网络技术(第3章)

第3章数据通信技术曹晶第3章数据通信技术3.1概述3.2数据通信系统的性能指标3.3数据传输方式3.4调制解调技术3.5编码技术3.6信道复用技术3.7宽带接入技术3.8传输媒体3.1概述几个概念：数据通信：经计算机编码后的二进制数字数据的通信技术。数据通信模型基带传输方式：数字信号在数字信道上传输。编码和解码。频带传输方式：数字数据在模拟信道上传输。调制和解调。数据电路终接设备(DCE)：发送器和接收器的统称。信源：产生要传输的数据。信宿：接收传输的数据。数据终端设备(DTE)：信源和信宿的统称。信号：数据传输的载体，用它的特征参数表示所传输的数据。信道：信号传输的通道。3.2数据通信系统的性能指标3.2.1数据传输速率和码元传输速率数据传输速率、带宽和吞吐量：数据传输速率，又称比特率，是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数。单位为比特/秒（bps）。带宽：带宽是指信道上能够正常通过模拟信号的频率范围。单位为赫兹（Hz）。或者指数字信道上最大数据传输速率。吞吐量：单位时间发送的比特数、字节数和分组数等来表示。码元传输速率：单位为波特(baud)，又称为波特率。是指每秒传输的码元数。什么是码元？一个数字脉冲称为一个码元。3.2.1数据传输速率和码元传输速率数据传输速率与码元传输速率的关系：多级编码方式，获得更高的传输速率，有多种码元状态。码元状态数M。数据传输速率C和码元传输速率B，有如下关系：

C

=Blog2M3.2.1数据传输速率和码元传输速率四级编码的例子3.2.2时延和时延带宽积时延：指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。

时延由以下3部分组成：发送时延：节点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。发送时延=数据块长度（比特）数据传输速率（比特/秒）传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）3.2.2时延和时延带宽积转发时延：指数据在交换结点等候发送而在缓存的队列中排队所经历的时延。数据经历的总时延就是以上三种时延之和：

总时延=发送时延+传播时延+转发时延往返时间RTT：在TCP中，RTT表示报文段从发送出去时刻到确认返回时刻这一段时间。时延带宽积：时延带宽积=传播时延*带宽（bit）时延带宽积又称为比特长度。3.2.3误码率和比特误码率误码率： Pe=传错的码元数/传输的码元总数比特误码率 Pb=传错的比特数/传输的比特总数3.2.4奈奎斯特准则和香农定理奈奎斯特准则和香农定理分别给出了无噪声和有噪声的情况下信道的极限传输能力，称为信道容量。奈奎斯特准则：带宽为WHz，无噪声： 最大码元传输速率：BMAX=2W

信道容量CMAX=2Wlog2M其中：M为码元的状态数香农定理：带宽为WHz，有噪声：

CMAX=Wlog2(1+S/N)其中，S/N是信噪比，S是信号功率，N是噪音功率。例1普通电话线的带宽约为3KHz,则其码元速率极限为：例2若每个码元可能取的离散值为16，则信道容量为：

Cmax=2*3k*log216=24（kb/s）例3信噪比为30dB，带宽为3.1KHz的信道容量：

Cmax=3.1K*log2（1+1000）=3.1k×log2（1001）=3.1K*9.6≈31（kb/s）6KBaud信噪比S/N指信号中原有部分和由于设备自身、环境干扰等原因造成的噪声的比例。信噪比的单位是dB，计算公式是：

S/N=10Lg（S/N）其中S是信号电平，N是噪声电平。信噪比越大，说明系统的噪声和信号的差距越大，系统的特性就越好。

30=10Lg(S/N)S/N=1030/10无量纲S/N信噪比S/N(dB)

3.3数据传输方式3.3.1单工、全双工和半双工传输单工传输：又称为单向通信。单工通信是数据信号仅从A端传送到B端，亦即信息流仅沿一个方向流动，发送端（发送设备）和接收端（接收设备）是固定的。全双工传输：又称为双向同时通信。全双工通信要使用全双工信道，同一时刻能在两站间的两个方向传输数据信息。半双工传输：又称为双向交替通信。半双工通信是数据可以从A端传送到B端，又可以由B端传送到A端，但不能在两个方向上同时传输。

3.3.2异步传输和同步传输串行通信：计算机网络使用的通信技术。异步传输同步传输异步传输：以字符为单位进行数据传输，每一个字符前后各加一个起始位和一个停止位，实现字符同步，通信的双方各自使用独立的基准定位时钟，并约定同样的传输速率，以实现位同步，也称起止式。3.3.2异步传输和同步传输同步传输同步传输方式中数据是以帧的较大的数据块为单位进行传送。同步传输使用特殊的标志进行帧同步，同步传输还必须进行严格的位同步，一般是内同步方式：面向字符的同步传输方式。面向位的同步传输方式。3.3.3频带传输和基带传输频带传输：也称为宽带传输。将数字数据模拟化，用数字数据调制载波，将数字数据寄生在载波的某个参数上，借助于模拟信道传输数字数据。基带传输以数字传输信号为载体在数字信道上传输数字数据。基带传输在数字数据传输前不需调制，但要对它进行线路编码。3.4调制解调技术调制：使用一个正弦信号作为载波，用被传输的数字数据去调制它。有三个参数可调：幅值A、频率f和相位。S(t)=A

sin(2ft+

)基本的调制方法也相应有幅度调制、频率调制和相位调制。3.4.1幅移键控AmplitudeShiftKeying,ASK。又称幅度调制。3.4.2频移键控FrequencyShiftKeying,FSK。又称频率调制。3.4.3相移键控PhaseShiftKeying,PSK。又称相位调制。3.4调制解调技术基本的调制方法3.4.4多级调制和幅相键控多级调制：级数（状态数）为n的调制信号，可以表示log2n个二进制符号。多级幅移键控(MASK)、多级频移键控(MFSK)和多级相移键控(MPSK)。调制信号在8PSK中携带了______个比特的数字数据。数字数据000001010011100101110111相位0°45°90°135°180°225°270°315°级数越多，数字数据的传输速率越高，解调的难度越大。为什么？log28=33.4.4多级调制和幅相键控幅相键控(APK)，由幅度和相位两个参数进行复合多级调制，也称正交幅度调制(QAM)。QAM不同的幅度和相位代表不同的编码符号。因此，QAM星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频带利用率。64QAM的星座图3.5编码技术3.5.1不归零制编码Non-ReturntoZero,NRZ，不归零编码用不同的电平信号表示数字0和1，这一电平信号要占满整个码元的宽度，中间不归零。不归零编码存在一些严重的缺点：有时不容易判断0和1；可能存在直流分量。3.5.2曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码：每一数据位的中间位置都有一个跳变，用跳变的相位表示数字0（正跳变）和1（负跳变）。曼彻斯特编码方式带来的好处：实现内同步方式，又称自带时钟码。利用跳变的相位容易判断出0和1。无直流分量。差分曼彻斯特编码：每一数据位的中间也有一个跳变，但它只用来生成同步时钟信号，而用每位开始是否有跳变来表示数字0（有跳变）和1（无跳变）。3.5编码技术3.5.3mB/nB编码（略）mB/nB(moutofn,m<n)把m比特的二进制数据块，用n比特的二进制代码块来表示，称为块编码。2m个数据码是从2n个nB码选出来的。使“0”

和“1”等概率，连续的“0”和“1”数目小。这样，其频谱低频分量小、直流基线漂移小、频率范围较窄、时钟成分丰富、定时提取方便。另外，除2m个数据码外，总可有一些可以作控制码的。mB/nB码，编码开销增加了(n-m)/m*100%。3.5.3mB/nB编码代表符号4B5B代表符号4B5B00000111108100010010100010100191001100112001010100A1010101103001110101B1011101114010001010C1100110105010101011D1101110116011001110E1110111007011101111F1111111014B/5B编码的数据码元对照情况3.5.4多级编码M级编码的码元状态数为M(M为2的整数次幂)，一个码元可携带log2M个比特的数字信号。四级编码的例子

3.6信道复用技术为了更有效地利用通信线路，可以在一个信道上同时传输多路信号，这就是信道复用技术或多路复用技术。采用信道复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上同时进行传输，大大节约了电缆的安装和维护费用。信道复用包括复合、传输和分离三个过程。常用的信道复用技术有：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM、码分复用CDM等。

3.6信道复用技术3.6.1频分复用频分复用(FDM)用于模拟传输。3.6.2时分复用和统计时分复用时分复用(TDM)用于数字数据传输。TDM将传输分成固定长度的帧(电话系统中帧长为125μs)，每个帧又划分为若干个时隙，采用固定时隙分配方式。统计时分复用(STDM)按需要动态地分配时隙，时隙位置与数据源没有固定的对应关系，可以充分利用TDM中的空闲时隙，但每一个时隙中必须加入地址字段。为什么STDM的每个时隙中要加入地址字段？3.6.2时分复用和统计时分复用(灰色为数据，黑色为地址，白色为空闲时隙)3.6.3准同步数字系列PDH准同步数字系列PDH和同步数字系列SDH，都是使用TDM技术的数字传输系统，主要用于电话系统的数字干线，也可作为计算机网络的底层传输网。两类PDH：T系列和E系列。T系列(北美、日本采用)，将语音采样间隔时间125μs分成24个时隙，每个时隙含8bit，再加上1bit帧同步，总共193bit构成一个基群帧。E系列（欧洲、中国采用），它将语音采样间隔时间125μs分成32个时隙，每个时隙含8bit，总共256bit构成一个基群帧。3.6.3准同步数字系列PDH脉冲代码调制(PCM)：模拟数据数字化。处理过程有三个阶段：采样、量化和编码。编码解码器每秒采样8000次，即125μs/次。在电话TDM系统中几乎所有的时间间隔都是以125μs为基数。TDM是把125μs长度的一帧分为若干个时隙，每个时隙安排多路话音信号。3.6.3准同步数字系列8比特*24通道+1=193比特数据传输速率：193比特÷125μs=1.544Mb/sT1的时分复用帧3.6.5波分复用波分复用(WDM)是在一根光纤上传输多路不同波长的光信号。WDM系统一般使用单模光纤1.55μm的波段，宽度0.2μm，带宽可达24THz，如果波长间隔为1.6nm，一根光纤上可传输100多路光波。密集波分多路复用：同一个波段中通道间隔较小。稀疏波分复用：低成本的WDM，光波分布的更稀疏。3.7宽带接入技术（略）3.7.1宽带接入简介计算机接入因特网主要使用二种有线接入方式：窄带接入方式：PSTN拨号接入，ISDN接入。宽带接入方式：数字用户线xDSL，混合光纤同轴电缆网HFC，直接LAN，光纤到x(FTTx)。三网融合：电话网、有线电视网和计算机网通过技术渗透，业务交叉融为一体。3.8传输媒体3.8传输媒体3.8.1双绞线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起来就构成了双绞线。无屏蔽双绞线(UTP)。屏蔽双绞线(STP)。

目前，局域网中常用到的双绞线一般都是非屏蔽的电缆线。这些双绞线的传输速率都能达到100Mbps。3.8传输媒体3.8.2同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。基带同轴电缆：阻抗是50欧姆，又分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号。宽带同轴电缆：阻抗是75欧姆，用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。3.8.3光纤光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲进行通信。光传输系统：光源、光纤和光敏元件接收装置。实用的光缆由三个部分组成：芯子即光纤，包层和套管。几根乃至数百根这样的光缆常常合在一起，加上加强芯和填充物，最外面再加护套。光纤传输有损耗和衰减。光纤和铜线比较有很多优点：高带宽，衰减小，不受电磁干扰，难于窃听。但价格昂贵。3.8.3光纤光在光纤中传播的情况3.8.3光纤光在多模光纤MMF和单模光纤SMF中的传输3.8.4无线传输电磁波