數(shù)據通信與廣域網技術

數(shù)據通信與廣域網技術第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

第四節(jié)數(shù)據編碼技術模擬數(shù)據模擬信號放大器調制器模擬數(shù)據數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字數(shù)據模擬信號調制器數(shù)字數(shù)據數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器模擬的和數(shù)字的數(shù)據、信號第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)數(shù)據編碼技術1.數(shù)據編碼類型數(shù)字數(shù)據變模擬數(shù)據編碼變數(shù)字數(shù)據編碼振幅鍵控ASK移頻鍵控FSK移相鍵控PSK非歸零碼NRZ曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2模擬數(shù)據編碼方法振幅鍵控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）移頻鍵控（FSK,Frequency-ShiftKeying）移相鍵控（PSK,Phase-ShiftKeying）

第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三振幅鍵控移頻鍵控移相建控第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

010010ωωπ0πππ0ω2ω1ω2數(shù)據(a)ASK(b)FSK(c)PSKω2ω1ω1第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3數(shù)字數(shù)據編碼方法非歸零碼(NRZ,Non-ReturnZero)缺點：無法判斷一位的開始與結束，收發(fā)雙方不能保持同步。可能會存在直流分量。曼徹斯特(Manchester)編碼優(yōu)點：自含時鐘編碼，不含直流分量。缺點：效率低差分曼徹斯特(DifferenceManchester)編碼第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三01001011數(shù)據(a)非歸零碼同步時鐘(b)曼徹斯特編碼(c)差分曼徹斯特編碼第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4脈沖編碼調制方法數(shù)字信號傳輸失真小、誤碼率低、傳輸速率快。如何將模擬數(shù)據數(shù)字化？脈沖編碼調制(PCM,PulseCodeModulation)是模擬信號數(shù)字化的主要方法。第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三脈沖編碼調制的基本操作為采樣量化編碼第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.27≈0.30.62≈0.61.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1(a)樣本量化級二進制編碼編碼信號0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第五節(jié)基帶傳輸技術1基帶傳輸?shù)亩x

在數(shù)據通信中，表示計算機二進制的比特序列的數(shù)字數(shù)據信號是典型的矩形脈沖信號;矩形脈沖信號的固有頻帶稱做基本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號;在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸;第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據經過編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐盘枺缏鼜厮固鼐幋a或差分曼徹斯特編碼信號;在接收端由解碼器恢復成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號;基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據傳輸方式。

第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.帶寬與數(shù)據傳輸速率“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據傳輸速率”的同義語。數(shù)據傳輸速率是描述數(shù)據傳輸系統(tǒng)的重要技術指標；數(shù)據傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸構成數(shù)據代碼的二進制比特數(shù)，單位為比特/秒，記做bps。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三常用的數(shù)據傳輸速率單位更常用的數(shù)據傳輸速率單位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）請注意：在計算機界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字信號流隨時間的變化在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s時間每秒

4

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個比特0.25s帶寬為4Mb/s第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第六節(jié)頻帶傳輸?shù)幕靖拍?.頻帶傳輸?shù)亩x

利用模擬信道傳輸數(shù)據信號的方法叫頻帶傳輸。

調制解調器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設備。第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

2調制解調器的基本工作原理在發(fā)送端將計算機中的數(shù)字信號轉換成能在電話線上傳輸?shù)哪M信號；在接收端將從電話線路上接收到的模擬信號還原成數(shù)字信號。調制解調器PC機公用電話網調制解調器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文PC機第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

第一節(jié)：數(shù)據通信的基本概念第二節(jié)：傳輸介質及其主要特性第三節(jié)：無線與衛(wèi)星通信技術

第四節(jié)：數(shù)據編碼的類型和基本方法第五節(jié)：基帶傳輸?shù)幕靖拍?/p>

第六節(jié)：頻帶傳輸?shù)幕靖拍?/p>

第七節(jié)：廣域網中的數(shù)據交換技術的類型與工作原理

第八節(jié)：差錯控制方法第二章數(shù)據通信與廣域網技術第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第七節(jié)廣域網中的數(shù)據

交換技術的類型與工作原理數(shù)據通過通信子網的傳輸過程可以分為：線路(電路)交換與存儲轉發(fā)交換第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三1.線路交換

(CircuitExchanging)線路交換方式的工作原理結點A呼叫請求呼叫應答報文或報文分組應答釋放請求釋放應答線路建立數(shù)據傳輸線路釋放結點B結點C結點D主機H主機HAB第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三回顧一下電路交換的特點兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三更多的電話機互相連通5部電話機兩兩相連，需10對電線。N部電話機兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當電話機的數(shù)量很大時，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機數(shù)的平方成正比。

第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三使用交換機當電話機的數(shù)量增多時，就要使用交換機來完成全網的交換任務?！?/p>

交換機第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義是：轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三電路交換的特點電路交換的三個階段：建立連接通信釋放連接第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三電路交換舉例A和B通話經過四個交換機通話在A到B的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三電路交換舉例C和D通話只經過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三電路交換傳送計算機數(shù)據效率低計算機數(shù)據具有突發(fā)性。這導致通信線路的利用率很低。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2存儲轉發(fā)交換方式

存儲轉發(fā)交換方式與線路交換方式的主要區(qū)別：發(fā)送的數(shù)據與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數(shù)據單元（報文或報文分組）進入通信子網；通信子網中的結點是通信控制處理機，它負責完成數(shù)據單元的接收、差錯校驗、存儲、路選和轉發(fā)功能。

第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三存儲轉發(fā)方式的優(yōu)點由于通信子網中的通信控制處理機可以存儲分組，多個分組可以共享通信信道，線路利用率高；通信子網中通信控制處理機具有路選功能，可以動態(tài)選擇報文分組通過通信子網的最佳路徑；分組在通過通信子網中的每個通信控制處理機時，均要進行差錯檢查與糾錯處理，因此可以減少傳輸錯誤，提高系統(tǒng)可靠性；第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三存儲轉發(fā)交換方式分類：

數(shù)據通過通信子網傳輸時可以有報文（message）與報文分組（packet）兩種方式；報文傳輸(MessageExchanging，也叫報文交換)：不管發(fā)送數(shù)據的長度是多少，都把它當作一個邏輯單元發(fā)送；報文分組傳輸(PacketExchanging，也叫分組交換)：限制一次傳輸數(shù)據的最大長度，如果傳輸數(shù)據超過規(guī)定的最大長度，發(fā)送結點就將它分成多個報文分組發(fā)送。第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三報文和報文分組結構

由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且重發(fā)花費的時間較少；限定分組最大數(shù)據長度，有利于提高存儲轉發(fā)結點的存儲空間利用率與傳輸效率；公用數(shù)據網采用的是分組交換技術。第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

報文交換網絡的主要缺點：經過網絡時的延遲較長且不固定，不能滿足實時或交互式的通信要求。因此，這種方式不能用于聲音連接，也不適合交互式終端到計算機的連接。第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三分組交換(PacketExchanging)分組交換很像報文交換，所不同的是：在分組交換網絡中，數(shù)據被劃分成固定長度的分組(Packet)。第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三報文分組交換的原理（一）在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸?shù)谌?，共五十八頁，編輯?023年，星期三數(shù)據數(shù)據數(shù)據報文分組交換的原理（二）每一個數(shù)據段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三分組交換的原理（三）分組交換網以“分組”作為數(shù)據傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據首部分組

1數(shù)據首部分組

2數(shù)據首部分組

3第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三分組交換的原理（四）接收端收到分組后剝去首部還原成報文。數(shù)據首部分組

1數(shù)據首部分組

2數(shù)據首部分組

3收到的數(shù)據第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)據數(shù)據數(shù)據分組交換的原理（五）最后，在接收端把收到的數(shù)據恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉發(fā)時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三分組交換網的示意圖H1A分組交換網BDECH5H6H4H2H3H1向H5發(fā)送分組H2向H6發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結點交換機主機第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三注意分組的存儲轉發(fā)過程H1A分組交換網BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組結點交換機主機在結點交換機

A

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在結點交換機

C

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在結點交換機

E

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機

H5第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三注意結點交換機有多個端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路結點交換機123412341

2

3

412

3

41

2

3

4第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三結點交換機在結點交換機中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。結點交換機處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉發(fā)；把分組送到適當?shù)亩丝谵D發(fā)出去。

第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三主機和結點交換機的作用不同主機是為用戶進行信息處理的，并向網絡發(fā)送分組，從網絡接收分組。結點交換機對分組進行存儲轉發(fā)，最后把分組交付給目的主機。第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三分組交換的優(yōu)點高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬?？煽客晟频木W絡協(xié)議；自適應的路由選擇協(xié)議使網絡有很好的生存性。第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三分組交換帶來的問題分組在各結點存儲轉發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據傳送報文P2P1連接釋放第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第八節(jié)差錯控制方法1差錯產生的原因與差錯類型傳輸差錯是通過通信信道后接收的數(shù)據與發(fā)送數(shù)據不一致的現(xiàn)象;差錯控制是檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯，或隨機錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯（BurstError），或突發(fā)錯；在通信過程中產生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構成的。第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三傳輸差錯產生過程信源通信信道信宿數(shù)據噪聲數(shù)據+噪聲(a)001100111100011111000011000100010110011001010傳輸數(shù)據數(shù)據信號波形噪聲數(shù)據信號與噪聲信號疊加后的波形采樣時間接收數(shù)據原始數(shù)據出錯的位(b)第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2誤碼率的定義

誤碼率是指二進制碼元在數(shù)據傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它在數(shù)值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N為傳輸?shù)亩M制碼元總數(shù)，Ne為被傳錯的碼元數(shù)；誤碼率應該是衡量數(shù)據傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)之一；對于一個實際的數(shù)據傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據實際傳輸要求提出誤碼率要求；差錯的出現(xiàn)具有隨機性，在實際測量一個數(shù)據傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制比特數(shù)越大，才會越接近于真正的誤碼率值。

第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3檢錯碼與糾錯碼

糾錯碼：每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯。檢錯碼:分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息；接收端能夠發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪位是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。常用的方法有：奇偶校驗、循環(huán)冗余編碼（CRC,CyclicRedundancyCode)第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4.循環(huán)冗余編碼工作原理

發(fā)送方接收方發(fā)送數(shù)據f(x)生成多項式G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)實際發(fā)送:f(x)xk.+R(x)數(shù)據字段校驗字段f(x)R(x)發(fā)送數(shù)據f'(x)生成多項式G(x)R'(x)=R(x)接收正確R'(x)=R(x)接收出錯發(fā)送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)第五十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三CRC檢錯方法舉例

110011000011001G(x)1100110000110011001R(x)100001Q(x)f(x).xk110011發(fā)送數(shù)據比特序列CRC校驗碼比特序列1001帶CRC校驗碼的發(fā)送數(shù)據比特序列1100