第三章

數(shù)據(jù)通信的基本原理第一頁，共六十八頁。主要內(nèi)容3.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)3.1.1 傅立葉分析3.1.2 有限帶寬信號(hào)3.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)3.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)3.2.2 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)3.2.3 多路復(fù)用技術(shù)3.2.4 通信線路的通信方式3.3 通信交換技術(shù)3.3.1 電路交換3.3.2 報(bào)文交換3.3.3 分組交換3.3.4 交換結(jié)構(gòu)第二頁，共六十八頁。3.1 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。

3.1.1 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,bn n次諧波項(xiàng)的正弦和余弦振幅值第三頁，共六十八頁。3.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)(２)已知g(t)，求c,an,bn1) 將等式兩邊從０到Ｔ積分可得c c= 2) 用sin(2kft)乘等式兩邊，并從０到Ｔ積分，可得an

an=3) 用cos(2kft)乘等式兩邊，并從０到Ｔ積分，可得bn

bn=第四頁，共六十八頁。3.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)(3)3.1.2 有限帶寬信號(hào)(BandwidthLimitedSignals)對(duì)于二進(jìn)制編碼０１１０００１０，其輸出電壓波形為： g(t)=第五頁，共六十八頁。3.1 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(3n/4)+cos(6n/4)-cos(7n/4)] bn= [sin(3n/4)-sin(n/4)+sin(7n/4)-sin(6n/4)] c=3/8 Fig.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。第六頁，共六十八頁。第七頁，共六十八頁。3.1 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：每個(gè)信號(hào)值可表示３位，則比特率是波特率的３倍； 每個(gè)信號(hào)值可表示１位，則比特率和波特率相同。對(duì)于比特率為Ｂbps的信道，發(fā)送８位所需的時(shí)間為8/B秒，若８位為一個(gè)周期Ｔ，則一次諧波的頻率是： f1=B/8Hz能通過信道的最高次諧波數(shù)目為： N=fc/f1第八頁，共六十八頁。3.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)(6)

音頻線路的截止頻率為3000Hz N=fc/f1=3000/(B/8)=24000/B Fig.2-2

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。第九頁，共六十八頁。第十頁，共六十八頁。3.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)(7)3.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率1924年，奈魁斯特（H.Nyquist）推導(dǎo)出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Ｈ的低通濾波器，則每秒采樣２Ｈ次就能完整地重現(xiàn)該信號(hào)，信號(hào)電平分為Ｖ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。 Ｓ：信號(hào)功率， Ｎ：噪聲功率 10log10S/N 單位：分貝（db）第十一頁，共六十八頁。3.1 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=Hlog2(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。第十二頁，共六十八頁。3.2 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)。3.2.1 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)控制第十三頁，共六十八頁。3.2 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)(AnalogData) 連續(xù)值 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(DigitalData) 離散值數(shù)據(jù)傳輸方式 信號(hào)： 模擬信號(hào)(AnalogSignals)

數(shù)字信號(hào)(DigitalSignals) 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）第十四頁，共六十八頁。3.2 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)字編碼解碼器第十五頁，共六十八頁。3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)(4)3.2.2 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。 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。第十六頁，共六十八頁。3.2 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-ReturntoZero）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（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。第十七頁，共六十八頁。3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)(6)

3）差分曼徹斯特碼（DifferentialManchester）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“1”電平不跳變。第十八頁，共六十八頁。NRZ曼徹斯特差分曼徹斯特逢“1”變化NRZ逢“0”變化NRZ第十九頁，共六十八頁。3.2 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) Figure第二十頁，共六十八頁。Caption:ModemshowingRS-232connectorforserialconnectiontocomputerandRJ-11jackforconnectiontophoneline.

第二十一頁，共六十八頁。Caption:Computersystemwithmodems,showingserialcabletomodemandcabletophonejack.第二十二頁，共六十八頁。Caption:Dialupmodemforvoicetelephonelines.第二十三頁，共六十八頁。Caption:Modemsinacomputercenterfordial-upmodemaccesstotheorganizationnetwork.第二十四頁，共六十八頁。Caption:AnAscendPipelineISDNmodem.第二十五頁，共六十八頁。Caption:TwoexamplesofPCMCIAfax/modem/Ethernetadapters.第二十六頁，共六十八頁。3.2 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-shiftkeying(ASK)頻移鍵控法Frequency-shiftkeying(FSK)相移鍵控法Phase-shiftkeying(PSK)第二十七頁，共六十八頁。3.2 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.2-18第二十八頁，共六十八頁。3.2 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.2-18第二十九頁，共六十八頁。3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)(11)

3）相移鍵控法（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.2-18第三十頁，共六十八頁。第三十一頁，共六十八頁。3.2 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（PulseCodeModulation）。 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)。第三十二頁，共六十八頁。第三十三頁，共六十八頁。第三十四頁，共六十八頁。3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)(13)3.2.3 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（TimeDivisionMultiplexing）

主要用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸 T1載波，分成24個(gè)信道 Fig.2-26頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing） Fig.2-24波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing） Fig.2-25第三十五頁，共六十八頁。第三十六頁，共六十八頁。第三十七頁，共六十八頁。第三十八頁，共六十八頁。3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)(14)3.2.4 通信線路的通信方式連接方式 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ABABCD第三十九頁，共六十八頁。3.2 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)第四十頁，共六十八頁。3.2 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)第四十一頁，共六十八頁。3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)(17)1)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，在基于字符的信息傳送中，可以采用異步方式，也可以采用同步方式。 2）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。第四十二頁，共六十八頁。3.2 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。0101011001起始位字符編碼奇偶校驗(yàn)終止位第四十三頁，共六十八頁。3.2 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，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。SYNSYN 信 息 SYNSYN第四十四頁，共六十八頁。3.2 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)記第四十五頁，共六十八頁。Communicationnetworkscanbeclassifiedbasedonthewayinwhichthenodesexchangeinformation:ATaxonomyofCommunicationNetworksCommunicationNetworkSwitched

CommunicationNetworkBroadcast

CommunicationNetworkCircuit-Switched

CommunicationNetworkPacket-Switched

CommunicationNetworkDatagram

NetworkVirtualCircuitNetwork第四十六頁，共六十八頁。3.3 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

第四十七頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（2）3.3.1 電路交換（circuitswitching）原理直接利用可切換的物理通信線路，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，數(shù)據(jù)傳送延遲較短。例TelephonenetworksISDN(IntegratedServicesDigitalNetworks)第四十八頁，共六十八頁。第四十九頁，共六十八頁。第五十頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（4）Anode(switch)inacircuitswitchingnetworkincominglinksoutgoinglinksNode第五十一頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（5）Multiplexing/DemultiplexingTimedividedinframesandframesdividedinslotsRelativeslotpositioninsideaframedetermineswhichconversationthedatabelongstoNeedssynchronizationbetweensenderandreceiverIncaseofnon-permanentconversationsneedstodynamicbindaslottoaconservation第五十二頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（6）3.3.2 報(bào)文交換（messageswitching）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.2-35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。

第五十三頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（7）3.3.3 分組交換（packetswitching）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，也可變長。Fig.2-34

Fig.2-35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；易于重傳，可靠性高；第五十四頁，共六十八頁。3.3 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（virtualcircuit）第五十五頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（9）AnodeinapacketswitchingnetworkincominglinksoutgoinglinksNodeMemory第五十六頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（10）DatafromanyconversationcanbetransmittedatanygiventimeHowtotellthemapart?usemeta-data(header)todescribedata第五十七頁，共六十八頁。3.3 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:IPnetworks虛電路電路交換和分組交換的結(jié)合dataistransmittedaspacketsallpacketsfromonepacketstreamaresentalongapre-establishedpath(=virtualcircuit)Guaranteesin-sequencedeliveryofpacketsHowever:Packetsfromdifferentvirtualcircuitsmaybeinterleaved第五十八頁，共六十八頁。3.3 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：拆除虛電路。Fig.2-43Note:packetheadersdon’tneedtocontainthefulldestinationaddressofthepacket例:ATMnetworks第五十九頁，共六十八頁。第六十頁，共六十八頁。3.3 通信交換方式（13）電路交換與分組交換的比較Mostimportantadvantageofpacket-switchingovercircuitswitching:Abilitytoexploitstatisticalmultiplexing:efficientbandwidthusage;ratiobetweenpeekandaveragerateis3:1foraudio,and15:1fordatatrafficHowever,packet-switchingneedstodealwithcongestion:morecomplexroutershardertoprovidegoo