數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),第,*,頁,返回,第二章,數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),2.1 基本概念,2.2 差錯控制,2.3 多路復(fù)用,2.4 數(shù)據(jù)交換,本章主要討論數(shù)據(jù)通信的一些基本概念、原理和技術(shù)。,第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),2.1 基本概念,一、數(shù)據(jù)通信的定義及特點(diǎn),1.,數(shù)據(jù)通信的定義,指按照一定的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)以某種信號的方式，通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸、交換、存儲和處理的過程。,2.幾個概念。,數(shù)據(jù),(data)是運(yùn)送信息的實(shí)體，而,信號,(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。無論數(shù)

2、據(jù)或信號，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“,模擬的,”就是連續(xù)變化的，而“,數(shù)字的,”就表示取值是離散的。因此，,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),(digital data)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。,將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程叫作,調(diào)制,。,一般說來，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號或數(shù)字信號。因此我們有以下四種情況：,（1）,模擬數(shù)據(jù)、模擬信號,。,（2）,模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號,。,（3）,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號,。,（4）,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、數(shù)字信號,。,下圖給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號的示意圖。,3.數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn),（1）數(shù)據(jù)量具有突發(fā)性,（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蟾?（3）適應(yīng)性強(qiáng),（4）信息傳輸效率高,（

3、5）靈活的接口能力,4.數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量指標(biāo),（1）有效性：,指在給定的信道中單位時間內(nèi)能傳輸信息量的多少，即用傳輸信息的速率來衡量。,信息速率,，也稱信息傳輸速率（或稱比特率），用,R,b,來標(biāo)記，它表示單位時間內(nèi)通過信道的信息量，單位是比特/秒（b/s或bps）。,碼元速率,，也稱碼元傳輸速率（或稱調(diào)制速率、波特率），用,R,s,標(biāo)記，它表示單位時間內(nèi)信道上實(shí)際傳輸碼元個數(shù)或脈沖個數(shù)（可以是多進(jìn)制），單位是波特（Baud）。,（2）可靠性：,指接收信息的準(zhǔn)確程度，可用錯誤率（差錯率）來度量。,誤比特率（誤信率）:,誤碼元率（誤符號率）:,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,數(shù)據(jù)通信系

4、統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)為中心，通過通信線路連接分布在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)終端設(shè)備而傳輸數(shù)據(jù)信息的通信系統(tǒng)。,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)劃分為三大部分，即源系統(tǒng),(,或發(fā)送端,),、傳輸系統(tǒng),(,或傳輸網(wǎng)絡(luò),),和目的系統(tǒng),(,或接收端,),。,數(shù)據(jù)終端設(shè)備（,DTE,，,Data Terminal Equipment,）,數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（,DCE,，,Data Circuit-terminating Equipment,）,信道,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型,2.信道類型,（1）有線信道和無線信道,（2）模擬信道和數(shù)字信道,3.傳輸介質(zhì)：,它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送端和接收端之間的物理通路?？煞譃閮纱箢悾河芯€和無線。,（1）雙絞線,把

5、兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法,絞合,(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線。,分類：,無屏蔽雙絞線,UTP,和屏蔽雙絞線,STP,（2）同軸電纜,同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實(shí)心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護(hù)塑料外層所組成。,分類,(按特性阻抗數(shù)值的不同)：,（1）50,同軸電纜,基帶同軸電纜,（2）75,同軸電纜,寬帶同軸電纜,（3）,光纖,由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì)，其直徑只有8100,m。纖芯用來傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折

6、射角將大于入射角。,只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可產(chǎn)生全反射。,可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為,多模光纖,。若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為,單模光纖,。,62.5/125m,多模光纖,50m,多模光纖,光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些特點(diǎn)：,（,1,）,傳輸損耗小，中繼距離長，對遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。,（,2,）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。,（,3,）無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或

7、截取數(shù)據(jù)。,（,4,）體積小，重量輕。,（4）微波,（5）紅外線,微波通信,微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；,相鄰站之間必須直視，不能有障礙物；,微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響；,衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)。,4.信道技術(shù)參數(shù),（1）帶寬：,一,條傳輸信道上允許信息傳輸?shù)男盘栴l率范圍。,（2）信道容量：信道容量是指單位時間內(nèi)信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，即指定信道傳輸速率的最大理論極限值。,模擬信道的信道容量用香農(nóng)（Shannon）公式表示為：,B為信道帶寬，S為信號的平均功率，N為白噪聲功率，即S/N為平均信號噪聲功率比,。,數(shù)字

8、信道的信道容量（,理想的無錯信道，用奈奎斯特公式,）：,B為信道寬帶，M為碼元符號的種類,四、調(diào)制/解調(diào),1.什么是調(diào)制與解調(diào),調(diào)制是使載波信號的幅度、頻率或相位（可以是它們的任意組合）隨發(fā)送信號而變化的信號變換過程。,接收端需要進(jìn)行解調(diào)，將已調(diào)波變換成原來的信號形式。,2.為什么要進(jìn)行調(diào)制,為了使數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能在模擬信道中傳輸，通過調(diào)制將數(shù)字信號變換為適合于在模擬信道中傳輸?shù)倪m當(dāng)?shù)男盘栃问?，這就需要由調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。,3.調(diào)制技術(shù),（1）調(diào)幅,與調(diào)頻,（2）幅移鍵控,（3）頻移鍵控,（4）相移鍵控,五、編碼/解碼,舉例：將模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，先對電話信號進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不

9、低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復(fù)出原來的電話信號。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號的最高頻率為3.4 kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8 kHz，相當(dāng)于采樣周期為125,s。下圖表示了上述的概念。,六、傳輸編碼,1.字符編碼,字母、數(shù)字和符號用二進(jìn)制編碼組合來表示，常用的二進(jìn)制代碼有國際5號碼、EBCDIC碼、國際2號電報碼等。,2.基帶傳輸編碼,基帶數(shù)字信號的編碼方法:,曼徹斯特,(Manchester),編碼,和,差分曼徹斯特編碼。,七、傳輸方式,1.并行傳輸和串行傳輸,2.單工、半雙工和全雙工通信,3.同步傳輸和異步傳輸,同步通信,就是要求接收端的時鐘頻率和發(fā)送端的時鐘頻率相

10、等(這常稱為,收發(fā)雙方的時鐘是同步的,)，以便使接收端對收到的比特流的采樣判決的時間是準(zhǔn)確的。,異步傳輸,又稱起止式傳輸，其特點(diǎn)是字符內(nèi)部的每一位采用固定的時間模式，字符之間間隔任意。用獨(dú)特的起始信號（或起始位）和終止信號（或結(jié)束位）來限定每個字符，傳輸效率較同步傳輸?shù)汀?八、傳輸形式,1.基帶傳輸,在數(shù)字信道上直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸。,2.頻帶傳輸,對原始基帶信號進(jìn)行調(diào)制后送入模擬信道傳輸，這種利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法就是頻帶傳輸。,2.2 差錯控制,一、差錯控制的基本方式,通過增加冗余碼元（犧牲有效性）提高傳輸系統(tǒng)的可靠性，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確接收。,1.檢錯反饋重發(fā),檢錯

11、反饋重發(fā)是計(jì)算機(jī)通信中最常用的差錯控制方法，通常又有三種方式：停發(fā)等待方式、連續(xù)發(fā)送方式、選擇重發(fā)方式。,（1）停發(fā)等待方式,發(fā)送端,1,時間,接收端,1,1,1,NAK,檢測到錯誤,2,2,ACK,檢測正確,3,3,ACK,檢測正確,時間,1,2,3,4,5,6,7,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,3,4,5,6,7,8,發(fā)送端,ACK1,ACK2,NAK3,ACK4,ACK3,檢測到錯誤,從碼組,3,開始重發(fā),接收端,時間,（2）連續(xù)發(fā)送方式,（3）選擇重發(fā)方式,1,2,3,4,5,6,7,3,8,9,10,11,1,2,3,4,5,6,7,3,8,9,10,11,發(fā)送

12、端,ACK1,ACK2,NAK3,ACK3,ACK4,檢測到錯誤,碼組,3,重發(fā),ACK7,時間,接收端,2.前向糾錯,前向糾錯，就是在發(fā)送端發(fā)出經(jīng)編碼的糾錯碼，接收端收到碼組后，能夠自動發(fā)現(xiàn)錯誤并糾正錯誤。,3.混合糾錯,檢錯反饋重發(fā)方式和前向糾錯方式的結(jié)合稱為混合糾錯,。,2.2.3,常用的檢糾錯碼,奇偶監(jiān)督碼,a,0,a,1,a,n-1,=1 （奇校驗(yàn)）,a,0,a,1,a,n-1,=0,（偶校驗(yàn)）,2.3 多路復(fù)用,一、多路復(fù)用原理,其理論依據(jù)是信號分割原理。多路復(fù)用有頻分多路復(fù)用、時分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用之分。,二、頻分多路復(fù)用,是指按照頻率參量的差別來分割各路信號的。在發(fā)送端使各

13、復(fù)用信號的頻譜互不重疊，在接收端用濾波器把各路信號區(qū)分開。,三、時分多路復(fù)用,按照時間參量的差別來分割各路信號。將信道工作時間劃分為周期T，每一周期又再劃分為若干時間間隔，在一個周期內(nèi)每一路信號占用一個時間間隔（通常稱為時隙）。,1.時分多路復(fù)用原理,2.T1系統(tǒng),日本和北美采用,T1,標(biāo)準(zhǔn)。,復(fù)用了,24,路話路信號，每個話路的采樣頻率是,8KHz,，,對每個采樣脈沖進(jìn)行,7bit,編碼，然后加上,1bit,作標(biāo)志，在第,24,路編碼之后再附加,1bit,用于幀同步，這樣構(gòu)成的幀共有,193bit,，,由此可計(jì)算出,T,標(biāo)準(zhǔn)的一次群數(shù)據(jù)速率為,8000193=1.544Mbps,。,3.E1

14、系統(tǒng),我國和歐洲采用,E,標(biāo)準(zhǔn)，,E1,系統(tǒng)是,E,標(biāo)準(zhǔn)的基群（一次群），有時稱為,PCM30/32,路系統(tǒng)。,每幀分為,32,個時隙，各個時隙從,0,到,31,編號，記為,TS0,，,TS1,，,TS2,，,，,TS31,，,其中,TS1,至,TS15,及,TS17,至,TS31,這,30,路時隙用來傳送,30,路,PCM,信號的,8,位碼組，每幀的開始時隙,TS0,（,8,位）作幀同步用，,TS16,（,8,位）用于傳輸信令。因?yàn)?TS16,的,8,位只能傳送兩路信令，所以又把每,16,個幀放在一起構(gòu)成更大的幀，稱為復(fù)幀。,由于每個時隙傳送,8bit,信息，因此,32,個時隙共用,256b

15、it,，,而每秒傳輸,8K,個幀，所以,E1,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)數(shù)率是,8000256=2.048Mbps,。,4.多級復(fù)用,5.統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用,四、波分復(fù)用,波分復(fù)用即為頻分復(fù)用運(yùn)用于光纖信道，實(shí)質(zhì)就是頻分復(fù)用，與FDM的區(qū)別僅在于WDM使用光復(fù)用器和光分用器。,DWDM系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)同時使用4個、8個、16個或n個波長，通常在一對光纖上構(gòu)成的光纖通信系統(tǒng)。一般每個光載波之間的波長間隔是0.8nm或1.6nm，等間隔分布，輸入的光載波經(jīng)光調(diào)制后變到相應(yīng)的波段。例如，對于4路傳輸速率均為2.5Gbps的光載波（波長均為1310nm），分別進(jìn)行光調(diào)制后變換到波長為1550nm、1550.8nm

16、、1551.6nm、1552.4nm，每個光載波波長間隔0.8nm，復(fù)用總速率達(dá)到10Gb/s。,五、碼分復(fù)用,碼分復(fù)用也是一種共享信道方法，各用戶以其特有的碼型（通常稱為偽隨機(jī)序列）在共同的信道帶寬內(nèi)傳送數(shù)據(jù)信息，按照碼型的差別來分割各路信號，這樣的通信方式叫做碼分多址（CDMA）。,在CDMA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)碼元時間被劃分為m個較短的時間間隔，稱之為碼片（chip），若干碼片組成碼片序列（也稱偽隨機(jī)序列），一般m=64或m=128。,2.4 數(shù)據(jù)交換,數(shù)據(jù)交換本身不關(guān)心傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，僅執(zhí)行交換的動作，將數(shù)據(jù)從一個端口交換到另一個端口，進(jìn)而傳輸?shù)搅硪粋€中間結(jié)點(diǎn)，直至目的地。從交換方式的發(fā)展過程來看，交換經(jīng)歷了電路交換、報文交換、分組交換和快速交換幾個階段。,一、電路交換,主機(jī),A,主機(jī),B,結(jié)點(diǎn),1,結(jié)點(diǎn),2,結(jié)點(diǎn),3,比特流,二、報文交換,基本思想：存儲-轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forward exchanging）。,主機(jī),B,主機(jī),E,結(jié)點(diǎn),主機(jī),A,主機(jī),C,主機(jī),D,主機(jī),F,結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn),三、分組交換,報文交換的一種改進(jìn)形式。首先將長報文分成若干個分