第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)2學(xué)習(xí)目標(biāo)信號(hào)分類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)通信分類：模擬通信和數(shù)字通信數(shù)據(jù)傳輸率及其表示多路復(fù)用技術(shù)：頻分、時(shí)分、波分?jǐn)?shù)據(jù)交換技術(shù)：電路、報(bào)文、分組調(diào)制解調(diào)器（modem）3本講主要內(nèi)容

基本概念數(shù)據(jù)通信理論多路復(fù)用數(shù)據(jù)交換技術(shù)傳輸介質(zhì)調(diào)制解調(diào)器4基本通信理論數(shù)據(jù)在信道中是以電信號(hào)的形式傳送的，電信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種。模擬信號(hào)是連續(xù)變化的電壓或電流波形數(shù)字信號(hào)是一系列表示數(shù)字“0”或“1”的電脈沖（又程碼元）。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)傳輸相比，其傳輸?shù)馁|(zhì)量高，是今后數(shù)據(jù)通信的發(fā)展方向。5數(shù)據(jù)通信中的幾個(gè)主要指標(biāo)

信號(hào)占據(jù)的頻率范圍，稱為信號(hào)的帶寬。信道帶寬是指在該通信線路上能不失真地傳送信號(hào)的頻率范圍

信號(hào)速率：單位時(shí)間里傳送信號(hào)波形的個(gè)數(shù)，單位為波特（baud）。

注意：帶寬為B的信道，要輸出數(shù)字信號(hào)，其采樣速度最高為2B即可（高于此則無意義）6數(shù)據(jù)通信中的幾個(gè)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸率：比特率，單位時(shí)間里傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位b/s、Kb/s、Mb/s，簡寫為bps、Kbps、Mbps。數(shù)據(jù)傳輸率和信號(hào)傳輸速率的關(guān)系：

S=2Blog2NS數(shù)據(jù)傳輸率，B信號(hào)傳輸速率，N電平個(gè)數(shù)7電平變化0011000110110000101001118信道容量用來表征一個(gè)信道傳輸數(shù)字信號(hào)的能力，它以數(shù)據(jù)傳輸速率作為指標(biāo)，即信道所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。理想信道的容量（Nyquist定理）

Rmax=2Blog2N（bps）

N最大數(shù)據(jù)率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps話音級(jí)線路的信道容量計(jì)算(3000Hz)數(shù)據(jù)通信中的幾個(gè)主要指標(biāo)91942年，Nyquist證明：如果一個(gè)任意信號(hào)通過帶寬為B的理想低通濾波器，若每秒取樣2B次，就可完整地重現(xiàn)該濾波信號(hào)。在理想的條件下(即無噪聲),有限帶寬為B的信道，其最大的數(shù)據(jù)傳輸速率C(信道容量)為

Cmax=2Blog2N（bps）

也稱奈奎斯特(Nyquist)定理或取樣定理。式中N是離散性信號(hào)或電平的個(gè)數(shù)。奈奎斯特(Nyquist)定理10

例1

對(duì)一個(gè)無噪聲的3000Hz信道，若傳送二進(jìn)制信號(hào)，試問可允許的數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？

解

由于傳送的二進(jìn)制信號(hào)是“1”、“0”兩個(gè)電平，所以N=2;又因?yàn)锽=3000Hz，則信道容量，即數(shù)據(jù)傳輸速率R=2Blog2N=6000(b/s)。舉例11例2

一個(gè)無噪聲的話音帶寬為4000Hz，采用8相調(diào)制解調(diào)器傳送二進(jìn)制信號(hào)，試問信道容量是多少？解

由于8相調(diào)制解調(diào)器傳送二進(jìn)制信號(hào)的離散信號(hào)數(shù)為8，即N=8，則信道容量，即數(shù)據(jù)傳輸速率R=2Blog2N=2×4000log28=24k（bps）。舉例12有噪聲信道容量（Shannon定理）

Rmax=Blog2(1+S/N)（bps）S/N（信號(hào)功率/噪聲功率）信噪比（dB分貝）

信噪比通常不用絕對(duì)值表示，而是10log10S/N表示，單位是分貝（dB）。對(duì)于S/N＝10的信道，稱其信噪比為10dB；同理，S/N＝100的信道，稱其信噪比為20dB；Shannon定理13傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標(biāo)誤碼率=傳錯(cuò)的位數(shù)/傳送的總位數(shù)Pe=Ne/N

數(shù)據(jù)通信中的幾個(gè)主要指標(biāo)14多路復(fù)用技術(shù)定義

復(fù)用就是共享使用公共信道

作用

采用多路復(fù)用技術(shù)，可以將多路信號(hào)組合在一條物理信道上進(jìn)行傳輸，到接收端再用專門的設(shè)備將各路信號(hào)分離開來，極大地提高了通信線路的利用率。15多路復(fù)用的基本概念16FDM(頻分復(fù)用)WDM(波分復(fù)用)TDM(時(shí)分復(fù)用)CDMA(碼分多址)DEMUX共享信道MUX復(fù)用技術(shù)主要有以下四類復(fù)用技術(shù)的分類17頻分多路復(fù)用當(dāng)信道帶寬大于各路信號(hào)的總帶寬時(shí)，可以將信道分割成若干個(gè)子信道，每個(gè)子信道用來傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)。CH2CH1CH3原始帶寬CH1CH2CH3頻分后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用f18頻分多路復(fù)用電話系統(tǒng)CH1CH2CH3f80848892每一路電話信號(hào)占用4KHz帶寬CCITT建議：每12路電話構(gòu)成一個(gè)基群(Group)，占用60-108KHz每5個(gè)基群（Group），構(gòu)成一個(gè)60路的超群(SuperGroup)，占用312－552KHz的頻帶；每5個(gè)超群，構(gòu)成一個(gè)300路的主群（MasterGroup），占用812－2044KHz的頻帶；每3個(gè)主群，構(gòu)成一個(gè)900路的超主群(Super-Master-Group)，占用8516－12388KHz的頻帶；每4個(gè)超主群，構(gòu)成一個(gè)3600路的巨群（Giant-Group），占用42612－59684KHz的頻帶（56K）；19時(shí)分多路復(fù)用當(dāng)信道能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸率大于各路信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率總和時(shí)，可以將使用信道的時(shí)間分成一個(gè)個(gè)的時(shí)間片，按一定規(guī)則將這些時(shí)間片分配給各路信號(hào)，每一路信號(hào)只能在自己的時(shí)間片內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行傳輸，這就是時(shí)分多路復(fù)用（TDM）。（TimeDivisionMultiplexing)20A2A1A3原始信號(hào)D2D1D3數(shù)字化信號(hào)MUX復(fù)用后數(shù)據(jù)時(shí)隙1234D3D2D1時(shí)分多路復(fù)用21統(tǒng)計(jì)TDM與同步TDM比較ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM帶寬浪費(fèi)A1B1C2B2周期1周期2統(tǒng)計(jì)TDM可用帶寬22數(shù)字載波標(biāo)準(zhǔn)T-標(biāo)準(zhǔn)：北美、日本E-標(biāo)準(zhǔn)：歐洲、中國、南美帶寬4kHz的電話信號(hào)，每秒采樣為8000次不失真地恢復(fù)話音信息→脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation→PCM）若每個(gè)采樣點(diǎn)用8位，則1路電話所需數(shù)據(jù)傳輸率：8＊8000＝64Kbps24路電話則要24個(gè)采樣值23DS-1幀channel#1channel#2.......channel#24定幀位193bits數(shù)據(jù)傳輸率=(24x8+1bit)/125ms=1.544Mbps8bit每個(gè)信道稱為DS0125ms因此可利用一條傳輸率為1.544Mbps的信道同時(shí)傳輸24路電話，這種24路電話復(fù)用一條1.544Mbps主干線路，稱為T1標(biāo)準(zhǔn)24T1載波系統(tǒng)PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1frame25復(fù)用到更高級(jí)線路012332104:14個(gè)T1(1.544Mbps)復(fù)用到一個(gè)T2（6.312Mbps）6個(gè)T2復(fù)用到一個(gè)T3（44.736Mbps）7個(gè)T3復(fù)用到一個(gè)T4（274.176Mbps）注意：每次向上一次復(fù)用會(huì)有幀定界及時(shí)鐘同步的開銷26E1-幀0121631125ms=32時(shí)隙=2.048Mbps幀同步信令信道30話音信道+2控制信道E1中，每30路電話復(fù)用1條2.048Mbps的E1線路－基群4個(gè)基群組成二次群E2（120路，8.448Mbps）4個(gè)二次群組成三次群E3（480路，34.368Mbps）4個(gè)三次群組成四次群E4（1920路，139.246Mbps）27數(shù)字傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率系統(tǒng)類型一次群二次群三次群四次群歐洲體制符號(hào)話路數(shù)數(shù)據(jù)率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美體制符號(hào)話路數(shù)數(shù)據(jù)率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.17628波分多路復(fù)用F1波分多路復(fù)用（WDM）（WavelengthDivisionMultiplexing）是FDM應(yīng)用于光纖信道的一個(gè)變例。不同的信源使用不同波長的光波來傳輸數(shù)據(jù)，各路光波經(jīng)過一個(gè)棱鏡或衍射光柵合成一個(gè)光束在光纖干道上傳輸，在接收端利用相同的設(shè)備將各路光波分開。29棱柱/衍射光柵F2F3光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖F1光纖波分復(fù)用示意圖采用無源設(shè)備，更可靠波分多路復(fù)用30碼分多址（CDMA）碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess）在CDMA中，每個(gè)比特時(shí)間又再分成m個(gè)碼片，每個(gè)站分配一個(gè)唯一的m比特碼序列，當(dāng)某個(gè)站欲發(fā)送“1”時(shí)，它在信道中發(fā)送它的碼序列，當(dāng)欲發(fā)送“0”時(shí)，它就發(fā)送它的碼序列的反碼。31電路交換：電路交換是在通信的雙方之間建立一條實(shí)際的物理通路，并且在整個(gè)通信過程中，這條通路被獨(dú)占。數(shù)據(jù)交換技術(shù)通信子網(wǎng)由傳輸線路和中間節(jié)點(diǎn)組成，當(dāng)信源和信宿間沒有線路直接相連時(shí)，信源發(fā)出的數(shù)據(jù)先到達(dá)與之相連的中間節(jié)點(diǎn)，再從該中間節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，直至到信宿，這個(gè)過程稱為交換。32數(shù)據(jù)交換技術(shù)報(bào)文交換：發(fā)送方先把待傳送的信息分為多個(gè)報(bào)文正文，在報(bào)文正文上附加發(fā)、收站地址及其他控制信息，形成一分完整的報(bào)文，以報(bào)文為單位在交換網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)間傳送。分組交換：將一個(gè)大報(bào)文分割成一定長度的分組，以分組為單位存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，在接收端再將各分組重新組裝成一個(gè)完整的報(bào)文33電路交換的基本框架34包括呼叫建立、信息傳送、連接釋放三個(gè)階段電路交換的過程1)呼叫建立階段主叫(CallingParty)用戶取機(jī)，聽撥號(hào)音，撥被叫(CalledParty)號(hào)碼。若被叫用戶不在同一個(gè)交換局，則A局(本地局)向B局(中轉(zhuǎn)局)發(fā)送占用信號(hào)，轉(zhuǎn)接被叫號(hào)碼，再由B局轉(zhuǎn)發(fā)到C局(遠(yuǎn)端局)。最終C局按被叫號(hào)碼向被叫發(fā)送振鈴信號(hào)。當(dāng)被叫用戶取機(jī)后，C局接收應(yīng)答信號(hào)，然后通知各局加以連接。352)通信階段此時(shí)始終在主叫與被叫用戶間保持這一條物理連接。

3)

連接釋放階段當(dāng)主叫或被叫任一方掛機(jī)，局間互送正向或反向拆線信號(hào)，經(jīng)證實(shí)后釋放連接。電路交換的過程36電路交換的基本處理過程主叫用戶A局B局C局被叫用戶撥號(hào)音撥號(hào)占用信號(hào)占用信號(hào)振鈴取機(jī)通話(信息傳送)被叫掛機(jī)反向拆線信號(hào)主叫掛機(jī)正向拆線信號(hào)掛機(jī)正向證實(shí)信號(hào)呼叫建立連接釋放回鈴音掛機(jī)37優(yōu)點(diǎn)：1、電路交換是一種實(shí)時(shí)交換，傳輸延遲小2、主、被叫用戶間建立端-端連接，共享信道電路交換的主要特點(diǎn)缺點(diǎn)：1、建立物理線路時(shí)間比較長，不適合突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸；2、預(yù)分配帶寬，即使無信息傳送也虛占電路，帶寬不能為其它用戶占用38

報(bào)文交換(MessageSwitch)不事先建立連接，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，它將數(shù)據(jù)做為一個(gè)整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報(bào)文存儲(chǔ)起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一交換設(shè)備，循環(huán)往復(fù)直，到數(shù)據(jù)到達(dá)目的地。專業(yè)說法：在報(bào)文交換節(jié)點(diǎn)接收一份份報(bào)文，予以存儲(chǔ)，再按報(bào)文的報(bào)頭(內(nèi)含收?qǐng)?bào)人地址、流水號(hào)等)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。報(bào)文交換39報(bào)文交換的基本處理過程40報(bào)文交換的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：線路利用率高；不需要同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可暫存；通信量大時(shí)仍可接收?qǐng)?bào)文，但傳輸延遲會(huì)增加；一份報(bào)文可發(fā)往多個(gè)目的地；交換網(wǎng)絡(luò)可對(duì)報(bào)文進(jìn)行速度和代碼等的轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)：中間節(jié)點(diǎn)必須具備很大的存儲(chǔ)空間；大報(bào)文的傳輸，增加小報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)種的延遲時(shí)間；當(dāng)信道誤碼率高時(shí)，頻繁重發(fā)。41報(bào)文和報(bào)文分組結(jié)構(gòu)由于分組長度較短，在傳輸出錯(cuò)時(shí)，檢錯(cuò)容易并且重傳花費(fèi)的時(shí)間較少；限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間利用率與傳輸效率；公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術(shù)。42分組交換工作原理43(1)能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通信；分組交換的特點(diǎn)(2)傳輸介質(zhì)利用率高，經(jīng)濟(jì)性好（動(dòng)態(tài)分配帶寬）；(3)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、可靠性高、交互性強(qiáng)（差錯(cuò)流量控制）分組交換的缺點(diǎn)：(1)由于采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，分組在網(wǎng)內(nèi)的平均時(shí)延較大；(2)每個(gè)分組有額外的開銷，且實(shí)現(xiàn)的技術(shù)比較復(fù)雜分組交換適宜于計(jì)算機(jī)通信的突發(fā)性或斷續(xù)性業(yè)務(wù)的需求，而不適合在實(shí)時(shí)性要求高、信息量大的環(huán)境中應(yīng)用。44調(diào)制技術(shù)將一種數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)哪撤N電信號(hào)形式，調(diào)制的方法：選取一個(gè)適合在線路上傳輸?shù)恼也ㄗ鳛檩d波，令載波的某些特征隨基帶信號(hào)的變化而變化。00110100010ASKFSKPSK45三種調(diào)制方式(1)幅度調(diào)制(AM，AmplitudeModulation)：簡稱調(diào)幅；使載波幅度隨原始的模擬數(shù)據(jù)(即調(diào)制信號(hào))的幅度變化，而載波的頻率不變(3)相位調(diào)制(PM，PhaseModulation)：簡稱調(diào)相；使載波相位隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。(2)頻率調(diào)制(FM，F(xiàn)requencyModulation)：簡稱調(diào)頻；使載波頻率隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。ASK-----Amplitude-ShiftKeying(幅移鍵控)46模擬傳輸和數(shù)字傳輸話音電話模擬模擬數(shù)據(jù),模擬信號(hào)數(shù)字Modem模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)字傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)模擬CODEC數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)47脈沖數(shù)字調(diào)制模擬話音采樣時(shí)鐘PAM信號(hào)PCM信號(hào)采樣電路量化和比較數(shù)字化聲音數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量好、價(jià)格低、便于數(shù)據(jù)的交換和處理，常常需要把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)來傳輸。48采樣信號(hào)：基于nyquist理論P(yáng)CM輸出（編碼）3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信號(hào)PAM脈沖（采樣）PCM脈沖（量化）011100011011001100脈沖編碼調(diào)制（PCM）49PCM轉(zhuǎn)化過程模擬話音BACDABCD采樣時(shí)鐘PAM信號(hào)PCM信號(hào)采樣電路量化和比較數(shù)字化聲音50網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本問題數(shù)據(jù)傳輸類型模擬通信數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信方式串行通信、并行通信單工通信、半雙工或全雙工通信同步方式同步通信異步通信51并行通信用于距離較近