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1、第3章数据通信基础知识,2,学习目标,信号分类：模拟信号和数字信号通信分类：模拟通信和数字通信数据传输率及其表示多路复用技术：频分、时分、波分数据交换技术：电路、报文、分组调制解调器（modem）,3,本讲主要内容,基本概念,数据通信理论,多路复用,数据交换技术,传输介质,调制解调器,4,基本通信理论,数据在信道中是以电信号的形式传送的，电信号分为模拟信号和数字信号两种。,模拟信号是连续变化的电压或电流波形,数字信号是一系列表示数字“0”或“1”的电脉冲（又程码元）。,数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。,5,数据通信中的几个主要指标,1.带宽信号占据的频率范
2、围，称为信号的带宽。信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围,2.信号传输速率信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特（baud）。注意：带宽为B的信道，要输出数字信号，其采样速度最高为2B即可（高于此则无意义）,6,数据通信中的几个主要指标,3.数据传输率 数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的位数，单位b/s、Kb/s、Mb/s，简写为bps、Kbps、Mbps。数据传输率和信号传输速率的关系：S=2Blog2N,S 数据传输率，B 信号传输速率，N 电平个数,7,电平变化,8,4.信道容量 信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力，它以数据传输速率作为指
3、标，即信道所能支持的最大数据传输速率。理想信道的容量（Nyquist定理）Rmax=2Blog2N（bps）,N 最大数据率(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps,话音级线路的信道容量计算(3000 Hz),数据通信中的几个主要指标,9,1942年，Nyquist证明：如果一个任意信号通过带宽为B的理想低通滤波器，若每秒取样2B次，就可完整地重现该滤波信号。在理想的条件下(即无噪声),有限带宽为B的信道，其最大的数据传输速率C(信道容量)为 Cmax=2Blog2N（bps）也称奈奎斯特(Nyquist)定理或取样定理。式中N是离散性
4、信号或电平的个数。,奈奎斯特(Nyquist)定理,10,例1 对一个无噪声的3000Hz信道，若传送二进制信号，试问可允许的数据传输速率是多少？,解 由于传送的二进制信号是“1”、“0”两个电平，所以N=2;又因为B=3000Hz，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=6000(b/s)。,举例,11,例2 一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？,解 由于8相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为8，即N=8，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=24000log28=24k（bps）。,举例,12,有噪声信道容量（Shan
5、non定理）Rmax=Blog2(1+S/N)（bps）S/N（信号功率/噪声功率）信噪比（dB分贝）,信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10S/N表示，单位是分贝（dB）。对于S/N10的信道，称其信噪比为10 dB；同理，S/N100的信道，称其信噪比为20 dB；,Shannon定理,13,5.误码率 传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标,误码率=传错的位数/传送的总位数Pe=Ne/N,数据通信中的几个主要指标,14,多路复用技术,定义复用就是共享使用公共信道,作用采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接
6、收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。,15,多路复用的基本概念,16,FDM(频分复用),WDM(波分复用),TDM(时分复用),CDMA(码分多址),复用技术主要有以下四类,复用技术的分类,17,频分多路复用,当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（Frequency Division Multiplexing,FDM)。,18,频分多路复用电话系统,每一路电话信号占用4KHz带宽,CCITT建议：每12路电话构成一个基群(Group)，占用60-108 KHz,每5个基群（Group），
7、构成一个60路的超群(Super Group)，占用312552 KHz的频带；,每5个超群，构成一个300路的主群（Master Group），占用8122044 KHz的频带；,每3个主群，构成一个900路的超主群(Super-Master-Group)，占用851612388KHz的频带；,每4个超主群，构成一个3600路的巨群（Giant-Group），占用4261259684KHz的频带（56K）；,19,时分多路复用,当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独
8、占信道进行传输，这就是时分多路复用（TDM）。（Time Division Multiplexing),20,时分多路复用,21,统计TDM与同步TDM比较,22,数字载波标准,T-标准：北美、日本E-标准：欧洲、中国、南美,带宽4kHz的电话信号，每秒采样为8000次不失真地恢复话音信息脉冲编码调制（Pulse Code Modulation PCM）,若每个采样点用8位，则1路电话所需数据传输率：8800064Kbps24路电话则要24个采样值,23,DS-1 帧,channel#1,channel#2,.,channel#24,定帧位,193 bits,数据传输率=(24x8+1 bit
9、)/125 ms=1.544 Mbps,8 bit,每个信道称为 DS0,125 ms,因此可利用一条传输率为 1.544 Mbps的信道同时传输24路电话，这种24路电话复用一条1.544 Mbps主干线路，称为T1标准,24,T1 载波系统,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,MUX,DEMUX,DS-1 frame,25,复用到更高级线路,4:1,4个T1(1.544Mbps)复用到一个T2（6.312Mbps）,6个T2复用到一个T3（44.736Mbps）,7个T3复用到一个T4（274.176Mbps）,注意：每次向上一次复用会有帧定界及时钟同步的开销,26,E1-帧,
10、E1中，每30路电话复用1条2.048Mbps的E1线路基群4个基群组成二次群E2（120路，8.448Mbps）4个二次群组成三次群E3（480路，34.368Mbps）4个三次群组成四次群E4（1920路，139.246Mbps）,27,波分多路复用,F1,波分多路复用（WDM）（Wavelength Division Multiplexing）是FDM应用于光纤信道的一个变例。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜或衍射光栅合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。,28,数字传输系统高次群的话路数和数据率,29,F2,F3,光谱,共享光纤
11、,F1,光纤波分复用示意图,采用无源设备，更可靠,波分多路复用,30,码分多址（CDMA）,码分多址（Code Division Multiple Access）在CDMA中，每个比特时间又再分成m个码片，每个站分配一个唯一的m比特码序列，当某个站欲发送“1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送“0”时，它就发送它的码序列的反码。,31,电路交换：电路交换是在通信的双方之间建立一条实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。,数据交换技术,通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直
12、至到信宿，这个过程称为交换。,32,数据交换技术,报文交换：发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，在报文正文上附加发、收站地址及其他控制信息，形成一分完整的报文，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。,分组交换：将一个大报文分割成一定长度的分组，以分组为单位存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文,33,电路交换的基本框架,34,包括呼叫建立、信息传送、连接释放三个阶段,电路交换的过程,1)呼叫建立阶段主叫(Calling Party)用户取机，听拨号音，拨被叫(Called Party)号码。若被叫用户不在同一个交换局，则A局(本地局)向B局(中转局)发送占用信号，转接被叫号码
13、，再由B局转发到C局(远端局)。最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。,35,2)通信阶段 此时始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。,3)连接释放阶段 当主叫或被叫任一方挂机，局间互送正向或反向拆线信号，经证实后释放连接。,电路交换的过程,36,电路交换的基本处理过程,37,优点：1、电路交换是一种实时交换，传输延迟小2、主、被叫用户间建立端-端连接，共享信道,电路交换的主要特点,缺点：1、建立物理线路时间比较长，不适合突发数据的传输；2、预分配带宽，即使无信息传送也虚占电路，带宽不能为其它用户占用,38,报文交换(Message
14、 Switch)不事先建立连接，当发送方有数据发送时，它将数据做为一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一交换设备，循环往复直，到数据到达目的地。专业说法：在报文交换节点接收一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发。,报文交换,39,报文交换的基本处理过程,40,报文交换的优缺点,优点：线路利用率高；不需要同时启动发送器和接收器来传输数据，网络可暂存；通信量大时仍可接收报文，但传输延迟会增加；一份报文可发往多个目的地；交换网络可对报文进行速度和代码等的转换。,缺点：中间节点必须具备很大的存储空间；大报文
15、的传输，增加小报文在网络种的延迟时间；当信道误码率高时，频繁重发。,41,报文和报文分组结构,由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重传花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。,42,分组交换工作原理,43,(1)能够实现不同类型的数据终端设备之间的通信；,分组交换的特点,(2)传输介质利用率高，经济性好（动态分配带宽）；,(3)数据传输质量高、可靠性高、交互性强（差错流量控制）,分组交换的缺点：(1)由于采用存储转发方式，分组在网内的平均时延较大；(2)每个分组有额外的开销，且实现的技术比较复杂,分组交换适
16、宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。,44,调制技术,将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，调制的方法：选取一个适合在线路上传输的正弦波作为载波，令载波的某些特征随基带信号的变化而变化。,45,三种调制方式,(1)幅度调制(AM，Amplitude Modulation)：简称调幅；使载波幅度随原始的模拟数据(即调制信号)的幅度变化，而载波的频率不变,(3)相位调制(PM，Phase Modulation)：简称调相；使载波相位随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。,(2)频率调制(FM，Frequency Modu
17、lation)：简称调频；使载波频率随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。,ASK-Amplitude-Shift Keying(幅移键控),46,模拟传输和数字传输,47,脉冲数字调制,数字传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，常常需要把模拟数据转换成数字信号来传输。,48,采样信号：基于nyquist理论,PCM 输出（编码）,脉冲编码调制（PCM）,49,PCM 转化过程,模拟话音,数字化声音,50,网络通信系统设计的几个基本问题,数据传输类型 模拟通信 数字通信数据通信方式 串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信同步方式 同步通信 异步通信,51,并行通信用于距
18、离较近、串行通信用于距离较远时,并行通信与串行通信,并行传输：至少同时传送8个数据位。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。计算机内部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。,串行传输：每次由源地传到目的地的数据只有一位，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢，但实际应用中往往选择串行数据传输，这是因为实现串行数据传输的硬件具有经济性和实用性。,52,串行通信与并行通信,53,通信线路的通信方式,在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式，称为单工通信。,1.单工通信,数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间段传输，在任一时刻只允许在一
19、个方向上传输主信息，这种通信方式称为半双工通信。,2.半双工通信,可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。,3.全双工通信,54,单工、半双工与全双工通信,55,同步通信与异步通信,同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。数据传输的同步方式一般分为位同步(识别每一位的开始和结束)、字符同步(识别每一个字符或一帧数据的开始和结束)、帧同步(数据和控制信息按一定的帧结构传输),56,同步通信与异步通信,异步通信中，发送端可以在任意时刻发送字符，字符之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后各加入13位信息作为字符的开始和结束标志位，以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次，从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。,57,同步通信与异步通信,
