1、1第二章第二章 物理層物理層數(shù)據(jù)通信的基本原理數(shù)據(jù)通信的基本原理物理層接口及其協(xié)議物理層接口及其協(xié)議2Part 數(shù)據(jù)通信的基本原理數(shù)據(jù)通信的基本原理1數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)1.1 傅立葉分析傅立葉分析1.2 有限帶寬信號(hào)有限帶寬信號(hào)1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù)2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.2 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.3 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)2.4 通信線路的通信方式通信線路的通信方式3 通信交換技術(shù)通信交換技術(shù)3.1 電路交換電路交換3.2 報(bào)文交換報(bào)文交換3.3 分組交換分組交換3.4 交換結(jié)

2、構(gòu)交換結(jié)構(gòu)31數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 1 )主要內(nèi)容：信號(hào)在通信信道上傳輸時(shí)的數(shù)學(xué)表示及其所受到的限制。1.1傅立葉分析 任何一個(gè)周期為T的有理周期性函數(shù) g(t) 可分解為若干項(xiàng)（可能無限多項(xiàng)）正弦和余弦函數(shù)之和：g(t) = c + + f = 1/T基本頻率an, bnn次諧波項(xiàng)的正弦和余弦振幅值21)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn41數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ()已知 g(t)，求c, an, bn1) 將等式兩邊從到積分可得cc = 2) 用sin(2kft)乘等式兩邊，并從到積分，可得an an = 3) 用cos(2kft)乘等式

3、兩邊，并從到積分，可得bnbn = T2Tdtnfttg0)2sin()(T2T2Tdttg0)(Tdtnfttg0)2cos()(51數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 3 )1.2有限帶寬信號(hào) (Bandwidth Limited Signals)對(duì)于二進(jìn)制編碼，其輸出電壓波形為： g(t) = 01010TtTTtTTtTTtTTt87878686838388061數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 4 )其傅立葉分析的系數(shù)為：an = cos(n/4) - cos(3 n/4) + cos(6 n/4) - cos(7 n/4)bn = sin(3n/4) - sin( n

4、/4) + sin(7 n/4) - sin(6 n/4)c = 3/8Fig. 2-1信號(hào)在信道上傳輸時(shí)的特性：對(duì)不同傅立葉分量的衰減不同，因此引起輸出失真；信道有截止頻率fc, 0 fc的振幅不衰減， fc以上的振幅衰減厲害，這主要由信道的物理特性決定， 0 fc稱為信道的有效帶寬；實(shí)際使用時(shí)，可以接入濾波器，限制用戶的帶寬；通過信道的諧波次數(shù)越多，信號(hào)越逼真。n1n1781數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 5 )波特率（baud）和比特率（bit）的關(guān)系：波特率：信號(hào)每秒鐘變化的次數(shù)，也稱調(diào)制速率。比特率：每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。波特率與比特率的關(guān)系取決于信號(hào)值與比特位的關(guān)系。例

5、：每個(gè)信號(hào)值可表示位，則比特率是波特率的倍； 每個(gè)信號(hào)值可表示位，則比特率和波特率相同。對(duì)于比特率為bps的信道，發(fā)送位所需的時(shí)間為 8/B秒，若位為一個(gè)周期，則一次諧波的頻率是：f1 = B/8 Hz能通過信道的最高次諧波數(shù)目為：N = fc / f191數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 6 )音頻線路的截止頻率為3000HzN = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/BFig. 2-2結(jié)論結(jié)論：即使對(duì)于完善的信道，有限的帶寬限制了數(shù)據(jù)的傳輸速率。10111數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 7 )1.3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率1924年，奈魁斯特（H. N

6、yquist）推導(dǎo)出無噪聲有限帶寬信道無噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率公式：最大數(shù)據(jù)傳輸率 = 2Hlog2V (bps)任意信號(hào)通過一個(gè)帶寬為的低通濾波器，則每秒采樣次就能完整地重現(xiàn)該信號(hào)，信號(hào)電平分為級(jí)。1948年，香農(nóng)（C. Shannon）把奈魁斯特的工作擴(kuò)大到信道受到隨機(jī)（熱）噪聲隨機(jī)（熱）噪聲干擾的情況。熱噪聲出現(xiàn)的大小用信噪比（信號(hào)功率與噪聲功率之比）來衡量。：信號(hào)功率，：噪聲功率10log10S/N單位：分貝（db）121數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) ( 8 )香農(nóng)的主要結(jié)論是： 帶寬為 H 赫茲，信噪比為S/N的任意信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為最大數(shù)據(jù)傳輸率 = Hlog

7、2(1 + S/N) (bps)電話系統(tǒng)的典型信噪比為30db;此式是利用信息論得出的，具有普遍意義；與信號(hào)電平級(jí)數(shù)、采樣速度無關(guān)；此式僅是上限，難以達(dá)到。132數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 1 )主要內(nèi)容：數(shù)據(jù)在通信信道上的各種傳輸方式及其所采用的技術(shù)。2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算機(jī)信號(hào)變換器計(jì)算機(jī)信號(hào)變換器信道差錯(cuò)控制142數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 2 )數(shù)據(jù)表示和傳輸方式數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)： 模擬數(shù)據(jù) (Analog Data) 連續(xù)值數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) (Digital Data) 離散值數(shù)據(jù)傳輸方式信號(hào)： 模擬信號(hào) (Analog Signals)數(shù)字信號(hào) (Digital

8、Signals)信號(hào)發(fā)送方式：模擬信號(hào)發(fā)送（模擬信道）數(shù)字信號(hào)發(fā)送（數(shù)字信道）152數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 3 )模擬信號(hào)發(fā)送：模擬數(shù)據(jù)（聲音）模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（二進(jìn)制脈沖）模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)發(fā)送：模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（二進(jìn)制脈沖）數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)發(fā)送的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，對(duì)噪聲不敏感； 缺點(diǎn)是：易受衰減，頻率越高，衰減越厲害。電話系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器MODEM編碼解碼器CODEC數(shù)字編碼解碼器162數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 4 )2.2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)研究數(shù)據(jù)在信號(hào)傳輸過程中如何進(jìn)行編碼（變換）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字傳輸（基帶傳輸）基帶：基本頻帶，指?jìng)鬏斪儞Q前所占用的頻帶，是原始信號(hào)所固 有的頻帶。

9、基帶傳輸：在傳輸時(shí)直接使用基帶信號(hào)?；鶐鬏斒且环N最簡(jiǎn)單最基本的傳輸方式，一般用低電平表示“0”，高電平表示“1”。適用范圍：低速和高速的各種情況。限制：因基帶信號(hào)所帶的頻率成分很寬，所以對(duì)傳輸線有一定的要求。172數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 5 )常用的幾種編碼方式：1）不歸零制碼（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用兩種不同的電平分別表示二進(jìn)制信息“0”和“1”，低電平表示“0”，高電平表示“1”。缺點(diǎn)： a難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始； b發(fā)送方和接收方必須有時(shí)鐘同步； c若信號(hào)中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號(hào)直流分量將累加。結(jié)論：容易產(chǎn)生傳播錯(cuò)誤。2）曼徹斯特碼（

10、Manchester），也稱相位編碼原理：每一位中間都有一個(gè)跳變，從低跳到高表示“0”，從高跳到低表示“1”。優(yōu)點(diǎn)：克服了NRZ碼的不足。每位中間的跳變即可作為數(shù)據(jù)，又可作為時(shí)鐘，能夠自同步。182數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 6 )3）差分曼徹斯特碼（Differential Manchester）原理：每一位中間都有一個(gè)跳變，每位開始時(shí)有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。位中間跳變表示時(shí)鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：時(shí)鐘、數(shù)據(jù)分離，便于提取。4）逢“1”變化的NRZ碼原理：在每位開始時(shí)，逢“1”電平跳變，逢“0”電平不跳變。5）逢“0”變化的NRZ碼原理：在每位開始時(shí)，逢“0”電平跳變，逢“

11、1”電平不跳變。19 001101NRZ曼徹斯特差分曼徹斯特逢“1”變化NRZ逢“0”變化NRZ202數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 7 )數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬傳輸（頻帶傳輸）- 頻帶傳輸：指在一定頻率范圍內(nèi)的線路上，進(jìn)行載波傳輸。用基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，使其變?yōu)檫m合于線路傳送的信號(hào)。- 調(diào)制（Modulation）：用基帶脈沖對(duì)載波信號(hào)的某些參量進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶脈沖變化。- 解調(diào)（Demodulation）：調(diào)制的反變換。- 調(diào)制解調(diào)器MODEM（modulation-demodulation) Figure21Caption: Modem showing RS-232 connecto

12、r for serial connection to computer and RJ-11 jack for connection to phone line. 22Caption: Computer system with modems, showing serial cable to modem and cable to phone jack. 23Caption: Dialup modem for voice telephone lines. 24Caption: Modems in a computer center for dial-up modem access to the or

13、ganization network. 25Caption: An Ascend Pipeline ISDN modem. 26Caption: Two examples of PCMCIA fax/modem/Ethernet adapters. 272數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 8 )根據(jù)載波 Asin(t + )的三個(gè)特性：幅度、頻率、相位，產(chǎn)生常用的三種調(diào)制技術(shù)：- 幅移鍵控法 Amplitude-shift keying (ASK)- 頻移鍵控法 Frequency-shift keying (FSK)- 相移鍵控法 Phase-shift keying (PSK) 282數(shù)據(jù)通信

14、技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 9 )1）幅移鍵控法（調(diào)幅） 幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，即： A(t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。 Fig. 2-18NAAAtAtt,)()()(2100292數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 10 )2）頻移鍵控法（調(diào)頻） 頻移就是把振幅、相位作為常量，而把頻率作為變量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。 Fig. 2-18NttAtA,)()()(2100302數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 11 )3）相移鍵控法

15、（調(diào)相） 相移就是把振幅、頻率作為常量，而把相位作為變量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。 Fig. 2-24NttAtA,)()()(21003132正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對(duì)于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困

16、難。 舉例332數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 12 )模擬數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸解決模擬信號(hào)數(shù)字化問題，也稱為脈沖代碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation）。根據(jù)Nyquist原理進(jìn)行采樣。1）常用的PCM技術(shù)將模擬信號(hào)振幅分成多級(jí)（2n），每一級(jí)用 n 位表示。例如：貝爾系統(tǒng)的 T1 載波將模擬信號(hào)分成128級(jí)，每次采樣用7位二進(jìn)制數(shù)表示。2）差分脈沖代碼調(diào)制原理：不是將振幅值數(shù)字化，而是根據(jù)前后兩個(gè)采樣值的差進(jìn)行編碼，輸出二進(jìn)制數(shù)字。3） 調(diào)制原理：根據(jù)每個(gè)采樣值與前一個(gè)值之間差“+1”或“-1”來決定輸出二進(jìn)制“1”或“0”。缺點(diǎn)：編碼速度跟不上變化太快的信號(hào)。34352數(shù)據(jù)通信

17、技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 13 )2.3多路復(fù)用技術(shù)由于一條傳輸線路的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳輸一個(gè)用戶信號(hào)所需的能力，為了提高線路利用率，經(jīng)常讓多個(gè)信號(hào)同時(shí)共用一條物理線路。常用的有三種方法：時(shí)分復(fù)用 TDM（Time Division Multiplexing）主要用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸T1載波，分成 24 個(gè)信道Fig. 2-33頻分復(fù)用 FDM（Frequency Division Multiplexing）Fig. 2-31波分復(fù)用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）Fig. 2-32363738392數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 14 )2.4通信線路的通信方式

18、連接方式為適應(yīng)不同的需要，通信線路采用不同的連接方式。點(diǎn) 點(diǎn)方式多點(diǎn)方式ABABCD402數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 15 )通信方式從信息傳送方向和時(shí)間的關(guān)系角度研究。單工通信方式信息只能單向傳輸，監(jiān)視信號(hào)可回送。半雙工通信方式信息可以雙向傳輸，但在某一時(shí)刻只能單向傳輸。AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號(hào)AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號(hào)412數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 16 )全雙工通信方式信息可以同時(shí)雙向傳輸，一般采用四線式結(jié)構(gòu)。AB數(shù)據(jù)監(jiān)視信號(hào)423.2數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 17 )同步方式目的：接收方必須知道每一位信號(hào)的開始及其寬度，以便正確的采樣接收。以字符傳輸（字符為基本傳輸單位）為例，在基于字符的信息

19、傳送中，可以采用異步方式，也可以采用同步方式。1）異步方式信息是以字符為單位傳送的；每個(gè)字符由發(fā)送方異步產(chǎn)生，有隨機(jī)性；字符一般采用5，6，7或8位二進(jìn)制編碼；需要輔助位，每個(gè)字符可能需要用10位或11位才能傳送，例如：起始位，1位；字符編碼，7位；奇偶校驗(yàn)位，1位；終止位，1 2位。432數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 18 )特點(diǎn)：傳輸效率低；主要用于字符終端與計(jì)算機(jī)之間的通信。0 1 0 1 0 11 00 1起始位字符編碼奇偶校驗(yàn)終止位442數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 19 )2）同步方式信息是以報(bào)文為單位傳送的；傳輸開始時(shí)，以同步字符使收發(fā)雙方同步；從傳輸信息中抽取同步信息，修正同步

20、，保證正確采樣。特點(diǎn)：可以不間斷地傳輸信息，傳輸效率較高；字符間減少了輔助信息；傳輸?shù)男畔⒅胁荒苡型阶址霈F(xiàn)，透明性較差。SYN SYN 信 息 SYN SYN452數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信技術(shù) ( 20 )3）基于位的傳送中，采用同步方式。信息以二進(jìn)制位流為單位傳送；傳輸過程中收發(fā)雙方以位為單位同步；傳輸?shù)拈_始和結(jié)束由特定的八位二進(jìn)制位同步。特點(diǎn)：傳輸效率高；通明性好。標(biāo)記 二進(jìn)制位流 標(biāo)記46Communication networks can be classified based on the way in which the nodes exchange information:A T

21、axonomy of Communication NetworksCommunication Communication NetworkNetworkSwitchedSwitchedCommunication Communication NetworkNetworkBroadcastBroadcastCommunication Communication NetworkNetworkCircuit-SwitchedCircuit-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkPacket-SwitchedPacket-SwitchedCom

22、munication Communication NetworkNetworkDatagramDatagram Network NetworkVirtual Circuit NetworkVirtual Circuit Network473通信交換方式（通信交換方式（1）在多結(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中，為有效利用通信設(shè)備和線路，一般希望動(dòng)態(tài)地設(shè)定通信雙方間的線路。動(dòng)態(tài)地接通或斷開通信線路，稱為“交換”交換方式分類：- 電路交換- 報(bào)文交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式- 分組交換（包交換）存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式- 混合交換 483通信交換方式（通信交換方式（2）3.1電路交換（circuit switching）原理-直接利用可切換

23、的物理通信線路，連接通信雙方。三個(gè)階段-建立電路-傳輸數(shù)據(jù)-拆除電路特點(diǎn)-在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須建立起點(diǎn)到點(diǎn)的物理通路；-建立物理通路時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳送延遲較短。例-Telephone networks-ISDN (Integrated Services Digital Networks)4950513通信交換方式（通信交換方式（4）A node (switch) in a circuit switching networkincoming linksoutgoing linksNode523通信交換方式（通信交換方式（5）Multiplexing/Demultiplexing- Time div

24、ided in frames and frames divided in slots- Relative slot position inside a frame determines which conversation the data belongs to- Needs synchronization between sender and receiver- In case of non-permanent conversations needs to dynamic bind a slot to a conservation533通信交換方式（通信交換方式（6）3.2報(bào)文交換（mess

25、age switching）原理- 信息以報(bào)文（邏輯上完整的信息段）為單位進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。- Fig. 2-39特點(diǎn)- 線路利用率高；- 要求中間結(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備）緩沖大；- 延遲時(shí)間長(zhǎng)。 543通信交換方式（通信交換方式（7）3.3分組交換（packet switching）原理- 信息以分組為單位進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。源結(jié)點(diǎn)把報(bào)文分為分組，在中間結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，目的結(jié)點(diǎn)把分組合成報(bào)文。- 分組：比報(bào)文還小的信息段，可定長(zhǎng)，也可變長(zhǎng)。- Fig. 2-38Fig. 2-39特點(diǎn)- 每個(gè)分組頭包括目的地址，獨(dú)立進(jìn)行路由選擇- 網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)設(shè)備中不預(yù)先分配資源- 線路利用率高；- 結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器利用率高；- 易于

26、重傳，可靠性高；553通信交換方式（通信交換方式（8）- 易于開始新的傳輸，讓緊急信息優(yōu)先通過；- 額外信息增加。分組交換分為- 數(shù)據(jù)報(bào)（datagram）和虛電路（virtual circuit）563通信交換方式（通信交換方式（9）A node in a packet switching networkincoming linksoutgoing linksNodeMemory573.3通信交換方式（通信交換方式（10）Data from any conversation can be transmitted at any given timeHow to tell them apart?

27、- use meta-data (header) to describe data583通信交換方式（通信交換方式（11）數(shù)據(jù)報(bào)- 每個(gè)分組均帶有全稱網(wǎng)絡(luò)地址（源、目的），可走不同的路徑。- 例: IP networks虛電路- 電路交換和分組交換的結(jié)合 data is transmitted as packets all packets from one packet stream are sent along a pre-established path (=virtual circuit) Guarantees in-sequence delivery of packets However: Packets from different virtual circuits may be interleaved593通信交換方式（通信交換方式（12）- 分三個(gè)階段 建立：發(fā)帶有全稱網(wǎng)絡(luò)地址的呼叫分組，建立虛電路 傳輸：沿建立好的虛電路傳輸數(shù)據(jù)； 拆除：拆除