第2章 數(shù)據通信基礎知識

1、第2章數(shù)據通信基礎知識 2 學習目標學習目標 信號分類：模擬信號和數(shù)字信號 通信分類：模擬通信和數(shù)字通信 數(shù)據傳輸率及其表示 多路復用技術：頻分、時分、波分 數(shù)據交換技術：電路、報文、分組 調制解調器:（modem） 3 本講主要內容本講主要內容 基本概念基本概念 數(shù)據通信理論數(shù)據通信理論 多路復用多路復用 數(shù)據交換技術數(shù)據交換技術 傳輸介質傳輸介質 調制解調器調制解調器 4 基本通信理論基本通信理論 信號：攜帶信息的傳輸介質。信號：攜帶信息的傳輸介質。 信道信道：傳輸信息的通道，分為物理信道和邏輯通道。 數(shù)據在信道中是以電信號的形式傳送的，電信號分為模擬信 號和數(shù)字信號兩種。 模擬信號模擬信

2、號是連續(xù)變化的電壓或電流波形,如語音。 數(shù)字信號數(shù)字信號是離散的，在幅值上經過量化的一系列表示數(shù)字 “0”或“1”的電脈沖（碼元）。 數(shù)字信號與模擬信號傳輸相比，其傳輸?shù)馁|量高，是今后數(shù)字信號與模擬信號傳輸相比，其傳輸?shù)馁|量高，是今后 數(shù)據通信的發(fā)展方向，通過調制解調器兩者可以相互轉化。數(shù)據通信的發(fā)展方向，通過調制解調器兩者可以相互轉化。 l碼元：信號的編碼單元簡稱碼元。當碼元長度為一個字節(jié)時， 碼元是對傳輸?shù)拿恳晃坏慕y(tǒng)稱，常稱作位或比特。 l數(shù)據：模擬數(shù)據和數(shù)字數(shù)據。 l模擬數(shù)據：在時間和幅度取值上都是連續(xù)的，其電平隨時間連 續(xù)變化。如語音等。 l數(shù)字數(shù)據：時間上是離散的，幅值是經過量化的，

3、是由0,1的二 進制代碼組成的數(shù)字序列。 l調制：將數(shù)字信號轉化為模擬信號的過程； l解調：將模擬信號還原為數(shù)字信號的過程； l調制解調器：完成上述調制和解調工作的設備。 5 數(shù)據通信系統(tǒng)的模型數(shù)據通信系統(tǒng)的模型 完整的數(shù)據通信系統(tǒng)，分為以下幾個部分：數(shù)據終端 設備，通信控制器，通信信道，信號變換器等。 通信信號：分為模擬信號和數(shù)字信號。 模擬信號：語音或計算機數(shù)字數(shù)據為模擬信號。 數(shù)據通信分為模擬數(shù)據通信和數(shù)字數(shù)據通信兩種。 模擬數(shù)據通信：用于傳輸模擬數(shù)據或數(shù)字數(shù)據對應的模擬信號； 數(shù)字數(shù)據通信：直接利用數(shù)字傳輸技術在數(shù)字設備間傳輸數(shù)字數(shù) 據或模擬數(shù)據對應的數(shù)字信號。如計算機與其外設間，計算

4、機 網絡間，以及北美歐洲和我過的電話系統(tǒng)都是數(shù)字數(shù)據通信。 6 接收器 信源終 端設備 發(fā)送器 通信信通信信 道道 信宿終 端設備 7 數(shù)據通信中的幾個主要指標數(shù)據通信中的幾個主要指標 1.1.帶寬帶寬 信號占據的頻率范圍(Hz)，稱為信號的帶寬。 信道帶寬是指在該通信線路上能不失真地傳送信 號的頻率范圍。 2.2.信號傳輸速率信號傳輸速率 信號速率：單位時間里傳送信號波形的個數(shù)，單 位為波特（baud） 。 注意：帶寬為注意：帶寬為B B的信道，要輸出數(shù)字信號，其采的信道，要輸出數(shù)字信號，其采 樣速度最高為樣速度最高為2B2B即可（高于此則無意義）。即可（高于此則無意義）。 8 數(shù)據通信中的

5、幾個主要指標數(shù)據通信中的幾個主要指標 3.3.數(shù)據傳輸率數(shù)據傳輸率 數(shù)據傳輸率：比特率，單位時間里傳送二進制數(shù)據傳輸率：比特率，單位時間里傳送二進制 數(shù)據的位數(shù)，單位數(shù)據的位數(shù)，單位b/sb/s、Kb/sKb/s、Mb/sMb/s，簡寫為，簡寫為 bpsbps、KbpsKbps、MbpsMbps。 數(shù)據傳輸率和信號傳輸速率的關系：數(shù)據傳輸率和信號傳輸速率的關系： S=2BlogS=2Blog2 2N N S :S :數(shù)據傳輸率，數(shù)據傳輸率， B :B :信號傳輸速率，信號傳輸速率，N :N :電平個數(shù)電平個數(shù). . 9 電平變化電平變化 00 1 1 00 01 10 11 000 010 1

6、00 111 10 4.4.信道容量信道容量 信道容量用來表征一個信道傳輸數(shù)字信號的信道容量用來表征一個信道傳輸數(shù)字信號的 能力，它以數(shù)據傳輸速率作為指標，即信道所能能力，它以數(shù)據傳輸速率作為指標，即信道所能 支持的最大數(shù)據傳輸速率。支持的最大數(shù)據傳輸速率。NyquistNyquist定理指出理定理指出理 想信道的容量為：想信道的容量為： Rmax=2BlogRmax=2Blog2 2N N（bpsbps） N N 最大數(shù)據率最大數(shù)據率 (C) (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps 話音級線路的信道容話音級線路的信道容 量計算量

7、計算 (3000 Hz) 數(shù)據通信中的幾個主要指標數(shù)據通信中的幾個主要指標 11 1942年，Nyquist證明：如果一個任意信 號通過帶寬為B的理想低通濾波器，若每秒取樣 2B次，就可完整地重現(xiàn)該濾波信號。在理想的 條件下(即無噪聲),有限帶寬為B的信道，其最大 的數(shù)據傳輸速率C(信道容量)為: Cmax=2Blog2N（bps） 也稱奈奎斯特(Nyquist)定理或取樣定理，其中N 是離散性信號或電平的個數(shù)。 奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)定理定理 12 例1 對一個無噪聲的3000Hz信道，若傳送 二進制信號，試問可允許的數(shù)據傳輸速率是多 少？ 解：由于傳送的二進制信號是“1”、“0

8、” 兩個電平，所以N=2;又因為B=3000Hz，則 信 道 容 量 ， 即 數(shù) 據 傳 輸 速 率 為 R=2Blog2N=6000(b/s)。 舉例舉例 13 例2 一個無噪聲的話音帶寬為4000Hz， 采用8相調制解調器傳送二進制信號，試 問信道容量是多少？ 解 由于8相調制解調器傳送二進制信號的離 散信號數(shù)為8，即N=8，則信道容量，即數(shù)據 傳輸速率R=2Blog2N=24000log28=24k （bps）。 舉例舉例 14 有噪聲信道容量有噪聲信道容量（ShannonShannon定理）定理） R Rmax max=Blog =Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（bpsbp

9、s） S/N S/N （信號功率信號功率/ /噪聲功率噪聲功率）信噪比（）信噪比（dBdB分貝）分貝） 信噪比通常不用絕對值表示，而是信噪比通常不用絕對值表示，而是10log10log10 10S/N S/N表示，表示， 單位是分貝（單位是分貝（dBdB）。）。 對于對于S/NS/N1010的信道，的信道，稱其稱其信噪比為信噪比為10 dB10 dB； 同理，同理， S/NS/N100100的信道，的信道，稱其稱其信噪比為信噪比為20 dB20 dB； Shannon定理定理 15 5.5.誤碼率誤碼率 傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例，傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例， 是衡量數(shù)據通

10、信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠是衡量數(shù)據通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠 性的指標。性的指標。 誤碼率誤碼率= =傳錯的位數(shù)傳錯的位數(shù)/ /傳送的總位數(shù)傳送的總位數(shù) Pe= Ne / NPe= Ne / N 數(shù)據通信中的幾個主要指標數(shù)據通信中的幾個主要指標 數(shù)據信息的調制與編碼數(shù)據信息的調制與編碼 調制作用：使得無線傳輸時高頻調制信號易于輻射 ，便于頻分多路傳輸，提高線路利用率。 調制：用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制 ，使得這些參量隨基帶信號變換。 載波信號的3個特征：振幅，頻率和相位。 調制技術分為：振幅調制，頻率調制，相位調制和 多重調制。 16 l編碼：將模擬數(shù)據或數(shù)字數(shù)據轉換成

11、數(shù)字信 號，以便通過數(shù)字通信介質傳輸后，在接收 端數(shù)字信號通過譯碼能變成原來形式。 l編碼分為3種形式：信源編碼；信道編碼和保 密編碼。 17 18 調制技術調制技術 19 三種調制方式三種調制方式 (1)幅度調制幅度調制(AM，Amplitude Modulation)：簡稱 調幅；使載波幅度隨原始的模擬數(shù)據(即調制信號)的幅 度變化，而載波的頻率不變 (3)相位調制相位調制(PM，Phase Modulation)：簡稱調相； 使載波相位隨原始的模擬數(shù)據的幅度變化，而載波的 幅度不變。 (2)頻率調制頻率調制( (FM，F(xiàn)requency Modulation)：簡稱 調頻；使載波頻率隨原

12、始的模擬數(shù)據的幅度變化，而 載波的幅度不變。 ASK-Amplitude-Shift Keying(幅移鍵控幅移鍵控) 20 模擬傳輸和數(shù)字傳輸模擬傳輸和數(shù)字傳輸 話音話音 電話電話 模擬模擬 模擬數(shù)據模擬數(shù)據,模擬信號模擬信號 數(shù)字數(shù)字 Modem 模擬模擬 數(shù)字數(shù)據，模擬信號數(shù)字數(shù)據，模擬信號 數(shù)字數(shù)字 數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸 數(shù)字數(shù)字 數(shù)字數(shù)據，數(shù)字信號數(shù)字數(shù)據，數(shù)字信號 模擬模擬 CODEC 數(shù)字數(shù)字 模擬數(shù)據，數(shù)字信號模擬數(shù)據，數(shù)字信號 21 脈沖數(shù)字調制脈沖數(shù)字調制 采樣電路采樣電路量化和比較量化和比較 22 l采樣信號：基于采樣信號：基于nyquistnyquist理論理論 脈沖編碼調

13、制（脈沖編碼調制（PCM） 23 PCM 轉化過程轉化過程 BA C D 采樣電路采樣電路量化和比較量化和比較 24 網絡通信系統(tǒng)設計的幾個基本問題網絡通信系統(tǒng)設計的幾個基本問題 l數(shù)據傳輸類型數(shù)據傳輸類型 模擬通信模擬通信 和和 數(shù)字通信數(shù)字通信 l數(shù)據通信方式數(shù)據通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 單工通信、半雙工或全雙工通信單工通信、半雙工或全雙工通信 l同步方式同步方式 同步通信同步通信 異步通信異步通信 25 并行通信用于距離較近、串行通信用于距離較遠時并行通信用于距離較近、串行通信用于距離較遠時 并行通信與串行通信并行通信與串行通信 并行傳輸并行傳輸：至少同時傳送8個數(shù)

14、據位。接收設備在收到這 些數(shù)據后，不需經過任何改變就可以直接使用。計算機內 部的總線數(shù)據傳送通常都是以并行方式進行傳輸?shù)摹?串行傳輸串行傳輸：每次由源地傳到目的地的數(shù)據只有一位，串行 數(shù)據傳輸?shù)膫鬏斔俣纫炔⑿袀鬏斅?，但實際應用中往往 選擇串行數(shù)據傳輸，這是因為實現(xiàn)串行數(shù)據傳輸?shù)挠布?有經濟性和實用性。 26 串行通信與并行通信串行通信與并行通信 發(fā)送端接收端 串行通信信道 (a) 發(fā)送端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b7b6b5b4b3b2b1b0 接收端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 并 行 通 信 信 道 (b) 27 通信線路的通信方式通信線路的

15、通信方式 1. 1. 單工通信單工通信 2. 2. 半雙工通信半雙工通信 3. 3. 全雙工通信全雙工通信 28 單工、半雙工與全雙工通信單工、半雙工與全雙工通信 發(fā)送接收單向通道 雙向通道 雙向通道 (a) (b) (c) 發(fā)送 接收 發(fā)送 接收 接收 發(fā)送 接收 發(fā)送 29 同步通信與異步通信同步通信與異步通信 同步就是接收端按發(fā)送端發(fā)送的每個碼元的起止時 間及重復頻率來接收數(shù)據，并且要校準自己的時鐘 以便與發(fā)送端的發(fā)送取得一致，實現(xiàn)同步接收。 數(shù)據傳輸?shù)耐椒绞揭话惴譃槲煌轿煌?識別每一 位的開始和結束)、字符同步字符同步(識別每一個字符或一幀 數(shù)據的開始和結束)、幀同步幀同步(數(shù)據

16、和控制信息按一定 的幀結構傳輸) 30 同步通信與異步通信同步通信與異步通信 異步通信中，發(fā)送端可以在任意時刻發(fā)送字符，字 符之間的間隔時間可以任意變化。該方法是將字符 看作一個獨立的傳送單元，在每個字符的前后前后各加 入13位信息作為字符的開始和結束標志位，以便 在每一個字符開始時接收端和發(fā)送端同步一次，從 而在一串比特流中可以把每個字符識別出來。 31 同步通信與異步通信同步通信與異步通信 SYNSYN. 一個或多個 SYN字符 控制字符數(shù)據字符控制字符 終止位 (邏輯 “0”) 起始位 (邏輯 “1”) t b0b1b2b3b4b5b6 字節(jié)5字節(jié)4字節(jié)3 字節(jié)2字節(jié)1 32 數(shù)據的同步

17、技術數(shù)據的同步技術 同步定義 通信中，接收端要校準自己的時間和重 復頻率，以便和發(fā)送端保持一致的過程。 同步方式分為：異步式和同步式。 異步式（起止同步）：把各個字符分開傳輸，字符之間插 入同步信息，在傳輸?shù)淖址鹗荚O置起始位，在結束位設 置終止位； 同步式：采用同步字符保證收發(fā)兩端始終保持同步，中間 無間斷時間，不傳送數(shù)據時線路上為全1或特定代碼，傳 輸開始時用同步字符 SYN是雙方進入同步，當搜索到兩個 以上SYN字符時，接收端開始接收信息 33 多路復用技術多路復用技術 定義 復用就是共享使用公共信道； 作用 采用多路復用技術，可以將多路信號組合在一 條物理信道上進行傳輸，到接收端再用專

18、門的 設備將各路信號分離開來，極大地提高了通信 線路的利用率。 34 多路復用的基本概念多路復用的基本概念 多 路 譯 碼 器 35 lFDM (頻分復用) lWDM (波分復用) lTDM (時分復用) lCDMA (碼分多址) DEMUX 共享信道 MUX 復用技術主要有以下四類復用技術主要有以下四類 復用技術的分類復用技術的分類 36 頻分多路復用頻分多路復用 當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，把傳輸頻帶分成若干 窄的頻帶，每個窄頻帶構成一個子信道，每個子信道用來傳 輸一路信號，這就是頻分多路復用（Frequency Division Multiplexing,FDM)。 頻分多路復用適

19、用于模擬信號，例如將其用于電話系統(tǒng)， 同一對雙絞線可用頻分多路復用技術傳輸24路電話信號。 CH2 CH1 CH3 原始帶寬原始帶寬 CH1 CH2 CH3 頻分后帶寬頻分后帶寬 MUX CH1 CH2 CH3 帶寬復用帶寬復用 f 37 時分多路復用時分多路復用 當信道能達到的數(shù)據傳輸率大于各路信號的 數(shù)據傳輸率總和時，將物理信道按時間分成時 間片，輪流分配給多個信源使用，每一路信號 只能在自己的時間片內獨占信道進行傳輸，這 就 是 時 分 多 路 復 用 ( T i m e D i v i s i o n Multiplexing, TDM)。 在目的端通過采用定時脈沖分別對各路時隙序 列

20、定時掃描電路，即可將各路數(shù)據分離開來。 38 A2 A1 A3 原始信號原始信號 D2 D1 D3 數(shù)字化信號數(shù)字化信號 MUX 復用后數(shù)據復用后數(shù)據 時隙時隙 1234 D3D2D1 時分多路復用時分多路復用 39 統(tǒng)計統(tǒng)計TDM與同步與同步TDM比較比較 A B C D 待發(fā)數(shù)據待發(fā)數(shù)據 t1 t2 t3 A1B1C1D1C2D2A2B2 周期周期1 周期周期2 同步同步 TDM 帶寬浪費帶寬浪費 A1B1C2B2 周期周期1周期周期2 統(tǒng)計統(tǒng)計TDM 可用帶寬 40 數(shù)字載波標準數(shù)字載波標準 北美、日本 歐洲、中國、南美 帶寬4kHz的電話信號，每秒采樣為8000次不 失真地恢復話音信息

21、脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation PCM） 若每個采樣點用8位，則1路電話所需數(shù)據傳輸 率：8800064Kbps 24路電話則要24個采樣值； 41 波分多路復用波分多路復用 F1 42 棱柱棱柱/ /衍射光柵衍射光柵 F2 F3 光譜光譜 F1F2F3 共享光纖的光譜共享光纖的光譜 光纖光纖2 2 光纖光纖3 3 光纖光纖1 1 共享光纖共享光纖 F1 光纖波分復用示意圖光纖波分復用示意圖 采用無源設備，更可靠采用無源設備，更可靠 波分多路復用波分多路復用 43 碼分多址（碼分多址（ CDMA） 44 網絡傳輸介質網絡傳輸介質 45 網絡傳輸介質網絡傳輸介質 46

22、網絡傳輸介質網絡傳輸介質 47 網絡傳輸介質網絡傳輸介質 48 網絡傳輸介質網絡傳輸介質 49 l電路交換電路交換：電路交換是在通信的雙方之間建 立一條實際的物理通路，并且在整個通信過 程中，這條通路被獨占。 數(shù)據交換技術數(shù)據交換技術 通信子網由傳輸線路和中間節(jié)點組成，當信源 和信宿間沒有線路直接相連時，信源發(fā)出的數(shù)據先 到達與之相連的中間節(jié)點，再從該中間節(jié)點傳到下 一個中間節(jié)點，直至到信宿，這個過程稱為交換交換。 交換分為三種：電路交換、分組交換和報文交換。 50 數(shù)據交換技術數(shù)據交換技術 l報文交換報文交換：發(fā)送方先把待傳送的信息分為多 個報文正文，在報文正文上附加發(fā)、收站地 址及其他控制

23、信息，形成一分完整的報文， 以報文為單位在交換網絡的各節(jié)點間傳送。 l分組交換分組交換：將一個大報文分割成一定長度的 分組，以分組為單位存儲轉發(fā)，在接收端再 將各分組重新組裝成一個完整的報文 51 電路交換的基本框架電路交換的基本框架 話機 A A 終端設備 Modem 調制解調器 電話網 或 CSPDN Modem 調制解調器傳輸系統(tǒng) 交換機交換機 話機 B B 52 包括呼叫建立呼叫建立、信息傳送信息傳送、連接釋放連接釋放三個階段 電路交換的過程電路交換的過程 1) 呼叫建立階段呼叫建立階段 主叫(Calling Party)用戶取機，聽撥號音，撥 被叫(Called Party)號碼。若

24、被叫用戶不在同一個交 換局，則A局(本地局)向B局(中轉局)發(fā)送占用信號， 轉接被叫號碼，再由B局轉發(fā)到C局(遠端局)。最終 C局按被叫號碼向被叫發(fā)送振鈴信號。當被叫用戶取 機后，C局接收應答信號，然后通知各局加以連接。 53 2)通信階段通信階段 此時始終在主叫與被叫用戶間保持這一條物理連接。 3) 連接釋放階段連接釋放階段 當主叫或被叫任一方掛機，局間互送正向或 反向拆線信號，經證實后釋放連接。 電路交換的過程電路交換的過程 54 電路交換的基本處理過程電路交換的基本處理過程 主叫用戶 A局 B局 C局 被叫用戶 撥號音 撥號 占用信號 占用信號 振鈴 取機 通話(信息傳送) 被叫掛機 反

25、向拆線信號 主叫掛機 正向拆線信號 掛機 正向證實信號 呼叫建立 連接釋放 回鈴音 掛機 55 優(yōu)點：優(yōu)點： 1、電路交換是一種實時交換，傳輸延遲小 2、主、被叫用戶間建立端-端連接，共享信道 電路交換的主要特點電路交換的主要特點 缺點：缺點： 1、建立物理線路時間比較長，不適合的 傳輸； 2、預分配帶寬，即使無信息傳送也虛占電路，帶 寬不能為其它用戶占用 56 報文交換報文交換(Message Switch) 不事先建立連接， 當發(fā)送方有數(shù)據發(fā)送時，它將數(shù)據做為一個整體交 給中間交換設備，中間交換設備先將報文存儲存儲起來， 然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據轉發(fā)轉發(fā)給下一 交換設備，循環(huán)往復

26、直，到數(shù)據到達目的地。 專業(yè)說法專業(yè)說法：在報文交換節(jié)點接收一份份報文，予以 存儲存儲，再按報文的報頭(內含收報人地址、流水號等) 進行轉發(fā)轉發(fā)。 報文交換報文交換 57 報文交換的基本處理過程報文交換的基本處理過程 58 報文交換的優(yōu)缺點報文交換的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 線路利用率高；不需要同時啟動發(fā)送器 和接收器來傳輸數(shù)據，網絡可暫存；通信量大時 仍可接收報文，但傳輸延遲會增加；一份報文可 發(fā)往多個目的地；交換網絡可對報文進行速度和 代碼等的轉換。 缺點：中間節(jié)點必須具備很大的存儲空間；大報 文的傳輸，增加小報文在網絡種的延遲時間；當信 道誤碼率高時，頻繁重發(fā)。 59 報文和報文分組結構報文和報文分組結構 l由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且 重傳花費的時間較少； l限定分組最大數(shù)據長度，有利于提高存儲轉發(fā)結點 的存儲