第2章数据通信基础知识

第2章数据通信基础知识2学习目标信号分类：模拟信号和数字信号通信分类：模拟通信和数字通信数据传输率及其表示多路复用技术：频分、时分、波分数据交换技术：电路、报文、分组调制解调器（modem）3本讲主要内容

基本概念数据通信理论多路复用数据交换技术传输介质调制解调器4基本通信理论数据在信道中是以电信号的形式传送的，电信号分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号是连续变化的电压或电流波形数字信号是一系列表示数字“0”或“1”的电脉冲（又程码元）。数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。5数据通信中的几个主要指标

信号占据的频率范围，称为信号的带宽。信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围

信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特（baud）。

注意：带宽为B的信道，要输出数字信号，其采样速度最高为2B即可（高于此则无意义）6数据通信中的几个主要指标数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的位数，单位b/s、Kb/s、Mb/s，简写为bps、Kbps、Mbps。数据传输率和信号传输速率的关系：

S=2Blog2NS数据传输率，B信号传输速率，N电平个数7电平变化0011000110110000101001118信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能支持的最大数据传输速率。理想信道的容量（Nyquist定理）

Rmax=2Blog2N（bps）

N最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps话音级线路的信道容量计算(3000Hz)数据通信中的几个主要指标91942年，Nyquist证明：如果一个任意信号通过带宽为B的理想低通滤波器，若每秒取样2B次，就可完整地重现该滤波信号。在理想的条件下(即无噪声),有限带宽为B的信道，其最大的数据传输速率C(信道容量)为

Cmax=2Blog2N（bps）

也称奈奎斯特(Nyquist)定理或取样定理。式中N是离散性信号或电平的个数。奈奎斯特(Nyquist)定理10

例1

对一个无噪声的3000Hz信道，若传送二进制信号，试问可允许的数据传输速率是多少？

解

由于传送的二进制信号是“1”、“0”两个电平，所以N=2;又因为B=3000Hz，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=6000(b/s)。举例11例2

一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？解

由于8相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为8，即N=8，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=2×4000log28=24k（bps）。举例12有噪声信道容量（Shannon定理）

Rmax=Blog2(1+S/N)（bps）S/N（信号功率/噪声功率）信噪比（dB分贝）

信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10S/N表示，单位是分贝（dB）。对于S/N＝10的信道，称其信噪比为10dB；同理，S/N＝100的信道，称其信噪比为20dB；Shannon定理13传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标误码率=传错的位数/传送的总位数Pe=Ne/N

数据通信中的几个主要指标14多路复用技术定义

复用就是共享使用公共信道

作用

采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。15多路复用的基本概念16FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时分复用)CDMA(码分多址)DEMUX共享信道MUX复用技术主要有以下四类复用技术的分类17频分多路复用当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)。CH2CH1CH3原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f18频分多路复用电话系统CH1CH2CH3f80848892每一路电话信号占用4KHz带宽CCITT建议：每12路电话构成一个基群(Group)，占用60-108KHz每5个基群（Group），构成一个60路的超群(SuperGroup)，占用312－552KHz的频带；每5个超群，构成一个300路的主群（MasterGroup），占用812－2044KHz的频带；每3个主群，构成一个900路的超主群(Super-Master-Group)，占用8516－12388KHz的频带；每4个超主群，构成一个3600路的巨群（Giant-Group），占用42612－59684KHz的频带（56K）；19时分多路复用当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，这就是时分多路复用（TDM）。（TimeDivisionMultiplexing)20A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1时分多路复用21统计TDM与同步TDM比较ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽22数字载波标准T-标准：北美、日本E-标准：欧洲、中国、南美带宽4kHz的电话信号，每秒采样为8000次不失真地恢复话音信息→脉冲编码调制（PulseCodeModulation→PCM）若每个采样点用8位，则1路电话所需数据传输率：8＊8000＝64Kbps24路电话则要24个采样值23DS-1帧channel#1channel#2.......channel#24定帧位193bits数据传输率=(24x8+1bit)/125ms=1.544Mbps8bit每个信道称为DS0125ms因此可利用一条传输率为1.544Mbps的信道同时传输24路电话，这种24路电话复用一条1.544Mbps主干线路，称为T1标准24T1载波系统PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1frame25复用到更高级线路012332104:14个T1(1.544Mbps)复用到一个T2（6.312Mbps）6个T2复用到一个T3（44.736Mbps）7个T3复用到一个T4（274.176Mbps）注意：每次向上一次复用会有帧定界及时钟同步的开销26E1-帧0121631125ms=32时隙=2.048Mbps帧同步信令信道30话音信道+2控制信道E1中，每30路电话复用1条2.048Mbps的E1线路－基群4个基群组成二次群E2（120路，8.448Mbps）4个二次群组成三次群E3（480路，34.368Mbps）4个三次群组成四次群E4（1920路，139.246Mbps）27数字传输系统高次群的话路数和数据率系统类型一次群二次群三次群四次群欧洲体制符号话路数数据率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美体制符号话路数数据率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.17628波分多路复用F1波分多路复用（WDM）（WavelengthDivisionMultiplexing）是FDM应用于光纤信道的一个变例。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜或衍射光栅合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。29棱柱/衍射光栅F2F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤F1光纤波分复用示意图采用无源设备，更可靠波分多路复用30码分多址（CDMA）码分多址（CodeDivisionMultipleAccess）在CDMA中，每个比特时间又再分成m个码片，每个站分配一个唯一的m比特码序列，当某个站欲发送“1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送“0”时，它就发送它的码序列的反码。31电路交换：电路交换是在通信的双方之间建立一条实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。数据交换技术通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直至到信宿，这个过程称为交换。32数据交换技术报文交换：发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，在报文正文上附加发、收站地址及其他控制信息，形成一分完整的报文，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。分组交换：将一个大报文分割成一定长度的分组，以分组为单位存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文33电路交换的基本框架34包括呼叫建立、信息传送、连接释放三个阶段电路交换的过程1)呼叫建立阶段主叫(CallingParty)用户取机，听拨号音，拨被叫(CalledParty)号码。若被叫用户不在同一个交换局，则A局(本地局)向B局(中转局)发送占用信号，转接被叫号码，再由B局转发到C局(远端局)。最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。352)通信阶段此时始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。

3)

连接释放阶段当主叫或被叫任一方挂机，局间互送正向或反向拆线信号，经证实后释放连接。电路交换的过程36电路交换的基本处理过程主叫用户A局B局C局被叫用户拨号音拨号占用信号占用信号振铃取机通话(信息传送)被叫挂机反向拆线信号主叫挂机正向拆线信号挂机正向证实信号呼叫建立连接释放回铃音挂机37优点：1、电路交换是一种实时交换，传输延迟小2、主、被叫用户间建立端-端连接，共享信道电路交换的主要特点缺点：1、建立物理线路时间比较长，不适合突发数据的传输；2、预分配带宽，即使无信息传送也虚占电路，带宽不能为其它用户占用38

报文交换(MessageSwitch)不事先建立连接，当发送方有数据发送时，它将数据做为一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一交换设备，循环往复直，到数据到达目的地。专业说法：在报文交换节点接收一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发。报文交换39报文交换的基本处理过程40报文交换的优缺点优点：线路利用率高；不需要同时启动发送器和接收器来传输数据，网络可暂存；通信量大时仍可接收报文，但传输延迟会增加；一份报文可发往多个目的地；交换网络可对报文进行速度和代码等的转换。缺点：中间节点必须具备很大的存储空间；大报文的传输，增加小报文在网络种的延迟时间；当信道误码率高时，频繁重发。41报文和报文分组结构由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重传花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。42分组交换工作原理43(1)能够实现不同类型的数据终端设备之间的通信；分组交换的特点(2)传输介质利用率高，经济性好（动态分配带宽）；(3)数据传输质量高、可靠性高、交互性强（差错流量控制）分组交换的缺点：(1)由于采用存储转发方式，分组在网内的平均时延较大；(2)每个分组有额外的开销，且实现的技术比较复杂分组交换适宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。44调制技术将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，调制的方法：选取一个适合在线路上传输的正弦波作为载波，令载波的某些特征随基带信号的变化而变化。00110100010ASKFSKPSK45三种调制方式(1)幅度调制(AM，AmplitudeModulation)：简称调幅；使载波幅度随原始的模拟数据(即调制信号)的幅度变化，而载波的频率不变(3)相位调制(PM，PhaseModulation)：简称调相；使载波相位随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。(2)频率调制(FM，FrequencyModulation)：简称调频；使载波频率随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。ASK-----Amplitude-ShiftKeying(幅移键控)46模拟传输和数字传输话音电话模拟模拟数据,模拟信号数字Modem模拟数字数据，模拟信号数字数字传输数字数字数据，数字信号模拟CODEC数字模拟数据，数字信号47脉冲数字调制模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和比较数字化声音数字传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，常常需要把模拟数据转换成数字信号来传输。48采样信号：基于nyquist理论PCM输出（编码）3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲（采样）PCM脉冲（量化）011100011011001100脉冲编码调制（PCM）49PCM转化过程模拟话音BACDABCD采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和比较数字化声音50网络通信系统设计的几个基本问题数据传输类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信51并行通信用于距离较近