第2章-网络课复习省名师优质课赛课获奖课件市赛课百校联赛优质课一等奖课件

第二章数据通信基础知识本章重点基本概念●多路复用信道●数据交换技术传输媒体●差错控制编码1/809/13/202312.1基本概念数据(Data)：传递（携带）信息实体，信息(Information)则是数据内容或解释。--模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据信号(Signal)：数据物理量编码（通常为电编码），数据以信号形式传输。--模拟信号与数字信号--基带(Baseband)与宽带(Broadband)信号●一些术语2/809/13/20232信道(Channel)：传送信息线路（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信号同时脉冲同时脉冲：用于码元同时定时，识别码元开始3/809/13/20233波特率(Baud)：每秒传送码元数(即信号传送速率)。

1Baud=（log2M）bps其中M是信号编码级数。也能够写成 Rbit=Rbaudlog2M 比如：4级编码（p23图2.3b）

一个信号往往能够携带多个二进制位，所以在固定信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中能够传送多个比特（bit）。4/809/13/20234

带宽(Bandwidth)：信号或信道占据频率范围信道容量(Channelcapacity)：信道最大数据率

误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标 P=错误位数/传输总位数 信息编码：将信息用二进制数表示方法。数据编码：将数据用物理量表示规则。

比如：字母‘A’ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t5/809/13/20235●通信系统模型通信三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都能够抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据

适合传输信号——便于识别、纠错调制器：信号

适合传输形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号

原始数据解调器：接收波形数字信号序列6/809/13/20236信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统任务信息经过通信系统传输把携带信息数据用物理信号形式经过介质传送到目标地。

信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。7/809/13/20237●通信系统组成◆数据传输系统：1）传输线路（包含传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等◆数据处理系统：主要是指计算机。●通信基本过程—包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接→建立逻辑连接→数据传送→断开逻辑连接→断开物理连接（对比：打电话过程）8/809/13/202382.2信道及其主要特征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）传输数据信道。

模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据信道。9/809/13/202392.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

数字信号：时间上离散，仅包含有限数目标预定值tta)模拟信号b)数字信号10/809/13/2023103.周期信号和非周期信号

周期信号：信号由不停重复固定模式组成（如正弦波）

非周期信号：信号没有固定模式和波形循环（如语音音波信号），能被分解成无数个周期信号叠加。ttTTTTTT周期信号11/809/13/20231112/809/13/202312数字通信优点

•抗噪声（干扰）能力强

•能够控制差错，提升了传输质量

•便于用计算机进行处理

•易于加密、保密性强

•能够传输语音、数据、影像，通用、灵活

仅在不得已情况下，才会采取模拟通信。如用modem经过拨号线路传输数字信号。13/809/13/2023134.传输模式(通信方式)—数据流动方向•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据能够双向传输，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）

两个方向信号共享链路带宽：1）链路含有两条物理上独立传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不一样方向信号传输14/809/13/2023145.数字数据传输方式•基带传输：不调制，编码后数字脉冲信号直接在信道上传送。

比如：以太网•频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调

比如：经过电话模拟信道传输15/809/13/2023156.数据同时方式目标是使接收端与发送端在时间基准上一致(包含开始时间、位边界、重复频率等)。有三种同时方法：

●位同时

●字符同时（异步传输）

●帧同时（同时传输）16/809/13/202316位同时：目标是使接收端接收每一位信息都与发送端保持同时

●外同时——发送端发送同时时钟信号，接收方用它来锁定自己时钟脉冲频率。

●自同时——经过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号包含了同时脉冲，接收方提取同时信号来锁定自己时钟脉冲频率。17/809/13/202317字符同时：以字符为边界实现字符同时接收，也称为起止式或异步制——每两个字符之间间隔时间不固定。

每个字符传输需要：（p30图2-11）

1个起始位

5，6，7，8个数据位

1，1.5，2个停顿位—频率漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同时—增加了辅助位，所以效率低

比如，1个起始位、8个数据位、2个停顿位时，其效率为8/11＜72％18/809/13/202318帧（Frame）——包含数据和控制信息数据块（包）帧起始控制信息数据帧结束校验和0-n8bit8bit8-32m面向比特——以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧开始，适合用于任意数据类型帧。面向字符——以同时字符（SYN，16H）来标识一个帧开始，适合用于数据为字符类型帧。帧同时：识别一个帧起始和结束。19/809/13/202319信道最大数据传输率M最大数据率(C)26000bps41bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsC=2Wlog2MC=传输率，单位b/s或bpsW=带宽，单位HzM=信号电平级数比如：话音级线路(3000Hz)信道容量计算，如右图所表示。Nyquist公式为估算已知带宽信道最高速率提供了依据。Nyquist公式：用于理想低通信道20/809/13/202320非理想信道实际信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减

信道损耗引发信号强度减弱，造成信噪比S/N降低。b）延迟信号中各种频率成份在信道上延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声

热噪声：由导体内热扰动引发，又称为白噪声。

串扰：信道间产生无须要耦合。例：多对双绞线

脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机开启等）。噪声将破坏信号，产生误码。连续时间0.01s干扰能够破坏约560个比特（56Kbps）。21/809/13/202321Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/NdB信噪比（dB分贝）定义C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则 C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsC=传输率，单位b/sW=带宽，单位Hz

即：22/809/13/202322Nyquist公式和Shannel公式比较●C=2Wlog2M此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。●C=Wlog2(1+S/N)不论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能到达最高传输速率。原因：噪声存在将使编码级数不可能无限增加。23/809/13/2023232.3传输媒体(介质)磁介质

高带宽、低费用、高延时（小时）例：7GB/8mm，1000盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波24/809/13/202324●双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套--螺旋绞合双导线，≈1mm--每根4对、25对、1800对--经典连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低密度高、节约空间安装轻易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性普通连接距离较短25/809/13/202325屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以降低干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽26/809/13/202326●同轴电缆基带同轴电缆

一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆

一条电缆同时传输不一样频率多路模拟信号，75，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器

铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套27/809/13/202327

细同轴

--50，D=1.02cm，10Mbps

--185m、4中继、5段（925m）

--优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差

粗同轴--50，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中继、5段（2500m）

--优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好

28/809/13/202328●光纤依靠光波承载信息速率高，通信容量大

仅受光电转换器件限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便29/809/13/202329光纤传输原理——利用了光反射

光从一个介质入射到另一个介质时会产生折射。折射量取决于两种介质折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。

光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低

亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0

光传输系统：光源、介质、光检测器 光源:850nm/1300nm/1500nm发光二极管/激光二极管 介质:光纤 光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD

单向传输，双向需两根光纤30/809/13/202330●光纤传送模式：MMF、SMF多模MMF

输入电信号输出电信号单模SMF

波长:1300,1550nm波长:850,1300nmh2h1芯/封套特征h1h2光纤直径减小到一个光波波长多束光线以不一样反射角传输单束光线沿直线传输31/809/13/202331●经典光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF 玻璃包层——125um32/809/13/202332●高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束33/809/13/202333●无线介质使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适合用于长距离或不便布线场所易受干扰34/809/13/202334无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站用户计算机和终端BS基站覆盖无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用频率35/809/13/202335地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间直视线路微波传送塔36/809/13/202336地球同时卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球37/809/13/202337惯用传输媒体比较38/809/13/2023382.4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、数字信道不一样类型信号在不一样类型信道上传输有4种组合，每一个对应地需要进行不一样编码处理。39/809/13/202339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10101010Modem40/809/13/202340EncoderDecoderModulatorDemodulator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41/809/13/2023411.数字数据数字信号编码

不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。 惯用－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；不具备自同时机制，必须使用外同时。

曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压改变表示0和1。42/809/13/202342要求在每个码元中间发生跳变：高→低跳变——0，低→高跳变——1∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此改变提取出来作为同时信号，使接收端时钟与发送设备时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同时码（Self-SynchronizingCode）。它含有自同时机制，无需外同时信号。缺点：需要双倍传输带宽（即信号速率是数据速率2倍）。43/809/13/202343

差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同，在每个码元中间，信号都会发生跳变；不一样之处于于：

用在码元开始处有没有跳变来表示0和1：

码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——144/809/13/20234401001100011时钟NRZManchester差分Manchester三种数字编码波形图45/809/13/2023452.数字数据调制编码三种惯用调制技术：

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：用数字信号对载波不一样参量进行调制。

载波S(t)=Acos(

t+

)S(t)参量包含：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改变而改变46/809/13/20234600110100010ASK调幅FSK调频PSK调相PSK：用载波两个不一样振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波两个不一样频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用载波起始相位改变表示0(同相)和1(反相)47/809/13/202347多级调制方法1-单参量多级调制0110000+90+180+27011数据率=信号速率xlog2M M：调制级数+900010000+270011+1800104-PSK48/809/13/202348多级调制方法2–多参量多级调制16-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位16种组合04516-QAM星座图9018027013531522549/809/13/202349高速(56Kbps)MODEMD/AA/DA/DD/AD/AA/DV.34(28.8--33.6kbps)最大噪声起源于模数转换量化噪声，信道容量极限值约35kbpsD/AA/DD/AV.90(56kbps)交换机1交换机2ISPV.34(28.8--33.6kbps)模拟模拟数字数字数字数字模拟上行仍需模数(A/D)转换，速率最高为35kbps；下行则可达56Kbps50/809/13/2023503.模拟数据数字信号编码奈奎斯特定理（采样定理）：

假如连续改变模拟信号最高频率为F，若以2F采样频率对其采样，则采样得到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——对每个舍入后样本进行编码51/809/13/202351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信号速率=64000bps编码后信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）52/809/13/202352PCM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）011100011011001100PCM输出53/809/13/202353PCM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54/809/13/202354通信系统例子——电话系统公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端数据传输率：104b/s-干线数据传输率：1010b/s-总体误码率：<10-5

-通信干线采取光纤或微波数字传输系统。优点：犯错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护轻易55/809/13/202355组成：当地回路、交换局、干线端局端局长途局中心局长途局当地回路准长途干线高带宽长途干线准长途干线当地回路光纤、微波、同轴双绞线双绞线56/809/13/202356当地回路编码解码器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（当地回路）模拟线路（当地回路）●绝大多数为模拟线路●计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过屡次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字57/809/13/202357•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58/809/13/202358复用类型FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时分复用)59/809/13/2023591.频分复用FrequencyDivisionMultiplexingCH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适合用于模拟信号传输

60/809/13/2023602.波分复用WaveDivisionMultiplexingF2F1F3光谱F1F2F3共享光纤光谱

光纤2光纤3光纤1共享光纤

采取无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。61/809/13/2023613.时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：把时间分割成小时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。

A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适合用于数字信号传输

时间片62/809/13/202362统计(异步)TDM——STDMABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同时TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽TDM缺点：某用户无数据发送，其它用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。63/809/13/202363数字载波标准T-标准北美、日本E-标准欧洲、中国、南美用数字信号传输语音和数据时分复用标准。64/809/13/202364每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（供32个用户轮番使用）。每通道占用125us/32=3.90625us每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制位占用0.48828125us，所以

E1速率=1/0.48828125=2.048Mb/s

E1标准也能够这么计算E1速率E1速率=(32x8bit)/125ms=2.048Mb/s65/809/13/202365E1-帧格式0121631125ms=32时隙=2.048Mbps帧同时信令信道30路话音数据信道+2路控制信道66/809/13/2023662.6交换技术为降低通信线路造价，大型网络主要采取部分连接拓扑结构。两个端节点之间通信连接普通都要经过中间节点转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。

实现交换方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。

67/809/13/202367电路交换交换设备在通信双方找出一条实际物理线路过程。(最早电路交换连接是由电话接线员经过插塞建立，现在则由计算机化程控交换机实现。)特点：数据传输前需要建立一条端到端通路。

呼叫——建立连接——传输——挂断

优缺点：建立连接时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。68/809/13/202368报文交换整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到报文先存放，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目标地。这种数据传输技术称为存放-转发。缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存放转发延时过长；3）犯错后整个报文全部重发。69/809/13/202369分组交换（包交换）将报文划分为若干个大小相等分组(Packet)进行存放转发。优点：1）存放量要求较小，能够用内存来缓冲分组——速度快；2）转发延时小——适合用于交互式通信；3）某个分组犯错仅重发该分组——效率高；4）各分组可经过不一样路径传输，可靠性高。特点：1）数据传输前不需要建立一条端到端通路。2）有强大纠错机制、流量控制和路由选择功效。70/809/13/202370三种交换方式事件次序呼叫请求呼叫应答数据ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换报文交换分组交换71/809/13/202371异步传输模式ATMATM是一个高速分组交换技术，采取了以信元（cell）为单位存放转发方式，故又称为信元交换。ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定数据块，并在各数据块前装配地址、优先级等控制信息组成信元。信元由信元头部和有效载荷组成：信元头部有效载荷5B48B72/809/13/202372在ATM网络中，空信元以一定速率出现，发送站只要取得空信元即可插入信息发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。ATM特点：1)面向连接（虚连接），按序递交；2)固定大小信元，便于高速处理（可用硬件实现），传输速率≥622Mb/s；3)QoS特征确保了ATM能够实时地传送语音和活动图像。123456数据块信元流73/809/13/2023732.7差错控制产生差错原因：1）信道电气特征引发信号幅度、频率、相位畸变；2）信号反射；3）串扰；4）闪电、大功率电机启停等。线路传输差错是不可防止，但要尽可能减小其影响。74/809/13/202374基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，通知是否正确接收。差错检测主要有两种方法：1.奇偶校验（ParityChecking）在原始数据字节最高位增加一个附加比特位，使结果中1个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加位称为奇偶校验位。

例：原始数据=1100010，采取偶校验。则增加校验位后数据为11100010若接收方