1、第3章数据通信基础知识2学习目标学习目标1.信号分类：模拟信号和数字信号2.通信分类：模拟通信和数字通信3.数据传输率及其表示4.多路复用技术：频分、时分、波分5.数据交换技术：电路、报文、分组6.调制解调器（modem）3本讲主要内容本讲主要内容基本概念基本概念数据通信理论数据通信理论多路复用多路复用数据交换技术数据交换技术传输介质传输介质调制解调器调制解调器4基本通信理论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。模拟信号模拟信号是连续变化的电压或电流波形数字信号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
2、传输的质量高，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。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数据通信中的几个主要指标1.1.带宽带宽信号占据的频率范围，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2.2.信号传输速率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：带宽为注意：带宽为B B的信道，要输出数字信号，其采样速度的信道，要输出数字信号，其采样速度最高为最高为2B2B即可（高于此则无意义）即可（高于此则无意义）6数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标3.3.数据传输率数据
3、传输率 数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的位数，单位位数，单位b/sb/s、Kb/sKb/s、Mb/sMb/s，简写为，简写为bpsbps、KbpsKbps、MbpsMbps。数据传输率和信号传输速率的关系：数据传输率和信号传输速率的关系： S=2BlogS=2Blog2 2N NS 数据传输率， B 信号传输速率，N 电平个数7电平变化电平变化00110001101100001010011184.4.信道容量信道容量 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标，即
4、信道所能支持的最大数据以数据传输速率作为指标，即信道所能支持的最大数据传输速率。传输速率。 理想信道的容量（理想信道的容量（NyquistNyquist定理）定理）Rmax=2BlogRmax=2Blog2 2N N（bpsbps） N N 最大数据率最大数据率 (C) (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps话音级线路的信道话音级线路的信道容量计算容量计算 (3000 Hz)数据通信中的几个主要指标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
5、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是离散性信号或电平的个数。奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)定理定理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
6、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）。举例举例12有噪声信道容量（有噪声信道容量（ShannonShannon定理）定理）R Rmaxmax=Blog=Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（bpsbps） S/N S/N （信号功率信号功率/ /噪声功率噪声功率）信噪比（）信噪比（dBdB分贝）分贝）信噪比通常不用绝对值表示，而是信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10log1010S/NS/N表示，表示，单位是分贝（单位是分贝（dBdB）。）。对于对于S/NS
7、/N1010的信道，的信道，称其称其信噪比为信噪比为10 dB10 dB；同理，同理， S/NS/N100100的信道，的信道，称其称其信噪比为信噪比为20 dB20 dB；Shannon定理定理135.5.误码率误码率 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据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标误码率误码率= =传错的位数传错的位数/ /传送的总位数传送的总位数Pe= Ne / NPe= Ne / N 数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标14多路复用技术多路复用技术定义复用就是共享
8、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多路复用的基本概念16lFDM (频分复用)lWDM (波分复用)lTDM (时分复用)lCDMA (码分多址)DEMUX共享信道MUX复用技术主要有以下四类复用技术主要有以下四类复用技术的分类复用技术的分类17频分多路复用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)。CH
9、2CH1CH3原始带宽原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽频分后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f18频分多路复用电话系统频分多路复用电话系统CH1CH2CH3f80848892每一路电话信号占用每一路电话信号占用4KHz带宽带宽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），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-
10、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占信道进行传输，这就是时分多路复用（TDM）。（Time Division Multiplexing)20A2A1A3原始信号原始信号D2D1D3数字化信号数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1时分多路复用时分
11、多路复用21统计统计TDM与同步与同步TDM比较比较ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽22数字载波标准数字载波标准北美、日本欧洲、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23DS-1 帧帧channel#1channel#2. . . . . . .chan
12、nel#24 每个信道称为每个信道称为 DS0 DS024路电话复用一条路电话复用一条1.544 Mbps主干线主干线路，路，称为称为T1标准标准24T1 载波系统载波系统PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1 frame25复用到更高级线路复用到更高级线路012332104:14个个T1(1.544Mbps)复用到一个复用到一个T2（6.312Mbps）6个个T2复用到一个复用到一个T3（44.736Mbps）7个个T3复用到一个复用到一个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26E1-帧帧0121631帧同步信令信道30 话音信
13、道+2 控制信道E1中，每3030路电话复用1条2.048Mbps的E1线路基群基群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数字传输系统高次群的话路数和数据率数字传输系统高次群的话路数和数据率系统类型一次群二次群三次群四次群欧洲体制符号话路数数据率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美体制符号话路数数据率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.17628波分多路复用波分
14、多路复用F129棱柱棱柱/ /衍射光栅衍射光栅F2F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2 2光纤光纤3 3光纤光纤1 1共享光纤共享光纤 F1光纤波分复用示意图光纤波分复用示意图采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠波分多路复用波分多路复用30码分多址（码分多址（ CDMA）31l电路交换电路交换：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，直至到信宿，这个
15、过程称为交换。32数据交换技术数据交换技术 l报文交换报文交换：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。l分组交换分组交换：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电路交换的基本框架 话机 AA终端设备Modem调制解调器电话网或CSPDNModem调制解调器传输系统交换机交换机话机 BB34包括呼叫建立呼叫建立、信息传送信息传送、连接释放连接释放三个阶段 电路交换的过程电路交换的过程 1) 呼叫建立阶段呼叫建立阶
16、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，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。352)通信阶段通信阶段 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。电路交换的过程电路交换的过程 36电路交换的基本处理过程电路交换的基本处理过程 主叫用户A局B局C局被叫用户拨号音
17、拨号占用信号占用信号振铃取机通话(信息传送)被叫挂机反向拆线信号主叫挂机正向拆线信号挂机正向证实信号呼叫建立连接释放回铃音挂机37优点：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电路交换的主要特点缺点：缺点：1、建立物理线路时间比较长，不适合的传输；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报文交换报文交换(Message 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存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发转发给下一交换设备，循
18、环往复直，到数据到达目的地。专业说法专业说法：在报文交换节点接收一份份报文，予以存储存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发转发。报文交换报文交换39报文交换的基本处理过程报文交换的基本处理过程 40报文交换的优缺点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报文和报文分组结构 l由于分组长度较短
19、，在传输出错时，检错容易并且重传花费的时间较少；l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；l公用数据网采用的是分组交换技术。42分组交换工作原理分组交换工作原理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
20、调制技术调制技术45三种调制方式三种调制方式(1)幅度调制幅度调制(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)频率调制频率调制( (FM，Frequency Modulation)：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(幅移键控幅移键控)46模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输话音话音电话
21、电话模拟模拟模拟数据模拟数据,模拟信号模拟信号数字数字Modem模拟模拟数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数字数字传输数字传输数字数字数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟模拟CODEC数字数字模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号47脉冲数字调制脉冲数字调制采样电路采样电路量化和比较量化和比较48l采样信号：基于采样信号：基于nyquistnyquist理论理论脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）49PCM 转化过程转化过程BACD采样电路采样电路量化和比较量化和比较50网络通信系统设计的几个基本问题网络通信系统设计的几个基本问题l数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数
22、字通信l数据通信方式数据通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信l同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信51并行通信用于距离较近、串行通信用于距离较远时并行通信用于距离较近、串行通信用于距离较远时并行通信与串行通信并行通信与串行通信并行传输并行传输：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
23、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串行通信与并行通信 发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)53通信线路的通信方式通信线路的通信方式1. 1. 单工通信单工通信2. 2. 半双工通信半双工通信3. 3. 全双工通信全双工通信54单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送55同步通信与异步通信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
24、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位同步(识别每一位的开始和结束)、字符同步字符同步(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同步通信与异步通信SYNSYN.一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符终止位(逻辑“0”)起始位(逻辑“1”)tb0b1b2b3b4b5b6字节5字节4字节3 字节2字节1
