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文檔簡介
1、1第第2章章 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識 本章內容 數據通信系統(tǒng)數據通信系統(tǒng) 基本概念基本概念 傳輸介質傳輸介質 數據編碼數據編碼 多路復用技術多路復用技術 數據交換技術數據交換技術 差錯控制差錯控制 數據通信性能指標數據通信性能指標22.1數據通信系統(tǒng)數據通信系統(tǒng) 源系統(tǒng)源系統(tǒng) 源點:源點設備產生通信網絡要傳輸的數據。 發(fā)送器:通常源點生成的數據要通過發(fā)送器編碼后才能夠在傳輸系統(tǒng)中進行傳輸。 目的系統(tǒng)目的系統(tǒng) 接收器:接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號,并將其轉換為能夠被目的設備處理的信息。 終點:終點設備從接收器獲取傳送來的信息。 傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng) 可以是簡單的物理通信線路 也可以是連接
2、源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的復雜網絡設備噪聲噪聲信源信源發(fā)送器發(fā)送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)3數據通信的基本過程數據通信的基本過程 5個階段個階段 包含兩項內容:包含兩項內容:數據傳輸數據傳輸和和通信控制通信控制 過程過程 與打電話比較與打電話比較 建立物理連接建立物理連接 撥號,撥通對方撥號,撥通對方 建立邏輯連接建立邏輯連接 互相確認身份互相確認身份 數據傳輸數據傳輸 互相通話互相通話 斷開邏輯連接斷開邏輯連接 互相確認要結束通話互相確認要結束通話 斷開物理連接斷開物理連接 雙方掛機雙方掛機*注意,并不是所有的數據通信都需要全部5個階段。42.2基本概念基本概念
3、數據與信號數據與信號 信道信道 通信方式通信方式 傳輸方式傳輸方式 同步方式同步方式52.2.1數據與信號數據與信號 數據(數據(Data)傳遞(攜帶)信息的實體。傳遞(攜帶)信息的實體。 信息(信息(Information)數據的內容或解釋。數據的內容或解釋。 信號(信號(Signal)數據的物理量編碼(通常為電編碼),數據以信號的形式在數據的物理量編碼(通常為電編碼),數據以信號的形式在介質中傳播介質中傳播6 模擬信號模擬信號 時間上連續(xù),包含無窮多個信號值時間上連續(xù),包含無窮多個信號值 數字信號數字信號 時間上離散,僅包含有限數目的信號值。最常時間上離散,僅包含有限數目的信號值。最常見的
4、是二值信號見的是二值信號ta) 模擬信號tb) 數字信號7 周期信號周期信號信號由不斷重復的固定模式組成(如正弦波)信號由不斷重復的固定模式組成(如正弦波) 非周期信號非周期信號信號沒有固定的模式和波形循環(huán)(如語音的音波信信號沒有固定的模式和波形循環(huán)(如語音的音波信號)。號)。tTTTtTTT周周期期信信號號非非周周期期信信號號tt8 信息編碼信息編碼:將信息用二進制數表示的方法將信息用二進制數表示的方法 例如:例如:ASCII編碼、編碼、BCD編碼等編碼等 數據編碼數據編碼:將數據用物理量表示的方法:將數據用物理量表示的方法 例如:字符例如:字符“A”的的ASCII編碼為編碼為0100000
5、1,其數,其數據編碼可能為據編碼可能為01000001t9 信息通過數據通信系統(tǒng)進行傳輸的過程信息通過數據通信系統(tǒng)進行傳輸的過程 把攜帶把攜帶信息信息的的數據數據用物理用物理信號信號形式通過信道傳送到目的地形式通過信道傳送到目的地 信息和數據(二進制位)不能直接在信道上傳輸信息和數據(二進制位)不能直接在信道上傳輸 編碼編碼:數據:數據適合傳輸的數字信號適合傳輸的數字信號便于同步、識別、糾錯便于同步、識別、糾錯 調制調制:數字信號:數字信號適合傳輸的形式適合傳輸的形式按頻率、幅度、相位按頻率、幅度、相位 解調解調:接收波形:接收波形數字信號數字信號 解碼解碼:數字信號:數字信號原始數據原始數據
6、信息信息數據數據信號信號在信道上傳輸在信道上傳輸信號信號數據數據信息信息數據編碼數據編碼調制調制解調解調數據解碼數據解碼01000001“A”01000001“A”信道信道信息編碼信息編碼信息解碼信息解碼10 不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有有4種情況:種情況:數據數據:模擬數據:模擬數據 數字數據數字數據信號信號:模擬信號:模擬信號 數字信號數字信號 信道信道:模擬信道:模擬信道 數字信道數字信道11 模擬傳輸和數字傳輸所使用的技術模擬傳輸和數字傳輸所使用的技術語音語音移頻移頻,調制調制模擬模擬數字數字模擬模擬模擬模擬PCM編碼編碼數字數字數字數字數
7、字編碼數字編碼數字數字模擬數據,模擬信號模擬數據,模擬信號數字數據,模擬信號數字數據,模擬信號數字數據,數字信號數字數據,數字信號模擬數據,數字信號模擬數據,數字信號10101010調制調制12 編碼與調制的區(qū)別編碼與調制的區(qū)別 編碼編碼:用數字信號承載數字或模擬數據:用數字信號承載數字或模擬數據 調制調制:用模擬信號承載數字或模擬數據:用模擬信號承載數字或模擬數據EncoderDecoder數字或數字或模擬數據模擬數據x(t)g(t)數字或數字或模擬數據模擬數據發(fā)送方發(fā)送方接收方接收方g(t)編碼編碼解碼解碼13數字或數字或模擬數據模擬數據ModulatorDemodulator數字或數字或
8、模擬數據模擬數據g(t)s(t)g(t)載波發(fā)送方發(fā)送方接收方接收方調制調制解調制解調制142.2.2 信道信道 信道(信道(Channel):傳送信息的線路(或通路):傳送信息的線路(或通路) 數字信道數字信道:以數字脈沖形式(離散信號)傳輸數據:以數字脈沖形式(離散信號)傳輸數據的信道的信道 計算機網絡中主要采用數字信道進行數據傳輸計算機網絡中主要采用數字信道進行數據傳輸 模擬信道模擬信道:以連續(xù)模擬信號形式傳輸數據的信道:以連續(xù)模擬信號形式傳輸數據的信道 有線電視有線電視 無線電廣播無線電廣播 電話撥號線路電話撥號線路15 數字通信與模擬通信數字通信與模擬通信 數字通信數字通信 在數字信
9、道上實現(xiàn)模擬信息或數字信息的傳輸在數字信道上實現(xiàn)模擬信息或數字信息的傳輸 模擬通信模擬通信 在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數字信息的傳輸在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數字信息的傳輸 數字通信的優(yōu)點數字通信的優(yōu)點 抗噪聲(干擾)能力強抗噪聲(干擾)能力強 可以控制差錯,提高了傳輸質量可以控制差錯,提高了傳輸質量 便于用計算機進行處理便于用計算機進行處理 易于加密、保密性強易于加密、保密性強 可以傳輸語音、數據、影像,通用、靈活可以傳輸語音、數據、影像,通用、靈活計算機通信僅在不得已的情況下,才會采用模擬計算機通信僅在不得已的情況下,才會采用模擬通信,如通過電話線撥號上網。通信,如通過電話線撥號上網。16
10、2.2.3 通信方式通信方式 單工單工數據單向傳輸數據單向傳輸(例:無線電廣播)(例:無線電廣播) 半雙工半雙工數據可以雙向交替?zhèn)鬏敚荒茉谕粫r刻雙向數據可以雙向交替?zhèn)鬏?,但不能在同一時刻雙向傳輸傳輸(例:對講機)(例:對講機) 全雙工全雙工數據可以雙向同時傳輸數據可以雙向同時傳輸(例:電話)(例:電話) 需要具有兩條物理上獨立的傳輸線路;需要具有兩條物理上獨立的傳輸線路; 或者需要具有一條物理線路上的兩個信道,分別用于或者需要具有一條物理線路上的兩個信道,分別用于不同方向的信號傳輸。不同方向的信號傳輸。17發(fā)送器發(fā)送器接收器接收器發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器發(fā)送器
11、發(fā)送器/接收器接收器發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器單工方式:單工方式:半雙工方式:半雙工方式:全雙工方式:全雙工方式:A站站B站站可同時不可同時18 基帶傳輸基帶傳輸:不需調制,編碼后的數字脈沖:不需調制,編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送。信號直接在信道上傳送。例如:以太網(局域網)例如:以太網(局域網) 頻帶傳輸頻帶傳輸:數字信號調制成音頻模擬信號:數字信號調制成音頻模擬信號后再傳送,接收方需要解調。后再傳送,接收方需要解調。例如:通過電話網絡傳輸數據例如:通過電話網絡傳輸數據 寬帶傳輸寬帶傳輸:把信號調制成頻帶為幾十:把信號調制成頻帶為幾十MHZ到幾百到幾百MHZ的模擬信號后再傳送,接收方
12、的模擬信號后再傳送,接收方需要解調。需要解調。例如:閉路電視的信號傳輸例如:閉路電視的信號傳輸2.2.4 傳輸方式傳輸方式19 同步的因素:同步的因素: 同步脈沖頻率同步脈沖頻率 數據從什么時候開始,什么時候結束數據從什么時候開始,什么時候結束 位邊界位邊界 數據塊邊界數據塊邊界 數據通信中需要在三個層次上實現(xiàn)同步:數據通信中需要在三個層次上實現(xiàn)同步: 位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 幀幀(Frame)幀同步幀同步 接收端要校準自己的時間和重復頻率,以便接收端要校準自己的時間和重復頻率,以便和發(fā)送端保持一致和發(fā)送端保持一致2.2.5 同步方式同步方式20同步脈沖:用于碼元的同步定時
13、,識別碼元從何時開始同步脈沖:用于碼元的同步定時,識別碼元從何時開始 同步脈沖也可位于碼元的中部同步脈沖也可位于碼元的中部 一個碼元也可有多個同步脈沖相對應一個碼元也可有多個同步脈沖相對應t碼元碼元1 1碼元碼元2碼元碼元3碼元碼元4碼元碼元5信號信號同步脈沖同步脈沖t21 目的:目的:使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致 外同步外同步發(fā)送端發(fā)送數據之前發(fā)送同步脈沖信號,接收方用接發(fā)送端發(fā)送數據之前發(fā)送同步脈沖信號,接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。 自同步自同步通過特殊編碼(如曼徹斯特編碼),使數據編碼信號通
14、過特殊編碼(如曼徹斯特編碼),使數據編碼信號中包含同步信號,接收方從數據編碼信號提取同步信號來鎖定自中包含同步信號,接收方從數據編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。己的時鐘脈沖頻率。發(fā)送站 同步信號數據接收的同步信號鎖定后的同步信號接收站接收站收到的數據數據位同步位同步22 目的:目的:找到正確的字符邊界找到正確的字符邊界 常用的為起止式(異步式)。在這種方式中,每個字符的常用的為起止式(異步式)。在這種方式中,每個字符的傳輸需要:傳輸需要: 1個起始位、個起始位、58個數據位、個數據位、1、1.5或或2個停止位個停止位 采用這種同步方式的通信也稱采用這種同步方式的通信也稱“異步通信
15、異步通信” 起止式的優(yōu)缺點:起止式的優(yōu)缺點: 頻率的漂移不會積累,每個字符開始時都會重新獲得同步頻率的漂移不會積累,每個字符開始時都會重新獲得同步 每兩個字符之間的間隔時間不固定每兩個字符之間的間隔時間不固定 增加了輔助位,所以傳輸效率低增加了輔助位,所以傳輸效率低例如,采用例如,采用1個起始位、個起始位、 8個數據位、個數據位、 2個停止位時,其傳輸效率為個停止位時,其傳輸效率為8/1173起始位起始位數據位數據位停止位停止位字符間隔不固定字符間隔不固定1個字符時間個字符時間邏輯邏輯“0”邏輯邏輯“1”字符同步字符同步23 目的目的:識別一個幀的起始和結束:識別一個幀的起始和結束幀(幀(Fr
16、ame):數據鏈路中的傳輸單位:數據鏈路中的傳輸單位包含包含數據和控制信息的數據塊數據和控制信息的數據塊 面向字符的面向字符的以同步字符(以同步字符(SYN,16H)來標識一)來標識一個幀的開始,適用于數據為字符類型的幀個幀的開始,適用于數據為字符類型的幀 面向比特的面向比特的以特殊位序列(以特殊位序列(7EH,即,即01111110)來標識一個幀的開始,適用于任意數據類型的幀來標識一個幀的開始,適用于任意數據類型的幀幀起始幀起始控制信息控制信息數據數據幀結束幀結束校驗和校驗和0 n bit8bit8bit832m7EH7EH幀同步幀同步242.3 傳輸介質傳輸介質l磁介質磁介質高帶寬、低費用
17、、高帶寬、低費用、高延時(小時)高延時(小時) 在通信中在通信中很少使用很少使用 l金屬導體金屬導體雙絞線、雙絞線、 同軸電纜同軸電纜(粗、細粗、細)l光纖光纖l無線介質無線介質無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線25 同軸電纜同軸電纜(Coaxial Cable,CC) 計算機網絡中使用基帶同軸電纜計算機網絡中使用基帶同軸電纜 阻抗50,有粗同軸和細同軸兩種 應用:總線局域網(以太網)應用:總線局域網(以太網) 性能:性能:10Mb/s,500m/185m銅芯銅芯絕緣層絕緣層外導體外導體屏蔽層屏蔽層保護套保護套26 雙絞線雙絞線(Twist Pair,TP)螺旋絞合的雙導線螺
18、旋絞合的雙導線每根每根4對、對、25對、對、1800對對典型連接距離典型連接距離100m(LAN)RJ45插座、插頭插座、插頭優(yōu)缺點:優(yōu)缺點: 成本低成本低 組裝密度高、節(jié)省空間組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易(綜合布線系統(tǒng))安裝容易(綜合布線系統(tǒng)) 平衡傳輸(高速率)平衡傳輸(高速率) 抗干擾性一般抗干擾性一般 連接距離短連接距離短應用領域:電話網絡、計算機局域網應用領域:電話網絡、計算機局域網內導體芯線內導體芯線絕緣絕緣內屏蔽內屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套27屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線(STP) 非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音,應用較少雙絞線外無任何屏蔽層,應用廣泛常用的
19、雙絞線:常用的雙絞線:3類(類(16Mb/s) 和和5類(類(155Mb/s)兩種)兩種28 雙絞線的連接標準 色彩標記和連接方法: 交叉線:交換機交換機、PC-PC、HUB-HUB(標準端口) 直連線:PC/路由器交換機/HUB、HUB-HUB(級連端口)線對色彩碼1白藍,藍2白橙,橙3白綠,綠4白棕,棕12345678123456781234567812345678交叉線交叉線EIA-568B直連線直連線EIA-568A29 光纖光纖(Optical Fiber,OF) 依靠光波承載數據,光脈沖在玻璃纖維中傳播依靠光波承載數據,光脈沖在玻璃纖維中傳播 優(yōu)缺點:優(yōu)缺點: 傳輸帶寬高:傳輸帶寬
20、高:僅受光電轉換器件的限制(僅受光電轉換器件的限制(100Gb/s) 傳輸損耗小,適合長距離傳輸傳輸損耗小,適合長距離傳輸 抗干擾性能極好、誤碼率低、保密性好抗干擾性能極好、誤碼率低、保密性好 輕便輕便 價格較高價格較高 需要光電轉換需要光電轉換 纖芯材料:纖芯材料: 塑料塑料 二氧化硅二氧化硅 (高純玻璃)(高純玻璃)30 光纖傳輸原理光纖傳輸原理光的反射光的反射 光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時會光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時會產生折射。折射量取決于兩種介質的折射率。當產生折射。折射量取決于兩種介質的折射率。當入射角入射角臨界值時產生全反射,不會泄漏。臨界值時產生全反射,
21、不會泄漏。 纖芯纖芯折射率高,玻璃包層折射率高,玻璃包層折射率低折射率低 亮度調制:有光脈沖亮度調制:有光脈沖-1,無光脈沖,無光脈沖-0 光傳輸系統(tǒng):光源、介質、光檢測光傳輸系統(tǒng):光源、介質、光檢測 光源:光源:850nm/1300nm/1500nm,發(fā)光二極管,發(fā)光二極管/激光二極管激光二極管 光檢測器:光電二極管光檢測器:光電二極管PIN/雪崩二極管雪崩二極管APD 單向傳輸,雙向需兩根光纖單向傳輸,雙向需兩根光纖 應用領域:局域網主干、電信網絡、服務器連接應用領域:局域網主干、電信網絡、服務器連接31 多模光纖多模光纖(MMF) 單模光纖單模光纖(SMF):光纖的直徑接近一個光波波長光
22、纖的直徑接近一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播多束光線以不同的反射角傳播激光器包層,折射率低纖芯,折射率高亮度調制光檢波器激光器光檢波器單束光線沿直線傳播單束光線沿直線傳播32單芯光纜單芯光纜多芯光纜多芯光纜玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃內芯玻璃內芯玻璃內芯玻璃內芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外殼外殼常見規(guī)格:纖芯常見規(guī)格:纖芯50um緩變型緩變型-MMF 62.5um緩變型緩變型/增強型增強型-MMF 8.3um突變型突變型-SMF 包層包層125um33 高密度多芯光纜高密度多芯光纜剖面結構剖面結構芯芯封套封套外套外套加強芯加強芯光纖光纖外鞘外鞘加強芯加強芯光纖束光纖束34
23、無線介質無線介質(信號在大氣或外層空間自由傳播)信號在大氣或外層空間自由傳播) 使用電磁波或光波攜帶信息使用電磁波或光波攜帶信息 優(yōu)缺點:優(yōu)缺點: 無需物理連接 適用于長距離或不便布線的場合 易受干擾 反射,為障礙物所阻隔 主要類型主要類型: 無線電、地面微波 通信衛(wèi)星 紅外線35 微波通信微波通信 通過地面站之間接力傳送通過地面站之間接力傳送 接力站之間距離:接力站之間距離:50 100 km 速率:每信道速率:每信道 45 Mb/s地面站之間的直視線路地面站之間的直視線路 微波傳送塔微波傳送塔36 地球同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星 與地面站相對固定位置 使用三顆衛(wèi)星即可覆蓋全球 傳輸延遲時間長(2
24、70ms) 廣播式傳輸 應用領域: 電視傳輸 長途電話 專用網絡 廣域網35,784km地球地球37 紅外線通信紅外線通信紅外傳輸系統(tǒng)利用墻壁或屋頂反射紅外線從而形成整個房間內的廣播通信系統(tǒng) 特點: 紅外通信的設備相對便宜,可獲得較高的帶寬 傳輸距離有限,而且易受室內空氣狀態(tài)(例如有煙霧等)的影響 38 短波通信短波通信 基站與終端之間通信采用無線鏈路 應用領域:移動通信、無線局域網(WLAN)BS基站覆蓋的無線電區(qū)域基站覆蓋的無線電區(qū)域BS基站基站 用戶計算機和終端用戶計算機和終端39 常用傳輸介質的比較常用傳輸介質的比較傳輸介質傳輸介質傳輸方式傳輸方式速率速率/工作頻帶工作頻帶傳輸距離傳輸
25、距離性能性能價格價格應用應用雙絞線雙絞線寬帶寬帶基帶基帶1Gb/s模擬模擬: 10km數字數字: 500m較好較好低低模擬模擬/數字數字信號傳輸信號傳輸50同軸電纜同軸電纜基帶基帶10Mb/s3km較好較好較低較低基帶數字信基帶數字信號號75同軸電纜同軸電纜寬帶寬帶450MHz100km較好較好較低較低模擬電視、模擬電視、數據及音頻數據及音頻光纖光纖基帶基帶40Gb/s20km以上以上很好很好較高較高遠距離高速遠距離高速數據傳輸數據傳輸微波微波寬帶寬帶46GHz幾百幾百km好好中等中等遠程通信遠程通信衛(wèi)星衛(wèi)星寬帶寬帶110GHz18000km很好很好高高遠程通信遠程通信402.4數據編碼數據編
26、碼 數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼使數字數據能在數字信道上傳輸使數字數據能在數字信道上傳輸 數字數據的調制數字數據的調制使數字數據能在模擬信道上傳輸使數字數據能在模擬信道上傳輸 模擬信號的數字編碼模擬信號的數字編碼使模擬數據能在數字信道上傳輸使模擬數據能在數字信道上傳輸411. 數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼不歸零碼(不歸零碼(Non-Return to Zero, NRZ ) 二進制數字二進制數字0、1分別用兩種電平來表示;分別用兩種電平來表示;常用常用5V表示表示1,5V表示表示0; 缺點:缺點: 存在直流分量,傳輸中不能有變壓器或電容;存在直流分量,傳輸中不能
27、有變壓器或電容; 不具備自同步機制,傳輸時必須使用外同步。不具備自同步機制,傳輸時必須使用外同步。曼徹斯特編碼(曼徹斯特編碼(Manchester Coding) 用電壓的變化表示用電壓的變化表示0和和1。 規(guī)定在規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變每個碼元的中間發(fā)生跳變 高高低的跳變代表低的跳變代表1,低,低高的跳變代表高的跳變代表0 每個碼元中間都要發(fā)生跳變,接收端可將此變化提取出來作為同每個碼元中間都要發(fā)生跳變,接收端可將此變化提取出來作為同步信號。這種步信號。這種編碼也稱為自同步碼(編碼也稱為自同步碼(Self-Synchronizing Code)。)。 缺點:需要雙倍的傳輸帶寬(即信號速率
28、是數據速率的缺點:需要雙倍的傳輸帶寬(即信號速率是數據速率的2倍)。倍)。差分曼徹斯特編碼(差分曼徹斯特編碼(Differential Manchester Coding,DMC) 每個碼元的中間每個碼元的中間仍要發(fā)生跳變。仍要發(fā)生跳變。 用用碼元開始處碼元開始處有無跳變來表示有無跳變來表示0和和1 ,有跳變代表,有跳變代表0,無跳變代表,無跳變代表1。42 三種數字編碼的波形圖三種數字編碼的波形圖43課堂練習課堂練習 給出比特流0110,0010,1111的不歸零碼,曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼44 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1452. 數字數據的調制數字數據的調制 三種常用
29、的調制技術三種常用的調制技術: 幅移鍵控ASK (Amplitude Shift Keying) 頻移鍵控FSK (Frequency Shift Keying) 相移鍵控PSK (Phase Shift Keying) 原理:用數字信號對載波的不同參量進行調制。原理:用數字信號對載波的不同參量進行調制。 載波信號載波信號 S(t) = Acos( t+ ) S(t)的參量包括:的參量包括: 幅度幅度A、頻率頻率 、初相位初相位 調制就是要使調制就是要使A、 或或 隨數字基帶信號的變化而變化隨數字基帶信號的變化而變化46 ASK:用載波的兩個不同振幅表示:用載波的兩個不同振幅表示0和和1 FS
30、K:用載波的兩個不同頻率表示:用載波的兩個不同頻率表示0和和1 PSK:用載波的起始相位的變化表示:用載波的起始相位的變化表示0和和1473. 模擬數據的數字信號編碼模擬數據的數字信號編碼 采樣定理:采樣定理: 如果模擬信號的最高頻率為如果模擬信號的最高頻率為F,若以,若以2F的采樣頻率對的采樣頻率對其采樣,則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢其采樣,則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。復出原始信號。 要轉換的模擬數據主要是電話語音信號,模擬數要轉換的模擬數據主要是電話語音信號,模擬數據要在數字線路上傳輸,必須將其轉換成數字信據要在數字線路上傳輸,必須將其轉換成數字信號。號。
31、 PCM編碼:編碼: 采樣采樣:按一定間隔對語音信號進行采樣:按一定間隔對語音信號進行采樣 量化量化:把每個樣本舍入到最接近的量化級別上:把每個樣本舍入到最接近的量化級別上 編碼編碼:對每個舍入后的樣本進行編碼:對每個舍入后的樣本進行編碼 編碼后的信號稱為編碼后的信號稱為PCM信號(信號( Pulse Coded Modulation,脈碼調制)。,脈碼調制)。48 語音信號的數字化語音信號的數字化 語音帶寬語音帶寬f2倍語音最大頻率)倍語音最大頻率) 樣本量化級數:樣本量化級數:256級(級(8b/每樣本)每樣本) 數據率:數據率: 每路每路PCM信號的速率信號的速率 = 64kb/s采樣電
32、路采樣電路量化和編碼量化和編碼49PCM編碼過程舉例502.5 多路復用技術多路復用技術 多路復用多路復用:多個信息源共享一個公共信道:多個信息源共享一個公共信道 為何要復用?為何要復用? 適用場合:當信道的傳輸能力大于每個信源的適用場合:當信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時平均傳輸需求時 類比:公共運輸系統(tǒng)(鐵路、海運、航空)類比:公共運輸系統(tǒng)(鐵路、海運、航空)DEMUX復用器復用器解復用器解復用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿51 復用的基本思想:復用的基本思想: 把公共共享信道用某種方法劃分成多個子信道,把公共共享信道用某種方法劃分成多個子信道,每個子信道傳輸一路數據每
33、個子信道傳輸一路數據。 復用方法復用方法 頻分復用頻分復用FDM (Frequency Division Multiplexing) 按頻率劃分不同的信道,如按頻率劃分不同的信道,如CATV系統(tǒng)系統(tǒng) 時分復用時分復用TDM (Time Division Multiplexing) 按時間劃分不同的信道,目前應用最廣泛按時間劃分不同的信道,目前應用最廣泛 波分復用波分復用WDM (Wave Division Multiplexing) 按波長劃分不同的信道,用于光纖傳輸按波長劃分不同的信道,用于光纖傳輸 碼分復用碼分復用CDM (Code Division Multiplexing) 按地址碼劃
34、分不同的信道,非常有發(fā)展前途按地址碼劃分不同的信道,非常有發(fā)展前途52 頻分復用頻分復用FDM 原理:整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道,原理:整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道,每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通道之間留有防護頻帶以防相互干擾。道之間留有防護頻帶以防相互干擾。CH2CH1CH3原帶寬原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬移頻后帶寬MUXCH1 CH2 CH3帶寬復用信號帶寬復用信號f復用器復用器53 時分復用時分復用TDM 原理:把時間分割成小的時間片,每個時間片原理:把時間分割成小的時間片,每個時間片分為若干個時隙,每路數據占用一個
35、時隙進行分為若干個時隙,每路數據占用一個時隙進行傳輸。在通信網絡中應用極為廣泛。傳輸。在通信網絡中應用極為廣泛。A2A1A3原始信號D2D1D3數字化信號MUX復用后的數據流復用后的數據流時隙號時隙號1231D3D2D1時間片時間片12時間片時間片2D1時隙時隙D2復用器復用器t54 由于每路數據總是使用每個時間片的固定由于每路數據總是使用每個時間片的固定時隙,所以這種時分復用也稱為時隙,所以這種時分復用也稱為同步時分同步時分復用復用。 一個時間片內傳輸的多路數據稱為一個時間片內傳輸的多路數據稱為幀幀。 時分復用的典型例子:時分復用的典型例子:PCM信號的傳輸信號的傳輸 把多個話路的把多個話路
36、的PCM語音數據用語音數據用TDM的方法裝成的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息) 每幀在一個時間片內發(fā)送每幀在一個時間片內發(fā)送 每個時隙承載一路每個時隙承載一路PCM信號信號55 統(tǒng)計(異步)統(tǒng)計(異步)TDMSTDM TDM的缺點:某用戶無數據發(fā)送,其他用戶也的缺點:某用戶無數據發(fā)送,其他用戶也不能占用該時隙,將會造成帶寬浪費。不能占用該時隙,將會造成帶寬浪費。 STDM:用戶不固定占用某個時隙,有空時隙:用戶不固定占用某個時隙,有空時隙就將數據放入。就將數據放入。ABCD待發(fā)數據待發(fā)數據t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片
37、時間片1時間片時間片2同步同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片時間片1時間片時間片2統(tǒng)計統(tǒng)計TDM可用帶寬C256 波分復用波分復用光的頻分復用光的頻分復用 原理:整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍,原理:整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍,每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。F2F1F3光譜光譜F1F2F3共享光纖的光譜共享光纖的光譜光纖光纖2光纖光纖3光纖光纖1共享光纖共享光纖 棱柱棱柱/衍射光柵衍射光柵57 碼分復用碼分復用CDM(碼分多址訪問碼分多址訪問CDMA) 原理:原理:每個用戶把發(fā)送信號用接收方的地址碼序每個用戶把發(fā)送信號用接收方的地址碼序列
38、進行編碼列進行編碼(任意兩個地址碼序列相互正交)。(任意兩個地址碼序列相互正交)。不同用戶發(fā)送的信號在接收端被迭加,然后接收不同用戶發(fā)送的信號在接收端被迭加,然后接收者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的正交者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的正交性,只有與自己地址碼相關的信號才能被檢出,性,只有與自己地址碼相關的信號才能被檢出,由此恢復出原始數據。由此恢復出原始數據。 在無線移動通信中應用廣泛。在無線移動通信中應用廣泛。58向量的內積 設有設有n維向量維向量 令令 稱為向量稱為向量和和的內積的內積當當和和都是列向量時,有都是列向量時,有當當和和都是行向量時,有都是行向量時,有兩個向量正交,
39、即兩個向量的內積為兩個向量正交,即兩個向量的內積為0592.6 數據交換技術數據交換技術 什么是交換?什么是交換? 按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。 例如,電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可例如,電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路,該用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路,該線路又可分配給其他用戶。線路又可分配給其他用戶。 最初的交換:人工轉接交換最初的交換:人工轉接交換 為什么要采用交換技術?為什么要采用交換技術? 提高線路利用率(當網絡中節(jié)點較多時使用專提高線路利用率(當網絡中節(jié)點較多時使用專門的點到點線路
40、浪費資源)門的點到點線路浪費資源) 實現(xiàn)交換的方法主要有:實現(xiàn)交換的方法主要有:電路交換電路交換、報文報文交換交換和和分組交換分組交換。60 電路交換電路交換 在通信雙方之間建立一條臨時專用線路的過程。在通信雙方之間建立一條臨時專用線路的過程。 可以是真正的物理線路,也可以是一個復用信道??梢允钦嬲奈锢砭€路,也可以是一個復用信道。 特點:數據傳輸前需要建立一條端到端的通路。特點:數據傳輸前需要建立一條端到端的通路。稱為稱為“面向連接的面向連接的”(典型例子:電話)(典型例子:電話) 過程:過程:建立連接建立連接通信通信釋放連接釋放連接 優(yōu)缺點:優(yōu)缺點: 建立連接的時間長;建立連接的時間長;
41、一旦建立連接就獨占線路,線路利用率低;一旦建立連接就獨占線路,線路利用率低; 無糾錯機制;無糾錯機制; 建立連接后,傳輸延遲小。建立連接后,傳輸延遲小。 不適用于計算機通信:因為計算機數據具有突發(fā)性的不適用于計算機通信:因為計算機數據具有突發(fā)性的特點,真正傳輸數據的時間不到特點,真正傳輸數據的時間不到10%。 例如:建立連接的時間為例如:建立連接的時間為0.5s,計算機以,計算機以1Mb/s的速率發(fā)送的速率發(fā)送10KB。線路利用率?。線路利用率?61 電話網絡中的電路交換 電路交換也能在多路復用信道上實現(xiàn) 在物理線路的某個信道上建立連接 主要用于電話通信網絡、遠程用戶或移動用戶連接企業(yè)局域網,
42、或用于高速線路的備份62 報文交換報文交換 以報文為單位進行以報文為單位進行“存儲存儲-轉發(fā)轉發(fā)”交換的技術。交換的技術。 在交換過程中,交換設備將接收到的報文先存儲下來,待信道在交換過程中,交換設備將接收到的報文先存儲下來,待信道空閑時再轉發(fā)出去,一級一級中轉,直到目的地。這種數據傳空閑時再轉發(fā)出去,一級一級中轉,直到目的地。這種數據傳輸技術稱為輸技術稱為存儲存儲-轉發(fā)轉發(fā)。 傳輸之前不需要建立端到端的連接傳輸之前不需要建立端到端的連接,僅在相鄰節(jié)點傳,僅在相鄰節(jié)點傳輸報文時建立節(jié)點間的連接。輸報文時建立節(jié)點間的連接。稱為稱為“無連接的無連接的”(典型例子:電報)(典型例子:電報) 整個報文
43、(整個報文(Message)作為一個整體一起發(fā)送。)作為一個整體一起發(fā)送。 優(yōu)缺點:優(yōu)缺點: 沒有建立和拆除連接所需的等待時間;沒有建立和拆除連接所需的等待時間; 線路利用率高;線路利用率高; 傳輸可靠性較高;傳輸可靠性較高; 報文大小不一,造成存儲管理復雜;報文大小不一,造成存儲管理復雜; 大報文造成存儲轉發(fā)的延時過長,且對存儲容量要求較高;大報文造成存儲轉發(fā)的延時過長,且對存儲容量要求較高; 出錯后整個報文全部重發(fā)。出錯后整個報文全部重發(fā)。類比:下載時若無斷點續(xù)傳功能,一旦出錯你會怎樣做?類比:下載時若無斷點續(xù)傳功能,一旦出錯你會怎樣做?63 分組交換(包交換)分組交換(包交換) 將報文分
44、割成若干個大小相等的分組(將報文分割成若干個大小相等的分組(Packet)進行)進行存儲轉發(fā)。存儲轉發(fā)。 數據傳輸前不需要建立一條數據傳輸前不需要建立一條端到端端到端的通路的通路也是也是“無連接的無連接的”。 有強大的糾錯機制、流量控制、擁塞控制和路由選擇有強大的糾錯機制、流量控制、擁塞控制和路由選擇功能。功能。 優(yōu)缺點:優(yōu)缺點: 對轉發(fā)節(jié)點的存儲要求較低,可以用內存來緩沖分組對轉發(fā)節(jié)點的存儲要求較低,可以用內存來緩沖分組速度速度快;快; 轉發(fā)延時小轉發(fā)延時小適用于交互式通信;適用于交互式通信; 某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組效率高;效率高; 各分組可通過不同
45、路徑傳輸,容錯性好。各分組可通過不同路徑傳輸,容錯性好。 需要分割報文和重組報文,增加了端站點的負擔。需要分割報文和重組報文,增加了端站點的負擔。 分組交換有兩種交換方式:分組交換有兩種交換方式: 數據報方式和虛電路方式數據報方式和虛電路方式64 數據報方式(Datagram) 各分組獨立地確定路由獨立地確定路由(傳輸路徑) 不能保證分組按序到達不能保證分組按序到達,所以目的站點需要按分組編號重新排序重新排序和組裝數據報方式不能保證分組按序到達數據報方式不能保證分組按序到達分組可能通過多個路徑穿越網絡分組可能通過多個路徑穿越網絡65 虛電路方式(Virtual Circuit) 通信前預先建立
46、一條邏輯連接虛電路虛電路 虛電路是由其路徑上的所有交換機中的路由表定義的邏輯連接虛電路是由其路徑上的所有交換機中的路由表定義的邏輯連接 類比:鐵路系統(tǒng)(旅客類比:鐵路系統(tǒng)(旅客/列車列車:分組,鐵路網分組,鐵路網:網絡,火車站網絡,火車站:節(jié)點)節(jié)點)“濟南北京濟南北京”G101這條線路可以看成是一條虛路徑這條線路可以看成是一條虛路徑 也需要三個過程:建立數據傳輸拆除 建立虛電路時,交換機將預留傳輸時所需的所有資源 虛電路的路由在建立時確定,傳輸數據時則不再需要 數據傳輸時只需指定虛電路號,分組即可按虛電路的路由穿越網絡“數字管道” 提供的是“面向連接”的服務 但卻沒有像電路交換那樣始終占用一
47、條端到端的物理通道,只是斷續(xù)地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段斷續(xù)地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段與鐵路系統(tǒng)類比! 可以看成是采用了電路交換思想的分組交換 能夠保證分組按序到達 永久虛電路PVC和交換虛電路SVC66 分組通過預先建立好的虛電路穿越網絡672.7 差錯控制差錯控制 什么是差錯控制?什么是差錯控制? 在通信過程中,發(fā)現(xiàn)、檢測差錯并進行糾正在通信過程中,發(fā)現(xiàn)、檢測差錯并進行糾正 為何要進行差錯控制?為何要進行差錯控制? 不存在理想的信道不存在理想的信道傳輸總會出錯傳輸總會出錯 與語音、圖像傳輸不同,計算機通信要求極低的與語音、圖像傳輸不同,計算機通信要求極低的差錯率。差錯率。 產生差錯的
48、原因:產生差錯的原因: 信號衰減和熱噪聲;信號衰減和熱噪聲; 信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變;信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變; 信號反射,串擾;信號反射,串擾; 沖擊噪聲,閃電、大功率電動機的啟停等。沖擊噪聲,閃電、大功率電動機的啟停等。68 差錯控制的差錯控制的基本方法:接收方進行差錯檢測,并向基本方法:接收方進行差錯檢測,并向發(fā)送方應答,告知是否正確接收。發(fā)送方應答,告知是否正確接收。 實際采用的差錯控制技術實際采用的差錯控制技術 自動請求重傳(自動請求重傳( Automatic Repeat Request, ARQ) 停等停等 ARQ 每發(fā)送一幀就需要一個應
49、答幀每發(fā)送一幀就需要一個應答幀只重傳剛才出錯的只重傳剛才出錯的 全部重發(fā)全部重發(fā)Go-back-N ARQ每發(fā)送每發(fā)送N幀需要一個應答幀幀需要一個應答幀需重傳前面(需重傳前面(N-i+1)幀()幀(1iN) 選擇重傳選擇重傳 ARQ每發(fā)送每發(fā)送N幀需要一個應答幀幀需要一個應答幀只只重傳出錯的幀重傳出錯的幀 前向糾錯(前向糾錯( Forward Error Control,FEC) 利用編碼的方法,接收方不僅對接收的數據進行檢測,發(fā)現(xiàn)錯誤利用編碼的方法,接收方不僅對接收的數據進行檢測,發(fā)現(xiàn)錯誤后能自動糾正錯誤后能自動糾正錯誤 混合方式(混合方式(Hybrid FEC-ARQ):): 接收方對少量
50、的接收差錯進行前向糾錯,對超出糾錯能力的差錯接收方對少量的接收差錯進行前向糾錯,對超出糾錯能力的差錯要求對方重傳要求對方重傳69 奇偶校驗奇偶校驗(Parity Checking) 可以在兩個級別上實現(xiàn):可以在兩個級別上實現(xiàn): 在原始數據字節(jié)的最高位(或最低位)增加一個奇在原始數據字節(jié)的最高位(或最低位)增加一個奇偶校驗位,使結果中偶校驗位,使結果中1的個數為奇數(奇校驗)或偶的個數為奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。數(偶校驗)。例如:例如:1100010增加偶校驗位后為增加偶校驗位后為11100010若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗結果不正確,就可以知道傳若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗結果不正確,就可
51、以知道傳輸中發(fā)生了錯誤。輸中發(fā)生了錯誤。 在通信過程中實現(xiàn):在發(fā)送時增加奇偶校驗位。在通信過程中實現(xiàn):在發(fā)送時增加奇偶校驗位。 只能用于面向字符的通信協(xié)議中。只能用于面向字符的通信協(xié)議中。 只能檢測出奇數個位錯,偶數個位錯則不能檢只能檢測出奇數個位錯,偶數個位錯則不能檢出。出。70 循環(huán)冗余校驗循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check , CRC) 差錯檢測原理:差錯檢測原理:u 收發(fā)雙方約定一個收發(fā)雙方約定一個生成多項式生成多項式G(x)u 發(fā)送方根據發(fā)送的數據和發(fā)送方根據發(fā)送的數據和G(x)計算出計算出CRC校驗和校驗和u 并把它加在數據的末尾,使帶校驗和的位串多項式并
52、把它加在數據的末尾,使帶校驗和的位串多項式能被能被G(x)整除。整除。u 接收方則用接收方則用G(x)去除接收到的數據,若有余數,去除接收到的數據,若有余數,則傳輸有錯。則傳輸有錯。 校驗和是校驗和是16位或位或32位的二進制位串。位的二進制位串。 CRC校驗的關鍵是如何校驗的關鍵是如何計算校驗和計算校驗和。71CRC校驗和的計算校驗和的計算 數據塊位串后面添加數據塊位串后面添加n個個0,得到新數據塊位,得到新數據塊位串(串(n=生成多項式位數生成多項式位數-1) 用新的數據塊位串模用新的數據塊位串模2除以生成多項式位串,除以生成多項式位串,得到一個余數位串,即校驗和得到一個余數位串,即校驗和
53、 原數據塊位串原數據塊位串+余數位串余數位串 = 要發(fā)送的結果要發(fā)送的結果72 *CRC校驗和的計算校驗和的計算 以數據塊(幀以數據塊(幀, Frame)為單位進行校驗)為單位進行校驗 將數據塊構成的位串看成是系數為將數據塊構成的位串看成是系數為0或或1的多項式的多項式 如如110001,可表示成多項式,可表示成多項式 x5 + x4 + 1 若若G(x)為為r階,幀為階,幀為m位,其多項式為位,其多項式為M(x),則在幀后面,則在幀后面添加添加r個個0,成為,成為m+r位,相應多項式位,相應多項式2rM(x) 按按模模2 2除法除法用用2rM(x)除以除以G(x):商:商Q(x),余,余R(
54、x) 即:即: 2rM(x) = G(x)Q(x)+R(x) 按按模模2 2加法加法把把2rM(x)與余數與余數R(x)相加,結果就是要傳送的相加,結果就是要傳送的帶校驗和的幀的多項式帶校驗和的幀的多項式T(x) : 即:即:T(x) = 2rM(x) + R(x) 實際上,實際上,T(x)=2rM(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x) =G(x)Q(x) (模模2運算運算) 所以,若接收的所以,若接收的T(x)正確,則它肯定能被正確,則它肯定能被G(x)除盡除盡。73課堂練習課堂練習 設有生成多項式設有生成多項式1011,請寫出數據塊位串,請寫出數據塊位串11,0101,10
55、11的的CRC校驗和,并驗證該校驗校驗和,并驗證該校驗和的正確性和的正確性742.8數據通信性能指標數據通信性能指標 誤碼率與誤比特率 信息傳輸速率與碼元傳輸速率 信道的最大傳輸速率75 帶寬(帶寬(Band Width,BW):信道傳輸能力的度量。信道傳輸能力的度量。 在傳統(tǒng)的通信工程中: BW fmax fmin 單位:赫茲(Hz) 在計算機網絡中,用每秒允許傳輸的二進制位數作為帶寬的計量單位。主要單位: b/s 、Kb/s、Mb/s、Gb/s。 例如:傳統(tǒng)以太網理論上每秒可以傳輸一千萬比特,它的帶寬為10Mb/s。76誤碼率與誤比特率誤碼率與誤比特率 誤碼率:誤碼率:Pc是指傳輸的碼元被傳錯的概率是指傳輸的碼元被傳錯的概率 Pc 傳錯的碼元數 傳輸的碼元總數 誤比特率:誤比特率:Pb是指傳輸的比特被傳錯的概率是指傳輸的比特被傳錯的概率Pb 傳錯的比特數 傳輸的比特總數 77信息傳輸速率與碼元傳輸速率 信息傳輸
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