第2章數(shù)據(jù)通信基礎知識

第2章數(shù)據(jù)通信基礎知識2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(jù)傳輸率及其表示多路復用技術：頻分、時分、波分數(shù)據(jù)交換技術：電路、報文、分組調(diào)制解調(diào)器（modem）3本講主要內(nèi)容

基本概念數(shù)據(jù)通信理論多路復用數(shù)據(jù)交換技術傳輸介質(zhì)調(diào)制解調(diào)器4基本通信理論數(shù)據(jù)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。模擬信號是連續(xù)變化的電壓或電流波形數(shù)字信號是一系列表示數(shù)字“0”或“1”的電脈沖（又程碼元）。數(shù)字信號與模擬信號傳輸相比，其傳輸?shù)馁|(zhì)量高，是今后數(shù)據(jù)通信的發(fā)展方向。5數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標

信號占據(jù)的頻率范圍，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

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B的信道，要輸出數(shù)字信號，其采樣速度最高為2B即可（高于此則無意義）6數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標數(shù)據(jù)傳輸率：比特率，單位時間里傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位b/s、Kb/s、Mb/s，簡寫為bps、Kbps、Mbps。數(shù)據(jù)傳輸率和信號傳輸速率的關系：

S=2Blog2NS數(shù)據(jù)傳輸率，B信號傳輸速率，N電平個數(shù)7電平變化0011000110110000101001118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(jù)傳輸速率作為指標，即信道所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。理想信道的容量（Nyquist定理）

Rmax=2Blog2N（bps）

N最大數(shù)據(jù)率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps話音級線路的信道容量計算(3000Hz)數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標91942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(jù)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。式中N是離散性信號或電平的個數(shù)。奈奎斯特(Nyquist)定理10

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(jù)傳輸速率是多少？

解

由于傳送的二進制信號是“1”、“0”兩個電平，所以N=2;又因為B=3000Hz，則信道容量，即數(shù)據(jù)傳輸速率R=2Blog2N=6000(b/s)。舉例11例2

一個無噪聲的話音帶寬為4000Hz，采用8相調(diào)制解調(diào)器傳送二進制信號，試問信道容量是多少？解

由于8相調(diào)制解調(diào)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(jù)傳輸速率R=2Blog2N=2×4000log28=24k（bps）。舉例12有噪聲信道容量（Shannon定理）

Rmax=Blog2(1+S/N)（bps）S/N（信號功率/噪聲功率）信噪比（dB分貝）

信噪比通常不用絕對值表示，而是10log10S/N表示，單位是分貝（dB）。對于S/N＝10的信道，稱其信噪比為10dB；同理，S/N＝100的信道，稱其信噪比為20dB；Shannon定理13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(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標誤碼率=傳錯的位數(shù)/傳送的總位數(shù)Pe=Ne/N

數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標14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。15多路復用的基本概念16FDM(頻分復用)WDM(波分復用)TDM(時分復用)CDMA(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的分類17頻分多路復用當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，可以將信道分割成若干個子信道，每個子信道用來傳輸一路信號，這就是頻分多路復用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)。CH2CH1CH3原始帶寬CH1CH2CH3頻分后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復用f18頻分多路復用電話系統(tǒng)CH1CH2CH3f80848892每一路電話信號占用4KHz帶寬CCITT建議：每12路電話構(gòu)成一個基群(Group)，占用60-108KHz每5個基群（Group），構(gòu)成一個60路的超群(SuperGroup)，占用312－552KHz的頻帶；每5個超群，構(gòu)成一個300路的主群（MasterGroup），占用812－2044KHz的頻帶；每3個主群，構(gòu)成一個900路的超主群(Super-Master-Group)，占用8516－12388KHz的頻帶；每4個超主群，構(gòu)成一個3600路的巨群（Giant-Group），占用42612－59684KHz的頻帶（56K）；19時分多路復用當信道能達到的數(shù)據(jù)傳輸率大于各路信號的數(shù)據(jù)傳輸率總和時，可以將使用信道的時間分成一個個的時間片，按一定規(guī)則將這些時間片分配給各路信號，每一路信號只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進行傳輸，這就是時分多路復用（TDM）。（TimeDivisionMultiplexing)20A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復用后數(shù)據(jù)時隙1234D3D2D1時分多路復用21統(tǒng)計TDM與同步TDM比較ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM帶寬浪費A1B1C2B2周期1周期2統(tǒng)計TDM可用帶寬22數(shù)字載波標準T-標準：北美、日本E-標準：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→脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation→PCM）若每個采樣點用8位，則1路電話所需數(shù)據(jù)傳輸率：8＊8000＝64Kbps24路電話則要24個采樣值23DS-1幀channel#1channel#2.......channel#24定幀位193bits數(shù)據(jù)傳輸率=(24x8+1bit)/125ms=1.544Mbps8bit每個信道稱為DS0125ms因此可利用一條傳輸率為1.544Mbps的信道同時傳輸24路電話，這種24路電話復用一條1.544Mbps主干線路，稱為T1標準24T1載波系統(tǒng)PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1frame25復用到更高級線路012332104:14個T1(1.544Mbps)復用到一個T2（6.312Mbps）6個T2復用到一個T3（44.736Mbps）7個T3復用到一個T4（274.176Mbps）注意：每次向上一次復用會有幀定界及時鐘同步的開銷26E1-幀0121631125ms=32時隙=2.048Mbps幀同步信令信道30話音信道+2控制信道E1中，每30路電話復用1條2.048Mbps的E1線路－基群4個基群組成二次群E2（120路，8.448Mbps）4個二次群組成三次群E3（480路，34.368Mbps）4個三次群組成四次群E4（1920路，139.246Mbps）27數(shù)字傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率系統(tǒng)類型一次群二次群三次群四次群歐洲體制符號話路數(shù)數(shù)據(jù)率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美體制符號話路數(shù)數(shù)據(jù)率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.17628波分多路復用F1波分多路復用（WDM）（WavelengthDivisionMultiplexing）是FDM應用于光纖信道的一個變例。不同的信源使用不同波長的光波來傳輸數(shù)據(jù)，各路光波經(jīng)過一個棱鏡或衍射光柵合成一個光束在光纖干道上傳輸，在接收端利用相同的設備將各路光波分開。29棱柱/衍射光柵F2F3光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖F1光纖波分復用示意圖采用無源設備，更可靠波分多路復用30碼分多址（CDMA）碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess）在CDMA中，每個比特時間又再分成m個碼片，每個站分配一個唯一的m比特碼序列，當某個站欲發(fā)送“1”時，它在信道中發(fā)送它的碼序列，當欲發(fā)送“0”時，它就發(fā)送它的碼序列的反碼。31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(jù)交換技術通信子網(wǎng)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(jù)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。32數(shù)據(jù)交換技術報文交換：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信息，形成一分完整的報文，以報文為單位在交換網(wǎng)絡的各節(jié)點間傳送。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(zhuǎn)發(fā)，在接收端再將各分組重新組裝成一個完整的報文33電路交換的基本框架34包括呼叫建立、信息傳送、連接釋放三個階段電路交換的過程1)呼叫建立階段主叫(CallingParty)用戶取機，聽撥號音，撥被叫(CalledParty)號碼。若被叫用戶不在同一個交換局，則A局(本地局)向B局(中轉(zhuǎn)局)發(fā)送占用信號，轉(zhuǎn)接被叫號碼，再由B局轉(zhuǎn)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。352)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(jīng)證實后釋放連接。電路交換的過程36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37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缺點：1、建立物理線路時間比較長，不適合突發(fā)數(shù)據(jù)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38

報文交換(MessageSwitch)不事先建立連接，當發(fā)送方有數(shù)據(jù)發(fā)送時，它將數(shù)據(jù)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起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一交換設備，循環(huán)往復直，到數(shù)據(jù)到達目的地。專業(yè)說法：在報文交換節(jié)點接收一份份報文，予以存儲，再按報文的報頭(內(nèi)含收報人地址、流水號等)進行轉(zhuǎn)發(fā)。報文交換39報文交換的基本處理過程40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(jù)，網(wǎng)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(wǎng)絡可對報文進行速度和代碼等的轉(zhuǎn)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(wǎng)絡種的延遲時間；當信道誤碼率高時，頻繁重發(fā)。41報文和報文分組結(jié)構(gòu)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；限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲空間利用率與傳輸效率；公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術。42分組交換工作原理43(1)能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)終端設備之間的通信；分組交換的特點(2)傳輸介質(zhì)利用率高，經(jīng)濟性好（動態(tài)分配帶寬）；(3)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、可靠性高、交互性強（差錯流量控制）分組交換的缺點：(1)由于采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，分組在網(wǎng)內(nèi)的平均時延較大；(2)每個分組有額外的開銷，且實現(xiàn)的技術比較復雜分組交換適宜于計算機通信的突發(fā)性或斷續(xù)性業(yè)務的需求，而不適合在實時性要求高、信息量大的環(huán)境中應用。44調(diào)制技術將一種數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)哪撤N電信號形式，調(diào)制的方法：選取一個適合在線路上傳輸?shù)恼也ㄗ鳛檩d波，令載波的某些特征隨基帶信號的變化而變化。00110100010ASKFSKPSK45三種調(diào)制方式(1)幅度調(diào)制(AM，AmplitudeModulation)：簡稱調(diào)幅；使載波幅度隨原始的模擬數(shù)據(jù)(即調(diào)制信號)的幅度變化，而載波的頻率不變(3)相位調(diào)制(PM，PhaseModulation)：簡稱調(diào)相；使載波相位隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。(2)頻率調(diào)制(FM，F(xiàn)requencyModulation)：簡稱調(diào)頻；使載波頻率隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。ASK-----Amplitude-ShiftKeying(幅移鍵控)46模擬傳輸和數(shù)字傳輸話音電話模擬模擬數(shù)據(jù),模擬信號數(shù)字Modem模擬數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字數(shù)字傳輸數(shù)字數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬CODEC數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號47脈沖數(shù)字調(diào)制模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和比較數(shù)字化聲音數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量好、價格低、便于數(shù)據(jù)的交換和處理，常常需要把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號來傳輸。48采樣信號：基于nyquist理論PCM輸出（編碼）3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信號PAM脈沖（采樣）PCM脈沖（量化）011100011011001100脈沖編碼調(diào)制（PCM）49PCM轉(zhuǎn)化過程模擬話音BACDABCD采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和比較數(shù)字化聲音50網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計的幾個基本問題數(shù)據(jù)傳輸類型模擬通信數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信方式串行通信、并行通信單工通信、半雙工或全雙工通信同步方式同步通信異步通信51并行通信用于距離較近