计算机网络原理与应用2

1、计算机网络原理与应用计算机网络原理与应用第第2 2章章 数据通信基础数据通信基础2.1 2.1 基本概念基本概念2.2 2.2 数据通信基础理论数据通信基础理论2.3 2.3 传输媒体传输媒体2.4 2.4 数据编码技术数据编码技术2.5 2.5 多路复用多路复用2.6 2.6 数据交换技术数据交换技术2.7 2.7 调制解调器调制解调器2.1 基本概念基本概念u数据通信是计算机网络的基础。数据通信是计算机网络的基础。u没有数据通信技术的发展，就没有计算机网络没有数据通信技术的发展，就没有计算机网络的今天。的今天。u本节将简单介绍数字通信的一些基本概念。本节将简单介绍数字通信的一些基本概念。2

2、.1.1 2.1.1 基本概念基本概念2.1.2 2.1.2 模拟通信模拟通信2.1.3 2.1.3 数字通信数字通信2.1.1基本概念基本概念(1)p数据数据(Data)(Data)：运送信息的实体。运送信息的实体。p信息信息(Information)(Information)：是数据的内容或解释。是数据的内容或解释。p信号信号(Signal)(Signal)：数据的物理量编码数据的物理量编码( (通常为电磁编码通常为电磁编码) )，数据以信，数据以信号的形式传播。号的形式传播。-模拟信号模拟信号: :是连续变化的电磁波，它可以在各种媒体上传输与是连续变化的电磁波，它可以在各种媒体上传输与频

3、率有关。即连续的信号，如话音信号和广播电视信号。频率有关。即连续的信号，如话音信号和广播电视信号。-数字信号数字信号: :是一串相继的电压脉冲，它能在导线上传播。即离是一串相继的电压脉冲，它能在导线上传播。即离散的信号，如计算机通信所用的二进制代码散的信号，如计算机通信所用的二进制代码1 1和和0 0组成的信号。组成的信号。tta) 模拟信号b) 数字信号2.1.1基本概念基本概念(2)p信道信道(channel):(channel):一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。p一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。一个信道一条通信电路往往包含一

4、条发送信道和一条接收信道。一个信道可以看成是一条电路的逻辑部件。可以看成是一条电路的逻辑部件。p信道上传送的信号有信道上传送的信号有基带信号基带信号和和宽带信号宽带信号之分。之分。p基带基带(Base band)(Base band)与宽带与宽带( (Broad band)Broad band)-基带基带(baseband)(baseband)信号信号: :就是将数字信号就是将数字信号1 1或或0 0直接用两种不同的直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。电压来表示，然后送到线路上去传输。 -宽带宽带(broadband)(broadband)信号信号: :则是将基带信号进行调制后形

5、成的则是将基带信号进行调制后形成的频频分复用分复用模拟信号。基带信号进行调制后，其频谱搬移到较高的模拟信号。基带信号进行调制后，其频谱搬移到较高的频率处。由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，这频率处。由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，这样做就可以在一条电缆中同时传送许多路的数字信号，因而提样做就可以在一条电缆中同时传送许多路的数字信号，因而提高了线路的利用率。高了线路的利用率。2.1.1基本概念基本概念 (3)p通信的双方信息通信的双方信息交互的方式交互的方式：-单向通信单向通信( (单工通信单工通信):):只能有一个方向的通信而没有反只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

6、方向的交互。（无线电广播）（无线电广播）-双向交替通信双向交替通信( (半双工通信半双工通信):):通信的双方都可以发送信通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送息，但不能同时发送( (也不能同时接收也不能同时接收) )。（对讲机）（对讲机）-双向同时通信双向同时通信( (全双工通信全双工通信):):通信的双方可以同时发送通信的双方可以同时发送和接收信息。和接收信息。（电话）（电话） 2.1.1基本概念基本概念(4)u 带宽带宽(bandwidth(bandwidth） 信号中的大部分能量都集中在一个相对较窄的频带范围之信号中的大部分能量都集中在一个相对较窄的频带范围之内，我们将信号大部分能量

7、集中的那段频带称为内，我们将信号大部分能量集中的那段频带称为有效带宽有效带宽（指信号具有的频带宽度），简称带宽。（指信号具有的频带宽度），简称带宽。 以前通信线路主要是传送模拟信号，所以是用以前通信线路主要是传送模拟信号，所以是用频率频率的单位的单位来衡量，如，来衡量，如，HzHz、kHzkHz、MHzMHz等。等。 现在线路都用来传送数字信号，所以，带宽用在通信链路现在线路都用来传送数字信号，所以，带宽用在通信链路上能够传送数字信号的速率来衡量，也称为比特率、通信上能够传送数字信号的速率来衡量，也称为比特率、通信速率、数据速率、数据( (传输传输) )率。率。 带宽单位：带宽单位：bit/s

8、(bps)bit/s(bps)，kbit/skbit/s，Mbit/sMbit/s，Gbit/sGbit/s2.1.1基本概念基本概念(5)u 时延时延 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 时延时延= =传播时延传播时延+ +发送时延发送时延+ +排队时延排队时延 传播时延传播时延= =信道长度信道长度/ /电磁波在信道的传播速率电磁波在信道的传播速率 发送时延发送时延= =数据位数数据位数/ /信道带宽信道带宽 排队时延排队时延= =数据在中间结点等待转发的延迟时间数据在中间结点等待转发的延迟时间 时延带宽乘积时延带宽乘积 某一链路所能容纳的比特数某

9、一链路所能容纳的比特数 时延带宽乘积时延带宽乘积= =带宽带宽传播时延传播时延 例如，某链路的时延带宽乘积为例如，某链路的时延带宽乘积为100100万比特，这意味着第一个比特万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了到达目的端时，源端已发送了100100万比特。万比特。链路带宽传播时延体积=时延带宽乘积 往返时延往返时延RTT (Round-Trip Time) 从源端发送数据开始，到源端收到目的端的确认所经历的时间从源端发送数据开始，到源端收到目的端的确认所经历的时间 RTT2RTT2传播时延传播时延2.1.1基本概念基本概念(5)2.1.2 通信系统模型通信系统模型p通信的三个要

10、素：通信的三个要素：信源信源、信宿信宿和和信道信道p数据通信系统的构成：数据通信系统的构成：-传输系统：传输系统：传输线路和传输设备(调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等)-源系统：源系统：源站+发送器-目的系统：目的系统：目的站+接收器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2.1.3 模拟通信模拟通信p模拟通信模拟通信: :利用模拟信号来传递消息，如，广播、电视。利用模拟信号来传递消息，如，广播、电视。p模拟通信系统模拟通信系统: :通常由通常由信源信源、调制器调制器、信道、解调器信道、解调器、信宿信宿以及以及噪噪声源声源组成。组成。-信源信

11、源所产生的模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输。所产生的模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输。-调制器调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。-解调器解调器是实现上述过程逆变换的设备。是实现上述过程逆变换的设备。-噪声源噪声源包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（天电噪声包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（天电噪声、工业噪声等）和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设、工业噪声等）和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等）。备噪声等）。信源信源调制器调制器信道信道信宿信宿解制器解制器噪声源噪声源2.1.4 数字通信

12、数字通信p数字通信数字通信: :利用数字信号来传递消息。如计算机通信和数字电视。利用数字信号来传递消息。如计算机通信和数字电视。p数字通信系统：数字通信系统：由由信源信源、信源编码器信源编码器、信道编码器信道编码器、调制器调制器、信道信道、解调解调器器、信道译码器信道译码器、信源译码器信源译码器、信宿信宿、噪声源噪声源以及以及发送端和接收端时钟同步发送端和接收端时钟同步组成。组成。-信源编码器信源编码器对模拟信号变换为数字信号。而对模拟信号变换为数字信号。而信源译码信源译码则是信源编码的逆则是信源编码的逆过程。过程。-信道编码：信道编码：可自动地检测出错误或纠正错误；可自动地检测出错误或纠正错

13、误；信道译码信道译码则是信道编码的则是信道编码的逆变换。逆变换。-调制器调制器是为了与采用的信道相匹配，将基带信号经过调制变换成宽带信是为了与采用的信道相匹配，将基带信号经过调制变换成宽带信号再传输；而号再传输；而解调解调则是调制的逆过程。则是调制的逆过程。-为了保证接收端正确接收数据，接收端的接收时钟必须与发送端的发送为了保证接收端正确接收数据，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。时钟保持同步。信源信源信源编码器信源编码器信宿信宿信道编码器信道编码器调制器调制器信道信道解调器解调器信道解码器信道解码器信源译码器信源译码器噪声源噪声源发送时钟同步发送时钟同步接受时钟同步接受时钟同步

14、数字通信系统的特点数字通信系统的特点p抗干扰能力强抗干扰能力强; ;p可实现高质量的远距离通信可实现高质量的远距离通信; ;p能适应各种通信业务能适应各种通信业务; ;p能实现高保密通信能实现高保密通信; ;p通信设备的集成化和微型化通信设备的集成化和微型化; ;p数字通信的缺点：数字通信的缺点：最大缺点是占用的频带宽最大缺点是占用的频带宽。( (一路模拟电话占用一路模拟电话占用4KHZ4KHZ信道的带宽，而一信道的带宽，而一路数字电话占用路数字电话占用64kHZ64kHZ信道的带宽信道的带宽) )2.2 数据通信基础理论数据通信基础理论p比特比特(bit)(bit)：信息量的单位。比特率为每

15、秒传输的二进制位个数。信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。p码元码元(Code Cell)(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。时间轴上的一个信号编码单元。p码元传输速率码元传输速率: :每秒传多少个码元。它的速率单位是波特每秒传多少个码元。它的速率单位是波特(Baud)(Baud)，也称为调制速率、波形速率或符号速率。也称为调制速率、波形速率或符号速率。p无噪声信道上的最高码元传输速率无噪声信道上的最高码元传输速率遵循奈奎斯特遵循奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)公式：公式： C = 2WlogC = 2Wlog2 2V b/sV b/s -W W为信道的带

16、宽（以为信道的带宽（以HzHz为单位）；为单位）；-V V为某给定时刻数字信号的可能取的离散值的个数。为某给定时刻数字信号的可能取的离散值的个数。p有噪声信道的极限信息传输速率有噪声信道的极限信息传输速率遵循香农遵循香农(Shannon)(Shannon)公式：公式： C = WlogC = Wlog2 2(1+S/N) b/s(1+S/N) b/s -W W为信道的带宽（以为信道的带宽（以HzHz为单位）；为单位）；-S S为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率； -N 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。1) 数据通信方式数据通信方式-并行传输与串行传输并

17、行传输与串行传输 2 2）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( (包括开始时包括开始时间、位边界、重复频率等间、位边界、重复频率等) )。有三种同步方法：有三种同步方法：位同步位同步字符同步（用于异步传输）字符同步（用于异步传输）帧同步（用于同步传输）帧同步（用于同步传输） 01111110 01111110 B A X 01111110 SYN SYN B A X SYN 同步字符（一个或多个） 同步位模式（一个或多个） 可变长度的位数据块 可变长度的字符数据块 位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保位同步：目的

18、是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步持同步 外同步外同步发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。接收方用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通过特殊编码( (如曼彻斯特编码如曼彻斯特编码) )，这些数，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。号来锁定自己的时钟脉冲频率。a. a. 位同步位同步 字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或

19、异步制。式或异步制。 每个字符的传输需要：每个字符的传输需要： 1 1个起始位个起始位 5 5，6 6，7 7，8 8个数据位个数据位 1 1，1.51.5，2 2个停止位个停止位 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步 每两个字符之间的间隔时间不固定每两个字符之间的间隔时间不固定 增加了辅助位，所以效率低增加了辅助位，所以效率低例如，采用例如，采用1 1个起始位、个起始位、 8 8个数据位、个数据位、 2 2个停止位时，个停止位时，其效率为其效率为8/118/117272起始位数据位停止位间隔, 不固定b. b. 字符同步字符同步( (用

20、于异步传输用于异步传输) ) 帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧帧(Frame)(Frame)包含数据和控制信息的数据块包含数据和控制信息的数据块 面向字符的面向字符的以同步字符以同步字符(SYN(SYN，16H)16H)来标识一个帧来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧的开始，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)(7EH)来标识一个帧的开来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧始，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 bit8bit8bit8-32mc. c

21、. 帧同步帧同步( (用于同步传输用于同步传输) )2.3 传输媒体传输媒体p传输媒体（传输媒体（传输介质传输介质或或传输媒介传输媒介）：数据传输系统中：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。在发送器和接收器之间的物理通路。p传输媒体可分为两大类：传输媒体可分为两大类：-导向传输媒体：导向传输媒体：在导向传输媒体中，电磁波被导向在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。-非导向传输媒体：非导向传输媒体：就是指自由空间，在非导向传输就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。媒体中电磁波的传输常称为无线传输。电磁波的频

22、谱电磁波的频谱 2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体双绞线（双绞线（1） p双绞线双绞线( (双扭线双扭线):):是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的是最常用的传输媒体。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铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)(twist)起来就起来就构成了双绞线。可减少对相邻导线的电磁干扰。构成了双绞线。可减少对相邻导线的电磁干扰。-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线， 1mm-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）-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

23、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双绞线（双绞线（2） p双绞线的类型双绞线的类型: :屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPSTP (Shielded Twisted Pair) (Shielded Twisted Pair)；无屏蔽双绞无屏蔽双绞线线UTPUTP (Unshielded Twisted Pair) (Unshielded Twisted Pair)。UTP双绞线用双绞线用RJ- 45头头连接在网络设备连接在网络设备上。上。pUT

24、PUTP双绞线的种类双绞线的种类: :有六个种类的有六个种类的UTPUTP标准，从标准，从1 1类线到类线到6 6类线。对传送数据类线。对传送数据来说，最常用的来说，最常用的UTPUTP是是3 3类线类线(Category 3)(Category 3)、5 5类线类线(Category 5)(Category 5)和和6 6类线类线(Category 6)(Category 6)。STP：以铝箔屏蔽以减：以铝箔屏蔽以减少少 干扰和串音干扰和串音UTP：双绞线外无任：双绞线外无任何屏蔽层何屏蔽层同轴电缆同轴电缆 p同轴电缆的类型：同轴电缆的类型：按特性阻抗按特性阻抗数值的不同分为两类：数值的不同

25、分为两类：5050 同轴同轴电缆电缆，用于传送基带数字信号；，用于传送基带数字信号；75 75 同轴电缆同轴电缆，用于模拟传输系，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中的中的标准传输电缆。标准传输电缆。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p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) )、绝缘、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层层、网状编织的外导体屏蔽层( (也可以是单股的也可以是单股的) )以及保护塑料外层以及保护塑料外层所组成。同轴电缆具有很好的抗干扰特性。所组成。同轴电缆具有很好

26、的抗干扰特性。p通常利用通常利用T T型分接头进行连接。型分接头进行连接。T T型接头主要有两种。一种必须先型接头主要有两种。一种必须先把电缆剪断，然后再进行连接。另一种则不必剪断电缆，但要用另把电缆剪断，然后再进行连接。另一种则不必剪断电缆，但要用另一种较昂贵的、特制的插入式分接头一种较昂贵的、特制的插入式分接头(vampire tap)(vampire tap)，利用螺丝分，利用螺丝分别将两根电缆的内外导线连接好。别将两根电缆的内外导线连接好。 光纤光纤p光纤：光纤：由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯纤芯和和包层包层构成双层通构成双层通信圆柱体。纤

27、芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。光纤通信信圆柱体。纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。光纤通信就是就是利用光导纤维传递光脉冲利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。来进行通信。p光纤的种类：光纤的种类：-多模光纤：多模光纤：用许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的光纤用许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的光纤，光源使用较便宜的发光二极管，光源使用较便宜的发光二极管LED,LED,它的传输距离较近；它的传输距离较近；-单模光纤：单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会

28、产生多次反射。这样根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。光源要使用昂贵的半导体激光器，。但单模的光纤就称为单模光纤。光源要使用昂贵的半导体激光器，。但单模光纤的衰耗较小，在光纤的衰耗较小，在2.5 Gb/s2.5 Gb/s的高速率下可传输数十公里而不必采用的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器。中继器。输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤MMF单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤SMF光缆光缆p光缆：光缆：一根光缆少则只有一根光纤，一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上多则可包括数十

29、至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套。后加上包带层和外护套。p光纤的优点：光纤的优点：-通信容量非常大；通信容量非常大；-传输损耗小，中继距离长，对远距传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济；离传输特别经济；-抗雷电和电磁干扰性能好；抗雷电和电磁干扰性能好；-无串音干扰，保密性好，不易被截无串音干扰，保密性好，不易被截取数据；取数据；-体积小，重量轻。体积小，重量轻。p光纤的缺点：光纤的缺点：两根光纤精确地连接需两根光纤精确地连接需要专用设备；光电接

30、口比较昂贵。要专用设备；光电接口比较昂贵。玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳芯芯封封套套外套加强芯光纤光纤外外鞘鞘加强芯加强芯光纤束光纤束高密度多芯光缆高密度多芯光缆典型的光缆典型的光缆2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体p无线媒体：无线媒体：指信号通过空气传输，信号不被约束在一个物理导体内指信号通过空气传输，信号不被约束在一个物理导体内。无线媒体实际上就是无线传输系统，主要包括短波、微波和卫星通。无线媒体实际上就是无线传输系统，主要包括短波、微波和卫星通信等。信等。m短波通信：短波通信：主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所

31、产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。信质量较差。m微波通信：微波通信：在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300 MHz-300 GHz300 MHz-300 GHz。微波在空间主要是直线传播。微波会穿透电。微波在空间主要是直线传播。微波会穿透电离层而进入宇宙空间。有两种方式：地面微波接力通信；卫星通离层而进入宇宙空间。有两种方式：地面微波接力通信；卫星通信。信。微波通信特点：微波通信特点：-无需敷设电缆；无需敷设电缆；-通信信道的容量很大；通信信道的容量

32、很大；-微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高质量较高; ;-微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。-与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。 固定接入点 (基站)和终端之间是无线链路BSF1, F2, F3 = 使用的频率F1, F2, F3 = 使用的频率基站基站地球地球p地面微波接力通信：地面微波接力通信：由于微波在空间是由于微波在空间是直线传播直线传播，而地球表面，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有

33、是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50 km50 km左右。为左右。为实现远距离通信必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立实现远距离通信必须在一条无线电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发送到若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为下一站，故称为“接力接力”。 与地面站相对固定位置 使用3个卫星可覆盖全球 传输延迟时间长传输延迟时间长 适用于海洋、山区、沙漠适用于海洋、山区、沙漠等地区的通信等地区的通信p卫星通信：卫星通信：在地球站之间利用位于在地球站之间利用位于3 3万万6 6千公里高空的千公里高空的人造同步

34、人造同步地球卫星地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是在太空作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。的无人值守的微波通信的中继站。 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况种情况话音话音放大放大,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2.4 数据编码技术（数据编码技术（1）u编码与

35、调制的区别：编码与调制的区别：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编码编码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调制调制2.4 数据编码技术（数据编码技术（2）p数据的传输方式有两种：数据的传输方式有两种：-基带传输：基带传输：以以数字信号方式传输数字信号方式传输，或经调制变换后以，或经调制变换后以模拟信模拟信号方式传输号方式传输。数字信号以原来的二进制数。数字信号以原来的二进制数“0 0”、“1 1”原封不变原封不变地在信道内传输叫地在信道内传输叫基带传输基带传输。-频带传输：频带传输：数字信号经调制以后，转换为模拟信号在信道内数字信号经调制以后，转换为

36、模拟信号在信道内传输叫传输叫频带传输频带传输。 数据编码方法 模拟数据编码 移幅键控 （ASK） 移频键控（FSK） 移相键控（PSK） 非归零码（NRZ） 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 数字数据编码 2.4.1 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码基带传输中二进制数据编码的方法主要有以下三种：基带传输中二进制数据编码的方法主要有以下三种： x(t)Decoderg(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数字或数字或模拟数据模拟数据Encoder三种数据编码方式三种数据编码方式(1)(1)非归零编码非归零编码(NRZ)(NRZ)：二进制数字二进制数字0 0、1 1分

37、别用两种电平（分别用两种电平（5V5V：1 1；5V5V：0 0）来表示。）来表示。缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。(2)(2)曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester)(Manchester)：用电压的变化表示用电压的变化表示0 0和和1 1。规定在每个码元的中间发生跳变：高规定在每个码元的中间发生跳变：高低的跳变代表低的跳变代表0 0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1 1。这种。这种编码也称为自同步码。编码也称为自同步码。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2 2倍倍

38、）。）。(3)(3)差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Difference Manchester)(Difference Manchester)：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 0和和1 1。有跳变代表。有跳变代表0 0，无跳变代表，无跳变代表1 1特点：有较好的抗干扰性能。频带宽度比原始的基带信号增加了特点：有较好的抗干扰性能。频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。一倍。2.4.2 数字数据的调制编码数字数据的调制编码调制解调器的作用调制解调器的作用 ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据

39、s(t)m(t)数字或数字或模拟数据模拟数据载波发送方发送方接收方接收方几种最基本的调制方法几种最基本的调制方法 调制就是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于调制就是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。其最基本的调制方法有以下几种：在模拟信道中传输的频谱。其最基本的调制方法有以下几种：调幅调幅(AM)(AM)：移幅键控移幅键控ASKASK(Amplitude Shift Keying),(Amplitude Shift Keying),即载波的振幅即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如随基带数字信号而变化。例如0 0对应于无载波输出对应于无载波输

40、出, ,而而1 1对应于有载波对应于有载波输出。输出。调频调频(FM):(FM):移频键控移频键控FSKFSK(Frequency Shift Keying)(Frequency Shift Keying)，即载波的频率，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如随基带数字信号而变化。例如0 0对应于频率对应于频率f1f1，而，而1 1对应于频率对应于频率f2f2。调相调相(PM):(PM):移相键控移相键控PSK(PSK(Phase Shift Keying),Phase Shift Keying),即载波的初始相位即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如随基带数字信号而变化。例如0 0对应于

41、相位对应于相位0 0，而，而1 1 对应于对应于180180。高速高速(56Kbit/s) MODEM(56Kbit/s) MODEMD/AA/D2/4A/DD/A4/2D/AA/D V.34(33.6kbit/s)A/D转换转换的量化噪声使信道容量极限值约的量化噪声使信道容量极限值约 35kbit/sD/AA/D2/4D/A V.90(56kbit/s)交换机交换机1交换机交换机2ISPV.34(33.6kbit/s)模拟模拟模拟模拟数字数字数字数字数字数字数字数字模拟模拟上行仍需上行仍需A/D转换，速率最高为转换，速率最高为35kbit/s；下行则可达；下行则可达56Kbit/s因特网因特

42、网数字数字交换机交换机1 V.90(56kbit/s)2.4.3 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码p 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 F，若以，若以2F2F的采样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。恢复出原始信号。p 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p 语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成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。这需要经过三个步骤：数字信号。这需要经过三个步骤： 采样：按一定间隔对

43、语音信号进行采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：对每个样本舍入到量化级别上量化：对每个样本舍入到量化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码编码：对每个舍入后的样本进行编码p 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM PCM (Pulse Coded Modulation )信号信号 脉码调制脉码调制PCM 转换过程转换过程2.5 多路复用多路复用p多路复用多路复用(Multiplexing) (Multiplexing) ：是在同一传输媒体上，同时传输多是在同一传输媒体上，同时传输多个不同来源的信息。主要目的：提高线路的利用率，降低成本。个不同来源的信息。主要目的：提高线路的利用率，

44、降低成本。p复用器复用器(multiplexer)(multiplexer)和和分用器分用器(demultiplexer)(demultiplexer)成对地使用。成对地使用。p多路复用分主要有：多路复用分主要有：-频分多路复用频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)(Frequency Division Multiplexing,FDM)-时分多路复用时分多路复用(Time Divsion Multiplexing,TDM)(Time Divsion Multiplexing,TDM)-码分复用：码分多址码分复用：码分多址CDMA(Code Di

45、vision Multiple Access)CDMA(Code Division Multiple Access)DEMUX复用器复用器解复用器解复用器MUX信信源源信信宿宿频分多路复用频分多路复用(FDM)p频分多路复用频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)(Frequency Division Multiplexing,FDM)：在传输媒在传输媒体上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各体上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率完全独立，即载波形成的信号不互相重叠，频率通道之间留个载波频率完

46、全独立，即载波形成的信号不互相重叠，频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器波分多路复用波分多路复用(WDM)p波分多路复用波分多路复用(Wave-length Division Multiplexing,WDM(Wave-length Division Multiplexing,WDM）: :在光纤在光纤信道上使用的频分多路复用就是波分多路复用。它能做到使用一根光信道上使用的频分多路复用就是波分多路复用。它能做到使用一根光纤来同时传输多个

47、频率很接近的光载波信号。纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。p光载波习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。光载波习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。p现在已能做到在一根光纤上复用现在已能做到在一根光纤上复用8080路或更多路数的光载波信号。称为路或更多路数的光载波信号。称为密集波分复用密集波分复用DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)。 光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1F2F1F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱共享光纤

48、共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅时分多路复用时分多路复用(TDM)p时分多路复用时分多路复用(Time Divsion Multiplexing,TDM)(Time Divsion Multiplexing,TDM)：是把时间分为若是把时间分为若干个时间槽干个时间槽(Slot)(Slot)，每个用户分得一个时间槽，在其占用的时间槽内，每个用户分得一个时间槽，在其占用的时间槽内，该用户可以独享信道的全部带宽。时间槽的划分有交替性和周期性。该用户可以独享信道的全部带宽。时间槽的划分有交替性和周期性。p将时间划分为一段段等长的时分复用帧（将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDMTDM帧）。每一

49、个时分复用帧）。每一个时分复用的用户在每一个的用户在每一个TDMTDM帧中占用固定序号的时隙。帧中占用固定序号的时隙。时分复用的所有用户是时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度在不同的时间占用同样的频带宽度。pTDM的缺点：的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙。某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙。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1231D3D2D1TDM帧12TDM帧2D1时隙时隙D2复用器复用器统计时分复用统计时分复用(STDM) p改进：改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。用户不固定占

50、用某个时隙，有空时隙就将数据放入。p统计时分复用统计时分复用STDM (Statistic TDM):STDM (Statistic TDM):是一种改进的时分复用。各用户是一种改进的时分复用。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，将缓存中的输入数据放入入缓存，将缓存中的输入数据放入STDMSTDM帧中。对没有数据的缓存就跳过帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。也就是说，去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。也就是说，帧不是固定分配帧不是固定分配时隙，而是按需动态地

51、分配时隙时隙，而是按需动态地分配时隙。p由于由于STDMSTDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是还必须有用户的地址信息，这是STDMSTDM必须要有的一些开销。必须要有的一些开销。 ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2TDMTDM帧帧1TDMTDM帧帧2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2TDMTDM帧帧1TDMTDM帧帧2统计统计TDM可用带宽C2时分复用时分复用数字载波复用标准数字载波复用标准 现在的数字传输系统都采用现在的数字传输系统都采用脉码调制脉码

52、调制PCMPCM，最初用，最初用于电话局之间的中继线。于电话局之间的中继线。 T-T-标准标准: :北美、日本标准，北美、日本标准，2424路路PCM;PCM; E-E-标准标准: :欧洲、中国、南美标准欧洲、中国、南美标准, 24, 24路路PCM;PCM; E1(E1(一次群一次群) )标准：多个通道采用时分复用标准：多个通道采用时分复用TDMTDM 每每125us125us为一个为一个TDMTDM帧帧 ，每时间片分为，每时间片分为3232个通道。个通道。 通道通道0 0用于同步，通道用于同步，通道1616用于信令，其他用于信令，其他3030个通道用于传输个通道用于传输3030个个PCMP

53、CM话音数据。话音数据。 E1E1速率速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s= (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s 对对E1E1进一步复用，还可构成进一步复用，还可构成E2E2、E3E3、E4E4和和E5E5。 E5E5可承载可承载76807680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mbit/s565Mbit/s 新的新的TDMTDM标准是同步光网络标准是同步光网络(SONET)(SONET)和和ITU-TITU-T的同步的同步数字系列数字系列(SDH)(SDH)。常用的线路速率为。常用的线路速率为( (近似值近似值) ) 155Mbit

54、/s155Mbit/s，622Mbit/s622Mbit/s，2.5Gbit/s2.5Gbit/s和和10Gbit/s10Gbit/s。码分复用码分复用-码分多址码分多址(CDMA) pCDMA(Code Division Multiple Access)CDMA(Code Division Multiple Access)的原理：的原理：每个信源均分配每个信源均分配有一个惟一的码型序列有一个惟一的码型序列( (称为码片称为码片chip)chip)。信源要发送数据时，先将其。信源要发送数据时，先将其转换成双极性数据：转换成双极性数据：“1 1”+1+1”，“0 0” “-1-1”。若数据为。若

55、数据为“+1+1”，就，就直接发送码片；若数据为直接发送码片；若数据为“-1-1”，就发送该码片的反码。，就发送该码片的反码。p例如：若一信源分配的长度为例如：若一信源分配的长度为8 8码片为码片为1110100011101000，则它发送数据，则它发送数据01100110时，实际发送的序列为时，实际发送的序列为0001011100010111 1110100011101000 1110100011101000 0001011100010111p实际采用的码片长度为实际采用的码片长度为6464位或位或128128位位p对码片序列的要求：对码片序列的要求：S ST T码分复用码分复用-码分多址码

56、分多址(CDMA) pCDMACDMA的数据传输过程的数据传输过程pCDMACDMA的特点：的特点：z抗干扰能力强：通过码型来区分用户，不容易互相干扰抗干扰能力强：通过码型来区分用户，不容易互相干扰z保密性强：信号频谱类似于白噪声保密性强：信号频谱类似于白噪声z占用频带宽：发送的数据率是信息数据率的占用频带宽：发送的数据率是信息数据率的m m倍倍(m(m为码片的位数为码片的位数) )：原来发送：原来发送1 1比特的时间里，现在要发送比特的时间里，现在要发送m m比特。这种通信方式属于比特。这种通信方式属于扩频通信中的直接序列扩频扩频通信中的直接序列扩频(DS-CDMA)(DS-CDMA)。Di

57、rect Sequence-CDMADirect Sequence-CDMAz多用于无线广播信道：如移动电话、卫星通信等多用于无线广播信道：如移动电话、卫星通信等2.6 数据交换技术数据交换技术p什么是交换？什么是交换？-交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源-例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线例如，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。其它用户。p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

58、用率节省线路投资，提高线路利用率p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-分组交换分组交换电路交换电路交换(circuit switching)p电路交换电路交换: :在通话之前，必须先呼叫（即拨号）。用户若呼在通话之前，必须先呼叫（即拨号）。用户若呼叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路。此后双叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路。此后双方才能互相通话。通话完毕挂机后即自动释放这条物理通路。方才能互相通话。通话完毕挂机后即自动释放这条物理通路。如，电话系统。如，电话系统。p这种这种“建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接”的联网方

59、式称为的联网方式称为面向连面向连接接的的(connection-oriented)(connection-oriented)。 电路交换电路交换(circuit switching)(circuit switching)p电路交换主要优点电路交换主要优点: : 1) 1)信息的传输时延小，对于一次接续，传输时延固定不变。信息的传输时延小，对于一次接续，传输时延固定不变。 2)2)交换机对用户的数据信息不存储、分析和处理。交换机在处交换机对用户的数据信息不存储、分析和处理。交换机在处理方面的开销比较小，信息传输效率比较高。理方面的开销比较小，信息传输效率比较高。 3)3)适用于连续、大批量的数据

60、传输。适用于连续、大批量的数据传输。p主要缺点主要缺点: : 1) 1)电路的接续时间较长，短报文通信效率低。电路的接续时间较长，短报文通信效率低。 2)2)电路资源被通信双方独占，电路利用率低。电路资源被通信双方独占，电路利用率低。p适用范围适用范围: :传输信息量较大，通信对象比较固定的用户。传输信息量较大，通信对象比较固定的用户。报文交换报文交换(message switching)(message switching) p报文交换报文交换: :信息以报文为单位进行传输，采用信息以报文为单位进行传输，采用 “存储存储-转发转发”机机制。整个过程不需要在通信用户之间建立的电路，而只需与交换