第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

會計(jì)學(xué)1第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1概述

2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)第1頁/共53頁2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

1．信息、數(shù)據(jù)和信號2．?dāng)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型第2頁/共53頁1．信息、數(shù)據(jù)和信號(1)信息（Information）是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動狀態(tài)。(2)數(shù)據(jù)（Data）一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”或“數(shù)字化的信息形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)字特性的信息，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)中區(qū)別于程序的計(jì)算數(shù)據(jù)等。但在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡(luò)中存儲、處理和傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字編碼。(3)信號（Signal）簡單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)。在通信系統(tǒng)中我們常常使用的電信號、電磁信號、光信號、載波信號、脈沖信號、調(diào)制信號等術(shù)語就是指攜帶某種信息的具有不同形式或特性的傳輸介質(zhì)。第3頁/共53頁2．?dāng)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型圖2-1通信系統(tǒng)模型圖2-1單向通信系統(tǒng)第4頁/共53頁圖2-1

為單向通信系統(tǒng)，從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：（1）單向通信。又稱單工通信，即只能有一個方向的通信，而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）雙向交替通信。又稱半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（或同時接收），這種通信方式往往是一方發(fā)送另一方接收。（3）雙向同時通信。又稱全雙工通信，即通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息。第5頁/共53頁圖2-2通信系統(tǒng)實(shí)例第6頁/共53頁圖2-2是通信系統(tǒng)的一個實(shí)例，工作站通過公共電話網(wǎng)PSTN與一個服務(wù)器進(jìn)行通信。在此模型中，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要完成的一系列關(guān)鍵任務(wù)為：

（1）接口規(guī)范（2）同步（3）傳輸系統(tǒng)利用率（4）差錯檢測和校驗(yàn)（5）災(zāi)難恢復(fù)（6）尋址和路由（7）網(wǎng)絡(luò)安全（8）網(wǎng)絡(luò)管理第7頁/共53頁2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)

1．模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)（1）有效性（2）可靠性2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)（1）傳輸速率（2）差錯率第8頁/共53頁2.2數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼

2.2.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼2.2.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

第9頁/共53頁2.2.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

數(shù)字通信系統(tǒng)的任務(wù)是傳輸數(shù)字信息，數(shù)字信息可能來自數(shù)據(jù)終端設(shè)備的原始數(shù)據(jù)信號，也可能來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的脈沖編碼信號。傳輸數(shù)字信息的方法是按傳輸波形來分類的。

1．基帶方式

2．4B/5B編碼第10頁/共53頁1.基帶方式對于碼型的選擇，通常要考慮以下的因素：對于傳輸頻帶低端受限的信道，線路傳輸碼型的頻譜中不應(yīng)含有直流分量；

信號的抗噪聲干擾能力強(qiáng)，產(chǎn)生誤碼時，在譯碼中產(chǎn)生的誤碼擴(kuò)散或誤碼增值?。槐阌趶男盘栔刑崛∥煌蕉〞r信息；盡量減少基帶信號頻譜中高頻分量，以節(jié)省傳輸頻帶，并減小串?dāng)_；編譯碼的設(shè)備應(yīng)盡量簡單。第11頁/共53頁克服不歸零制編碼缺點(diǎn)的一種編碼方案是曼徹斯特（Manchester）編碼（見圖2-3（b）），它是一種自同步編碼方式，包括數(shù)據(jù)信息和時鐘信息。另一種曼徹斯特編碼的變種叫做差分曼徹斯特編碼（見圖2-3（c）），它的編碼規(guī)則是：若碼元為1，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反。不論碼元是１或０，在每個碼元的正中間時刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。差分曼徹斯特編碼需要較復(fù)雜的技術(shù)，但可以獲得較好的抗干擾性能。第12頁/共53頁圖2-3常用數(shù)字信號編碼第13頁/共53頁2．4B/5B編碼在光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI，F(xiàn)iberDistributedDataInterface）中采用了獨(dú)特的4B/5B編碼。這種編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每４bit作為一個組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)5bit碼。5bit碼共有32種組合，但只采用其中的24種，16種對應(yīng)4bit碼的16種，8種用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束、光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。標(biāo)準(zhǔn)4B/5B編碼對照表見表2-1，用于100MbpsFDD1PMD的4B/5B編碼控制碼表見表2-2?，F(xiàn)用不歸零編碼畫出4bit碼和5bit碼的對應(yīng)波形，5bit碼經(jīng)差分編碼后，轉(zhuǎn)換成光信號，如圖2-4所示。第14頁/共53頁第15頁/共53頁圖2-44B/5B編碼方式第16頁/共53頁2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼

通過調(diào)制振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的某種組合，來對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼。最基本的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)→模擬信號調(diào)制方式有以下三種（如圖2-5所示）。（1）幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）（2）頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-ShiftKeying）（3）相移鍵控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）

第17頁/共53頁圖2-5對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法第18頁/共53頁2.2.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodeModulation）是波形編碼中最重要的一種方式，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信等均獲得了極為廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)大多采用PCM體制。PCM最初并不是用來傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的，采用它是為了解決電話局之間中繼線不夠，使一條中繼線不只傳送一路而是可以傳送幾十路電話。PCM過程主要由采樣、量化與編碼三個步驟組成。

第19頁/共53頁2.3多路復(fù)用技術(shù)

2.3.1頻分多路復(fù)用

2.3.2時分多路復(fù)用

第20頁/共53頁2.3.1頻分多路復(fù)用

圖2-6FDM子信道示意圖當(dāng)介質(zhì)的有效帶寬超過被傳輸?shù)男盘枎挄r，可以把多個信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)同時傳送多路信號，即將信道的可用頻帶（帶寬）按頻率分割多路信號的方法劃分為若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中一個頻段，從而形成許多個子信道（圖2-6）；在接收端用適當(dāng)?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進(jìn)行解調(diào)和終端處理，這種技術(shù)稱為頻分多路復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）。第21頁/共53頁圖2-7FDM原理FDM系統(tǒng)的原理示意圖如圖2-7所示，它假設(shè)有6個輸入源，分別輸入6路信號到頻分多路器FDM-MUX，多路器將每路信號調(diào)制在不同的載波頻率上（例如f1，f2，…，f6）。每路信號以其載波頻率為中心，占用一定的帶寬，此帶寬范圍稱作一個通道，各通道之間通常用保護(hù)頻帶隔離，以保證各路信號的頻帶間不發(fā)生重疊。第22頁/共53頁2.3.2時分多路復(fù)用

TDM是將傳輸時間劃分為許多個短的互不重疊的時隙，而將若干個時隙組成時分復(fù)用幀，用每個時分復(fù)用幀中某一固定序號的時隙組成一個子信道，每個子信道所占用的帶寬相同，每個時分復(fù)用幀所占的時間也是相同的（如圖2-8所示），即在同步TDM中，各路時隙的分配是預(yù)先確定的時間且各信號源的傳輸定時是同步的。對于TDM，時隙長度越短，則每個時分復(fù)用幀中所包含的時隙數(shù)就越多，所容納的用戶數(shù)也就越多，其原理如圖2-9所示。第23頁/共53頁

圖2-8TDM子信道示意圖

圖2-9TDM原理第24頁/共53頁2.4異步與同步通信

同步就是接收端按發(fā)送端發(fā)送的每個碼元的起止時間及重復(fù)頻率來接收數(shù)據(jù)，并且要校準(zhǔn)自己的時鐘以便與發(fā)送端的發(fā)送取得一致，實(shí)現(xiàn)同步接收。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞揭话惴譃槲煌?、字符同步，字符同步通常是識別每一個字符或一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；位同步則識別每一位的開始和結(jié)束。在異步通信中，發(fā)送端可以在任意時刻發(fā)送字符，字符之間的間隔時間可以任意變化。該方法是將字符看作一個獨(dú)立的傳送單元，在每個字符的前后各加入1～3位信息作為字符的開始和結(jié)束標(biāo)志位，以便在每一個字符開始時接收端和發(fā)送端同步一次，從而在一串比特流中可以把每個字符識別出來。

第25頁/共53頁通常情況下，并行通信用于距離較近的情況，串行通信用于距離較遠(yuǎn)的情況。在并行數(shù)據(jù)傳輸中，至少有8個數(shù)據(jù)位同時從一個設(shè)備傳送到另一個設(shè)備，發(fā)送設(shè)備將8個數(shù)據(jù)位通過8條數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備。接收設(shè)備在收到這些數(shù)據(jù)后，不需經(jīng)過任何改變就可以直接使用。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)傳送通常都是以并行方式進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ诖袛?shù)據(jù)傳輸中，每次由源地傳到目的地的數(shù)據(jù)只有一位，與同時傳輸好幾位數(shù)據(jù)的并行傳輸相比，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斔俣纫炔⑿袀鬏斅趯?shí)際應(yīng)用中往往選擇串行數(shù)據(jù)傳輸，這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布哂薪?jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。第26頁/共53頁2.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)

2.5.1雙絞線2.5.2同軸電纜2.5.3光纖2.5.4無線電短波通信2.5.5地面微波接力通信2.5.6紅外線和激光2.5.7衛(wèi)星通信2.5.8VSAT衛(wèi)星通信第27頁/共53頁2.5.1雙絞線

表2-3是UTP電纜的常見類型，10BaseT局域網(wǎng)中主要使用3類和5類線，它們的有效傳輸距離一般在100m左右。另外還有超5類雙絞線電纜，通過對其“信道”性能測試結(jié)果表明，與普通5類雙絞線電纜比較，它的近端串?dāng)_、衰減和結(jié)構(gòu)回波等主要性能指標(biāo)都有很大提高。

第28頁/共53頁雙絞線的制作分為工作站至工作站和工作站至集線器兩種：工作站至集線器的雙絞線，其8芯線一一對應(yīng)；工作站至工作站的雙絞線，按照圖2-10所示的連線制作。圖2-10雙絞電纜第29頁/共53頁2.5.2同軸電纜典型的同軸電纜（CoaxialCable）由一根內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線外加絕緣層、密集網(wǎng)狀編織導(dǎo)電金屬屏蔽層以及外包裝保護(hù)塑橡材料組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。第30頁/共53頁表2-4是作者在網(wǎng)絡(luò)工程施工中常常用到的一些IEEE802.310BaseT系列網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)驗(yàn)第31頁/共53頁2.5.3光纖

（a）折射角大于入射角（b）光波在纖芯中傳播（c）62.5/125μm漸變增強(qiáng)型多模光纖圖2-12多模光纖實(shí)際上，只要射到光纖表面的光線的入射角大于某一臨界角度，就可以產(chǎn)生全反射，并且可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就稱為多模光纖（MultimodeFiber），如圖2-12所示。第32頁/共53頁圖2-13光纖與電纜頻率與衰減關(guān)系圖多模光纖和5類雙絞線的衰減與頻率關(guān)系如圖2-13所示，當(dāng)傳輸頻率超過100MHz時，5類雙絞線隨著頻率的增加衰減愈來愈大；而光纖在300MHz以內(nèi)，衰減基本不變。第33頁/共53頁光纜的結(jié)構(gòu)大致可分為纜芯（CableCore）和保護(hù)層（Sheath）兩大部分，圖2-14為四芯光纜剖面的示意圖。圖2-14四芯光纜剖面示意圖第34頁/共53頁2.5.4無線電短波通信在一些電纜光纖難于通過或施工困難的場合，例如，高山、湖泊或島嶼等，即使在城市中挖開馬路敷設(shè)電纜有時也很不劃算，特別是通信距離很遠(yuǎn)，對通信安全性要求不高，敷設(shè)電纜或光纖既昂貴又費(fèi)時，若利用無線電波等無線傳輸介質(zhì)在自由空間傳播，就會有較大的機(jī)動靈活性，可以輕松實(shí)現(xiàn)多種通信，抗自然災(zāi)害能力和可靠性也較高。第35頁/共53頁2.5.5地面微波接力通信無線電數(shù)字微波通信系統(tǒng)在長途大容量的數(shù)據(jù)通信中占有及其重要的地位，其頻率范圍為300MHz～300GHz。微波通信主要有兩種方式：地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。微波在空間主要是直線傳播，并且能穿透電離層進(jìn)入宇宙空間，它不像短波那樣經(jīng)電離層反射傳播到地面上其他很遠(yuǎn)的地方，由于地球表面是個曲面，因此其傳播距離受到限制且與天線的高度有關(guān)，一般只有50km左右，長途通信時必須建立多個中繼站，中繼站把前一站發(fā)來的信號經(jīng)過放大后再發(fā)往下一站，類似于“接力”，如果中繼站采用100m高的天線塔，則接力距離可增大到100km。第36頁/共53頁2.5.6紅外線和激光

紅外線通信和激光通信就是把要傳輸?shù)男盘柗謩e轉(zhuǎn)換成紅外光信號和激光信號直接在自由空間沿直線進(jìn)行傳播，它比微波通信具有更強(qiáng)的方向性，難以竊聽、插入數(shù)據(jù)和進(jìn)行干擾，但紅外線和激光對雨霧等環(huán)境干擾特別敏感。

第37頁/共53頁2.5.7衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信就是利用位于3萬6千公里高空的人造地球同步衛(wèi)星作為太空無人值守的微波中繼站的一種特殊形式的微波接力通信。衛(wèi)星通信可以克服地面微波通信的距離限制，其最大特點(diǎn)就是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)。

衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是:衛(wèi)星通信的頻帶比微波接力通信更寬，通信容量更大，信號所受到的干擾也較小，誤碼率也較小，通信比較穩(wěn)定可靠。

衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)是：傳播時延較長。

第38頁/共53頁2.5.8VSAT衛(wèi)星通信

VSAT（VerySmallApertureTerminal，甚小口徑地球終端）是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來并于90年代得到廣泛應(yīng)用的新一代數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。VSAT網(wǎng)通常由一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、一個大型主站和大量的VSAT小站組成，能單雙向傳輸數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻等多媒體綜合業(yè)務(wù)。VSAT具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：設(shè)備簡單、體積小、耗電少、組網(wǎng)靈活、安裝維護(hù)簡便、通信效率高等，尤其適用于大量分散的業(yè)務(wù)量較小的用戶共享主站，所以許多部門和企業(yè)多使用VSAT網(wǎng)來建設(shè)內(nèi)部專用網(wǎng)。第39頁/共53頁圖2-15VSAT網(wǎng)絡(luò)組成第40頁/共53頁2.6差錯控制與校驗(yàn)

2.6.1基本概念2.6.2常用的差錯控制編碼第41頁/共53頁2.6.1基本概念

差錯控制編碼就是對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行抗干擾編碼，目的是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗(yàn)碼元，接收端利用該規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的譯碼，譯碼的結(jié)果有可能發(fā)現(xiàn)差錯或糾正差錯。

在差錯控制碼中，檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差錯的編碼，糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能夠自動糾正差錯的編碼。當(dāng)然，檢錯和糾錯能力是用信息量的冗余和降低系統(tǒng)的效率為代價來換取的。第42頁/共53頁2.6.2常用的差錯控制編碼

1．奇偶校驗(yàn)碼

奇偶校驗(yàn)碼是一種最簡單也是最基本的檢錯碼，一維奇偶校驗(yàn)碼的編碼規(guī)則是把信息碼元先分組，在每組最后加一位校驗(yàn)碼元，使該碼中1的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)時稱為奇校驗(yàn)碼，偶數(shù)時稱為偶校驗(yàn)碼。2．循環(huán)冗余碼

循環(huán)冗余碼（CRC，CyclicRedundancyCode）校驗(yàn)（Check）是目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信及存儲器中應(yīng)用最廣泛的一種校驗(yàn)編碼方法，它所約定的校驗(yàn)規(guī)則是：讓校驗(yàn)碼能為某一約定代碼所除盡；如果除得盡，表明代碼正確；如果除不盡，余數(shù)將指明出錯位所在位置。第43頁/共53頁表2-5（7,4）CRC循環(huán)碼的出錯模式（G（x）

=1011）第44頁/共53頁2.7信息交換技術(shù)

2.7.1線路交換2.7.2報(bào)文交換2.7.3分組交換2.7.4三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)的比較2.7.5其他數(shù)據(jù)交換技術(shù)第45頁/共53頁2.7.1線路交換

線路（電路）交換（CircuitSwitching）方式，就是通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在兩個站之間建立一條專用的通信線路最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)：（1）線路建立（2）數(shù)據(jù)傳送（3）線路拆除

第46頁/共53頁2.7.2報(bào)文交換

報(bào)文交換比線路交換有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）線路效率較高，因?yàn)樵S多報(bào)文可以分時共享一條節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的通道。（2）不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報(bào)文。（3）在線路交換網(wǎng)上，當(dāng)通信量變得很大時，就不能接受某些呼叫。（4）報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個報(bào)文發(fā)送到多個目的地。（5）根據(jù)報(bào)文的長短或其他特征能夠建立報(bào)文的優(yōu)先權(quán)，使得一些短的、重要的報(bào)文優(yōu)先傳遞。（6）報(bào)文交換網(wǎng)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。

第47頁/共53頁在虛電路中，數(shù)據(jù)在傳送以前，發(fā)送和接收雙方在網(wǎng)絡(luò)中建立起一條邏輯上的連接，但它并不是像電路交換中那樣有一條專用的物理通路，該路徑上各個節(jié)點(diǎn)都有緩沖裝置，服從于這條邏