计算机通信与网络_CH02_数据通信技术基础

1、数据和信号数据和信号模拟数据模拟数据数字数据数字数据信息信息数据数据模拟信号模拟信号数字信号数字信号有意义的实体有意义的实体涉及数据的涉及数据的内容和解释内容和解释在某个区间产生连续的值在某个区间产生连续的值产生离散的值产生离散的值是数据的电磁是数据的电磁 (或电子或电子)编码编码涉 及 到 事涉 及 到 事物的形式物的形式是一种连续变化的电磁波是一种连续变化的电磁波是一系列的电压脉冲是一系列的电压脉冲信号信号模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号放大器放大器调制器调制器模拟数据模拟数据数字信号数字信号 PCM编码器编码器数字数据数字数据模拟信号模拟信号调制器调制器数字数据数字数据数字信号数字信号

2、数字数字发送器发送器信源和信宿：信源和信宿：信源就是信息的发送端，是发信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。端，是接收所传送信息的设备。信号转换设备：信号转换设备：是将信源发出的信息转换成是将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的信号的设备。适合于在信道上传输的信号的设备。传输传输系统系统输输入入信信息息输输入入数数据据发送发送的信号的信号接收接收的信号的信号输输出出数数据据源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器调制解调器调制解调器PC 机机公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特

3、流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 正文正文正文正文数据通信系统数据通信系统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统输输出出信信息息PC 机机通信系统举例通信系统举例通信系统举例通信系统举例(b) 局域网用户通过局域网用户通过Internet上网通信上网通信SiSiInternetSiSiToken-ring 无线电波无线电波 红外线技术红外线技术铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STPA扭绞距扭绞距线径线径 0.40.41.4 mm1.4 mmB近

4、端串扰近端串扰远端串扰远端串扰白绿白绿 绿绿白橙白橙 蓝蓝白蓝白蓝 橙橙白棕白棕 棕棕12345678 局域网局域网 EIA/TIA 568A UTP内内4对对8线的编号与线色线的编号与线色外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层内导体内导体远供电源远供电源光纤及包层光纤及包层填充物填充物外护套外护套包带层包带层包层包层纤芯纤芯（a）光缆结构剖面图）光缆结构剖面图（b）光波在纤芯中传播）光波在纤芯中传播折射角折射角入射角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体） 包层包层纤

5、纤芯芯高折射率高折射率( (纤芯纤芯) )低折射率低折射率( (包层包层) )光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109 1010 1011

6、1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动移动无线电无线电 调制非相干红外线光调制非相干红外线光 数据传输速率数据传输速率数据传输速率数据传输速率数据传输速率数据传输速率信道带宽信道带宽n模拟信道：表示通信线路允许通过的信模拟信道：表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路带宽号频带范围就称为线路带宽(通频带通频带)。信道带宽信道带宽每每秒秒 106 个比特个比特时间时间1 0 1 0 1 11 s带宽为带宽为1 Mb/s 时间时间每每秒秒 4 106 个比特个比

7、特0.25 s带宽为带宽为4 Mb/s 带宽带宽误码率和误组率误码率和误组率发送时延发送时延 = 数据块长度（比特）数据块长度（比特）信道带宽（比特信道带宽（比特/秒）秒）时延时延传播时延传播时延 = 信道长度（米）信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米信号在信道上的传播速率（米/秒）秒）时延时延时延时延总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延时延时延时延时延1 0 1 1 0 0 1发送器发送器队列队列在链路上产生在链路上产生传播时延传播时延结点结点 B结点结点 A在发送器产生发送时延在发送器产生发送时延( (即传输时延即传输时延) )在队列中产生在队列中产生处理时延处理时延数据数

8、据从结点从结点 A 向结点向结点 B 发送数据发送数据链路链路时延时延时延时延例例2-3若若AB两台计算机之间的距离为两台计算机之间的距离为1000km，假定在，假定在电缆内信号的传播速度是电缆内信号的传播速度是2108m/s，试对下列类型的链，试对下列类型的链路分别计算发送时延和传播时延。路分别计算发送时延和传播时延。 （1）数据块长度为）数据块长度为108bit，数据发送速率为，数据发送速率为1Mb/s； （2）数据块长度为）数据块长度为1000bit，数据发送速率为，数据发送速率为1Gbit/s 并行传输并行传输并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。 串行传输串行

9、传输串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流在一条信道上逐位顺序传输。 异步传输异步传输不论字符所采用的代码不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一为多少位，在发送每一个字符代码（即字符的个字符代码（即字符的数据位）时，都要在前数据位）时，都要在前面加上一个起始位，表面加上一个起始位，表示一个字符的开始；后示一个字符的开始；后面加上一个停止位，表面加上一个停止位，表示一个字符的结束。示一个字符的结束。 同步传输同步传输幅度幅度时间时间幅度幅度时间时间数据序列数据序列单极性不归零码单极性不归零码单极性归零码单极性归零码双极性不归零码双极性不归零码双极性归零码双极性归零码 0 1 0 0

10、 1 1 0 0 0 1 1 1 数据序列数据序列伪三元编码伪三元编码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差分编码差分编码 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输入信号波形输出信号波形输出信号波形( (失真不严重失真不严重) )输入信号波形输入信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形输出信号波形( (失真严重失真严重) ) 数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道信道容量噪声误码率带宽数据传输速率n理

11、想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率 N= 2W BaudnW 是理想低通信道的带宽，单位为赫是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过不能通过能通过能通过0频率频率(Hz)W (Hz) 要强调以下两点要强调以下两点传输比特流传输比特流 10011100 10 01 11 00 2bit一组一组4种幅度种幅度,1个码元个码元携携带带2bit信息信息, n = log2M (M 码元状态数码元状态数)t3210 应用举例应用举例解：已知信噪比电平为解：已知信噪比电平为20dB，则信噪功率比，则信噪功率比 S/N = 100 C = 3000 log2(1+100)=3

12、000 6.66=19.98 kbit/s 数据率不会超过数据率不会超过19.98 kbit/s 香农公式表明香农公式表明 香农公式表明香农公式表明 奈氏准则和香农公式在数据通信系统作用范围奈氏准则和香农公式在数据通信系统作用范围源系统源系统传输系统传输系统目的系统目的系统传输传输系统系统源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器输输入入信信息息输输出出信信息息输输入入数数据据输输出出数数据据发送的发送的信号信号接收的接收的信号信号码元传输速率受码元传输速率受奈氏准则的限制奈氏准则的限制信息传输速率受信息传输速率受香农公式的限制香农公式的限制 基带信号基带信号 在数据通信中，表示计算机中二进制比

13、特序在数据通信中，表示计算机中二进制比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。人们列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。人们把矩形脉冲信号的固有频带称作把矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带基本频带(简称为简称为基带基带)，这种矩形脉冲信号就叫做，这种矩形脉冲信号就叫做基带信号基带信号。 在数字信道上，计算机中的数据是以矩形脉在数字信道上，计算机中的数据是以矩形脉冲信号直接传送的，这种传送方法称为冲信号直接传送的，这种传送方法称为基带传输基带传输。 数字数据，模拟传输数字数据，模拟传输 数字数据，模拟传输数字数据，模拟传输 数字数据，模拟传输数字数据，模拟传输010011100基带信号调幅调频

14、调相抽样量化抽样量化编码编码模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字数字信道信道解码解码恢复恢复数字信号数字信号模拟数据模拟数据时间量化时间量化幅值量化幅值量化采样间隔采样间隔Ts 2 fc模拟数据模拟数据数字信号数字信号1、 频分复用频分复用2、 时分复用时分复用3、 码分复用码分复用4、 波分复用波分复用频率频率1频率频率3频率频率2频率频率4时间时间频率频率T4T3T2T1T1T2T3T4频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAA在在 TDM 帧中的位置不变帧中的位置不变TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧频率频率时间时间C DC DC DC D

15、AAAATDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧BBBB在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变频率频率时间时间BDBDBDBDAAAATDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧CCCC在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变频率频率时间时间B CB CB CB CAAAATDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变DDDDABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧个时分复用帧#1acbcd静态时分复用静态时分复用#2#3#4用户用户用户用户ABCDabcdttttt3 个个 STD

16、M 帧帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用统计时分复用0TSm1TSm1iiimimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSS 站的码片序列站的码片序列 S110ttttttm 个码片个码片tS 站发送的信号站发送的信号 SxT 站发送的信号站发送的信号 Tx总的发送信号总的发送信号 Sx + Tx规格化内积规格化内积 S Sx规格化内积规格化内积 S Tx数据码元比特数据码元比特发发送送端端接接收收端端 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1

17、550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复复用用器器分分用用器器EDFA120 km网络拓扑结构网络拓扑结构交换节点交换节点转接中心转接中心用户线用户线中继线中继线全连通全连通交换交换网络网络用户用户接口接口中继中继接口接口控制控制单元单元信号信号单元单元中继线中继线用户线用户线（1 1）建立连接）建立连接（2 2）维持连接）维持连接（3 3）拆除连接）拆除连接电路交换电路交换报文交换报文交换分组交换分组交换快速分组交换快速分组交换多

18、速率电路交换多速率电路交换快速电路交换快速电路交换存储存储 - - 转发转发ATMATM交换交换X.25X.25分组网分组网帧中继、帧中继、 SMDSSMDS信元交换信元交换正向证实信号正向证实信号正向拆线信号正向拆线信号主叫挂机主叫挂机反向拆线信号反向拆线信号被叫挂机被叫挂机被叫用户被叫用户主叫用户主叫用户回铃音回铃音取机取机拨号拨号拨号音拨号音占用信号占用信号占用信号占用信号振铃振铃通话通话( (信息传送信息传送) )连接连接释放释放呼叫呼叫建立建立A A局局B B局局C C局局挂机挂机连接释放连接释放数据传送数据传送连接建立连接建立A B C D t报文报文C1C4C3C2C3本地网本地

19、网省中心省中心省间中心省间中心地市中心地市中心县中心县中心长途网长途网ABt用户电报机用户电报机B用户电报机用户电报机AA局局B局局C局局M1M1M1M1传播时延传播时延传输时延传输时延存储存储 / 处理时延处理时延报报文文报报文文报报文文A B C DtP2P1报文报文A主机B主机C链路P5P6P4P3P2P1PSEaPSEbPSEcP1P2P3P4P1P2P3P4P3P4A B C DP2P1 差错产生的原因差错产生的原因n码间距离码间距离 ：两个码字的对应：两个码字的对应位取值不同的个数。例：位取值不同的个数。例：10100010010010011010110110001001码间距离码

20、间距离 d = 3例例2 000000 000111 111000 111111收到收到0101114 1 5 2恢复恢复000111n检错码检错码n纠错码纠错码 汉明码（汉明码（Hamming)n线性分组码的性质线性分组码的性质 封闭性：任意两个有效码组之和（模封闭性：任意两个有效码组之和（模2加）仍加）仍为一个有效码组。为一个有效码组。 码的最小距离等于非零码最小重量。码的最小距离等于非零码最小重量。S1 S2 S3 出错码出错码S1 S2 S3 出错码出错码 0 0 0 无差错无差错0 1 1 c30 0 1 c01 0 1 c40 1 0 c11 1 0 c51 0 0 c21 1 1

21、 c6例如例如 A A4 4=0111001=0111001，对应的码多项式为，对应的码多项式为 ：码多项式码多项式 (n(n，k)k)循环码中，为了便于描述与计算，循环码中，为了便于描述与计算，经常使用经常使用 n-1 n-1 次次 码多项式来表示码字，码多项式来表示码字，码字码字 A =aA =an-1n-1 a an-2n-2 a a1 1 a a0 0 ，它对应，它对应的码多项式为：的码多项式为：01222211)(axaxaxaxaxAnnnn11001110)(345234564xxxxxxxxxxA 在在(n(n，k)k)循环码中，存在循环码中，存在惟一惟一的最高的最高幂次为幂次

22、为(n-k)(n-k)，最多，最多 k-1k-1 个个连续连续的的 0 0 项，项，且且常数项必须为常数项必须为1 1 的码多项式的码多项式g(x)g(x)，此，此码多项式的幂次最低（码多项式的幂次最低（0 0 元除外）；其元除外）；其它所有的码多项式都能被它所有的码多项式都能被g(x)g(x)整除；并整除；并且且g(x)g(x)是是 x xn n+1 +1 的一个因式。的一个因式。 g(x)g(x)称为称为该编码集的该编码集的生成多项式生成多项式。生成多项式生成多项式 g(x)g(x)CRC-16 CRC-CCITTCRC-321)(21516xxxxg1)(51216xxxxg1)(245781011121622232632xxxxxxxxxxxxxxxg 标准生成多项式标准生成多项式选择选择 r 阶生成多项式阶生成多项式 G(x) ，rnk在数据帧末尾加在数据帧末尾加 r 个个0，形成多项式，形成多项式 xrM(x) xrM(x) R(x) G(x) G(