数据通信的基础知识

1、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 信道信道 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 差错控制及检错差错控制及检错2课件制作人：谢希仁2.1 数据通信系统传输系统输入信息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 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机3 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

2、：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系统之间的复杂网络设备4数据通信的基本过程数据通信的基本过程 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 与打电话比较与打电话比较 建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份 数据传输数据传输 互相通话互相通话 断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话 断开物理连接断开物理连接 双方挂

3、机双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。52.2 基本概念基本概念 数据数据(data)运送消息的实体。运送消息的实体。 信号信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的模拟的”(analogous)代表消息的参数的代表消息的参数的取值是连续的。取值是连续的。 “数字的数字的”(digital)代表消息的参数的取值代表消息的参数的取值是离散的。是离散的。 6 数据分为模拟数据和数字数据。数据分为模拟数据和数字数据。 计算机处理的是数字数据，用计算机处理的是数字数据，用“1”、“0”表表示。示。 计算机数据通过信号进行传输，信号是传输计算机

4、数据通过信号进行传输，信号是传输数据的载体。数据的载体。 信号也分为模拟信号和数字信号。信号也分为模拟信号和数字信号。7 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值 模拟信号能在数字信道上传输吗？模拟信号能在数字信道上传输吗？ 数字信号数字信号 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 数字信号能在模拟信道上传输吗？数字信号能在模拟信道上传输吗？ta） 模拟信号tb） 数字信号8 周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号 周期信号周期信号 信号由不断重复

5、的固定模式组成信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）（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信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）（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tt9信道：信号传输的通道。信道：信号传输的通道。数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道 数字信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。传输数据的信道。 计算机网络中主要采用数字信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 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网、局域网 模拟信道模拟信道：以连续模拟信号

6、形式传输数据：以连续模拟信号形式传输数据的信道。的信道。 CATV、无线电广播、电话拨号线路、无线电广播、电话拨号线路10因此，因此， 不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号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 数字信号数字信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道编码编码调制调制通信通信11 编码与调制编码与调制话音话音移频移频,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

7、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12 编码与调制的区别编码与调制的区别 编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载数字或模拟数据 调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据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13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1

8、41. 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 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 把数字数据转换成某种数字脉冲信号把数字数据转换成某种数字脉冲信号 常见的有两类：常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码和曼彻斯特编码15 不归零码（不归零码（NRZ，Non-Return to Zero） 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： 存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须

9、使用外同步。16 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0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变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。这种化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自编码也称为自同步码（同步码（Self-Synchronizing Code）。）。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的据速率的2倍）。倍）。17

10、差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential ） 每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变。仍要发生跳变。 用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1 ，有跳变代，有跳变代表表0，无跳变代表，无跳变代表1。18 三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图192. 数字数据的调制数字数据的调制 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 三种常用的调制技术三种常用的调制技术： 幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying） 频移键控FSK （Frequency Shift Keying） 相移键控PSK （Phase Shift K

11、eying） 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( t+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、 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20 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1213. 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 使模拟数据能在数字

12、信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输 采样定理：采样定理：如果模拟信号的最高频率为如果模拟信号的最高频率为F，若以，若以2F的采样频率对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。复出原始信号。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号要转换的模拟数据主要是电话语音信号22 模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转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：换成数字信号。三个步骤： 采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上：把每个样本舍

13、入到最接近的量化级别上 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 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号（脉码调制信号（脉码调制, Pulse Coded Modulation）。）。23 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（8bit/每样本）每样本） 数据率：数据率：8000次次/s*8bit = 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24PCM编码过程举例25 通信通信 数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信

14、 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26 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 易于加密、保密性强易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟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。通信

15、，如通过电话线拨号上网。273. 通信网络中站点的连接方式通信网络中站点的连接方式点-点连接主站交换连接集线式连接次站次站次站中心站集中器交换机多点连接284. 数据传输方式数据传输方式 单单/双工通信双工通信单单/双向传输双向传输 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：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输一时刻双向传输（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

16、者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用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。于不同方向的信号传输。29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30 基带基带/频带频带/宽带传输宽带传输 基带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。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：数字信号调制成音频模

17、拟信号后再：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。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到几到几百百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输31 数据同步方式数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：目的是使接收端与发送端在时间基准上一致： 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

18、同步帧同步32 位同步位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，发送端保持同步，2种同步方法：种同步方法： 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。收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号通过特殊编码（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。己的时钟脉冲频率。发

19、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33 字符同步字符同步：找到正确的字符边界。：找到正确的字符边界。 常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：符的传输需要： 1个起始位、个起始位、58个数据位、个数据位、1、1.5或或2个停止位个停止位 采用这种同步方式的通信也称采用这种同步方式的通信也称“异步通信异步通信”。 起止式的优缺点：起止式的优缺点： 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，每个字符开始时都会重新获得同步； 每两个字符之间的间隔时间不固定；每两个字

20、符之间的间隔时间不固定； 增加了辅助位，所以传输效率低；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用例如，采用1个起始位、个起始位、 8个数据位、个数据位、 2个停止位时，其传输效个停止位时，其传输效率为率为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”34 帧同步帧同步：识别一个帧的起始和结束：识别一个帧的起始和结束。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数据和包含数据和控制信息的数据块控制信息的数据块 面向字符面向字符的的以同步字符（以同步字符（SYN，16H）来标识一）来标识一个帧的

21、开始，适用于数据为字符类型的帧个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧 面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（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 bit8bit8bit8-32m7EH7EH352.3 传输介质传输介质l磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延时（小时）高延时（小时） 在通信中很少使用在通信中很少使用例：例：7GB/8mm磁带，磁带，1000盘盘/505050cm3，24h可送到任何地方。可送到任何地方。 总容量总容量

22、=710008Gb，总时间，总时间=246060s=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若让刘翔来传送若让刘翔来传送1盘盘10GB的磁带，在的磁带，在110m（12.91s）内其传输速率是多少？）内其传输速率是多少？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无线介质无线介质无线电、微波、卫星、红外线无线电、微波、卫星、红外线36 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

23、、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（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网应用领域：电话网络、计算机局域网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37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，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：常用的双绞线：3类（类（16Mb/s） 和和5类（类（155Mb/s）两种）两种38 双绞线的连接标准 色彩标

24、记和连接方法： 交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口) 直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线交叉线EIA-568B直连线直连线EIA-568A39 光纤光纤（Optical Fiber） 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，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传

25、输 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： 塑料塑料 二氧化硅二氧化硅 （高纯玻璃）（高纯玻璃）40课件制作人：谢希仁光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯41课件制作人：谢希仁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42 光纤传输光纤传输原理原理光的反射光的反射 光从折射光从折射率高的率高的介质入射到折射介质入射到折射率低的率低的介质时会介质时会产生折射。折射量取决于两种

26、介质的折射率。产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当当入射角入射角临界值临界值时时产生全反射，不会泄漏。产生全反射，不会泄漏。 纤芯纤芯-折射率高折射率高，玻璃包层玻璃包层-折射率低折射率低 单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤 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43课件制作人：谢希仁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44 多模光纤多模光纤(MMF) 单模光纤单模光纤(SMF)：光纤的直径光纤的直径接近接近一个光波波长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

27、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45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：常见规格：纤纤芯芯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125um46 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47 同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable） 计算机网络中使用基带同轴电缆计算机网络中使用

28、基带同轴电缆 阻抗50，有粗同轴和细同轴两种 应用：总线局域网（以太网）应用：总线局域网（以太网） 性能：性能：10Mb/s，500米米/185米米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48 无线传输媒体有无线传输媒体有卫星、无线电通信、红外线通信、激光通信、微波通信等；根据ITU-R将无线电划分成若干波段，其中有低频LF、中频MF、高频HF、甚高频VHF、超高频UHF、特高频SHF、极高频EHF等。分析目前的WAP（无线应用协议）；采用的是无管制的频率段；思考题：查询WAP、蓝牙技术（blue-tooth）方面的信息；无线传输介质无线传输介质49 地面微波地面微波 通过地面

29、站之间接力传送通过地面站之间接力传送 接力站之间距离：接力站之间距离：50 -100 km 速率：每信道速率：每信道 45 Mb/s地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔50 卫星通信卫星通信 与地面站相对固定位置 使用3颗卫星即可覆盖全球 传输延迟时间长（270ms） 广播式传输 应用领域： 电视传输 长途电话 专用网络 广域网35,784公里公里地球地球515253 卫星通信是利用地球同步轨道卫星进行的通信，大约在地球上方36000KM的轨上进行的通信，为了提高利用率，把适合通信的频率划分成不同的频率范围，称为波段，目前常用的有：C波段：3.74.2GHz的频段作为

30、上行信道； 5.9256.425GHz作为下行频段；Ku波段：11.712.2GHz的频段作为上行信道； 1414.5GHz作为下行频段；Ka波段：17.721.7GHz的频段作为上行信道； 27.530.5GHz作为下行频段； C波段最早用于商业，目前非常拥挤，Ku波段的微波易被雨水吸收，由于影响是局部，故需多个中继相互备份来解决；Ka波段同Ku波段，多用于军事。卫星通信卫星通信54 常用传输常用传输介质介质的比较的比较（p46表表2.1）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: 10k

31、m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远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带4-6GHz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1-10GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信552.4 数据编码数据编码 不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输有

32、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 数字信号数字信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道56 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57 编码与调制的区别编码与调制的区别 编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载

33、数字或模拟数据 调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据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58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591. 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 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 把数字数据转换成某种数字脉冲信号把数字数据转换成某种数字脉冲信号 常见的有两类：常

34、见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码和曼彻斯特编码60 不归零码（不归零码（NRZ，Non-Return to Zero） 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： 存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。61 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

35、跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变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。这种化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自编码也称为自同步码（同步码（Self-Synchronizing Code）。）。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的据速率的2倍）。倍）。62 差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential ） 每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变。仍要发生跳变。 用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1 ，有跳变

36、代，有跳变代表表0，无跳变代表，无跳变代表1。63 三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图642. 数字数据的调制数字数据的调制 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 三种常用的调制技术三种常用的调制技术： 幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying） 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( t+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅

37、度A、频率频率 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、 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65 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1663. 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 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 采样定理：采样定理：如果模拟信号的最高频率为如果模拟信号的最高频率为F，若以，若以2F的采样频率对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

38、恢其采样，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。复出原始信号。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号要转换的模拟数据主要是电话语音信号67 模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转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：换成数字信号。三个步骤： 采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上：把每个样本舍入到最接近的量化级别上 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 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号（脉码调制信号（脉码调制, Pulse Coded Modul

39、ation）。）。68 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（8bit/每样本）每样本） 数据率：数据率：8000次次/s*8bit = 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69PCM编码过程举例702.5 多路复用技术多路复用技术共享信道 复用复用(multiplexing)是通信技术中的基本是通信技术中的基本概念。概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术71

40、 复用的基本思想：复用的基本思想： 把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，把公共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每个子信道传输一路数据。DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿72 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 波分复用波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输 时分复用时分复用TDM

41、（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 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73 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。频率通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。道之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频

42、后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器74 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 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅75 时分复用时分复用TDM 原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片原理：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分为若干个时隙，每路数据占用一

43、个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。传输。在通信网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t76 一个时间片内传输的多路数据称为一个时间片内传输的多路数据称为帧帧。 由于每路数据总是使用每个时间片的固定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时隙，所以这种时分复用也称为同步时分同步时分复用复用。77 统计（异步）统计（异步）TDMSTDM TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占

44、用该时隙，将会造成带宽浪费。不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。 STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。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C278码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 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)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因各用

45、户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，这种系统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。其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称个短的间隔，称为为码片码片(chip)。 79码片序列码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 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

46、。，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，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) 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各不相同，每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相并且还必须互相正交正交(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

47、系码片序列的正交关系 令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示表示其他任何站的码片向量。其他任何站的码片向量。 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 的规格化的规格化内积内积(inner product)都是都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)82码片序列的正交关系举例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，向量量 T 为为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(2-3)式就可式就可看出这两

48、个码片序列是正交的。看出这两个码片序列是正交的。 83 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是内积值是 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 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852.6 数据交

49、换技术数据交换技术 什么是交换？什么是交换？ 由中间节点进行转接的通信由中间节点进行转接的通信。 例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可例如，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。线路又可分配给其它用户。 最初的交换：人工转接交换最初的交换：人工转接交换 为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？ 节省线路投资，提高线路利用率。节省线路投资，提高线路利用率。86 实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有： 电路交换电路交换、报文交换报文交换和和分组交换分组交换。871. 电

50、路交换的主要特点电路交换的主要特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。接起来。 88更多的电话机互相连通更多的电话机互相连通 5 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 10 对电线。对电线。 N 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 N(N 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。对的数量与电话机数的平方成正比。 89使用交换机使用交换机 当电话机的数量增多时，就要使用交换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。

51、机来完成全网的交换任务。 交换机交换机90“交换交换”的含义的含义 在这里，在这里，“交换交换”(switching)的含义就的含义就是是转接转接把一条电话线转接到另一条把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。电话线，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”就是按照某种方式就是按照某种方式动态地分配动态地分配传输线路传输线路的资源。的资源。 91电路交换的特点电路交换的特点 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92电路交换举例电路交换举例 A

52、 和和 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 到到 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BDCA93电路交换举例电路交换举例 C 和和 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 到到 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BDCA94电路交换传送计算机数据效率低电路交换传送计算机数据效率低 建立连接的时间长；建立连接的时间长； 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； 无纠错机制；无纠错机制； 建立连接后，传输延迟小。建立连接后，

53、传输延迟小。952.报文交换报文交换 以报文为单位进行以报文为单位进行“存储存储-转发转发”交换的技术。交换的技术。 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，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，一级一级中转，直到目待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为的地。这种数据传输技术称为存储存储-转发转发。 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，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。结点传输报文时建立结点间的连接。称为称为“无连接的无连接的”（典型例子：电报）（典型例子：电报） 整个报文（整个报文（M

54、essage）作为一个整体一起发）作为一个整体一起发送。送。96 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；传输可靠性较高； 报文大小不一，造成存储管理复杂；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，且对存储容量要求大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；较高； 出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？973.分组交换（包交换）分组交换（包交换） 将报文将报文分割

55、分割成若干个大小相等的分组（成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发进行存储转发,最后最后还原还原成原来的报文。成原来的报文。 数据传输前不需要建立一条数据传输前不需要建立一条端到端端到端的通路的通路也是也是“无连接的无连接的”。 有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。由选择功能。98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划分成较短的、固定长度的数据段的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输99数 据数 据数 据报文

56、添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上每一个数据段前面添加上首部首部构成分组。构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”100分组交换的传输单元 分组交换网以分组交换网以“分组分组”作为数据传输单作为数据传输单元。元。 依次依次把各分组发送到接收端（假定接收把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3101分组首部的重要性 每一个每一个分组的首部都含有分组的首部都含有地址地址等控制信等控制信息。息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的分组的首部中的地址

57、信息地址信息，把分组，把分组转发转发到下一个结点交换机。到下一个结点交换机。 用这样的用这样的存储转发存储转发方式，最后分组就能方式，最后分组就能到达到达最终目的地最终目的地。102收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据103数 据数 据数 据 最后，在接收端把收到的数据最后，在接收端把收到的数据恢复成为恢复成为原来的报文原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。现差错，在转发时也没有被丢弃。报文110100

58、0110101010110101011100010011010010104 优缺点：优缺点： 对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组组速度快；速度快； 转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信； 某个分组出错可以仅重发出错的分组某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；效率高； 各分组可通过不同路径传输，容错性好。各分组可通过不同路径传输，容错性好。 需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。需要分割报文和重组报文，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： （1）数据报方式）数据报方式 （2）虚电路

59、方式）虚电路方式105（1）数据报方式（）数据报方式（Datagram） 各分组独立地确定路由独立地确定路由（传输路径） 不能保证分组按序到达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重新排序和组装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穿越网络106（2）虚电路方式（）虚电路方式（Virtual Circuit） 通信前预先建立一条逻辑连接虚电路虚电路 虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的 类比：铁路系统（旅客类比：铁路系统（旅客/列车列车:分组，铁路网分组，铁路网:网络，火网络，火车站车站:节点）节点）“西安北京西安北京”这条线路可以看成是一条虚路径这条线路可以看成是一条虚路径 也需要三个过程：建立数据传输拆除 建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源107 虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要需要 数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的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路由穿越网络“数字管道数字管道” 提供的是提供的是“面向连接面向连接”的服务的服务 但却没有像电