CH2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識

1、第2章 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識基本概念信道傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)編碼多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯控制及檢錯1傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.1 基本概念2數(shù)據(jù)及計算機通信術(shù)語數(shù)據(jù)（Data）信息（Information）信號（Signal）信道（Channel）比特（bit）碼元（Code cell）2.1 基本概念1. 數(shù)據(jù)通信的一般概念傳遞（攜帶）信息的實體。是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為

2、電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式在介質(zhì)中傳播。傳送信息的線路（或通路）。即一個二進制位。比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)（即數(shù)據(jù)傳送速率）。時間軸上的一個信號編碼單元。3同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始 同步脈沖也可位于碼元的中部 一個碼元也可有多個同步脈沖相對應(yīng)t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同步脈沖t2.1 基本概念4波特（Baud）：碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝弧２ㄌ芈蕿槊棵雮魉偷拇a元數(shù)（即信號傳送速率）。比特率、波特率和信號編碼級數(shù)的關(guān)系如下： Rbit = Rbaud log2M 上式中： M-信號的編碼級數(shù)，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在固

3、定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特。例如：當(dāng)波特率為9600時若M=2，數(shù)據(jù)傳輸率為9600b/s若M=16，數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kb/s2.1 基本概念5帶寬（Band width，BW）信道傳輸能力的度量。在傳統(tǒng)的通信工程中：BW fmax fmin 單位：赫茲（Hz）在計算機網(wǎng)絡(luò)中，一般用每秒允許傳輸?shù)亩M制位數(shù)作為帶寬的計量單位。主要單位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：傳統(tǒng)以太網(wǎng)理論上每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬為10Mb/s。時延（Delay）：信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間。時延=處理時延+排隊時延 +發(fā)送時

4、延+傳播時延處理時延=對數(shù)據(jù)進行處理和錯誤校驗所需的時間排隊時延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時間發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬傳播時延=d/s d:距離，s:介質(zhì)中信號傳播速度(0.7c)2.1 基本概念6通信的三個要素：信源、信宿和信道噪聲信源發(fā)送器信道接收器信宿源系統(tǒng)目的系統(tǒng)任何信道都不是完美無缺的，因此會對傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生干擾，稱為“噪聲”。外界：閃電、串?dāng)_、電氣設(shè)備內(nèi)部：介質(zhì)特性（衰減、延遲與頻率有關(guān)）2.1 基本概念7信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程把攜帶信息的數(shù)據(jù)用物理信號形式通過信道傳送到目的地信息和數(shù)據(jù)（二進制位）不能直接在信道上傳輸編碼：數(shù)據(jù)適合傳輸?shù)臄?shù)字信號便于同步、識別、糾錯

5、調(diào)制：數(shù)字信號適合傳輸?shù)男问桨搭l率、幅度、相位解調(diào)：接收波形數(shù)字信號解碼：數(shù)字信號原始數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信號在信道上傳輸信號數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)編碼調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)解碼AA信道2.1 基本概念82. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸線路有線介質(zhì)、無線介質(zhì)傳輸設(shè)備調(diào)制解調(diào)器、中繼器、多路復(fù)用器、交換機等調(diào)制解調(diào)器等網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備也稱為DCE（Data Circuit Equipment）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：計算機、終端等又分為：源系統(tǒng)（信源發(fā)送器）：發(fā)出數(shù)據(jù)的計算機目的系統(tǒng)（信宿接收器）：接收數(shù)據(jù)的計算機計算機、終端等設(shè)備也稱為DTE（Data Terminal Equipment ） DCEDTEDTEDCE2.1

6、基本概念9數(shù)據(jù)通信基本過程5個階段包含兩項內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制 過程建立物理連接建立邏輯連接數(shù)據(jù)傳輸斷開邏輯連接斷開物理連接*注意，并不是所有的數(shù)據(jù)通信都需要全部5個階段。2.1 基本概念 與打電話比較撥號，撥通對方 互相確認身份互相通話互相確認要結(jié)束通話雙方掛機10基本概念信道傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)編碼多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯控制及檢錯112.2 信道1. 數(shù)字信道和模擬信道數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號）傳輸數(shù)據(jù)的信道。計算機網(wǎng)絡(luò)中主要采用數(shù)字信道進行數(shù)據(jù)傳輸ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域網(wǎng)模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。CATV、無線電廣播、電話撥號線路2.2 信

7、道12模擬信號和數(shù)字信號模擬信號時間上連續(xù)，包含無窮多個信號值模擬信號能在數(shù)字信道上傳輸嗎？數(shù)字信號時間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號值。最常見的是二值信號數(shù)字信號能在模擬信道上傳輸嗎？ta） 模擬信號tb） 數(shù)字信號2.2 信道13周期信號和非周期信號周期信號信號由不斷重復(fù)的固定模式組成（如正弦波）非周期信號信號沒有固定的模式和波形循環(huán)（如語音的音波信號）。tTTTtTTT周期信號非周期信號tt2.2 信道14數(shù)字通信與模擬通信數(shù)字通信在數(shù)字信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸模擬通信在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸數(shù)字通信的優(yōu)點抗噪聲（干擾）能力強可以控制差錯，提高了傳輸質(zhì)量便于用計算

8、機進行處理易于加密、保密性強可以傳輸語音、數(shù)據(jù)、影像，通用、靈活計算機通信僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信，如通過電話線撥號上網(wǎng)。2.2 信道15任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 2. 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率16數(shù)字信號通過實際的信道 有失真，但可識別失真大，無法識別 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形17信道能夠通過的頻率范圍1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了

9、著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜模駝t就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 18Nyquist公式：用于無噪聲理想低通信道Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。例如，話音級線路的帶 寬約為3.1kHz，根據(jù)上 式計算的信道最大數(shù)據(jù) 傳輸率如右表所示C = 2W log2 MC = 數(shù)據(jù)傳輸率，單位b/s W = 帶寬，單位HzM = 信號編碼級數(shù)

10、M 最大數(shù)據(jù)率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s2.2 信道19非理想信道實際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引起信號強度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。延遲會使接收端的信號產(chǎn)生畸變。噪聲會破壞信號，產(chǎn)生誤碼。例如：數(shù)據(jù)傳輸速率為56kb/s時，持續(xù)時間0.01s的干擾會破壞約560個比特。2.2 信道20Shannon公式：用于有噪聲干擾信道例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則 C = 3100log2（1+2000） 34kb/s 即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會大于34kb/s。信噪比的單位也可

11、用分貝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N所以，若S/NdB=30dB ，則S/N=1000。C = W log2 （1+S/N） C: 傳輸率，單位b/sW: 帶寬，單位HzS/N: 信噪比2.2 信道香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)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。21香農(nóng)公式表明 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。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)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

12、沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 22Nyquist公式和Shannon公式的比較C = 2W log2M用于理想信道（這樣的信道存在嗎？）數(shù)據(jù)傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加。C = W log2（1+S/N）用于有噪聲信道（實際的信道總是有噪聲?。o論信號編碼級數(shù)增加到多少，此公式給出了有噪聲信道可能達到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。2.2 信道233. 數(shù)據(jù)傳輸方式單/雙工通信單/雙向傳輸單工：數(shù)據(jù)單向傳輸半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時刻雙向傳輸全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時傳輸需要具有兩條物理上獨立的傳

13、輸線路；或者需要具有一條物理線路上的兩個信道，分別用于不同方向的信號傳輸。2.2 信道無線電廣播對講機電話24發(fā)送器接收器發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器單工方式：半雙工方式：全雙工方式：A站B站可同時不可同時2.2 信道25基帶/頻帶/寬帶傳輸基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。例如：以太網(wǎng)（局域網(wǎng)）頻帶傳輸：數(shù)字信號調(diào)制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。例如：通過電話網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)寬帶傳輸：把信號調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。例如：閉路電視的信號傳輸2.2 信道26寬帶與窄帶概念理解寬帶是指可通過較高

14、數(shù)據(jù)率的線路。寬帶是和窄帶相對的。主要是速率上的比較，早期的撥號上網(wǎng)速率的上限為56Kbps，屬于窄帶。在目前，對于用戶接入到因特網(wǎng)的用戶線來說，每秒傳送幾個兆比特就可以算是寬帶速率，比如ADSL等。2.2 信道27對寬帶傳輸?shù)腻e誤概念有些人愿意用“汽車在公路上跑”來比喻“比特在網(wǎng)絡(luò)上傳輸”，認為寬帶傳輸?shù)暮锰幘褪莻鬏敻欤帽绕囋诟咚俟飞峡梢耘艿酶煲粯?。對于這種比喻一定要謹慎對待。2.2 信道28常見的錯誤是混淆了兩種速率在網(wǎng)絡(luò)中有兩種不同的速率：信號（即電磁波）在傳輸媒體上的傳播速率（米/秒，或公里/秒）計算機向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送比特的速率（比特/秒）這兩種速率的意義和單位完全不同。寬帶傳輸：

15、計算機向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送比特的速率較高。2.2 信道29ABAB寬帶線路窄帶線路在寬帶線路上比特傳播得快在窄帶線路上比特傳播得慢錯誤的概念2.2 信道30ABAB寬帶線路窄帶線路寬帶線路：每秒有更多比特從計算機 注入到線路。寬帶線路和窄帶線路上比特的傳播速率是一樣的。正確的概念2.2 信道3132比喻：汽車運貨寬帶線路窄帶線路寬帶和窄帶線路：車速一樣寬帶線路：車距縮短2.2 信道33另一種錯誤概念“寬帶”相當(dāng)于“多車道”多車道公路是并行傳輸11011010通信線路上通常都是串行傳輸(但 ADSL 是例外的）2.2 信道34數(shù)據(jù)同步方式目的是使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致：同步脈沖頻率數(shù)據(jù)從什么時候開

16、始，什么時候結(jié)束位邊界數(shù)據(jù)塊邊界數(shù)據(jù)通信中需要在三個層次上實現(xiàn)同步：位位同步字符字符同步幀(Frame)幀同步2.2 信道35位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步，2種同步方法：外同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。自同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。2.2 信道36字符同步：找到正確的字符邊界。常用的為起止式（異步式）。在這種方式中，每個字符的傳輸需要：1個起始位、58個數(shù)據(jù)位、1、1.5或2個停止位采用這種同步方式的通信也稱“異

17、步通信”。起止式的優(yōu)缺點：頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新獲得同步；每兩個字符之間的間隔時間不固定；增加了輔助位，所以傳輸效率低；例如，采用1個起始位、 8個數(shù)據(jù)位、 2個停止位時，其傳輸效率為8/1173起始位數(shù)據(jù)位停止位字符間隔不固定1個字符時間邏輯“0”邏輯“1”2.2 信道37幀同步：識別一個幀的起始和結(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）來標(biāo)識一個幀的開始，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01111110）來標(biāo)識一個幀的開始，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)束校驗和0

18、 n bit8bit8bit8-32m7EH7EH2.2 信道38基本概念信道傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)編碼多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯控制及檢錯392.3 傳輸介質(zhì)磁介質(zhì)高帶寬、低費用、高延時（小時） 在通信中很少使用 例：7GB/8mm磁帶，1000盤/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。 總?cè)萘?7*1000*8Gbits，總時間=24*60*60=86400s 傳送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 金屬導(dǎo)體雙絞線、 同軸電纜(粗、細)光纖無線介質(zhì)無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線40雙絞線（Twist Pair，TP）-螺旋絞合的雙導(dǎo)線-每根4對、25對、1800對-典型連接距離

19、100m（LAN）-RJ45插座、插頭-優(yōu)缺點： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易（綜合布線系統(tǒng)） 平衡傳輸（高速率） 抗干擾性一般 連接距離短應(yīng)用領(lǐng)域：電話網(wǎng)絡(luò)、計算機局域網(wǎng)內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽外套2.3 傳輸介質(zhì)41屏蔽雙絞線(STP) 非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應(yīng)用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應(yīng)用廣泛常用的雙絞線：3類（16Mb/s） 和5類（155Mb/s）兩種2.3 傳輸介質(zhì)42雙絞線各條線的用途1 輸出數(shù)據(jù) (+)2 輸出數(shù)據(jù) (-) 3 輸入數(shù)據(jù) (+) 4 保留為電話使用 5 保留為電話使用 6 輸入數(shù)據(jù) (-) 7 保留為電話使用 8 保留為

20、電話使用43雙絞線的連接標(biāo)準色彩標(biāo)記和連接方法：交叉線：交換機-交換機、PC-PC、HUB-HUB(標(biāo)準端口)直連線：PC/路由器-交換機/HUB、HUB-HUB(級連端口)線對色彩碼1白藍，藍2白橙，橙3白綠，綠4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉線EIA-568B直連線EIA-568A2.3 傳輸介質(zhì)44光纖（Optical Fiber）依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳播優(yōu)缺點：傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好輕便價格較高需要光電轉(zhuǎn)換纖芯材料：塑料二氧化硅 （高純

21、玻璃）2.3 傳輸介質(zhì)45光纖傳輸原理光的反射光從折射率高的介質(zhì)入射到折射率低的介質(zhì)時會產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)的折射率。當(dāng)入射角臨界值時產(chǎn)生全反射，不會泄漏。纖芯-折射率高，玻璃包層-折射率低亮度調(diào)制：有光脈沖-1，無光脈沖-0光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測光源：850nm/1300nm/1500nm，發(fā)光二極管/激光二極管光檢測器：光電二極管PIN/雪崩二極管APD單向傳輸，雙向需兩根光纖應(yīng)用領(lǐng)域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器連接2.3 傳輸介質(zhì)46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47光纖的工作原理高折

22、射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?8多模光纖(MMF)單模光纖(SMF)：光纖的直徑接近一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播激光器包層，折射率低纖芯，折射率高亮度調(diào)制光檢波器激光器光檢波器單束光線沿直線傳播2.3 傳輸介質(zhì)49典型的光纜單芯光纜多芯光纜玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼常見規(guī)格：纖芯50um緩變型-MMF 62.5um緩變型/增強型-MMF 8.3um突變型-SMF 包層125um2.3 傳輸介質(zhì)50高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束2.3 傳輸介質(zhì)51同軸電纜（Coaxial Cable）計算機網(wǎng)絡(luò)中

23、使用基帶同軸電纜阻抗50，有粗同軸和細同軸兩種應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）性能：10Mb/s，500米/185米銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護套2.3 傳輸介質(zhì)52無線介質(zhì)（信號在大氣或外層空間自由傳播）使用電磁波或光波攜帶信息優(yōu)缺點：無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾反射，為障礙物所阻隔主要類型：無線電、地面微波通信衛(wèi)星紅外線2.3 傳輸介質(zhì)53無線電基站與終端之間通信采用無線鏈路應(yīng)用領(lǐng)域：移動通信、無線局域網(wǎng)（WLAN）BS基站覆蓋的無線電區(qū)域BS基站 用戶計算機和終端2.3 傳輸介質(zhì)54地面微波通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50 -100 km速率：每信道 45 Mb/s

24、地球地面站之間的直視線路 微波傳送塔2.3 傳輸介質(zhì)55地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長（270ms）廣播式傳輸應(yīng)用領(lǐng)域：電視傳輸長途電話專用網(wǎng)絡(luò)廣域網(wǎng)35,784公里地球2.3 傳輸介質(zhì)56常用傳輸介質(zhì)的比較（p46表2.1）傳輸介質(zhì)傳輸方式速率/工作頻帶傳輸距離性能價格應(yīng)用雙絞線寬帶基帶1Gb/s模擬: 10km數(shù)字: 500m較好低模擬/數(shù)字信號傳輸50同軸電纜基帶10Mb/s3km較好較低基帶數(shù)字信號75同軸電纜寬帶450MHz100km較好較低模擬電視、數(shù)據(jù)及音頻光纖基帶40Gb/s20km以上很好較高遠距離高速數(shù)據(jù)傳輸微波寬帶4-6GHz幾百k

25、m好中等遠程通信衛(wèi)星寬帶1-10GHz18000km很好高遠程通信2.3 傳輸介質(zhì)57基本概念信道傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)編碼多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯控制及檢錯582.4 數(shù)據(jù)編碼不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況：數(shù)據(jù)：模擬數(shù)據(jù) 數(shù)字數(shù)據(jù)信號：模擬信號 數(shù)字信號 信道：模擬信道 數(shù)字信道59模擬傳輸和數(shù)字傳輸所使用的技術(shù)話音移頻,調(diào)制模擬數(shù)字模擬模擬PCM編碼數(shù)字數(shù)字數(shù)字編碼數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號10101010調(diào)制2.4 數(shù)據(jù)編碼60編碼與調(diào)制的區(qū)別編碼：用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)調(diào)制：用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)EncoderD

26、ecoder數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號x(t)g(t)數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)編碼與解碼數(shù)字信道發(fā)送方接收方g(t)編碼解碼2.4 數(shù)據(jù)編碼61調(diào)制與解調(diào)數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)ModulatorDemodulator數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)模擬信號g(t)s(t)g(t)載波模擬信道發(fā)送方接收方調(diào)制解調(diào)制2.4 數(shù)據(jù)編碼621. 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼使數(shù)字數(shù)據(jù)能在數(shù)字信道上傳輸把數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號常見的有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼不歸零碼（NRZ，Non-Return to Zero）二進制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示；常用5V表示1，5V表示0；缺點：存在直流分量，傳輸中不能有變壓器或電容；不具備自同步機

27、制，傳輸時必須使用外同步。2.4 數(shù)據(jù)編碼63曼徹斯特編碼（Manchester Coding）用電壓的變化表示0和1。規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變：高低的跳變代表0，低高的跳變代表1每個碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號。這種編碼也稱為自同步碼（Self-Synchronizing Code）。缺點：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。差分曼徹斯特編碼（Differential ）每個碼元的中間仍要發(fā)生跳變。用碼元開始處有無跳變來表示0和1 ，有跳變代表0，無跳變代表1。2.4 數(shù)據(jù)編碼64三種數(shù)字編碼的波形圖01001100011 時鐘NRZManch

28、ester差分Manchester2.4 數(shù)據(jù)編碼652. 數(shù)字數(shù)據(jù)的調(diào)制使數(shù)字數(shù)據(jù)能在模擬信道上傳輸三種常用的調(diào)制技術(shù)：幅移鍵控ASK （Amplitude Shift Keying）頻移鍵控FSK （Frequency Shift Keying）相移鍵控PSK （Phase Shift Keying）原理：用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調(diào)制。 載波信號 S(t) = Acos(t+) S(t)的參量包括： 幅度A、頻率 、初相位調(diào)制就是要使A、 或隨數(shù)字基帶信號的變化而變化2.4 數(shù)據(jù)編碼66ASK：用載波的兩個不同振幅表示0和1FSK：用載波的兩個不同頻率表示0和1PSK：用載波的起始相

29、位的變化表示0和100110100010ASKFSKPSK2.4 數(shù)據(jù)編碼673. 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼使模擬數(shù)據(jù)能在數(shù)字信道上傳輸采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號模擬數(shù)據(jù)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。三個步驟：采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣量化：把每個樣本舍入到最接近的量化級別上編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號（脈碼調(diào)制, Pulse Coded Modulation）。2.4 數(shù)據(jù)編碼68語音信號的數(shù)字化語音帶寬f2倍語音最大

30、頻率）樣本量化級數(shù)：256級（8bit/每樣本）數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit = 64kb/s每路PCM信號的速率 = 64kb/s模擬語音信號采樣時鐘PCM 信號采樣電路量化和編碼 數(shù)字化語音信號f4kHzfs=8kHz2.4 數(shù)據(jù)編碼69PCM編碼過程舉例 語音信號011 100 011 011 001 100 PCM 輸出343314011100011011001100 PCM 信號 （有量化誤差）3.23.92.83.41.24.2 PAM信號2.4 數(shù)據(jù)編碼70基本概念信道傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)編碼多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯控制及檢錯712.5 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用：多個信息源共享一個公

31、共信道為何要復(fù)用？提高線路利用率適用場合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時DEMUX復(fù)用器解復(fù)用器共享信道MUX信源信宿2.4 數(shù)據(jù)編碼類比：公共運輸系統(tǒng)（鐵路、海運、航空）72復(fù)用的基本思想：把公共共享信道用某種方法劃分成多個子信道，每個子信道傳輸一路數(shù)據(jù)。復(fù)用方法頻分復(fù)用FDM （Frequency Division Multiplexing）按頻率劃分不同的信道，如CATV系統(tǒng)波分復(fù)用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸時分復(fù)用TDM （Time Division Multiplexing）按時間劃分不同的信道，

32、目前應(yīng)用最廣泛碼分復(fù)用CDM （Code Division Multiplexing）按地址碼劃分不同的信道，非常有發(fā)展前途2.4 數(shù)據(jù)編碼73頻分復(fù)用FDM原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通道之間留有防護頻帶以防相互干擾。CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用信號f復(fù)用器2.4 數(shù)據(jù)編碼74波分復(fù)用光的頻分復(fù)用原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。F2F1F3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2.4 數(shù)據(jù)編碼75時分復(fù)用T

33、DM原理：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個時隙，每路數(shù)據(jù)占用一個時隙進行傳輸。在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用極為廣泛。A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復(fù)用后的數(shù)據(jù)流時隙號1231D3D2D1時間片12時間片2D1時隙D2復(fù)用器t2.4 數(shù)據(jù)編碼76由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復(fù)用也稱為同步時分復(fù)用。一個時間片內(nèi)傳輸?shù)亩嗦窋?shù)據(jù)稱為幀。時分復(fù)用的典型例子：PCM信號的傳輸把多個話路的PCM語音數(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）每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送每個時隙承載一路PCM信號2.4 數(shù)據(jù)編碼77統(tǒng)計（異步）TDMSTDMTDM的缺點：

34、某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成帶寬浪費。STDM：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放入。ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片1時間片2同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片1時間片2統(tǒng)計TDM可用帶寬C22.4 數(shù)據(jù)編碼78時分復(fù)用數(shù)字載波復(fù)用標(biāo)準T-標(biāo)準 （北美、日本）E-標(biāo)準 （歐洲、中國、南美）E1（一次群）標(biāo)準每125us為一個時間片，每時間片分為32個通道（時隙）。每個時隙可容納8bit。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30個通道用于傳輸30個PCM話音數(shù)據(jù)。E1速率 = （32x8bit）/125us = 2.04

35、8 Mb/s對E1進一步復(fù)用，還可構(gòu)成E2到E5等高次群。E5可承載7680個話路，數(shù)據(jù)率約為565Mb/s。新的TDM標(biāo)準是同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）和ITU-T的同步數(shù)字系列（SDH）。常用的線路速率為（近似值） 155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。2.4 數(shù)據(jù)編碼79E1-幀格式E1線路也可以用于計算機通信0121631時間片125 ms = 32 時隙，2.048 Mb/s幀同步信令30 路數(shù)字語音數(shù)據(jù)（PCM數(shù)據(jù)）+2 路控制用戶話路用戶話路15172.4 數(shù)據(jù)編碼80碼分復(fù)用CDM原理：每個用戶把發(fā)送信號用接收方的地址碼序列編碼（任意兩個地址碼序列相互正交）

36、。不同用戶發(fā)送的信號在接收端被疊加，然后接收者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的正交性，只有與自己地址碼相關(guān)的信號才能被檢出，由此恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。地址碼序列兩兩相互正交：碼序列A、B，應(yīng)滿足 AB =0，A B =0，A A =1，A A =-1 其中 為內(nèi)積運算。在無線移動通信中應(yīng)用廣泛。2.4 數(shù)據(jù)編碼81基本概念信道傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)編碼多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯控制及檢錯822.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù)什么是交換？按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。最初的交換：人工轉(zhuǎn)接交換為什么要采用交

37、換技術(shù)？節(jié)省線路投資，提高線路利用率。實現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。83 兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用電路交換84但若要將 5 部電話機兩兩相連，則需要 10 對電線。傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用電路交換 85 交換機當(dāng)電話機的數(shù)量很大時，就必須使用電話交換機進行連接。傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用電路交換 86(A通話前先撥號建立連接?？赡苤灰?jīng)過一個交換機（如 A 到 B）可能要經(jīng)過多個交換機（如 C 到 D）通話過程中，通信雙方一直占用所建立的連接。通話結(jié)束后，掛機釋放連接。電路交換的特點交換機交換機交換機交換機(交換機交換機BCD87電話網(wǎng)絡(luò)中的電路交換電路交換

38、也能在多路復(fù)用信道上實現(xiàn)在物理線路的某個信道上建立連接88計算機終端早期的計算機網(wǎng)絡(luò)采用電路交換那時計算機很少，非常昂貴。遠地終端（沒有處理功能）通過通信線路（可能要經(jīng)過許多個交換機）使用處于網(wǎng)絡(luò)中心的計算機的資源。89電路交換在通信雙方之間建立一條臨時專用線路的過程。可以是真正的物理線路，也可以是一個復(fù)用信道。特點：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。稱為“面向連接的”（典型例子：電話）過程：建立連接通信釋放連接優(yōu)缺點：建立連接的時間長；一旦建立連接就獨占線路，線路利用率低；無糾錯機制；建立連接后，傳輸延遲小。不適用于計算機通信：因為計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性的特點，真正傳輸數(shù)據(jù)的時間不到10%。

39、例如：建立連接的時間為0.5秒，計算機以1Mb/s的速率發(fā)送10k字節(jié)。線路利用率？90報文交換以報文為單位進行“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”交換的技術(shù)。在交換過程中，交換設(shè)備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一級一級中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為存儲-轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰結(jié)點傳輸報文時建立結(jié)點間的連接。稱為“無連接的”（典型例子：電報）整個報文（Message）作為一個整體一起發(fā)送。優(yōu)缺點：沒有建立和拆除連接所需的等待時間；線路利用率高；傳輸可靠性較高；報文大小不一，造成存儲管理復(fù)雜；大報文造成存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時過長，且對存儲容量要求較高；出錯后整個報文全部重發(fā)。比

40、較：下載時若無斷點續(xù)傳功能，一旦出錯你會怎樣做？91分組交換(packet switching)的出現(xiàn)電話網(wǎng)是為電話通信設(shè)計的。電路交換的電話網(wǎng)很適合于電話通信。但計算機數(shù)據(jù)具有很大的突發(fā)性。使用電路交換會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源嚴重浪費。計算機逐漸增多，連網(wǎng)的需求日益迫切，計算機網(wǎng)絡(luò)需要使用更加有效的連網(wǎng)技術(shù)。這就導(dǎo)致分組交換的問世。92數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)分組交換 在發(fā)送端把要發(fā)送的報文分隔為較短的數(shù)據(jù)塊 每個塊增加帶有控制信息的首部構(gòu)成分組（包） 依次把各分組發(fā)送到接收端 接收端剝?nèi)ナ撞?，抽出?shù)據(jù)部分，還原成報文數(shù) 據(jù)分組11010011101 報文發(fā)送端首部分組數(shù) 據(jù)首部分組首部數(shù) 據(jù)發(fā)送發(fā)送發(fā)送在

41、前發(fā)送接收端數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部11010011101 93分組交換網(wǎng)的示意圖H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組H2 向 H6 發(fā)送分組注意分組路徑的變化！路由器主機94分組從 A 傳送到 B 的過程網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)路由器路由器路由器路由器路由器路由器AB查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器這就是基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換95分組交換（包交換）將報文分割成若干個大小相等的分組（Packet）進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路也是“無連接的”。有強大的糾錯機制、流量控

42、制、擁塞控制和路由選擇功能。優(yōu)缺點：對轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲要求較低，可以用內(nèi)存來緩沖分組速度快；轉(zhuǎn)發(fā)延時小適用于交互式通信；某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組效率高；各分組可通過不同路徑傳輸，容錯性好。需要分割報文和重組報文，增加了端站點的負擔(dān)。分組交換有兩種交換方式：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式96數(shù)據(jù)報方式（Datagram）各分組獨立地確定路由（傳輸路徑）不能保證分組按序到達，所以目的站點需要按分組編號重新排序和組裝數(shù)據(jù)報方式不能保證分組按序到達分組可能通過多個路徑穿越網(wǎng)絡(luò)97虛電路方式（Virtual Circuit）通信前預(yù)先建立一條邏輯連接虛電路虛電路是由其路徑上的所有交換機中的路由表定義的邏輯

43、連接類比：鐵路系統(tǒng)（旅客/列車:分組，鐵路網(wǎng):網(wǎng)絡(luò)，火車站:節(jié)點）“西安北京”這條線路可以看成是一條虛路徑也需要三個過程：建立數(shù)據(jù)傳輸拆除建立虛電路時，交換機將預(yù)留傳輸時所需的所有資源虛電路的路由在建立時確定，傳輸數(shù)據(jù)時則不再需要數(shù)據(jù)傳輸時只需指定虛電路號，分組即可按虛電路的路由穿越網(wǎng)絡(luò)“數(shù)字管道”提供的是“面向連接”的服務(wù)但卻沒有像電路交換那樣始終占用一條端到端的物理通道，只是斷續(xù)地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段與鐵路系統(tǒng)類比！可以看成是采用了電路交換思想的分組交換能夠保證分組按序到達98分組通過預(yù)先建立好的虛電路穿越網(wǎng)絡(luò)99三種交換方式的事件順序呼叫請求呼叫應(yīng)答數(shù)據(jù)ABCD尋路延遲線路交換分組1分組2分組3ABCD分組交換分組4t報文ABCD排隊延遲報文交換1002.7 差錯控制與檢錯什么是差錯控制？在通信過程中，發(fā)現(xiàn)、檢測差錯并進行糾正為何要進行差錯控制？不存在理想的信道傳輸總會出錯與語音、圖像傳輸不同，計算機通信要求極低的差錯率。產(chǎn)生差錯的原因：信號衰減和熱噪聲信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變；信號反射，串?dāng)_；沖擊噪聲，閃電、大功率電機的啟停等。101差錯控制的基本方法：接收方進行差錯檢測，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收