第2章 数据通信基础15

1、1 第一章重点内容：- 掌握计算机网络的基本概念- 掌握因特网“2/3/2”特点- 掌握因特网的结构与端到端原则- 掌握协议与服务的概念- 掌握网络体系结构的相关内容- 掌握分组交换网的性能指标2第第2章章数据通信基础3教学提示教学目的教学目的- 理解理解信息比特信息比特在传输媒体上和结点之间在传输媒体上和结点之间移动的过程移动的过程，熟悉熟悉数据通信网的技术原理和标准数据通信网的技术原理和标准重要知识点重要知识点- 编码和复用编码和复用- 分组分组交换交换- 接入网接入网学习方法学习方法- 理解概念，理解概念，关注关注重点重点4数据通信技术与物理层 数据通信技术数据通信技术：奠定了计算机网络

2、奠定了计算机网络结点之间结点之间的分组比特经的分组比特经传输媒体传输媒体流动的基础流动的基础 网络物理层网络物理层：定义了计算机系统和通信系统的定义了计算机系统和通信系统的接口接口及通信系统所使及通信系统所使用的用的技术标准技术标准接入网技术端系统与网络的多样化连接方式数字传输技术PCM，SDH可靠共享信道交换技术在大量端系统之间能够经济通信编码和复用技术数据比特在传输媒体上有效传输5第第2章：内容提要章：内容提要2.12.2传输媒体2.3编码和复用2.4交换技术2.5数字传输技术2.6接入网2.7物理层概述2.8小结6通信系统的一般模型通信系统的一般模型 通信目的通信目的：用电信手段传递报文

3、中的信息用电信手段传递报文中的信息 通信系统作用通信系统作用：将信息从信源发送到一将信息从信源发送到一或或多个信宿多个信宿将各种信息将各种信息转化成原始转化成原始电信号电信号生成适合在生成适合在信道中传输信道中传输的信号的信号将信号传送将信号传送到信宿到信宿的的物物理传输媒体理传输媒体从受到减损的接从受到减损的接收信号中正确恢收信号中正确恢复出原始电信号复出原始电信号传送信息的目的传送信息的目的地地，将电信号还将电信号还原原7一个通信系统可以划分成三部分：一个通信系统可以划分成三部分：源系统源系统（源点、发送器）、（源点、发送器）、传输系统传输系统和和目的系统目的系统（接收器、终点）。（接收器

4、、终点）。传输系统输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文源系统目的系统传输系统输出信息PC 机8用交换技术降低网络成本用交换技术降低网络成本 终端终端i复合了复合了发送方发送方(信源信源)和和接收方接收方(信宿信宿)的功能的功能 因特网终端若因特网终端若是智能的，是智能的，就可称为就可称为端系统或主机端系统或主机 大型通信系统中大型通信系统中,单一信道单一信道就就演变为复杂的交换网络演变为复杂的交换网络9相关的术语相关的术语l数据数据：传递信息的：传递信息的实体实体，信息则是数据的内容或解释。

5、，信息则是数据的内容或解释。 l信号信号：数据的数据的电气或电磁表现电气或电磁表现，数据以，数据以信号信号的形式传播。的形式传播。l l数字的数字的：取值仅允许为有限的几个离散数值。：取值仅允许为有限的几个离散数值。 数字数字信号信号与与数字数字数据数据l模拟的模拟的：连续变化的。：连续变化的。 模拟模拟信号与信号与模拟模拟数据数据 数据通信及其性质10数据通信及其性质 信号的参量取值是不可数的，无穷的称为模拟信号信号的参量取值是不可数的，无穷的称为模拟信号（连续信号）。（连续信号）。 信号的参量取值是可数的，有限的称为数字信号信号的参量取值是可数的，有限的称为数字信号（离散信号）。（离散信号

6、）。11模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数字信号进行传输。就会有字信号进行传输。就会有4种组合。种组合。模拟数据模拟数据-模拟信号模拟信号 模拟数据模拟数据-数字信号数字信号数字数据数字数据-模拟信号模拟信号 数字数据数字数据-数字信号数字信号模拟信号和数字信号也可以互相转换。模拟信号和数字信号也可以互相转换。调制把数字信号转换为模拟信号的过程。解调把模拟信号转换为数字信号的过程。12 利用利用数字信号数字信号传输信息的通信系统称为传输信息的通信系统称为数字通信系统数字通信系统。 数字通信数字通信优点优点：- 抗干扰能力强且噪声不积累、传输差错

7、可控、抗干扰能力强且噪声不积累、传输差错可控、易易处理处理变换存储、易于集成和易加密处理变换存储、易于集成和易加密处理 数字信号的基本单位为数字信号的基本单位为码元码元。 问题：问题：什么是什么是码元码元？13码元码元 码元码元(code)在使用在使用时间域时间域（或简称为时域）的（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波基本波形形。 如在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代如在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表表0状态，一种代表状态，一种代表1状态。状态。 码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。码元携带的信息量

8、由码元取的离散值个数决定。 14 问题：问题：单位单位时间内能够传输时间内能够传输多少多少码元码元？ 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及受到多种干扰。种失真以及受到多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。的输出端的波形的失真就越严重。152.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 失真不严重失真不严重 失真严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽

9、受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)16(1)信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现会出现码间串扰码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。识别）成为不可能。 如果信道的如果信道的频带越宽频带越宽，也就是能够通过的信号高频分，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。码间串扰。 1924 年，奈奎斯特年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名

10、的就推导出了著名的奈氏奈氏准则准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。串扰，码元的传输速率的上限值。17奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)公式公式 最高码元传输速率最高码元传输速率 = 2W Baud Baud 是是波特波特，是，是码元码元传输速率的单位，传输速率的单位，1 波特为每秒波特为每秒传送传送 1 个码元。个码元。 任何实际的信道所能传输的任何实际的信道所能传输的最大数据传输速率最大数据传输速率受到奈奎受到奈奎斯特斯特(Nyquist)公式限制：公式限制： M为信号状态数量，为信号状态数量，W为信道带宽为信

11、道带宽MWC2log218一个例子一个例子 3kHz带宽电话信道带宽电话信道用用调制解调器传输数字信号，受奈调制解调器传输数字信号，受奈氏氏公式限制，最多发送公式限制，最多发送2W=6000个码元个码元- 若若信号状态数量信号状态数量M=2，最大数据传输速率为，最大数据传输速率为6kbps- 若若M=4，每个码元携带，每个码元携带2比特信息，最大容量为比特信息，最大容量为12kbps 要提高要提高信道信道传输速率，必须设法传输速率，必须设法提高提高每码元携带每码元携带的的比特比特信息量信息量，即，即多元制调制多元制调制19香农香农 (Shannon) 公式公式 问题：问题：是否可以通过不断提高

12、是否可以通过不断提高信号状态数量信号状态数量M来增加信来增加信道容量呢？道容量呢？ 香农公式指出香农公式指出- 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率C可表达为可表达为 C = W log2(1 + S/N) bps其中：其中：W为信道带宽为信道带宽(以以Hz为单位为单位)；S为信道内所传信为信道内所传信号的平均功率；号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率为信道内部的高斯噪声功率 信道的信道的带宽带宽或信道中的或信道中的信噪比越大信噪比越大，则信息的极限传输，则信息的极限传输速率就越高。速率就越高。 只要信息传输速率只要信息传输速率不高于不高于信道的极限信息传输速率，就信道的极限信息传

13、输速率，就可能找到某种办法实现无差错的传输。可能找到某种办法实现无差错的传输。20传输模式传输模式(通信双方信息交换方式通信双方信息交换方式)数据流动的方向数据流动的方向 单向通信单向通信：数据单向传输：数据单向传输（无线电广播）（无线电广播） 双向交替通信双向交替通信：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传传 输输（对讲机）（对讲机） 双向同时通信双向同时通信：数据可同时双向传输：数据可同时双向传输（电话）（电话） 1）链路具有两条物理上独立的传输线路；）链路具有两条物理上独立的传输线路； 2）将带宽一分为二，分别用于不同方向）将带宽一分为二，分别用

14、于不同方向的信号传输。的信号传输。通信方式通信方式21信道与电路信道与电路信道信道：表示向某：表示向某一个方向一个方向传送信息的媒体。传送信息的媒体。模拟模拟信道信道与与数字数字信道信道电路电路：往往包含一条：往往包含一条发送发送信道和一条信道和一条接收接收信道。信道。信道上传送的信号信道上传送的信号: 基带信号基带信号：就是将数字信号：就是将数字信号1或或0直接用两种电压来表示，然直接用两种电压来表示，然后送到线路上去传输。后送到线路上去传输。 宽带信号宽带信号：就是将基带信号进行：就是将基带信号进行调制调制后形成的频分复用模拟信后形成的频分复用模拟信号。号。通信方式通信方式22第第2章：内

15、容提要章：内容提要2.1数据通信基础知识数据通信基础知识2.22.3编码和复用2.4交换技术2.5数字传输技术2.6接入网2.7物理层概述2.8小结231 1 分类分类 导向传输媒体导向传输媒体电磁波被导向沿着电磁波被导向沿着固体媒体固体媒体传播传播如：双绞线，同轴电缆，光纤等如：双绞线，同轴电缆，光纤等 非导向传输媒体非导向传输媒体电磁波沿着电磁波沿着自由空间自由空间传播传播如：无线电波，微波，红外等如：无线电波，微波，红外等24双绞线双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线双绞线两根互相绝缘的两根互相绝缘的铜导线铜导线并排放在一起，用并排放在

16、一起，用规则规则的方法的方法绞合绞合起来起来( (降低信号干扰降低信号干扰) )。导向传输媒体导向传输媒体双绞线双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 (UTP)Shielded Twisted Pair Unshieded Twisted Pair以铝箔屏蔽以减少电磁以铝箔屏蔽以减少电磁干扰和串音，适合于配干扰和串音，适合于配电房附近等区域布线。电房附近等区域布线。双绞线外没有任何附双绞线外没有任何附加屏蔽，适合于无干加屏蔽，适合于无干扰源区域布线。扰源区域布线。双绞线双绞线既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。美美

17、国的电气工业协会国的电气工业协会/电信工业协会电信工业协会（EIA/TIA）制定标准来评）制定标准来评估非屏蔽双绞线，分为多个等级，每个等级的传输速率和应估非屏蔽双绞线，分为多个等级，每个等级的传输速率和应用环境不同：用环境不同：第一类线第一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。其数据传输速率可初之前的电话线缆），不用于数据传输。其数据传输速率可达达4Mbps。第二类线第二类线：传输频率为：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速，用于语音传输和最高传输速率率4Mbps的数据传输，常见于使用的数据传输

18、，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议规范令牌传递协议的旧的令牌网。的旧的令牌网。第三类线第三类线：该电缆的传输频率为：该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最用于语音传输及最高传输速率为高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于的数据传输，主要用于10base-T。27第四类线第四类线：该类电缆的传输频率为：该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传用于语音传输和最高传输速率输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。第五类线第五类线：该类电缆增加了：该类电缆增加了绕线密度绕线密度,外套

19、一种高质量的绝缘材料外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数的数据传输，主要用于据传输，主要用于100base-T和和10base-T网络。网络。超五类线超五类线：超：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（扰的比值（ACR）和信噪比（）和信噪比（Structural Return Loss）、更小的）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。

20、）。六类线六类线：该类电缆的传输频率为：该类电缆的传输频率为1MHz250MHz，六类布线系统，六类布线系统在在200MHz时综合衰减串扰比（时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它）应该有较大的余量，它提供提供2倍于超五类的带宽，最大速度可达到倍于超五类的带宽，最大速度可达到1 000 Mbps，能满足千，能满足千兆位以太网需求。兆位以太网需求。28双绞线的特点：双绞线的特点： 结构简单，容易安装，普通结构简单，容易安装，普通UTP较便宜较便宜有一定的传输速率有一定的传输速率总体造价降低总体造价降低对电磁干扰比较敏感对电磁干扰比较敏感(b) Category 5 UTP(a) C

21、ategory 3 UTP29双绞线的使用：双绞线的使用：双绞线一般用于双绞线一般用于星型网星型网的布线连接，两端安装有的布线连接，两端安装有RJ-45头，就是经常用的头，就是经常用的“水晶头水晶头”。连接网卡与集线器，最。连接网卡与集线器，最大网线长度为大网线长度为100米，如果要加大网络的范围，在两段双米，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装个中继器，如安装4个中继器连个中继器连5个网段，最大传输范围可达个网段，最大传输范围可达500米。米。 30双绞线的使用：双绞线的使用：传输数据时，双绞线传输数据时，双绞线使用

22、的只有八根线芯中的使用的只有八根线芯中的4根根，用于，用于双向传输（全双工）。双向传输（全双工）。根据连接两端的网络端口不同，有直通线、交叉线及根据连接两端的网络端口不同，有直通线、交叉线及rollover三种：三种：直通线直通线主要用于主要用于不同的不同的两个端口，比如网卡两个端口，比如网卡-交换机；交换机；交叉线交叉线用于连接用于连接相同的相同的两个端口，如网卡两个端口，如网卡-网卡；网卡；rollover线线主要被用于使用主要被用于使用RJ45转换器转换器连接连接交换机或者交换机或者路由器的路由器的控制端口控制端口。 3132同轴电缆同轴电缆指有两个指有两个同心导体同心导体，而导体和屏蔽

23、层又共用同一轴心，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的的电缆电缆。同轴电缆以单根铜导线为内芯（电缆铜芯），外裹一层绝缘材。同轴电缆以单根铜导线为内芯（电缆铜芯），外裹一层绝缘材料（绝缘层），外覆密集网状导体（铜网），最外面是一层保护性塑料料（绝缘层），外覆密集网状导体（铜网），最外面是一层保护性塑料（外绝缘层）。（外绝缘层）。 金属屏蔽层金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性，广扰，故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性，广泛用于传输较高速率的数据。泛用于传输

24、较高速率的数据。 导向传输媒体（续）导向传输媒体（续）33两种广泛使用的同轴电缆：两种广泛使用的同轴电缆：l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，一条电缆只用于一个信道，直接传输数字信号直接传输数字信号，阻抗为，阻抗为50，基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；可分为两类：基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；可分为两类： 粗缆和粗缆和细缆。细缆。l 宽带同轴电缆宽带同轴电缆 宽带同轴电缆宽带同轴电缆传输模拟信号传输模拟信号，阻抗为，阻抗为75，宽带电缆的最大距，宽带电缆的最大距离可以达几十公里。离可以达几十公里。 光纤光纤是是光导纤维光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑的简写，是一

25、种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的料制成的纤维中的全反射原理全反射原理而达成的光传导工具。而达成的光传导工具。 导向传输媒体（续）导向传输媒体（续）光纤传输原理光纤传输原理利用了光的全反射利用了光的全反射 l l光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当决于两种介质的折射率。当入射角入射角临界值临界值时产生全反射，不时产生全反射，不会泄漏。会泄漏。 l l光纤：纤芯光纤：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 l l利用光纤传递利用光纤传递光脉冲光脉冲来进行通信，有光脉冲相当与来进行通信，有

26、光脉冲相当与1，没有，没有光脉冲相当与光脉冲相当与0。 l l光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源: 发光二极管发光二极管 / 激光二极管激光二极管介质介质: 光纤光纤光检测器光检测器: 光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD l l单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤36光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射玻璃封玻璃封套套塑料外套塑料外套玻璃内玻璃内芯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3839多模光纤与单模光纤 通过光纤传输的每一条通过光纤传输的每一条光束光束

27、被称作一个被称作一个模模。 单模光纤单模光纤在给定的工作波长上只能传输一路信号，它的纤在给定的工作波长上只能传输一路信号，它的纤芯直径很小，芯直径很小，8m10m。传输频带宽，传输容量大，距传输频带宽，传输容量大，距离远，一般由离远，一般由激光激光作光源作光源,多用于远程通信。多用于远程通信。 多模光纤多模光纤在多个给定的工作波长上，能以多个模式（多路在多个给定的工作波长上，能以多个模式（多路信号）同时传输的光纤，它的纤芯直径比单模光纤粗，信号）同时传输的光纤，它的纤芯直径比单模光纤粗， 15m50m。一般由一般由二极管二极管发光发光,多用于网络布线系统。多用于网络布线系统。与单模光纤相比，多

28、模光纤的传输性能较差。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。 40输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤41 光纤的传输：光纤的传输：光纤的数据传输：由光纤的数据传输：由光发送机光发送机产生光束，将电信号转变为光产生光束，将电信号转变为光信号，再把光信号导入光纤，在光纤的另一端由信号，再把光信号导入光纤，在光纤的另一端由光接收机光接收机接收接收光纤上传输来的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再处光纤上传输来的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再处理。光纤的传输距离远、传输速度快，是局域网中传输介质的理。光纤的传输距离远、传输速度快，是局域网中传输介质的姣姣者。

29、不过光纤的安装和连接需由专业技术人员完成。姣姣者。不过光纤的安装和连接需由专业技术人员完成。 光纤中传输的是光纤中传输的是光束光束，由于光束不受外界电磁干扰与影响，由于光束不受外界电磁干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，加上提供极宽的频带且功率损耗而且本身也不向外辐射信号，加上提供极宽的频带且功率损耗小，所以光纤具有小，所以光纤具有传输距离长传输距离长（多模光纤有（多模光纤有2公里以上，单模公里以上，单模光纤则有上百公里，如海底通讯光缆）、光纤则有上百公里，如海底通讯光缆）、传输率高传输率高（可达数千（可达数千Mbps）、）、保密性强保密性强（不会受到电子监听）等优点，适用于高（不会受到电子

30、监听）等优点，适用于高速局域网，远距离的信息传输以及主干网连接。速局域网，远距离的信息传输以及主干网连接。 光纤熔接机光纤熔接机4243关于光缆 光缆光缆由一束光导纤维，以及防护性填充物组成。由一束光导纤维，以及防护性填充物组成。 按照用法不同分为：室外光缆和室内光缆。按照用法不同分为：室外光缆和室内光缆。 室外光缆室外光缆用于建筑群间布线和远程通信布线。用于建筑群间布线和远程通信布线。 室内光缆室内光缆主要用于室内布线。主要用于室内布线。44非导向传输媒体非导向传输媒体 非导向传输媒体是利用非导向传输媒体是利用电磁信号电磁信号可以在可以在自由空间自由空间中传播中传播的特性传播信息，也可以称其

31、为的特性传播信息，也可以称其为无线介质无线介质。 无线电波，微波，红外线等无线介质。无线电波，微波，红外线等无线介质。 无线电波无线电波通信主要是利用地面发射的无线电波通信主要是利用地面发射的无线电波通过电离通过电离层的反射层的反射，或是电离层和地面的多次反射而达到接收端，或是电离层和地面的多次反射而达到接收端的一种无线通信方式。的一种无线通信方式。45 微波微波在空间主要是在空间主要是直线传播直线传播。 - 地面微波接力通信地面微波接力通信发送方和接收方之间没有大的障碍。发送方和接收方之间没有大的障碍。- 卫星微波通信卫星微波通信利用地面上的天线，指向地球同步卫星，它的传输跨利用地面上的天线

32、，指向地球同步卫星，它的传输跨越陆地和海洋，距离远，传播时延大。越陆地和海洋，距离远，传播时延大。地面微波接力地面微波接力两个地面站之间传送两个地面站之间传送距离：距离：50 -100 km47卫星微波通信卫星微波通信与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球适合与广播适合与广播传播时延较大传播时延较大48 卫星传输卫星传输作为微波接力传输的一种特殊形式，凭其无线作为微波接力传输的一种特殊形式，凭其无线通信的特点和优势，在军用、民用、科研等领域中发挥通信的特点和优势，在军用、民用、科研等领域中发挥着巨大的作用。着巨大的作用。 目前在商用卫星通信方面用得比较广

33、泛的是语音通信和目前在商用卫星通信方面用得比较广泛的是语音通信和电视传输，数据传输所占的比例非常小。电视传输，数据传输所占的比例非常小。 随着随着Internet的迅速扩大和信息量的急剧增加，卫星传的迅速扩大和信息量的急剧增加，卫星传输在数据通信领域也得到越来越广泛的应用。输在数据通信领域也得到越来越广泛的应用。49 红外线红外线是一种波长较长的光波，具有热感功能，是一种波长较长的光波，具有热感功能，应用于应用于近距离近距离无线传输。无线传输。- 无需布线，安装红外线收发设备；无需布线，安装红外线收发设备；- 方向性强，不能穿透墙壁或是大型物体，要求收发方可方向性强，不能穿透墙壁或是大型物体，

34、要求收发方可见；见；- 对天气特别敏感；对天气特别敏感；- 常用在移动设备间相互通信的场合。常用在移动设备间相互通信的场合。50 蓝牙蓝牙（Bluetooth），或称为蓝芽，是一种无线传送协议，），或称为蓝芽，是一种无线传送协议，最初由爱立信创制，后来由蓝牙特别兴趣组（爱立信、诺最初由爱立信创制，后来由蓝牙特别兴趣组（爱立信、诺基亚、基亚、IBM、东芝及、东芝及Intel）订定技术标准。）订定技术标准。 蓝牙技术实际上是一种短距离无线通信技术蓝牙技术实际上是一种短距离无线通信技术，利用，利用“蓝牙蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移

35、动电话手机等话手机等移动通信终端设备移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。线通信拓宽道路。 蓝牙的传输距离在蓝牙的传输距离在1mW发射功率时约为发射功率时约为10米，若加大功率米，若加大功率至至100mW则可达到则可达到50至至100米。当业务量减小或停止时，米。当业务量减小或停止时，蓝牙设备可以进入低功率工作模式。蓝牙设备可以进入低功率工作模式。

36、 51 Wi-Fi，是一种可以将个人电脑、手持设备（如，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手、手机）等终端机）等终端以无线方式互相连接以无线方式互相连接的无线网络技术，用无的无线网络技术，用无线连接来取代传统的网络到计算机间的实际线路，通常线连接来取代传统的网络到计算机间的实际线路，通常是使用一部是使用一部Access Point（AP）和计算机上的一片无线）和计算机上的一片无线网卡，使用网卡，使用2.4GHz的频率。一部的频率。一部Access Point可以服务可以服务多个联机，但是必须分享多个联机，但是必须分享11M的带宽。的带宽。52无线局域网 PC-PC53无线局域网 PC-

37、LAN54 传传输输媒媒体体 速速率率 传传输输距距离离 性性能能(抗抗干干扰扰性性) 价价格格 应应用用 双双绞绞线线 10-1000Mb/s 几几十十kM 可可以以 低低 模模拟拟/数数字字传传输输 50 同同轴轴电电缆缆 10Mb/s 3kM 内内 较较好好 略略 高高 于于双双绞绞线线 基基带带数数字字信信号号 75 同同轴轴电电缆缆 300-450MHz 100kM 较较好好 较较高高 模模拟拟传传输输电电视视、数数据据及及音音频频 光光纤纤 几几十十Gbps 30kM up 很很好好 较较高高 远远距距离离传传输输 短短波波 50MHz 全全球球 较较差差 较较低低 远远程程低低速

38、速通通信信 地地面面微微波波接接力力 4-6GHz 几几百百kM 好好 中中等等 远远程程通通信信 卫卫星星 500MHz 18000kM 很很好好 与与 距距 离离无无关关 远远程程通通信信 常用传输媒体的比较常用传输媒体的比较55课前回顾：课前回顾：数据通信的基础知识数据通信的基础知识通信系统模型通信系统模型数字通信的一些概念数字通信的一些概念通信方式通信方式传输媒体传输媒体导向传输媒体导向传输媒体非导向传输媒体非导向传输媒体56第第2章：内容提要章：内容提要2.1数据通信基础知识数据通信基础知识2.2传输媒体传输媒体2.32.4交换技术2.5数字传输技术2.6接入网2.7物理层概述2.8

39、小结57为何要为何要编码编码？ 承载比特的承载比特的信号信号在两个端系统适配器在两个端系统适配器(也称网卡也称网卡)之间的之间的传输媒体上传输传输媒体上传输 为使信道为使信道有效传输有效传输和和接收结点接收结点有效识别有效识别，先要将比特编，先要将比特编码为信号，再传输码为信号，再传输 涉及技术涉及技术：检测信号时钟检测信号时钟同步同步和编码效率和编码效率58数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道不同类型的数据在不同类型的信道上传输有不同类型的数据在不同类型的信道上传输有4种组合，种组合

40、，每一种相应地需要进行不同的每一种相应地需要进行不同的编码处理编码处理。EncoderDecoderModulatorDemodulator编码和调制编码和调制用用数字信号数字信号承载数字或模拟数据承载数字或模拟数据编码编码用用模拟信号模拟信号承载数字或模拟数据承载数字或模拟数据调制调制1. 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 l l不归零制不归零制(NRZ，Non-Return to Zero，NRZ) 二进制数字二进制数字0、1分别用分别用两种电平两种电平来表示。来表示。 常常用常常用5V表示表示1，5V表示表示0。缺点缺点 :发送方和接收方必须有时钟同步；若信号中发送方和接收方

41、必须有时钟同步；若信号中“0”或或“1”连续出现，导致基线漂移。连续出现，导致基线漂移。l l不归零反转不归零反转(Non-Return to Zero Inverted，NRZI)l l曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester code) 用用电压的变化电压的变化表表示示0和和1。 规定在电压规定在电压每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变： 1高高 低的跳变，低的跳变， 0低低高的跳变高的跳变 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，使接收端的时钟与发送设提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持

42、一致。备的时钟保持一致。 曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码（自同步码（Self-Synchronizing Code）。）。它具有自同步机制，无需外同步信号。它具有自同步机制，无需外同步信号。 缺点：需要缺点：需要双倍双倍的传输带宽，编码效率的传输带宽，编码效率为为50%。62 4B5B编码是把一定数量（编码是把一定数量（4bit）0或或1变成另外一变成另外一定数量（定数量（5bit）的）的0或或1。其思想是在比特流中插入额。其思想是在比特流中插入额外的外的bit以以减少出现一连串的减少出现一连串的0或或1的数量的数量，目的就是为，目的就是为了避免直流分量，并能增加控制信息。了避免

43、直流分量，并能增加控制信息。 4B5B编码是将原来的编码是将原来的4bit（能表示（能表示16种信息）转种信息）转换成换成5bit（能表示（能表示32种信息），其中的种信息），其中的16种对应于原种对应于原4bit时的时的16种，另种，另8种表示控制，剩下种表示控制，剩下8种不用。种不用。 具体的电平实现，再用某种信号编码：如不归零具体的电平实现，再用某种信号编码：如不归零反转编码。反转编码。 4B5B编码的效率为编码的效率为80%。2. 数字数据的调制编码数字数据的调制编码 三种常用的调制技术：三种常用的调制技术： 1） 幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)

44、，调幅调幅 2） 频移键控频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频调频 3） 相移键控相移键控PSK(Phase Shift Keying)，调相调相基本原理：用数字信号对基本原理：用数字信号对载波载波的的不同参量不同参量进行调制进行调制。 载波载波 S(t) = Acos( t+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是要使这三个参量随数字调制就是要使这三个参量随数字基带信号基带信号的变化而变化的变化而变化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(0v)和和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示：用

45、载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)PSK：用载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 (同相同相)和和1(反相反相)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定理（采样定理）：奈奎斯特定理（采样定理）： 如果连续变化的模拟信号最高频率为如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若，若以以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要

46、经过三个步骤：信号。这需要经过三个步骤： 1）采样）采样按一定间隔记录语音信号的状态，称之为样本按一定间隔记录语音信号的状态，称之为样本 2）量化）量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3）编码）编码对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码采样电路采样电路量化和编码量化和编码-话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率)-量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示)-数据率：数据率：8000次次/s*8bit = 64Kb/s 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号）信号（脉

47、码调制信号）脉码调制信号）PCM转换过程举例转换过程举例 复用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 DEMUX多路复用器多路复用器多路分离器多路分离器共享信道共享信道MUX复用类型复用类型lWDM (波分复用波分复用)lTDM (时分复用时分复用)lCDM (码分复用码分复用)lFDM (频分复用频分复用)1.频分复用频分复用Frequency Division Multiplexing原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带防护频带。适用

48、于模拟信号传输适用于模拟信号传输 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 52.波分复用波分复用Wave Division MultiplexingF2F1F3 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 采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅波分复用即光的频分复用，原理：整个波长频带被划分波分复用即光的频分复用，原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。传输。3.时分复用时分复用Time Division Multiplex

49、ing原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙）通道（时隙） ，每个用户占用一个通道传输数据。，每个用户占用一个通道传输数据。 A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输适用于数字信号传输 时间片时间片73时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧74时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧

50、TDM 帧TDM 帧TDM 帧75时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧76时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧774.码分复用码分复用 CDM 常用的名词是常用的名词是码分多址码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 每一个用户可以在每一个用户可以在同样的时间同样的时间内使用内使用同样的频率同样的频率进进行通信。行通信。 CDMA为每个节点分配一个唯一的为每个

51、节点分配一个唯一的正交码正交码作为该用作为该用户的地址码。户的地址码。 在发送结点，发送的码元用该正交码进行编码，使在发送结点，发送的码元用该正交码进行编码，使信号的带宽得到极大的扩展。信号的带宽得到极大的扩展。 在接收节点，扩展的信号可以用与发送结点在接收节点，扩展的信号可以用与发送结点相同的相同的正交码进行解码，得到原始的码元。正交码进行解码，得到原始的码元。 78 信号扩展后，发送的信号有很强的抗干扰能力，信号扩展后，发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。且由其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。且由 于使用了不同的正交码，各结点之间不会互相干于使用了不同的正交

52、码，各结点之间不会互相干扰。扰。 在在CDMA中，每一个比特时间划分为中，每一个比特时间划分为 m 比特序比特序列，称为列，称为码片码片(chip), m值通常为值通常为64或或128。79码片序列码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个惟一的每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。码片序列。- 如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片序列码片序列- 如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码，则发送该码片序列的二进制反码 例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 00011011。- 发送比特发送比特 1 时，

53、就发送序列时，就发送序列 00011011- 发送比特发送比特 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100 S 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) S 站要发送信息的数据率为站要发送信息的数据率为n b/s, S 站实际发送数站实际发送数据率为据率为mn b/s。80CDMA 的重要特点的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须每个站分配的码片序列不仅必须各不相同各不相同，并且还，并且还必须互相必须互相正交正交(orthogonal)。 在实用的系统中是使用在实用的系统中是使用伪随机码序列伪随机码序列。 81码片序列的正交关系码片序列的正交关系 令向量

54、令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示其他任表示其他任何站的码片向量。何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的规的规格化格化内积内积(inner product)都是都是 0： 011miiiTSmTS82码片序列的正交关系举例 令向量令向量 S 为为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量，向量 T 为为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入前式就可看出这两的各分量值代入前式就可看出这两个码片序列是不是正交的。个码片序列是不是正交的。 83 任

55、何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是是 1。 正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS84CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端85 3G与4G？课外讨论86第第2章：内容提要章：内容提要2.1

56、数据通信基础知识数据通信基础知识2.2传输媒体传输媒体2.3编码和复用编码和复用2.4交换技术交换技术2.5数字传输技术2.6接入网2.7物理层概述2.8小结871.2 计算机网络的发展过程计算机网络的发展过程 在这里，在这里，“交换交换”(switching)(switching)的含义是：的含义是：转接转接把一条电话线转接到另一条电话线，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。使它们连通起来。 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”就是按照就是按照某种方式某种方式动态地分配动态地分配传输线路的资源。传输线路的资源。计算机网络的交换技术主要包括：计算机网络的

57、交换技术主要包括： 电路交换、报文交换、分组交换。电路交换、报文交换、分组交换。88 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。来。 5 5 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 10 10 对电线。对电线。N N 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 N N( (N N 1)/2 1)/2 对电线。对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电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。线对的数量与电话机数的平方成正比。 89 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完当电话机的数量增多时，就要使用交换

58、机来完成全网的交换任务。成全网的交换任务。 交换机90 A A 和和 B B 通话经过四个交换机通话经过四个交换机 通话在通话在 A A 到到 B B 的连接上进行的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA91 C C 和和 D D 通话只经过一个本地交换机通话只经过一个本地交换机 通话在通话在 C C 到到 D D 的连接上进行的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA92 电路交换必定是面向连接的。电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段：电路交换的三个阶段：建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接主要优缺点：主要优缺点：1.1.传

59、输数据时延小，实时性强，顺序传送数据等传输数据时延小，实时性强，顺序传送数据等2.2.需要建立连接，独占链路等需要建立连接，独占链路等3.3.由于计算机数据具有突发性，这导致通信线路的由于计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低利用率很低93ADCB发送报文发送报文传输传输等待等待-发送发送传输传输等待等待-发送发送传输传输94 特点特点: :1.1.无呼叫建立和专用通路无呼叫建立和专用通路2.2.存储存储- -转发式转发式的发送技术的发送技术 主要优缺点：主要优缺点：1.1.不需要建立连接，不独占链路等不需要建立连接，不独占链路等2.2.转发时延长，实时性差转发时延长，实时性差3.3

60、.报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。4.4.出错后整个报文全部重发出错后整个报文全部重发95报文 在发送端，先把较长的报文在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固划分成较短的、固定长度的数据段定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长假定这个报文较长不便于传输不便于传输9697 特点特点: :1.1.无呼叫建立和专用通路无呼叫建立和专用通路2.2.存储存储- -转发式的发送技术转发式的发送技术3.3.将数据分成有大小限制的分组后发送将数据分成有大小限制的分组后发送 主要优缺点：主要优缺点：