第2章 计算机网络通信原理-2

1、网网 络络 技技 术术 顾顾 军，军， 张张 瑾瑾 计算机学院计算机学院 模拟数据模拟信号 放大器 调制器 模拟数据数字信号 PCM 编码器 数字数据模拟信号调制器 数字数据数字信号 数字 发送器 2.5 数据编码技术数据编码技术 n基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频带信号）来自信源的信来自信源的信 号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的 数据信号都属于基带信号。数据信号都属于基带信号。 n基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接 在信道上传送在信道上传送, ,传输距离比较短。例如：以太网传输距

2、离比较短。例如：以太网 2.5.1 数字信号模拟化调制数字信号模拟化调制 n基带信号往往包含有较多的低频成分，甚基带信号往往包含有较多的低频成分，甚 至有直流成分，而许多信道并不能传输这至有直流成分，而许多信道并不能传输这 种低频分量或直流分量。如果要经过模拟种低频分量或直流分量。如果要经过模拟 传输系统，首先必须对基带信号进行传输系统，首先必须对基带信号进行调制调制 (modulation)(modulation)。 n频带传输：调制成模拟信号后再传送，接频带传输：调制成模拟信号后再传送，接 收方需要解调收方需要解调 例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输 n频带信号频带信号把

3、基带信号经过载波调制后，把基带信号经过载波调制后， 把信号的频率范围搬移到较高的频段以便把信号的频率范围搬移到较高的频段以便 在信道中传输（即仅在一段频率范围内能在信道中传输（即仅在一段频率范围内能 够通过信道）。够通过信道）。 数字信号 载波 几种最基本的调制方法几种最基本的调制方法 n最基本的二元制调制方法有以下几种：最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而：载波的初始相位随

4、基带数字信号而 变化。变化。 对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法 010011100 基带信号 调幅 调频 调相 2.5.2 模拟信号数字化编码模拟信号数字化编码 n 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）是波形编码中最重要的一）是波形编码中最重要的一 种方式。现在的数字传输系统大多采用这一体制。种方式。现在的数字传输系统大多采用这一体制。 奈氏首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至奈氏首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至 少必须进行两次采样。香农于少必须进行两次采样。香农于1949年完全解决了这个问题。年完全解决了这个问题。 香农由此被成为信息论的创

5、始人。香农由此被成为信息论的创始人。脉冲控制理论脉冲控制理论也迅速发展也迅速发展 起来。起来。 Nyquist(奈奎斯特奈奎斯特)理论：理论：在理想的无噪声信道，若在理想的无噪声信道，若 f 是传是传 输媒体的最大传输频率输媒体的最大传输频率, 采样频率为采样频率为2*f 时，接收方才可以从时，接收方才可以从 采样脉冲信号中完全恢复原信号。采样脉冲信号中完全恢复原信号。 采样定理采样定理 信息论的信息论的香农（香农（SHANNON）采样定理：如果把随时间变化采样定理：如果把随时间变化 的信号波形用该信号所含最高频率的信号波形用该信号所含最高频率2倍的频率进行采样，就倍的频率进行采样，就 可以从

6、采样值通过插补正确地得到原信号的波形。可以从采样值通过插补正确地得到原信号的波形。 采样电路采样电路量化和编码量化和编码 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制）信号（脉码调制 信号）信号） -话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率) -量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示) -数据率：数据率：8000次次/s*8bit = 64Kb/s 每路每路PCM信号的速率信号的速率 = 64000bps PCM n采样信号：基于采样信号：基于nyquistnyquist理论理论 原始信号原始信号

7、 PAM脉冲（脉冲（采样采样） PCM 脉冲（脉冲（量化量化） 有量化差错有量化差错 PCM 输出（输出（编码编码） 数字载波标准数字载波标准 n用数字信号传输语音和数据的时分复用标准用数字信号传输语音和数据的时分复用标准 n为了有效地利用传输线路，通常总是将多个话路为了有效地利用传输线路，通常总是将多个话路 的的PCM信号用时分复用信号用时分复用TDM的方法封装成帧格式的方法封装成帧格式 ，然后再送往线路上一帧接一帧的传输。，然后再送往线路上一帧接一帧的传输。 n T-标准标准 北美、日本 n E-标准标准 欧洲、中国、南美 T1 帧 channel #1 channel #2 . . .

8、. . . . channel #24 多条多条T1线路复用到更高速率的载波线路复用到更高速率的载波 E1-帧 0121631 帧同步帧同步信令信道信令信道 30个话音信道个话音信道 + 2个控制信道个控制信道 n速率标准不统一，影响国际范围的高速数速率标准不统一，影响国际范围的高速数 据传输据传输 n不是同步传输。为了节约经费，采用的是不是同步传输。为了节约经费，采用的是 准同步方式。低速时收发双方时钟频率的准同步方式。低速时收发双方时钟频率的 微小差异影响不大，高速时问题就严重了。微小差异影响不大，高速时问题就严重了。 同步光纤网同步光纤网 SONET 同步数字系列同步数字系列 SDH P

9、CM数字传输系统的缺点：数字传输系统的缺点： 2.5.3 数字数据编码数字数据编码 基带传输在基本不改变数字数据信号频带（波基带传输在基本不改变数字数据信号频带（波 形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的 数据传输速率与系统效率。数据传输速率与系统效率。 （1）不归零制：用高电平（正电压）表示，用）不归零制：用高电平（正电压）表示，用 低电平（负电压）表示。低电平（负电压）表示。 缺点：缺点： n难以判断一位的结束和另一位的开始难以判断一位的结束和另一位的开始 n连续传送连续传送0或者或者1，那么在单位时间内将产生，那么在单位时间内将产生 累积

10、的支流分量，能使设备连接点产生电腐累积的支流分量，能使设备连接点产生电腐 蚀或者损坏。蚀或者损坏。 （2）逢）逢“1”变化的变化的NRZ码（码（DNRZ） nDNRZ码是一种码是一种NRZ码的改进形式，它是用信码的改进形式，它是用信 号的相位变化来表示二进制数据的，即在每位号的相位变化来表示二进制数据的，即在每位 开始时，逢开始时，逢“1”电平跳变，逢电平跳变，逢“0”电平不跳变。电平不跳变。 nDNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时提高码不仅保持了全宽码的优点，同时提高 了信号的抗干扰性和易同步性。了信号的抗干扰性和易同步性。 （3）曼彻斯特编码：是一种自同步编码方式，包括）曼彻斯特编码：是

11、一种自同步编码方式，包括 数据信息和时钟信息。数据信息和时钟信息。 方法：将每一个码元再分成两个相等的间隔，方法：将每一个码元再分成两个相等的间隔， 码元码元1前一间隔为高电平后一间隔为低电平；码前一间隔为高电平后一间隔为低电平；码 元元0前一间隔为低电平，后一间隔为高电平。前一间隔为低电平，后一间隔为高电平。 优点：接收端易接收同步信号，同时可根据优点：接收端易接收同步信号，同时可根据 信号判断是否违例（出错）。信号判断是否违例（出错）。 缺点：所占频带宽度比原始信号增加一倍。缺点：所占频带宽度比原始信号增加一倍。 应用：以太网应用：以太网 （4）差分曼彻斯特编码：）差分曼彻斯特编码： 编码

12、规则是：若码元为编码规则是：若码元为1，则其前半个码元的电，则其前半个码元的电 平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码 元为元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后，则其前半个码元的电平与上一个码元的后 半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个 码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。 优缺点：差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，优缺点：差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术， 但可以获得较好的抗干扰性能。但可以获得较好的抗干扰性能。 应用：令牌环网应用：令牌环网

13、2.6 多路复用技术多路复用技术 多路复用：在一个物理信道上传输多路信号多路复用：在一个物理信道上传输多路信号 （共享信道资源）。（共享信道资源）。 共享信道共享信道 信道信道 A1A2 B1B2 C1C2 信道信道 信道信道 A1A2 B1B2 C1C2 复用复用分用分用 (a) (a) 不使用复用技术不使用复用技术(b) 使用复用技术使用复用技术 2.6.1 频分复用频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing） 信道带宽分割：信道带宽分割：在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下， 可将该物理

14、信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同( (或略宽或略宽) )的子的子 信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。 频谱搬移：频谱搬移：多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号 的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不 同的频率调制每一个信号，每个信号要一个以它的载波频率为中心的一定带宽的同的频率调制每一

15、个信号，每个信号要一个以它的载波频率为中心的一定带宽的 通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。频分多路复用主要应频分多路复用主要应 用于模拟信号用于模拟信号。 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 CH2 CH1 CH3 原始带宽原始带宽 CH1 CH2 CH3 频分后带宽频分后带宽 MUX CH1 CH2 CH3 带宽复用带宽复用 f 2.6.2 时分复用时分复用TDM（Time Division Multiplexing） 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传若媒体能达到的位传输速率超过传

16、输数据所需的数据传 输速率，可采用时分多路复用输速率，可采用时分多路复用TDMTDM技术，即将一条物理信道技术，即将一条物理信道 按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一 时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间 上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。 频率 时间 BCDBCDBCDBCDAAAA TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 A2 A1 A3 原始信号 D2 D1 D3 数字

17、化信号 MUX 复用后数据复用后数据 时隙时隙1234 D3D2D1 时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉 传输模拟信号。传输模拟信号。 时分复用可能会造成时分复用可能会造成 线路资源的浪费线路资源的浪费 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 个时分复用帧 #1 a c b cd 时分复用 #2#3#4 用户 使用时分复用系统传送计算机数据时， 由于计算机数据的突发性质，用户对 分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 用户 A B C D

18、a b c d t t t t t 3 个 STDM 帧 #1 a c b ab bcacd #2#3 统计时分复用 2.6.3 波分复用波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing） 在光纤信道上使用的频分复用的一个变种。用来实现使用一根在光纤信道上使用的频分复用的一个变种。用来实现使用一根 光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。目前已经做到一根光光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。目前已经做到一根光 纤上复用纤上复用8080路甚至更多路数的光载波信号。路甚至更多路数的光载波信号。 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅 F2 F1 F3 光谱光谱 F1F2F3

19、 共享光纤的光谱共享光纤的光谱 光纤光纤2 光纤光纤3 光纤光纤1 共享光纤共享光纤 采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠 2.6.4 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) n码分多址码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access) n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此 不会造成干扰。不会造成干扰。 n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频 谱类似于白噪声，不易被敌人发现。谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n3G的技术

20、基础：的技术基础：CDMA2000，WCDMA，TD- SCDMA，WIMAX n每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片 (chip)。通常。通常m是是64或者或者128。 码片序列码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。码片序列。 如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片序列。码片序列。 如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反，则发送该码片序列的二进制反 码。码。 n例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 000

21、11011。 发送比特发送比特 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011， 发送比特发送比特 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100。 n惯例将惯例将0写为写为 -1，将，将1写为写为 +1 nS 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点的重要特点 n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同， 并且还必须互相正交(orthogonal)。 n在实用的系统中是使用伪随机码序列。 码片序列的正交关系码片序列的正交关系 n令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示其他表示其他 任何站的码片向量。任何

22、站的码片向量。 n两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的的 规格化规格化内积内积(inner product)都是都是 0： 0 1 1 m i iiT S m TS (2-4) 码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例 n令向量令向量 S 为为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量，向量 T 为为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(2-4)式就可看出这两式就可看出这两 个码片序列是正交的。个码片序列是正交的。 n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化任何一个码片

23、向量和该码片向量自己的规格化 内积都是内积都是1 。 n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内 积值是积值是 1。 正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 m i m i i m i ii m S m SS m 11 22 1 1) 1( 111 SS CDMA数据通信过程示例 n假定在一个CDMA系统中有很 三个站X、S、T在互相通信， 并且所有的站利用全球定位系 统GPS对所发送的码片序列进 行同步，即所有的码片序列都 在同一个时刻开始。 n设各自的码片向量为X、S、T， 均有三种工作状态： （1）发送比特1，即发送本站 的码片序列； （

24、2）发送比特0，即发送该站 码片序列的二进制反码； （3）什么也不发送（相当于没 有数据发送）。 CDMA 的工作原理的工作原理 (m=8) S 站的码片序列 S 110 t t t t t t m 个码片 tS 站发送的信号 Sx T 站发送的信号 Tx 总的发送信号 Sx + Tx 规格化内积 S Sx 规格化内积 S Tx 数据码元比特 发 送 端 接 收 端 S (Sx + Tx) = S Sx + S Tx 出现差错 010010 0100 还原后 的数据 t 接收到的 失真信号 010011100 t 发送的 基带信号 t 采样时刻 数据经过模拟传输系统后会出现差错数据经过模拟传输

25、系统后会出现差错 2.7 差错控制技术差错控制技术 2.7.1 差错产生的原因差错产生的原因 热噪声热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的 p 热噪声时刻存在，幅度较小且强度与频率无关，但 频谱很宽，是一类随机噪声。 p 热噪声引起的差错称随机差错随机差错。 p 孤立的、个别的 与热噪声相比，冲击噪声冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的 主要原因。 p 冲击噪声的持续时间要比数据传输中的每比特发送 时间要长（如外界磁场的变换、电源开关的跳变等）， 因而冲击噪声会引起相邻多个数据位出错。 p 冲击噪声引起的传输差错称为突发差错突发差错。 p 突发的、连续的 n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网

26、络传输数据为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据 时，必须采用各种差错控制措施。时，必须采用各种差错控制措施。 n差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错， 将差错限制在尽可能小的允许范围内。将差错限制在尽可能小的允许范围内。 n常用的差错控制方法有反馈检测、自动请求重发常用的差错控制方法有反馈检测、自动请求重发 （ARQ）和前向纠错（）和前向纠错（FEC）。）。 2.7.2 差错控制方法差错控制方法 反馈检测方法又称回送校验法反馈检测方法又称回送校验法 p双方在进行数据传输时，接收方将接收到的数据重新发回发送双方在进行数据传输时，接收

27、方将接收到的数据重新发回发送 方，由发送方检查是否与原始数据完全相符。如不相符，则发送方，由发送方检查是否与原始数据完全相符。如不相符，则发送 方发送一个控制信息通知接收方删去出错的数据。并重新发送该方发送一个控制信息通知接收方删去出错的数据。并重新发送该 数据；如相符，则发送下一个数据。数据；如相符，则发送下一个数据。 p特点：原理简单、实现容易、可靠性强，但开销大，信道利用特点：原理简单、实现容易、可靠性强，但开销大，信道利用 率低。率低。 自动请求重发简称自动请求重发简称ARQ(Automatic Repeat reQuest) p发送方将要发送的数据附加上一定的检错码一并发送，接收方则

28、根发送方将要发送的数据附加上一定的检错码一并发送，接收方则根 据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则返回请求重发的信息，据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则返回请求重发的信息， 发送方在收到信息后，重新传送数据；如没有发现差错，则发送下一发送方在收到信息后，重新传送数据；如没有发现差错，则发送下一 个数据。个数据。 p为保证通信正常进行，还需引入计时器和帧编号。为保证通信正常进行，还需引入计时器和帧编号。 p特点：使用检错码（常用的有奇偶校验码和特点：使用检错码（常用的有奇偶校验码和CRC码等）、必须是双码等）、必须是双 向信道、发送方需设置缓冲器。向信道、发送方需设置缓冲器。 前向

29、纠错简称前向纠错简称FEC(Forward Error Correction) p 发送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一发送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一 并发送，接收方则根据纠错码对数据进行差错检测，并发送，接收方则根据纠错码对数据进行差错检测， 如发现差错，由接收方进行纠正。如发现差错，由接收方进行纠正。 p 特点：使用纠错码（纠错码编码效率低且设备复特点：使用纠错码（纠错码编码效率低且设备复 杂）、单向信道、发送方无需设置缓冲器。杂）、单向信道、发送方无需设置缓冲器。 原理：原理： p 发送方对准备传输的数据进行抗干扰编码，即按某发送方对准备传输的数据进行抗干扰编码，即

30、按某 种算法附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。种算法附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。 p 接收方收到数据后进行校验，即检查信息位和附加接收方收到数据后进行校验，即检查信息位和附加 的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错 发生。发生。 差错控制编码分检错码和纠错码两种差错控制编码分检错码和纠错码两种 检错码是能自动发现差错的编码检错码是能自动发现差错的编码 纠错码是不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编纠错码是不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编 码。码。 2.7.3 差错控制编码差错控制编码 1. 奇偶校验码奇偶校验码 n奇

31、偶校验码是一种最简单的检错码。其原理是：奇偶校验码是一种最简单的检错码。其原理是： 通过增加冗余位来使得码字中通过增加冗余位来使得码字中“1”的个数保持为的个数保持为 奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。 例如，偶校验：例如，偶校验：11010100，11011011 n在实际使用时，奇偶校验可分为以下三种方式。在实际使用时，奇偶校验可分为以下三种方式。 (1) 垂直奇偶校验垂直奇偶校验 (2) 水平奇偶校验水平奇偶校验 (3) 水平垂直奇偶校验水平垂直奇偶校验 2. 循环冗余检验码循环冗余检验码 n在数据链路层传送的帧中，广泛使用了在数据链路层传送的帧中，广泛使用

32、了循循 环冗余检验环冗余检验 CRC 的检错技术。的检错技术。 n在发送端，先把数据划分为组。假定每组在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。个比特。 n假设待传送的一组数据假设待传送的一组数据 M = 101001（现（现 在在 k = 6）。我们在）。我们在 M 的后面再添加供差的后面再添加供差 错检测用的错检测用的 n 位位冗余码冗余码一起发送。一起发送。 帧检验序列帧检验序列 FCS n在数据后面添加上的冗余码称为在数据后面添加上的冗余码称为帧检验帧检验 序列序列 FCS (Frame Check Sequence)。 n循环冗余检验循环冗余检验 CRC 和帧检验序列和帧检验序列 FCS 并不等同。并不等同。 CRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS 是添是添 加在数据后面的加在数据后面的冗余码冗余码。 FCS 可以用可以用 CRC 这种方法得出，但这种方法得出，但 CRC 并非用来获得并非用来获得 FCS 的唯一方法。的唯一方法。 冗余码的计算冗余码的计算 n用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算， 这相当于在 M 后面添加 n 个 0。 n得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长 度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余 数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R