数据通信的理论基础课件

1、数据通信的理论基础傅立叶分析周期为T的函数g(t)可展开成多个或无限个正弦和余弦函数的和。带宽：传输过程中振幅不会明显减弱（通常保留一半能量处）的频率范围。带宽对于信号传输影响P74数据传输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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机几个术语数据(data)运送信息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散数值。调制把数字信号转换为模拟

2、信号的过程。解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器数据传输系统单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。 基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成

3、的频分复用模拟信号。 2.2.3 信道的最高码元传输速率 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带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 失真不严重失真严重 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（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)数据传输系统1、数字信号模拟传输（1）信号调制A、幅移键控法 ASKB、频移键控法 FSKC、相移键控法 PSKAsin(t+)数据传输系统1、数字信号模拟传输010011100基带信号

4、调幅调频调相数据传输系统1、数字信号模拟传输（2）调制解调器原理调制解调器 数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。 出现差错010010100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻调制解调器的作用调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。 调制解调器的作用（续）调制器的主

5、要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确，则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 数据传输系统1、数字信号模拟传输QPSK：正交相移键控，即每个码元采用四种相移实现传输。QAM-16：正交振幅调制。即每个码元采用4种振幅、4种相移QAM-64：振幅与相位有64种组合。星座图：每个Modem都有自己的星座模型。P107TCM：格子架编码调制。每个采样中增加一位，用于查错和纠错。数据传输系统1、数字信号模拟传输V.32bis:2400Baud上，每个采

6、样传输6个数据位和1个奇偶位，得14400bps。即QAM-128V.34： 2400Baud上，每个采样传输12个数据位，得传输率28.8kbps。V.34bis： 2400Baud上，每个采样传输14个数据位，得33.6kbps。（香农限制35kbps)数据传输系统1、数字信号模拟传输全双工（full duplex）：允许两个方向上同时进行数据传输。半双工（half duplex）：允许两个方向上进行数据传输，但某一时刻只能单向数据传输。单工（simplex）：只允许一个方向数据通过。V.90：提供了33.6k上行，56kbps下行。 A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机

7、 1交换机 2V.34 33.6 kb/s 调制解调器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s） 产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号使用 V.90 调制解调器（56 kb/s） A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.90 56 kb/s调制解调器D/AV.90 56 kb/s调制解调器数字信号数字信号 至因特网（数字信号）用户环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声数据传输系统2、数字信号数字传输（1）数字信号编码A、不归零制编码B、曼彻斯特编码C、微分曼彻斯特编

8、码数据传输系统2、数字信号数字传输NRZ编码原理：直接用高低电平来表示数字0或1。曼彻斯特编码原理：每位中间都有一次跳变既用于时钟同步，跳变又方向表示数据，电平翻转仅在每位起始位置出现。下跳变0，上跳变1微分曼彻斯特编码原理：每位中间的跳变仅用于时钟同步，每位起始时有无跳变来表示数据。有为0，无为1数据传输系统2、数字信号数字传输1 1 0 0 1 01 1 0 0 1 00 0 1 1 0 1数据传输系统1、数字信号数字传输（2）同步方法A、异步方式：由起始位、数据位、校 验位和停止位构成。每次传输一个字节。数据传输系统2、数字信号数字传输（2）同步方法B、同步方式：每次传输一个数据块。通常

9、采用曼彻斯特编码。数据传输系统3、模拟信号数字传输脉冲编码调制PCM包括采样、量化和编码三个阶段数据传输系统3、模拟信号数字传输信道的主要技术指标1、数据率：指每秒传输多少个二进制代码位数，又称比特率。单位bps或b/s。2、波特率：又称码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，指每秒钟传输的码元数。单位是波特（Baud）。 SB*log2N3、信道容量：是指信道能够传送的最大数据率。信道的主要技术指标4、信道最大数据传输率尼奎斯特（Henrry Nyquiest)定理（无噪声）最大数据传输率=2 H log2V （位/秒）其中H：带宽。V：信号的离散级数香农（Claude Shannon)

10、公式（考虑热噪声）最大数据传输率=H log2（1+S/N）其中H：带宽。S/N：信噪比，即信号功率与噪声功能比值。常用单位分贝dB的计算公式：10 lg S/N信道的主要技术指标5、吞吐量：为信道 在单位时间内成功传输的总信息量。6、误码率：也称为出错率，是指二进制位在传输中被传错的概率。其值为传输的总位数除以传错的位数。7、信道的传播速率：指信号在单位时间内传送的距离。如电信在电缆中的传播速率约为光速的77%。时分复用 为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。中国采

11、用欧洲体制，以 E1 为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。 频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5频分复用长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式FDM (Frequency Division Multiplexing)目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。 时分复用 频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在 TDM 帧中的位置不变

12、TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2

13、 CH15 CH16 CH17 CH30CH31CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 us15 个话路15 个话路时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdbcattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbabbcacd#2#3统计时分复用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 15

14、53 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用 WDM 波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km码分复用 CDMA 常用的名词是码分多址 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，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 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个惟一的 m bi

15、t 码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 码片序列的正交关系 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示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 S

16、和T 的规格化内积(inner product)都是 0： (2-4)码片序列的正交关系举例 令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 正交关系的另一个重要特性 CDMA 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

17、S Tx数据码元比特发送端接收端传输媒体（传输介质）0、磁介质1、双绞线twisted pair（UTP、STP）2、同轴电缆（细缆、粗缆、宽带同 轴电缆）3、光缆（单模、多模）4、无线传输（微波、红外线、激光）传输媒体（传输介质）1、双绞线（1）无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP） 粗约1mm的互相绝缘的一对铜线扭在一起，双绞的结构是为了减少相邻导线的电磁于扰。 分为三类、四类、五类线，五类线利用增加缠绕密度、高质量绝缘材料改善了传输媒体的性质。 五类线在 100m内可传送达100Mbps以上的速度。各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘

18、层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆双绞线 组建局域网络所用的双绞线是一种由4对线（即8根线）组成的，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。 一般来说，双绞线电缆中的8根线是成对使用的，而且每一对都相互绞合在一起，绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。目前，在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（UTP），它又分：3类、4类、5类、超5类、6类和7类。双绞线的这8根线的引脚定义如下： 线路线号12345678线路色标白橙橙白绿蓝白蓝绿白褐褐引脚定义Tx+Tx-Rx+Rx-一类双绞线：专为

19、电话系统设计，1-2Mbps二类双绞线：语音及低速数据传送，4Mbps三类双绞线：以太网（10Mbps)，最高达16Mbps四类双绞线：用于10Base-T或100Base-T4，速率由16Mbps提高到20Mbps五类双绞线：增加了绕线密度，使用高质量的绝缘材料，最高传输速度为100Mbps，用于100Base-T和10Base-T超五类双绞线：CAT-5e，主用于1000Base-T,使用全部4对线六类双绞线：2002年6月17日，TIA/EIA公布综合布线六类标准双绞线双绞线UTP类别最高传输速率（Mbps)最高工作频率（MHz）主要用途三类101610Mbps四类462010Mbps五

20、类10010010M/100Mbps超五类15510010M/100M/1000Mbps 在局域网，双绞线主要是用来连接计算机网卡到集线器或通过集线器之间级联口的级联，有时也可直接用于两个网卡之间的连接或不通过集线器级联口之间的级联，但它们的接线方式各有不同。 EIA-568A：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白褐、褐 EIA-568B：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白褐、褐常规双绞线接法(直通）交叉双绞线接法（扭结）双绞线传输媒体（传输介质）1、双绞线（2）屏蔽双绞线（STP） 是在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织的屏蔽层。使其误码率明显下降，约106108 100m内可传送达500Mbps

21、以上的速度。通常使用使用的传输速率为16Mbps传输媒体（传输介质）2、同轴电缆（1）宽带电缆：阻抗为75欧姆同轴电缆。传输媒体（传输介质）2、同轴电缆（2）基带电缆 主要有RG58的细缆和RG8的粗缆 用于数据通信、传输基带信号且使用曼彻斯特编码。小于1km时，速率可达50Mbps，其误码率为1071011，一般为10Mbps。阻抗为50欧姆。分类：粗缆、细缆粗缆：用于10Base-5，布线距离达500米，可靠性好，安装时需采用特殊的装置，不需切断电缆。安装、维护较困难，且造价高细缆：用于10Base-2，50Tbps,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

22、的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯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传输媒体（传输介质）3、光缆（1）多模光纤：纤芯直径5微米，传输原理光的全反射。每束光都有不同模式。传输媒体（传输介质）3、光缆（2）单模光纤：纤芯直径5微米，接近于光的波长，光纤如一个波导，无反射并沿直线传播。50Gbps可达100km。项目LED半导体激光数据传输率低高光纤类型多模多模或单模距离短长寿命长短温度敏感性小敏感成本低昂贵3、光缆光纤每公里衰减的分贝 P80 =10 lg （传输的能量/接收的

23、能量）光纤连接通过连接器连接，光纤插入到光纤插口。损失1020%的光机械接合，切割好的光纤头放在特殊套中。损失10%的光熔接。衰减小。传输媒体（传输介质）传输媒体（传输介质）4、无线传输电磁波谱与通信用途。P85低频：较好穿透障碍物，能量衰减快。高频：直线，受障碍物阻挡。跳频扩频：发送方每秒几百次地从一种频率跳到另一种频率。（防止人为干扰、反射信号干扰，用于军事）直接序列扩频：将信号展开在一个很宽的频段上。用于商业领域。 电磁频谱的分配：ITU-R组织、政府。ISM（Industrial,Scientific,Medical）用于非授权用途。美国ISM频段P89，（功率小于1W设备不需FCC许

24、可），蓝牙与某些802.11工作在2.4G频段。802.11a工作在5.7G。传输媒体（传输介质）4、无线传输（1）微波：指频率为300MHz300GHz的电波，既可传输模拟信号，又可传输数字信号，并且容量大。易被雨水吸收。通常与卫星通信组合。（2）红外线：1.5Mbps时仅能达1.6km。不能通过固体物质。是全数字的通信。（3）激光：全数字通信，方向性好，但会污染环境。（4）通信卫星：卫星安装高度P92、公共交换电话网络（PSTN）DSL（Digital Subscriber Lines）：数字用户线路。ADSL（Asymmetric DSL）：非对称数字用户线路。去除了滤波器所建的3100

25、Hz（3003400Hz）的带宽限制。原理：分成三个频段（共1.1MHz），POTS（传统的简单电话服务）、上行数据流和下行数据流。DMT（离散的多信道调制）频段划分方法：将1.1MHz频谱分成256条独立的信道，每条信道4312.5Hz。信道0用于POTS，15未用。250条中，一条用于上行控制，一条用于下行控制，其他全部用于用户数据。ADSL标准（ANSI T1.413）：下行8Mbps，上行1Mbps。通常下行1Mbps或512Kbps，上行256kbps或64kbps。公共交换电话网络（PSTN）ADSL设备配置图P112用户端组成：NID（网络接口设备）、分离器（splitter）、

26、ADSL调制解调器。分离器（splitter）：模拟滤波器，将04000Hz与数据分开。ADSL调制解调器：一个数字信号处理器，相当于一组256QAM调制解调器，分别工作于不同频率。端局组成：分离器、DSLAM（数字用户线路访问复用器）SONET/SDHSONET（同步光纤网络）：光纤TDM系统的标准，由Bellcore于1985年开始制定，1989年产生。SDH（同步数字系列）：CCITT（ITU即国际电信联盟的前身）制定与SONET相类似的标准。每帧SONET 需125us，大小810字节，总的数据传输率为51.84Mbps（基本的SONET信道，STS -1 （同步传输信号），SONET

27、干线为STS-1的倍数。ATM（异步传输模式）“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义是：转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接电路交换举例A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 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BDCA电路交换举例C 和 D 通话只经过一个本地交换机通话在 C 到 D 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BDCA电路交换传

28、送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。报文分组交换的原理（一）在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上首部构成分组。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”分组交换的原理（三）分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控

29、制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，分组就能传送到最终目的地。分组交换的原理（四）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收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五）最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。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。报文1101000110101010110101011100010011010010请注意首部的位置接收端在发送端的左方时，首部往往画在分组的左方。接收端在发送端的右方时，首部往往画在分组

30、的右方。数 据首部分组接收端发送端传送方向数 据首部分组接收端发送端传送方向分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4结点交换机在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。 主机和结点交换机的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点高效 动态分