江苏省计算机一级 第4章4.1 数字通信入门

1、第第4章章 计算机网络与因特网计算机网络与因特网 4.1 数字通信入门数字通信入门 4.2 计算机网络基础计算机网络基础 4.3 因特网的组成因特网的组成 4.4 因特网提供的服务因特网提供的服务 4.5 网络信息安全网络信息安全 2 4.1 数字通信入门 4.1 数字通信入门数字通信入门 4.1.1 通信的基本原理通信的基本原理 通信系统模型通信系统模型 有线通信与无线通信有线通信与无线通信 调制解调技术调制解调技术 多路复用技术多路复用技术 4.1.2 交换技术交换技术 3 4.1 数字通信入门 4.1.1 数字通信的基本原理数字通信的基本原理 (1) 通信的基本模型通信的基本模型 4 4

2、.1 数字通信入门 什么是通信什么是通信(communication)？ n 广而言之，通信就是信息的广而言之，通信就是信息的(远距离远距离)传递与交换传递与交换 n 现代通信现代通信使用使用电波或光波传递信息电波或光波传递信息的技术，也称为电的技术，也称为电 信（信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮），如电报、电话、传真、电子邮 件、件、QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信等，电视也可看作是一对多的单向通信 n 通信的发展历史：通信的发展历史： n 1836年，英国建成第一条电报线路年，英国建成第一条电报线路(Morse电报电报) n 1876年，美国人年，

3、美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话研制成可供实用的电话 n 20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信 n 1918年，出现收音机和无线电广播年，出现收音机和无线电广播 n 1938年，第一个电视台开始播出年，第一个电视台开始播出 n 1940s 出现彩色电视出现彩色电视 n 1960s 出现计算机网络出现计算机网络 5 4.1 数字通信入门 对通信系统的一般要求对通信系统的一般要求 n 远距离：传输距离要远远距离：传输距离要远 n 低成本：传输成本要低低成本：传输成本要低 n 高速度：从发生到接收的延迟时间要短高速度：从发生到接收的延

4、迟时间要短 n 可靠：传输的信息不能有错误可靠：传输的信息不能有错误 n 方便：任何时间和地点都能通信方便：任何时间和地点都能通信 n 安全：传输的信息要保密，不能泄漏安全：传输的信息要保密，不能泄漏 6 4.1 数字通信入门 通信系统的模型通信系统的模型 n 通信的三要素：通信的三要素： 信信 道道信源信源(宿宿)信宿信宿(源源) 信信 号号 信信 号号 n 举例举例: 信道的任务是迅速、可靠而信道的任务是迅速、可靠而 准确地将信号从信源传输到准确地将信号从信源传输到 信宿信宿 被传输的信息都必须以被传输的信息都必须以 某种电某种电(或光或光)信号的形信号的形 式才能进行传输式才能进行传输

5、发送信息发送信息 的设备的设备 接收信息接收信息 的设备的设备 有线电话有线电话移动电话移动电话计算机通信计算机通信 信源信源/信宿信宿电话座机电话座机手机手机计算机计算机 信号形式信号形式话音经电话机转话音经电话机转 换成为变化的电换成为变化的电 流信号流信号 话音经电话机转换成为话音经电话机转换成为 压缩编码后的数字信号压缩编码后的数字信号 编码并打包后的数字信编码并打包后的数字信 号号 信道构成信道构成电话线和中继器电话线和中继器 等传输设备等传输设备 无线电波、基站等无线电波、基站等双绞线、集线器、路由双绞线、集线器、路由 器、光纤等器、光纤等 7 4.1 数字通信入门 模拟信号与数字

6、信号模拟信号与数字信号 n 通信系统中被传输的信息必须转换成某种通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号电信号(或光信号或光信号) 才能进行传输才能进行传输 t 数字信号数字信号 信号信号 强度强度 模拟信号模拟信号 信号信号 强度强度 t n 电信号电信号(或光信号或光信号) 有两种形式：有两种形式： n 模拟信号模拟信号形式形式: 通过连续变化的物理通过连续变化的物理 量（如信号的幅度）来表示信息，例量（如信号的幅度）来表示信息，例 如人们打电话或者播音员播音时声音如人们打电话或者播音员播音时声音 经话筒经话筒(麦克风麦克风)转换得到的电信号；转换得到的电信号； n 数字信号数字信号形式

7、形式: 使用有限个状态使用有限个状态(一般一般 是是2个状态个状态)来表示（编码）信息，例来表示（编码）信息，例 如电报机、传真机和计算机发出的信如电报机、传真机和计算机发出的信 号都是数字信号号都是数字信号 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 8 4.1 数字通信入门 什么是数字通信？什么是数字通信？ n 数字通信数字通信通信终端之间以数字信号的形式进行通信通信终端之间以数字信号的形式进行通信 n 数字通信有数字通信有2种情况：种情况： n 终端设备发出和接收的都是数字信号，例如：计算机与计算机之间的终端设备发出和接收的都是数字信号，例如：计算机与计算机之间的 通信、手机与手机之间的通信

8、通信、手机与手机之间的通信 n 发送方发出的是模拟信号，但把它转换成数字信号后再进行传输；接发送方发出的是模拟信号，但把它转换成数字信号后再进行传输；接 收方把收到的数字信号转换成模拟信号后再予以处理和使用收方把收到的数字信号转换成模拟信号后再予以处理和使用 n数字通信技术的优点：数字通信技术的优点： n抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高 n灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输 n传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理传输的数字信号可以直接由计算机进

9、行存储、管理和处理 n数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高 n数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、 微型化，也降低了功耗微型化，也降低了功耗 9 4.1 数字通信入门 数字数字 调制调制 数字数字 解调解调 编码器编码器 解码器解码器 电磁波电磁波 电视信号电视信号 发射器发射器 电视信号电视信号 接收器接收器 载波载波 载波载波 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 电视机电视机 人造卫星人造卫星 数字通信技术数字通信技术 模拟模拟 信号信号 模拟模拟

10、 信号信号 数字通信技术应用举例（数字通信技术应用举例（1） n 卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号 数字信号经调制和复数字信号经调制和复 用后由天线发送至卫用后由天线发送至卫 星，再由卫星进行转星，再由卫星进行转 发，被卫星地面接收发，被卫星地面接收 站所接收；或者经过站所接收；或者经过 光纤和同轴电缆进行光纤和同轴电缆进行 传输传输 电视台的节目在传输之电视台的节目在传输之 前，先要把图像和伴音前，先要把图像和伴音 信号进行数字化，还要信号进行数字化，还要 进行数据压缩进行数据压缩 地面站对接收到的信号地面站对接

11、收到的信号 进行解调、解码后（或进行解调、解码后（或 同轴电缆送来的数字信同轴电缆送来的数字信 号经机顶盒处理后）恢号经机顶盒处理后）恢 复为模拟信号，再送到复为模拟信号，再送到 用户电视机上播放用户电视机上播放 10 4.1 数字通信入门 数字通信技术应用举例（数字通信技术应用举例（2） n 长途电话系统的中继通信长途电话系统的中继通信 PCM 编码器编码器 PCM 解码器解码器 PCM 编码器编码器 PCM 解码器解码器 多多 路路 复复 用用 器器 分分 路路 器器 光纤传输线路光纤传输线路 (中继线和长途线中继线和长途线) （本地电话局）（本地电话局）（本地电话局）（本地电话局） （用

12、户线）（用户线）（用户线）（用户线） 数字通信技术数字通信技术 模拟传输技术模拟传输技术模拟传输技术模拟传输技术 模拟声音信号在需要进模拟声音信号在需要进 行远距离传输之前，先行远距离传输之前，先 使用使用PCM编码器变换编码器变换 为数字信号形式（此过为数字信号形式（此过 程称为程称为“数字化数字化”） 接收方所在地区的交换接收方所在地区的交换 局使用解码器把数字信局使用解码器把数字信 号还原成模拟声音信号号还原成模拟声音信号 后，由用户线传输至接后，由用户线传输至接 听方的电话机听方的电话机 数字信号经调制和复数字信号经调制和复 用后，通过光纤传输用后，通过光纤传输 到接收方所在地区的到接

13、收方所在地区的 交换局，再经解调和交换局，再经解调和 分路处理，恢复为数分路处理，恢复为数 字信号字信号 11 4.1 数字通信入门 (2) 有线通信与无线通信有线通信与无线通信 需使用物理介质进行信号传输的是有线通信有线通信，例 如： 金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流 信号 光导纤维（简称光纤），传输光信号 在自由空间进行信号传输的是无线通信，无线通信，传输的 是电磁波信号 12 4.1 数字通信入门 传输介质的类型与特点传输介质的类型与特点 介质类型介质类型特点特点应用应用 有有 线线 通通 信信 双绞线双绞线成本低，易受外部高频电磁波成本低，易受外部高频电磁波 干扰，误码率较高；传

14、输距离干扰，误码率较高；传输距离 有限有限 固定电话本地回固定电话本地回 路、计算机局域路、计算机局域 网网 同轴电缆同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可传输特性和屏蔽特性良好，可 作为传输干线长距离传输载波作为传输干线长距离传输载波 信号，但成本较高信号，但成本较高 固定电话中继线固定电话中继线 路、有线电视接路、有线电视接 入入 光缆光缆传输损耗小，通讯距离长，容量传输损耗小，通讯距离长，容量 大，大，屏蔽特性非常好，屏蔽特性非常好，不易被窃不易被窃 听，重量轻，便于运输和铺设。听，重量轻，便于运输和铺设。 缺点是精确连接两根光纤很困难缺点是精确连接两根光纤很困难 电话、电视等通电话、电视等

15、通 信系统的远程干信系统的远程干 线，计算机网络线，计算机网络 的干线的干线 无无 线线 通通 信信 自由空间自由空间 使用微波、红外线、激光等，使用微波、红外线、激光等，建设建设 费用低，抗灾能力强，容量大，费用低，抗灾能力强，容量大， 无线接入使得通信更加方便无线接入使得通信更加方便. .但但 易被窃听、易受干扰易被窃听、易受干扰 广播，电视，移广播，电视，移 动通信系统，计动通信系统，计 算机无线局域网算机无线局域网 13 4.1 数字通信入门 双绞线和同轴电缆双绞线和同轴电缆 n 原理：利用电流原理：利用电流(电压电压)传输信息传输信息 n 双绞线分类双绞线分类 n 3类线类线(10

16、Mb/s)；5类线类线(100Mb/s)； 6类线类线(200Mb/s) n 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线；屏蔽双绞线 (STP) 同轴电缆同轴电缆 内层导线内层导线 金属屏蔽金属屏蔽外绝缘层外绝缘层 绝缘体绝缘体 n 同轴电缆分类同轴电缆分类 n 基带同轴电缆（基带同轴电缆（5050） n以前在以太网中使用以前在以太网中使用 n 宽带同轴电缆（宽带同轴电缆（7575） n有线电视网使用有线电视网使用 信号线信号线地线地线 套管套管 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 14 4.1 数字通信入门 光纤与光缆光纤与光缆 多根光纤多根光纤 保护层保护层 防止光泄漏的吸收外壳防止光泄漏的吸

17、收外壳 起保护作用的防护层起保护作用的防护层 外绝缘层外绝缘层 光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播 n 光导纤维（光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，光线的入射角足够大时，就会出现全反射， 重复此过程，光就沿着光纤传播下去重复此过程，光就沿着光纤传播下去） 纤芯纤芯 包层包层 保护层保护层 光波光波 n 光缆光缆 光光 纤纤保护层保护层 15 4.1 数字通信入门 光纤通信原理光纤通信原理 电信号电信号 驱动驱动 电路电路 光源光源 中继器中继器 输出输出 电路电路电信号电信号 发送单元发送单元(电电/光转换光转换)传输单元传输单元接收单元接收单元(光光/电转换电转换) 光调光调

18、 制器制器 光纤光纤 光纤光纤 放大放大 电路电路 光检光检 测器测器 n 光纤主要用于传输数字信号，光纤主要用于传输数字信号， 0信号或信号或1信号直接对光进行调制信号直接对光进行调制(即控制即控制 激光的通或断激光的通或断) n 光波的频率为光波的频率为10141015Hz，目前一束光每秒能携带，目前一束光每秒能携带2.5G或或10G的二进的二进 位信号，通过波分多路复用（位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量）技术还可达到更大的通信容量 在发送端，由需要传输在发送端，由需要传输 的数字信号（电信号）的数字信号（电信号） 去驱动一个光源（半导去驱动一个光源（半导 体激

19、光器或发光二极体激光器或发光二极 管），并对发出的光信管），并对发出的光信 号进行调制号进行调制 在接收端，信号经放大后在接收端，信号经放大后 由光检测器（半导体光电由光检测器（半导体光电 管）进行检测、解调，转管）进行检测、解调，转 换成电信号之后输出换成电信号之后输出 调制后的光信号通过光纤调制后的光信号通过光纤 进行传输，为了补偿光纤进行传输，为了补偿光纤 线路的损耗，消除信号失线路的损耗，消除信号失 真和噪声干扰，每隔一定真和噪声干扰，每隔一定 的距离要接入中继器的距离要接入中继器 16 4.1 数字通信入门 无线通信无线通信 n 原理：原理：数字数字( (或或模拟模拟) )信号信号使

20、用电磁波使用电磁波调制后进行调制后进行传输传输 1041051061071081091010101110121013101410151016 Hz 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 AM广播广播FM广播和广播和TV 卫星卫星 地面微波地面微波 光纤光纤 紫外线紫外线红外线红外线可见光可见光 微波微波 无线电波无线电波 超短波超短波中波中波短波短波 电磁波的种类与频率范围电磁波的种类与频率范围 无线电波无线电波: :10104 4 101011 11 (Hz) (Hz) 中波：中波： 0.3 0.3 3 (MHz) 3 (MHz) 短波：短波： 3 3 30 (MHz) 30 (MHz) 超短波：

21、超短波： 30 30 300 (MHz) 300 (MHz) 微波：微波： 0.3 0.3 300 (GHz) 300 (GHz) 红外线：红外线： 101011 11 101014 14 (Hz) (Hz) 可见光：可见光： 101014 14 (Hz) (Hz) 紫外线：紫外线： 101014 14 101016 16 (Hz) (Hz) 无线广播无线广播 电视、通信电视、通信 通信通信 17 4.1 数字通信入门 微波通信微波通信 n 微波：微波：300MHz300GHz范围内范围内 的电磁波，波长为的电磁波，波长为1 m1mm n特点：特点： n直线传直线传播播，不能沿地不能沿地 球表

22、面传播（无绕射球表面传播（无绕射 性），需要每隔性），需要每隔几十几十 公里公里设立一个中继站设立一个中继站 n容量大、可靠性高容量大、可靠性高 n建设费用低建设费用低 n抗灾能力强抗灾能力强 n应用：应用：长途电话、蜂窝移长途电话、蜂窝移 动电话、全数字高清晰度动电话、全数字高清晰度 电视电视（HDTV）等等 18 4.1 数字通信入门 卫星通信卫星通信 n 卫星通信卫星通信: : 中继站在人造地球卫星上的中继站在人造地球卫星上的 一种微波通信一种微波通信 n 优点：通信距离远、频带宽、容量大、优点：通信距离远、频带宽、容量大、 抗干扰强、通信稳定抗干扰强、通信稳定 n 缺点：造价高、技术复

23、杂、有较大延时、缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、 同步轨道卫星数目仅同步轨道卫星数目仅180180颗颗 赤道上方高度为赤道上方高度为35800公里的地方为公里的地方为地球同地球同 步轨道步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的卫星的运行周期与地球自转一圈的 周期相同周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不，在地面上看这种卫星好似静止不 动。一颗同步轨道卫星覆盖约动。一颗同步轨道卫星覆盖约120， 3颗同颗同 步定点轨道卫星步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面可以覆盖地球的几乎全部面 积，进行二十四小时的全天候通信积，进行二十四小时的全天候通信 19 4.1 数字通信入门 选讲：选讲： 卫星通

24、信的重要应用卫星通信的重要应用GPS n 例例美国研制美国研制GPS系统系统 n 24颗卫星在颗卫星在1.2万公里高空以万公里高空以12小时的周期小时的周期 绕地球运行绕地球运行 n 地面任意点在任何时刻都可同时观测到地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗颗 以上卫星以上卫星 n 原理：原理： n 由于卫星的位置是精确可知的，通过地面由于卫星的位置是精确可知的，通过地面 接收机可测得与卫星的距离，利用三维坐接收机可测得与卫星的距离，利用三维坐 标中的距离计算公式，就可以推导出接收标中的距离计算公式，就可以推导出接收 机的地理位置机的地理位置(经度、纬度和高程经度、纬度和高程) n 定位精度：定

25、位精度： n 民用大约几十米民用大约几十米 n 军用可高得多军用可高得多 20 4.1 数字通信入门 选讲：选讲： GPS卫星接收机卫星接收机 n 根据用途有：导航型、测地型、授时根据用途有：导航型、测地型、授时 型等型等 n 产品形式：独立的产品形式：独立的GPS导航仪，也可导航仪，也可 集成在电脑、手机、集成在电脑、手机、MP3(MP4)播放播放 器、甚至手表中器、甚至手表中 21 4.1 数字通信入门 个人移动通信个人移动通信 n 处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等 n 优点：克服通信终端位置对用户的限

26、制，快速和及时地传递信息优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息 基站基站 移动台移动台 （手机）（手机） 移动电移动电 话交换话交换 中心中心 公用电话网公用电话网 22 4.1 数字通信入门 蜂窝移动通信原理蜂窝移动通信原理 n 每每10km20km的区域称为单元（形似的区域称为单元（形似 蜂窝），单元的中央建有一个基站，该蜂窝），单元的中央建有一个基站，该 单元内所有手机都向该基站发送信号并单元内所有手机都向该基站发送信号并 接收基站发给的信号接收基站发给的信号 n 所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，所有单元既相互分割，又彼此有所交叠， 连成整个移动通信服务网连成整个移

27、动通信服务网 n 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移所有基站都通过微波或电缆、光缆与移 动交换中心通信动交换中心通信 n 手机每个时刻都处于某个特定单元的基手机每个时刻都处于某个特定单元的基 站控制之下，通话时使用两个频率（一站控制之下，通话时使用两个频率（一 个上行频率，一个下行频率），同一单个上行频率，一个下行频率），同一单 元内同一时刻的不同手机使用不同的频元内同一时刻的不同手机使用不同的频 率进行通信，相互不影响率进行通信，相互不影响 n 每个蜂窝单元中有每个蜂窝单元中有200 多个信道多个信道(GSM)。 n 相邻单元不允许使用相相邻单元不允许使用相 同的频率同的频率，不相邻单元不相

28、邻单元 的频率的频率允许允许重用重用 移动移动 交换交换 中心中心 电话交电话交 换中心换中心 23 4.1 数字通信入门 选讲：选讲： 第二代第二代移动通信系统移动通信系统 n 传输的是数字化的语音或文字信号传输的是数字化的语音或文字信号 n 使用频段：使用频段：900MHz/1800MHz，属于微波通信，属于微波通信 n 我国使用两种标准：我国使用两种标准： n GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通（欧洲移动通信系统，也称全球通) n已实现县以上城市的覆盖已实现县以上城市的覆盖, 接入号有接入号有139135、130 n采用频分多路复用技术采用频分多路复用技术(分为分为124个上下行信道个

29、上下行信道)和时分多路复用和时分多路复用(每个每个 信道信道8个连接个连接)，每个蜂窝理论上支持，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际可有个连接，实际可有200多个多个 n CDMA (码分多址接入，码分多址接入，Code Division Multiple Access) n所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输, CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列给每一手机分配一个唯一的码序列(扩频码扩频码)，用它对承载，用它对承载 信息的信号进行编码，实现相互间的区分信息的信号进行编码，实现相互间的区分 n抗干扰能力强，系统容量大

30、，接通率高，噪声小，抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小， 24 4.1 数字通信入门 第三代第三代移动通信系统移动通信系统（3G） n 第第2代移动通信的不足：代移动通信的不足： （1）数据传输速率过低（）数据传输速率过低（9.6kb/s或或57kb/s），仅可传输语音和文字），仅可传输语音和文字 （2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。 （3）不能实现覆盖全球的无缝连接）不能实现覆盖全球的无缝连接 n 3G的目标：的目标： （1）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨

31、率图像通信 （2）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务 （3）地面移动通信与卫星移动通信相结合，实现全球漫游）地面移动通信与卫星移动通信相结合，实现全球漫游 n 使用的频谱：使用的频谱：1885 MHz 2025MHz，2110MHz2200MHz n 传输速率：室内：传输速率：室内：2Mb/s，步行：，步行：384kb/s，快速移动：，快速移动：114kb/s n 我国采用的我国采用的3种技术标准：种技术标准： 中国移动中国移动TD-SCDMA(时分时分-同步码分多址接入同步码分多址接入)，自主知识产权，自主知识产权 中国电信中国电信CD

32、MA2000 中国联通中国联通W-CDMA 25 4.1 数字通信入门 (3) 调制解调技术调制解调技术 26 4.1 数字通信入门 数字通信采用的技术数字通信采用的技术 n数字调制数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）解调技术（调幅；调频；调相） n解决信号传得远的问题解决信号传得远的问题 n多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路） n提高传输线路使用效率、降低传输成本提高传输线路使用效率、降低传输成本 n交换技术（电路交换；分组交换）交换技术（电路交换；分组交换） n动态分配信道资源，提高传输效率和质量动态分配信道资源，提高传输效率和质量 n

33、模模-数和数数和数-模转换技术；模转换技术； n数字编码和数据压缩技术数字编码和数据压缩技术 27 4.1 数字通信入门 数字信号如何传输？数字信号如何传输？ n 近距离传输：近距离传输：直接直接(基带基带)传输传输 n 例如：例如：USB移动硬盘移动硬盘 主机主机 ；以太网数据传输；以太网数据传输 n 远距离传输：远距离传输：载波传输载波传输 n 例如：数字有线电视；电话拨号上网；例如：数字有线电视；电话拨号上网；ADSL上网上网 n 什么是什么是载波载波？ n 研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他 信号传送得更远。因此

34、若把高频振荡的正弦波信号作为携带信信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信 息的息的载波，载波，把数字信号放在把数字信号放在(调制调制在在)载波上传输，则可比直接载波上传输，则可比直接 传输的距离远得多传输的距离远得多 28 4.1 数字通信入门 数字信号的三种调制方法数字信号的三种调制方法 幅移键控幅移键控 频移键控频移键控 调制信号调制信号 (两个状态两个状态) 相移键控相移键控 载波信号载波信号 (高频正弦波高频正弦波) 调制后的调制后的 载波信号载波信号 传输传输 信号信号 解调器解调器 载波信号载波信号 调制后的调制后的 载波信号载波信号 传输传输 信号信号 调制器调制

35、器 载波信号载波信号 实现信号调制与解调的设备分别称为实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器调制器”和和“解调器解调器”： 29 4.1 数字通信入门 信信 道道信源信源(宿宿)信宿信宿(源源) 调制后调制后 的载波的载波 信号信号 接收到接收到 的载波的载波 信号信号 调制调制 (解调解调)器器 (调制调制) 解调器解调器 载波载波载波载波 小结小结1: 远距离通信必须使用远距离通信必须使用MODEM 通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调 器，它们通常做在一起，称为调制解调器器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM) 信源

36、信号通过信源信号通过调调 制器制器 调整载波调整载波 的某个参数的某个参数(幅幅 度、频率或相位度、频率或相位) 到达目的地后，使用到达目的地后，使用 解调器解调器把载波所携带把载波所携带 的信号检测出来，恢的信号检测出来，恢 复为原始信号的形式复为原始信号的形式 经过调制后的载波经过调制后的载波 信号，携带着被传信号，携带着被传 输的信号在信道中输的信号在信道中 进行长距离传输进行长距离传输 30 4.1 数字通信入门 (4) 多路复用技术多路复用技术 31 4.1 数字通信入门 怎样降低传输成本？怎样降低传输成本？ n分析：分析： n 通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本通信

37、系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本 的相当大的份额的相当大的份额 n 一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远远一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远远 超过传输超过传输1路用户信号所需的能力路用户信号所需的能力 n降低成本采用的技术降低成本采用的技术多路复用技术多路复用技术(Multiplexing) n 多路信号使用同一条传输线同时进行传输多路信号使用同一条传输线同时进行传输 n方法：方法： n 频分多路复用频分多路复用（FDM） n 时分多路复用时分多路复用（TDM） n 波分多路复用（波分多路复用（WDM） 32 4.1 数字通信入门 DEMUX MUX

38、共享的传输信道共享的传输信道 载波频率载波频率f1 调制调制 调制调制 载波频率载波频率fn 载波频率载波频率f1 解调解调 解调解调 载波频率载波频率fn f 频分多路复用频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, FDM) n 思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通 过频分多路复用器过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一将它们复合成为一个信号，然后在同一 传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)

39、把把 不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备 n 工作原理：工作原理： 将不同频率将不同频率 的载波信号的载波信号 合成在一起合成在一起 使用一组滤波器使用一组滤波器 分解出不同频率分解出不同频率 的载波信号的载波信号 33 4.1 数字通信入门 频分多路复用举例频分多路复用举例1 n 广播电台节目的发送与接收广播电台节目的发送与接收 频分多路复用频分多路复用 分路器分路器 (带通滤波器带通滤波器) 信号信号 发射发射 信号信号 接收接收 n 常见广播电台使用的载波频率常见广播电台使用的载波频率 n 中波中波 900 KHz(南京经济台南京经济台)

40、 中波中波1008 KHz (南京新闻台南京新闻台) n 短波短波 15.28 MHz(英国英国BBC) 短波短波 15.29 MHz(VOA美国之音美国之音) n 调频调频104.3MHz (南京体育台南京体育台) 调频调频105.8MHz(南京音乐台南京音乐台) 34 4.1 数字通信入门 频分多路复用举例频分多路复用举例2 n 电视节目的发送与接收电视节目的发送与接收 频道频道 载波频率载波频率(MHz)(MHz)频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz)频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz) 1 187.7587.755 5123.25123.259 9230.25230.25

41、 2 295.7595.75 6 6206.25206.251010238.25238.25 3 3103.75103.757 7214.25214.251111246.25246.25 4 4115.25115.258 8222.25222.251212254.25254.25 多多 路路 复复 用用 器器 解调器解调器 在天空中传输的在天空中传输的 电磁波器电磁波器 电视信号电视信号 发射器发射器 电视信号电视信号 接收器接收器 电视节目电视节目 调制器调制器 载波载波1 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 调制器调制器 载波载波2 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 调制器调制器 载波载

42、波n 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 电电 视视 调调 谐谐 器器 (分路器分路器) 35 4.1 数字通信入门 时分多路复用时分多路复用(Time Division Multiplexing, TDM) n 思想：各通信终端思想：各通信终端（计算机、电话计算机、电话）以规定的顺序和时以规定的顺序和时 间轮流使用同一传输线路进行数据传输间轮流使用同一传输线路进行数据传输 n 工作原理：工作原理： H F G E D C B A 传输线路传输线路 时间片时间片 G C 终端终端 1 终端终端 2 终端终端 3 终端终端 4 H D F B E A 多路复用器多路复用器 4 3 2 1 4 3

43、 2 1 数据数据 t Multiplexer 多路分路器多路分路器 终端甲终端甲 终端乙终端乙 终端丙终端丙 终端丁终端丁 E A F B G C H D Demultiplexer n 应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、 GSM手机、总线式以太网等手机、总线式以太网等 36 4.1 数字通信入门 发送方：发送方： 数据数据 时间时间 异步时分多路复用异步时分多路复用 数据发送方和接收方也可以数据发送方和接收方也可以异步地异步地进行信息传输。即：发送进行信息传输。即：发送 方有数据且信道有空闲时就发送，没有数据时即使轮到它，也方有数据

44、且信道有空闲时就发送，没有数据时即使轮到它，也 不占用信道。这样可以大大提高信道的利用率不占用信道。这样可以大大提高信道的利用率 实现方法：在被传输数据中必须附加上接收方的实现方法：在被传输数据中必须附加上接收方的“地址地址” 37 4.1 数字通信入门 波分多路复用波分多路复用(Wave Division Multiplexing, WDM) n 为提高传输效率，为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种 光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s n 原理：原理

45、： 光纤光纤 发送端有发送端有N个个 发送单元，它发送单元，它 们各自发出不们各自发出不 同波长的光波同波长的光波 通过复用器（称通过复用器（称 为合波器）合并为合波器）合并 起来，进入同一起来，进入同一 根光纤进行传输根光纤进行传输 接收端用分路器接收端用分路器(称为称为 分波器分波器)将不同波长的将不同波长的 光分开，分别送到各光分开，分别送到各 自的光电检测器恢复自的光电检测器恢复 出原始信号出原始信号 示意图示意图 复合光复合光 38 4.1 数字通信入门 小结小结2: 多路复用可以降低通信成本多路复用可以降低通信成本 n 通信系统的原理示意图通信系统的原理示意图 复用复用 （分路（分

46、路 信道信道 信源信源 （宿）（宿） 调制解调器调制解调器 信源信源 （宿）（宿） 调制解调器调制解调器 信源信源 （宿）（宿） 调制解调器调制解调器 复用复用 （分路（分路 信源信源 （宿）（宿） 调制解调器调制解调器 信源信源 （宿）（宿） 调制解调器调制解调器 信源信源 （宿）（宿） 调制解调器调制解调器 多路复用技术使得成千上多路复用技术使得成千上 万路通信可以在同一条传万路通信可以在同一条传 输线上同时进行，大大节输线上同时进行，大大节 省了通信成本省了通信成本 频分多路、时分多路和波频分多路、时分多路和波 分多路等技术可以同时使分多路等技术可以同时使 用，以提高复用效率用，以提高复

47、用效率 39 4.1 数字通信入门 4.1.2 分组交换原理分组交换原理 40 4.1 数字通信入门 通信系统中通信系统中“交换交换”的含义的含义 n “交换交换”(switching)的含义就是的含义就是转接转接把一条把一条 链路转接到另一条链路，使它们连通起来链路转接到另一条链路，使它们连通起来 n 从通信资源的分配角度来看，从通信资源的分配角度来看，“交换交换”就是按照某就是按照某 种方式种方式动态地分配传输线路的资源动态地分配传输线路的资源 n 常用的交换方式：常用的交换方式： n电路交换电路交换 n分组交换分组交换 交换机交换机 41 4.1 数字通信入门 什么是电路交换？什么是电路

48、交换？ n 电路交换的过程：电路交换的过程： n 建立连接建立连接 n 通信通信 n 释放连接释放连接 n 应用：电话通信应用：电话通信 ( ( ( ( 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A n 分析：分析： n 通话全过程中用户始终占用端到通话全过程中用户始终占用端到 端的传输信道端的传输信道 n 由于计算机数据传输具有突发性，由于计算机数据传输具有突发性， 不适合计算机数据通信不适合计算机数据通信 42 4.1 数字通信入门 什么是分组交换什么是分组交换(Packet Switching)? n 分组交换的要点：分组交换的要点： n 被传输的数据必

49、须划分为若干被传输的数据必须划分为若干“分组分组”(packet, 简称简称“包包”)进行进行 传输传输 n 每个分组中必须包含收、发双方的地址每个分组中必须包含收、发双方的地址 n 每个分组的格式如下：每个分组的格式如下： 有效载荷有效载荷(传输的数据传输的数据) 校验校验 信息信息 发送计算机发送计算机 地址地址 目的计算机目的计算机 地址地址 编号编号 n 分组交换示意：分组交换示意： 3 2 1 （c） 1 3 2 （b） 不同的包在不同链不同的包在不同链 路上进行传输路上进行传输 1 2 3 3 2 1 （d） 到接收方到接收方 后，再将后，再将 收到的包收到的包 按顺序组按顺序组

50、合在一起合在一起 3 2 1 3 2 1 （a） 发送方将发送方将 数据分成数据分成 3个包个包 表示分组交换机表示分组交换机 43 4.1 数字通信入门 分组交换与存储转发的过程分组交换与存储转发的过程 1. 发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机 2. 交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址：交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址： n若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机 n若目的地不是本分组交换机上的计算机，则若目的地不是本分组交换机上的计算机

51、，则选择一个输出端口选择一个输出端口，通过连，通过连 接该端口的高速数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在接该端口的高速数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在 对应的缓冲器中排队等候）对应的缓冲器中排队等候） 3. 下一台交换机收到数据包之后，重复过程下一台交换机收到数据包之后，重复过程2直到数据包到达目的计算机为直到数据包到达目的计算机为 止止 例例1：计算机：计算机C发送数据包发送数据包 给计算机给计算机H 例例2：计算机：计算机A发送数据包发送数据包 给计算机给计算机G 交交 换换 机机 1 1 1 2 3 4 1 2 3 4 5 交交 换换 机机 2 2 1 2 3

52、 4 1 2 3 4 5 交换机交换机3 3 1 2 3 4 5 1 2 3 4 交换机交换机4 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 高速数字通信干线高速数字通信干线 A B CDEFG H 44 4.1 数字通信入门 分组交换机中的分组交换机中的存储转发存储转发过程过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 交换机 主机 在交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机 H5在交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 45 4.1 数字通信入门 分组交换网中分组交换

53、网中传输路径传输路径的变化的变化 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 H2 向 H6 发送分组 注意分组路径的变化！ 交换机 主机 46 4.1 数字通信入门 实现分组交换的关键设备：实现分组交换的关键设备： 分组交换机分组交换机 n 分组交换机的任务是：负责包（分组）的转发分组交换机的任务是：负责包（分组）的转发 n 分组交换机的工作方式是：存储转发分组交换机的工作方式是：存储转发 + 路由选择路由选择 n 分组交换机的工作过程：分组交换机的工作过程： 1. 从输入端口收到一个包后，放入缓冲区从输入端口收到一个包后，放入缓冲区 2.

54、检查数据包的目的地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发检查数据包的目的地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发 3. 把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队 4. 输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发 送送 输输 入入 分分 组组 输输 出出 分分 组组 路由表及路由表及 路由选择协议路由选择协议 3 3 输入端口 1 12 2 交换结构交换结构 转发表转发表 分组处理分组处理 输出端口 1 1 3 3 2 2 47 4.1 数字通信入门 分组交换技术的优点和问题分组交换技术的优点和问题 n 优点：优点： n 高效高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 n 灵活灵活 以分组为传送单位和查找路由。以分组为传送单位和查找路由。 n 迅速迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 n 可靠可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络 有很好的生存性。有很好的生存性。 n 分组交换带来的