計算機網(wǎng)絡(luò)原理：第三章 數(shù)據(jù)通信基本原理

1、第三章數(shù)據(jù)通信基本原理主要內(nèi)容數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論傅立葉分析有限帶寬信號信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)傳輸和傳輸方式數(shù)據(jù)編碼技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論主要內(nèi)容研究信號在通信信道上傳輸時的數(shù)學(xué)表示及其所受到的限制傅立葉分析在網(wǎng)絡(luò)通信中，信息是以電磁信號（或簡稱信號）的形式傳輸?shù)碾姶判盘柺菚r間的函數(shù)（時域觀）也可以表示成頻率的函數(shù)（頻域觀）對于理解數(shù)據(jù)傳輸來講，信號的頻域觀比時域觀更重要 3數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論（續(xù)）時域觀從時間函數(shù)的角度來看，電磁信號分為模擬信號和數(shù)字信號模擬信號的信號強度隨著時間平滑變化，或者說信號中沒有突變或不連續(xù)的地方。數(shù)字信號的信號強度在一

2、段時間內(nèi)保持一個恒定值，然后又變成另外一個恒定值。頻域觀基本定義當(dāng)一個信號的所有頻率成分是某一個頻率的整數(shù)倍時，該頻率被稱為基本頻率信號的周期等于基本頻率的周期傅立葉分析 4傅立葉分析傅立葉分析任何一個周期為T的有理周期性函數(shù) g(t) 可分解為若干項（可能無限多項）正弦和余弦函數(shù)之和 g(t) = c + + f = 1/T 基本頻率 an, bn n次諧波項的正弦和余弦振幅值 5 6傅立葉分析（續(xù)）已知 g(t)，求c, an, bn將等式兩邊從到積分可得 cc = 用sin(2kft)乘等式兩邊，并從到積分，可得an an = 用cos(2kft)乘等式兩邊，并從到積分，可得bnbn =

3、 傅立葉分析（續(xù)）對于二進制編碼，其輸出電壓波形為： g(t) = 7傅立葉分析（續(xù)）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) - sin(6 n/4)c = 3/8 8傅立葉分析（續(xù)）根據(jù)傅立葉分析，任何電磁信號可以由若干具有不同振幅、頻率和相位的周期模擬信號（正弦波）組成反過來，只要有足夠的具有適當(dāng)振幅、頻率和相位的正弦波，就可以構(gòu)造任何一個信號 9有限帶寬信號 頻譜（spectrum）是一個信號所包含的頻率的范圍圖2-1 (e)

4、中信號的頻譜從f到8f信號的絕對帶寬等于頻譜的寬度圖2-1 (e) 中信號的帶寬為8f f = 7f許多信號的帶寬是無限的，然而信號的主要能量集中在相對窄的頻帶內(nèi)，這個頻帶被稱為有效帶寬，或帶寬（bandwidth）信號的信息承載能力與帶寬有直接關(guān)系，帶寬越寬，信息承載能力越強 10有限帶寬信號（續(xù)）信號在信道上傳輸時的特性對不同傅立葉分量的衰減不同，引起輸出失真信道有截止頻率fc, 0 fc的振幅衰減較弱， fc以上的振幅衰減厲害，這主要由信道的物理特性決定， 0 fc是信道的有限帶寬實際使用時，可以接入濾波器，限制用戶的帶寬通過信道的諧波次數(shù)越多，信號越逼真有限帶寬信號（續(xù)）波特率（bau

5、d）和比特率（bit）的關(guān)系波特率：每秒鐘信號變化的次數(shù)，也稱調(diào)制速率比特率：每秒鐘傳送的二進制位數(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：每個信號值可表示3位，則比特率是波特率的3倍；每個信號值可表示1位，則比特率和波特率相同有限帶寬信號（續(xù)）對于比特率為bps的信道，發(fā)送8位所需的時間為 8/B秒，若8位為一個周期，則一次諧波的頻率是：f1 = B/8 Hz能通過信道的最高次諧波數(shù)目為：N = fc / f1音頻線路的截止頻率為3000Hz N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B 13有限帶寬信號（續(xù)） 14結(jié)論：即使對于完善的信道，有限的帶寬限制了

6、數(shù)據(jù)的傳輸速率信道的最大數(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)傳輸率公式奈魁斯特定律最大數(shù)據(jù)傳輸率 = 2Hlog2V (bps)任意信號通過一個帶寬為的低通濾波器，則每秒采樣2H次就能完整地重現(xiàn)該信號，信號電平分為V級 15信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率（續(xù)）1948年，香農(nóng)(C. Shannon)把奈魁斯特的工作擴大到信道受到隨機（熱）噪聲干擾的情況隨機噪聲出現(xiàn)的大小用信噪比（信號功率S與噪聲功率N之比）來衡量，10log10S/N，單位：分貝電話系統(tǒng)的典型信噪比為30db香農(nóng)定律帶寬為 H 赫茲，信噪比為S/N的任意信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為：Hl

7、og2(1 + S/N) (bps)此式是利用信息論得出的，具有普遍意義與信號電平級數(shù)、采樣速度無關(guān)此式僅是上限，難以達到 16主要內(nèi)容數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論傅立葉分析有限帶寬信號信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)傳輸和傳輸方式數(shù)據(jù)編碼技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù)主要內(nèi)容研究數(shù)據(jù)在通信信道上的各種傳輸方式及其所采用的技術(shù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)傳輸 18計算機信號變換器計算機信號變換器信道差錯控制數(shù)據(jù)通信技術(shù)計算機信號變換器計算機信號變換器信道信道網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編碼技術(shù)多路復(fù)用交換技術(shù)編碼技術(shù)多路復(fù)用通信子網(wǎng)差錯控制傳輸和傳輸方式數(shù)字傳輸/模擬傳輸并行傳輸/串行傳輸點到點

8、傳輸/點到多點傳輸單工、半雙工和全雙工傳輸 同步傳輸/異步傳輸點到點傳輸/點到多點傳輸連接方式為適應(yīng)不同的需要，通信線路采用不同的連接方式點到點傳輸點到多點傳輸 21ABABCD單工、半雙工和全雙工傳輸從信息傳送方向和時間的關(guān)系角度研究單工傳輸：信息只能單向傳輸，監(jiān)視信號可回送半雙工傳輸：信息可以雙向傳輸，但在某一時刻只能單向傳輸全雙工傳輸：信息可以同時雙向傳輸AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號同步傳輸/異步傳輸同步方式目的：接收方必須知道每一位信號的開始及其持續(xù)時間，以便正確的采樣接收以字符傳輸（字符為基本傳輸單位）為例，在基于字符的信息傳送中，可以采用異步傳輸，也可以采用同步

9、傳輸 23同步傳輸/異步傳輸（續(xù)）異步傳輸（以字符傳輸為例）信息傳送以字符為單位每個字符由發(fā)送方異步產(chǎn)生，有隨機性字符一般采用5，6，7或8位二進制編碼需要輔助位，每個字符可能需要用10位或11位才能傳送，例如：起始位，1位字符編碼，7位奇偶校驗位，1位終止位，1 2位特點傳輸效率低主要用于字符終端與計算機之間的通信 24同步傳輸/異步傳輸（續(xù)） 250 1 0 1 0 11 00 1起始位字符編碼奇偶校驗終止位同步傳輸/異步傳輸（續(xù)）同步傳輸（以字符傳輸為例）信息傳送以報文為單位傳輸開始時，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，保證正確采樣特點可以不間斷地傳輸信息，傳輸

10、效率較高字符間減少了輔助信息傳輸?shù)男畔⒅胁荒苡型阶址霈F(xiàn)，需要透明傳輸處理 26SYN SYN 信 息 SYN SYN同步傳輸/異步傳輸（續(xù)）基于位的傳輸，一般采用同步傳輸信息以二進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_始和結(jié)束由特定的八位二進制位同步特點：傳輸效率高 27標(biāo)記 二進制位流 標(biāo)記數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)表示模擬數(shù)據(jù) (Analog Data)，連續(xù)值數(shù)字數(shù)據(jù) (Digital Data)，離散值數(shù)據(jù)傳輸方式以信號作為載體模擬信號 (Analog Signals)數(shù)字信號 (Digital Signals) 28信號發(fā)送方式模擬信號發(fā)送（模擬信道）模擬數(shù)據(jù)(聲音) 模

11、擬信號數(shù)字數(shù)據(jù)(二進制脈沖) 模擬信號數(shù)字信號發(fā)送（數(shù)字信道）模擬數(shù)據(jù) 數(shù)字信號數(shù)字數(shù)據(jù)(二進制脈沖) 數(shù)字信號數(shù)字信號發(fā)送的優(yōu)點是：價格便宜，對噪聲不敏感；缺點是：易受衰減，頻率越高，衰減越厲害 29電話系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器MODEM編碼解碼器CODEC數(shù)字編碼解碼器數(shù)據(jù)編碼技術(shù)研究數(shù)據(jù)在信號傳輸過程中如何進行編碼(變換)數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸（基帶傳輸）基帶：基本頻帶，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：在傳輸時直接使用基帶信號基帶傳輸是一種最簡單最基本的傳輸方式，一般用低電平表示“0”，高電平表示“1”適用范圍：低速和高速的各種情況限制：因基帶信號所帶的頻率成分很寬，所以對傳

12、輸線有一定的要求 30數(shù)據(jù)編碼技術(shù)（續(xù)）常用的幾種編碼方式不歸零制碼（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用兩種不同的電平分別表示二進制信息“0”和“1”，低電平表示“0”，高電平表示“1”缺點：難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始發(fā)送方和接收方必須有時鐘同步若信號中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號直流分量將累加結(jié)論：容易產(chǎn)生傳播錯誤 31數(shù)據(jù)編碼技術(shù)（續(xù)）曼徹斯特碼（Manchester），也稱相位編碼原理：每一位中間都有一個跳變，從低跳到高表示“0”，從高跳到低表示“1”優(yōu)點：克服了NRZ碼的不足。每位中間的跳變即可作為數(shù)據(jù)，又可作為時鐘，能夠自同步差分曼徹斯特碼（Differen

13、tial Manchester）原理：每一位中間都有一個跳變，每位開始時有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。位中間跳變表示時鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)優(yōu)點：時鐘、數(shù)據(jù)分離，便于提取 32數(shù)據(jù)編碼技術(shù)（續(xù)）逢“1”變化的NRZ碼原理：在每位開始時，逢“1”電平跳變，逢“0”電平不跳變逢“0”變化的NRZ碼原理：在每位開始時，逢“0”電平跳變，逢“1”電平不跳變 33 34NRZ曼徹斯特差分曼徹斯特逢“1”變化NRZ逢“0”變化NRZ數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸，也稱頻帶傳輸指在一定頻率范圍內(nèi)的線路上，進行載波傳輸。用基帶信號對載波進行調(diào)制，使其變?yōu)檫m合于線路傳送的信號調(diào)制（Modulation

14、）：用基帶脈沖對載波信號的某些參量進行控制，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MODEM（modulation-demodulation) 35Modem: RS-232接口用來連接電腦，RJ-11用來連接電話線 36連接電腦和電話線的modem 37網(wǎng)絡(luò)中心的提供撥號接入服務(wù)的modem pool 38Ascend Pipeline ISDN modem. 39兩個PCMCIA fax/modem/Ethernet接口卡. 40數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸（續(xù)）根據(jù)載波 Asin(t + )的三個特性：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（

15、調(diào)幅） Amplitude-shift keying (ASK)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” 41數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸（續(xù)）頻移鍵控法 （調(diào)頻）Frequency-shift keying (FSK)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” 42數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸（續(xù)）相移鍵控法（調(diào)相） Phase-shift keying (PSK) 相移就是把振幅、頻率作為常量，

16、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” 43 44模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸解決模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化問題，也稱為脈沖代碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation）根據(jù)Nyquist原理進行采樣常用的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位二進制數(shù)表示 45模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸（續(xù)）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)前后兩個采樣值的差進行編碼，輸出二進制數(shù)字 調(diào)制原理：根據(jù)每個采樣值與前一個值之間的差來決定輸出二進制

17、“1”或“0”缺點：編碼速度跟不上變化太快的信號 46 47 48多路復(fù)用技術(shù)由于一條傳輸線路的能力遠遠超過傳輸一個用戶信號所需的能力，為了提高線路利用率，經(jīng)常讓多個信號同時共用一條物理線路常用的有三種方法時分復(fù)用 TDM（Time Division Multiplexing）T1載波，分成 24 個信道頻分復(fù)用 FDM（Frequency Division Multiplexing）波分復(fù)用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 49 50時分復(fù)用 TDM 51頻分復(fù)用 FDM 52波分復(fù)用 WDM交換技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)其結(jié)點交換信息的方式進行分類 5

18、3通信網(wǎng)絡(luò)交換式廣播式電路交換分組交換數(shù)據(jù)報分組交換虛電路分組交換報文交換交換技術(shù)（續(xù)）在多結(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)中，為有效利用通信設(shè)備和線路，一般希望動態(tài)地設(shè)定通信雙方間的線路。動態(tài)地接通或斷開通信線路，稱為“交換”交換方式分類：電路交換報文交換，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式分組交換（包交換），存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式電路交換（circuit switching）原理直接利用可切換的物理通信線路，連接通信雙方三個階段建立電路，傳輸數(shù)據(jù)，拆除電路特點在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須建立起點到點的物理通路建立物理通路時間較長，數(shù)據(jù)傳送延遲較短例電話網(wǎng)ISDN (Integrated Services Digital Networks) 55電路交

19、換（續(xù)）電路交換網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點（交換機）工作方式 56incoming linksoutgoing linksNode電路交換（續(xù)）復(fù)用/解復(fù)用一般采用時分復(fù)用時間被分為幀（frame），幀被分為時槽（slot）時槽在幀內(nèi)的相對位置決定這個槽所傳輸數(shù)據(jù)所屬的會話發(fā)送方和接收方間需要同步非永久會話需要動態(tài)綁定時槽到一個會話 57報文交換（message switching）原理信息以報文（邏輯上完整的信息段）為單位進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)特點線路利用率高要求中間結(jié)點（網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備）緩沖大延遲時間長 58分組交換（packet switching）原理分組：比報文還小的信息段，可定長，也可變長信息以分組為單位進

20、行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。源結(jié)點把報文分為分組，在中間結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)，目的結(jié)點把分組合成報文特點每個分組頭包括源地址和目的地址，獨立進行路由選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)點設(shè)備中不預(yù)先分配資源線路利用率高易于重傳，可靠性高易于開始新的傳輸，讓緊急信息優(yōu)先通過額外信息增加分組交換分為數(shù)據(jù)報（datagram）分組交換虛電路（virtual circuit）分組交換 59分組交換（續(xù)）分組交換網(wǎng)中的結(jié)點（交換機/路由器）工作方式 60incoming linksoutgoing linksNodeMemory分組交換（續(xù)）復(fù)用/解復(fù)用采用統(tǒng)計復(fù)用來自任意會話的數(shù)據(jù)可以立即發(fā)送，不需要等待時槽用附加的分組頭來區(qū)分數(shù)據(jù) 61 62 63分組交換（續(xù)）數(shù)據(jù)報分組交換每個分組均帶有網(wǎng)絡(luò)地址（源、目的），可走不同的路徑例: IP networks 64分組交換（續(xù)）虛電路分組交換電路交換和分組交換的結(jié)合數(shù)