计算机通信及网络-CH02-数据通信技术基础

计算机通信与网络

ComputerTelecommunications&Networks南京邮电大学计算机学院“计算机通信与网络”国家精品课程组第2章数据通信技术基础物理层物理层是网络分层模型中的最底层，它建立在物理传输介质的基础上，通过不同计算机系统终端的通信接口使用物理传输介质，实现数据通信实体之间比特流的透明传送（数据传输）。物理层不包含传输介质本身。由于物理介质的多样性，数据通信接口也有很多相应的标准。内容概要数据通信是为了实现计算机与计算机或计算机与终端之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。数据传输是实现数据通信的基础。数据通信着重于数据的传输，不涉及数据所表示的原始信息，而计算机通信则着重于信息的交互。内容概要内容纲要数据通信的基本概念数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术数据通信接口特征内容纲要

数据通信的基本概念

数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术数据通信接口特征2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号2、数据通信系统3、传输媒体4、数据通信系统的性能指标2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号信息是事物存在的方式和运动状态的表现形式。信息以物质介质为载体，传递和反映世界各种事物存在方式和运动状态的表征。信息论的创始人香农认为：“信息是能够用来消除不确定性的东西”。数据(data)——通常是指预先约定的具有某种含义的数字、符号和字母的组合。信号(signal)——数据在传输过程中的电磁波的表示形式。2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号根据信息的不同形式，数据和信号也有不同的表示形式。“模拟的”(analogous)——时间和大小是连续变化的。“数字的”(digital)——时间和大小取值是离散的。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。信道——表示向某一方向传送数据的传输通道。2.1数据通信的基本概念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1、数据、信息和信号2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统信源和信宿：信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。信号转换设备：是将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的信号的设备。2.1数据通信的基本概念2、数据通信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2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例数据通信数据通信系统举例(b)局域网用户通过Internet上网通信数据通信InternetPSTN用户用户MODEMNAS服务器路由器AAA服务器电话网用户访问Internet2.1数据通信的基本概念有线双绞线同轴电缆光缆无线地面微波卫星微波无线电波红外线，蓝牙等技术3、传输媒体3、传输媒体双绞线铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP2.1数据通信的基本概念3、传输媒体把两根互相绝缘的铜导线并排放置，再用规则的方法绞合起来。绞合的导线可以减少相邻线对的相互干扰。多对绞合导线构成了双绞线电缆。双绞线可用于模拟传输和数字传输。价格低，安装方便，但带宽窄，抗干扰性能较差。双绞线2.1数据通信的基本概念3、传输媒体双绞线A扭绞距线径0.4～1.4mmB近端串扰远端串扰白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕12345678局域网EIA/TIA568A

UTP内4对8线的编号与线色2.1数据通信的基本概念3、传输媒体类型阻抗返回损耗 近端串扰 >1Mhz100m 100m3类UTP10012db43db4类UTP10012db58db5类UTP10012db64db双绞线2.1数据通信的基本概念3、传输媒体同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体2.1数据通信的基本概念3、传输媒体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组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。通常按特性阻抗数值不同，可分为两类：50Ω同轴电缆：数据通信中传输基带信号75Ω同轴电缆：模拟传输系统（CATV）

同轴电缆2.1数据通信的基本概念3、传输媒体RG-8/RG-1110Base5阻抗50粗缆0.4”

RG-58A/U10Base2阻抗50细缆0.18”

RG-59U10Broad3600阻抗75CATV0.25”

RG-63ARCnet阻抗930.25”(0.635cm)同轴电缆传输特性2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光缆远供电源光纤及包层填充物外护套包带层光缆结构剖面图2.1数据通信的基本概念利用光的全反射原理，通过纤芯传导。通过传递光脉冲进行通信。3、传输媒体光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成。纤芯很细，直径为8～100um，且折射率较高，包层相对折射率较低。多根光纤构成光缆。光纤通信衰耗小，距离长，抗干扰能力强，传输容量大，保密性好。多模光纤：多条不同入射角光线在一条光纤中，以多种模式传输。单模光纤：直径只有一个光波长大小，以一种模式直线传输。光缆2.1数据通信的基本概念3、传输媒体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（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光缆高折射率(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2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.1数据通信的基本概念3、传输媒体在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距离较远的情况下，使用无线传输方式，成本较低。信息技术的发展，人们要求在运动中进行电话通信或计算机通信。无线电波可以在自由空间各个方向传播，实现多种通信。这种通信不使用前述的各种导向传输媒体，故称为“非导向传输媒体”。2.1数据通信的基本概念电信领域使用的电磁波的频谱无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电2.1数据通信的基本概念3、传输媒体无线传输所使用的频段很广，人们可以根据需要使用不同频段特性进行通信。传统无线电：长波、中波、短波甚高频、特高频、超高频、极高频微波通信（2－40GHz，直线传播)地面接力微波：在地面建立若干微波中继站，中继站将前一站信号接收，放大后转发到下一站，实现“接力”式传输。卫星通信：将微波中继站放在卫星上实现。通信建立远，覆盖面积大。2.1数据通信的基本概念3、传输媒体地面微波的工作频率范围一般为1～20GHz，其特点是直线传播，因此只能在视距范围内进行传输。由于受到地形和天线高度的限制，两微波站间的通信距离一般为30～50km。又称为“中继微波”，或“微波中继”。地面微波2.1数据通信的基本概念3、传输媒体卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。使用卫星实现“微波中继”。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达18000多公里。理论上，只要地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120度的通信卫星，就能基本上实现全球的通信。卫星微波2.1数据通信的基本概念3、传输媒体卫星微波波段频率(GHz)下行(GHz)上行(GHz)问题C4/63.7~4.25.925~6.425地面上的干扰Ku11/1411.7~12.214.0~14.5降雨Ka20/3017.7~21.727.5~30.5降雨，设备价格高2.1数据通信的基本概念3、传输媒体无线电波是一个广义的概念，从含义上讲，无线电波是全向传播，而微波是定向传播。无线电波不同频段用于不同通信方式3~30MHz，用于短波通信；30~300MHz，用于数据通信；蜂窝无线电移动通信。无线电波2.1数据通信的基本概念3、传输媒体红外线技术已经在计算机通信中得到了应用，例如两台笔记本电脑对着红外接口，可传输文件。红外线链路只需一对收发器，可调制不相干的红外光，在视线距离的范围内传输，具有很强的方向性。红外线技术2.1数据通信的基本概念3、传输媒体红外线技术和蓝牙技术等调制非相干红外线光2.1数据通信的基本概念2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标在数字通信中，将相同时间间隔的信号称为码元。传码速率：传码速率又称为调制速率、波特率，记作NBd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud）。传信速率：又称为比特率，记作Rb，是指在数据通信系统中，每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。

数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标

数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标[例2-1]若信号码元持续时间为1×10-4秒，试问传送8电平信号，则传码速率和传信速率各是多少？解：由于T=1×10-4秒，所以传码速率NBd=1/T=10000波特由于传送的信号是8电平，所以，M=8。则传信速率Rb=NBdlog2

M=30000bit/s。

数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标

信道带宽信号带宽：(bandwidth)是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。模拟信道：表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路带宽(通频带)。数字信道：“带宽”是所能传送的“最高数据率”同义语，单位是“比特每秒”。2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标

信道带宽常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，数据量的表示K=210,M=220,G=230,T=240。2.1数据通信的基本概念时间轴上信号的宽度随速率的增大而变窄，对应的信号频率增加，则占用带宽也增加。每秒

106

个比特时间1

01

0

111s带宽为1Mb/s

时间每秒

4

106

个比特0.25s带宽为4Mb/s

带宽4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标

误码率和误组率误码率：在一定时间内接收到出错的比特数e1与总的传输比特数e2之比。Pe＝（e1/e2)×100％由于实际的传输信道及通信设备存在随机差错与突发差错，而数据通信常采用数据块或帧为单位进行传输，使用误组率可以更好反映传输效率。误组率：在一定时间内接收出错的组数b1与总的传输组数b2之比。Pb＝（b1/b2)×100％2.1数据通信的基本概念发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）

时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）

时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。

时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念数据从源点经过网络传送，到达目的点所经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延

时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念

时延1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念所谓高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。提高网络传输速率，减小网络传输时延，主要是减少发送时延和处理时延。

时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念

时延4、数据通信系统的技术指标[例2-3]若AB两台计算机之间的距离为1000km，假定在电缆内信号的传播速度是2×108m/s，试对下列类型的链路分别计算发送时延和传播时延。（1）数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mb/s；（2）数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbit/s内容纲要

数据通信的基本概念

数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术数据通信接口特征2.2数据传输方式1、并行传输与串行传输2、异步传输与同步传输3、单工、半双工和全双工传输4、模拟传输和数字传输2.2数据传输方式

并行传输1、并行传输与串行传输并行传输指的是数据以成组的方式，在两个系统之间多条并行信道上同时进行传输。8位/16位/32位

2.2数据传输方式

并行传输1、并行传输与串行传输通信速度快，一个单位时间可以传送一组数据。收、发双方有时需要另外的电路信号协调收发操作，来实现收发双方的字符同步。并行传输必须有多条并行信道，成本比较高，不适宜远距离传输，因此一般在高速、近距离传输中使用。2.2数据传输方式

串行传输1、并行传输与串行传输串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流在一条信道上逐位顺序传输。2.2数据传输方式

串行传输1、并行传输与串行传输优点：只需一条传输信道，成本低，易于实现，是目前远距离通信主要采用的一种传输方式。缺点：收、发双方必须保持字符同步。要使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的每个字符，这是串行传输必须解决的问题。2.2数据传输方式2、异步传输与同步传输在数据传输中，接收方必须在所接收的比特流中，正确识别“0”，“1”信号的取样（寻找最佳判断时间），识别和确认一个8位字符的开始，识别一组数据的开始，这个技术称为收发双方的同步。有三种同步：位同步，字符同步和帧同步（又称为：组同步，数据块同步）。位同步一般通过相关电路提取同步时钟。2.2数据传输方式

异步传输（字符级同步）2、异步传输与同步传输不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一个字符代码（即字符的数据位）时，都要在前面加上一个起始位，表示一个字符的开始；后面加上一个停止位，表示一个字符的结束。

2.2数据传输方式

异步传输（字符级同步）2、异步传输与同步传输异步传输方式以字符为单位传输，又称为起止式同步。接收方可以根据字符之间从终止到起始的跳变，即由“1”变“0”的下降沿来识别一个字符的开始，进行取样，直到取样完整个字符，以区分字符。优点：实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点：对每个字符都需加入起始位和终止位，因而传输效率低。由于所传输的两个字符之间间隔可以是任意时间长度，因此又称为异步传输方式。2.2数据传输方式2、异步传输与同步传输

异步传输（字符级同步）2.2数据传输方式

同步传输（数据组级同步）2、异步传输与同步传输同步传输方式以固定的时钟节拍来发送数据信号，因此在一个串行数据流中，各信号码元间隔一定。数据的发送一般以组(或帧)为单位，采用帧同步方式，同时实现字符同步。优点：不需要单独加起始位和终止位，故具有较高的传输效率。缺点：必须建立准确的时钟信号，实现起来比较复杂。

2.2数据传输方式3、单工、半双工和全双工传输单工传输——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。半双工传输——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)。全双工传输——通信的双方可以同时发送和接收信息。全双工传输的四线或二线传输全双工数据传输可以使用四线或二线传输技术实现。四线传输时有两条物理上独立的信道，一条发送一条接收。二线传输可以把两个方向的信号采用频分复用或时分复用的方法将信道的带宽一分为二，或采用回波抵消技术使两个方向的数据共享信道带宽。2.2数据传输方式4、模拟传输和数字传输模拟传输模拟信号：时间和幅度取值连续变化的信号量。模拟信道：适于模拟信号传输的信道模拟传输系统：传输模拟信号的通信系统数字传输数字信号：时间和幅度取值离散（不连续变化）的信号量。数字信道：适于数字信号传输的信道数字传输系统：传输数字信号的通信系统幅度时间幅度时间内容纲要

数据通信的基本概念

数据传输方式

数据传送技术多路复用技术数据交换技术数据通信接口特征2.3数据传送技术1、数据序列的电信号表示2、信道容量的概念3、基带传输4、频带传输5、数字数据传输2.3数据传送技术1、数据序列的电信号表示数据序列单极性不归零码单极性归零码双极性不归零码双极性归零码0100110001112.3数据传送技术1、数据序列的电信号表示数据序列伪三元编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分编码0100110001112.3数据传送技术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。2、信道容量的概念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)

数字信号通过实际的信道2.3数据传送技术2、信道容量的概念信道容量是指在一定的条件下，给定通信路径（信道）上所能达到的最大数据传输速率。2.3数据传送技术2、信道容量的概念信道容量噪声误码率带宽数据传输速率理想低通信道的最高码元传输速率N=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)奈奎斯特(Nyquist)定理不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)2.3数据传送技术2、信道容量的概念在理想的低通信道中，如果信道带宽为WHz，则此系统最高码元传输速率是每秒

2

W

个码元。每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒

2

个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。2.3数据传送技术2、信道容量的概念奈奎斯特(Nyquist)定理实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。

要强调以下两点2.3数据传送技术2、信道容量的概念当考虑传输线路上所传输的数字信号时，并未考虑信号本身的特点。信号的状态数不同，所携带的信息量也不同（用二进制方法表示信息量）。若信号为二状态，可以用0，1表示。若信号为四状态，需要2位二进制数的组合来表示4种状态。M种信号状态，可以用n位二进制表示，则n＝log2M2.3数据传送技术2、信道容量的概念信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则NBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为N

nb/s。2.3数据传送技术2、信道容量的概念传输比特流10011100……10011100…………2bit一组4种幅度,1个码元携带2bit信息,n=log2M(M码元状态数)t32102.3数据传送技术2、信道容量的概念无噪声的情况下，在带宽为W的信道，其最大的数据传输速率C（信道容量）为

C=2Wlog2M2.3数据传送技术2、信道容量的概念[例2-6]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？香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C(信道容量）

可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。2.3数据传送技术2、信道容量的概念香农(Shannon)定理所谓信噪比是通信系统中信号和噪声的功率之比。信噪比是没有单位的，但在实际应用中，常常以分贝为单位表示信噪比的大小。

其关系可表达为

（S/N）dB=10log10(S/N)2.3数据传送技术2、信道容量的概念关于信噪比[例2-7]一个数字信号通过两种物理状态经信噪比为20dB的3kHz带宽的信道传送，其数据率不会超过多少？

应用举例2.3数据传送技术2、信道容量的概念解：已知信噪比电平为20dB，则信噪功率比S/N=100 C=3000log2(1+100)=30006.66=19.98kbit/s数据率不会超过19.98kbit/s信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

香农公式表明2.3数据传送技术2、信道容量的概念若信道带宽

W

或信噪比

S/N

没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率

C

也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

香农公式表明2.3数据传送技术2、信道容量的概念

奈氏准则和香农公式在数据通信系统作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制2.3数据传送技术2、信道容量的概念2.3数据传送技术3、基带传输

基带信号

在数据通信中，表示计算机中二进制比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。人们把矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带(简称为基带)，这种矩形脉冲信号就叫做基带信号。在数字信道上，计算机中的数据是以矩形脉冲信号直接传送的，这种传送方法称为基带传输。

2.3数据传送技术4、频带传输频带传输又称为调制传输，就是先将基带信号变换成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的信号（频带信号），再将这种频带信号在信道中传输。2.3数据传送技术4、频带传输

数字数据，模拟传输有些传输媒体只适合于传输模拟信号，为充分利用现有的传输资源，必须将数字数据转换为模拟信号才能传输。将数字数据转换为模拟信号的过程叫调制（实际上是用数字信号控制模拟信号的某些参数，使模拟信号携带信息）。将携带信息的模拟信号转换成数字数据（或称从已调制的模拟信号中提取数字数据）的过程叫解调。最常用的数字数据－模拟信号转换设备是调制解调器（MODEM），同时具有调制和解调的功能，在数据通信系统中，是一种典型的DCE设备。常用的调制技术：载波：一种便于发射和接收，及技术实现的高频简谐波或周期性脉冲信号。当载波为高频简谐波时，可用三个参数描述：振幅、频率、相位。控制这三个参数变化，可以实现调制功能。4、频带传输

数字数据，模拟传输2.3数据传送技术以数字数据控制载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简称ASK。以数字数据控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简称PSK。以数字数据控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控，简称FSK。4、频带传输

数字数据，模拟传输2.3数据传送技术4、频带传输2.3数据传送技术010011100基带信号调幅调频调相5、数字数据传输2.3数据传送技术在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输，简称为数字数据传输。抽样量化编码模拟数据数字信号数字信道解码恢复数字信号模拟数据5、数字数据传输2.3数据传送技术时间量化幅值量化采样间隔Ts

2fc模拟数据数字信号内容纲要

数据通信的基本概念

数据传输方式数据传送技术

多路复用技术数据交换技术数据通信接口特征2.4多路复用随着电子技术和计算机技术的发展，通信终端和交换设备的性能不断提高，而价格却迅速降低。传输媒体由于资源有限，制造成本增加，即使采用原料丰富的光纤线路，但铺设费用也在增长。其投资在整个通信网络占有的比重越来越大。信道复用技术是在一条传输信道中传输多路信号，以提高传输媒体的利用率。2.4多路复用1、频分复用2、时分复用3、码分复用4、波分复用2.4多路复用1、频分复用当传输信道的带宽较大，而所传输的信号只需部分带宽就可实现有效传送，则可以在信道中同时传输多路信号，每路信号占用部分带宽。频分复用是按频率划分不同的子信道，每个子信道占用不同的频率范围。采用调制技术，将信号搬移到信道相应的频段上。频分复用常用于载波电话系统、电视等。2.4多路复用1、频分复用频率1频率3频率2频率4时间频率T4T3T2T1T1T2T3T4ADSL调制解调器的频谱利用频谱频率(kHz)下行上行传统电话6.3Mb/s1.5Mb/s04205050011001401502.4多路复用2、时分复用时分复用是采用时间分片方式来实现传输信道的多路复用，即每一路信号传输都使用信道的全部带宽，但只能使用其中某个时隙。静态时分复用中，多个数据终端的信号分别在预定的时隙内传输，其分配关系固定，周期性使用，收发双方保持同步，又称同步时分复用。若无数据传输时，对应时隙空闲。静态时分复用时高速传输介质容量等于各个低速终端数据速率之和。2.4多路复用2、时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2.4多路复用2、时分复用频率时间CDCDCDCDAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧BBBB在

TDM

帧中的位置不变2.4多路复用2、时分复用频率时间BDBDBDBDAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧CCCC在

TDM

帧中的位置不变2.4多路复用2、时分复用频率时间BCBCBCBCAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧在

TDM

帧中的位置不变DDDD2.4多路复用2、时分复用静态时分复用中，每个数据终端的信号与传输时隙分配关系固定，无数据传输时，对应时隙空闲。因此效率较低。动态时分复用又称异步时分复用，或称统计时分复用（STDM），是按需分配媒体资源，提高了传输媒体的利用率。动态时分复用中，用户数据传输速率之和可以大于高速线路传输容量。动态时分复用中需要使用缓冲存储和流量控制技术来保证数据正确传送。2.4多路复用2、时分复用ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd静态时分复用#2#3#4用户2.4多路复用2、时分复用用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用2.4多路复用3、码分复用码分复用是蜂窝移动通信中迅速发展的一种信号处理方式。常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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)。2.4多路复用3、码分复用每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列二进制反码。

例如，S站的8bit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)2.4多路复用3、码分复用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。2.4多路复用令向量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和T的规格化内积(innerproduct)都是0：3、码分复用2.4多路复用3、码分复用令向量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的各分量值代入公式就可看出这两个码片序列是正交的。2.4多路复用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。3、码分复用2.4多路复用3、码分复用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S

Tx数据码元比特发送端接收端2.4多路复用4、波分复用波分复用就是光的频分复用。波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容量，满足通信需求量的迅速增长和多媒体通信。波分复用利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。2.4多路复用4、波分复用密集波分复用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）是一种支持巨大数量信道的系统。现代的技术已经能够实现信道间波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，DWDM实现了波长间隔较小的8个波、16个波、32乃至更多个波长的复用。

2.4多路复用4、波分复用与此对照，还有波长密度较低的WDM系统，称为稀疏波分复用（CWDM，CoarseWaveDivisionMultiplexing）。（1）CWDM载波通道间距较宽，因此一根光纤上只能复用2到16个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；（2）CWDM使用调制激光，而DWDM采用的是冷却激光，它需要冷却技术来稳定波长，实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本。2.4多路复用4、波分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km内容纲要

数据通信的基本概念

数据传输方式数据传送技术多路复用技术

数据交换技术数据通信接口特征2.5数据交换技术交换是一种集中和转接的概念。如果网络的分布范围广，用户众多，网络拓扑结构复杂。多个用户之间的通信，如果采用点对点直接连接的方式，网络规模大，费用高，线路利用率低。用户数为N，则连接线路数为N(N-1)/2。当N很大，N2数量级的线路数使得网络成本迅速增加，且总体利用率不高。2.5数据交换技术采用交换方式，利用集中和转接的概念，通过选择和复用技术，可以提高线路资源的利用率，简化网络拓扑结构，降低网络成本。集中是根据用户分布情况设置汇聚点，所有用户线路和信息集中到该节点。根据需要，可以采用分级集中方式，即汇聚点的信息再次集中。2.5数据交换技术汇聚节点数量远远少于用户数，则节点之间的通信线路数减少，降低了通信网络总成本。根据通信的统计特性，汇聚节点之间高速线路的容量可以小于用户通信总容量。由于采用分级汇聚集中方式，且汇聚点之间采用网状连接方式，则信息传送可能需要在节点之间多次转接。网络拓扑结构交换节点转接中心用户线中继线全连通2.5数据交换技术交换网络用户接口中继接口控制单元信号单元中继线用户线（1）建立连接（2）维持连接（3）拆除连接2.5数据交换技术电话交换机内部结构电路交换报文交换分组交换快速分组交换多速率电路交换快速电路交换存储-转发ATM交换X.25分组网帧中继、SMDS信元交换2.5数据交换技术通信网交换方式分类电路交换报文交换分组交换IP网络多速率电路交换面向连接的IP网络存储-转发X.25分组网光传输网络一个通信网络由许多交换节点连接传输线路组成，信息在网络中的传输要经过一系列的交换节点，从一条线路转换到另一条线路，最后到达目的地。交换节点转发信息的方式，称为交换方式。电路交换报文交换分组交换2.5数据交换技术电路交换正向证实信号正向拆线信号主叫挂机反向拆线信号被叫挂机被叫用户主叫用户回铃音取机拨号拨号音占用信号占用信号振铃通话(信息传送)连接释放呼叫建立交换机A交换机B交换机C挂机忙音电路交换方式的传输时延连接释放数据传送连接建立ABCDt报文电路交换在电路交换方式中，根据采用的交换技术，可以分为两种类型：空分交换：以机电方式或计算机控制的交叉点开/关来控制信息的转接。交换规模与交叉矩阵大小相关。时分交换：计算机控制分时读写公共总线或存储器，实现信息的转接。交换规模与交换时延、传输速率相关。空分交换技术1234ABCDBAD4 CSpaceDivisionSwitching时分交换技术时段（时隙TimeSlot）交换时段时间的定义：数据传输时间+总线上从头至尾的传播时间。总线速率（背板）要求高。例：19.2kbps的100条全双工线路，总线速率>1.92Mbps。TDM总线交换机制：总线上速率决定了同时可通信数。TimeDivisionSwitching控制单元123n交换网络时分交换技术存储器访问交换机制顺序写入，控制读出控制写入，顺序读出控制写入，控制读出控制单元123n交换网络123n高速交换要求高速存储器随着交换规模增加，高速存储器容量要求迅速增加。电路交换的主要特点电路交换是一种实时交换，适用于实时要求高的话音通信(全程200ms)。在通信前要通过呼叫为主、被叫用户建立一条物理连接。如果呼叫请求数超过交换网的连接能力(过负荷)，用户会听到忙音。衡量电话交换服务质量指标之一：呼叫损失率。电路交换是预分配带宽，话路接通后，即使无信息传送也白白占电路，据统计，传送话音时电路利用率仅为36%。计算机在电路交换网上实现点到点的数据通信，遵循ITU-T的V系列建议。电路交换的主要特点电路交换网的交换设备可选用程控电话交换机。电话网的设计对象是话音通信，在电话网的数据传输，是电话网的增值业务。在传送信息时，交换节点不处理所传输的信息，实现了透明通信；但也没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的数据业务。要求通信双方主机设置一致，如异步串行通信：数据速率数据位停止位校验方式（E、O、N）C1C4C3C2C3本地网省中心大区中心地市中心县中心长途网AB电话交换网构成2.5数据交换技术报文交换报文交换的特点：存储-转发t用户B用户A交换机A交换机B交换机CM1M1M1M1传播时延传输时延存储/处理时延报文交换的传输时延报文报文报文ABCDt报文交换的时延特性报文从用户终端到交换节点，或交换节点间的存储转发过程包括四方面的时延：(1)

传播时延(PropagationDelay) tprop=L/v 式中，tprop为传播时延，L为传输距离，v为电波速度(3x105公里/秒) (2)

传输时延(TransmissionDelay) tT=D/C 式中，tT为传输时延，D为报文长度，C为传输速率。（发送的时间与接收的时间相同）报文交换的时延特性(3)

处理时延(ProcessingDelay)处理时延是指交换节点内部执行程序所开销的时间。tproc与报文长度、处理机处理能力有关。

(4)

存储时延(QueueingDelay)交换节点将收到的报文先在缓存单元存储，等待转发处理。存储时延也就是在缓存单元的排队时间tq。tq是随机的，与交换节点的交换能力、网络负荷有关。报文交换特点(1)交换节点采用存储－转发方式对每份报文完整地加以处理。(2)

每份报文中含有报头，包含收、发双方的地址，以便交换节点进行路由选择，可以一对多地传送报文。(3)报文交换可进行速率、码型的变换，具有差错控制措施。(4)存储－转发时延大，随机性也大。网络或交换机过负荷时，将会导致报文延迟。分组交换为了解决报文交换中由于报文长度变化导致传输时延随机变化大，对处理能力和存储能力要求不一的缺点，发送节点对报文按照一定长度分段，对每个“报文段”采用存储－转发方式传输。每个报文段(Packet)称为“分组”或“包”，故称为分组交换或包交换。分组交换使用动态时分复用技术，提高了传输资源的利用率。P2P1报文…主机B主机A链路P5P6P4P3P2P1PSEaPSEbPSEc2.5数据交换技术3、分组交换主机C分组交换的传输时延P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4ABCDP2P1分组交换的特点（1）传送的分组长度一定，处理要求统一，平均传输时延减小，一致性得到改善。（2）采用统计时分多路复用，可实现多路通信功能，提高了线路利用率。（3）能够实现不同类型的数据终端设备（含有不同的传输速率、不同的编码、不同的通信控制规程等）之间的通信。（4）数据传输质量高、可靠性高，可使用优先级控制传输质量。分组交换的缺点由于采用存储—转发方式处理分组，所以分组在网内的平均时延可达几百毫秒。每个分组附加的分组标题，都会需要交换机分析处理，而增加开销，因此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，而不适合于在实时性要求高、信息量大的环境中应用。分组交换技术比较复杂，涉及到网络的流量控制、差错控制、编码、速率的变换方法和接口；网络的管理和控制的智能化等。内容纲要

数据通信的基本概念

数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术数据通信接口特征2.6数据通信接口特性物理层基本概念物理层是OSI参考模型中的最低一层，向下是与物理设备之间的接口，直接与传输介质相连接，使二进制数据位流通过该接口从一台设备传送给相邻的另一台设备；向上为数据链路层提供透明的比特流传输服务。物理层接口不仅包括DTE－DCE之间的接口，也包括DCE－DCE之间的接口。物理层协议物理层通过执行建立物理连接和数据传输等功能向数据链路层提供服务。从物理链路的构成来看，物理层可处于多种环境之中，不同类型和特性的物理链路由不同的物理层协议描述。物理层协议与通信设备的接口特性密切相关，通信设备接口有机械、电气、功能、规程四个方面的特性。2.6数据通信接口特性通信接口特性是指DTE和DCE之间连接的物理特性。这种连接特性与所选用的DCE类型、传输信道（模拟/数字）、通信方式（半双工/全双工）和通信速率有关。物理层标准主要描述了通信接口的相关特性。但物理层不包括传输媒体本身。2.6数据通信接口特性由于历史原因，通信接口相关特性标准大多采用CCITT的有关建议标准。V系列建议是为了在模拟传输系统（电话网）中实现数据通信而制定的标准。X系列建议是专门为数据通信制定的，符合开放系统互连参考模型的标准。其它通信接口标准，如I系列、G系列。为了减少标准数量，也可使用其它标准，如ISO的相关标准。2.6数据通信接口特性物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序和条件。

2.6数据通信接口特性1、通信接口的机械特性2、通信接口的电气特性3、通信接口的功能特性4、通信接口的规程特性5、其它通信接口标准2.6数据通信接口特性1、机械特性机械特性描述接口接插件的插头、插座的规格、尺寸、几何形状，插针/插孔的数量与排列情况等。机械特性主要使用ISO标准。 ISO211025芯（2排，13/12） ISO259334芯（4排，9/8/9/8） ISO490237芯（2排，19/18） ISO490315芯（2排，8/7） 9芯（2排，5/4）2.6数据通信接口特性1、机械特性X.21接口/ISO4903V.24接口/RS-232/ISO2110V.35接口/ISO2593ABDCHMSWafjEKPUYchmJNTXbgkFLRVZdln113142518915常见接口的机械特性2.6数据通信接口特性2、电气特性电气特性描述通信接口的发信器（驱动器）和接收器的电气连接方法及其电气参数。电气连接方法：不平衡型、半平衡型、平衡型电气参数：电压（电流）值、单极性/双极性，等效电路和阻抗值、分布电容、信号上升时间等。2.6数据通信接口特性

V.28建议不平衡双流接口电路