数据通信与计算机网络技术

数据通信与计算机网络技术1第一页，共九十页，编辑于2023年，星期六第2章数据通信基础

主要学习内容

：2.1数据通信系统组成2.2数据通信的基本概念2.3数据编码技术2.4数据通信的基本方式2.5多路复用技术2.6数据交换方式2.7差错检验和控制2第二页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念

2.1.1数据、信息

信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。3第三页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念雪六角形凉白色信息数据信号例子

4第四页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度5第五页，共九十页，编辑于2023年，星期六数据通信系统的模型

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6第六页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念两种不同类型的量：A.时间、温度、电波、声音B.字符，二进制数，电脉冲信号中没有断开或不连续的的地方；信号仅取一些有限数目的值；2.1.2信号与信号传输

7第七页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟与数字的特点8第八页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念（a）模拟信号

（b）数字信号

9第九页，共九十页，编辑于2023年，星期六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10第十页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念2.1.3基本概念和术语

数据传输速率——bps(bitpersecond)

用C表示信号传输速率——波特（Baud）用B表示

两者关系——C=B×log2n

n是调制电平数

11第十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始12第十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率)。

1Baud=（1/log2M）bps

其中M是信号的编码级数。也可以写成

Rbit=Rbaudlog2M

例如：4级编码

一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。13第十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标

P=错误的位数/传输的总位数 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的规则。

例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t14第十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六基带(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的频分复用模拟信号。15第十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六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)16第十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六信道的极限信息传输速率

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。

17第十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六香农公式表明

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。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。18第十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.1数据通信的基本概念带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信道容量(Channelcapacity)：信道的最大数据率19第十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.2数据通信系统构成

噪声

数据通信系统模型

20第二十页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码技术1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。21第二十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值，用幅度、相位和频率等表示要传送的信息。传输过程中会衰减。数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号22第二十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。23第二十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六

模拟传输和数字传输话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010Modem24第二十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或模拟数字或模拟数字信号模拟信号g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)数字或模拟数字或模拟P—调制参数编码调制编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制25第二十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码技术

不归零编码NRZ(Non-Return-Zero)曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)差（微）分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding）

2.3.1数字数据用数字信号表示

26第二十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六1.数字数据的数字信号编码

不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)

二进制数字0、1分别用两种电平来表示。 常用－5V表示1，＋5V表示0。

缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码(Manchestercode)

用电压的变化表示0和1。27第二十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变——0，低→高的跳变——1∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。

28第二十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)

与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：

用在码元开始处有无跳变来表示0和1

：

码元开始处有跳变——0

码元开始处无跳变——129第二十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码技术

01001100011时钟NRZManchester差分Manchester30第三十页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.数字数据用模拟信号表示

三种常用的调制技术：

1）幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅

2）频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频

3）相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相

基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率

、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化31第三十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六00110100010ASK调幅FSK调频PSK调相PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)32第三十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码技术

33第三十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码技术

2.3.1模拟数据用数字信号表示

脉冲编码调制（PCM）34第三十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六3.模拟数据的数字信号编码奈奎斯特定理（采样定理）：

如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：

1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样

2）量化——对每个样本舍入到量化级别上

3）编码——对每个舍入后的样本进行编码35第三十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音--话音信道带宽<4KHz--采样时钟频率：8KHz(>2倍话音最大频率)--量化级数：256级(8位二进制码表示)--数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信号的速率=64000bps编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）36第三十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六PCM转换过程举例 3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号

PAM脉冲

PCM脉冲（有量化误差）011100011011001100

PCM输出37第三十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六PCM转换波形图BACDABCD模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音38第三十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.3数据编码技术

增量调制（DM）39第三十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.4数据通信的基本方式

2.4.1数据通信的操作方式(传输模式或数据流动方向)

40第四十页，共九十页，编辑于2023年，星期六•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）

两个方向的信号共享链路带宽：

1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或

2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输41第四十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.4数据通信的基本方式

2.4.2同步和异步传输

（a）单同步格式（b）双同步格式42第四十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.4数据通信的基本方式

异步通信格式：43第四十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六通信系统的例子——电话系统公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的数据传输率：104b/s-干线的数据传输率：1010b/s-总体误码率：<10-5

-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易44第四十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六构成：本地回路、交换局、干线端局端局长途局中心局长途局本地回路准长途干线高带宽长途干线准长途干线本地回路光纤、微波、同轴双绞线双绞线45第四十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六本地回路编码解码器Codec编码解码器Codec用户设备用户设备ModemModem端局端局长途局数字干线模拟线路（本地回路）模拟线路（本地回路）●绝大多数为模拟线路●计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字46第四十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六长途干线最初采用频分复用FDM的传输方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)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。47第四十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六调制解调器

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48第四十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六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300~3400Hz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（3.1kHz的标准话路带宽）上的调制解调器。49第四十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六调制解调器的作用（续）调制器的主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。

50第五十页，共九十页，编辑于2023年，星期六调制解调器的速率

目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。51第五十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六产生量化噪声的地方

（经过A/D变化的地方）

A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机1交换机2V.3433.6kb/s

调制解调器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/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（33.6kb/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52第五十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六调制解调器使用异步通信方式

数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。

异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。53第五十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六时分复用

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(TimeDivisionMultiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。中国采用欧洲体制，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。54第五十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六E1的时分复用帧

2.048Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………时分复用帧T

CH0

CH1

CH2…

CH15

CH16

CH17

CH30CH31CH0…8bitt时分复用帧时分复用帧T=125ms15个话路15个话路55第五十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.5多路复用技术多路复用技术:用一条高速线路传送多条低速线路的数据分类：频分多路复用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

56第五十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六•复用——多个信息源共享一个公共信道

为何要复用？线路成本DEMUX复用器解复用器共享信道MUX2.5多路复用技术57第五十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六复用类型FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时分复用)58第五十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.5信道复用技术

2.5.1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。

59第五十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六频分多路复用

频率时间频率1频率2频率3频率4频率560第六十页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.5多路复用技术频分多路复用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）应用:无线电广播,电视特点:信号被划分成若干通道(频道,波段),每个通道独立进行数据传递每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。61第六十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.5多路复用技术时分多路复用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）特点：多条低速线路轮流使用同一条高速线路进行数据传递应用：电话主干线路62第六十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六时分多路复用

频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧63第六十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧64第六十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧65第六十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧66第六十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六时分复用可能会造成

线路资源的浪费

ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户67第六十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六统计时分复用

STDM

用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用68第六十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.5多路复用技术波分多路复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

应用：光缆线路69第六十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDM

波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km70第七十页，共九十页，编辑于2023年，星期六码分复用CDM

常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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)。

71第七十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六码片序列(chipsequence)

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，则发送该码片序列的二进制反码。

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)72第七十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六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。73第七十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六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和T的规格化内积(innerproduct)都是0：(2-4)74第七十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六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。75第七十五页，共九十页，编辑于2023年，星期六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76第七十六页，共九十页，编辑于2023年，星期六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S

Tx数据码元比特发送端接收端77第七十七页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术2.6.1电路交换ABCD发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.作出反应2.发送回应信号78第七十八页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术2.6.1电路交换特点:1.有通话的建立过程2.通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在79第七十九页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术2.6.2报文交换ADCB发送报文传输等待-发送传输等待-发送传输80第八十页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术传输延迟2.7.2报文交换

ABCD特点:1.无呼叫建立和专用通路

2.存储-转发

式的发送技术81第八十一页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术2.6.3分组交换82第八十二页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术2.6.3分组交换特点:1.无呼叫建立和专用通路

2.存储-转发式的发送技术

3.将数据分成有大小限制的分组后发送83第八十三页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交换技术三种交换技术对比:A.存在呼叫建立；专有线路上不传送数据时浪费资源B.没有呼叫建立；只有发送数据时才占用线路C.除了B的特点外，在接收分组时可以发送下一个分组对线路的利用率84第八十四页，共九十页，编辑于2023年，星期六2.6交