计算机网络3数据通信基本原理

1、数据通信基本原理第三章1传送介质数据通信模型数据传输 数据编码 数字数据通信技术多路复用技术 数据交换技术 内 容23.1 传输介质 3.1.1、简介传输媒体为什么要媒体？ 网络中的计算机想互相传送信息，就必 须有传送信息的媒体。传输媒体是什么？ 传输媒体是收发双方之间进行通信的物 理信号通路。传输媒体分类 有线； 无线。3常用于局域网的有线媒体有： 双绞线； 同轴电缆； 光纤；常用的无线媒体有： 无线电短波； 微波； 红外线；传输媒体选择要根据具体的环境通盘 考虑，主要考虑的因素有： 价格； 安装难易程度； 容量； 抗干扰能力； 衰减。4无线电短波 可以通过各种传输天线产生全方位广播或 定向

2、发射。短波的信号频率低于100MHz ，用于低速传输。一个模拟话路每秒传几 十到几百个比特，经过调制解调技术后， 传输速率达到几千bps。 无线电发射器决定了信号的频率及功率。微波 数据通信系统有两种形式： 地面微波接力通信： 卫星通信； 微波的频率范围为300MHz300GHz,主要使用240GHz的频率范围。5红外线 红外线传输建立在红外线的基础上，采用: 发光二极管; 激光三极管; 光电二极管;能进行站点与站点之间的数据交换。红外线传输 可以进行点到点的通信； 可以进行广播式通信。 每一种媒体在局域网和广域网上的运行方 式是不同的。在局域网传输媒体领域中，最令人鼓舞的 发展是在纤维光学领

3、域6双绞线普遍用于模拟和数字数据 的传输媒体；在建筑物内将网络站点与中心节 点连接起来的线路可以是双绞线；将电话机连接起来的线路可以是 双绞线。双绞线可用于点到点和广播式网络中3.1.2、双绞线概述：7双绞线的组成 双绞线是由有规则的、螺旋状排列的两根 绝缘导线组成的。这种导线是铜线或镀铜的钢线；铜提供良好的导电性，钢用来增加强度。一条电缆的构成 一对线对起单条通信链路的作用。一般将 这些线对捆在一起，封在一个坚硬的护套 内，以构成一条电缆。电缆可以在较长距离内包含数百对线。单个线对绞在一起可减少线对之间的电磁 干扰。物理描述8传输特征对模拟信号，约每56km要有一个 放大器；对低频数字信号，

4、每23km需一个 转发器。在双绞线上传输数据信号或基带信 号，目前在局域网中可达100Mbps 甚至更高。线对最普通的用途是声音的模拟传 输（线对可用来传输模拟信号和数 字信号）：9话音的频率分量为20Hz20kHz，再现可理 解的话音仅要求一个非常窄的频带；全双工话音信道的标准带宽为300400MHz在单个线对上，使用频分复用（FDM）时， 可复用多条话音信道，每条信道占有4kHz 的带宽，足以提供信道之间的间隔；使用带宽高达268 kHz的双绞线，可提供高 达24路的话音信道；使用调制解调器可在模拟话音信道上传输 数字数据。现在的调制解调器，可以达到 56Kbps的速率。10对双绞线的特点

5、：连接性和成本 在广播式网络中与同轴电缆相比，双绞 线便宜易用。 双绞线在点到点的网络中。则比同轴电 缆、光纤便宜，若考虑安装等费用，它 们大致相当。地域范围 双绞线能够容易的实现点到点的数据传输 ，局域网的双绞线一般在一个建筑物内。抗扰性 与其他传输媒体相比，双绞线在距离、带 宽和数据速度方面受到限制。11原因： 这种媒体容易与电磁场耦合，故对干扰和 噪声十分敏感。电缆中相邻线对上的信号 也可能彼此干扰，即产生所谓的串音现象改进：如用金属编制物或护套来屏蔽导线可降低 干扰；将导线绞起来可降低低频干扰；邻近线对采用不同的绞距可降低串扰等等评述：上述措施当波长远大于电缆的绞距时是有 效的。对于低

6、频传输来说，抗扰度可达到和同轴 电缆一样大或更大。123.1.3、同轴电缆概述同轴电缆是局域网过去广泛使用的传输 媒体，现在几乎完全被双绞线所取代。同轴电缆有两种类型，它们是：CATV系统中使用的75电缆，且 75 电缆主要用于:宽带FDM模拟信号高速数字信号不采用FDM的模拟信号仅用于基带数字信号的50电缆。13物理描述 同轴电缆的组成： 同轴电缆由两根导体组成，且由套 置单根内导体的空心圆柱形导体构 成。内导体是实芯的或者是绞的；并用 规则间距的绝缘环或硬的电媒体材 料来固定；外导体是整体的或纺织的，则用护 套或屏蔽物包着。单条同轴电缆具有1cm至2.5cm的直 径。14传输特性 50电缆

7、专用于数字传输： 一般使用曼彻斯特编码； 数据速率可达10Mbps； CATV电缆可用于： 模拟信号； 数字信号。15模拟信号：频率可能高达300-400MHz； CATV电缆上可以象传送视频和音频 信号那样在传送模拟数据。每个电视信道分配6MHz的带宽，每个 无线电信道需要的带宽大大低于这个带 宽；用FDM可在一条电缆上荷载大量的信 道，当用FDM时，CATV电缆称为宽带 电缆。电缆的频谱被划分成信道，每条信道均 可传送模拟信号。16传送数字数据对于数字数据有多种调制方案，包括： ASK（调幅）； FSK（调频）； PSK（调相）。调制解调器的效率确定了给定数据速率下 所需要的带宽。对5Mp

8、bs和更高的速率可设定为1Hz/bps；对较低速度则可为设定为2Hz/bps。如一条6MHz的TV信道能达到5Mbps的数据 速度，4.8kbps的调制解调器约需10kHz的带宽。低得多的数据速度可使用FSK。17当今约20Mbps的数据速度是可以达到的 ；且带宽的利用效率可超过1bps/Hz，为 达到20Mbps以上的数据速度，有两种方法 。这两种方法都要求将75电缆的整个带 宽用在这种数据传输上而不采用FDM。一种方法是在电缆上采用数字信号传输 (象50电缆那样)。该方法能达到50Mbps 的数据速度。另一种方法是使用简单的PSK系统，采用 150MHz载波。该方法也已能达到50Mbps的

9、 数据速率。18连接性同轴电缆可应用于：点到点配置：多点配置。设备数量配置：50基带电缆能够支持每段达100个 设备。将各段通过转发器链接起来则能支 持更大的系统。75宽带电缆能支持数千个设备。 但是75电缆用在高速数据速率 （50Mbps）时所能接设备的数量限 于2030个。19地域范围范围：典型基带电缆的电缆的最大距离限于数 公里。宽带网络则可延伸到数十公里的范围。 原因：这种差异与模拟信号和数字信号的相对 受损程度有关。通常在工业区和市区所 遇到的电磁噪声的类型是属于频率相对 较低的噪声，这一频率范围也是数字信 号中的大部分能量集中之处。20模拟信号可置于频率足够高的载波上，避免了 噪声

10、的主要分量。数字信号或模拟信号的高速传输可达 50Mpbs，且限于1km左右。由于高速传输，总线上的信号之间的 物理距离是很短的。因此，为使数据 不被丢失，只能允许很低的衰减或噪 声。21抗扰性和成本 同轴电缆的抗扰性取决于应用 和实现。一般对较高频率来说，同轴电缆 的抗扰性优于双绞线的抗扰性。安装质量好的同轴电缆的成本介 于双绞线和光纤的成本之间。223.1.4、光纤物理描述主题研究当前的纤维光学的能力。光学纤维：光学纤维是细(2125m)而软的，能够 传导光束的媒体。什么是光学纤维？各种玻璃和塑料可用来制造光学纤维。使用超高纯度的熔融石英已能获得最低的 损耗，但制造超高纯度的纤维是困难的。

11、采用具有较高损耗的多成分的玻璃纤维比 较经济，而且能提供良好的性能。塑料纤维在成本上更低，可用于短距离链 路。对这种链路的高损耗是可以接受的。23光缆： 光缆具有圆柱形的形状，由三个同心部 分组成： 纤芯纤芯是最内层部分，它由一根 或多根非常细的由玻璃或塑料 制成的绞合线或纤维组成。每 一根纤维都由各自的包层包着 包层包层是一玻璃或塑料的涂层， 它具有与纤芯不同的光学特性 护套护套是最外层，它包着一根或 一束已加包层的纤维。护套是 由分层的塑料和其附属材料制 成的，用它来防止潮气、擦伤 、压伤和其他外界带来的危害24传输性 光纤利用全内反射来传输经信号 编码的光束。 全内反射可出现在折射率大于

12、周 围媒体的折射率的任意透明媒体 中。 事实上，光纤在10141015Hz频率 范围内起一波导作用。 这一频率范围覆盖了可见光谱和 部分红外光谱。 图3.1展示了光纤传输的原理：25(c)单模(b)梯度折射率多模图3.1 光纤输模式吸收护套(a)多模纤芯 包层26传播方式多模方式： 来自光源的光进入圆柱形玻璃或塑料纤芯。 小角度的入射光线被反射并沿光纤传播； 其余光线被周围媒体所吸收。这种传播方 式叫做多模(系指多个反射角)方式。 在多模传输时，存在多个传播路径， 每一路径的长度不同，因此越过光纤的时 间亦不同。这使信号码元在时间上出现扩 散，限制了能准确接收的数据速率，27单模方式 当纤芯半

13、径降低到波长的量级时，只有单 个角度或单个模，即只有轴向光束能通过 。单模方式比多模有较优越的性能。梯度折射率多模方式： 通过改变纤芯的折射率，形成第三传输方 式，即称作梯度折射率多模方式，其特性 介于其他两种方式之间， 可变折射使光束聚焦的作用比普通多模( 也叫做阶跃折射率多模)方式更有效。三类光纤比较 光纤具有巨大的、远远超过同轴电缆或 双绞线的传输能力，详见下表所示：28光源带宽拼接典型应用成本纤芯直径包层直径阶跃折射率多模梯度折射率多模单模LED或激光器宽(高200MHz/km) 困难计算机数据链路最低50-125m125-140m最贵2-8m15-60m很宽(200MHz-3GHz/

14、km)LED或激光器 较贵50-125m125-440m困难中等长度电话线路激光器极宽(3GHz- 50GHz/km)困难远程通信长途线路三类光纤比较表29125-140m125-440m15-60m光纤系统中使用的两种不同类型的光源：发光二极管(LED) LED是在加电流后能发光的固态器件；LED较为便宜；能工作在较宽的温度范围；具有较长的工作寿命。注入式激光二极管(ILD)ILD是根据被激发的量子电子效应能产生 窄带发束的激光原理工作的固态器件；ILD则更为有效；能支持较高的数据速率。30光电二极管 光电二极管是用来在接收端将光信号变换 成电信号的检测器, 是已使用的有两种固 态器件：PI

15、N检测器； PIN比APD便宜，但灵敏度也较低； APD检测器。光载波的调制 是一种称为光强度调制的ASK调制方式。 一般二进制数字“0”和“1”是用一给定频 率的光的有、无来表示的。 LED和ILD两种器件都能用这种方式来调制， 而PIN和APD检测器可直接响应光强度调制。31光源选用在使用波长、传输方式和可达到的数据速 率之间存在一定关系。无论单模和多模都 可支持几种不同的光波长，并能使用激光 器或LED光源。 在玻璃合成光纤中，光的传播有三种最佳 的，以850、1300和1500nm为中心的波长 “窗口”。在较长的波长下，损耗较低，可 允许较长的距离内有较高的数据速度。 在大量的局域网应

16、用中使用850nmLED光源。 虽较便宜，但限100Mbps以下的数据速率和 数公里的距离内使用。 要更高的数据速度和更长的距离，需采用 1300nm光源更适合于高速局域网。32激光器光源 如要达到最高的传输能力和最长的距离， 则需要1500nm光源。这些都要求采用激 光器光源，并用于某些长距离的应用中。 但目前对局域网来说，它们是太昂贵了。 过去，光纤传输使用单一的载波频率。 现在实用的DM系统成为可能。这种系统 也称为波长分割多路复用系统。33连接性光纤最普通的使用是在点到点链 路上。使用公共总线拓扑结构的试验性 多点系统已建立，但投入实际使 用，花费太大了。由于光纤的低功耗、低衰减特性

17、和更宽的带宽潜力，原则上，单 根光纤能够支持更多的分支。34地域范围 光纤能支持68km距 离范围内的传输而不 用转发器。 光纤适用于经点对点 链路链接的几个建筑 物内的局域网。35抗扰性 光纤不受电磁干扰或噪声 影响。 该特性允许在长距离内进 行高速数据传输。 提供优良的安全保密性。36成本光纤系统比双绞线系统和同轴电 缆系统贵：按每米的成本计算；按组成部分计算，组成部分如： 发送器； 接收器； 连接器。根据目前的技术及市场需求光纤 的成本将会下降以致能与其他媒 体相竞争。37有线传输存在问题 如遇到铺设电缆很难施工的地段，有 线传输实现困难：如通信距离很远，铺设电缆费时且昂 贵；有线传输实

18、现费用高，如信息时代需要及时得到信息，有线 传输不能及时办到。3.1.5、无线传输一、概述38短波无线电台传输数据利用无线短波电台进行数据通信；一般采用低速传输，速率为一个模 拟话路每秒传几十至几百个比特；当采用复杂的调制调技术后，数据 的传输速率达到几千bps；短波的信号频率低于100MHz，它 主要靠电离层的反射来实现通信。39无线电微波通信在数据通信中占有重 要的地位微波的频率范围为300MHz300GHs ，主要使用(240)GHz的频率范围；微波的传输距离一般只有 50km 左右 （因为微波在空间是直线传播，而地 球表面是个曲面）；若采用 100m 的天线塔。距离可增大 到100km

19、。微波通信有两种主要方式：地面微波接力通信；卫星通信。40二、微波接力通信“接力”指为了实现远距离通信， 必须在一条无线电通信信道的两个 终端之间建立若干中继站。中继站 把前一站送来的信号经过放大后再 送到下一站所用的方法。微波接力通信的功能有：传输电话信息；传输电报信息；传输图像信息；传输数据信息。41微波接力通信的主要特点有：信道的容量很大： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽， 因此其通信信道的容量很大；传输质量较高： 因工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比 微波频率低得多，对微波威信的危害比对 短波通信小得多，因而微波传输质量较高；可靠性较高： 微波接力信道能够通过有线线路难于通过 和不

20、易架设的地区（如高山、水面等）， 故有较大的机动灵活性，抗自然灾害的能 力也较强。因而可靠性较高；相邻站之间必须直观，不能有障碍物；隐蔽性和保密性较差。42三、卫星通信卫星通信指地球站之间利用位于36000km 高空的人造同步地球卫星作为中继站的一 种微波接力通信；通信卫星发出的电磁波覆盖范围广，跨度 可达18000km，覆盖了地球表面1/3的面积 ，有三的这样的通信卫星就可以覆盖地球 上的全部通信区域，从而达到全球各地面 站之间任意通信的目的了。 卫星上可以安装多个转发装置，它按一种 频率范围接收地面发来的信号，用另一种 频率范围向地面站发出，其数据传输率约 为50Mbps；43国际上常用的

21、频段为6/4GHz：（3.74.5）MHz作为远程通信卫星向地 面发送（下行）的频段，其频宽是500 MHz ；（5.9256.425）MHz作为地面站向上发 送（上行）的频段，其频宽是500 MHz；该频段现在已经很挤了。现在常用的频段为14/12GHz频段。每一路卫星信道的容量约等于10万条话 频线路，可以将它看成达容量的电缆， 且和发送站与接收站之间的距离无关。因通信卫星就是在太空的无人值守的微 波通信中继站，因而其主要特点与地面 微波通信类似，但有较大的传播延迟。443.2 数据通信模型 一、信号数据、通信、信息 数据通信涉及的范围很广。其任务是 利用通信媒体传输信息。 数据是信息的表

22、达形式，信息是知识， 是数据的内容。 数据通信就是用什么媒体，什么技术来 使信息数据化以及传输它。本处阐述与 计算机网络有关的数据通信的基本知识。 3.2.1、信道与信号45数据分类 数据有数字数据（具有离散值） 如字符串等。 模拟数据（某时间间隔中有连续的值） 如音频数据。数据、电信号 在通信系统中，数据需要编码（变换）为 电信号的形式从一点传到另一点。电信号分类由于有两种不同的数据类型，电信号相应 有两种基本形式： 模拟信号； 数字信号。46模拟信号模拟信号是一种连续变换的电信号；模拟信号的取值可以是无限多个，如 语音信号。用模拟信号进行的传输称为模拟传输数字信号数字信号是一种离散信号；数

23、字信号的取值是有限个数；用数字信号进行的传输称为数字传输。图3.2为此两种信号的典型表示。47时间(t)(a)数字信号的典型表示(b)模拟信号的典型表示VV0f1f2f1=Asin(2 ft)f2=Asin(2 ft+ /2) f1和f2相位差为 /2)时间(t)周期幅度图3.2 信号的典型表示48二、信道信道是信号传输的通道，包括： 通信设备 传输媒体。 这些媒体可以是： 有形媒体（如电缆、光纤）； 无形媒体（如传输电磁波的空间）对于不同信道，其特性和使用方法有所 不同。49信道可以按不同的方法分类， 按传输媒体来分，可以分为： 有线信道； 无线信道。 按传输信号类型可分为 模拟信道 数字信

24、道； 按使用权可分为： 专用信道 公用信道等。50数据通信的基本目的是在接收方与发送 方之间交换信息，如图3.3所示。3.2.2、数据通信模型g(t)s(t)s(t)g(t)m输出设备输入设备发送方接收方干扰源发送系统传输媒体接收系统m图3.3 数据通信模型51 m、g以及 g(t) 图中，标有m的是要交换的信息 。该信 息用g表示，一般以时变信号g(t)的形式 送到发送设备。 g(t)与s(t) 信号 g(t) 要被发送，须转换成与传输媒 体特征相匹配的信号 s(t) （称为数据编 码，即将输入数据转换为能被传输的信 号的过程，与通信媒体有很大关系）。 s(t)与s(t) 送到媒体上的传输信

25、号在到达接收设备 之前会面临一系列的干扰，因此接收到 的信号s(t)可能在某种程度上不同于s(t)。52 s(t) ，g(t)以及g(t) s(t)再经接收设备转换为适于输出的形 式。转换后的信号g(t)，是g(t)的近似值 或估值。 m与m 输出设备将估计出的信息m提交给接收 方。发送的是m而接收的是m。这即是在传输 过程中发生了畸变（与所用的传输媒体的 性质有关）。想避免或减少这种现象的发 生，就要用道差错控制技术。注意：接收方和发送方可以是一个用户或 一个进程。533.3 数据传输 3.3.1、概述数据传输的成功主要有两个主要的因素：要传输的信号的质量传输媒体的性能。数据传输的好坏模拟或

26、数字数据都既可用模拟又可用数字 信号来传输。这些信号在传输过程中都会 发生衰减、变形，尤其是在长距离传输后 会发生严重的畸变。数据传输的好坏，还取决于发送和接收设 备的性能。54全双工方式。单工方式；半双工方式；3.3.2、数据在线路上的传 送方式分为：55一、单工什么是单工方式 单工方式是指数据信号仅沿一个方向传 输： 发送方只能发送不能接收，接收方 只能接收而不能发送。双方单工通信 为使双方能单工通信，还需一根线路 用于控制。 单工通信的信号传输链路一般由两条 电线组成，通常又称为二线制。它们 是： 一个用于传输数据； 另一个用于传送控制信号。56二、单双工 什么是单双工方式 单双工是指信

27、号可以 沿两个方向传送，但 同一时刻一个信道只 允许单方向传送。单双工方式的用途 单双工方式适用于 终端与终端之间的 会话式通信。57什么是全双工方式 全双工通信是指数据可以同 时沿相反的两个方向传送。全双工方式是实现 全双工方式实现是方法： 可以采用四线制 也可以在两线制的基础上采 用频率分割法，使传输信道 分为： 高频信道 低频信道三、全双工58信号 信号由发送设备产生并经媒体传输。 信号是时间的函数，可表示为频率的 函数。 根据傅立叶信号分析理论，任何信号 都是由各种频率的成分组成，其中每 一成分都是正弦波（或余弦波）。 示例如下： 设某信号按傅立叶变换后为： s(t)=sin2ft+1

28、/3sin3(2f)t+1/5sin5(2ft) 显然此信号是由频率成分正好为f,3f,5f的正 弦波叠加而成。3.3.3、信号及其频谱59信号及其频谱一般情况下： 模拟信号的频谱（频率的取值情况、范 围）是离散的，即频域函数s(f)是离散的 而数字信号的频谱是连续的。如图3.4所示，给出了： s(t)=sin2ft+1/3sin3(2f)t+1/5sin5(2ft) 信号的频谱， s(f)轴表示对应频率成分的幅值；信号频谱中最高频率与最低频率成分的差 称为信号的绝对带宽。图1-6(a)的描述带宽为4f的一个例子。图1-6（b）给出了一个数字信号及其对应 频谱图的例子。60图3.4 信号及其频

29、谱(a) s(t)信号的频谱图(b) 数字信号及其频谱s(f)s(t)s(f)频率频率时间f3f5f-t/2t/21/T2/T3/T4/T1/51/3161信号的带宽与数据传输速率从图(b)中看出，数字信号的带宽为无穷大；信号大部分能量集中在0-4/T的相对较窄的频带里，称该带为有效频带或带宽。数据传输速率与带宽之间存在对应关系：62传输信号中的数据率越高，其带宽越高；信号的带宽越宽，其传输数据的数据率就越高。据香龙噪声信道理论：对于噪声信道，任何带宽为H hz时，信噪比为S /N 的信道，其最大的数据传输率为：Hlog2(1+S/N) (bps)，如在模拟电话系统中带宽通常为3K hz，信噪

30、比为30db，则该信道上最大数据传输率为3K log2(1+1000) (因10log10S/N=30，所以S/N=1000)。63在传输基带数字信号时，可以有多种不同的 编码方法，如： NRIL-nonreturn-to zero /eve/ 电平不归零制 NRZI-nonreturn-to-zero incernental 倒相不归零制 bipolar-AMI双向信号交替变换 pseudoternary伪三进制，伪三元 Manchester曼彻斯特码 Differential manchester 差分曼彻斯特 4B/5B编码有关数字信号编码格式如图3.5所示：3.4 数据编码64NRIL

31、-NRZI-Bipolar-Pseudo-ternaryManch-esterDiffer-ential0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1图3.5 信号及其频谱65NRZL 0=高电平 1=低电平NRZI 0=间隔的起点没有变换 1=间隔的起点有变换Bipolar-AMI 0=无电平信号 1=正或负电平，连续1变换伪三进制 0=正或负电平，连续1变换 1=无电平信号曼彻斯特码编码 0=在信号间隔的中间从低电平跳到高电平 1=在信号间隔的中间从高电平跳到低电平差分曼彻斯特码码在信号间隔的中间电平总是变化0=信号间隔的起始跳变1=信号间隔的起始无变66 B8ZS0为无电平信号；正或负电平，

32、连续1变换则为1，若遇到连续8个零的串就由两个非常规码串代替(string code violations)有效的双向信B=valid bipolar signal V=Bipolar violation双向违规 HDB30为无电平信号；正或负电平，连续1变换则为1，若遇到连续4个零的串,由一个违规码串所代替。 曼彻斯特码(Manchester)它的编码方法是将每一码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前间隔为高电平而后一间隔为低电平。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。67计算机网络中经常用的编码有： RS-232异步串行ASCII码； 曼彻斯特（Manchester）编码； 差分曼彻斯特（

33、Difterential manchester )编码。计算机网络和电话连接时，也 使用调制解调器（Modem）。在 调制解调与电话传输之间使用 的编码是PCM码。68编码方式标准具体规定考虑因素： 编码的时间特性； 传输介质的电气特性（编码电压的高 低）； 机械特性：接线器的尺寸；引线数目；排列方式。 信道工作方式：全双工半双工69 RS-232-C（EIA） 连接方式：最大连接距离50英尺。 传输电压的范围：15V。0表示该电平；1表示该电平；0电压值没有。 通信方式：异步。 当信号中出现一长川的连1和或连0的 信号时，接收方无法提取比特位同步 信号。70曼彻斯特编码（EIA） 将一个比特

34、分成两个相等的间隔：代表1信号的比特的前一个间隔为高电 平，后一个间隔为低电平；代表0信号的比特的前一个间隔为低电 平，后一个间隔为高电平； 当信号中出现一长川的连1和或连0的信 号时，接收方提取比特位同步信号。 不论码元是1 或 0，在每个比特之间都 有一次电平转换。 需用较宽的频带。71差分曼彻斯特是曼彻斯特编码的一个变种：编码规则是：若码元为1，则其前半个码元的电平与上 一个码元的后半个码元的电平一样；若码元为0，则其前半个码元的电平与上 一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是1 或 0，在每个码的正中间的 时刻，一定要有一次电平的转换。72一、概述同步问题：是指数据通信中的双方交换

35、数 据，需要有高度的协同动作。通常，数据 经媒体一次一比特的传播。这些比特的计 时（速率、持续时间、间隔）对接收方和 发送方必须相同。所谓同步：指接收方按发送方发送每个码 元的起止时刻和速率接收数据，否则，收 发之间会产生误差，且会造成传输的数据 出错。3.5 数字数据通信技术3.3.1 数据同步传输73通常采用的同 步技术有 同步方式74二、异步方式特点： 字符代码的开始表示法： 每传送一个字符（5位或8位）都在每个字 符码前加一个起始位， 字符结束表示法： 在字符代码和校验码后面加一个停止位。 由于这种方式的字符发送是独立的，所以 称为面向字符的异步传输方式。 每个字符都加上了同步信息，计

36、时的漂移 不会产生大的积累，但每个字符需要多占 2-3位的开销。 适用于低速终端设备。75示例如下： 通常接收方在每个比特时间的中心在媒 体上取样，若收发双方有50%的计时误 差，接收方的第一个取样就会偏离该比 特中心0.05个比特时间，而在第10个取 样末尾，接收方可能收到错误，这是一 个积累过程。若采用异步方式，每几个 比特就同步一次，则不会产生大的积累 而出错，比特块越大，积累的计时误差 越大。要使用较大的比特块，得使用同 步方式。异步传输通常是面向字符。76 同步方式是在发送字符之前先发送一组 同步字符（8位或16位），使收发双方 进入同步。 同步字符之后，可以连续发送任意多个 字符，

37、直到控制字符指出这一组字符传 送结束。 在同步传送时，发送方和接收方将整个 字符组作为一个单位传送，从而提高了 数据传输的效率。 所以这种方法一般用在高速传输数据的 系统。三、同步方式77 为防止收发双方之间的计时漂移，它们 的时钟必须以某种方式同步。一种可能是在收发之间提供一条另外的 时间链路。一种可能是将时间信号掺入数据信号中。 起止标识、同步标识等称为控制信息， 用于控制数据的传输同步； 数据块加上控制信息称为帧， 若数据块被当作字符，这样的帧被称为 面向字符的帧。 若数据块被看作是比特流，则称为面向 比特的帧。 同步传输可能是面向字符的也可能是面 向比特的 。 78数据传输存在差错解决

38、差错的常见控制 技术有： 奇偶校验； 循环冗余校验； 海明码。差错控制操作：由发送方选择差错控制技术，形成含差 错控制信息的数字数据，传送到接收方 后，接收方按此技术，分析收到数据是 否正确。有的差错控制技术在确认收到 数据有误后，还能自动纠错，对于不能 纠错的，可采用要求重发技术等。3.5.2 差错控制793.6 多路复用技术3.6.1、概述为什么引入多路复用技术？ 长途通信中，一些高容量的同轴电缆、 地面微波、卫星设施以及光缆，其可传 输的频率带宽很宽，为能高效合理地利 用资源，常采用多路复用技术。什么是多路复用技术？ 使多路数据信号共同使用一条线路进行 传输，即利用一个物理信道同时传输多

39、 个信号，如图3.6 所示:80图3.6 多路复用技术DEMUXMUX.n个输入n个输出一条链路, n个信道81注释： 图中多路复用器（MUX）将来自 多个输入线的多路数据组合、调 制 成一路复用数据； 将此数据信号送上高容量的数据 链路； 多路分配器接收复用的数据流，依 照信道分离（分配）还原为多路数据； 将他们送到适当的输出线路上。82 多路复用技术通常分为两类： 频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing） 时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)833.6.2、频分多路复用（FDM）频分复用工作原理频分复用是把

40、线路或空间的频带资源分 成多个频段（带），将其分别分配给多 个用户，每个用户终端的数据通过分配 给它的子通路（频段）传输。频分同时 传送若干路不同频率的信号。FDM频分复用中，各个频段（带）都有 一定的带宽(称逻辑信道或简称为信道)。为防干扰，相邻两个信号的频率段之间 应设立一定的“保护”带。见图3.7 频分复用的主要用于： 电话和电缆电视（ CATV）系统及模拟 信号的传输。84DEMUXMUX.保护带频率划分为三个窄频带.图3.7 频分多路复用数据源853.6.3、时分复用（TDM）TDM是将整个传输时间分为许多时间间隔 （称为时隙、时间片等，slot time），或通 过在时间上交叉发送

41、每一路信号的一部分 来实现一条线路传送多路信号。见图3.8。 线路上的每一时刻只有一路信号存在； 数字信号是有限个离散值，故适用于时分多路复用技术。TDM又分为：同步时分复用STDM (Synchronous Time Division multiplexing）；异步时分复用ATDM。86图3.8 时分多路复用时间频率数据源 1数据源 2数据源 3数据源 1数据源 2 t1 t2 t3 t4 t5三个终端共用一条通信线路的情况87一、同步时分复用(STDM)STDM 采用固定时间片分配方式，即将 时隙预先分配且固定不变， 通常与复用器相连接的是低速设备且达到 多路低速设备复用高速链路的目的。

42、与复用器相连的低速设备数目及速率受复 用器及复用传输速率的限制。时隙预先且固定分配，造成无论时间片拥 有者是否传输数据都占有一定时隙，形成 了时隙浪费，使时隙的利用率很低，为克 服该缺点，引入了异步时分复用（ATDM ）技术。88二、异步时分复用 ATDM 技术又被称为统计时分复用（ statistical time division multiplexing）或 智能时分复用（ITDM），它能动态地按 需分配时隙。 ATDM是但某一路用户有数据要发送时才 分配给线路资源（时隙）。使每个用户的 传输速率可高于平均速率（即通过多占时 隙），最高可达到线路总的传输能力（ 即占有所有的时隙）。如线路

43、总的传输能 力为28.8kbps如3个用户公用此线路，在同步时分复用方 式中，每个用户的最高速率为9600bps， 而在ITDM方式时，每个用户的最高速率 可达28.8kbps。89 交换技术 交换即转接，是在交换通信网中实现数 据传输的必不可少的技术。图 3.7给出 了一般交换网络的示意图。 常用的交换技术有三种： 电路交换（线路交换）； 报文交换； 分组交换（包交换）。3.7 数据交换技术3.7.1、概述；90图3.9 一般交换网络 CDEFBA主机系统通信网结点专用线通路913.7.2、电路交换 电路交换（circuit switching）什么是电路交换？ 电路交换是一种直接的交换方式

44、，它为一 对需要进行通信的装置（站）之间提供一 条临时的专用通道，即提供一条专用的传 输通道。传输通道是什么？ 传输通道由多个结点和多条结点间传输路 径组成的链路。它既可是物理通道又可是 逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。 传输通道是由结点内部电路对结点间传输 路径经过适当选择、连接而完成的。92 目前公用电话网广泛使用的交换方式是 电路交换，经由电路交换的通信包括： 三个阶段，结合图3.7解释如下：电路拆除。数据传输：电路建立：93电路建立：通过源站点请求完成交换网中对应的所需逐个节点的接续（连接）过程，以建立起一条由源站到目的站的传输通道，例如建立A-D之间的传输通道：按 A-4-5-3

45、-D 顺序选择通道，最终完成 A，D间通信。执行过程为：94图3.10 电路交换过程142365 结点 站点AB95最终完成A-D之间的传输通道：A-4-5-3-D。A向结点4申请结点4选择一条作为通路在结点4内部建立A-4路径与4-5路径间的连接依次类推结点5内部建立4-5和5-3路径之间的连接结点3内部建立5-3路径和3-D路径之间的连接在4-1，4-5，4-7三条传输路径中，如选择4-596 数据传输： 现在，信号可以从A经 建立的链路传送到D了 ，通常为全双工传输。97电路拆除：在完成数据或信号的传输后，由源站或目的站提出终止通信，各节点相应拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的节点

46、和信道资源。电路交换具有下列特点：98呼叫建立时间长且存在呼损 在电路建立阶段，在两站间 建立一条专用通路需要花费 一段时间，这段时间称为呼 叫建立时间。 在电路建立过程中由于交换 网繁忙等原因而使建立失败， 对于交换网则要拆除已建立 的部分电路，用户需要挂断 重拨，这称为呼损。99电路连通后提供给用户的是 “透明通路”即指对下列内容都不加以限制：交换网对用户信息的编码方法；信息格式；传输控制程序。但对通信双方而言，必须做到对下 列内容一致才能完成通信，它们是： 双方的收发速度；编码方法；信息格式；传输控制。100一旦电路建立后 数据以固定的数据率传输，除 通过传输链路的传播延迟以外 ，没有别

47、的延迟，在每个结点 的延迟可以忽略不计。适用于实时大批量连续的数据 传输。 101线路（信道）利用率低。 电路建立，进行数据传输，直 至通信链路拆除为止，信道是 专用的，再加上通信建立时间 、拆除时间和呼损，其利用率 较低。102当数据交换是一种相对较为连续的数据流时（如话音），电路交换是一种适宜的、易于使用的技术。1033.7.2、报文交换(message switching)一、概述报文交换又称存储转发(store and forward).报文交换用途 目前被广泛使用在数字数据中。 网络结点是什么？ 在报文交换网中，网络结点通常为一台专 用计算机，且带有足够的外存（报文进入 时，作为缓冲

48、存储用）。报文组成 每一个报文由传输的数据和报头（有源地 址和目标地址 ） 组成，104结点根据报头中的目标地址进 行报文路径选择。并对收发的报文作相应处理，如： 进行差错检查和纠错； 调节输入/输出速度进行数据速率转换； 进行流量控制； 还可进行编码方式的转换，二、报文交换原理105报文交换中每个节点都对报文进行“存储转发”，报文数据在交换网中是按接力方式发送的。通信双方事先不知道报文所 要经过的传输路径，并且各个节点没有被特定报文独占。报文交换是在两个节点间的一段链路上逐段传输，不需在两个主机间建立多个节点组成电路通道。106三、报文交换过程结点接收一个报文后，报文暂时存放在结点的存储设备

49、中，等到输出线路空闲时，再按报文中所附的目的地址转发到下一个合适的结点，如此往复，直到报文到达目标数据终端时止。107四、报文交换举例图3.11 报文交换举例EFA主机通路主机例1、主机A发送一个报文给主机E108节点6收到报文后交给主机E，完成报文传输主机A首先将报文发送到节点4节点4按报文附加的目标地址选择节点5节点4按报文附加的目标地址选择节点7节点5接收并存储所收到的报文节点7接收并存储所收到的报文当输出线路有空时，把该报文转 发到它所选择的下一个节点6；109例2、主机A发送一个报文给主机B图3.12 报文交换过程 结点 站点 报文142365AB110五、报文交换特征源站A和目标站C在通信时不需要建立一 条专用的通路，结点4，5，6或4、7、6不 需要同时空闲。与电路交换相比，报文交换没有建立线路 和拆除线路所需的等待和时延。线路利用率高，节点间可根据线路情况选 择不同的速度传输，能高效的传输数据。要求结点具备足够的报文数据存放能力， 一般节点由微机或小型机担当。数据传输的可靠性高，每个节点在存储转 发中，都进行差错控制，即检错、纠错。111缺点：由于采用了对完整报文的存