數(shù)據(jù)通信基礎市公開課一等獎省賽課獲獎課件

第二章數(shù)據(jù)通信基礎知識本章內(nèi)容2.1數(shù)據(jù)通信基本概念2.2信道及其主要特征2.3傳輸媒體2.4數(shù)據(jù)編碼2.5多路復用2.6數(shù)據(jù)交換技術2.7差錯控制1數(shù)據(jù)通信基礎第1頁2.1數(shù)據(jù)通信基本概念數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)(Data)：傳遞(攜帶)信息實體。信息(Information)：是數(shù)據(jù)內(nèi)容或解釋。信號(Signal)：數(shù)據(jù)物理量編碼(通常為電編碼)，數(shù)據(jù)以信號形式傳輸。模擬信號與數(shù)字信號基帶(Baseband)與寬帶(Broadband)信道(Channel)：傳送信息線路(或通路)比特(bit)：信息量單位。比特率為每秒傳輸二進制位個數(shù)。碼元(CodeCell)：時間軸上一個信號編碼單元。2.1.1數(shù)據(jù)通信普通概念2數(shù)據(jù)通信基礎第2頁t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同時脈沖同時脈沖：用于碼元同時定時，識別碼元開始

▲同時脈沖也可位于碼元中部

▲一個碼元也可有多個同時脈沖相對應3數(shù)據(jù)通信基礎第3頁誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是概率值。信息編碼：將信息用二進制數(shù)表示方法。數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示方法。比如：字符‘A’ASCII編碼(是信息編碼一個)為01000001，其數(shù)據(jù)編碼可能為01000001t4數(shù)據(jù)通信基礎第4頁帶寬“帶寬”原來意思是指某個信號含有頻帶寬度。帶寬單位是赫茲(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。對于數(shù)字信道，“帶寬”是指在信道上(或一段鏈路上)能夠傳送數(shù)字信號速率，即數(shù)據(jù)率或比特率。比特(bit)是計算機中數(shù)據(jù)最小單元，它也是信息量度量單位。帶寬單位就是比特每秒(bit/s)。帶寬有時也稱為吞吐量。5數(shù)據(jù)通信基礎第5頁

假如我們在網(wǎng)絡中某一個點上觀察數(shù)字信號流隨時間改變，那么信號在時間軸上寬度就伴隨帶寬增大而變窄。下列圖是這一概念示意圖。6數(shù)據(jù)通信基礎第6頁7數(shù)據(jù)通信基礎第7頁帶寬帶寬是通信信道寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質(zhì)傳輸能力度量，在傳統(tǒng)通信工程中通常以赫茲（Hz）為單位計量。在計算機網(wǎng)絡中，普通使用每秒位數(shù)(b/s或bps)作為帶寬計量單位。主要單位：kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s一個以太局域網(wǎng)理論上每秒能夠傳輸1千萬比特，它帶寬對應為10Mb/s。8數(shù)據(jù)通信基礎第8頁時延信息從網(wǎng)絡一端傳送到另一端所需時間時延之和=處理時延+排隊時延+發(fā)送時延+傳輸時延處理時延=分組首部和錯誤校驗等處理（微秒）排隊時延=數(shù)據(jù)在中間結點等候轉發(fā)延遲時間發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬傳輸時延=d/s（毫秒）d:距離s:傳輸速度≈光速9數(shù)據(jù)通信基礎第9頁ABAB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傳輸速率是一樣。正確寬帶和窄帶概念10數(shù)據(jù)通信基礎第10頁比喻：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11數(shù)據(jù)通信基礎第11頁一個錯誤概念

——“寬帶”相當于“多車道”多車道公路是并行傳輸……100101110100100111010001011010通信線路上通常都是串行傳輸12數(shù)據(jù)通信基礎第12頁時延帶寬乘積某一鏈路所能容納比特數(shù)時延帶寬乘積=帶寬×傳輸時延比如，某鏈路時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特抵達目標端時，源端已發(fā)送了100萬比特。鏈路帶寬傳輸時延體積=時延帶寬乘積13數(shù)據(jù)通信基礎第13頁往返時延(Round-TripTime，RTT)從信源發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到信源收到信宿確認所經(jīng)歷時間RTT≈2×傳輸時延傳輸可靠性兩個含義：數(shù)據(jù)能正確送達數(shù)據(jù)能有序送達(當采取分組交換時)14數(shù)據(jù)通信基礎第14頁2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型通信三個要素：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)目系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成：傳輸系統(tǒng)(傳輸線路和傳輸設備)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15數(shù)據(jù)通信基礎第15頁一、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)1）傳輸線路2）調(diào)制解調(diào)器3）多路復用器4）交換器二、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1）終端設備：指用戶與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)間接口，為系統(tǒng)中計算機系統(tǒng)發(fā)送信息及接收來自計算機系統(tǒng)信息。2）計算機系統(tǒng)——進行數(shù)據(jù)搜集和處理16數(shù)據(jù)通信基礎第16頁三、數(shù)據(jù)通信基本過程：包含兩個方面內(nèi)容——傳輸數(shù)據(jù)和通信控制1）建立通信線路；2）建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路，建立同時聯(lián)絡；3）傳送通信控制信號和數(shù)據(jù)；4）經(jīng)過通信控制信息確認通信結束；5）通知交換機，通信結束，切斷物理連接。17數(shù)據(jù)通信基礎第17頁數(shù)據(jù)通信基本過程包含兩項內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制過程與打電話對比建立物理連接撥號，撥通對方建立邏輯連接相互確認身份數(shù)據(jù)傳送相互通話斷開邏輯連接相互確認要結束通話斷開物理連接雙方掛機18數(shù)據(jù)通信基礎第18頁信息經(jīng)過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸把攜帶信息數(shù)據(jù)用物理信號形式經(jīng)過信道傳送到目標地。信息和數(shù)據(jù)(0,1比特)普通不能直接在介質(zhì)上傳輸。編碼：數(shù)據(jù)適合傳輸數(shù)字信號—便于同時、識別、糾錯調(diào)制：數(shù)字信號適合傳輸形式—按頻率、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19數(shù)據(jù)通信基礎第19頁1）傳輸速率碼元速率（RB），又稱信號速率或波特(Baud)率：為每秒傳送碼元數(shù)(即信號傳送速率)。信息速率（Rb），又稱比特率：每秒傳送信息量(bps，bit/s)。字符速率（Rm），指單位時間內(nèi)所傳字符數(shù)量。比如在傳送計算機信息時，單位為字符/秒。

Rb=RBlog2M，其中M是信號編碼級數(shù)。一個信號往往能夠攜帶多個二進制位，所以在固定信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中能夠傳送多個比特。比如，M=16，波特率為9600時，信息速率為38.4kbit/s四.數(shù)據(jù)通信主要技術指標20數(shù)據(jù)通信基礎第20頁

100101

1

二進制數(shù)據(jù)波形

00101101100001

四進制數(shù)據(jù)波形

一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元，碼元攜帶信息量由碼元可取得離散值個數(shù)決定，若碼元可取2個離散值，則一個碼元攜帶1bit信息；若碼元可取4個離散值，則一個碼元攜帶2bit信息。一個碼元攜帶信息量n（bit）與可取離散值個數(shù)M相關

n=log2M

21數(shù)據(jù)通信基礎第21頁2）差錯率：誤碼率Pc：指錯誤接收信息碼元數(shù)在傳輸信息總碼數(shù)中所占百分比。普通要求誤碼率小于10-6。

Pc＝錯誤接收碼元數(shù)/傳輸總碼數(shù)誤比特率Pb:指錯誤接收比特數(shù)占傳輸總比特數(shù)百分比。

Pb＝錯誤接收比特數(shù)/傳輸比特數(shù)誤字符率Pw

:指錯誤接收字符數(shù)占傳輸總字符數(shù)百分比。

Pw＝錯誤接收字符數(shù)/傳輸字符數(shù)數(shù)據(jù)通信主要技術指標22數(shù)據(jù)通信基礎第22頁頻率、頻譜和帶寬（1）時域概念電磁信號是連續(xù)或離散；正弦波：s（t）=Asin（2πft+∮）（注：少一個字符）（A）振幅（A）：信號對比時間峰值，單位：伏特或瓦特（B）頻率（f）：信號重復速度，單位：周/秒或赫茲（HZ）（C）周期（T）：信號重復一次所需時間，單位：秒T=1/f；（D）相位（∮）：在一個完整信號周期范圍內(nèi)對時間相對位置度量23數(shù)據(jù)通信基礎第23頁頻率、頻譜和帶寬（2）頻域概念基本頻率或基波：當全部信號頻率是某一頻率整數(shù)倍時，后者稱為基波；即存在兩個信號，信號A頻率是信號B頻率整數(shù)倍，那么信號B稱為基波，且信號A、B合成后頻率為B頻率（基波頻率）整數(shù)倍；（3）頻譜：信號所包含頻率范圍；（針對合成信號，頻率范圍是信號A和信號B頻率區(qū)間）信號絕對帶寬.（4）有效帶寬或帶寬：信號大部分能量往往包含在頻率較窄一段頻帶.（5）直流成份：24數(shù)據(jù)通信基礎第24頁2.2信道及其主要特征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)信道。計算機網(wǎng)絡中主要采取數(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)信道。CATV、無線電廣播、電話撥號線路25數(shù)據(jù)通信基礎第25頁模擬信號和數(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)目標信號值。最常見是二值信號數(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26數(shù)據(jù)通信基礎第26頁周期信號和非周期信號周期信號信號由不停重復固定模式組成（如正弦波）非周期信號信號沒有固定模式和波形循環(huán)（如語音音波信號）。tTTTtTTT周期信號非周期信號tt27數(shù)據(jù)通信基礎第27頁數(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)字信息傳輸數(shù)字通信優(yōu)點抗噪聲（干擾）能力強能夠控制差錯，提升了傳輸質(zhì)量便于用計算機進行處理易于加密、保密性強能夠傳輸語音、數(shù)據(jù)、影像，通用、靈活計算機通信僅在不得已情況下，才會采取模擬通信，如經(jīng)過電話線撥號上網(wǎng)。28數(shù)據(jù)通信基礎第28頁2.信道最大數(shù)據(jù)傳輸率Nyquist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最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。比如，話音級線路帶寬約為3.1kHz，依據(jù)上式計算信道最大數(shù)據(jù)傳輸率如右表所表示C=2Wlog2MC=數(shù)據(jù)傳輸率，單位b/sW=帶寬，單位HzM=信號編碼級數(shù)M最大數(shù)據(jù)率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s29數(shù)據(jù)通信基礎第29頁非理想信道實際信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引發(fā)信號強度減弱，造成信噪比S/N降低。延遲會使接收端信號產(chǎn)生畸變。噪聲會破壞信號，產(chǎn)生誤碼。比如：數(shù)據(jù)傳輸速率為56kb/s時，連續(xù)時間0.01s干擾會破壞約560個比特。30數(shù)據(jù)通信基礎第30頁Shannon公式：用于有噪聲干擾信道例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=，則 C=3100×log2（1+）≈34kb/s即該信道上最大數(shù)據(jù)傳輸率不會大于34kb/s。信噪比單位也可用分貝(dB)表示：S/NdB=10log10

S/N所以，若S/NdB=30dB，則S/N=1000。C=Wlog2（1+S/N）

C:傳輸率，單位b/sW:帶寬，單位HzS/N:信噪比31數(shù)據(jù)通信基礎第31頁Nyquist公式和Shannon公式比較C=2Wlog2M用于理想信道（這么信道存在嗎？）數(shù)據(jù)傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪聲信道（實際信道總是有噪聲！）不論信號編碼級數(shù)增加到多少，此公式給出了有噪聲信道可能到達最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。原因：噪聲存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。32數(shù)據(jù)通信基礎第32頁3.通信網(wǎng)絡中站點連接方式點-點連接主站交換連接集線式連接次站次站次站中心站集中器交換機多點連接33數(shù)據(jù)通信基礎第33頁4.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（例：無線電廣播）半雙工：數(shù)據(jù)能夠雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時刻雙向傳輸（例：對講機）全雙工：數(shù)據(jù)能夠雙向同時傳輸（例：電話）需要含有兩條物理上獨立傳輸線路；或者需要含有一條物理線路上兩個信道，分別用于不一樣方向信號傳輸。34數(shù)據(jù)通信基礎第34頁單工、半雙工與全雙工通信

35數(shù)據(jù)通信基礎第35頁數(shù)據(jù)串/并行通信1.串行傳輸串行傳輸是一位一位地傳送，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可,節(jié)約設備，適合用于遠程通信

接收設備2314567812345678發(fā)送設備串行到并行轉換并行到串行轉換36數(shù)據(jù)通信基礎第36頁串行傳輸特點①傳輸速度較低，一次一位；②通信成本也較低，只需一個信道。③支持長距離傳輸，當前計算機網(wǎng)絡中所用傳輸方式均為串行傳輸。37數(shù)據(jù)通信基礎第37頁數(shù)據(jù)串/并行通信2.并行傳輸并行傳輸速率高，能夠一次同時傳輸若干比特數(shù)據(jù)。

2345678發(fā)送設備接收設備校驗數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)位38數(shù)據(jù)通信基礎第38頁并行傳輸特點①傳輸速度快：一位(比特)時間內(nèi)可傳輸一個字符；②通信成本高：每位傳輸要求一個單獨信道支持；所以假如一個字符包含8個二進制位，則并行傳輸要求8個獨立信道支持；③不支持長距離傳輸：因為信道之間電容感應，遠距離傳輸時，可靠性較低。39數(shù)據(jù)通信基礎第39頁基帶/頻帶/寬帶傳輸基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。比如：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)。比如：經(jīng)過電話網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)寬帶傳輸：把信號調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。比如：閉路電視信號傳輸40數(shù)據(jù)通信基礎第40頁數(shù)據(jù)同步方式目是使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致：同步脈沖頻率數(shù)據(jù)從什么時候開始，什么時候結束位邊界數(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41數(shù)據(jù)通信基礎第41頁位同時：目標是使接收端接收每一位信息都與發(fā)送端保持同時，2種同時方法：外同時——發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同時脈沖信號，接收方用接收到同時信號來鎖定自己時鐘脈沖頻率。自同時——經(jīng)過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號中包含同時信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同時信號來鎖定自己時鐘脈沖頻率。42數(shù)據(jù)通信基礎第42頁字符同時：找到正確字符邊界。慣用為起止式（異步式）。在這種方式中，每個字符傳輸需要：1個起始位、5～8個數(shù)據(jù)位、1、1.5或2個停頓位采取這種同時方式通信也稱“異步通信”。起止式優(yōu)缺點：頻率漂移不會積累，每個字符開始時都會重新取得同時；每兩個字符之間間隔時間不固定；增加了輔助位，所以傳輸效率低；比如，采取1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、2個停頓位時，其傳輸效率為8/11≈73％起始位數(shù)據(jù)位停頓位字符間隔不固定1個字符時間邏輯“0”邏輯“1”43數(shù)據(jù)通信基礎第43頁幀同時：識別一個幀起始和結束。幀（Frame）：數(shù)據(jù)鏈路中傳輸單位——包含數(shù)據(jù)和控制信息數(shù)據(jù)塊面向字符——以同時字符（SYN，16H）來標識一個幀開始，適合用于數(shù)據(jù)為字符類型幀面向比特——以特殊位序列（7EH，即01111110）來標識一個幀開始，適合用于任意數(shù)據(jù)類型幀幀起始控制信息數(shù)據(jù)幀結束校驗和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH44數(shù)據(jù)通信基礎第44頁傳輸損耗最有影響損耗包含：衰減、衰減失真、延時變形、噪聲1.衰減

提出三個問題：（1）第一：接收到信號必須有足夠強度，這么接收器里電子電路才能識別、解釋信號；（2）第二：信號須比收到噪聲維持一個更高電平，以防止犯錯；（3）第三：衰減是頻率增量函數(shù)；

處理問題：（1）針對第一、第二問題，能夠在線路設置放大器或中繼器，來增強信號強度；（2）第三個問題針對模擬信號，能夠在線路上加載線圈以改變線路電氣屬性，或使用高頻放大器將高頻放大；45數(shù)據(jù)通信基礎第45頁傳輸損耗2.延遲變形（有線傳輸介質(zhì)特有現(xiàn)象，對數(shù)字數(shù)據(jù)影響比較大）延遲變形：因為信號中各種成份延遲使得接收到信號變形，這種效果然稱為延遲變形；3.噪聲接收到信號包含：傳送信號、因傳輸系統(tǒng)造成失真、在傳輸和接收之間在某處插入無須要信號（噪聲）分類：（1）熱噪聲（2）內(nèi)調(diào)制雜音（3）串擾（4）脈沖噪聲46數(shù)據(jù)通信基礎第46頁2.3傳輸介質(zhì)磁介質(zhì)

高帶寬、低費用、高延時（小時）——在通信中極少使用

例：7GB/8mm磁帶，1000盤/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。總容量=7*1000*8Gbits，總時間=24*60*60=86400s傳送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s

金屬導體雙絞線、同軸電纜(粗、細)光纖無線介質(zhì)無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線我們追求最快傳輸速率是多少？47數(shù)據(jù)通信基礎第47頁雙絞線（TwistPair，TP）--螺旋絞合雙導線--每根4對、25對、1800對--經(jīng)典連接距離100m（LAN）--RJ45插座、插頭--優(yōu)缺點：成本低組裝密度高、節(jié)約空間安裝輕易（綜合布線系統(tǒng)）平衡傳輸（高速率）抗干擾性普通連接距離短應用領域：電話網(wǎng)絡、計算機局域網(wǎng)內(nèi)導體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽外套48數(shù)據(jù)通信基礎第48頁屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以降低干擾和串音，應用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應用廣泛慣用雙絞線：3類（16Mb/s）

和5類（155Mb/s）兩種49數(shù)據(jù)通信基礎第49頁光纖（OpticalFiber）依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳輸優(yōu)缺點：傳輸帶寬高：僅受光電轉換器件限制（＞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換纖芯材料：塑料二氧化硅

（高純玻璃）50數(shù)據(jù)通信基礎第50頁光纖傳輸原理——光反射光從折射率高介質(zhì)入射到折射率低介質(zhì)時會產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)折射率。當入射角≥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，雙向需兩根光纖應用領域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡、服務器連接51數(shù)據(jù)通信基礎第51頁多模光纖(MMF)單模光纖(SMF)：光纖直徑靠近一個光波波長多束光線以不一樣反射角傳輸激光器包層，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輸52數(shù)據(jù)通信基礎第52頁經(jīng)典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-MMF62.5um緩變型/增強型-MMF8.3um突變型-SMF包層——125um53數(shù)據(jù)通信基礎第53頁光釬電纜54數(shù)據(jù)通信基礎第54頁高密度多芯光纜剖面結構芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束55數(shù)據(jù)通信基礎第55頁同軸電纜（CoaxialCable）計算機網(wǎng)絡中使用基帶同軸電纜阻抗50，有粗同軸和細同軸兩種應用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）性能：10Mb/s，500米/185米銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套56數(shù)據(jù)通信基礎第56頁同軸電纜型號RG-8或RG-11（阻抗50歐姆）——粗纜RG-58（50歐姆）——細纜RG-59（75歐姆）——CATV細纜RG-62（93歐姆）——ARCnet網(wǎng)絡及IBM3270系統(tǒng)專用普通為頻分多路復用57數(shù)據(jù)通信基礎第57頁無線介質(zhì)（信號在大氣或外層空間自由傳輸）使用電磁波或光波攜帶信息優(yōu)缺點：無需物理連接適合用于長距離或不便布線場所易受干擾反射，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58數(shù)據(jù)通信基礎第58頁無線電基站與終端之間通信采取無線鏈路應用領域：移動通信、無線局域網(wǎng)（WLAN）BS基站覆蓋無線電區(qū)域BS基站用戶計算機和終端59數(shù)據(jù)通信基礎第59頁地面微波經(jīng)過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之間直視線路微波傳送塔60數(shù)據(jù)通信基礎第60頁地球同時衛(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）廣播式傳輸應用領域：電視傳輸長途電話專用網(wǎng)絡廣域網(wǎng)35,784公里地球61數(shù)據(jù)通信基礎第61頁慣用傳輸介質(zhì)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用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數(shù)字:500m很好低模擬/數(shù)字信號傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km很好較低基帶數(shù)字信號75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz100km很好較低模擬電視、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km好中等遠程通信衛(wèi)星寬帶1-10GHz18000km很好高遠程通信62數(shù)據(jù)通信基礎第62頁2.4數(shù)據(jù)編碼不一樣類型信號在不一樣類型信道上傳輸有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63數(shù)據(jù)通信基礎第63頁模擬傳輸和數(shù)字傳輸所使用技術話音移頻,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64數(shù)據(jù)通信基礎第64頁編碼與調(diào)制區(qū)分編碼：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)EncoderDecoder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65數(shù)據(jù)通信基礎第65頁調(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66數(shù)據(jù)通信基礎第66頁1.數(shù)字數(shù)據(jù)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)轉換成某種數(shù)字脈沖信號常見有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼不歸零碼（NRZ，Non-ReturntoZero）二進制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示；慣用－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；不具備自同時機制，傳輸時必須使用外同時。67數(shù)據(jù)通信基礎第67頁曼徹斯特編碼（ManchesterCoding）用電壓改變表示0和1。要求在每個碼元中間發(fā)生跳變：高→低跳變代表0，低→高跳變代表1每個碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此改變提取出來作為同時信號。這種編碼也稱為自同時碼（Self-SynchronizingCode）。缺點：需要雙倍傳輸帶寬（即信號速率是數(shù)據(jù)速率2倍）。差分曼徹斯特編碼（Differential～）每個碼元中間仍要發(fā)生跳變。用碼元開始處有沒有跳變來表示0和1

，有跳變代表0，無跳變代表1。68數(shù)據(jù)通信基礎第68頁三種數(shù)字編碼波形圖01001100011

時鐘NRZManchester差分Manchester69數(shù)據(jù)通信基礎第69頁2.數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制使數(shù)字數(shù)據(jù)能在模擬信道上傳輸三種慣用調(diào)制技術：幅移鍵控ASK（AmplitudeShiftKeying）頻移鍵控FSK（FrequencyShiftKeying）相移鍵控PSK（PhaseShiftKeying）原理：用數(shù)字信號對載波不一樣參量進行調(diào)制。

載波信號S(t)=Acos(t+)

S(t)參量包含：幅度A、頻率

、初相位調(diào)制就是要使A、或隨數(shù)字基帶信號改變而改變70數(shù)據(jù)通信基礎第70頁ASK：用載波兩個不一樣振幅表示0和1FSK：用載波兩個不一樣頻率表示0和1PSK：用載波起始相位改變表示0和100110100010ASKFSKPSK71數(shù)據(jù)通信基礎第71頁3.模擬數(shù)據(jù)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：假如模擬信號最高頻率為F，若以≥2F采樣頻率對其采樣，則從采樣得到離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。要轉換模擬數(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靠近量化級別上編碼：對每個舍入后樣本進行編碼編碼后信號稱為PCM信號（脈碼調(diào)制,PulseCodedModulation）。72數(shù)據(jù)通信基礎第72頁語音信號數(shù)字化語音帶寬f<4kHz采樣時鐘頻率：8kHz（>2倍語音最大頻率）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f<4kHzfs=8kHz73數(shù)據(jù)通信基礎第73頁PCM編碼過程舉例

語音信號011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100

PCM信號（有量化誤差）3.23.92.83.41.24.2

PAM信號74數(shù)據(jù)通信基礎第74頁2.5多路復用技術多路復用：多個信息源共享一個公共信道為何要復用？——提升線路利用率適用場所：當信道傳輸能力大于每個信源平均傳輸需求時類比：公共運輸系統(tǒng)（鐵路、海運、航空）DEMUX復用器解復用器共享信道MUX信源信宿75數(shù)據(jù)通信基礎第75頁多路復用技術是指將多路信號組合在一條物理信道上進行傳輸，到接收端再用專門設備將各路信號分離出來技術。多路復用目標能夠極大地提升通信線路利用率。復用基本思想：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)。76數(shù)據(jù)通信基礎第76頁復用方法頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）按頻率劃分不一樣信道，如CATV系統(tǒng)波分復用WDM（WaveDivisionMultiplexing）

按波長劃分不一樣信道，用于光纖傳輸時分復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）按時間劃分不一樣信道，當前應用最廣泛碼分復用CDM（CodeDivisionMultiplexing）按地址碼劃分不一樣信道，非常有發(fā)展前途77數(shù)據(jù)通信基礎第77頁頻分復用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帶寬復用信號f復用器78數(shù)據(jù)通信基礎第78頁頻分復用FDM形象比喻:FDM如同先將大房間隔成若干個小房間，每個小房間里人相互交流。特點:信號被劃分成若干通道(頻道,波段),每個通道獨立進行數(shù)據(jù)傳遞應用:無線電廣播,電視79數(shù)據(jù)通信基礎第79頁波分復用WDM——光頻分復用原理：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。主要應用在光纜線路。F2F1F3光譜F1F2F3共享光纖光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖棱柱/衍射光柵80數(shù)據(jù)通信基礎第80頁密集波分復用（DWDM）是在光域內(nèi)FDM。它經(jīng)過在單一光纖內(nèi)同時傳輸多個不一樣波長光波，以到達使數(shù)據(jù)傳輸速度和容量取得倍增目標。以下列圖，左為粗波分復用，右為密集波分復用。81數(shù)據(jù)通信基礎第81頁時分復用TDM原理：把時間分割成小時間片，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)絡中應用極為廣泛。A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復用后數(shù)據(jù)流時隙號1231D3D2D1時間片12時間片2D1時隙D2復用器t82數(shù)據(jù)通信基礎第82頁形象比喻:TDM如同在同一個房間輪番講話方式，但一次只能一個人說，一個說完，另一個繼續(xù)。因為每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片固定時隙，所以這種時分復用也稱為同時時分復用。一個時間片內(nèi)傳輸多路數(shù)據(jù)稱為幀。83數(shù)據(jù)通信基礎第83頁時分復用經(jīng)典例子電話主干線路：PCM信號傳輸把多個話路PCM語音數(shù)據(jù)用TDM方法裝成幀（幀中還包含了幀同時信息和信令信息）每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送每個時隙承載一路PCM信號84數(shù)據(jù)通信基礎第84頁統(tǒng)計（異步）TDM——STDMTDM缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其它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)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片1時間片2同時TDM帶寬浪費A1B1B2時間片1時間片2統(tǒng)計TDM可用帶寬C285數(shù)據(jù)通信基礎第85頁時分復用——數(shù)字載波復用標準T-標準（北美、日本）E-標準（歐洲、中國、南美）E1（一次群）標準每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用于同時，通道16用于信令，其它30個通道用于傳輸30個PCM話音數(shù)據(jù)。E1速率=（32x8bit）/125us=2.048Mb/s對E1深入復用，還可組成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TDM標準是同時光網(wǎng)絡（SONET）和ITU-T同時數(shù)字系列（SDH）。慣用線路速率為（近似值）155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。86數(shù)據(jù)通信基礎第86頁E1-幀格式E1線路也能夠用于計算機通信0121631時間片125ms=32時隙，2.048Mb/s幀同時信令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151787數(shù)據(jù)通信基礎第87頁碼分復用CDM原理：每個用戶把發(fā)送信號用接收方地址碼序列編碼（任意兩個地址碼序列相互正交）。不一樣用戶發(fā)送信號在接收端被疊加，然后接收者用一樣地址碼序列解碼。因為地址碼正交性，只有與自己地址碼相關信號才能被檢出，由此恢復出原始數(shù)據(jù)。地址碼序列兩兩相互正交：碼序列A、B，應滿足AB=0，AB'=0，AA=1，AA'=-1其中為內(nèi)積運算。88數(shù)據(jù)通信基礎第88頁碼分復用CDM形象比喻：則如同把全部人放在一個大房間里，他們說著不一樣語言。這么他要交流只要找自己語言那個，而不用擔心別語言噪聲。CDMA是應用擴頻（spreadspectrum）技術來實現(xiàn)多址通信，在無線移動通信中應用廣泛。89數(shù)據(jù)通信基礎第89頁2.6數(shù)據(jù)交換技術什么是交換？按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。比如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。最初交換：人工轉接交換為何要采取交換技術？節(jié)約線路投資，提升線路利用率。實現(xiàn)交換方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。90數(shù)據(jù)通信基礎第90頁電路交換在通信雙方之間建立一條暫時專用線路過程。能夠是真正物理線路，也能夠是一個復用信道。特點：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端通路?！Q為“面向連接”（經(jīng)典例子：電話）過程：建立連接→通信→釋放連接優(yōu)缺點：建立連接時間長；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。不適合用于計算機通信：因為計算機數(shù)據(jù)含有突發(fā)性特點，真正傳輸數(shù)據(jù)時間不到10%。比如：建立連接時間為0.5秒，計算機以1Mb/s速率發(fā)送10k字節(jié)。線路利用率＝？91數(shù)據(jù)通信基礎第91頁電話網(wǎng)絡中電路交換電路交換也能在多路復用信道上實現(xiàn)在物理線路某個信道上建立連接92數(shù)據(jù)通信基礎第92頁報文交換以報文為單位進行“存放-轉發(fā)”交換技術。在交換過程中，交換設備將接收到報文先存放，待信道空閑時再轉發(fā)出去，一級一級中轉，直到目標地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術稱為存放-轉發(fā)。傳輸之前不需要建立端到端連接，僅在相鄰結點傳輸報文時建立結點間連接?！Q為“無連接”（經(jīng)典例子：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等候時間；線路利用率高；傳輸可靠性較高；報文大小不一，造成存放管理復雜；大報文造成存放轉發(fā)延時過長，且對存放容量要求較高；犯錯后整個報文全部重發(fā)。比較：下載時若無斷點續(xù)傳功效，一旦犯錯會怎樣做？93數(shù)據(jù)通信基礎第93頁分組交換（包交換）將報文分割成若干個大小相等分組（Packet）進行存放轉發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端通路——也是“無連接”。有強大糾錯機制、流量控制、擁塞控制和路由選擇功效。優(yōu)缺點：對轉發(fā)結點存放要求較低，能夠用內(nèi)存來緩沖分組——速度快；轉發(fā)延時小——適合用于交互式通信；某個分組犯錯能夠僅重發(fā)犯錯分組——效率高；各分組可經(jīng)過不一樣路徑傳輸，容錯性好。需要分割報文和重組報文，增加了端站點負擔。分組交換有兩種交換方式：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式94數(shù)據(jù)通信基礎第94頁數(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)報方式不能確保分組按序抵達分組可能經(jīng)過多個路徑穿越網(wǎng)絡95數(shù)據(jù)通信基礎第95頁虛電路方式（VirtualCircuit）通信前預先建立一條邏輯連接——虛電路虛電路是由其路徑上全部交換機中路由表定義類比：鐵路系統(tǒng)（旅客/列車:分組，鐵路網(wǎng):網(wǎng)絡，火車站:節(jié)點）“西安－北京”這條線路能夠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，交換機將預留傳輸時所需全部資源虛電路路由在建立時確定，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，分組即可按虛電路路由穿越網(wǎng)絡——“數(shù)字管道”提供是“面向連接”服務但卻沒有像電路交換那樣一直占用一條端到端物理通道，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！能夠看成是采取了電路交換思想分組交換能夠確保分組按序抵達永久虛電路PVC和交換虛電路SVC96數(shù)據(jù)通信基礎第96頁分組經(jīng)過預先建立好虛電路穿越網(wǎng)絡97數(shù)據(jù)通信基礎第97頁三種交換方式事件次序呼叫請求呼叫應答數(shù)據(jù)ABCD尋路延遲電路交換分組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98數(shù)據(jù)通信基礎第98頁2.7差錯控制與檢錯什么是差錯控制？在通信過程中，發(fā)覺、檢測差錯并進行糾正為何要進行差錯控制？不存在理想信道→傳輸總會犯錯與語音、圖像傳輸不一樣，計算機通信要求極低差錯率。產(chǎn)生差錯原因：信號衰減和熱噪聲信道電氣特征引發(fā)信號幅度、頻率、相位畸變；信號反射，串擾；沖擊噪聲，閃電、大功率電機啟停等。99數(shù)據(jù)通信基礎第99頁差錯控制基本方法：接收方進行差錯檢測，并向發(fā)送方應答，通知是否正確接收。差錯控制技術自動請求重傳AutomaticRepeatRequest（ARQ）停等ARQ每發(fā)送一幀就需要一個應答幀只重傳剛才犯錯幀Go-back-NARQ每發(fā)送N幀需要一個應答幀需重傳前面（N-i+1）幀（0≤i≤N）選擇重傳ARQ每發(fā)送N幀需要一個應答幀只重傳犯錯幀100數(shù)據(jù)通信基礎第100頁差錯控制編碼：檢錯碼和糾錯碼糾錯碼在計算機通信中極少使用檢錯碼主要有兩種編碼方法：奇偶校驗（ParityChecking）能夠在兩個級別上實現(xiàn)：在原始數(shù)據(jù)字節(jié)最高位（或最低位）增加一個奇偶校驗位，使結果中1個數(shù)為奇數(shù)（奇校驗）或偶數(shù)（偶校驗）。比如：1100010增加偶校驗位后為11100010若接收方收到字節(jié)奇偶