第2章_数据通信基础课件

1、2022-5-11第第2章章 数据通信基础数据通信基础2022-5-12本章内容o基本概念 o传输介质o网络通信接口o数据编码o数据传输方式o信道复用技术o差错控制及检错2022-5-132.1 基本概念o信息（Information）：是对事物运动状态和特征的描述。o数据（Data）：是传递（载荷）信息的实体。o信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。n模拟信号、数字信号n基带（Base band）、宽带（Broad band）o信息、数据和信号三者是紧密相关的。o在计算机中，信息是用数据表示的并转换成信号进行传送。2022-5-14n信道（Ch

2、annel）：传送信息的线路（或通路）。n比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。n码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。t码元码元1码元码元2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同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始2022-5-15o波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。n比特率、波特率和信号编码级数的关系如下： Rbit = Rbaud log2M 上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率n一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的

3、信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。o例如：当波特率为9600时n若M=2，数据传输率为9600b/sn若M=16，数据传输率为38.4kb/s2022-5-16o误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。nP=NE/N nN：传输的总位数nNE：传错的位数o信息编码：将信息用二进制数表示的方法。n例如：ASCII编码、BCD编码等2022-5-17o数据编码：将数据用物理量表示的方法。o例如：字符A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t2022-5-18o带宽（Band width，BW）n信道传输能力的度量。在传统的通

4、信工程中：oBW fmax fmin 单位：赫兹（Hz）n在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。o例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽为10Mb/s。2022-5-19o时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延o处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间o排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间o发送时延=数据位数/信道带宽o传播时延=d/s nd:距离ns:介质中信号传播速度(0.7c)2022-5-110o时延带宽乘积：时延

5、带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽传播时延信道信道带宽带宽传播时延传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。2022-5-111o往返时延（Round-Trip Time，RTT）：从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间RTT2传播时延o传输可靠性两个含义：o数据能正确送达o数据能有序送达（当采用分组交换时）2022-5-112数据通信的一般概念o通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的系统o任何信道都不是完美无缺的，

6、因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。n 外界：闪电、串扰、电气设备n 内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关）2022-5-113数字信号通过实际的信道 失真不严重实际的信道（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) 失真严重输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)2022-5-114o信息通过数据通信系统的传输过程n把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地n信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输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数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据

7、解码01000001A01000001A信道信道2022-5-115o编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错o调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位o解调：接收波形数字信号o解码：数字信号原始数据2022-5-1162. 数据通信系统的构成o数据传输系统n传输线路o有线介质、无线介质n传输设备o调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等n调制解调器等网络接入设备也称为DCE（Data Circuit Equipment）2022-5-117o数据处理系统o包括：计算机、终端等n分为：o源系统（信源发送器）：发出数据的计算机o目的系统（信宿接收器）：接收数据的计算机n计算机、终端

8、等设备也称为DTE（Data Terminal Equipment ） DCEDTEDTEDCE2022-5-118数据通信基本过程o5个阶段o包含两项内容：数据传输和通信控制过程过程 与打电话比较与打电话比较n建立物理连接 拨号，拨通对方 n建立逻辑连接 互相确认身份n数据传输 互相通话n断开逻辑连接 互相确认要结束通话n断开物理连接 双方挂机2022-5-1192.2 信道及其主要特征1. 数字信道和模拟信道o数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。n计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输nADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网o模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道

9、。nCATV（有线电视系统）、无线电广播、电话拨号线路2022-5-120o模拟信号和数字信号n模拟信号o时间上连续，包含无穷多个信号值o模拟信号能在数字信道上传输吗？t2022-5-121n数字信号o时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号o数字信号能在模拟信道上传输吗？t2022-5-122周期信号和非周期信号o周期信号n信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）o非周期信号n信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt2022-5-123数字通信与模拟通信数字通信：在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信：

10、在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输o数字通信的优点n抗噪声（干扰）能力强n可以控制差错，提高了传输质量n便于用计算机进行处理n易于加密、保密性强n可以传输语音、数据、影像，通用、灵活n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。2022-5-1242. 信道的最大数据传输率oNyquist公式：用于无噪声理想低通信道C = 2W log2 MC = 数据传输率，单位数据传输率，单位b/s W = 带宽，单位带宽，单位HzM = 信号编码级数信号编码级数n奈奎斯特公式奈奎斯特公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带 宽约为3.1kH

11、z，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示：M 最大数据率最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s2022-5-125非理想信道o实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。n损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。n延迟会使接收端的信号产生畸变。n噪声会破坏信号，产生误码。o例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。2022-5-126010110011001010010110011001010010110111001000误码位传输数据：信号：噪声：信号与噪声叠

12、加：采样时序：接收数据：原始数据：2022-5-127香农公式oShannon公式：用于有噪声干扰信道C = W log2 （1+S/N） C: 传输率，单位传输率，单位b/sW: 带宽，单位带宽，单位HzS/N: 信噪比信噪比n香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实际信道不可能没有噪声，所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步。n由于在实际使用中S和N的比值太大，故常取其分贝数（dB）。分贝数与信噪比的关系为：NSdB10log102022-5-128o例如，当S/N1000时，信噪比为30dB。这个公式与信号取的离散值的个数无关，也就是说无论用什么方法调制（或编码），只要给定了

13、信噪比，则单位时间内最大的信息传输量就决定了。o例如，信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则最大数据传输速率为：sbC/3000097. 93000)10001 (log300022022-5-129Nyquist公式和Shannon公式的比较oC = 2W log2Mn用于理想信道（这样的信道存在吗？）n数据传输率随信号编码级数增加而增加。oC = W log2（1+S/N）n用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）n无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。n原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。2022-5-1302.2 传输介质o要在

14、网络站点之间传输比特，就必须先找到一个在站点之间传送信号的方法，也就是说必需建立有效的物理连接。传输介质提供了这种最基本的连接。o计算机网络中采用的传输介质有有线和无线两大类。o双绞线、同轴电缆和光纤是常见的三种有线传输介质。o我们将讨论这几种建立物理连接的方法，同时还将介绍使用微波和卫星传送的无线通信技术。2022-5-131双绞线o双绞线是由螺旋状缠绕在一起的成对绝缘导线组成的。每对导线按照一定密度相互对绞，一根导线在传输信号时的电磁辐射会被另一根导线上的电磁辐射抵消，从而减少相互间的电磁干扰。o由于双绞线的价格便宜，并且安装、维护方便，所以无论对于模拟信号还是数字信号，也无论对于广域网还

15、是局域网，双绞线都是常用的一种网络传输介质。2022-5-132绞合技术o双绞线是由粗约1mm的相互绝缘的一对铜导线绞合组成的，对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。o绝缘材料使两根线中的金属导体不会因为互碰而导致电路短路。o双绞线可以用每单位长度导线上螺旋的数目来作为这种电缆的一个衡量标准。螺旋的数目越多，就越有助于降低电容和减少串扰。o串扰指相邻导线对之间的相互电磁干扰。2022-5-133双绞线的分类o双绞线通常被捆扎起来，并裹上保护层。按照保护层的区别，双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线：2022-5-134非屏蔽双绞线UTP o非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted

16、Pair，UTP） o通常由不同颜色的（橙绿蓝棕）4对双绞线组成，使用RJ-45连接器。 2022-5-135屏蔽双绞线STPo 屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP） 电缆外层由铝箔包裹，价格相对较高，并且需要支持屏蔽功能的特殊连接器和适当的安装技术，但是性能要高于相应的非屏蔽双绞线UTP。 内导体芯线绝缘层箔屏蔽铜屏蔽外套2022-5-136综合布线使用的双绞线o由于双绞线价格便宜，安装容易，适用于结构化综合布线，所以得到了广泛的使用。o电子工业协会 EIA定义了双绞线电缆各种不同的型号双绞线种类双绞线种类类型类型带宽带宽Mb/s屏蔽双绞线STP3类165类100

17、非屏蔽双绞线UTP3类164类205类100超5类1556类2502022-5-137同轴电缆o同轴电缆是另一种常用的金属导体传输介质。o同轴电缆的结构由四个部分组成：2022-5-138同轴电缆的类型规格类型阻抗描述RG-58UThinwire50固体实心铜线RG-58A/UThinwire50绞合线RG-58C/UThinwire50RG-58A/U的军用版本RG-59CATV75宽带电缆，用于有线电视网RG-8Thickwire50固体实心线RG-11Thickwire50标准实心线RG-62Baseband93用于ARCnet和IBM3270终端2022-5-139同轴电缆的用途o同轴

18、电缆通常采用基带模式或宽带模式传输信息。o在基带模式中，电缆的带宽完全用于单一的一个数据流。高带宽容量，将允许电缆实现高数据速率的传输。基带技术广泛应用于局域网中，因为任何时刻局域网上都只有一个数据流。o采用宽带模式时，带宽被划分为几个范围。通常每一个频率范围都携带着各自的编码信息，这样就可以在一根电缆上同时传输多个数据流。为了合并及分离信号，必须在源节点和目标节点处安装特殊的设备。有线电视就是在单一电缆上传输多个信号（每个频道一路信号）的一个例子。2022-5-140基带同轴电缆在局域网中常用的基带同轴电缆的特性阻抗为50，有两类：RG-8或RG-11的粗缆和RG-58细缆，应用于最初的以太

19、网物理层； 粗缆以太网（粗缆以太网（10Base510Base5）应用于最初的以太网，采用直径约应用于最初的以太网，采用直径约1cm1cm的硬的硬同轴电缆；使用刺入式收发器和同轴电缆；使用刺入式收发器和AUIAUI电缆组电缆组成总线拓扑结构成总线拓扑结构 细缆以太网（细缆以太网（10Base210Base2）细缆是在细缆是在2020世纪世纪8080年代用于以太网的最流年代用于以太网的最流行的传输介质；行的传输介质；BNCBNC接头，连接在接头，连接在T T型连接型连接器的两端器的两端2022-5-141BNC连接器2022-5-142光纤o光纤是由能传送光波的超细光导纤维制成的。o光纤通常由非

20、常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层同心圆柱体。2022-5-143光纤传输原理o光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。n纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低o亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0o光传输系统：光源、介质、光检测n光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管n光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APDo单向传输，双向需两根光纤o应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接。2022-5-144多模光纤和单模光纤o多模光纤(MMF)o单模光纤(SMF)：光纤的直径接近

21、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2022-5-145典型的光缆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常见规格：纤芯常见规格：纤芯50um缓变型缓变型-MMF 62.5um缓变型缓变型/增强型增强型-MMF 8.3um突变型突变型-SMF 包层包层125um2022-5-146高密度多芯光缆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

22、2022-5-147实际使用的光缆分类分类方法分类方法光缆种类光缆种类按所使用的光纤分类单模光缆、多模光缆、（阶跃型、渐变型）按缆芯结构划分层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式按外护套结构分类无铠装、钢带铠装、钢丝铠装按光缆中有无金属分类有金属光缆、无金属光缆按维护方式分类充油光缆、充气光缆按敷设方式分类直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆按适用范围分类中继光缆、海底光缆、用户光缆、局内光缆、长途光缆2022-5-148网络连接介质同轴电缆 同轴电缆由中心的一根导线和包围在某外边的圆筒状导体组成 粗缆 AUI （10Mbps、500m)细缆 BNC （10Mbps、185m） 非屏蔽双绞线

23、 UTP 4对标准铜缆构成的网络介质：选用RJ45连接器 CATEGORY 3 10MbpsCATEGORY 5 100Mbps 屏蔽双绞线 STP 屏蔽双绞线是屏蔽技术和绞线技术的结合体，具有很强的抗电磁干扰，抗无线电干扰的能力。 光缆 采用光信号不受电磁干扰，传输距离长 2022-5-149无线信道o无线传输介质一般不是人为架设的介质，而是自然界所存在的介质，这种介质就是广义的无线介质。在这些无线介质中完成通信称为无线通信。o有许多无线介质可以替换电缆：无线电波、红外线信号以及微波等。o因此，在使用电缆非常困难或者说根本不可能时，无线通信可以出色地代替电缆。o但是使用无线通信的限制：同一介

24、质的其他信号、太阳黑子的运动、电离层变化和其他大气干扰都会对通信信号形成干扰，从而会产生许多问题。2022-5-150无线电技术o自然界的声、热、光、电、磁都可以在空间传播，至今人类所认识的红外线、可见光、紫外线、x射线和射线，本质上都是电磁波，只是其频率和波长不同而已，这就是电磁波谱。o人类可见光的频率在41014Hz到71014Hz之间，其电磁波谱只占很小的一段频域。较低频域为红外线，更高的频域为紫外线、X射线、射线。2022-5-151无线电波段划分（部分） 波段号频率范围（f） 波长范围（） 波段名称频段名称使用情况4330kHz10010km甚长波VLF甚低频特殊通信，导航53030

25、0kHz101km长波LF 低频天线很大，军事应用63003000kHz1000100m中波MF 中频无线电广播7330MHz10010m短波HF 高频短波无线电830300MHz101m超短波VHF 甚高频甚高频电视93003GHz101dm分米波UHF 特高频地方微波10330GHz101cm厘米波SHF 超高频地方卫星微波1130300GHz101mm毫米波EHF 极高频实验室点到点通信123003000GHz10.1mm丝米波至高频2022-5-152无线电BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BS固定终端点（基站）和终端之间是无线链路F1, F2, F3 = 使用的频率202

26、2-5-153微波技术o微波通信系统可分为地面微波中继系统和卫星微波系统，两者之间的功能相似，但通信能力有很大区别。2022-5-154地面微波系统 地面微波系统由视距范围内的两个相互对准方向的抛物面天线组成，由于微波在空间是直线传输，而地球表面是个曲面，因此地面传输的距离受到限制，一般在50 km左右。若采用100 m的天线塔，则距离可增加到100 km。2022-5-155地面微波中继 为实现远距离通信，必须在一条无线通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再传送到下一站，这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输 。2022-5-15

27、6卫星通信o 卫星通信是利用卫星上的微波天线接收地面发送站发送的信号，经过放大后再转发给地面接收站，通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。商业卫星通信波段波段上行频段（GHz）下行频段（GHz）L1.64651.661.5451.5585Ku14.014.511.712.2Ka27.530.517.721.72022-5-157地球同步卫星 与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球2022-5-158红外线技术和激光技术o红外线传输n用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控n也可用于无线LANn缺点：不能穿透固体o激光传输n应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LANn缺点：不能穿透雨和浓雾，易

28、受天气影响2022-5-159移动通信手段o无线通信系统：o微波通信系统。频率在100MHz-10GHz的信号叫做微波信号，它们对应的信号波长为3m-3cm；o蜂窝移动通信系统。多址接入方法主要是有：频分多址接入FDMA，时分多址接入TDMA与码分多址接入CDMA；o卫星移动通信系统。商用通信卫星一般是被发射在赤道上方35900km的同步轨道上2022-5-160常用无线技术 oIEEE802.11系列标准 n微波、IrDA红外线接口 o蓝牙（Bluetooth，IEEE802.15） oHomeRFnIEEE802.11与DECT的结合nDECT ，Digital Enhance Cordl

29、ess Telephone无线电话系统2022-5-161通信介质的选择o保证最好的价格速率比：o参考标准：n费用n距离n传输速率（带宽）n信号干扰n施工布线n安全：（建筑规则、消防规则） 2022-5-1622.3 网络通信接口o接口分类：o1.并行与串行接口 并行接口：以并行的方式传送信息的接口，每次都是将一个字节的所有位同时进行传送。 串行接口：是接口与I/O设备之间以串行方式传送数据，每一个字节是一位一位地进行数据传送。2022-5-163o2.同步和异步接口n同步接口：是操作按照处理机控制的节拍进行，在交换信息时与处理机的节拍同步。n异步接口：操作不受处理机节拍控制，处理机与I/O设

30、备之间交换信息，采用应答方式。n交换信息的设备分为：主控设备和从属设备。n主控设备：发出“请求”信号 n从属设备：完成主控设备指定的操作，发出“回答”信号。2022-5-164o3.可编程和不可编程接口 可编程接口：是指它的功能和操作方式，可通过程序来改变或选择。 不可编程接口：功能和操作不能用程序来改变，可通过连线逻辑来实现。2022-5-165常见的通信接口o1. RS-232-C接口：异步串行通信接口o2.USB接口：通用串行总线，应用在PC领域的接口技术o3.IEEE1394：IEEE制定的串行接口标准，两种标准：IEEE1394a、IEEE1394bo4.ISDN接口：ISDN的统一

31、标准接口2022-5-1662.4 数据编码o不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据 数字数据信号：模拟信号 数字信号 信道：模拟信道 数字信道2022-5-167模拟传输和数字传输所使用的技术话音话音移频移频,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2022-5-168o编码与调制的区别n编码：用数字信号承载数字或模拟数据n调制：用模拟信号承载数字或

32、模拟数据编码与解码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发送方方接收接收方方g(t)编码编码解码解码2022-5-169调制与解调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2022-5-1701. 数字数据的数字信号编码o使数字数据能在数字信道上传输o把数字数据转换成某种数字脉冲信号n常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码o不归零码（NRZ，Non-Return to Zero）n二进制数字0、1分别用两种

33、电平来表示；o常用5V表示0，5V表示1；n缺点：o存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；o不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。2022-5-171o曼彻斯特编码（Manchester Coding）n用电压的变化表示0和1。o规定在每个码元的中间发生跳变：o高低的跳变代表0，低高的跳变代表1n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。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。n缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。o差分曼彻斯特编码（Differential ）n每个码元的中间仍要发生跳变。n用码元开始处有无跳变来

34、表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。2022-5-172不同数字编码的波形图采样脉冲采样脉冲采样脉冲(a) 单极性不归零码(b) 双极性不归零码(c) 单极性归零码(d) 双极性归零码(e) 曼彻斯特编码判决门限判决门限判决门限判决门限起始跳变有有有无无无无有二进制数据： 0 1 1 0 1 0 0 1跳变方向正负正正正负负负采样脉冲采样脉冲采样脉冲(f) 差分曼彻斯特编码2022-5-1732. 数字数据的调制o使数字数据能在模拟信道上传输o三种常用的调制技术：n幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying）n频移键控FSK （Frequency Shift Keyi

35、ng）n相移键控PSK （Phase Shift Keying）o原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) oS(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位n调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化2022-5-174调制方法oASK：用载波的两个不同振幅表示0和1oFSK：用载波的两个不同频率表示0和1oPSK：用载波的起始相位的变化表示0和12022-5-1753. 模拟数据的数字信号编码o使模拟数据能在数字信道上传输o采样定理：n如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，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。o要

36、转换的模拟数据主要是电话语音信号2022-5-176PCM编码o模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：n采样：按一定间隔对语音信号进行采样n量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上n编码：对每个舍入后的样本进行编码n编码后的信号称为PCM信号（脉码调制, Pulse Coded Modulation）。2022-5-177o语音信号的数字化n语音带宽f2倍语音最大频率）n样本量化级数：256级（8bit/每样本）n数据率：8000次/s*8bit = 64kb/so每路PCM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2022-5-178PCM编码过

37、程举例2022-5-1792.5 数据传输方式o单/双工通信单/双向传输n单工：数据单向传输（例：无线电广播）n半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）n全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）o需要具有两条物理上独立的传输线路；o或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。2022-5-180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2022-5-181基带/频带/

38、宽带传输o基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。n例如：以太网（局域网）o频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。n例如：通过电话网络传输数据o宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。n例如：闭路电视的信号传输2022-5-182并行传输与串行传输数 据 通 信 设 备11100111110011数 据 通 信 设 备ASCII字符“S”1110011数 据 通 信 设 备11100111110011数 据 通 信 设 备ASCII字符“S”1110011（a）并行传输 （b）串行传输2022-5-183数

39、据同步方式o目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：n同步脉冲频率n数据从什么时候开始，什么时候结束n位边界n数据块边界o数据通信中需要在三个层次上实现同步：n位位同步n字符字符同步n帧(Frame)帧同步2022-5-184位同步o目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：n外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。n自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定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

40、 信 号接 收 站接 收 站 收 到 的 数 据数 据2022-5-185字符同步n常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：o1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位n采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。n起止式的优缺点：o频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；o每两个字符之间的间隔时间不固定；o增加了辅助位，所以传输效率低；2022-5-186o例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其传输效率为8/1173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”2022-5-

41、187帧同步o目的：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块n面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧n面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）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 bit8bit8bit8-32m2022-5-1882.6 信道复用技术o多路复用：多个信息源共享一个公共信道o为何要复用？提高线路利用率n适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时o类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX

42、复用器复用器分路器分路器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿2022-5-1891.复用方法o频分复用FDM （Frequency Division Multiplexing）n按频率划分不同的信道，如CATV系统o波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） n按波长划分不同的信道，用于光纤传输o时分复用TDM （Time Division Multiplexing）n按时间划分不同的信道，目前应用最广泛o码分复用CDM （Code Division Multiplexing）n按地址码划分不同的信道，非常有发展前途2022-5-190频分复用FDMo原理：整个

43、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。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2CH3带宽复用信带宽复用信号号复用器复用器2022-5-191波分复用WDMo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。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 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅2022-5-192时分复用TDMo原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在

44、通信网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据复用后的数据流流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用复用器器t2022-5-193o由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。o一个时间片内传输的多路数据称为帧。o时分复用的典型例子：PCM信号的传输n把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）n每帧在一个时间片内发送n每个时隙承载一路PCM信号2022-5-194统计（异步）TDMSTDMoTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用

45、该时隙，将会造成带宽浪费。oSTDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C22022-5-195码分复用CDMo原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后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出，由此恢复出原始数据。o地址码序列两两相互正交：n码序列A、B，应满足 AB =0，A

46、B =0，A A =1，A A =-1 其中 为内积运算。o在无线移动通信中应用广泛。2022-5-1962.数据交换技术o什么是交换？n按某种方式动态地分配传输线路资源。o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接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。o最初的交换：人工转接交换o为什么要采用交换技术？n节省线路投资，提高线路利用率。o实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。2022-5-197电路交换o在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。n可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。o特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的

47、”（典型例子：电话）o过程：建立连接通信释放连接2022-5-198o优缺点：n建立连接的时间长；n一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；n无纠错机制；n建立连接后，传输延迟小。o不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。n例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。线路利用率？2022-5-199电话网络中的电路交换n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2022-5-1100报文交换o以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。n在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级

48、一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。o传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。称为“无连接的”（典型例子：电报）o整个报文（Message）作为一个整体一起发送。2022-5-1101o优缺点：n没有建立和拆除连接所需的等待时间；n线路利用率高；n传输可靠性较高；n报文大小不一，造成存储管理复杂；n大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；n出错后整个报文全部重发。o比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？2022-5-1102分组交换（包交换）o将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。o数据传输前不需

49、要建立一条端到端的通路也是“无连接的”。o有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。2022-5-1103o优缺点：n对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；n转发延时小适用于交互式通信；n某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；n各分组可通过不同路径传输，容错性好。n需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。o分组交换有两种交换方式：n数据报方式和虚电路方式2022-5-1104数据报方式（Datagram）o各分组独立地确定路由（传输路径）o不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装分组可能通过多个路径穿越网络数据报方式不能保证分组按序到达20

50、22-5-1105虚电路方式（Virtual Circuit）o通信前预先建立一条逻辑连接虚电路n虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的n类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点）o“西安北京”这条线路可以看成是一条虚路径o也需要三个过程：建立数据传输拆除n建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源o虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要n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“数字管道”2022-5-1106虚电路方式的特点o提供的是“面向连接”的服务n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传输路径上各个链路段与铁路系统类比！n可以看成是采用了电路交换思想的分组交换n能够保证分组按序到达o永久虚电路PVC和交换虚电路SVC2022-5-1107o分组通过预先建立好的虚电路穿越网络2022-5-1108三种交换方式的事件顺序呼呼叫叫请请求求呼呼叫