第二章數(shù)據(jù)通信基礎

1、第1頁，共57頁。了解模擬傳輸與數(shù)字傳輸?shù)幕驹硎煜ぎ惒脚c同步通信的接口標準掌握常用數(shù)據(jù)編碼及多路復用技術(shù)掌握信息交換技術(shù)第2頁，共57頁。l2.1.1 信息、數(shù)據(jù)和信號l2.1.2 信道及信道的分類 l2.1.3 碼元和碼字l2.1.4 數(shù)據(jù)單元l2.1.5 通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標l2.1.6 數(shù)據(jù)通信過程中涉及的主要技術(shù)問題第3頁，共57頁。l(1)信息（Information）是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運動狀態(tài)。 l(2)數(shù)據(jù)（Data）一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”或“數(shù)字化的信息形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)字特性的信息，如統(tǒng)計數(shù)

2、據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)及計算機中區(qū)別于程序的計算數(shù)據(jù)等。但在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡中存儲、處理和傳輸?shù)亩M制數(shù)字編碼。 l(3)信號（Signal）簡單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)。在通信系統(tǒng)中我們常常使用的電信號、電磁信號、光信號、載波信號、脈沖信號、調(diào)制信號等術(shù)語就是指攜帶某種信息的具有不同形式或特性的傳輸介質(zhì)。 第4頁，共57頁。l1、信道及其組成l2、物理信道及其邏輯信道l3、有線信道和無線信道l4、數(shù)據(jù)通信l5、模擬信道和數(shù)字信道l6、專用信道和公共信道第5頁，共57頁。l在計算機網(wǎng)絡中傳送的每一位二進制數(shù)被稱為“碼元”或“碼位”，由7個碼元組成的二進制序列被稱

3、為“碼”例如：二進數(shù)“1000001”就是一個碼字，在7位的ASII的數(shù)據(jù)通信中，這個碼字就代表ASII碼“A”第6頁，共57頁。l在數(shù)據(jù)傳輸時，通常將較大的數(shù)據(jù)分割成較小的數(shù)據(jù)單元，并在每一個數(shù)據(jù)段上附加一些信息，這些附加信息通常包括單元和序號、地址和校驗碼。l例如：小的數(shù)據(jù)分組及其附加信息一起稱為“數(shù)據(jù)包”。在實際傳輸時，有時還要將數(shù)據(jù)包進一步分割成更小的邏輯數(shù)據(jù)單位，這就是“數(shù)據(jù)幀”。l “數(shù)據(jù)包”和“數(shù)據(jù)幀”都是數(shù)據(jù)傳輸時的邏輯單位，將它們統(tǒng)稱為“數(shù)據(jù)單元”。第7頁，共57頁。圖2-1 通信系統(tǒng)模型第8頁，共57頁。l圖2-1所示的為單向通信系統(tǒng)，從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有

4、以下三種基本方式：l（1）單向通信。又稱單工通信，即只能有一個方向的通信，而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。l（2）雙向交替通信。又稱半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（或同時接收），這種通信方式往往是一方發(fā)送另一方接收。l（3）雙向同時通信。又稱全雙工通信，即通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息。第9頁，共57頁。圖圖2-2 通信系統(tǒng)實例通信系統(tǒng)實例第10頁，共57頁。l圖2-2是通信系統(tǒng)的一個實例，工作站通過公共電話網(wǎng)PSTN與一個服務器進行通信。在此模型中，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要完成的一系列關(guān)鍵任務為： （1）接口規(guī)范 （2）同步 （3）傳輸

5、系統(tǒng)利用率 （4）差錯檢測和校驗 （5）災難恢復 （6）尋址和路由 （7）網(wǎng)絡安全 （8）網(wǎng)絡管理第11頁，共57頁。l1并行傳輸l2串行傳輸 第12頁，共57頁。第13頁，共57頁。l串行傳輸：數(shù)據(jù)在一個信道上一位一位依次數(shù)據(jù)在一個信道上一位一位依次 傳傳輸。數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)無關(guān)輸。數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)無關(guān)特點：特點：通信線路數(shù)小，線路利用率高適合于遠距離傳輸。在發(fā)送端和接收端需要并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換。需要實施同步措施，以確保不產(chǎn)生錯字。第14頁，共57頁。l2.3.1 基帶傳輸與數(shù)字信號的編碼l2.3.2 頻帶傳輸與模擬信號的 調(diào)制 第15頁，共57頁。l數(shù)字通信系統(tǒng)的任務是傳輸

6、數(shù)字信息，數(shù)字信息可能來自數(shù)據(jù)終端設備的原始數(shù)據(jù)信號，也可能來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的脈沖編碼信號。 l傳輸數(shù)字信息的方法是按傳輸波形來分類的。 l1基帶、基帶信號和基帶傳輸l2數(shù)字基帶信號的編碼第16頁，共57頁。l對于碼型的選擇，通常要考慮以下的因素：l對于傳輸頻帶低端受限的信道，線路傳輸碼型的頻譜中不應含有直流分量； l信號的抗噪聲干擾能力強，產(chǎn)生誤碼時，在譯碼中產(chǎn)生的誤碼擴散或誤碼增值??；l便于從信號中提取位同步定時信息；l盡量減少基帶信號頻譜中高頻分量，以節(jié)省傳輸頻帶，并減小串擾；l編譯碼的設備應盡量簡單。第17頁，共57頁。l編碼規(guī)則l非歸零編碼的特點與同步信號l非歸零編碼的應用

7、第18頁，共57頁。l 克服不歸零制編碼缺點的一種編碼方案是曼徹斯特（Manchester）編碼，它是一種自同步編碼方式，包括數(shù)據(jù)信息和時鐘信息。 l 另一種曼徹斯特編碼的變種叫做差分曼徹斯特編碼，它的編碼規(guī)則是：若碼元為1，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反。不論碼元是或，在每個碼元的正中間時刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術(shù)，但可以獲得較好的抗干擾性能。第19頁，共57頁。101100高H低L“1攠高電平“0攠低電平中間跳“0攠上跳“1攠下跳中間總有跳變“ 0攠開頭跳高H低L

8、高H低L（a）不歸零制編碼（b）曼徹斯特編碼（ c）差分曼徹斯特編碼圖圖2-3 常用數(shù)字信號編碼常用數(shù)字信號編碼第20頁，共57頁。l調(diào)制、解調(diào)與頻帶傳輸l模擬信號的調(diào)制l調(diào)制解調(diào)制器的工作原理l調(diào)制解調(diào)制器的分類與標準第21頁，共57頁。l通過調(diào)制振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的某種組合，來對數(shù)字數(shù)據(jù)進行編碼。最基本的數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號調(diào)制方式有以下三種（如圖2-5所示）。l（1）幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying） l（2）頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-Shift Keying） l（3）相移鍵控方式（PSK，Phase-Shift Key

9、ing） 第22頁，共57頁。010101100基帶信號幅移鍵控 ASK頻移鍵控 FSK相移鍵控 PSK圖圖2-5 對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法返回本節(jié)返回本節(jié)第23頁，共57頁。l發(fā)送端的調(diào)制過程l接受端的解調(diào)過程l在一對電話線上實現(xiàn)雙向通信的過程第24頁，共57頁。l常規(guī)的分類方式有以下幾種：l按連接方式分類l按使用的通信線路分類l按調(diào)制解調(diào)器的操作狀態(tài)分類1.按調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制原理分類第25頁，共57頁。l調(diào)制解調(diào)器的標準：l1、針對600b/s和1200b/s的全雙工調(diào)制解調(diào)器的V.22標準l2、針對1200b/s和2400b/s的全雙工調(diào)制解調(diào)器的V.22

10、bis標準l3、針對7200、12000和14400b/s的全雙工調(diào)制解調(diào)器的V.32bis標準l4、針對高于14400b/s的帶有數(shù)據(jù)壓縮和差錯檢測功能的全雙工調(diào)制解調(diào)器的V.42/MNP等更高標準第26頁，共57頁。l脈沖編碼調(diào)制（PCM，Pulse Code Modulation）是波形編碼中最重要的一種方式，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信等均獲得了極為廣泛的應用，現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)大多采用PCM體制。PCM最初并不是用來傳送計算機數(shù)據(jù)的，采用它是為了解決電話局之間中繼線不夠，使一條中繼線不只傳送一路而是可以傳送幾十路電話。PCM過程主要由采樣、量化與編碼三個步驟組成。 第27頁，共

11、57頁。l2.4.1 異步傳輸方式 l2.4.2 同步傳輸方式 第28頁，共57頁。 什么是異步傳輸模式？什么是異步傳輸模式？ 異步傳輸?shù)墓ぷ魈攸c異步傳輸?shù)墓ぷ魈攸c 異步傳異步傳 輸?shù)膽锰攸c輸?shù)膽锰攸c 異步傳輸?shù)膽脠龊袭惒絺鬏數(shù)膽脠龊系?9頁，共57頁。l方法：每字符都要加起始位與停止位l發(fā)送端與接收端必須采用相同的速率、相同的設置 異步傳輸方式異步傳輸方式第30頁，共57頁。 什么是同步傳輸方式什么是同步傳輸方式 同步傳輸?shù)墓ぷ魈攸c同步傳輸?shù)墓ぷ魈攸c 同步傳輸?shù)膽锰攸c同步傳輸?shù)膽锰攸c 同步傳輸?shù)膽脠龊贤絺鬏數(shù)膽脠龊?同步傳輸?shù)臅r鐘信號同步傳輸?shù)臅r鐘信號第31頁，共57頁。l

12、方法：每數(shù)據(jù)塊都要加同步字符或比特序列l(wèi) 面向字符的同步傳輸l 面向位流的同步傳輸 同步傳輸方式同步傳輸方式第32頁，共57頁。2.5.1 多路復用技術(shù)概述多路復用技術(shù)概述2.5.2 頻分多路復用頻分多路復用2.5.3 時分多路復用時分多路復用2.5.4 波分多路復用技術(shù)波分多路復用技術(shù)第33頁，共57頁。1、什么是多路復用技術(shù)、什么是多路復用技術(shù)2、多路復用技術(shù)的實質(zhì)和研究目的、多路復用技術(shù)的實質(zhì)和研究目的 人們研究多路復用的主要原因和目的人們研究多路復用的主要原因和目的 多路復用技術(shù)多路復用技術(shù) 的實質(zhì)和工作原理的實質(zhì)和工作原理3、多路復用技術(shù)的分類、多路復用技術(shù)的分類第34頁，共57頁。

13、 當介質(zhì)的有效帶寬超過被傳輸?shù)男盘枎挄r，可以把多個當介質(zhì)的有效帶寬超過被傳輸?shù)男盘枎挄r，可以把多個信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實現(xiàn)同時信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實現(xiàn)同時傳送多路信號，即將信道的可用頻帶（帶寬）按頻率分割多傳送多路信號，即將信道的可用頻帶（帶寬）按頻率分割多路信號的方法劃分為若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其路信號的方法劃分為若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中一個頻段，從而形成許多個子信道（圖中一個頻段，從而形成許多個子信道（圖2-6）；在接收端）；在接收端用適當?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進行解調(diào)和終端處理，用適當?shù)臑V波器將多路信號分開，

14、分別進行解調(diào)和終端處理，這種技術(shù)稱為頻分多路復用（這種技術(shù)稱為頻分多路復用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing）。）。第35頁，共57頁。通道（1）通道（2）通道（3）通道（4）通道（5）通道（6）多路復用器MUXMUX源 1源 2源 3源 4源 5源 6目標 1目標 2目標 3目標 4目標 5目標 6多路復用器FDM原理原理第36頁，共57頁。 TDM是將傳輸時間劃分為許多個短的互不重疊的時是將傳輸時間劃分為許多個短的互不重疊的時隙，而將若干個時隙組成時分復用幀，用每個時分復用隙，而將若干個時隙組成時分復用幀，用每個時分復用幀中某一固定序號的時隙組成一個子

15、信道，每個子信道幀中某一固定序號的時隙組成一個子信道，每個子信道所占用的帶寬相同，每個時分復用幀所占的時間也是相所占用的帶寬相同，每個時分復用幀所占的時間也是相同的（如圖同的（如圖2-8所示），即在同步所示），即在同步TDM中，各路時隙的分中，各路時隙的分配是預先確定的時間且各信號源的傳輸定時是同步的。配是預先確定的時間且各信號源的傳輸定時是同步的。對于對于TDM，時隙長度越短，則每個時分復用幀中所包含，時隙長度越短，則每個時分復用幀中所包含的時隙數(shù)就越多，所容納的用戶數(shù)也就越多，其原理如的時隙數(shù)就越多，所容納的用戶數(shù)也就越多，其原理如圖所示。圖所示。第37頁，共57頁。 圖圖2-8 TDM子

16、信道示意圖子信道示意圖 圖圖2-9 TDM原理原理第38頁，共57頁。 2.5.3 2.5.3 波分多路復用波分多路復用 實際上，波分多路復用技術(shù)所用的技術(shù)原理與前面介紹的頻分多路復用技術(shù)大致相同。 WDM與FDM使用的技術(shù)原理是一樣的，只要每個信道使用的頻率范圍各不相同，它們就可以使用波分多路復用技術(shù)，通過一條共享光纖進行遠距離的傳輸。與電信號使用的FDM技術(shù)不同的是，在WDM技術(shù)中，是利用光學系統(tǒng)中的衍射光柵，來實現(xiàn)多路不同頻率光波信號的合成與分解。第39頁，共57頁。l2.6.1 線路交換l2.6.2 存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換第40頁，共57頁。 在計算機廣域網(wǎng)中，計算機通常使用公用通信信道進行數(shù)據(jù)

17、交換。在通信子網(wǎng)中，從一臺主機到另一臺主機傳送數(shù)據(jù)時，可能會經(jīng)歷由多個節(jié)點組成的路徑。通常將數(shù)據(jù)在通信子網(wǎng)中節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸過程統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)交換，其對應的技術(shù)為數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)中，使用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)可分為兩類：線路交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換機。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)又可分為“報文交換技術(shù)”和“分組交換技術(shù)”。第41頁，共57頁。l使用線路（電路）交換（Circuit Switching）方式，就是通過網(wǎng)絡中的節(jié)點在兩個站之間建立一條專用的通信線路。最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)。l線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)：l （1）線路建立 l （2）數(shù)據(jù)傳送 l （3）線路拆除第42頁，共57頁。l1、線

18、路交換技術(shù)的應用特點l 優(yōu)點：傳輸延遲小、線路一旦接通不會發(fā)生沖突、數(shù)據(jù)以固定的速率傳輸，可靠性和實時響應能力都很好l 缺點：建立時間長、數(shù)字信號不連續(xù)，具有突發(fā)性和間歇性、不具備差錯控制能力、不具有數(shù)據(jù)存儲能力，不能改變數(shù)據(jù)的內(nèi)容l2、線路交換技術(shù)的應用場合 l 線路交換適用于高負荷的持續(xù)通信和實時性要求強的場合，尤其適用會話式通信、語音、圖象等交互式類通信。不適合傳輸突發(fā)性、間斷型數(shù)字信號的計算機與計算機、計算機與終端之間的通信。第43頁，共57頁。2.6.2 存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換 1、存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換式與線路交換技術(shù)方式的兩個主要區(qū)別2、存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式的應用特點3、轉(zhuǎn)發(fā)方式的分類l 報

19、文交換l 分組交換第44頁，共57頁。l報文交換比線路交換有以下優(yōu)點：l（1）線路效率較高，因為許多報文可以分時共享一條節(jié)點到節(jié)點的通道。l（2）不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文。l（3）在線路交換網(wǎng)上，當通信量變得很大時，就不能接受某些呼叫。l（4）報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地。l（5）根據(jù)報文的長短或其他特征能夠建立報文的優(yōu)先權(quán)，使得一些短的、重要的報文優(yōu)先傳遞。l（6）報文交換網(wǎng)可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。 第45頁，共57頁。l分組交換（Packet Switching）試圖兼有報文交換和線路交換的優(yōu)點，而使兩者的缺點最少。

20、分組交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度。l如何管理這些分組流呢?目前有兩種方法：數(shù)據(jù)報和虛電路。l在數(shù)據(jù)報中，每個數(shù)據(jù)包被獨立地處理，就像在報文交換中每個報文被獨立地處理那樣，每個節(jié)點根據(jù)一個路由選擇算法，為每個數(shù)據(jù)包選擇一條路徑，使它們的目的地相同。 第46頁，共57頁。l在虛電路中，數(shù)據(jù)在傳送以前，發(fā)送和接收雙方在網(wǎng)絡中建立起一條邏輯上的連接，但它并不是像電路交換中那樣有一條專用的物理通路，該路徑上各個節(jié)點都有緩沖裝置，服從于這條邏輯線路的安排，也就是按照邏輯連接的方向和接收的次序進行輸出排隊和轉(zhuǎn)發(fā)，這樣每個節(jié)點就不需要為每個數(shù)

21、據(jù)包作路徑選擇判斷，就好像收發(fā)雙方有一條專用信道一樣。 第47頁，共57頁。l三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)總結(jié)如下：l（1）線路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有。l（2）報文交換：報文從發(fā)送方傳送到接收方采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式。 l（3）分組交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長度，到達目的地后需重新將分組組裝成報文。 第48頁，共57頁。圖圖2-16 三種交換方式的比較三種交換方式的比較第49頁，共57頁。l（1）利用數(shù)字語音插空技術(shù)（DSI，Digital Speech Interpolation）能提高線路交換的傳輸能力。 l（2）幀中繼（Frame Relay）是對目前廣泛使用的X.25分組交換通信協(xié)議的簡化和改進。 l（3）異步傳輸模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）是線路交換與分組交換技術(shù)的結(jié)合，能最大限度地發(fā)揮線路交換與分組交換技術(shù)的優(yōu)點，具有從實時的語音信號到高清晰度電視圖像等各種高速綜合業(yè)務的傳輸能力。第50頁，共57頁。l什么是差錯?l 人們總是希望在通信線路中能夠正確無誤地傳輸數(shù)據(jù),但是由于來自信道內(nèi)外的干擾與噪聲,數(shù)據(jù)在傳輸與接收的過程中難免會發(fā)生錯誤.通常把通過通信信道接收到