第2章 数据通信基础——计算机网络课件

1、第第2章章 数据通信的基础知识数据通信的基础知识本章内容 数据通信系统数据通信系统 基本概念基本概念 传输介质传输介质 数据编码数据编码 多路复用技术多路复用技术 数据交换技术数据交换技术 差错控制差错控制 数据通信性能指标数据通信性能指标2.1数据通信系统数据通信系统源系统源系统 源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。 发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。目的系统目的系统 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。 终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。传输系统传输系统 可以是简单的物理通信线路 也可以是连接源系统和目的

2、系统之间的复杂网络设备噪声噪声源点源点发送器发送器信道信道接收器接收器终点终点源系统源系统目的系统目的系统数据通信过程数据通信过程5个阶段个阶段包含两项内容：包含两项内容：数据传输数据传输和和通信控制通信控制 过程过程 建立物理连接建立物理连接 建立数据传输链路建立数据传输链路 数据传输数据传输 双方确认通信结束，断开逻辑连接双方确认通信结束，断开逻辑连接 断开物理连接断开物理连接 2.2基本概念基本概念数据与信号数据与信号信道信道通信方式通信方式传输方式传输方式同步方式同步方式2.2.1数据与信号数据与信号信息（信息（Information）待传输的内容，如声音、图片。待传输的内容，如声音、

3、图片。数据（数据（Data）信息的表示形式，是传递（携带）信息的载体，有模拟数据信息的表示形式，是传递（携带）信息的载体，有模拟数据和数字数据之分。和数字数据之分。信号（信号（Signal）是数据传输的是数据传输的物理量物理量表示形式（通常为电编码），数据通过表示形式（通常为电编码），数据通过信号的形式在介质中传播，有模拟信号和数字信号之分。信号的形式在介质中传播，有模拟信号和数字信号之分。信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息信道信道模拟信号模拟信号 表示数据的表示数据的特征参量特征参量连续，包含无穷多个信号值连续，包含无穷多个信号值数字信号数字信号 表示数

4、据的表示数据的特征参量特征参量离散，仅包含有限数目的信离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二进制信号号值。最常见的是二进制信号ta） 模拟信号tb） 数字信号周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音信号）信号没有固定的模式和波形循环（如语音信号）tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt不同类型的不同类型的数据数据在不同类型的信道上传输在不同类型的信道上传输有有4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字

5、信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术语音语音放大放大,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据g(t)s(t)g(t)载波发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制调制调制：将：将低频低频的数字或模拟数据

6、变换为的数字或模拟数据变换为高频高频已调信号，以适已调信号，以适合传输的形式，按频率、幅度、相位调制。合传输的形式，按频率、幅度、相位调制。解调解调：将：将高频高频已调信号变换为已调信号变换为低频低频的数字或模拟数据。的数字或模拟数据。(b)uAM(t)f (t)tt(a)包络未调制001011Tb001ttt模拟调制模拟调制数字调制数字调制tOg( )A2t t2t t_twG()wtAt2t2t4O低频低频数字信号频谱数字信号频谱高频已调高频已调信号频谱信号频谱fO)( fGcfcf-信源编码信源编码：将模拟数据用数字信号表示的方法。将模拟数据用数字信号表示的方法。例例如如 PCM编码。编

7、码。数字编码（数字信号编码或信道编码）数字编码（数字信号编码或信道编码）：将数字数：将数字数据用数字信号表示的方法，使信号适合信道的传输据用数字信号表示的方法，使信号适合信道的传输，便于同步识别、纠错等。，便于同步识别、纠错等。解码解码：编码的逆过程。：编码的逆过程。EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码2.2.2 信道信道信道（信道（Channel）：传送信息的通道。：传送信息的通道。数字信道数字信道：以数字信号传输数据的信道。：以数字信号传输数据的信道。 计算机网络中主要采用数字信

8、道进行数据传输计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输模拟信道模拟信道：以模拟信号传输数据的信道。：以模拟信号传输数据的信道。 模拟电视、无线电广播、电话拨号线路模拟电视、无线电广播、电话拨号线路数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信 数字通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理

9、易于加密、保密性强易于加密、保密性强计算机通信仅在不得已的情况下，才会采计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。用模拟通信，如通过电话线拨号上网。2.2.3 通信方式通信方式单工单工数据单向传输数据单向传输（例：无线电广播）（例：无线电广播）半双工半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输传输（例：对讲机）（例：对讲机）全双工全双工数据可以双向同时传输数据可以双向同时传输（例：电话）（例：电话） 需要具有两条物理上独立的传输线路；需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，一般采用或

10、者需要具有一条物理线路上的两个信道，一般采用4线制，分别用于不同方向的信号传输。线制，分别用于不同方向的信号传输。发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式：单工方式：半双工方式：半双工方式：全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时不可同时基带传输：基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲不需调制，编码后的数字脉冲信号（基带信号）直接在信道上传送。信号（基带信号）直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）例如：以太网（局域网）频带传输频带传输：数字数据调制成：数字数据调制成高高频模拟信号频模拟信号后再传送

11、，接收方需要解调。后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据例如：通过电话网络传输数据宽带传输：宽带传输：把信号调制成频带为几十把信号调制成频带为几十MHZ到几百到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方的模拟信号后再传送，接收方需要解调。需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输2.2.4 传输方式传输方式tOg( )A2t t2t t_twG()wtAt2t2t4O数字信号频谱（基带）数字信号频谱（基带）数字语音信号频带为数字语音信号频带为64kHz数字调制数字调制1011Tb001ttt高频已调高频已调信号频谱（频带）信号频谱（频带）fO)( fGcfcf-宽带传输

12、宽带传输First-levelMUX1212-Second-levelMUX125-Third-levelMUX1210-BasicGroupSuperGroupMasterGroup(a)04 kHzf(b)12111098765432160 kHz108 kHz48 kHzBasic Group A(LSB)121110987654321196 kHz148 kHzBasic Group B(USB)(c)12121212121111112345Super Group 2(LSB)312 kHz552 kHz12121212121111112345Super Group 2(USB)300

13、 kHz60 kHz(d )Voice Channel北美多路载波电话系统同步的目的：使接收端严格按发送端的同步的目的：使接收端严格按发送端的时间时间基准基准 (包括开始时间、位边界、重复频率等包括开始时间、位边界、重复频率等)接收数据。接收数据。数据通信中需要在三个层次上实现同步：数据通信中需要在三个层次上实现同步： 位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 帧帧(Frame)帧同步帧同步2.2.5 同步方式同步方式同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部t码元码元1 1码元码元2

14、码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲t 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0ttttt 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0t目的：目的：使接收端与发送端的使接收端与发送端的每一位数据每一位数据保持同步，保持同步，识别码位识别码位 的边界的边界。 外同步外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来的同步信号来锁定锁定自己的时钟脉冲频率。自己的时钟脉冲频率。 发送站 同步信号数据接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收站收到的数据数据位同步位同步 自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编

15、码），使数据编通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号中提取同从数据编码信号中提取同步信号步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。来锁定自己的时钟脉冲频率。 位同步位同步0 0 1 1 1 0 1 0 0目的：目的：找到正确的字符找到正确的字符边界，边界，识别完整的字符识别完整的字符。起止式（异步式）：每个字符按照起止式（异步式）：每个字符按照独立的整体独立的整体进行发送，进行发送，字符间隔时间可变。字符间隔时间可变。采用这种采用这种异步式异步式同步方式的通信也称同步方式的通信也称“异步通信异步通信”。 1个起始位，个起始位，58个

16、数据位，个数据位，1、1.5或或2个停止位。个停止位。起止式的优缺点：起止式的优缺点： 每个字符开始时都会重新获得同步，频率的漂移不会积累。每个字符开始时都会重新获得同步，频率的漂移不会积累。 增加了辅助位，且每两个字符之间的间隔时间不固定，所以传输效增加了辅助位，且每两个字符之间的间隔时间不固定，所以传输效率低。率低。起始位起始位数据位数据位停止位停止位字符间隔不固定字符间隔不固定1个字符时间个字符时间逻辑逻辑“0”逻辑逻辑“1”字符同步字符同步同步式：字符同步式：字符成组成组进行发送，字符间进行发送，字符间无间隔无间隔时间。发送时间。发送每每组字符前，先发送由一个或多个字符组成的同步字符，

17、收组字符前，先发送由一个或多个字符组成的同步字符，收到接收端的同步确认信号后，开始发送第一个字符，直到到接收端的同步确认信号后，开始发送第一个字符，直到结束字符。结束字符。传输效率高。传输效率高。字符同步字符同步目的目的：识别一个帧的起始和结束（：识别一个帧的起始和结束（边界边界）帧（帧（Frame）：数据链路中的传输单位：数据链路中的传输单位包含包含数据和控制信息的一定大小和格式的数据和控制信息的一定大小和格式的数据块。数据块。 面向字符的帧面向字符的帧以同步字符（以同步字符（SYN，16H）来标识）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。 面向

18、比特的帧面向比特的帧以以特殊位序列特殊位序列（7EH，即，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和0 n bit8bit8bit832m7EH7EH帧同步帧同步2.3 传输介质传输介质l金属导体金属导体双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质微波、卫星、红外线微波、卫星、红外线同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable，CC） 计算机网络中使用计算机网络中使用基带同轴电缆基带同轴电缆阻抗50，应用于总线型局域网（以太网），应用

19、于总线型局域网（以太网），10Mb/s，1000m，以被双绞线或光纤所替代。，以被双绞线或光纤所替代。 宽带宽带同轴电缆：同轴电缆：阻抗75，屏蔽层用铝箔缠绕而成，应用于有线电视， 500MHz，100km。抗电磁辐射能力强。铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套双绞线双绞线（Twist Pair，TP）螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线每根每根4对、对、25对、对、1800对对典型连接距离典型连接距离100m（LAN）RJ45插座、插头插座、插头优缺点：优缺点： 成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易安装容易 连接距离短连接距离短应用领域：电话网络（

20、应用领域：电话网络（2对）、计算机局域网（对）、计算机局域网（2、4对）对）内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，安装困难双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛光纤光纤（Optical Fiber，OF） 依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点：优缺点：传输带宽高传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小传输损耗小，适合长距离传输（几十公里甚至上百公里），适合长距离传输（几十公里甚至上百公里）

21、抗干扰性能极好、误码率低、保密性好抗干扰性能极好、误码率低、保密性好轻便轻便价格较高价格较高需要光电转换需要光电转换 纤芯材料：纤芯材料：石英玻璃石英玻璃 （高纯玻璃）（高纯玻璃）包层，折射率低纤芯，折射率高 纤芯纤芯8-100um石英玻璃丝石英玻璃丝 包层包层125um多层多层反射反射玻璃纤维玻璃纤维 纤芯加包层总直径不到纤芯加包层总直径不到0.2mm折射角大于入射角折射角入射角光纤传输原理光纤传输原理光的反射光的反射 光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时，光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时，折射角大于入射角。当入射角折射角大于入射角。当入射角临界值时临界值时产生全产生全反射反射，

22、不会泄漏。，不会泄漏。纤芯纤芯折射率高，玻璃包层折射率高，玻璃包层折射率低折射率低 亮度调制：有光脉冲为亮度调制：有光脉冲为1 1，无光脉冲为，无光脉冲为0 0。 单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤 光源：波长光源：波长850nm/1300nm/1500nm衰减较小的衰减较小的3个波段。个波段。 应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接多模光纤多模光纤(MMF)单模光纤单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检

23、波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播不产生反射不产生反射单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套外套加强芯加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束无线介质无线介质（信号在信号在大气或外层空间大气或外层空间自由传播）自由传播） 使用电磁波携带信息使用电磁波携带信息 优缺点：优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔微波通信微波通信 主要是主要是直线直线传播传播 通过地面站之间接力通过地

24、面站之间接力传送传送 接力站之间距离：接力站之间距离：50 100 km，100m高天线可达高天线可达100 km地面站之间的地面站之间的直视直视线路线路 微波传送塔微波传送塔采用地球同步卫星作为中继器的微波通信采用地球同步卫星作为中继器的微波通信 与地面站相对固定位置 使用三颗卫星即可覆盖全球 传输延迟时间长（270ms） 应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784km地球地球电磁波波谱 无线电波105红外线1010可见光紫外线1015X射线1020宇宙射线1025f/Hz/m3103310 2(3.87.8)10 7310 7310 12310 17= c/ f （ c为自由空间

25、的光速为自由空间的光速 c3108 ms）激光传输 将激光束调制成光脉冲传输数据 特点：激光的频率更高，可获得更高的带宽激光束的方向性好，不受电磁干扰的影响，不怕窃听 受天气影响，如有雾时能见度低只能在短距离通信中使用 红外线通信红外线通信红外线传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统 ，信号不能穿越墙壁。特点： 红外通信的设备相对便宜，可获得较高的带宽 传输距离有限，而且易受室内空气状态（例如有烟雾等）的影响 。短波通信短波通信 直线直线传播传播 频率比微波低，通信距离和带宽比微波小 基站与终端之间通信采用无线链路 应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆

26、盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端常用传输介质的比较常用传输介质的比较传输介质传输介质传输方式传输方式速率速率/工作频带工作频带传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用双绞线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s模拟模拟: 10km数字数字: 500m较好较好低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆基带基带10Mb/s3km较好较好较低较低基带数字信基带数字信号号75同轴电缆同轴电缆宽带宽带450MHz100km较好较好较低较低模拟电视、模拟电视、数据及音频数据及音频光纤光纤基带基带40Gb/s20km以上以上很好很好较高较高远距离高速

27、远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带46GHz几百几百km好好中等中等远程通信远程通信卫星卫星宽带宽带110GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信2.4数据编码数据编码数字数据的数字信号编码（数字数据的数字信号编码（信道编码信道编码）使数字数据能在数字信道上传输使数字数据能在数字信道上传输数字数据的数字数据的调制调制编码编码使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输模拟数据的数字信号编码（模拟数据的数字信号编码（信源编码信源编码）使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输2.4.1 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码不归零码（不归零码（No

28、n-Return to Zero， NRZ ） 二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示；分别用两种电平来表示；常用常用5V表示表示1，5V表示表示0； 缺点：缺点：单极性时单极性时存在直流分量，传输中不能有变压器存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；或电容；不具备自同步机制不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。，传输时必须使用外同步。2.4.1 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester Coding） 用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间发生跳变每个码元的中间发生跳变高高低的跳变代表低的跳变代表1，

29、低，低高的跳变代表高的跳变代表0 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种提取出来作为同步信号。这种编码也称为编码也称为自同步自同步码码（Self-Synchronizing Code）。）。 缺点：需要缺点：需要双倍的传输带宽双倍的传输带宽（即信号速率是数据（即信号速率是数据速率的速率的2倍）。倍）。2.4.1 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC） 用用码元开始处有无跳变来表示码元开始处有无跳变来表示0和和1

30、，有跳变代表，有跳变代表0，无跳变代表，无跳变代表1。 每个码元的中间仍要发生跳变每个码元的中间仍要发生跳变。 既是接收的信号电平完全反向，也不影响正确接既是接收的信号电平完全反向，也不影响正确接收，收，抗干扰能力强抗干扰能力强。三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图2.4.2 数字数据的调制编码数字数据的调制编码数字数字ModulatorDemodulator数字数字g(t)s(t)g(t)载波发送方发送方接收方接收方调制器调制器解调器解调器2.4.2 数字数据的调制编码数字数据的调制编码三种常用的三种常用的数字数字调制技术调制技术： 幅移键控ASK （Amplitude Shift Ke

31、ying） 频移键控FSK （Frequency Shift Keying） 相移键控PSK （Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号载波信号 S(t) = Acos(w wt+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率w w 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、w w 或或 随数字基带信号的变化而变化随数字基带信号的变化而变化 ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0和和1 FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1 PSK：用载

32、波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0和和1幅移键控ASK2.4.3 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。数字信号。PCM编码：编码： 采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样，模拟信号经：按一定间隔对语音信号进行采样，模拟信号经抽样转换为抽样转换为时间上离散的模拟信号时间上离散的模拟信号。 量化量化：用有限种类的电平来近似地表示模拟采样值，：用有限种类的电平来近似地表示模拟采样值，把每个样本舍入到最接近的量化级别上，得到时间上把每个样本舍入到最接近的量化级别上，得到时间上、幅度上

33、都离散的、幅度上都离散的数字信号数字信号。 编码编码：用一定位数的二进制码组来表示量化值。编码：用一定位数的二进制码组来表示量化值。编码后的信号称为后的信号称为PCM信号（信号（ Pulse Coded Modulation，脉码调制）。，脉码调制）。2.4.3 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码奈奎斯特采样定理：奈奎斯特采样定理： 如果模拟信号的如果模拟信号的最高频率为最高频率为F，若以，若以2F的采样的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。就能完整地恢复出原始信号。PCM编码过程PCM编码采用非均匀量化：量化

34、间隔不相等的量化，使小信号时的量化误差减小，提高小信号量化信噪比。0tX(t)ab0 x1x2x3x4x1m2m3m4m语音信号的数字化语音信号的数字化 语音带宽语音带宽f2倍语音最大频率）倍语音最大频率） 样本量化级数：样本量化级数：256级（级（8b/每样本）每样本） 数据率：数据率：8000次次/s8b = 64kb/s每路每路PCM信号的速率信号的速率 = 64kb/s采样电路采样电路量化和编码量化和编码2.5 多路复用技术多路复用技术多路复用多路复用：多个信息源共享一个公共信道，：多个信息源共享一个公共信道，提高线路利用率提高线路利用率DEMUX复用器复用器分用器分用器共享信道共享信

35、道MUX信信源源信信宿宿复用的基本思想：复用的基本思想： 把共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个把共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。子信道传输一路数据。复用方法复用方法 频分复用频分复用FDM （Frequency Division Multiplexing）按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统 时分复用时分复用TDM （Time Division Multiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛 波分复用波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波长划

36、分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输 码分复用码分复用CDM （Code Division Multiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途按地址码划分不同的信道，非常有发展前途频分复用频分复用FDM 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有通道之间留有防护频带防护频带以防相互干扰。以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复

37、用器频分复用(FDM ，即Frequency- Division Multiplexing)：信道的可用频带被分成若干互不重叠的频段，每路信号占据其中一个频段，接收端用适当的滤波器将它们分割开来，分别解调接收，在频率上是各路信号是不重叠的；但在时间上是重叠在一起的。f01f02f03f频分复用频分复用FDM无主载波调制LPF1LPF1调制调制BPF1BPF1)(1tf1w信信道道LPFnLPFn调制调制BPFnBPFn)(tfnnw. . . .BPF1BPF1解调解调LPF1LPF1)(1tf1wBPFnBPFnLPFnLPFn)(tfnnw. . . .解调解调First-levelMUX

38、1212-Second-levelMUX125-Third-levelMUX1210-BasicGroupSuperGroupMasterGroup(a)04 kHzf(b)12111098765432160 kHz108 kHz48 kHzBasic Group A(LSB)121110987654321196 kHz148 kHzBasic Group B(USB)(c)12121212121111112345Super Group 1(LSB)312 kHz552 kHz12121212121111112345Super Group 2(USB)300 kHz60 kHz(d )Voic

39、e Channel北美多路载波电话系统时分复用时分复用TDM 原理：把信号采样周期分为若干个原理：把信号采样周期分为若干个时隙，每路时隙，每路数据占用一个时隙数据占用一个时隙进行传输。各路信号进行传输。各路信号频率重叠，时间不重叠。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间周时间周期期12时间周时间周期期2D1时隙时隙D2复用器复用器t由于每路用户数据总是使用每个时间周期由于每路用户数据总是使用每个时间周期的固定时隙，的固定时隙，用户时隙与时间周期同步用户时隙与时间周期同步，所以这种时分复用也称为所以这种时分复用也称为同步时

40、分复用同步时分复用。一个时间周期内传输的多路数据称为一个时间周期内传输的多路数据称为帧帧。时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输 把多个话路的把多个话路的PCM语音数据用语音数据用TDM的方法装成的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息） 每帧在一个时间片内发送每帧在一个时间片内发送 每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号12340TS5678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F

41、10F11F12F13F14F1516帧、2ms32时隙256bit、125s1 0 0 1 1 0 1 10 0 0 0 11 11 101011 1 1 1 1帧定位时隙复帧定位码组保留给国际用(目前固定为1)保留给国内用奇帧识别码帧对告码奇帧TS0偶帧TS0第115话路话音信息时隙标志信号时隙第1629话路话音信息时隙x1x2x3x4x5x6x7x8第30话路话音信息时隙段内码极性码复帧定位码组复帧对告和备用比特a b cd a b c d第1路第16路a b cd a b c d第2路第17路a b cd a b c d第15路第30路F15F2F1F0段落码E1-帧格式0121631

42、帧同步帧同步信令信令30 路数字语音数据（路数字语音数据（PCM数据）数据）+2 路控制路控制用户话路用户话路用户话路用户话路1517时分复用标准时分复用标准T-标准标准 （北美、日本）（北美、日本）E-标准标准 （欧洲、（欧洲、中国中国、南美）、南美） E1（一次群）标准（一次群）标准每每125us为一个时间片，每时间片分为为一个时间片，每时间片分为32个通道（时个通道（时隙）。每个时隙可容纳隙）。每个时隙可容纳8b。通道通道0用于同步，通道用于同步，通道16用于信令，其他用于信令，其他30个通道用个通道用于传输于传输30个个PCM话音数据。话音数据。E1速率速率 = （32x8b）/125

43、us = 2.048 Mb/s 对对E1进一步复用，还可构成进一步复用，还可构成E2到到E5等高次群。等高次群。 E5可承载可承载7680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mb/s。统计（异步）统计（异步）TDMSTDM TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成用该时隙，将会造成带宽浪费带宽浪费。 STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入，放入，时隙数小于用户数时隙数小于用户数。 用户占用的时隙不是周期地出现，所以这种时分复用用户占用的时隙不是周期地出现，所以这种

44、时分复用也称为也称为异步时分复用异步时分复用 必须有用户的地址信息。必须有用户的地址信息。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间周期时间周期1时间周期时间周期2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间周期时间周期1时间周期时间周期2统计统计TDM可用带宽C2波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。，每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3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

45、棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅码分复用码分复用CDM 又称码分多址访问又称码分多址访问CDMA 原理：原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行调制列进行调制（任意两个地址码序列相互正交任意两个地址码序列相互正交），），接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。出，由此恢复出原始数据。 地址码序列必须两两相互地址码序列必须两两相互正交正交：内积为零：内积为零码序列码序列A、B，应满足，应满足 A B =0，A

46、 B =0，A A =1，A A =-1 其中其中 为内积运算，代码为内积运算，代码1由由+1表示，表示， 0由由-1表示。表示。 地址码序列为伪随机序列，一般取地址码序列为伪随机序列，一般取64或或128位位调 制功 放调 制功 放混 频解 调判 决d1s1dNsNw1wNf0f0fcwkRrk采 样TtT 0 d1假设发射的都是代码假设发射的都是代码“1”A+ B ， (A+ B ) A =1 ， (A+ B ) B =1假设发射的是代码假设发射的是代码“1”和代码和代码“0”A+ B， (A+ B ) A =1 ， (A+ B ) B =-1书上的图错误扩频调制：已调信号带宽是数据信号带

47、宽的m倍dwc01101111000100110101111000100110)(1HzBt2.6 数据交换技术数据交换技术什么是交换？什么是交换？ 两个终端之间两个终端之间没有直接连接没有直接连接线路，通过线路，通过中间节点中间节点的连的连接实现通信。动态（临时）地分配传输线路资源。接实现通信。动态（临时）地分配传输线路资源。例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行连接。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其他用行连接。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其他用户。户。最初的交换：人工转接交换最初的交换：人工转接交

48、换为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？ 节省投资，提高线路利用率。节省投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和电路交换、报文交换和分组交换。分组交换。两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机2.6.1 电路交换电路交换 在通信双方之间建立一条在通信双方之间建立一条临时专用临时专用线路线路的过程。的过程。

49、可以是真正的可以是真正的物理线路物理线路，也可以是一个，也可以是一个复用信道复用信道。 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。 称为称为“面向连接的面向连接的”交换（典型例子：电话）交换（典型例子：电话） 过程：过程：建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接 优缺点：优缺点：建立连接的时间长建立连接的时间长；一旦建立连接就一旦建立连接就独占线路独占线路，线路利用率低；，线路利用率低；无纠错机制；无纠错机制；建立连接后，建立连接后，传输延迟小，实时性好。传输延迟小，实时性好。 不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发不适用于计算机通信：因为计算机数

50、据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到性的特点，真正传输数据的时间不到10%。电话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现 在物理线路的某个信道上建立连接2.6.2 报文交换报文交换 报文：包含一个报文：包含一个完整数据文件完整数据文件的数据块，而不是的数据块，而不是数据的一部分，如一篇新闻稿。数据的一部分，如一篇新闻稿。 报文交换：以报文交换：以报文为单位报文为单位由中间节点进行由中间节点进行“存储存储-转发转发”的交换技术的交换技术在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待，待信道空闲时再转发出去信道空闲时再转发出去，一级一

51、级中转，一级一级中转（每级都（每级都有路由选择），有路由选择）， 直到目的地。又称为直到目的地。又称为存储转发存储转发。 传输之前不需要建立端到端的连接传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻节，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。点传输报文时建立节点间的连接。称为称为“无无连接的连接的”交换（典型例子：电报）交换（典型例子：电报）2.6.2 报文交换报文交换 优缺点：优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；线路利用率高；传输可靠性较高，有差错控制和路由选择；传输可靠性较高，有差错控制和路由选择；实时性差；实时性差；报文大小不一，造成存储管理

52、复杂；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；求较高；出错后整个报文全部重发，影响传输效率。出错后整个报文全部重发，影响传输效率。 应用少，由分组交换所取代。应用少，由分组交换所取代。2.6.3分组交换（包交换）分组交换（包交换） 将报文分割成若干个较小的数据块（将报文分割成若干个较小的数据块（分组分组Packet）进行）进行存储转发存储转发。目的节点按分组编号。目的节点按分组编号重组重组报文报文。 优缺点：优缺点：对转发节点的存储要求较低对转发节点的存储要求较低；转发延时小；转发延时小；某个分组出错可以仅

53、重发出错的分组，效率高；某个分组出错可以仅重发出错的分组，效率高；需要分割报文和重组报文需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。，增加了端站点的负担。 分组交换有两种交换方式：分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式数据报方式和虚电路方式数据报方式（Datagram） 各分组独立地确定路由独立地确定路由（路径），每个分组都必须包含目的站点地址。 不能保证分组按序到达不能保证分组按序到达，目的站点需要按分组编号重新排序重新排序和组装报文。 是是“无连接的无连接的”的交换。的交换。数据报方式不能保证分组按序到达数据报方式不能保证分组按序到达分组可能通过多个路径穿越网络分组可能通过多个路径

54、穿越网络虚电路方式（Virtual Circuit） 虚电路交换：虚电路交换：通信前预先建立一条逻辑连接，发送的所有分组依次通过连接到达目的地。连接由若干条物理链路组成，通信的用户不是自始至终占用该连接，而是与其它用户共享该连接。 也需要三个过程：建立数据传输拆除 虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要。数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络。 提供的是“面向连接”的交换但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用断续地依次占用传输路径上各个链路段。传输路径上各个链路段。可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达分组通过预先

55、建立好的虚电路穿越网络三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼呼叫叫请请求求呼呼叫叫应应答答数数据据ABCD寻路延迟寻路延迟线路交换线路交换分组分组1分组分组2分组分组3ABCD分组交换分组交换分组分组4t t报文报文ABCD排队延迟排队延迟报文交换报文交换2.7 差错控制差错控制什么是差错控制？什么是差错控制？ 在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正为何要进行差错控制？为何要进行差错控制？ 不存在理想的信道不存在理想的信道传输总会出错传输总会出错产生差错的原因：产生差错的原因： 信号衰减和热噪声；信号衰减和热噪声； 信道的电气特性引起信号幅度、频率

56、、相位的畸变；信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变； 信号反射，串扰；信号反射，串扰； 冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。差错控制的差错控制的基本方法：基本方法： 在所传送的数字信号（信息编码）中按一定规律在所传送的数字信号（信息编码）中按一定规律人为地加入一定的人为地加入一定的多余码元多余码元（冗余码元，对信息（冗余码元，对信息来说是多余的，它不代表信息）来说是多余的，它不代表信息） ，称为，称为监督码元监督码元，监督码和信息码之间有一定的编码监督关系。，监督码和信息码之间有一定的编码监督关系。这样，在接收端就可以利用这种监督关系来检测这样，

57、在接收端就可以利用这种监督关系来检测、纠正错误。、纠正错误。2.7.2 差错控制差错控制方法方法实际采用的实际采用的3种差错控制技术种差错控制技术 自动请求重发（自动请求重发（ Automatic Repeat reQuest, ARQ）：也叫）：也叫检错反馈重发检错反馈重发，若发送端发出，若发送端发出能够检能够检查错误查错误的编码，接收端收到信号后经检验如果发现的编码，接收端收到信号后经检验如果发现传输中有错误，则通过反向信道把这一判断结果传输中有错误，则通过反向信道把这一判断结果反反馈给发送端馈给发送端；发送端把前面发出的信息重新传送一；发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已

58、正确地收到信息为止次，直到接收端认为已正确地收到信息为止。2.7.2 差错控制差错控制方法方法实际采用的实际采用的3种差错控制技术种差错控制技术 前向纠错（前向纠错（ FEC-Forward Error Control,FEC）：发送端经编码后发出：发送端经编码后发出能够纠正错误的码能够纠正错误的码，接收端，接收端收到这些码组后，通过译码能收到这些码组后，通过译码能自动发现并纠正自动发现并纠正传输传输中的错误。中的错误。 前向纠错方式不需要反馈信道，特别适合于只能提前向纠错方式不需要反馈信道，特别适合于只能提供单向信道的场合（单工）。供单向信道的场合（单工）。 由于能自动纠错，不要求检错重发，

59、因而延时小、由于能自动纠错，不要求检错重发，因而延时小、实时性好。实时性好。2.7.2 差错控制差错控制方法方法实际采用的实际采用的3种差错控制技术种差错控制技术 混合方式混合方式Hybrid（FEC-ARQ） ：是自动请求重：是自动请求重发方式和前向纠错方式的发方式和前向纠错方式的结合结合。在这种系统中接。在这种系统中接收端不但有纠正错误的能力，而且对超出纠错能收端不但有纠正错误的能力，而且对超出纠错能力的错误有检查错误的能力。遇到后一种情况时力的错误有检查错误的能力。遇到后一种情况时，通过反馈信道要求发送端重发一次。，通过反馈信道要求发送端重发一次。2.7.2 差错控制差错控制方法方法发送

60、端接收端能够发现错误的编码应答信号发送端接收端能够纠正错误的编码发送端接收端能够发现和纠正错误的编码应答信号奇偶校验奇偶校验（Parity Checking） 在原始数据字节（信息编码）的最高位（或在原始数据字节（信息编码）的最高位（或最最低位低位）增加一个奇偶校验位，使字节中）增加一个奇偶校验位，使字节中1的个的个数为奇数数为奇数（奇校验）或（奇校验）或偶数偶数（偶校验）。（偶校验）。 只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。出。2.7.3 常见的检错码常见的检错码对偶数监督码，使整个码组中“l”码的个数为偶数。00121 aaaann对奇数监督码