C4/63.74.25.9256.425地面上的干擾Ku11/1411.712.214.014.5降雨Ka20/3017.721.727.530.5降雨，設備價格高2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 紅外線技術已經在計算機通信中得到了應用，例如兩臺筆記本電腦對著紅外接口，可傳輸文件。 紅外線鏈路只需一對收發(fā)器，可調制不相干的紅外光，在視線距離的范圍內傳輸，具有很強的方向性。 紅外線技術 2.1數據通信的基本概念3、傳輸媒體 紅外線技術 調制非相干紅外線光 2.1數據通信的基本概念2.1數據通信的基本概念4、 數據通信系統(tǒng)

12、的技術指標傳碼速率(信號傳輸速率)：調制速率、波特率，記作NBd，數據通信系統(tǒng)中，每秒鐘傳輸信號碼元的個數，單位是波特（Baud，符號/s）。傳信速率(比特傳輸速率)：記作Rb，數據通信系統(tǒng)中，每秒鐘傳輸二進制碼元的個數，單位是比特/秒（bit/s，Kbit/s ，Mbit/s，Gbit/s ）。 數據傳輸速率2.1數據通信的基本概念4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標 數據傳輸速率2.1數據通信的基本概念4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標例2-1 若信號碼元持續(xù)時間為110-4秒，試問傳送8電平信號，則傳碼速率和傳信速率各是多少？ 解：由于T=110-4秒，所以傳碼速率NBd=1/T=10,000波特 由

13、于傳送的信號是8電平，所以M=8。 則傳信速率Rb = NBdlog2 M =30,000bit/s。 數據傳輸速率2.1數據通信的基本概念4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標 信道帶寬信號帶寬(bandwidth) ：是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（Hz、KHz、MHz、GHz）。模擬信道：表示通信線路允許通過的信號頻帶范圍就稱為線路帶寬(通頻帶)。 數字信道：“帶寬”是所能傳送的“最高數據率”同義語，單位是“比特每秒”。2.1數據通信的基本概念4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標 信道帶寬常用的帶寬單位是千比每秒，即 Kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb

14、/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）請注意：在計算機界，數據量的表示 K = 210 , M = 220, G = 230, T = 240。2.1數據通信的基本概念時間軸上信號的寬度隨速率的增大而變窄，對應的信號頻率增加，則占用帶寬也增加。 每秒 106 個比特時間1 0 1 0 1 11 s帶寬為1 Mb/s 時間每秒 4 106 個比特0.25 s帶寬為4 Mb/s 帶寬4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標 誤碼率和誤組率誤碼率(BER: bit error rate) ：在一定時間內接收到出錯的比特數e1與總的傳輸

15、比特數e2之比。 Pe（e1/e2) 100 由于實際的傳輸信道及通信設備存在隨機差錯與突發(fā)差錯，而數據通信常采用數據塊(block)或幀(frame)為單位進行傳輸，使用誤組率可以更好反映傳輸效率。誤組率(FER: frame error rate)：在一定時間內接收出錯的組數b1與總的傳輸組數b2之比。 Pb（b1/b2) 1002.1數據通信的基本概念 時延1 0 1 1 0 0 1發(fā)送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點 B結點 A在發(fā)送器產生發(fā)送/傳輸時延在隊列中產生處理時延數據從結點 A 向結點 B 發(fā)送數據鏈路4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念處理時延：交換結點為存儲

16、轉發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。 排隊時延：結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。是處理時延的組成部分。 時延4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念發(fā)送時延(傳輸時延)：發(fā)送數據時，數據塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。信道帶寬(channel bandwidth)：數據在信道上的發(fā)送速率。常稱為數據在信道上的傳輸速率(transmission rate)。發(fā)送時延 = 數據塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒） 時延（ Delay）4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念傳播時延(propagation)：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。 信號在信道

17、上的傳播速率(單位時間內的距離量度)。傳播時延 = 信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒） 時延4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念總時延：數據從源點經過網絡傳送，到達目的點所經歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、處理時延之和：總時延 = 發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延 時延4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念高速網絡鏈路：提高數據的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬：減小數據的發(fā)送時延。提高網絡傳輸速率：減小網絡傳輸時延，主要是減少發(fā)送時延和處理時延。 時延4、 數據通信系統(tǒng)的技術指標2.1數據通信的基本概念 時延4、 數據通信系

18、統(tǒng)的技術指標例2-3若AB兩臺計算機之間的距離為1000km，假定在電纜內信號的傳播速度是2108m/s，試對下列類型的鏈路分別計算發(fā)送時延和傳播時延。 （1）數據塊長度為108bit，數據發(fā)送速率為1Mb/s； （2）數據塊長度為1000bit，數據發(fā)送速率為1Gbit/s內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接口特征2.2數據傳輸方式1、并行傳輸與串行傳輸2、異步傳輸與同步傳輸3、單工、半雙工和全雙工傳輸4、模擬傳輸和數字傳輸2.2數據傳輸方式 并行傳輸1、并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數據以成組的方式，在多條并行信道

19、上同時進行傳輸。 2.2數據傳輸方式 串行傳輸1、并行傳輸與串行傳輸串行傳輸指的是組成字符的若干位二進制碼排列成數據流在一條信道上逐位順序傳輸。2.2數據傳輸方式 異步傳輸（數據位不等長）2、異步傳輸與同步傳輸不論字符所采用的代碼為多少位，在發(fā)送每一個字符代碼（即字符的數據位）時，都要在前面加上一個起始位，表示一個字符的開始；后面加上一個停止位，表示一個字符的結束。 2.2數據傳輸方式 同步傳輸（數據位等長）2、異步傳輸與同步傳輸2.2數據傳輸方式3、單工、半雙工和全雙工傳輸單工傳輸(simplex)只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。半雙工傳輸(half duplex)通信的雙方都可以發(fā)

20、送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。全雙工傳輸(full duplex)通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 2.2數據傳輸方式4、模擬傳輸和數字傳輸模擬傳輸模擬信號：時間和幅度取值連續(xù)變化 的信號量。模擬信道：適于模擬信號傳輸的信道模擬傳輸系統(tǒng)：傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)數字傳輸數字信號：時間和幅度取值離散 （不連續(xù)變化）的信號量。數字信道：適于數字信號傳輸的信道數字傳輸系統(tǒng)：傳輸數字信號的通信系統(tǒng)幅度時間幅度時間內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接口特征2.3數據傳送技術1、數據序列的電信號表示2、信道容量

21、的概念3、基帶傳輸4、頻帶傳輸5、數字數據傳輸2.3數據傳送技術1、數據序列的電信號表示數據序列單極性不歸零碼unipolar NRZ 單極性歸零碼unipolar RZ雙極性不歸零碼bipolar 雙極性歸零碼 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 2.3數據傳送技術1、數據序列的電信號表示數據序列偽三元編碼pseudo曼徹斯特編碼Manchester差分曼徹斯特編碼Differential code差分編碼 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 2.3數據傳送技術任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距

22、離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 2、信道容量的概念失真不嚴重失真嚴重 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重) 數字信號通過實際的信道2.3數據傳送技術2、信道容量的概念信道容量是指在一定的條件下，給定通信路徑（信道）上所能達到的最大數據傳輸速率。2.3數據傳送技術2、信道容量的概念信道容量噪聲誤碼率帶寬數據傳輸速率理想低通信道的最高碼元傳輸速率 N= 2W Baud, W=1/s, Baud=symbol/sW 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 奈奎斯特(

23、Nyquist)定理不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 2.3數據傳送技術2、信道容量的概念在理想低通(low-pass)信道中，如果信道帶寬WHz，則最高碼元傳輸速率是每秒 2 W 個碼元。每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。Baud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個碼元。2.3數據傳送技術2、信道容量的概念 奈奎斯特(Nyquist)定理實際的信道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。 波特是碼元傳輸的速率單位（每秒傳多少個碼元）。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率

24、或符號速率。比特是信息量的單位。 要強調以下兩點2.3數據傳送技術2、信道容量的概念信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數量上有一定的關系。若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數值上相等。若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則 N Baud 的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為 N n b/s。 2.3數據傳送技術2、信道容量的概念傳輸比特流 10011100 10 01 11 00 2bit一組4種幅度,1個碼元攜帶2bit信息, n = log2M (M 碼元狀態(tài)數)t32102.3數據傳送技術2、信道容量的概念無噪聲的情況下，在帶寬

25、為W的信道，其最大的數據傳輸速率C（信道容量 capacity）為 C=2Wlog2M2.3數據傳送技術2、信道容量的概念例2-6 一個無噪聲的話音帶寬為4000Hz，采用8相調制解調器傳送二進制信號，試問信道容量是多少？W=4Khz,M=8,C=2*4*3=24 Kbit/s香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C(信道容量） 可表達為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；S 為信道內所傳信號的平均功率；N 為信道內部的高斯噪聲功率。2.3數據傳送技術2、

26、信道容量的概念 香農(Shannon)定理例2-7 一個數字信號通過兩種物理狀態(tài)經信噪比為20dB的3kHz帶寬的信道傳送，其數據率不會超過多少？ 應用舉例2.3數據傳送技術2、信道容量的概念解：已知信噪比電平為20dB，則信噪功率比 S/N = 100 C = 3000log2(1+100)=30006.66=19.98 Kbit/s 數據率不會超過19.98 kbit/s信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。 Shannon公式表明2.3數據傳送技術2、信道容量的概念若信道帶寬 W

27、 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。 Shannon公式表明2.3數據傳送技術2、信道容量的概念 奈氏準則和Shannon公式作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數據輸出數據發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農公式的限制2.3數據傳送技術2、信道容量的概念2.3數據傳送技術3、基帶傳輸 基帶信號(baseband signal) 在數據通信中，表示計算機中二進制比特序列的數字數據信號是典型的矩形

28、脈沖信號。人們把矩形脈沖信號的固有頻帶稱作基本頻帶(簡稱為基帶)，這種矩形脈沖信號就叫做基帶信號。 在數字信道上，計算機中的數據是以矩形脈沖信號直接傳送的，這種傳送方法稱為基帶傳輸。 2.3數據傳送技術4、頻帶傳輸頻帶傳輸: 調制傳輸，就是先將基帶信號變換成便于在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率范圍的信號（頻帶信號），再將這種頻帶信號在信道中傳輸。2.3數據傳送技術4、頻帶傳輸 數字數據，模擬傳輸有些傳輸媒體只適合于傳輸模擬信號，為充分利用現(xiàn)有的傳輸資源，必須將數字數據轉換為模擬信號才能傳輸。將數字數據轉換為模擬信號的過程叫調制(modulation)（實際上是用數字信號控制模擬信號的某些參數，

29、使模擬信號攜帶信息）。將攜帶信息的模擬信號轉換成數字數據（或稱從已調制的模擬信號中提取數字數據）的過程叫解調(demodulation)。最常用的數字數據模擬信號轉換設備是調制解調器（MODEM），同時具有調制和解調的功能，在數據通信系統(tǒng)中，是一種典型的DCE設備。常用的調制技術：載波：一種便于發(fā)射和接收，及技術實現(xiàn)的高頻簡諧波或周期性脈沖信號。當載波為高頻簡諧波時，可用三個參數描述：振幅、頻率、相位?？刂七@三個參數變化，可以實現(xiàn)調制功能。4、頻帶傳輸 數字數據，模擬傳輸2.3數據傳送技術以數字數據控制載波的幅度，稱為數字調幅，又稱幅移鍵控，簡稱ASK (amplitude shift key

30、ing) 。以數字數據控制載波的相位，稱為數字調相，又稱相移鍵控，簡稱PSK (phase shift keying) 。以數字數據控制載波的頻率，稱為數字調頻，又稱頻移鍵控，簡稱FSK (frequency shift keying) 。4、頻帶傳輸 數字數據，模擬傳輸2.3數據傳送技術4、頻帶傳輸2.3數據傳送技術010011100基帶信號調幅調頻調相5、數字數據傳輸2.3數據傳送技術 在數字信道中傳輸數據信號稱為數據信號的數字傳輸，簡稱為數字數據傳輸。抽樣量化編碼模擬數據數字信號數字信道解碼恢復數字信號模擬數據5、數字數據傳輸2.3數據傳送技術時間量化幅值量化采樣間隔Ts 2 fc模擬數

31、據數字信號內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接口特征2.4多路復用隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，通信終端和交換設備的性能不斷提高，而價格卻迅速降低。傳輸媒體由于資源有限，制造成本增加，即使采用原料豐富的光纖線路，但鋪設費用也在增長。其投資在整個通信網絡占有的比重越來越大。信道復用技術是在一條傳輸信道中傳輸多路信號，以提高傳輸媒體的利用率。2.4多路復用1、 頻分復用2、 時分復用3、 碼分復用4、 波分復用2.4多路復用1、頻分復用當傳輸信道的帶寬較大，而所傳輸的信號只需部分帶寬就可實現(xiàn)有效傳送，則可以在信道中同時傳輸

32、多路信號，每路信號占用部分帶寬。頻分復用是按頻率劃分不同的子信道，每個子信道占用不同的頻率范圍。采用調制技術，將信號搬移到信道相應的頻段上。頻分復用常用于載波電話系統(tǒng)、電視等。2.4多路復用1、頻分復用頻率1頻率3頻率2頻率4時間頻率T4T3T2T1T1T2T3T42.4多路復用2、時分復用時分復用是采用時間分片方式來實現(xiàn)傳輸信道的多路復用，即每一路信號傳輸都使用信道的全部帶寬，但只能使用其中某個時隙。靜態(tài)時分復用中，多個數據終端的信號分別在預定的時隙內傳輸，其分配關系固定，周期性使用，收發(fā)雙方保持同步，又稱同步時分復用。若無數據傳輸時，對應時隙空閑。靜態(tài)時分復用時高速傳輸介質容量等于各個低速

33、終端數據速率之和。2.4多路復用2、時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2.4多路復用2、時分復用頻率時間CDCDCDCDAAAATDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀BBBB在 TDM 幀中的位置不變2.4多路復用2、時分復用頻率時間BDBDBDBDAAAATDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀CCCC在 TDM 幀中的位置不變2.4多路復用2、時分復用頻率時間BCBCBCBCAAAATDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀在 TDM 幀中的位置不變DDDD2.4多路復用

34、2、時分復用靜態(tài)時分復用中，每個數據終端的信號與傳輸時隙分配關系固定，無數據傳輸時，對應時隙空閑。因此效率較低。動態(tài)時分復用又稱異步時分復用，或稱統(tǒng)計時分復用（STDM），是按需分配媒體資源，提高了傳輸媒體的利用率。動態(tài)時分復用中，用戶數據傳輸速率之和可以大于高速線路傳輸容量。動態(tài)時分復用中需要使用緩沖存儲和流量控制技術來保證數據正確傳送。2.4多路復用2、時分復用ABCDaabbcdbcattttt4 個時分復用幀#1acbcd靜態(tài)時分復用#2#3#4用戶2.4多路復用2、時分復用用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用2.4多路復用3、

35、碼分復用碼分復用是蜂窩移動通信中迅速發(fā)展的一種信號處理方式。常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。2.4多路復用3、碼分復用每個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列二進制反碼。 例如，S 站的 8 bit 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 1

36、1100100。S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)2.4多路復用3、碼分復用每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。 2.4多路復用令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內積(inner product)都是 0：3、碼分復用2.4多路復用3、碼分復用令向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)， 向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入公式就

37、可看出這兩個碼片序列是正交的。 2.4多路復用任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內積都是1 。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內積值是 1。3、碼分復用2.4多路復用3、碼分復用S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內積 S Sx規(guī)格化內積 S Tx數據碼元比特發(fā)送端接收端2.4多路復用4、波分復用波分復用就是光的頻分復用，即在一根光纖上傳輸多路光載波信號。密集波分復用（DWDM）是一種支持巨大數量信道的系統(tǒng)。波分復用技術可以進一步提高光纖的傳輸容量，滿足通信需求量的迅速增長和多媒體通信。2.

38、4多路復用4、波分復用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復用器分用器EDFA120 km內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接口特征2.5數據交換技術交換是一種集中和轉接的概念。如果網絡的分布范

39、圍廣，用戶眾多，網絡拓撲結構復雜。多個用戶之間的通信，如果采用點對點直接連接的方式，網絡規(guī)模大，費用高，線路利用率低。采用交換方式，利用集中和轉接的概念，通過選擇和復用技術，可以提高線路資源的利用率，簡化網絡拓撲結構，降低網絡成本。網絡拓撲結構交換節(jié)點轉接中心用戶線中繼線全連通2.5數據交換技術交換網絡用戶接口中繼接口控制單元信號單元中繼線用戶線（1）建立連接（2）維持連接（3）拆除連接2.5數據交換技術電路交換報文交換分組交換快速分組交換多速率電路交換快速電路交換存儲 - 轉發(fā)ATM交換X.25分組網幀中繼、 SMDS信元交換2.5數據交換技術一個通信網絡由許多交換節(jié)點組成，信息在網絡中的傳

40、輸要經過一系列的交換節(jié)點，從一條線路轉換的另一條線路，最后到達目的地。交換節(jié)點轉發(fā)信息的方式，就稱為交換方式。電路交換報文交換分組交換2.5數據交換技術2.5數據交換技術正向證實信號正向拆線信號主叫掛機反向拆線信號被叫掛機被叫用戶主叫用戶回鈴音取機撥號撥號音占用信號占用信號振鈴通話(信息傳送)連接釋放呼叫建立A局B局C局掛機1、電路交換2.5數據交換技術連接釋放數據傳送連接建立A B C D t報文1、電路交換C1C4C3C2C3本地網省中心省間中心地市中心縣中心長途網AB1、電路交換2.5數據交換技術2.5數據交換技術電路交換是一種實時交換，適用于實時要求高的話音通信( 全程 200 ms

41、) 。 在通信前要通過呼叫為主、被叫用戶建立一條物理連接。如果呼叫請求數超過交換網的連接能力(過負荷)，用戶會聽到忙音。衡量電話交換服務質量指標之一：呼叫損失率。電路交換是預分配帶寬，話路接通后，即使無信息傳送也白白占電路，據統(tǒng)計，傳送話音時電路利用率僅為36%。在傳送信息時，沒有任何差錯控制措施，不利于傳輸可靠性要求高的突發(fā)性數據業(yè)務。1、電路交換2.5數據交換技術t用戶電報機B用戶電報機AA局B局C局M1M1M1M1傳播時延傳輸時延存儲 / 處理時延2、報文交換報文報文報文A B C Dt2.5數據交換技術2、報文交換(1) 交換節(jié)點采用存儲轉發(fā)方式對每份報文完整地加以處理。(2)每份報文

42、中含有報頭，包含收、發(fā)雙方的地址，以便交換節(jié)點進行路由選擇，可以一對多地傳送報文。(3) 報文交換可進行速率、碼型的變換，具有差錯控制措施。(4)存儲轉發(fā)時延大，隨機性也大，過負荷時將會導致報文延遲。2.5數據交換技術2、報文交換P2P1報文A主機B主機C鏈路P5P6P4P3P2P1PSEaPSEbPSEc2.5數據交換技術3、分組交換P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4A B C DP2P12.5數據交換技術3、分組交換（1）可實現(xiàn)多路通信功能。（2）采用統(tǒng)計時分多路復用，提高了線路利用率。（3）能夠實現(xiàn)不同類型的數據終端設備（含有不同的傳輸速率、不同的編碼、不同的通信控制規(guī)程等）之間的

43、通信。（4）數據傳輸質量高、可靠性高，可使用優(yōu)先級。（5）提高了鏈路利用率，經濟性好。2.5數據交換技術3、分組交換由于采用存儲轉發(fā)方式處理分組，所以分組在網內的平均時延可達幾百毫秒。每個分組附加的分組標題，都會需要交換機分析處理，而增加開銷，因此分組交換適宜于計算機通信的突發(fā)性或斷續(xù)性業(yè)務的需求，而不適合于在實時性要求高、信息量大的環(huán)境中應用。分組交換技術比較復雜，涉及到網絡的流量控制、差錯控制、編碼、速率的變換方法和接口；網絡的管理和控制的智能化等 。2.5數據交換技術3、分組交換內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接

44、口特征所謂差錯，就是在通信接收端收到的數據和發(fā)送端發(fā)送的數據不一致的情況。由于數據通信系統(tǒng)傳輸特性的不理想和外部干擾的存在，傳輸中出現(xiàn)差錯是不可避免的。差錯控制的目的：用來提高數據傳輸的可靠性與傳輸效率 。2.6差錯控制技術2.6差錯控制技術 1、差錯控制原理 2、差錯控制的方式 3、差錯控制編碼隨機差錯 原因： 信道熱噪聲 特點： 隨機的、單個的突發(fā)差錯 原因： 脈沖噪聲（如閃電） 特點： 成片的、連續(xù)的2.6差錯控制技術1、差錯控制原理 差錯產生的原因2.6差錯控制技術 在發(fā)送的數據碼元序列中加入監(jiān)督位，并進行某種變換，使它們和原來相互獨立的數據碼元之間具有某種約束關系。在接收端檢測接收的

45、數據碼元和監(jiān)督碼元的約束關系，如果這種約束關系被破壞，則接收端就可以發(fā)現(xiàn)傳輸中的錯誤，甚至糾正錯誤。1、差錯控制原理變換的方法不同，就構成了不同的編碼，因而產生不同的差錯控制方法。檢錯碼可以發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤，但不能自動糾正糾錯碼可以自動糾正傳輸錯誤。差錯控制是以降低效率為代價的。2.6差錯控制技術1、差錯控制原理自動請求重發(fā)：接收端在收到的信碼中檢測出錯碼時，即設法通知發(fā)送端重發(fā)。前向糾錯：接收端不僅能在收到的信碼中發(fā)現(xiàn)有錯碼，而且能夠糾正錯碼?；旌戏绞剑簩ι倭坎铄e予以自動糾正，而超過其糾正能力的差錯則通過重發(fā)的方法加以糾正。 信息反饋：接收端將收到的信碼原封不動地轉發(fā)會發(fā)送端，并與原發(fā)送信碼相比

46、較。2.6差錯控制技術2、差錯控制的方式2.6差錯控制技術在二進制編碼中，設：消息長度 k 比特，冗余信息 r 比特實際傳輸長度為 n 比特，n=k+r則 2k t ） ，則編碼集的漢明距離至少為 e + t + 1；2.6差錯控制技術漢明距離與糾錯檢錯能力例1 數據 編碼 0 0 00 000 1 1 11 111漢明距離 d=1 d=2 d=3例2 000000 000111 111000 111111收到0101114 1 5 2恢復0001112.6差錯控制技術2.6差錯控制技術檢錯碼恒比碼正反碼奇偶校驗碼循環(huán)冗余碼（CRC）糾錯碼漢明碼（Hamming)3、差錯控制編碼2.6差錯控制

47、技術線性分組碼線性碼：信息位和監(jiān)督位為線性關系。分組碼：監(jiān)督位僅與本組信息位有關。系統(tǒng)碼：前半部為未變化的信息位，后半部為生成的監(jiān)督位。線性分組碼的性質封閉性：任意兩個有效碼組之和（模2加）仍為一個有效碼組。碼的最小距離等于非零碼最小重量。3、差錯控制編碼碼長為n，信息位為k， 則監(jiān)督位數 r = n -kr個監(jiān)督位構造出r個監(jiān)督關系式來指示一位錯碼的n 種可能位置： 2r 1 n 或 2r k + r + 12.6差錯控制技術3、差錯控制編碼 漢明碼2.6差錯控制技術3、差錯控制編碼 漢明碼S1 S2 S3 出錯碼S1 S2 S3 出錯碼 0 0 0 無差錯0 1 1 c30 0 1 c01

48、 0 1 c40 1 0 c11 1 0 c51 0 0 c21 1 1 c6S1= c6 c5 c4 c2S2= c6 c5 c3 c1S3= c6 c4 c3 c0 2.6差錯控制技術3、差錯控制編碼 漢明碼偶校驗關系c2= c6 c5 c4 c1= c6 c5 c3c0= c6 c4 c32.6差錯控制技術3、差錯控制編碼 漢明碼校驗位生成式例2-8 假如在接收端收到碼字0000011，請判斷是否有錯？如何糾正？解：按以上校正因子的計算式 可得：S1= c6 c5 c4 c2=0，S2= c6 c5 c3 c1=1，S3= c6 c4 c3 c0=1，因為三個校正因子不全為0，說明碼字有

49、錯，錯誤位置為S=S1S2S3=011=3，即信息位c3有錯，將c3上的0變?yōu)?，即可糾正錯誤。最后去掉校驗位，得到正確信息位為0001。 2.6差錯控制技術3、差錯控制編碼 漢明碼循環(huán)冗余碼 （CRC）是一種特殊的線性分組碼。循環(huán)冗余碼各碼組中的碼元循環(huán)左移(或右移)，所形成的碼組仍然是一個許用碼組(全零碼組除外)，稱為循環(huán)性。循環(huán)冗余碼具有較高的檢錯能力。2.6差錯控制技術3、差錯控制編碼 循環(huán)冗余碼（CRC）2.6差錯控制技術例如 A4=0111001，對應的碼多項式為 ：碼多項式 (n，k)循環(huán)碼中，為了便于描述與計算，經常使用 n-1 次 碼多項式來表示碼字，碼字 A =an-1 a

50、n-2 a1 a0 ，它對應的碼多項式為： 在(n，k)循環(huán)碼中，存在惟一的最高冪次為(n-k)，最多 k-1 個連續(xù)的 0 項，且常數項必須為1 的碼多項式g(x)，此碼多項式的冪次最低（0 元除外）；其它所有的碼多項式都能被g(x)整除；并且g(x)是 xn+1 的一個因式。 g(x)稱為該編碼集的生成多項式。生成多項式 g(x)2.6差錯控制技術CRC-16 CRC-CCITTCRC-32 標準生成多項式3、差錯控制編碼2.6差錯控制技術選擇 r 階生成多項式 G(x) ，rnk在數據幀末尾加 r 個0，形成多項式 xrM(x) xrM(x) R(x) G(x) G(x)移項得： xrM

51、(x) R(x) Q(x) G(x) 發(fā)送循環(huán)碼多項式 T(x) = xrM(x) R(x)檢錯標準：接收端檢測T(x) / G(x)是否為零 Q(x) 循環(huán)冗余碼CRC的編碼和檢錯3、差錯控制編碼2.6差錯控制技術例1：設信息流為10110011 ， G（X）= X4+X+1，即10011101100110000100111010110010011010100000010101100110100 余數101100110100發(fā)送信息流為：3、差錯控制編碼2.6差錯控制技術例2 ：CRC檢錯 數據幀 1101011011（ M(x) ，m=10 ） 生成多項式G(x) = x4 + x + 1

52、（r=4） 生成多項式也可表示為 10011 以2為模的除法：11010110110000 /10011 = 1110 發(fā)送幀 11010110111110（以2為模的減法） 接收端檢測：11010110111110 /10011 = 03、差錯控制編碼2.6差錯控制技術以2為模的除法和 減法（加法） 110000101010011）11010110110000 10011 1001111010110110000 10011 1110 10110 11010110111110 10011 10100 10011 余數 1110G(x)發(fā)送序列T(x) =xrM(x) 余數xrM(x)3、差錯控

53、制編碼2.6差錯控制技術在數據后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence)。循環(huán)冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS并不等同。CRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添加在數據后面的冗余碼。FCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的惟一方法。3、差錯控制編碼 循環(huán)冗余碼（CRC）2.6差錯控制技術得出的余數 R 不為 0，就表示檢測到差錯。但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。一旦檢測出差錯，就丟棄這個出現(xiàn)差錯的幀。只要經過嚴格的挑選，并使用位數足夠多的除數 P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就

54、很小很小。3、差錯控制編碼 循環(huán)冗余碼（CRC）2.6差錯控制技術僅用循環(huán)冗余檢驗 CRC 差錯檢測技術只能做到無差錯接受(accept)?！盁o差錯接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于 1 的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯”。 要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。3、差錯控制編碼 循環(huán)冗余碼（CRC）2.6差錯控制技術內容綱要 數據通信的基本概念 數據傳輸方式 數據傳送技術 多路復用技術 數據交換技術 差錯控制技術 數據通信接口特征2.7數據通信接口特性物理層基本概念物理層是OSI參考模型中的最低一層，向下是與物理設備之

55、間的接口，直接與傳輸介質相連接，使二進制數據位流通過該接口從一臺設備傳送給相鄰的另一臺設備；向上為數據鏈路層提供透明的比特流傳輸服務。物理層接口不僅包括DTEDCE之間的接口，也包括DCEDCE之間的接口。物理層協(xié)議物理層通過執(zhí)行建立物理連接和數據傳輸等功能向數據鏈路層提供服務。從物理鏈路的構成來看，物理層可處于多種環(huán)境之中，不同類型和特性的物理鏈路由不同的物理層協(xié)議描述。物理層協(xié)議與通信設備的接口特性密切相關，通信設備接口有機械、電氣、功能、規(guī)程四個方面的特性。2.7數據通信接口特性通信接口特性是指DTE和DCE之間連接的物理特性。這種連接特性與所選用的DCE類型、傳輸信道（模擬/數字）、通

56、信方式（半雙工/全雙工）和通信速率有關。物理層標準主要描述了通信接口的相關特性。包括機械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性。 2.7數據通信接口特性由于歷史原因，通信接口相關特性標準大多采用 CCITT 的有關建議標準。V系列建議是為了在模擬傳輸系統(tǒng)（電話網）中實現(xiàn)數據通信而制定的標準。X系列建議是專門為數據通信制定的，符合開放系統(tǒng)互連參考模型的標準。其它通信接口標準，如 I 系列、G系列。為了減少標準數量，也可使用其它標準，如ISO的相關標準。2.7數據通信接口特性物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定

57、裝置等等。電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序和條件。 2.7數據通信接口特性1、 通信接口的機械特性2、 通信接口的電氣特性3、 通信接口的功能特性4、 通信接口的規(guī)程特性5、 其它通信接口標準 2.7數據通信接口特性1、機械特性機械特性描述接口接插件的插頭、插座的規(guī)格、尺寸、幾何形狀，插針/插孔的數量與排列情況等。機械特性主要使用ISO標準。ISO 2110 25芯（2排，13/12）ISO 2593 34芯（4排，9/8/9/8 ）ISO 4902 37芯（2排，19/18）ISO 4903 15芯（2排，8/7） 9 芯（2排，5/4）2.7數據通信接口特性1、機械特性X.21接口/ ISO4903V.24接口/ RS-232 / ISO2110V.35 接口/ ISO2593ABDCHMSWafjEKPUYchm