数据通信与计算机网络技术答案

数据通信基础数据通信与计算机网络技术1第2章

数据通信基础2数据通信基础主要学习内容:数据通信系统组成数据通信的基本概念数据编码技术数据通信的基本方式多路复用技术数据交换方式差错检验和控制2.1

数据通信的基本概念3数据通信基础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。2.1

数据通信的基本概念雪六角形凉白色信息4数据通信基础数据信号例子2.1

数据通信的基本概念5数据通信基础信息: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源点发送器调制解调器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接收器终点输出数据输出信息PC机6数据通信基础2.1

数据通信的基本概念7数据通信基础2.1.2信号与信号传输两种不同类型的量:时间、温度、电波、声音信号中没有断开或不连续的的地方；字符，二进制数，电脉冲信号仅取一些有限数目的值；2.1

数据通信的基本概念8数据通信基础模拟: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2.1

数据通信的基本概念（a）模拟信号（b）数字信号9数据通信基础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数据通信基础2.1

数据通信的基本概念11数据通信基础2.1.3基本概念和术语数据传输速率——bps(bit

per

second)用C表示信号传输速率——波特（Baud）用B表示两者关系——C=B×log

n2n是调制电平数信道(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312数据通信基础码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲:用于码元的同步定时，识别码元的开始波特率(Baud):每秒传送的码元数(即信号传送速率)。1Baud=（1/log2M）bps13数据通信基础其中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）。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0 1 0 0 0 0 0 1t14数据通信基础基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号15数据通信基础 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。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16数据通信基础实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)信道的极限信息传输速率17数据通信基础

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

=

W

log2(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。香农公式表明18数据通信基础 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。2.1

数据通信的基本概念19数据通信基础带宽(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2.2

数据通信系统构成噪声数据通信系统模型20数据通信基础Aconductivemetalsuchascoppertransmitsdatausingelectriccurrent.Atransparentglassorplasticsuchasfiberopticcabletransmitsdatausinglightwaves.Wirelesstransmissionrequiresnophysicalmediabutreliesonelectromagneticwavessuchasthosefoundintelevisionandradiobroadcasts.Thistypeofmediaissuchasmicrowaveandsatellitetransmission.2.3

数据编码技术21数据通信基础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。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tt22数据通信基础a)模拟信号b)数字信号数据: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2.3数据编码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数据通信基础模拟传输和数字传输话音模拟传输模拟模拟模拟CODEC数字数字编码模拟数据,模拟信号数字数据,模拟信号数字数据,数字信号模拟数据,数字信号数字

数字101024数据通信基础数字1010ModemDecoderDemodulator数字信号模拟信号g(t)px(t)s(t)数字或模拟m(t)数字或模拟P—调制参数编码g(t)Encoder数字或模拟调制m(t)Modulator数字或模拟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数据通信基础2.3

数据编码技术26数据通信基础2.3.1数字数据用数字信号表示–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（Differential

ManchesterEncoding）1.数字数据的数字信号编码27数据通信基础不归零制(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。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-SynchroniCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。28数据通信基础差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercod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数据通信基础2.3

数据编码技术30数据通信基础2.数字数据用模拟信号表示31数据通信基础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ASK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)0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 032数据通信基础数据通信基础2.3

数据编码技术332.3

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（P34数据通信基础3.模拟数据的数字信号编码35数据通信基础奈奎斯特定理（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:采样——按一定间隔对语音信号进行采样量化——对每个样本舍入到量化级别上编码——对每个舍入后的样本进行编码模拟话音采样时钟PAM

信号PCM

信号采样电路量化和编码36数据通信基础数字化声音--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（Pulse

Coded

Modulation）信脉码调制信号）PCM转换过程举例3.23.92.83.41.24.2343314100原始信号PAM脉冲PCM脉冲（有量化误差）011

100

011

011

001011100011011001100PCM输出37数据通信基础PCM转换波形图CABCD模拟话音AB采样时钟PCM

信号PAM

信号采样电路

量化和编码38数据通信基础数字化声音D2.3

数据编码技术增量调制（DM

）39数据通信基础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数据通信基础单工: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:链路具有两条物理上独立的传输线路，或将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输41数据通信基础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数据通信基础2.4

数据通信的基本方式异步通信格式:43数据通信基础通信系统的例子——电话系统44数据通信基础公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelep-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45数据通信基础双绞线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:数字→模拟→数字→模拟→数字46数据通信基础 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数据通信基础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采样时刻还原后的数据t接收到的失真信号0

1

0

0

1

1

1

0

0t发送的基带信号t48数据通信基础调制解调器的作用49数据通信基础调制解调器(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。调制解调器的作用（续）50数据通信基础 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。调制解调器的速率51数据通信基础 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。产生量化噪声的地方经过A/D变化的地方）使用V.34调制解调器（33.6

kb/s）A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机

1交换机

2V.3433.6

kb/s调制解调器4/2V.3433.6

kb/s调制解调器产生量化噪声产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号D/A产生量化噪声用户环路模拟信号

BA/D52数据通信基础调制解调器使用异步通信方式53数据通信基础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。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数据通信基础E1的时分复用帧2.048

Mb/s传输线路CH31CH31CH0

CH1CH15

CH16

CH17CH0

CH1CH15

CH16

CH17…………时分复用帧…CH15CH16CH17CH30CH31

CH0…8

bitCH0

CH1

CH2t时分复用帧时分复用帧TT

=

125

ms15个话路15个话路55数据通信基础2.5

多路复用技术56数据通信基础多路复用技术: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）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57数据通信基础解复用器共享信道MUX2.5

多路复用技术复用类型58数据通信基础FDM(频分复用)WDM(波分复用)

TDM(时分复用)2.5信道复用技术59数据通信基础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。频分多路复用频率时间频率

5频率

4频率

3频率

2频率

160数据通信基础2.5

多路复用技术61数据通信基础频分多路复用（FDM-Frequency

Division

Multiplexing）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。应用:无线电广播,电视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数据通信基础时分多路复用频率时间A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧63数据通信基础频率时间A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧64数据通信基础频率时间A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧65数据通信基础频率时间A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧66数据通信基础时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDabdb

ca

bttt

②4个时分复用帧#1t

③④c

c①abc

ad

t时分复用#2#3#4用户67数据通信基础统计时分复用STDM用户ABCDabcdta

b

b

c

c

d

a

t3个STDM帧t

②③t④t①acb#1

#2#3统计时分复用68数据通信基础2.5

多路复用技术波分多路复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）应用:光缆线路69数据通信基础1550

nm1551

nm1552

nm1553

nm1554

nm1555

nm1556

nm1557

nm0123456701550

nm11551

nm21552

nm31553

nm41554

nm51555

nm61556

nm71557

nm波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。8 2.5

Gb/s1310

nm20

Gb/s复用器分用器EDFA120

km70数据通信基础码分复用CDM71数据通信基础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)。码片序列(chip

sequence)72数据通信基础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+CDMA的重要特点73数据通信基础 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。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数据通信基础码片序列的正交关系举例75数据通信基础令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1),向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。

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数据通信基础CDMA的工作原理数据码元比特1m

个码片10tS站的码片序列

StS站发送的信号

SxtT站发送的信号

Txt总的发送信号

Sx

+Txt规格化内积

S

Sxt规格化内积

S

Txt发送端接收端77数据通信基础2.6

交换技术2.6.1电路交换ABCD发送呼叫信号传输交换发送呼叫信号传输交换发送呼叫信号传输作出反应发送回应信号78数据通信基础2.6

交换技术2.6.1电路交换79数据通信基础特点:有通话的建立过程通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在2.6

交换技术2.6.2报文交换A80数据通信基础DCB发送报文传输等待-发送传输等待-发送传输数据通信基础2.6

交换技术2.7.2报文交换ABCD传输延迟特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术812.6

交换技术2.6.3分组交换82数据通信基础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数据通信基础2.6

交换技术84数据通信基础三种交换技术对比:对线路的利用率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2.6

交换技术85