1、第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),信號的形式,通信系統(tǒng)中是用電信號來傳送信息的。電信號有模擬信號和數(shù)字信號兩種方式。 模擬信號：信號的波形是連續(xù)變化的信號。 以電話通信為例，進(jìn)行電話通信時(shí)，線路中傳送的電信號的大小是隨著發(fā)話人聲音大小、強(qiáng)弱而變化的，好像是在“模仿”人的說話聲音。因?yàn)槟M數(shù)據(jù)具有連續(xù)性的特點(diǎn)，所以它可以取無限多個(gè)數(shù)值。例如聲音、電視圖像。 數(shù)字信號：是用一連串脈沖來表示所要傳送的信息的，不同的脈沖組合代表不同的信息。因此，數(shù)字信號的波形是離散的、不連續(xù)的。 因?yàn)槊}沖只存在“有”、“無”兩種狀態(tài)，所以可以用二進(jìn)制數(shù)字，即0和1的組合來代表，信號是二進(jìn)制數(shù)字的形式，傳送這種數(shù)字信號的通信就叫做

2、“數(shù)字通信”。,數(shù)據(jù)通信中的基本概念,信道,信道：信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，主要包括通信設(shè)備和傳輸媒體。 （和電路并不等同）一般都是用來表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接受信道。一個(gè)信道可以看成是一條電路的邏輯部件。 通信系統(tǒng)中，信道是一條物理路徑或一個(gè)信號傳輸頻率。在模擬信道中，通信信道是某一頻率或一定頻率范圍，而不是物理上的電纜線。一條傳輸介質(zhì)可以承載一個(gè)或多個(gè)通信信道。 帶寬 帶寬：信道所能傳輸?shù)男盘柕念l率范圍。通常用信道的最高頻率和最低頻率之差來表示。（HZ） 數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上等于每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為比特/秒

3、（bit/second）記做bps。,1. 傳輸速率 （1）信息速率Rb：每秒鐘傳送的信息位數(shù)。 單位：bit/s 比特率 （2）碼元速率RB：每秒鐘傳送的碼元數(shù)。 單位：Baud/s 波特率 Rb= RB log2 V (V為電平的級數(shù)） 2. 誤碼率 （1）誤碼率=錯(cuò)誤接收的信息數(shù)量/傳輸?shù)目傂畔?shù)量 （2）根據(jù)信息的單位不同可分為：誤比特率、誤碼元率、誤分組率等。 模擬線路上信號的速度以波特(Baud)為單位，每秒發(fā)送一個(gè)信號稱為1波特。 信號中包含的信息量(信號由多少個(gè)二進(jìn)制位表示)若是1個(gè)二進(jìn)制位(Bit)，則波特率等于比特率。若信號中包含的信息量不等于l個(gè)比特，則波特率不等于比特率

4、。,波特率和比特率,1.Nyquist定理 （理想信道情況下的數(shù)據(jù)傳輸）,當(dāng)信道為一理想的、頻帶寬為H的濾波器時(shí)，若發(fā)送端每隔t 12H秒發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖，在接收端每隔12H秒就能收到一個(gè)脈沖的峰值，這樣，一秒可發(fā) 2H個(gè)數(shù)據(jù)脈沖而不會(huì)發(fā)生干擾。 1924年Nyquist對上述問題作了如下總結(jié)：在頻帶寬為H的信道的輸出中，每秒不可能識別多于2H個(gè)信號。 Nyquist定理： 如果信號由V級離散值組成，V2L，其中L為信號所含比特?cái)?shù)。那么最大數(shù)據(jù)傳輸速率2Hlg2 V 。,信道容量,2.Shannon定理 （考慮噪聲情況下的數(shù)據(jù)傳輸）,實(shí)際信道都有噪聲。用N表示噪聲，S表示信號，SN表示信噪比。

5、 1948年香農(nóng) (Shannon)得出了關(guān)于噪聲通道的重要結(jié)論： 對于頻帶寬為H，信噪比為SN的通道 最大數(shù)據(jù)傳輸速率Hlog2(1+SN) 。,模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 _,奈奎斯特定理（采樣定理）： 如果連續(xù)變化的模擬信號最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。,語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個(gè)步驟： 1）采樣按一定間隔對語音信號進(jìn)行采樣 2）量化對每個(gè)樣本舍入到量化級別上 3）編碼對每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼,模擬話音,采樣時(shí)鐘,PAM 信號,PCM 信號,采樣電路,量化和編碼,數(shù)字化聲音,例子：

6、話音信道帶寬 2倍話音最大頻率) 量化級數(shù)：256級 (8位二進(jìn)制碼表示) 數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit = 64Kb/s 每路PCM信號的速率 = 64000bps,編碼后的信號稱為PCM（Pulse Coded Modulation）信號 （脈碼調(diào)制信號）,PCM轉(zhuǎn)換過程舉例,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信號,PAM脈沖,PCM 脈沖 （有量化誤差）,011100011011001100,PCM 輸出,多路復(fù)用,為了節(jié)省通信設(shè)備及費(fèi)用，常常需要在一條物理線路上同時(shí)傳送多路信息，這種技術(shù)稱為多

7、路復(fù)用。 多路復(fù)用有兩種基本方案，即頻分多路和時(shí)分多路。,DEMUX,共享信道,1. 頻分多路復(fù)用FDM,FDM(Frequency Division Multiplexing)將一條物理通道的頻帶分成若干段，每段形成一條邏輯通道(信道)。 在一條邏輯通道上可發(fā)送一路信息，多條邏輯通道可同時(shí)傳送，從而實(shí)現(xiàn)在一條物理通道上多路信息同時(shí)共傳。 下圖從原理上說明了這種多路共傳技術(shù)。,原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每個(gè)用戶占用一個(gè)頻率通道。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶。,適用于模擬信號傳輸,調(diào)幅無線電廣播是FDM的一個(gè)范例，中波頻帶寬約 1MHz，即5001600kHz，不同的電臺分配不同的頻

8、率，盡管同時(shí)廣播，收音機(jī)也能把指定臺的信號挑選出來。 多路載波電話也是FDM的范例，常將12路電話的音頻信號(每個(gè)信號的頻帶寬限制在0.033kHz)調(diào)制成(頻帶在60108kHz)一個(gè)基群(Group)信號。5個(gè)基群形成超群，5個(gè)超群(CCITT標(biāo)準(zhǔn))或10個(gè)超群(Bell系統(tǒng))共傳構(gòu)成主群。,2. 時(shí)分多路復(fù)用TDM,原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)通道（時(shí)隙） ，每個(gè)用戶占用一個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)。,1. 基帶傳輸,計(jì)算機(jī)的信息是以二進(jìn)制形式表示的。 基帶傳輸就是指二進(jìn)制信息借助電(矩形)脈沖表示形式(載體)直接送入信道的傳輸方式。,數(shù)字信號傳輸方式,基帶信號,在局域網(wǎng)中基帶

9、調(diào)制通常采用曼徹斯特(Manchester) 編碼。 Manchester編碼的規(guī)則是：信號的前半周期為低電平，后半周期為高電平表示數(shù)字“0”;信號前半周期為高電平，后半周期為低電平表示數(shù)字“1”。 Manchester編碼示例如下圖所示。,Manchester編碼示例圖,2. 頻帶傳輸 數(shù)字基帶信號不可能在諸如無線信道、光纖信道等傳輸媒質(zhì)中直接傳輸。與模擬信號一樣，必須經(jīng)調(diào)制后才能在無線信道、光纖信道等媒質(zhì)中傳輸。 用數(shù)字基帶信號調(diào)制載波后的傳送方式叫做頻帶傳輸。 1）常用的調(diào)制方式 2）調(diào)制解調(diào)器(MODEM),1）常用的調(diào)制方式,為什么要調(diào)制？ 二進(jìn)制信息“1”和“0”在基帶傳輸中一般以

10、矩形脈沖表示。矩形脈沖含有較大的低頻和高頻分量，普通通信電纜傳輸特性較差，其通頻帶約為303400Hz。 因此，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)就需將矩形脈沖信號加以變換，調(diào)制成兩種不同的正弦波，分別代表數(shù)字“0”和“1”。 正弦電壓可用下式表示： (t)Um sin(t+) 正弦函數(shù)的3個(gè)可變參數(shù)為振幅Um、角頻率及相位，對應(yīng)有“鍵控調(diào)幅”、“鍵控調(diào)頻”和“鍵控調(diào)相”3種類型的調(diào)制方式。 如下圖所示。,3種類型的調(diào)制方式,ASK,FSK,PSK,2) 調(diào)制解調(diào)器(MODEM),當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信時(shí)，需要采用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，調(diào)制解調(diào)器(MODEM)便是完成這一功能的設(shè)備，它是調(diào)制器(Modulator)和解調(diào)器

11、(Demodulator)復(fù)合體的總稱。 為了能利用電話線傳送數(shù)字信號，通常需要把數(shù)字信號先轉(zhuǎn)換(調(diào)制)為某種形式的模擬信號，發(fā)至電話線上； 當(dāng)信號到達(dá)另一端時(shí)再還原(解調(diào))為數(shù)字信號，供終端設(shè)備或計(jì)算機(jī)使用。下面簡單介紹MODEM的結(jié)構(gòu)原理。 調(diào)制解調(diào)：數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中是以離散的二進(jìn)制數(shù)字信號表示的，但在數(shù)據(jù)通信過程中，它是以數(shù)字信號方式表示，還是以模擬信號方式表示，主要取決于選用的通信信道所允許傳輸?shù)男盘栴愋?。如果通信信道不允許直接傳輸計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的數(shù)字信號，那么就需要在發(fā)送端將數(shù)字信號變換成模擬信號，在接收端再將模擬信號還原成數(shù)字信號，這個(gè)過程被稱為調(diào)制解調(diào)。,(1)調(diào)制器(Modulat

12、or),調(diào)頻式調(diào)制器的原理如圖所示。,(2)解調(diào)器(Demodulator),結(jié)構(gòu)如圖所示：,數(shù)據(jù)的傳輸方式,單工通信方式 在單工通信方式中，數(shù)據(jù)信息只能向一個(gè)方向傳輸，任何時(shí)候都不能改變數(shù)據(jù)的傳送方向。單工通信的信號傳輸鏈路一般由兩條線路組成，一條用于傳輸數(shù)據(jù)，另一條用于傳送控制信號，通常又稱為二線制。如收音機(jī)、電視的信號傳輸方式就是單工通信。 半雙工通信方式 在半雙工通信方式中，數(shù)據(jù)信息可以雙向傳送，但必須是交替進(jìn)行，同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送。傳輸線路只有一條，若想改變信息的傳送方向，需由開關(guān)進(jìn)行切換。適用于終端之間的會(huì)話通信，但由于通信中要頻繁地調(diào)換信道的方向，故效率較低，如對講

13、機(jī)。 全雙工通信方式 全雙工通信能在兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)送和接收信息，它相當(dāng)于把兩個(gè)相反方向的單工通信方式組合起來，因此一般采用四線制。全雙工通信效率高，控制簡單，但組成系統(tǒng)造價(jià)高，適用于計(jì)算機(jī)之間通信。如：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)通信。,數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),基帶傳輸 在數(shù)據(jù)通信中，電信號所固有的基本頻率叫基本頻帶，簡稱為基帶。這種電信號就叫做基帶信號。在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸。 頻帶傳輸 由于電話交換網(wǎng)是用于傳輸語音信號的模擬通信信道，并且是目前覆蓋面最廣的一種通信方式，因此利用模擬通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信也是最普遍使用的通信方式之一。而頻帶傳輸技術(shù)就是利用調(diào)制器把二進(jìn)制信號調(diào)制成能在

14、公共電話線上傳輸?shù)哪M信號。 頻帶傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是克服了電話線上不能傳送基帶信號的缺點(diǎn)，用于語音通信的電話交換網(wǎng)技術(shù)成熟，造價(jià)較低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)的目的，從而提高了通信線路的利用率。但其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)效率較低。 寬帶傳輸 寬帶系統(tǒng)是指具有比話音信道（4Khz）帶寬更寬的信道。使用這種寬帶技術(shù)進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)，稱為寬帶傳輸系統(tǒng)。寬帶傳輸系統(tǒng)可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且允許在同一信道上進(jìn)行數(shù)字信息和模擬信息服務(wù)。一個(gè)寬帶信道能被劃分為多個(gè)邏輯道，這樣就能把聲音、圖像和資料信息的傳輸綜合在一個(gè)物理信道中進(jìn)行。,多路復(fù)用技術(shù),頻分多路復(fù)用FDM (ADSL和有線電視、無線電廣播、無線電視) 頻

15、分復(fù)用是把線路或空間的頻帶資源分成多個(gè)頻段，將其分配給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶終端通過分配給它的子頻段傳輸，主要用于電話和電纜電視系統(tǒng)。 時(shí)分多路復(fù)用TDM 時(shí)分多路復(fù)用是將傳輸信號的時(shí)間進(jìn)行分割，使不同的信號在不同時(shí)間內(nèi)傳送，即將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔（稱為時(shí)隙、時(shí)間片），每個(gè)時(shí)間片被一路信號占用。 1.同步時(shí)分多路復(fù)用STDM 2. 異步時(shí)分多路復(fù)用ATDM 波分多路復(fù)用 WDM 波分復(fù)用即光的頻分復(fù)用,整個(gè)波長頻帶被劃分為若干個(gè)波長范圍,每路信號占用一個(gè)波長范圍來進(jìn)行傳輸。,數(shù)據(jù)交換技術(shù),電路交換 電路交換是一種直接的交換方式，它為一對需要進(jìn)行通信的裝置之間提供一條臨時(shí)的專用通道，一般由

16、交換機(jī)負(fù)責(zé)建立。即提供一條專用的傳輸通道，即可以是物理通道又可以是邏輯通道。這條通道是由節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電路對節(jié)點(diǎn)間傳輸路徑經(jīng)過適當(dāng)選擇、連接而完成的，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和多條節(jié)點(diǎn)間傳輸路徑組成的鏈路。 目前公用電話網(wǎng)廣泛使用的交換方式就是電路交換，經(jīng)由電路交換的通信包括三個(gè)階段：線路建立階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、線路釋放階段。 報(bào)文交換 報(bào)文交換方式就是用戶把需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，分割成一定大小的報(bào)文。每一個(gè)報(bào)文由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和報(bào)頭組成，報(bào)頭中有源地址和目標(biāo)地址。報(bào)文由發(fā)送端發(fā)送，在節(jié)點(diǎn)處被暫時(shí)存儲，節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)頭中的目標(biāo)地址為報(bào)文進(jìn)行路徑選擇，當(dāng)報(bào)文要發(fā)送的目的地址線路空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即將報(bào)文發(fā)送到目的地。,分組交換 分組

17、交換方式也稱包交換方式，該方式是把長的報(bào)文分成若干較短的報(bào)文分組，以報(bào)文分組為單位進(jìn)行發(fā)送、暫存和轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)報(bào)文分組，除要傳送數(shù)據(jù)地址信息外，還有數(shù)據(jù)分組編號。報(bào)文在發(fā)送端被分組后，各組報(bào)文可按不同的傳輸路徑進(jìn)行傳輸，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)時(shí)，同樣要存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，最后在接收端將各報(bào)文分組按編號再重新組成報(bào)文。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)：網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)都可以接受主機(jī)發(fā)送的分組（數(shù)據(jù)報(bào)）。網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)分組獨(dú)立的選擇路由。網(wǎng)絡(luò)只是盡最大努力地將分組交付給目的主機(jī)。但對源主機(jī)沒有任何承諾。所以數(shù)據(jù)報(bào)提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量。 虛電路服務(wù)：在源和目的主機(jī)之間進(jìn)行同時(shí)時(shí)，先建立虛電路，就好象在兩個(gè)主機(jī)之間建立了一對通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)

18、字管道（收發(fā)各用一條），所有發(fā)送的分組都按照順序傳輸，也不會(huì)因?yàn)槎氯鴣G失。所以對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）有較好的保證，但是復(fù)雜。,差錯(cuò)控制技術(shù),常見的差錯(cuò)控制技術(shù)有：奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)等。 誤碼率 誤碼率是指二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，數(shù)值上約等于 Pe=Ne/N（N為傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)，Ne為被傳錯(cuò)的碼元數(shù)）,數(shù)據(jù)編碼調(diào)制技術(shù),所謂編碼是指用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù),而調(diào)制是指用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)信號的編碼主要包括移幅鍵控（ASK），移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）技術(shù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號。常見的有： （1）不歸零碼（NRZ），二進(jìn)制數(shù)字0