2.计算机网络基础教程-第2章_网络数据通信

1、1 第2章 网络数据通信 问题问题 原由原由 数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计 算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信 环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是 本章所要讨论的问题。本章所要讨论的问题。 本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、 数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技 术、数据交换技术和差错控制等技术。术、数据交换技术和差错控制等

2、技术。 教学教学 重点重点 能力能力 要求要求 掌握掌握: : 数据通信的基本概念数据通信的基本概念, ,数据传输与编码技术数据传输与编码技术. . 了解：了解：数据传输技术的发展趋势。数据传输技术的发展趋势。 熟悉熟悉: : 多路复用技术、数据交换技术、差错控制技多路复用技术、数据交换技术、差错控制技 术等。术等。 2 2.12.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 2.6 网网络数据传输络数据传输差错控制差错控制 2.5 网络数据交换网络数据交换 2.4 网络多路复用网络多路复用 2.2 数据调制与编码数据调制与编码 2.3 网络数据传输网络数据传输 3 知识结构 网网 络络 数数 据

3、据 通通 信信 数据通信的数据通信的 基本概念基本概念 网络数据网络数据 交换交换 数据传输带宽数据传输带宽 数据传输介质数据传输介质 数字传输的质量参数数字传输的质量参数 网络多路网络多路 复用复用 网络数据网络数据 传输传输 帧中继交换帧中继交换 分组交换分组交换 报文交换报文交换 电路交换电路交换 数据通信系统数据通信系统 信息、数据与信号信息、数据与信号 串行传输与并行传输串行传输与并行传输 数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制 模拟数据的模拟调制模拟数据的模拟调制 数字数据的数字编码数字数据的数字编码 数据调制数据调制 与编码与编码 频分多路复用频分多路复用 时分多路复用时分多路复用

4、 单向传输与双向传输单向传输与双向传输 同步传输与异步传输同步传输与异步传输 模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码 密集波分多路复用密集波分多路复用 码分多路得用码分多路得用 网络数据传网络数据传 输差错控制输差错控制 差错控制方法差错控制方法 差错检测方法差错检测方法 差错的产生于类型差错的产生于类型 ATM交换交换 4 2.1数据通信的基本概念 信息泛指那些通过各种方式传播的信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音可被感受的声音、文文 字字、图像图像、符号等所表征的某一特定事物的消息符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识情报或知识。 数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是

5、指所有数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有 输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为 模拟数据和数字数据两种。模拟数据和数字数据两种。 模拟数据：模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的在时间和幅值取值上都是连续变化的, 例如例如 声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。 数字数据：数字数据：在时间上是离散的在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的在幅值上是经过量话的, 它一般是由它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。构成的二进制代码组

6、成的数字序列。 5 信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述, 如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信 号两种。号两种。 图图 2-2 2-2 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形 t y （a）连续的模拟信号 t y （b）离散的数字信号 模拟信号：模拟信号：是一种连续是一种连续 变化的电脉冲序列，例如电话变化的电脉冲序列，例如电话 语音信号、电视信号等，它是语音信号、电视信号等，它是 随时间变化的函数曲线，如图随时间变化的函数曲线，如图 2-22-2（a

7、 a）所示。所示。 2.1.1 数字信号：数字信号：是离散的不是离散的不 连续的电信号连续的电信号, 通常用通常用“高高” 和和 “低低”电平脉冲序列组成的编电平脉冲序列组成的编 码来表示数据码来表示数据, 如图如图2-2(b)2-2(b)所所 示示。 6 2.1.2数据通信系统 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和 接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信 源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信

8、线 路称为信道。路称为信道。 在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰 影响。因此，数据通信系统的基本结构如图影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-32-3所示。所示。 图图 2-3 2-3 通信系统的基本结构通信系统的基本结构 数据数据+ +噪音噪音 噪音源噪音源 信信 源源信信 道道信信 宿宿 7 2.1.2数据通信系统 在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信 系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。 (1) (1)

9、模拟通信系统：模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属普通的电话、广播、电视等信号都属 于模拟信号于模拟信号, ,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。 模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及 噪音源组成，其基本结构模型如图噪音源组成，其基本结构模型如图2-42-4所示。所示。 图图 2-4 2-4 模拟通信系统结构模拟通信系统结构 信信 源源调制器调制器解调器解调器 信信 宿宿 信信 道道 噪音源噪音源 8 2.1.2数据通信系统 (2) (2) 数字通信系统：数字通信

10、系统：计算机通信、数字电话以及数字电视计算机通信、数字电话以及数字电视 等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字 通信系统通信系统。数字通信系统通常由信源数字通信系统通常由信源、编码器编码器、信道信道、解码器、解码器、 信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-52-5所示。所示。 图图 2-5 2-5 数字通信系统结构数字通信系统结构 信信 源源编码器编码器解码器解码器 信信 宿宿 信信 道道 噪音源噪音源 由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为由于数字信号不适合远距离传输，

11、所以在传输前将其变为 模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调 制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音 源组成，其结构模型如图源组成，其结构模型如图2-62-6所示。所示。 9 2.1.2数据通信系统 在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成 模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具 备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通

12、信系统备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统 中的连接如图中的连接如图2-72-7所示。所示。 信信 宿宿 噪音源噪音源 信信 道道 编编 码码 器器 信信 源源 译译 码码 器器 信信 源源 编编 码码 器器 信信 源源 解解 调调 器器 调调 制制 器器 信信 道道 信信 道道 译译 码码 器器 图图 2-6 数字通信系统结构模型数字通信系统结构模型 10 2.1.2数据通信系统 以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实 现模拟通信现模拟通信, ,还是实现数字通信还是实现数字通信, ,都涉及到一系列的技术问题，都涉

13、及到一系列的技术问题， 包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数 据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。 图图 2-7 2-7 调制解调器的功能作用调制解调器的功能作用 电话线电话线 电话交换网电话交换网 计算机计算机Modem 电话机电话机 ModemModem 电话机电话机 计算机计算机 电话线电话线 11 2.2数据调制与编码 在计算机中的数据是用二进制在计算机中的数据是用二进制0 0、1 1比特序列表示的，在物比特序列表示的，在物 理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在

14、线路上传输的数据理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据 有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道 与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适 应不同的传输特性应不同的传输特性),),在数据送入信道之前必须对其进行调制和在数据送入信道之前必须对其进行调制和 编码。在通信系统中编码。在通信系统中, ,数据的调制和编码可分为数据的调制和编码可分为4 4种基本形式：种基本形式： 数字数据的模拟调制数字数据的模拟调制 1 2模拟数据的模拟调制模拟数据的模拟

15、调制 3数字数据的数字编码数字数据的数字编码 模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码4 12 2.2.1数字数据的模拟调制 数字数据的调制基于调幅、调频、调相数字数据的调制基于调幅、调频、调相3 3种调制技术，分种调制技术，分 别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图2-102-10显示了对数显示了对数 字数据字数据“010010”“010010”进行不同调制方法的波形。进行不同调制方法的波形。 图图 2-10 2-10 数字数据的调制原理示意图数字数据的调制原理示意图 13 2.2.1数字数据的模拟调制 振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号振幅键控是

16、通过改变载波信号振幅来表示数字信号1 1、0 0。 例如，我们可以用载波幅度例如，我们可以用载波幅度UmUm表示数字表示数字1 1，用载波幅度，用载波幅度0 0表示数表示数 字字0 0。ASKASK信号波形如图信号波形如图2-102-10（a a）所示。所示。 其数学表达式为：其数学表达式为： 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信 号号1 1、0 0。例如，我们可以用角频率。例如，我们可以用角频率1 1t t表示数字表示数字l l，用角频率用角频率 2 2t t表示数字表示数字0 0。FSKFSK信号波形如图信号波形如图2-102-1

17、0（b b）所示。所示。 u(t)u(t)UmUmsinsin（1 1t t） 数字数字 1 1 0 0 数字数字 0 0 u( (t) ) 振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易信号实现容易, ,技术简单技术简单, ,但抗干扰能力较差但抗干扰能力较差。 14 2.2.1数字数据的模拟调制 其数学表达式为：其数学表达式为： 由于移频键控由于移频键控FSKFSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力信号实现容易，技术简单，抗干扰能力 较强，是目前最常用的调制方法之一。较强，是目前最常用的调制方法之一。 移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字

18、 信号信号1 1、0 0。如果用相位的绝对值表示数字信号。如果用相位的绝对值表示数字信号1 1、0 0，则称为，则称为 绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1 1、0 0，则，则 称为相对调相。称为相对调相。 UmUmsinsin（2 2t） 数字数字 0 0 UmUm sinsin（1 1t t） 数字数字 1 1 u(t)u(t) 15 2.2.1数字数据的模拟调制 UmUm sinsin（tt0 0） 数字数字 1 1 接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数 字信号值。绝对调

19、相波形如图字信号值。绝对调相波形如图2-102-10（c c）所示。所示。 绝对调相（绝对调相（Absolute PSKAbsolute PSK）：）：在载波信号在载波信号u(t)u(t)中中, , 为载波信号的相位。当表示数字为载波信号的相位。当表示数字1 1时时, ,取取0 0；当表示数字当表示数字0 0 时时, ,取取。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示： UmUmsinsin（tt） 数字数字 0 0 u(t)u(t) 相对调相（相对调相（Differential PSKDifferential PSK）：）：是用载波在两位数是用载波在两位数

20、 字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简 单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0 0，载波信号相位，载波信号相位 不变；两比特信号交接处遇不变；两比特信号交接处遇1 1，载波信号相位偏移，载波信号相位偏移。相对调相对调 相波形如图相波形如图2-102-10（d d）所示。所示。 16 2.2.1数字数据的模拟调制 在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常 采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组采用多相调制方法，将待发送的数字信

21、号按两个比特一组 的方式组织，两位二进制比特可以有的方式组织，两位二进制比特可以有4 4种组合，即种组合，即 0000、0101、1010、1111 每组是一个双比特码元，我们可以用每组是一个双比特码元，我们可以用4 4个不同的相位值个不同的相位值 去表示这去表示这4 4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中， 相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相 方法称为方法称为4 4相调制。相调制。 同理，如果将发送的数据每同理，如果将发送的数据每3 3个比特组成一个个比特组成一个3 3比特码比特码

22、 元组，元组，3 3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不 同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。 17 2.2.1数字数据的模拟调制 振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1 1、0 0。 例如，我们可以用载波幅度例如，我们可以用载波幅度UmUm表示数字表示数字1 1，用载波幅度，用载波幅度0 0表示数表示数 字字0 0。ASKASK信号波形如图信号波形如图2-102-10（a a）所示。所示。 其数学表达式为：其数学表达式为： U

23、mUmsinsin（1 1t t） 数字数字 1 1 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号 1 1、0 0。例如，我们可以用角频率。例如，我们可以用角频率1 1t t表示数字表示数字l l，用角频率用角频率2 2t t 表示数字表示数字0 0。FSKFSK信号波形如图信号波形如图2-102-10（b b）所示。所示。 0 0 数字数字 0 0 u(t)u(t) 振幅键控振幅键控ASKASK信号实现容易信号实现容易, ,技术简单技术简单, ,但抗干扰能力较差但抗干扰能力较差。 18 2.2.2模拟数据的模拟调制 对模拟数据进行模拟调

24、制的目的：其一是将低频信号搬迁对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁 到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过 调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、 调频和调相调频和调相3 3种方法来实现，如图种方法来实现，如图2-112-11所示。所示。 基带传输信号基带传输信号 高频载波信号高频载波信号 ( (a)a)振幅调制振幅调制 ( (b)b)频率调制频率调制 ( (c)c)相位调制相位调制 图图 2-11 2-11 模拟信号的模拟凋制模拟信号的模拟

25、凋制 19 2.2.2模拟数据的模拟调制 振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值 按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位 不变不变, ,幅值随调制信号的幅值变化而变化幅值随调制信号的幅值变化而变化, ,如图如图2-11(2-11(a)a)所示。所示。 频率调制是以原来的模拟数据为调制信号频率调制是以原来的模拟数据为调制信号, ,对载波的频率对载波的频率 按调制信号的频率进行调制按调制信号的频率进行调制, ,调制后载波信号的相位和幅值不调制后载波信号的相位和幅值不 变变，频

26、率随调制信号的幅值变化而变化，如图频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(2-11(b)b)所示。所示。 相位调制是以原来的模拟数据为调制信号相位调制是以原来的模拟数据为调制信号, ,对载波的相位对载波的相位 按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值 不变不变, ,相位随调制信号的幅值变化而变化相位随调制信号的幅值变化而变化, ,如图如图2-11(2-11(c)c)所示。所示。 20 2.2.3数字数据的数字编码 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的 波形表示，是用

27、高低电平的不同组合来表示二进制的方法。波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。 常用的编码方式主要有常用的编码方式主要有3 3种种：不归零编码不归零编码、曼彻斯特编码曼彻斯特编码 和差分曼彻斯特编码。和差分曼彻斯特编码。 不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时 间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归 零码可分为单极性和双极性两种：零码可分为单极性和双极性两种： 单极性不归零码单极性不归零码( (Single Polarity NRZ)Single Polari

28、ty NRZ)：是以无电是以无电 压（无电流）表示压（无电流）表示“0”“0”，而用恒定的正电压表示，而用恒定的正电压表示“1”“1”。 双极性不归零码双极性不归零码( (Double Polarity NRZ)Double Polarity NRZ)：是以负电是以负电 压表示压表示“0”“0”，而用恒定的正电压表示，而用恒定的正电压表示“1”“1”。 以上反之亦然，即负电压表示以上反之亦然，即负电压表示“1”“1”，正电压表示，正电压表示“0”“0” 。 21 2.2.3数字数据的数字编码 曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码

29、规则是：每个比特的周期规则是：每个比特的周期T T分为前分为前T/2T/2与后与后T/2T/2两部分；通过前两部分；通过前 T/2T/2传送该比特的反码，通过后传送该比特的反码，通过后T/2T/2传送该比特的原码。传送该比特的原码。 是对曼彻斯特编码的改进是对曼彻斯特编码的改进, ,它将时钟和数据包含在信号中它将时钟和数据包含在信号中, , 在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以 都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/21/2。 0 1 1 0 1 0 0 1 t O

30、 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 0 1 1 0 1 0 0 1 t O 22 2.2.3数字数据的数字编码 图图 2-12 2-12 数字数据的编码方法数字数据的编码方法 23 模拟信号模拟信号 PAMPAM信号信号 PAMPAM信号信号 数字信号数字信号 2.2.4模拟数据的数字编码 模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码 方法方法。由于。由于数字信号传输失真小数字信号传输失真小、误码率低误码率低、传输速率高传输速率高、便于便于 计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。计算机存储，所以将模拟数

31、据数字化已成为必然趋势。 模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（Pulse Pulse Code ModulationCode Modulation，PCM),PCMPCM),PCM的工作过程包括的工作过程包括3 3个步骤：采样、个步骤：采样、 量化与编码，其相应的波形信号如图量化与编码，其相应的波形信号如图2-132-13所示。所示。 图图 2-13-a PCM2-13-a PCM脉冲编码调制过程示意图脉冲编码调制过程示意图 采样速采样速 率率 8000t/8000t/ s s 指定数指定数 值给对值给对 应的应的 PAMPAM信号信号 将量

32、化将量化 值进行值进行 编码编码 24 2.2.4模拟数据的数字编码 采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续 变化的信号变化的信号, ,采样是隔一定的时间间隔采样是隔一定的时间间隔, ,将模拟信号的电平幅将模拟信号的电平幅 度值取出来作为样本度值取出来作为样本, ,让其表示原来的信号让其表示原来的信号。采样频率采样频率f f应为应为： f2Bf2B 或或 f fl lT2fT2f 式中：式中：B B为通信信道带宽；为通信信道带宽；T T为采样周期；为采样周期；f f为信道允许通为信道允许通 过的信号最高频率。过的信号最高频率。 量化是将

33、采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量 化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目 的是为每一个的是为每一个PAMPAM信号设定一个信号值。信号设定一个信号值。 25 2.2.4模拟数据的数字编码 量化之前要将信号分为若干量化级量化之前要将信号分为若干量化级, ,同时同时, ,要规定好每一要规定好每一 级对应的幅度范围。若量化范围在级对应的幅度范围。若量化范围在0 0127,127,则每个采样用则每个采样用7 7位位 二进制二进制(2(27 7128)128)来表示来表示, ,量化速

34、率需要量化速率需要5600056000bps(8000bps(80007)7)； 若量化的范围在若量化的范围在0 0255,255,则每个采样用则每个采样用8 8位二进制（位二进制（2 28 8256256） 来表示，量化速率需要来表示，量化速率需要6400064000bpsbps（800080008 8）。）。 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本 的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码 在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经在传送数字至数模转换器时，其

35、速率必须和采样时一样。经 过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。 【例例2-22-2】声音的带宽为】声音的带宽为40004000HzHz，采用频率为采用频率为80008000次次/ /s s，用用 8 8位二进制编码，则信道的数据传输速率为：位二进制编码，则信道的数据传输速率为： 8 8800080006400064000bpsbps64kbps64kbps。 26 图图 2-13-b PCM2-13-b PCM编码的典型应用编码的典型应用 27 数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内

36、容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和 数据传输质量参数等。数据传输质量参数等。 数据传输涉及的主要内容数据传输涉及的主要内容 数据传输数据传输 质量参数质量参数 传输方式传输方式 传输带宽传输带宽 传输媒介传输媒介 2.3网络数据传输 28 2.3.1数据传输介质 数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据 通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴 电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。电缆、双

37、绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。 同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介 质，可以通过专用的中同轴电缆质，可以通过专用的中同轴电缆( (俗称粗缆俗称粗缆) )或小同轴电缆或小同轴电缆( (俗称俗称 细缆细缆) )来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝 缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-142-14所示。所示。 保护层、屏蔽层、绝缘层、导体保护层、屏蔽层、绝缘层、导体 图图 2-14 2-14 同轴电缆结构示意图同轴电缆结

38、构示意图 同轴电缆的最大优点是抗同轴电缆的最大优点是抗 干扰性强干扰性强, ,而且支持多点连接。而且支持多点连接。 缺点是物理可靠性不好，缺点是物理可靠性不好， 所以现在基本上已被双绞线所所以现在基本上已被双绞线所 替代。替代。 29 2.3.1数据传输介质 双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2 2根、根、4 4根或根或8 8 根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺 旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。 双绞线是模拟和数字数

39、据通信最普通的传输媒体，它的主双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主 要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离 的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这 时就要使用中继器（时就要使用中继器（RepeaterRepeater）来放大信号和再生波形。）来放大信号和再生波形。 双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单， 所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输所以得到广泛的使用。在局

40、域网中一般也采用双绞线作为传输 媒体。双绞线可分为媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTPUTP（Unshielded Twisted Unshielded Twisted PairPair）和）和屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPSTP（Shielded Twisted PairShielded Twisted Pair）。）。 30 2.3.1数据传输介质 单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤 光纤是光导纤维（光纤是光导纤维（Fiber OpticsFiber Optics）的简称，采用光导纤维）的简称，采用光导纤维 作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、作为传输介质，是网络传

41、输介质领域中发展最快、性能最好、 应用前途最广泛的一种。光纤分为应用前途最广泛的一种。光纤分为单模单模（ 8.3/125um8.3/125um ）和）和多多 模模（ 50/125um50/125um，62.5/125um62.5/125um）两种。）两种。 31 名称名称传输介质传输介质最大段长度最大段长度每段节点数每段节点数 10Base5粗同轴电缆500米100 10Base2细同轴电缆185米30 10Base-TUTP100米1024 10Base-F光纤2000米1024 100Base-T4UTP100米 100Base-TXUTP100米 100Base-FX光纤2000米 10

42、00Base-SX光纤550米 1000Base-LX光纤5000米 1000Base-CXSTP25米 1000Base-TUTP100米 2.3.1数据传输介质 32 2.3.1数据传输介质 微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇 宙空间宙空间, ,其传播距离受到限制且与天线的高度有关其传播距离受到限制且与天线的高度有关, ,一般只有一般只有 5050kmkm左右左右, ,长途通信时必须建立多个中继站长途通信时必须建立多个中继站, ,中继站把前一站中继站把前一站 发来的信号经过放大后再发往下一站发来的信号经过放大后再发往下一站, ,

43、类似于类似于“接力接力”,”,所以所以 又把微波通信称为数字微波接力通信。如果中继站采用又把微波通信称为数字微波接力通信。如果中继站采用100100m m 高的天线塔，则接力距离可增大到高的天线塔，则接力距离可增大到100100kmkm，如图如图2-192-19所示。所示。 地球地球 视线传输视线传输 微波中继站 图图 2-19 2-19 地面微波接力通信地面微波接力通信 33 2.3.1数据传输介质 19451945年年, ,英国人阿塞英国人阿塞克拉克提出了利用卫星进行通信的克拉克提出了利用卫星进行通信的 设想。设想。19571957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星年，苏联发射了第一颗人造地

44、球卫星SputnikSputnik，使使 人们看到了实现卫星通信的希望。人们看到了实现卫星通信的希望。19621962年，美国成功地发射了年，美国成功地发射了 第一颗通信卫星第一颗通信卫星TelsatTelsat，试验了横跨大西洋的电话和电视传输试验了横跨大西洋的电话和电视传输 。由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖。由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖 面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址 通信与移动通信等优点，因此它在最近的通信与移动通信等优点，因此它在最近的3030多年里获得了迅速多年

45、里获得了迅速 的发展，并成为现代主要的通信手段之一。的发展，并成为现代主要的通信手段之一。 卫星通信是利用位于卫星通信是利用位于3 3万万6 6千公里高空的人造地球卫星作为千公里高空的人造地球卫星作为 太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。 卫星通信能克服地面微波通信的距离限制卫星通信能克服地面微波通信的距离限制, ,最大特点是通信距最大特点是通信距 离远离远, ,且通信费用与距离无关且通信费用与距离无关。卫星通信的组成如图卫星通信的组成如图2-202-20所示所示。 34 2.3.1数据传输介质 20 20世纪世纪8080

46、年代末发展了称为年代末发展了称为“甚小口径终端甚小口径终端”(”(VSATVSAT) )的的 新一代数字卫星通信系统，新一代数字卫星通信系统，9090年代广泛应用于远程计算机网年代广泛应用于远程计算机网 络中，如各国的大使馆与国内之间的通信都是通过络中，如各国的大使馆与国内之间的通信都是通过VSATVSAT来通来通 信的。信的。VSATVSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量 的的VSATVSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等 多媒体综合业务。多媒体综合业务。VSATVSAT网的基

47、本组成如图网的基本组成如图2-212-21所示。所示。 卫星 卫星地球站 卫星地球站3.6104km 地球地球 图图 2-20 2-20 卫星通信卫星通信 35 2.3.1数据传输介质 图图 2-21 2-21 VSATVSAT网的组成网的组成 36 2.3.1数据传输介质 VSATVSAT的小站和主站通过卫星转发器构成星型拓扑结构的小站和主站通过卫星转发器构成星型拓扑结构, ,主主 站采用大口径天线，且发射功率大，小口径天线发射功率小，站采用大口径天线，且发射功率大，小口径天线发射功率小， 小站与大站之间可以直接通信。小站与大站之间可以直接通信。 【例例2-32-3】卫星通信有较大的传播延时

48、，如果从地球站到卫】卫星通信有较大的传播延时，如果从地球站到卫 星的距离为星的距离为4000040000kmkm，那么从一个地球站经过卫星到另一个地那么从一个地球站经过卫星到另一个地 球站的传播时延有多大？球站的传播时延有多大？ 解：在自由空间中解：在自由空间中, ,电磁拨的传输速度为电磁拨的传输速度为300000300000km/skm/s，从从 一个地球站经过卫星到另一个地球站的距离为一个地球站经过卫星到另一个地球站的距离为 40000 40000kmkm2 280000km80000km 所以传播延时为所以传播延时为 80000 80000kmkm300000km/s300000km/s

49、267ms267ms。 37 2.3.1数据传输介质 传输介质传输介质带宽带宽 速率速率/ /工作工作 频带频带 性能性能传输距离传输距离 价格价格应用应用 双绞线双绞线 宽带宽带 基带基带 1Gb/s1Gb/s较好较好 模拟：模拟：10km10km 数字：数字：500m500m 低低 模拟模拟/ /数字数字 信号传输信号传输 5050铜轴电缆铜轴电缆 7575铜轴电缆铜轴电缆 基带基带10Mb/s10Mb/s较好较好3km3km低低基带数字信号基带数字信号 宽带宽带450MHz450MHz较好较好100km100km中中 模拟、数据、模拟、数据、 音频音频 光光 纤纤宽带宽带49Gb/s49

50、Gb/s很好很好2km2km以上以上高高高高 微微 波波宽带宽带4 46GHz6GHz好好几百几百kmkm中等中等中等中等 卫卫 星星宽带宽带1 110GHz10GHz很好很好18000km18000km高高高高 以上介绍了双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星通信以上介绍了双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星通信5 5 种介质，其区别如下：种介质，其区别如下： 38 2.3.2数据传输带宽 基带传输基带传输 频带传输频带传输 宽带传输宽带传输 基带传输是指数字脉冲信号在传输介质基带传输是指数字脉冲信号在传输介质 上保持数据波形按原样进行传输。上保持数据波形按原样进行传输。 频带传输指把数字信号调制

51、成模拟信号频带传输指把数字信号调制成模拟信号 后再发送和传输，到达接收端再把音频后再发送和传输，到达接收端再把音频 信号解调成原来的数字信号。信号解调成原来的数字信号。 宽带传输指比音频更宽的频带，若是采宽带传输指比音频更宽的频带，若是采 用用7575的的CATVCATV同轴电缆或光纤作传输介同轴电缆或光纤作传输介 质，带宽为质，带宽为300300MHzMHz。 在计算机网络中，根据传输介质的信道带宽可分为基带、在计算机网络中，根据传输介质的信道带宽可分为基带、 频带和宽带。局域网中主要采用基带和频带传输频带和宽带。局域网中主要采用基带和频带传输, ,有线电视和有线电视和 无线局域网中主要采用

52、宽带传输。无线局域网中主要采用宽带传输。 39 2.3.2数据传输带宽 数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的 参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、信道带宽、通参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、信道带宽、通 信容量、误码率、传输延迟等来衡量；可靠性一般用数据传输信容量、误码率、传输延迟等来衡量；可靠性一般用数据传输 的误码率指标来衡量；比特率和波特率是用来描述系统传输率的误码率指标来衡量；比特率和波特率是用来描述系统传输率 的参量。的参量。 数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。数据传输单位通常可用比特、码

53、元、码字、码字来表示。 比特比特：是二进制的缩写，即计算机常用术语是二进制的缩写，即计算机常用术语“位位”， 在数据通信中用来度量消息的信息量。在数据通信中用来度量消息的信息量。 码元：码元：是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位 的通称。例如二进制数字的通称。例如二进制数字10000011000001是由是由7 7个码元组成的序列。个码元组成的序列。 码字：码字：在在7 7位位ASCIIASCII码中，码中，10000011000001这这7 7个码元组成的序个码元组成的序 列代表字母列代表字母A A，通常将这个字母通常将这个字母A A称为称为“码字

54、码字”。 40 2.3.2数据传输带宽 数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，又称数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，又称 为比特率，用为比特率，用bpsbps标记，表示每秒传输的二进制位数，单位标记，表示每秒传输的二进制位数，单位 用比特用比特/ /每秒表示，它可由下式确定：每秒表示，它可由下式确定： )/(log/1 2 sbNTS 式中：式中：T T为数字信号脉冲重复周期；为数字信号脉冲重复周期；N N为一个脉冲信号代为一个脉冲信号代 表的有效状态数，是表的有效状态数，是2 2的整数倍。例如二进制的一个脉冲可的整数倍。例如二进制的一个脉冲可 以表示以表示“0”“0”和和“1

55、”“1”两个状态，故两个状态，故N N2 2。LogLog2 2N N为单位脉冲能为单位脉冲能 表示的比特数，如表示的比特数，如N N4 4时表示一个单位脉冲为时表示一个单位脉冲为2 2bitbit。 一个数字脉冲也称为一个码元，一个数字脉冲也称为一个码元，N N为一个码元所取的有为一个码元所取的有 效离散值个数效离散值个数, ,若一个码元仅可取若一个码元仅可取0 0和和1 1两种离散值两种离散值, ,则则N N2 2； 若一个码元可取若一个码元可取0000、0101、1010、1111四种离散值，则四种离散值，则N N4 4。 41 2.3.2数据传输带宽 【例例2-42-4】脉码调制系统】

56、脉码调制系统PCMPCM每秒钟测量取样每秒钟测量取样8008000 0次，量化次，量化 电平为电平为256256个，求数据传输率。个，求数据传输率。 解：信号周期解：信号周期T Tl l80008000，量化电平数量化电平数N N2562562 28 8 )/(log/1 2 sbNTS sKbitsbitS/64/800008 当一个码元仅取两种离散值时，当一个码元仅取两种离散值时，S=1S=1T T，表示数据传输表示数据传输 速率等于码元脉冲的重复频率。此时的速率等于码元脉冲的重复频率。此时的S S叫信号传输速率，叫信号传输速率， 也称码元率、调制速率或波特率，单位为波特也称码元率、调制速

57、率或波特率，单位为波特( (Baud)Baud)。若信若信 号码元的宽度为号码元的宽度为T T秒，则码元速率定义为：秒，则码元速率定义为： )(/1BaudTB 42 2.3.3数据传输的质量参数 调制速率也称为波形速率或码元速率，它是数字信号经调制速率也称为波形速率或码元速率，它是数字信号经 过调制后的传输速率，表示数据传输过程中线路上每秒钟传过调制后的传输速率，表示数据传输过程中线路上每秒钟传 送的波形个数。显然，波形持续时间越短，单位时间内传输送的波形个数。显然，波形持续时间越短，单位时间内传输 的波形数就越多，则数据传输速率也越高。数据传输速率与的波形数就越多，则数据传输速率也越高。数

58、据传输速率与 调制速率的区别与联系如图调制速率的区别与联系如图2-222-22所示。所示。 模拟信道模拟信道解调器解调器 调制速率调制速率 传输速率传输速率 计算机计算机调制器调制器 计算机计算机 图图 2-22 2-22 数据传输速率与调制速率的区别数据传输速率与调制速率的区别 43 2.3.3数据传输的质量参数 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占 用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（调制用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（调制 速率）表示。信道带宽由信道的物理特性所决定，例如电话速率）表示。信道带宽由信道

59、的物理特性所决定，例如电话 线路的频率范围在线路的频率范围在30030034003400HzHz，那么，它的带宽范围也在那么，它的带宽范围也在 30030034003400HzHz。信道宽度用信道宽度用W W表示。表示。 Capacity Capacity） 信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用时间信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用时间 内最大可传送的字节数来表示。信道容量由信道带宽内最大可传送的字节数来表示。信道容量由信道带宽F F、可使可使 用的时间用的时间T T以及信道质量决定。信道容量和信道带宽具有正比以及信道质量决定。信道容量和信道带宽具有正比 关系，带宽越宽，则容

60、量越大，传输效率也就越高。关于信关系，带宽越宽，则容量越大，传输效率也就越高。关于信 道容量的计算有两条著名的定理。道容量的计算有两条著名的定理。 44 2.3.3数据传输的质量参数 奈奎斯特奈奎斯特( (Nyquist)Nyquist)定理：定理：19421942年年, ,H.NyquistH.Nyquist证明，证明， 任何一个信号如果通过带宽为任何一个信号如果通过带宽为W W（HzHz）的理想低通滤波器，若的理想低通滤波器，若 每秒取样每秒取样2 2W W次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理 想条件下想条件下( (无噪音有限带宽无噪音有限带