网络技术(第3章)

1、 第第3 3章章 数据通信技术数据通信技术曹曹 晶晶第第3章章 数据通信技术数据通信技术n3.1 概述概述n3.2 数据通信系统的性能指标数据通信系统的性能指标n3.3 数据传输方式数据传输方式n3.4 调制解调技术调制解调技术n3.5 编码技术编码技术n3.6 信道复用技术信道复用技术n3.7 宽带接入技术宽带接入技术n3.8 传输媒体传输媒体3.1 概述概述几个概念：几个概念：n数据通信：经计算机编码后的二进制数字数据的数据通信：经计算机编码后的二进制数字数据的通信技术。通信技术。数据通信模型数据通信模型n基带传输方式：数字信号在数字信道上传输。编码基带传输方式：数字信号在数字信道上传输。

2、编码和解码。和解码。n频带传输方式：数字数据在模拟信道上传输。调制频带传输方式：数字数据在模拟信道上传输。调制和解调。和解调。n数据电路终接设备数据电路终接设备(DCE)：发送器和接收器的统称。：发送器和接收器的统称。n信源：产生要传输的数据。信源：产生要传输的数据。n信宿：接收传输的数据。信宿：接收传输的数据。n数据终端设备数据终端设备(DTE)：信源和信宿的统称。：信源和信宿的统称。n信号：数据传输的载体，用它的特征参数表示所传信号：数据传输的载体，用它的特征参数表示所传输的数据。输的数据。n信道：信号传输的通道。信道：信号传输的通道。 3.2 3.2 数据通信系统的性能指标数据通信系统的

3、性能指标3.2.1 数据传输速率和码元传输速率数据传输速率和码元传输速率n数据传输速率、带宽和吞吐量：数据传输速率、带宽和吞吐量：n数据传输速率，又称比特率，是指每秒传输的编数据传输速率，又称比特率，是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数。单位为比特码前的数字数据的二进制比特数。单位为比特/ /秒秒（bpsbps）。）。n带宽：带宽是指信道上能够正常通过模拟信号的带宽：带宽是指信道上能够正常通过模拟信号的频率范围。单位为赫兹（频率范围。单位为赫兹（HzHz）。或者指数字信道）。或者指数字信道上最大数据传输速率。上最大数据传输速率。n吞吐量：单位时间发送的比特数、字节数和分组吞吐量：单位时

4、间发送的比特数、字节数和分组数等来表示。数等来表示。n码元传输速率：码元传输速率：n单位为波特单位为波特(baud)(baud)，又称为波特率。是指每秒传，又称为波特率。是指每秒传输的码元数。输的码元数。什么是码元？什么是码元？NoImage3.2.1 数据传输速率和码元传输速率数据传输速率和码元传输速率n数据传输速率与码元传输速率的关系：数据传输速率与码元传输速率的关系：n多级编码方式，获得更高的传输速率，有多种多级编码方式，获得更高的传输速率，有多种码元状态。码元状态。n码元状态数码元状态数M M。n数据传输速率数据传输速率C C和码元传输速率和码元传输速率B B，有如下关系：，有如下关系

5、： C C = Blog= Blog2 2M M3.2.1 数据传输速率和码元传输速率数据传输速率和码元传输速率四级编码的例子四级编码的例子 3.2.2 时延和时延带宽积时延和时延带宽积n时延：指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）时延：指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。的一端传送到另一端所需的时间。 n时延由以下时延由以下3 3部分组成：部分组成：n发送时延：节点在发送数据时使数据块从结点进发送时延：节点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间入到传输媒体所需要的时间n传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离传播时延：电磁波在信道中需要传播

6、一定的距离而花费的时间。而花费的时间。 3.2.2 时延和时延带宽积时延和时延带宽积n转发时延：指数据在交换结点等候发送而在缓存转发时延：指数据在交换结点等候发送而在缓存的队列中排队所经历的时延。的队列中排队所经历的时延。数据经历的总时延就是以上三种时延之和：数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延总时延 = 发送时延发送时延+传播时延传播时延 + 转发时延转发时延n往返时间往返时间RTT：在：在TCP中，中，RTT表示报文段从发送表示报文段从发送出去时刻到确认返回时刻这一段时间。出去时刻到确认返回时刻这一段时间。n时延带宽积：时延带宽积：n时延带宽积时延带宽积 = = 传播时延传播时延

7、 * * 带宽（带宽（bitbit）n时延带宽积又称为比特长度。时延带宽积又称为比特长度。 3.2.3 误码率和比特误码率误码率和比特误码率n误码率：误码率：Pe = 传错的码元数传错的码元数 / 传输的码元总数传输的码元总数n比特误码率比特误码率 Pb = 传错的比特数传错的比特数 / 传输的比特总数传输的比特总数 3.2.4 奈奎斯特准则和香农定理奈奎斯特准则和香农定理n奈奎斯特准则和香农定理分别给出了无噪声和有噪奈奎斯特准则和香农定理分别给出了无噪声和有噪声的情况下信道的极限传输能力，称为声的情况下信道的极限传输能力，称为信道容量信道容量。n奈奎斯特准则：带宽为奈奎斯特准则：带宽为WHz

8、WHz，无噪声：，无噪声：最大码元传输速率：最大码元传输速率：B BMAXMAX = 2W = 2W信道容量信道容量C CMAX MAX = 2Wlog= 2Wlog2 2M M 其中：其中：M M为码元的状态为码元的状态数数n香农定理：带宽为香农定理：带宽为WHzWHz，有噪声：，有噪声：C CMAXMAX = Wlog = Wlog2 2(1 + S/N) (1 + S/N) S/NS/N例例1 普通电话线的带宽约为普通电话线的带宽约为3KHz,则其码元速率极则其码元速率极限为：限为：例例2 若每个码元可能取的离散值为若每个码元可能取的离散值为16，则信道容量，则信道容量为：为： Cmax

9、=2*3k*log216=24（kb/s）例例3 信噪比为信噪比为30dB，带宽为，带宽为3.1KHz的信道容量：的信道容量： Cmax=3.1K*log2（1+1000）=3.1klog2（1001）=3.1K*9.6 31（kb/s）6KBaud 信噪比信噪比S/N指信号中原有部分和由于设备自身、指信号中原有部分和由于设备自身、环境干扰等原因造成的噪声的比例。环境干扰等原因造成的噪声的比例。 信噪比的单位是信噪比的单位是dB，计算公式是：，计算公式是： S/N=10Lg（S/N） 其中其中S是信号电平，是信号电平，N是噪声电平。是噪声电平。 信噪比越大，说明系统的噪声和信号的差距越大信噪比

10、越大，说明系统的噪声和信号的差距越大，系统的特性就越好。，系统的特性就越好。 30=10Lg(S/N) S/N=1030/10无量纲无量纲S/N S/N 信噪比信噪比S/N(dB) S/N(dB) 3.3 3.3 数据传输方式数据传输方式 3.3.1 单工、全双工和半双工传输单工、全双工和半双工传输n单工传输：又称为单工传输：又称为单向单向通信。单工通信是数据信通信。单工通信是数据信号仅从号仅从A端传送到端传送到B端，亦即信息流仅沿一个方向端，亦即信息流仅沿一个方向流动，发送端（发送设备）和接收端（接收设备）流动，发送端（发送设备）和接收端（接收设备）是固定的。是固定的。 n全双工传输：又称为

11、双向全双工传输：又称为双向同时同时通信。全双工通信通信。全双工通信要使用全双工信道，同一时刻能在两站间的两个要使用全双工信道，同一时刻能在两站间的两个方向传输数据信息。方向传输数据信息。n半双工传输：又称为双向半双工传输：又称为双向交替交替通信。半双工通信通信。半双工通信是数据可以从是数据可以从A端传送到端传送到B端，又可以由端，又可以由B端传送端传送到到A端，但不能在两个方向上同时传输。端，但不能在两个方向上同时传输。 3.3.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输串行通信：计算机网络使用的通信技术。串行通信：计算机网络使用的通信技术。n异步传输异步传输n同步传输同步传输异步传输：异步传输

12、： 以以字符字符为单位进行数据传输，每一个字为单位进行数据传输，每一个字符前后各加一个起始位和一个停止位，实现符前后各加一个起始位和一个停止位，实现字符同步，通信的双方各自使用独立的基准字符同步，通信的双方各自使用独立的基准定位时钟，并约定同样的传输速率，以实现定位时钟，并约定同样的传输速率，以实现位同步，也称起止式。位同步，也称起止式。 3.3.2 异步传输和同步传输异步传输和同步传输同步传输同步传输 同步传输方式中数据是以同步传输方式中数据是以帧帧的较大的数据的较大的数据块为单位进行传送。同步传输使用特殊的标志块为单位进行传送。同步传输使用特殊的标志进行帧同步，同步传输还必须进行严格的位同

13、进行帧同步，同步传输还必须进行严格的位同步，一般是内同步方式：步，一般是内同步方式： 面向字符的同步传输方式。面向字符的同步传输方式。 面向位的同步传输方式。面向位的同步传输方式。 3.3.3 频带传输和基带传输频带传输和基带传输n频带传输：也称为宽带传输。频带传输：也称为宽带传输。n将数字数据模拟化，用数字数据将数字数据模拟化，用数字数据调制调制载波，将载波，将数字数据寄生在载波的某个参数上，借助于模数字数据寄生在载波的某个参数上，借助于模拟信道传输数字数据。拟信道传输数字数据。n基带传输基带传输n以数字传输信号为载体在数字信道上传输数字以数字传输信号为载体在数字信道上传输数字数据。基带传输

14、在数字数据传输前不需调制，数据。基带传输在数字数据传输前不需调制，但要对它进行线路但要对它进行线路编码编码。 3.4 调制解调技术调制解调技术n调制：调制：n使用一个正弦信号作为载波，用被传输的数字数使用一个正弦信号作为载波，用被传输的数字数据去调制它。据去调制它。n有三个参数可调：幅值有三个参数可调：幅值 A A、频率、频率 f f 和相位和相位 。 S S ( (t t ) = ) = A A sin( 2sin( 2 f f t t + + ) )n基本的调制方法也相应有幅度调制、频率调制和基本的调制方法也相应有幅度调制、频率调制和相位调制。相位调制。n3.4.1 幅移键控幅移键控nAm

15、plitude Shift Keying, Amplitude Shift Keying, ASKASK。n又称幅度调制。又称幅度调制。n3.4.2 频移键控频移键控nFrequency Shift Keying, Frequency Shift Keying, FSKFSK。n又称频率调制。又称频率调制。n3.4.3 相移键控相移键控nPhase Shift Keying, Phase Shift Keying, PSKPSK。n又称相位调制。又称相位调制。 3.4 调制解调技术调制解调技术基本的调制方法基本的调制方法 3.4.4 多级调制和幅相键控多级调制和幅相键控n多级调制：级数（状态数

16、）为多级调制：级数（状态数）为n n的调制信号，的调制信号，可以表示可以表示loglog2 2n n个二进制符号。个二进制符号。n多级幅移键控多级幅移键控(MASK)(MASK)、多级频移键控、多级频移键控(MFSK)(MFSK)和和多级相移键控多级相移键控(MPSK)(MPSK)。n调制信号在调制信号在8PSK8PSK中携带了中携带了_个比特的数字个比特的数字数据。数据。数字数据数字数据000001010011100101110111相位相位04590135180225270315级数越多，数字数据的传输速率越高，解调的难级数越多，数字数据的传输速率越高，解调的难度越大。为什么？度越大。为什

17、么？log28=3 3.4.4 多级调制和幅相键控多级调制和幅相键控 幅相键控幅相键控(APK)(APK)，由幅度和相位两个参数进行，由幅度和相位两个参数进行复合多级调制，也称复合多级调制，也称正交幅度调制正交幅度调制(QAM)(QAM)。 QAM QAM不同的幅度和相位代表不同的编码符号。不同的幅度和相位代表不同的编码符号。因此，因此，QAMQAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率。实现更高的频带利用率。 64QAM的星座图 3.5 3.5 编码技术编码技术 3.5.1 不归零制编码不归零制编码nNon-Return to Zero, N

18、RZ，不归零编码，不归零编码 用不同的电平信号表示数字用不同的电平信号表示数字0和和1，这一电平信，这一电平信号要占满整个码元的宽度，中间不归零。号要占满整个码元的宽度，中间不归零。n不归零编码存在一些严重的缺点：不归零编码存在一些严重的缺点：n有时不容易判断有时不容易判断0 0和和1 1；n可能存在直流分量。可能存在直流分量。3.5.2 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码n曼彻斯特编码：每一数据位的中间位置都有一个曼彻斯特编码：每一数据位的中间位置都有一个跳变，用跳变的相位表示数字跳变，用跳变的相位表示数字0（正跳变正跳变）和）和1（负跳变负跳变）。）。n曼彻斯特编

19、码方式带来的好处：曼彻斯特编码方式带来的好处：n实现内同步方式，又称自带时钟码。实现内同步方式，又称自带时钟码。n利用跳变的相位容易判断出利用跳变的相位容易判断出0 0和和1 1。n无直流分量。无直流分量。n差分曼彻斯特编码：每一数据位的中间也有一个差分曼彻斯特编码：每一数据位的中间也有一个跳变，但它只用来生成同步时钟信号，而用每位跳变，但它只用来生成同步时钟信号，而用每位开始是否有跳变来表示数字开始是否有跳变来表示数字0（有跳变有跳变）和）和1（无无跳变跳变）。）。 3.5 编码技术编码技术3.5.3 mB/nB编码（略）编码（略）nmB/nB(m out of n, mn)把把m比特的二进

20、制数据比特的二进制数据块，用块，用n比特的二进制代码块来表示，称为比特的二进制代码块来表示，称为块编码块编码。n2m个数据码是从个数据码是从2n个个nB码选出来的。使码选出来的。使“0” 和和“1”等概率，连续的等概率，连续的“0”和和“1”数目小。这样，其频谱数目小。这样，其频谱低频分量小、直流基线漂移小、频率范围较窄、时钟低频分量小、直流基线漂移小、频率范围较窄、时钟成分丰富、定时提取方便。另外，除成分丰富、定时提取方便。另外，除2m个数据码外，个数据码外，总可有一些可以作控制码的。总可有一些可以作控制码的。nmB/nB码，编码开销增加了码，编码开销增加了(n-m)/m *100%。 3.

21、5.3 mB/nB编码编码代表符号代表符号4B5B代表符号代表符号4B5B00000111108100010010100010100191001100112001010100A1010101103001110101B1011101114010001010C1100110105010101011D1101110116011001110E1110111007011101111F1111111014B/5B4B/5B编码的数据码元对照情况编码的数据码元对照情况 3.5.4 多级编码多级编码nM 级编码的码元状态数为级编码的码元状态数为M (M为为2的整数次幂的整数次幂)，一个码元可携带一个码元可携带

22、 log2M 个比特的数字信号。个比特的数字信号。四级编码的例子四级编码的例子 3.6 3.6 信道复用技术信道复用技术 3.6 信道复用技术 3.6.1 频分复用频分复用n频分复用频分复用(FDM)(FDM)用于用于模拟传输模拟传输。 3.6.2 时分复用和统计时分复用时分复用和统计时分复用n时分复用时分复用(TDM)n用于用于数字数据传输数字数据传输。nTDMTDM将传输分成固定长度的帧将传输分成固定长度的帧( (电话系统中帧长电话系统中帧长为为125s)125s)，每个帧又划分为若干个时隙，采用，每个帧又划分为若干个时隙，采用固定时隙分配方式。固定时隙分配方式。n统计时分复用统计时分复用

23、(STDM)n按需要动态地分配时隙，时隙位置与数据源没按需要动态地分配时隙，时隙位置与数据源没有固定的对应关系，可以充分利用有固定的对应关系，可以充分利用TDMTDM中的空闲中的空闲时隙，但每一个时隙中必须加入地址字段。时隙，但每一个时隙中必须加入地址字段。为什么为什么STDMSTDM的每个时隙中要加入地址字段？的每个时隙中要加入地址字段？ 3.6.2 时分复用和统计时分复用时分复用和统计时分复用 ( (灰色为数据，黑色为地址，白色为空闲时隙灰色为数据，黑色为地址，白色为空闲时隙) ) 3.6.3 准同步数字系列准同步数字系列PDHn准同步数字系列准同步数字系列PDH和同步数字系列和同步数字系

24、列SDH，都是，都是使用使用TDM技术的数字传输系统，主要用于电话系技术的数字传输系统，主要用于电话系统的数字干线，也可作为计算机网络的底层传输统的数字干线，也可作为计算机网络的底层传输网。网。 两类两类PDH：T系列和系列和E系列。系列。nT系列系列(北美、日本采用北美、日本采用)，将语音采样间隔时间，将语音采样间隔时间125s分成分成24个个时隙，每个时隙含时隙，每个时隙含8bit，再加上，再加上1bit帧同步，总共帧同步，总共193bit构成一个基群帧。构成一个基群帧。nE系列（欧洲、中国采用），它将语音采样间隔时系列（欧洲、中国采用），它将语音采样间隔时间间125s分成分成32个个时隙

25、，每个时隙含时隙，每个时隙含8bit，总共，总共256bit构成一个基群帧。构成一个基群帧。 3.6.3 准同步数字系列准同步数字系列PDHn脉冲代码调制脉冲代码调制(PCM)：模拟数据数字化。：模拟数据数字化。 处理过程有三个阶段：处理过程有三个阶段：采样、量化和编码。采样、量化和编码。n编码解码器每秒采样编码解码器每秒采样8000次，即次，即125s/次。次。在在电话电话TDM系统中几乎所有的时间间隔都是以系统中几乎所有的时间间隔都是以125s为基数。为基数。TDM是把是把125s长度的一帧分为长度的一帧分为若干个时隙，每个时隙安排多路话音信号。若干个时隙，每个时隙安排多路话音信号。 3.

26、6.3 准同步数字系列准同步数字系列8 8比特比特* *2424通道通道+1=193+1=193比特比特数据传输速率：数据传输速率：193193比特比特125s=1.544Mb/s 125s=1.544Mb/s T1 T1的时分复用帧的时分复用帧 3.6.5 波分复用波分复用n波分复用波分复用(WDM)是在一根光纤上传输是在一根光纤上传输多路不同波多路不同波长的光信号长的光信号。nWDM系统一般使用单模光纤系统一般使用单模光纤1.55m的波段，宽的波段，宽度度0.2m，带宽可达，带宽可达24THz，如果波长间隔为，如果波长间隔为1.6nm，一根光纤上可传输，一根光纤上可传输100多路光波。多路

27、光波。n密集波分多路复用：密集波分多路复用： 同一个波段中通道间隔较小。同一个波段中通道间隔较小。n稀疏波分复用：稀疏波分复用： 低成本的低成本的WDM，光波分布的更稀疏。，光波分布的更稀疏。 3.7 3.7 宽带接入技术（略）宽带接入技术（略） 3.7.1 宽带接入简介宽带接入简介计算机接入因特网主要使用二种有线接入方式：计算机接入因特网主要使用二种有线接入方式： 窄带接入方式：窄带接入方式：PSTN拨号接入，拨号接入，ISDN接入。接入。 宽带接入方式：数字用户线宽带接入方式：数字用户线xDSL，混合光纤同，混合光纤同轴电缆网轴电缆网HFC，直接，直接LAN，光纤到，光纤到x(FTTx)。

28、n三网融合：三网融合：电话网、有线电视网和计算机网电话网、有线电视网和计算机网通过通过技术渗透，业务交叉融为一体。技术渗透，业务交叉融为一体。 3.8 3.8 传输媒体传输媒体 3.8 传输媒体传输媒体3.8.1 3.8.1 双绞线双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。 n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线(UTP)(UTP)。n屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)(STP)。 目前，局域网中常用到的双绞线一般都是非屏目前，局域网中常用到的双绞线一般都是非屏蔽的电缆线。这些双绞线的传输速率

29、都能达到蔽的电缆线。这些双绞线的传输速率都能达到100Mbps100Mbps。 3.8 传输媒体传输媒体3.8.2 同轴电缆同轴电缆 由内导体铜质芯线由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线单股实心线或多股绞合线)、绝、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。所组成。n基带基带同轴电缆：阻抗是同轴电缆：阻抗是5050欧姆，又分为粗缆和细欧姆，又分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号。缆两种，都用于直接传输数字信号。 n宽带宽带同轴电缆：阻抗是同轴电缆：阻抗是7575欧姆，用于模拟传输系欧姆，用于模拟传输系统，它是有线电视系统统，它是有线电视系统CATVCATV中的标准传输电缆。中的标准传输电缆。 3.8.3 光纤光纤n光纤通信就是利用光导纤维传递光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲光脉冲进行通信。进行通信。 n光传输系统光传输系统：光源、光纤和光敏元件接收装置。：光源、光纤和光敏元件接收装置。n实用的光缆由三个部分组成：芯子即光纤，包层和实用的光缆由三个部分组成：芯子即光纤，包层和套管。几根乃至数百根这样的光缆常常合在一起，套管。几根乃至数百根这样的光缆常常合在一起，加上加强芯和填充物，最外面再加护