計算機網(wǎng)絡(luò)（第05講）第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、計算機網(wǎng)絡(luò)講義1上次課主要內(nèi)容計算機網(wǎng)絡(luò)的概述電路交換、報文交換以及分組交換因特網(wǎng)的發(fā)展過程計算機網(wǎng)絡(luò)的定義和分類計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向計算機網(wǎng)絡(luò)知識體系第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 2.1 引言 2.2 基本概念 2.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 2.4 數(shù)據(jù)通信技術(shù) 2.5 總結(jié)計算機網(wǎng)絡(luò)講義32.1 引言計算機網(wǎng)絡(luò)是通信技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。1、計算機網(wǎng)絡(luò)是建立在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)之上的；2、計算機網(wǎng)絡(luò)充分調(diào)用了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)信號傳輸數(shù)據(jù)傳輸計算機網(wǎng)絡(luò)講義41、數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信是一門獨立的學(xué)科，它涉及的范圍較廣。它的任務(wù)是利用通信媒

2、體傳輸信息。1、數(shù)據(jù)通信就是利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)將信息在通信節(jié)點之間進行轉(zhuǎn)移；2、通信節(jié)點則可以簡單理解為信息發(fā)出節(jié)點和接收接點。3、通常將信息的發(fā)出節(jié)點稱為信源；而將信息的接收節(jié)點稱為信宿。 4、信息從信源傳送到信宿，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。信源與信宿 1、信源（Source）：在通信中，向另一部件（信宿）發(fā)出信息的部件。又稱為源點或源站。2、信宿（Sink）：在通信中，從另一部件（信源）接收信息的部件。又稱為終點或目的站。計算機網(wǎng)絡(luò)講義52、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成與功能信源、信宿、傳輸媒體和通信技術(shù)有機的結(jié)合，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。其主要功能是將信息從信源轉(zhuǎn)移到信宿。涉及了通信系統(tǒng)模型、編碼與調(diào)制技術(shù)、信道極限

3、容量、數(shù)據(jù)通信的基本方式、 多路復(fù)用技術(shù)、 數(shù)據(jù)交換方式和差錯校驗和控制等技術(shù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成與功能示意圖計算機網(wǎng)絡(luò)講義64、通信系統(tǒng)涉及的內(nèi)容基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)通信技術(shù)1、編碼與調(diào)制2、信道極限容量3、數(shù)據(jù)通信的基本方式4、數(shù)據(jù)交換方式5、多路復(fù)用技術(shù)6、差錯校驗和控制計算機網(wǎng)絡(luò)講義72.2 基本概念通信線路物理鏈路信息、數(shù)據(jù)與信號信道、帶寬模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號與數(shù)字信號基帶信號與寬帶信號計算機網(wǎng)絡(luò)講義81、通信線路為了不失一般性，可以簡單地將兩個通信節(jié)點（簡稱節(jié)點）之間用于通信的路徑稱為通信線路（communication line）或通信路徑。1、很顯然，通信線路是由物

4、理鏈路和交換設(shè)備構(gòu)成。2、至于交換設(shè)備（switching）或交換節(jié)點則可以理解為一個具有n個輸入，m個輸出的物理設(shè)備，該設(shè)備可以在一條輸入線路和一條輸出線路之間創(chuàng)建一個臨時連接，利用該連接實現(xiàn)信息交換，達到動態(tài)分配資源的目的。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義92、物理鏈路所謂鏈路（link）就是從一個節(jié)點到相鄰節(jié)點的一段物理線路段，中間沒有任何其他的交換設(shè)備，是一條無源的點到點的物理線路段，也稱物理鏈路。1、在進行數(shù)據(jù)通信時，兩個通信節(jié)點之間的通信線路往往要經(jīng)過許多段這樣的鏈路。2、兩個通信節(jié)點間的通信線路往往是由許多的鏈路串接而成的。3、因此，鏈路只是一條通信線路的組成部分。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義103、物理鏈

5、路、通信線路與交換設(shè)備信源和信宿通過通信線路傳輸信息1、交換設(shè)備與物理鏈路組成通信線路；2、交換設(shè)備、物理鏈路是一條通信線路的組成部分。物理鏈路、通信線路、交換設(shè)備關(guān)系示意圖計算機網(wǎng)絡(luò)講義114、信息、數(shù)據(jù)與信號信息、數(shù)據(jù)與信號1、信息（Information）：一般認為信息是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認識。2、數(shù)據(jù)（Data）:是指用來描述客觀事物的數(shù)字、字母和符號的集合。3、信號（Signal）：通過編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電編碼的形式。計算機網(wǎng)絡(luò)講義125、模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)從表示形式上，數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。1、模擬數(shù)據(jù)：模擬數(shù)據(jù)是用連續(xù)的物理量來表示。如溫度、壓力的變

6、化等；再如聲音、電視圖像等。2、數(shù)字數(shù)據(jù)：數(shù)字數(shù)據(jù)是用離散的物理量來表示。用來反映在取值上為離散文字或符號的數(shù)據(jù)形式。計算機網(wǎng)絡(luò)講義136、模擬信號與數(shù)字信號當采用物理量參數(shù)的變化來表示信號時，可以采用連續(xù)的變化來表示，也可以采用離散的變化來表示。采用連續(xù)的變化來表示的信號稱為模擬信號；采用離散的變化來表示的信號稱為數(shù)字信號。1、模擬信號：或稱連續(xù)信號，代表數(shù)據(jù)的參數(shù)取值是連續(xù)的。2、數(shù)字信號：或稱離散信號，代表數(shù)據(jù)的參數(shù)取值是離散的。數(shù)字信號示意圖 模擬信號示意圖 計算機網(wǎng)絡(luò)講義147、信道信道（channel）1、信道（channel）是信息論中的一個主要概念。關(guān)于信道，有很多的解釋。針對

7、不同的側(cè)重點，解釋也不盡相同。2、不管哪種解釋，究其根本，可以得出以下的事實： （1）信道是用來在通信節(jié)點之間傳輸信息的，是信號的通道； （2）信道是有方向的； （3）信道是建立在通信線路之上的，一條通信線路可包括多個不同方向的信道； （4）信道是一個邏輯的概念。計算機網(wǎng)絡(luò)講義158、信道分類與傳輸方式按傳輸媒體類型，可分為有線信道和無線信道，按傳輸信號類型可分為模擬信道和數(shù)字信道，按使用權(quán)可分為專用信道和公用信道。 信號在信道上傳輸信號的方式可分為：單工、半雙工和全雙工。計算機網(wǎng)絡(luò)講義169、信道帶寬一個具體的信道僅允許一定頻率范圍內(nèi)的信號通過。1、允許通過的所有頻率稱為頻譜；2、最高頻率（

8、f2）與最低頻率（f1）之差稱為帶寬（f2-f1）。振幅頻譜圖計算機網(wǎng)絡(luò)講義1710、基帶信號和寬帶信號直接來自信源的、沒有經(jīng)過調(diào)制（進行頻譜搬移和變換）的原始電信號稱為基帶信號，即基本頻率信號。調(diào)制分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制。1、僅對基帶信號的波形進行交換，使它能夠與信道特性相適應(yīng)，變換后的信號還是基帶信號，稱為基帶調(diào)制； 2、利用載波信號將基帶信號搬移到較高頻段進行傳輸，調(diào)制后的信號稱為帶通信號（也稱寬帶信號），這類調(diào)制稱為帶通調(diào)制。 3、基本的調(diào)制方法有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。計算機網(wǎng)絡(luò)講義1811、信息、數(shù)據(jù)和信號相互關(guān)系信息可以用數(shù)值、文字、圖形、聲音以及圖像等不同的形

9、式表現(xiàn)出來，是數(shù)據(jù)的一種表示形式，是信息的載體，信息則是數(shù)據(jù)的具體含義。利用編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號在介質(zhì)上傳輸，信號是數(shù)據(jù)的電磁能力變換的表示形式。計算機網(wǎng)絡(luò)講義1912、小結(jié)信息、數(shù)據(jù)、信號和信道是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本概念。1、數(shù)據(jù)的不同表示形式2、信號的不同表示形式3、信道相關(guān)的內(nèi)容計算機網(wǎng)絡(luò)講義202.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的功能相關(guān)的概念計算機網(wǎng)絡(luò)講義211、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的模型 1、一個數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)可以劃分為三大部分：源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和目的系統(tǒng)； 2、源系統(tǒng)一般包括源點和發(fā)送器兩部分；目的系統(tǒng)一般包括接收器和終點兩部分。 （1）發(fā)送器（Se

10、nder）：通常把將源點生成的數(shù)據(jù)比特流通過發(fā)送器編碼后才能夠在傳輸系統(tǒng)中進行傳輸。 （2）接收器（Receiver）：接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號，并把它轉(zhuǎn)換為能夠被目的設(shè)備處理的信息。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 計算機網(wǎng)絡(luò)講義222、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型的另一種表述數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE，Data Terminal Equipment）：數(shù)據(jù)終端設(shè)備包括所有具有作為二進制數(shù)字數(shù)據(jù)源點或終點能力的單元。電路終端設(shè)備（DCE，Data Circuit terminal Equipment）：任何能夠通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收模擬或數(shù)字形式數(shù)據(jù)的功能單元。計算機網(wǎng)絡(luò)講義233、小結(jié)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型抽象了所有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

11、的共性。1、三部分組成（源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和目的系統(tǒng)）；2、實現(xiàn)了信息、數(shù)據(jù)和信號以及相反方向的轉(zhuǎn)換；3、提供了信息傳輸?shù)囊话阈苑椒ǎㄐ畔?shù)據(jù)信號）。計算機網(wǎng)絡(luò)講義242.4 數(shù)據(jù)通信技術(shù)2.4.1 編碼與調(diào)制2.4.2 信道極限容量2.4.3 數(shù)據(jù)通信的基本方式2.4.4 數(shù)據(jù)交換方式2.4.5 多路復(fù)用技術(shù)2.4.6 差錯校驗和控制計算機網(wǎng)絡(luò)講義252.4.1 編碼與調(diào)制無論是數(shù)字數(shù)據(jù)還是模擬數(shù)據(jù)均可用數(shù)字信號或模擬信號發(fā)送或傳送。1、數(shù)字數(shù)據(jù)用模擬信號編碼2、數(shù)字數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼3、模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼4、模擬數(shù)據(jù)用模擬信號編碼計算機網(wǎng)絡(luò)講義261、數(shù)字數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼將數(shù)字數(shù)據(jù)用信

12、號的波形來表示稱為編碼1、數(shù)字數(shù)據(jù)可以由許多不同形式的電信號的波形來表示；2、電信號的波形可用電壓或電流的脈沖序列來表示；3、在使用時間域的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形稱為碼元；4、每個基本波形的時間間隔是相同的， 這個間隔被稱為碼元長度或碼元時間間隔。碼元與數(shù)據(jù)1、一個碼元可攜帶一位或多位數(shù)據(jù)；2、碼元時間內(nèi)的電平級數(shù)（n，也稱調(diào)制電平數(shù)）決定碼元攜帶的數(shù)據(jù)位數(shù)（b）。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義27波特率與比特率碼元的傳輸單位是波特（baud），每秒鐘傳輸?shù)拇a元數(shù)稱為波特率（波特/秒）。數(shù)據(jù)的傳輸單位是位（bit），每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)稱為比特率（比特/秒），又稱數(shù)據(jù)傳輸率。比特率（

13、C）=波特率（B）每碼元攜帶的比特數(shù)。n是每碼元時間間隔內(nèi)電平級數(shù)。計算機網(wǎng)絡(luò)講義28誤碼率誤碼率是衡量信息傳輸可靠性的一個參數(shù)。1、指二進制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。2、當所傳輸?shù)臄?shù)字序列足夠長時，它近似等于被傳錯的二進制位數(shù)與所傳總位數(shù)的比值。在計算機網(wǎng)絡(luò)中誤碼率要求低于10-610-11。實際應(yīng)用中，也可用誤字率來表示。誤字率指錯誤接收的字符數(shù)占傳輸總字符數(shù)的比例。計算機網(wǎng)絡(luò)講義29信息傳輸?shù)耐暾^程數(shù)據(jù)是信息的表達方式，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容；信息通過字符集形成數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)編碼成信號，信號則以碼元的形式表現(xiàn)。信息數(shù)據(jù)碼元信號信源信息數(shù)據(jù)碼元信號信宿自然語言比特流基本波形基本波形電磁能量比特

14、流自然語言參數(shù)選擇字符集編碼編碼字符集參數(shù)選擇計算機網(wǎng)絡(luò)講義30不同的編碼方案表示不同數(shù)字數(shù)據(jù)的碼元的形式不同，產(chǎn)生出不同的編碼方案。1、單極性遍碼2、雙極性編碼3、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼計算機網(wǎng)絡(luò)講義31單極性編碼所謂單極性編碼，是指在每一碼元時間間隔內(nèi)，有電流發(fā)出表示二進制“1”，無電流發(fā)出表示二進制“0”。1、如果整個碼元時間內(nèi)維持有效電平，則屬于全寬碼，稱為單極性不歸零型編碼（NRZ）；2、如果邏輯“1”只在該碼元時間維持一段時間就變成0電平，稱為單極性歸零型編碼（RZ）。單極性不歸零編碼 單極性歸零編碼 計算機網(wǎng)絡(luò)講義32雙極性編碼所謂雙極性編碼，是指在每一個碼元時間間隔內(nèi)，

15、發(fā)出正電流表示二進制“1”，發(fā)出負電流表示二進制“0”，正和負的幅值相等。 1、如果整個碼元時間內(nèi)維持有效電平，則屬于全寬碼，稱為雙極性不歸零型編碼（NRZ）；2、如果邏輯“1”和邏輯”0”只在該碼元時間維持一段時間就變成0電平，稱為雙極性歸零型編碼（RZ）。雙極性不歸零編碼 雙極性歸零編碼 計算機網(wǎng)絡(luò)講義33曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼所謂曼徹斯特編碼，是指在每一個碼元時間間隔內(nèi)，每位中間有一個電平跳變，從高到低表示“1”，從低到高表示“0”。差分曼徹斯特編碼中，每位中間也有一個跳變，每個碼元開始有跳變表示“0”，沒有跳變表示“1”。曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼可進行同步，稱為自同步編碼

16、。曼徹斯特編碼 差分曼徹斯特編碼 計算機網(wǎng)絡(luò)講義34計算機網(wǎng)絡(luò)講義35關(guān)于曼徹斯特編碼電平的解釋雷振甲編寫的：從低電平到高電平的轉(zhuǎn)換表示 1，從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換表示0；電子工業(yè)出版社 謝希仁計算機網(wǎng)絡(luò) （第4版）：高電平到低電平的轉(zhuǎn)換為1，低電平到高電平的轉(zhuǎn)換為0。清華大學(xué)的計算機通信與網(wǎng)絡(luò)教程：從高到低的跳變是 1 從低到高的跳變是 0 。在維基百科網(wǎng)站：從低到高是0，從高到低是1。 國外的資料：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中由低電平到高電平是“1”，由高電平到低電平是“0”。這種說法是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的通俗用法。本課程采用 ：高電平到低電平的轉(zhuǎn)換為1，低電平到高電平的轉(zhuǎn)換為0。計算機網(wǎng)絡(luò)講義362、數(shù)字數(shù)據(jù)用模

17、擬信號編碼在模擬線路上直接傳送數(shù)字信號會失真。 1、基帶信號包含各種頻率成分，不能全部通過線路； 2、即使能通過的那部分頻率，衰減程度也不同； 3、電話線路中存在各種干擾信號； 4、傳送的碼元速率越高，信號的失真越嚴重。為能在模擬線路上傳輸數(shù)字信號，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。調(diào)制與解調(diào)1、基于傅立葉變換，選擇一個正弦波作為載波，利用數(shù)字信號的變化對載波的某些特性進行控制，從而達到編碼的目的，使數(shù)字數(shù)據(jù)“寄載”到載波上的過程稱為調(diào)制。2、從載波上取出攜帶的數(shù)字數(shù)據(jù)過程稱為解調(diào)。3、基本的調(diào)制方法有：調(diào)輻（ASK）、調(diào)頻（FSK）和調(diào)相（PSK）。計算機網(wǎng)絡(luò)講義37典型的模擬傳輸系統(tǒng)典型的模擬

18、傳輸系統(tǒng)是傳統(tǒng)的電話通信系統(tǒng) 1、電話網(wǎng)絡(luò)分為5級（大區(qū)中心、省中心、地區(qū)中心、縣中心和市話網(wǎng)）； 2、用戶線采用二線制，通信距離為1-10km，長途采用頻分復(fù)用； 3、目前，我國電話系統(tǒng)的中繼線路已經(jīng)數(shù)字化，只有用戶線路還采用模擬線路。計算機網(wǎng)絡(luò)講義38調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器1、實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)功能的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器。2、可按應(yīng)用環(huán)境（音頻、基帶、無線）、傳輸速率（低速：600b/s以下/s、中速：1200b/s-9600b/s、高速：9600b以上）、調(diào)制方式（頻移鍵控、相移鍵控、相位幅度調(diào)制）以及特性（人工撥號、自動撥號/應(yīng)答、智能）對調(diào)制解調(diào)器進行分類。利用調(diào)制解調(diào)器變換基帶信號，使數(shù)字信

19、號變成模擬信號，調(diào)制的方式有3類：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。計算機網(wǎng)絡(luò)講義393、模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼數(shù)字信號在傳輸過程中是用有限個離散值的信號來表達信息。1、失真小2、誤碼率低3、費用低4、傳輸速率高典型的模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信號編碼的方法-脈沖編碼調(diào)制（PCM） 計算機網(wǎng)絡(luò)講義40脈沖編碼調(diào)制PCM體制簡介數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的脈碼調(diào)制PCM （Pulse Code Modulation）是一種利用數(shù)字鏈路傳輸模擬信號的方法；現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)大多采用PCM調(diào)制方法；由于歷史的原因，PCM有兩個不兼容的國際標準，即北美的24路PCM（簡稱T1）和歐洲的30路PCM（簡稱E1），我國采用的是歐洲的E1。T1的

20、速率為1.544Mb/s，E1的速率為2.048Mb/s。計算機網(wǎng)絡(luò)講義41脈碼調(diào)制PCM體制基本思想PCM的理論基礎(chǔ)是采樣定理 。采用PCM進行數(shù)字化變換的過程1、采樣：每隔一定的時間間隔，把模擬信號的值取出來，獲得幅度采樣脈沖，采樣過程遵循采樣定理。2、量化：決定采樣值屬于哪個量級，并將其幅度按量化級取整，使每個采樣值多近似地量化為對應(yīng)等級值。3、編碼：確定碼元，將采樣值轉(zhuǎn)換成二進制編碼。計算機網(wǎng)絡(luò)講義42采樣采樣定理只有取樣頻率（fs）不低于模擬信號最高頻率（fm）的2倍，才能從脈沖信號中無失真的恢復(fù)原來的模擬信號，采樣周期為Ts。針對電話信號的采樣1、電話信號的最高頻率為3.4kHz，

21、為方便，取整為4kHz；2、采用頻率可定位8kHz，采用周期T=125us； 3、每秒為8000個離散脈沖信號，振幅對應(yīng)于電話信號的數(shù)值。采樣示意圖計算機網(wǎng)絡(luò)講義43量化量化后的采樣值為離散的整數(shù)值，而不是連續(xù)值。1、采樣值是不規(guī)范的；2、通過量化將不規(guī)范的數(shù)值規(guī)范化為要求的整數(shù)值。對于量化后的采樣值劃分多少個量化級，要根據(jù)對精度的要求來決定。1、常用的有8級、16級；2、當前聲音數(shù)字化常分為128個量級。計算機網(wǎng)絡(luò)講義44編碼對量化的采樣值進行編碼1、將每個采樣值用相應(yīng)的二進制編碼來表示；2、按照公式?jīng)Q定每個碼元攜帶多少位數(shù)據(jù)。計算機網(wǎng)絡(luò)講義45利用PCM發(fā)送和接收信息在發(fā)送端，PCM系統(tǒng)的步驟是抽樣、量化和編碼；在接收端，PCM系統(tǒng)的步驟是畸變信號的再生、量化樣值的重構(gòu)和譯碼；為有效地利用傳輸線路，通?？偸菍⒃S多個話路的PCM信號用時分復(fù)用TDM的方式成幀，然后再送到線路上進行傳輸。計算機網(wǎng)絡(luò)講義462.4.2 信道極限容量尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑一直是人們的努力方向。 1、數(shù)據(jù)以碼元的形式在信道上傳輸；2、如果在接收端能識別出原來的信號，失真對通信質(zhì)量沒有影響，否則則不然；3、事實上，