網(wǎng)絡技術(第3章)

第3章數(shù)據(jù)通信技術曹晶第3章數(shù)據(jù)通信技術3.1概述3.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標3.3數(shù)據(jù)傳輸方式3.4調(diào)制解調(diào)技術3.5編碼技術3.6信道復用技術3.7寬帶接入技術3.8傳輸媒體3.1概述幾個概念：數(shù)據(jù)通信：經(jīng)計算機編碼后的二進制數(shù)字數(shù)據(jù)的通信技術。數(shù)據(jù)通信模型基帶傳輸方式：數(shù)字信號在數(shù)字信道上傳輸。編碼和解碼。頻帶傳輸方式：數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸。調(diào)制和解調(diào)。數(shù)據(jù)電路終接設備(DCE)：發(fā)送器和接收器的統(tǒng)稱。信源：產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。信宿：接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)終端設備(DTE)：信源和信宿的統(tǒng)稱。信號：數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，用它的特征參數(shù)表示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。信道：信號傳輸?shù)耐ǖ馈?.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標3.2.1數(shù)據(jù)傳輸速率和碼元傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬和吞吐量：數(shù)據(jù)傳輸速率，又稱比特率，是指每秒傳輸?shù)木幋a前的數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制比特數(shù)。單位為比特/秒（bps）。帶寬：帶寬是指信道上能夠正常通過模擬信號的頻率范圍。單位為赫茲（Hz）?；蛘咧笖?shù)字信道上最大數(shù)據(jù)傳輸速率。吞吐量：單位時間發(fā)送的比特數(shù)、字節(jié)數(shù)和分組數(shù)等來表示。碼元傳輸速率：單位為波特(baud)，又稱為波特率。是指每秒傳輸?shù)拇a元數(shù)。什么是碼元？一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元。3.2.1數(shù)據(jù)傳輸速率和碼元傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率與碼元傳輸速率的關系：多級編碼方式，獲得更高的傳輸速率，有多種碼元狀態(tài)。碼元狀態(tài)數(shù)M。數(shù)據(jù)傳輸速率C和碼元傳輸速率B，有如下關系：

C

=Blog2M3.2.1數(shù)據(jù)傳輸速率和碼元傳輸速率四級編碼的例子3.2.2時延和時延帶寬積時延：指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡（或一條鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。

時延由以下3部分組成：發(fā)送時延：節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時使數(shù)據(jù)塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間傳播時延：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。發(fā)送時延=數(shù)據(jù)塊長度（比特）數(shù)據(jù)傳輸速率（比特/秒）傳播時延=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）3.2.2時延和時延帶寬積轉(zhuǎn)發(fā)時延：指數(shù)據(jù)在交換結點等候發(fā)送而在緩存的隊列中排隊所經(jīng)歷的時延。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是以上三種時延之和：

總時延=發(fā)送時延+傳播時延+轉(zhuǎn)發(fā)時延往返時間RTT：在TCP中，RTT表示報文段從發(fā)送出去時刻到確認返回時刻這一段時間。時延帶寬積：時延帶寬積=傳播時延*帶寬（bit）時延帶寬積又稱為比特長度。3.2.3誤碼率和比特誤碼率誤碼率： Pe=傳錯的碼元數(shù)/傳輸?shù)拇a元總數(shù)比特誤碼率 Pb=傳錯的比特數(shù)/傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)3.2.4奈奎斯特準則和香農(nóng)定理奈奎斯特準則和香農(nóng)定理分別給出了無噪聲和有噪聲的情況下信道的極限傳輸能力，稱為信道容量。奈奎斯特準則：帶寬為WHz，無噪聲： 最大碼元傳輸速率：BMAX=2W

信道容量CMAX=2Wlog2M其中：M為碼元的狀態(tài)數(shù)香農(nóng)定理：帶寬為WHz，有噪聲：

CMAX=Wlog2(1+S/N)其中，S/N是信噪比，S是信號功率，N是噪音功率。例1普通電話線的帶寬約為3KHz,則其碼元速率極限為：例2若每個碼元可能取的離散值為16，則信道容量為：

Cmax=2*3k*log216=24（kb/s）例3信噪比為30dB，帶寬為3.1KHz的信道容量：

Cmax=3.1K*log2（1+1000）=3.1k×log2（1001）=3.1K*9.6≈31（kb/s）6KBaud信噪比S/N指信號中原有部分和由于設備自身、環(huán)境干擾等原因造成的噪聲的比例。信噪比的單位是dB，計算公式是：

S/N=10Lg（S/N）其中S是信號電平，N是噪聲電平。信噪比越大，說明系統(tǒng)的噪聲和信號的差距越大，系統(tǒng)的特性就越好。

30=10Lg(S/N)S/N=1030/10無量綱S/N信噪比S/N(dB)

3.3數(shù)據(jù)傳輸方式3.3.1單工、全雙工和半雙工傳輸單工傳輸：又稱為單向通信。單工通信是數(shù)據(jù)信號僅從A端傳送到B端，亦即信息流僅沿一個方向流動，發(fā)送端（發(fā)送設備）和接收端（接收設備）是固定的。全雙工傳輸：又稱為雙向同時通信。全雙工通信要使用全雙工信道，同一時刻能在兩站間的兩個方向傳輸數(shù)據(jù)信息。半雙工傳輸：又稱為雙向交替通信。半雙工通信是數(shù)據(jù)可以從A端傳送到B端，又可以由B端傳送到A端，但不能在兩個方向上同時傳輸。

3.3.2異步傳輸和同步傳輸串行通信：計算機網(wǎng)絡使用的通信技術。異步傳輸同步傳輸異步傳輸：以字符為單位進行數(shù)據(jù)傳輸，每一個字符前后各加一個起始位和一個停止位，實現(xiàn)字符同步，通信的雙方各自使用獨立的基準定位時鐘，并約定同樣的傳輸速率，以實現(xiàn)位同步，也稱起止式。3.3.2異步傳輸和同步傳輸同步傳輸同步傳輸方式中數(shù)據(jù)是以幀的較大的數(shù)據(jù)塊為單位進行傳送。同步傳輸使用特殊的標志進行幀同步，同步傳輸還必須進行嚴格的位同步，一般是內(nèi)同步方式：面向字符的同步傳輸方式。面向位的同步傳輸方式。3.3.3頻帶傳輸和基帶傳輸頻帶傳輸：也稱為寬帶傳輸。將數(shù)字數(shù)據(jù)模擬化，用數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制載波，將數(shù)字數(shù)據(jù)寄生在載波的某個參數(shù)上，借助于模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)?；鶐鬏斠詳?shù)字傳輸信號為載體在數(shù)字信道上傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)?；鶐鬏斣跀?shù)字數(shù)據(jù)傳輸前不需調(diào)制，但要對它進行線路編碼。3.4調(diào)制解調(diào)技術調(diào)制：使用一個正弦信號作為載波，用被傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)去調(diào)制它。有三個參數(shù)可調(diào)：幅值A、頻率f和相位。S(t)=A

sin(2ft+

)基本的調(diào)制方法也相應有幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。3.4.1幅移鍵控AmplitudeShiftKeying,ASK。又稱幅度調(diào)制。3.4.2頻移鍵控FrequencyShiftKeying,FSK。又稱頻率調(diào)制。3.4.3相移鍵控PhaseShiftKeying,PSK。又稱相位調(diào)制。3.4調(diào)制解調(diào)技術基本的調(diào)制方法3.4.4多級調(diào)制和幅相鍵控多級調(diào)制：級數(shù)（狀態(tài)數(shù)）為n的調(diào)制信號，可以表示log2n個二進制符號。多級幅移鍵控(MASK)、多級頻移鍵控(MFSK)和多級相移鍵控(MPSK)。調(diào)制信號在8PSK中攜帶了______個比特的數(shù)字數(shù)據(jù)。數(shù)字數(shù)據(jù)000001010011100101110111相位0°45°90°135°180°225°270°315°級數(shù)越多，數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸速率越高，解調(diào)的難度越大。為什么？log28=33.4.4多級調(diào)制和幅相鍵控幅相鍵控(APK)，由幅度和相位兩個參數(shù)進行復合多級調(diào)制，也稱正交幅度調(diào)制(QAM)。QAM不同的幅度和相位代表不同的編碼符號。因此，QAM星座圖中可以容納更多的星座點，即可實現(xiàn)更高的頻帶利用率。64QAM的星座圖3.5編碼技術3.5.1不歸零制編碼Non-ReturntoZero,NRZ，不歸零編碼用不同的電平信號表示數(shù)字0和1，這一電平信號要占滿整個碼元的寬度，中間不歸零。不歸零編碼存在一些嚴重的缺點：有時不容易判斷0和1；可能存在直流分量。3.5.2曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼：每一數(shù)據(jù)位的中間位置都有一個跳變，用跳變的相位表示數(shù)字0（正跳變）和1（負跳變）。曼徹斯特編碼方式帶來的好處：實現(xiàn)內(nèi)同步方式，又稱自帶時鐘碼。利用跳變的相位容易判斷出0和1。無直流分量。差分曼徹斯特編碼：每一數(shù)據(jù)位的中間也有一個跳變，但它只用來生成同步時鐘信號，而用每位開始是否有跳變來表示數(shù)字0（有跳變）和1（無跳變）。3.5編碼技術3.5.3mB/nB編碼（略）mB/nB(moutofn,m<n)把m比特的二進制數(shù)據(jù)塊，用n比特的二進制代碼塊來表示，稱為塊編碼。2m個數(shù)據(jù)碼是從2n個nB碼選出來的。使“0”

和“1”等概率，連續(xù)的“0”和“1”數(shù)目小。這樣，其頻譜低頻分量小、直流基線漂移小、頻率范圍較窄、時鐘成分豐富、定時提取方便。另外，除2m個數(shù)據(jù)碼外，總可有一些可以作控制碼的。mB/nB碼，編碼開銷增加了(n-m)/m*100%。3.5.3mB/nB編碼代表符號4B5B代表符號4B5B00000111108100010010100010100191001100112001010100A1010101103001110101B1011101114010001010C1100110105010101011D1101110116011001110E1110111007011101111F1111111014B/5B編碼的數(shù)據(jù)碼元對照情況3.5.4多級編碼M級編碼的碼元狀態(tài)數(shù)為M(M為2的整數(shù)次冪)，一個碼元可攜帶log2M個比特的數(shù)字信號。四級編碼的例子

3.6信道復用技術為了更有效地利用通信線路，可以在一個信道上同時傳輸多路信號，這就是信道復用技術或多路復用技術。采用信道復用技術能把多個信號組合起來在一條物理信道上同時進行傳輸，大大節(jié)約了電纜的安裝和維護費用。信道復用包括復合、傳輸和分離三個過程。常用的信道復用技術有：頻分復用FDM、時分復用TDM、波分復用WDM、碼分復用CDM等。

3.6信道復用技術3.6.1頻分復用頻分復用(FDM)用于模擬傳輸。3.6.2時分復用和統(tǒng)計時分復用時分復用(TDM)用于數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸。TDM將傳輸分成固定長度的幀(電話系統(tǒng)中幀長為125μs)，每個幀又劃分為若干個時隙，采用固定時隙分配方式。統(tǒng)計時分復用(STDM)按需要動態(tài)地分配時隙，時隙位置與數(shù)據(jù)源沒有固定的對應關系，可以充分利用TDM中的空閑時隙，但每一個時隙中必須加入地址字段。為什么STDM的每個時隙中要加入地址字段？3.6.2時分復用和統(tǒng)計時分復用(灰色為數(shù)據(jù)，黑色為地址，白色為空閑時隙)3.6.3準同步數(shù)字系列PDH準同步數(shù)字系列PDH和同步數(shù)字系列SDH，都是使用TDM技術的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，主要用于電話系統(tǒng)的數(shù)字干線，也可作為計算機網(wǎng)絡的底層傳輸網(wǎng)。兩類PDH：T系列和E系列。T系列(北美、日本采用)，將語音采樣間隔時間125μs分成24個時隙，每個時隙含8bit，再加上1bit幀同步，總共193bit構成一個基群幀。E系列（歐洲、中國采用），它將語音采樣間隔時間125μs分成32個時隙，每個時隙含8bit，總共256bit構成一個基群幀。3.6.3準同步數(shù)字系列PDH脈沖代碼調(diào)制(PCM)：模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化。處理過程有三個階段：采樣、量化和編碼。編碼解碼器每秒采樣8000次，即125μs/次。在電話TDM系統(tǒng)中幾乎所有的時間間隔都是以125μs為基數(shù)。TDM是把125μs長度的一幀分為若干個時隙，每個時隙安排多路話音信號。3.6.3準同步數(shù)字系列8比特*24通道+1=193比特數(shù)據(jù)傳輸速率：193比特÷125μs=1.544Mb/sT1的時分復用幀3.6.5波分復用波分復用(WDM)是在一根光纖上傳輸多路不同波長的光信號。WDM系統(tǒng)一般使用單模光纖1.55μm的波段，寬度0.2μm，帶寬可達24THz，如果波長間隔為1.6nm，一根光纖上可傳輸100多路光波。密集波分多路復用：同一個波段中通道間隔較小。稀疏波分復用：低成本的WDM，光波分布的更稀疏。3.7寬帶接入技術（略）3.7.1寬帶接入簡介計算機接入因特網(wǎng)主要使用二種有線接入方式：窄帶接入方式：PSTN撥號接入，ISDN接入。寬帶接入方式：數(shù)字用戶線xDSL，混合光纖同軸電纜網(wǎng)HFC，直接LAN，光纖到x(FTTx)。三網(wǎng)融合：電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)通過技術滲透，業(yè)務交叉融為一體。3.8傳輸媒體3.8傳輸媒體3.8.1雙絞線把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合起來就構成了雙絞線。無屏蔽雙絞線(UTP)。屏蔽雙絞線(STP)。

目前，局域網(wǎng)中常用到的雙絞線一般都是非屏蔽的電纜線。這些雙絞線的傳輸速率都能達到100Mbps。3.8傳輸媒體3.8.2同軸電纜由內(nèi)導體銅質(zhì)芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層所組成?；鶐S電纜：阻抗是50歐姆，又分為粗纜和細纜兩種，都用于直接傳輸數(shù)字信號。寬帶同軸電纜：阻抗是75歐姆，用于模擬傳輸系統(tǒng)，它是有線電視系統(tǒng)CATV中的標準傳輸電纜。3.8.3光纖光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈沖進行通信。光傳輸系統(tǒng)：光源、光纖和光敏元件接收裝置。實用的光纜由三個部分組成：芯子即光纖，包層和套管。幾根乃至數(shù)百根這樣的光纜常常合在一起，加上加強芯和填充物，最外面再加護套。光纖傳輸有損耗和衰減。光纖和銅線比較有很多優(yōu)點：高帶寬，衰減小，不受電磁干擾，難于竊聽。但價格昂貴。3.8.3光纖光在光纖中傳播的情況3.8.3光纖光在多模光纖MMF和單模光纖SMF中的傳輸3.8.4無線傳輸電磁波