1、1,第2章 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識,本章內(nèi)容 信道 傳輸介質(zhì) 數(shù)據(jù)編碼 多路復(fù)用技術(shù) 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 差錯控制及檢錯,2,2.1 基本概念,數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語 數(shù)據(jù)（Data）：傳遞（攜帶）信息的實(shí)體。 信息（Information）：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。 信號（Signal）：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式在介質(zhì)中傳播。 模擬信號、數(shù)字信號 基帶（Base band）、寬帶（Broad band） 基帶傳輸是指在通信電纜上原封不動地傳輸由計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)通信終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號。大多數(shù)局域網(wǎng)(LAN)使用的都是基帶傳輸。直接使用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號幾乎要占用整個頻

2、帶。頻帶越寬，傳輸線路的電容電感等對傳輸信號波形衰減的影響越大。基帶傳輸?shù)木嚯x一般不超過2km，超過時需通過稱為中繼器的設(shè)備對信號進(jìn)行放大，以延長傳輸距離。 寬帶傳輸是指傳輸介質(zhì)在信息傳輸時能夠支持較寬的頻帶，一般在300MHz400MHz左右。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時將此頻帶分割成若干個子頻帶，通過使用多路復(fù)用方法，在一個信道中可以同時傳播聲音、圖像和數(shù)據(jù)多種信息，使系統(tǒng)具有多種用途。,3,數(shù)據(jù)、信息,信息是人對現(xiàn)實(shí)世界事物存在方式或運(yùn)動狀態(tài)的某種認(rèn)識; 數(shù)據(jù)是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式; 信號是數(shù)據(jù)的具體的物理表現(xiàn)。,4,數(shù)據(jù)通信的基本概念,雪 六角形 涼 白色,信息,數(shù)據(jù),信號,例子,5,數(shù)據(jù)

3、通信的基本概念,信息：人對雪花和馬的認(rèn)識 數(shù)據(jù)：文字，二進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù) 信號：電壓，光，磁場強(qiáng)度,6,信道（Channel）：傳送信息的線路（或通路）。 比特（bit）：即一個二進(jìn)制位。比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（即數(shù)據(jù)傳送速率）。 碼元（Code cell）：時間軸上的一個信號編碼單元。,7,同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始 同步脈沖也可位于碼元的中部 一個碼元也可有多個同步脈沖相對應(yīng),t,碼元1,碼元2,碼元3,碼元4,碼元5,信號,同步脈沖,t,8,DNS,寫入脈沖,讀出脈沖,緩沖存儲器,數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò),數(shù)字網(wǎng)示意圖,從輸入數(shù)字碼流中提取,本局時鐘,在通信信號的傳輸過程中，

4、同步是十分重要的，如果不能同步，就會在數(shù)字交換機(jī)的緩存器中產(chǎn)生信息比特的溢出和取空，導(dǎo)致數(shù)字流的滑動損傷，造成數(shù)據(jù)出錯。,9,波特（Baud）：碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?。波特率為每秒傳送的碼元數(shù)（即信號傳送速率）。 比特率、波特率和信號編碼級數(shù)的關(guān)系如下： Rbit = Rbaud log2M 上式中： M-信號的編碼級數(shù)，Rbit-比特率，Rbaud-波特率 一個信號往往可以攜帶多個二進(jìn)制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特。 例如：當(dāng)波特率為9600時 若M=2，數(shù)據(jù)傳輸率為9600b/s 若M=16，數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kb/s,10,誤碼

5、率：信道傳輸可靠性指標(biāo)，是一個概率值。 傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù) 信息編碼：將信息用二進(jìn)制數(shù)表示的方法。 例如：ASCII編碼、BCD編碼等 數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。 例如：字符A的ASCII編碼為01000001，其數(shù)據(jù)編碼可能為,11,帶寬（Band width，BW） 信道傳輸能力的度量。在傳統(tǒng)的通信工程中： BW fmax fmin 單位：赫茲（Hz）,100 300 500 700 900,頻率,帶寬=900-100=800,12,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般用每秒允許傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)作為帶寬的計(jì)量單位。主要單位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。 例如：傳統(tǒng)以太網(wǎng)理

6、論上每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬為10Mb/s。 在理解帶寬這個概念之前，我們首先來看一個公式： 帶寬=時鐘頻率x總線位數(shù)/8， 從公式中我們可以看到，帶寬和時鐘頻率、總線位數(shù)是有著非常密切的關(guān)系的。其實(shí)在一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，不僅顯示器、內(nèi)存有帶寬的概念，在一塊板卡上，帶寬的概念就更多了，完全可以說是帶寬無處不在。 那到底什么是帶寬呢？帶寬的意義又是什么？簡單的說，帶寬就是傳輸速率，是指每秒鐘傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MB/S），即每秒處理多少兆字節(jié)，高帶寬則意味著系統(tǒng)的高處理能力。 為了更形象地理解帶寬、位寬、時鐘頻率的關(guān)系，我們舉個比較形象的例子，工人加工零件，如果一個人干，在大家單個加工速度相

7、同的情況下，肯定不如兩個人干的多，帶寬就象是加工零件的總數(shù)量，位寬仿佛工人數(shù)量，時鐘工作頻率相當(dāng)于加工單個零件的速度，位寬越寬，時鐘頻率越高則總線帶寬越大,其好處也是顯而易見的。,13,時延（Delay）：信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間。 時延=處理時延+排隊(duì)時延 +發(fā)送時延+傳播時延 處理時延=對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和錯誤校驗(yàn)所需的時間 排隊(duì)時延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點(diǎn)等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時間 發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬 傳播時延=d/s d:距離，s:介質(zhì)中信號傳播速度(0.7c),14,延遲 在每個步跳中產(chǎn)生的延遲可分為四種,處理時延: 校驗(yàn)錯誤 確定輸出鏈路 排隊(duì)時延: 在輸出鏈路中等待被發(fā)送 取

8、決于路由器的擁塞程度,15,發(fā)送時延: R=鏈路帶寬 (b/s) L=分組長度 (bits) 將分組位流發(fā)送到鏈路上的時間= L/R,傳播時延: d = 物理鏈路的長度 s = 介質(zhì)中的信號傳播速度 (2x108 m/s) 傳播延遲 = d/s,注意: s 和 R 是完全不同的兩個概念!,16,時延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特?cái)?shù)。 時延帶寬乘積=帶寬傳播時延 例如，某信道的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特到達(dá)目的端時，源端已發(fā)送了100萬比特。,管道體積=時延帶寬乘積,17,往返時延（Round-Trip Time，RTT）：從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到接收端的確認(rèn)所經(jīng)

9、歷的時間 RTT2傳播時延 傳輸可靠性 兩個含義： 數(shù)據(jù)能正確送達(dá) 數(shù)據(jù)能有序送達(dá)（當(dāng)采用分組交換時）,18,1. 數(shù)據(jù)通信的一般概念,通信的三個要素：信源、信宿和信道,任何信道都不是完美無缺的，因此會對傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生干擾，稱為“噪聲”。 外界：閃電、串?dāng)_、電氣設(shè)備 內(nèi)部：介質(zhì)特性（衰減、延遲與頻率有關(guān)）,19,信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程 把攜帶信息的數(shù)據(jù)用物理信號形式通過信道傳送到目的地 信息和數(shù)據(jù)（二進(jìn)制位）不能直接在信道上傳輸 編碼：數(shù)據(jù)適合傳輸?shù)臄?shù)字信號便于同步、識別、糾錯 調(diào)制：數(shù)字信號適合傳輸?shù)男问桨搭l率、幅度、相位 解調(diào)：接收波形數(shù)字信號 解碼：數(shù)字信號原始數(shù)據(jù),20,2.

10、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 傳輸線路 有線介質(zhì)、無線介質(zhì) 傳輸設(shè)備 調(diào)制解調(diào)器、中繼器、多路復(fù)用器、交換機(jī)等 調(diào)制解調(diào)器等網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備也稱為DCE（Data Circuit Equipment） 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)、終端等 又分為： 源系統(tǒng)（信源發(fā)送器）：發(fā)出數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī) 目的系統(tǒng)（信宿接收器）：接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)、終端等設(shè)備也稱為DTE（Data Terminal Equipment ）,21,數(shù)據(jù)通信基本過程,5個階段 包含兩項(xiàng)內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制 過程 與打電話比較 建立物理連接 撥號，撥通對方 建立邏輯連接 互相確認(rèn)身份 數(shù)據(jù)傳輸 互相通話 斷開邏輯連接 互相確認(rèn)要結(jié)

11、束通話 斷開物理連接 雙方掛機(jī),*注意，并不是所有的數(shù)據(jù)通信都需要全部5個階段。,22,2.2 信道及其主要特征,1. 數(shù)字信道和模擬信道 數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號）傳輸數(shù)據(jù)的信道。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要采用數(shù)字信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域網(wǎng) 模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。 CATV、無線電廣播、電話撥號線路,23,模擬信號和數(shù)字信號 模擬信號 時間上連續(xù)，包含無窮多個信號值 數(shù)字信號 時間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號值。最常見的是二值信號,t,a） 模擬信號,b） 數(shù)字信號,24,周期信號和非周期信號 周期信號 信號由不斷重復(fù)的固定模式組成（

12、如正弦波） 非周期信號 信號沒有固定的模式和波形循環(huán)（如語音的音波信號）。,周期信號,非周期信號,25,數(shù)字通信與模擬通信 數(shù)字通信 在數(shù)字信道上實(shí)現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸 模擬通信 在模擬信道上實(shí)現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn) 抗噪聲（干擾）能力強(qiáng) 可以控制差錯，提高了傳輸質(zhì)量 便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 易于加密、保密性強(qiáng) 可以傳輸語音、數(shù)據(jù)、影像，通用、靈活 計(jì)算機(jī)通信僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信，如通過電話線撥號上網(wǎng)。,26,2. 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率,Nyquist公式：用于無噪聲理想低通信道 Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。 例如，

13、話音級線路的帶 寬約為3.1kHz，根據(jù)上 式計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù) 傳輸率如右表所示,M 最大數(shù)據(jù)率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s 16 24800 b/s 32 31000 b/s,27,非理想信道 實(shí)際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。 損耗引起信號強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。 延遲會使接收端的信號產(chǎn)生畸變。 噪聲會破壞信號，產(chǎn)生誤碼。 例如：數(shù)據(jù)傳輸速率為56kb/s時，持續(xù)時間0.01s的干擾會破壞約560個比特。,28,Shannon公式：用于有噪聲干擾信道 例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則 C = 3100log2（1+200

14、0） 34kb/s 即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會大于34kb/s。,信噪比的單位也可用分貝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N 所以，若S/NdB=30dB ，則S/N=1000。,29,Nyquist公式和Shannon公式的比較,C = 2W log2M 用于理想信道（這樣的信道存在嗎？） 數(shù)據(jù)傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加。 C = W log2（1+S/N） 用于有噪聲信道（實(shí)際的信道總是有噪聲?。?無論信號編碼級數(shù)增加到多少，此公式給出了有噪聲信道可能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。 原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。,30,3. 通信網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)的連接方式,31

15、,4. 數(shù)據(jù)傳輸方式,單/雙工通信單/雙向傳輸 單工：數(shù)據(jù)單向傳輸（例：無線電廣播） 半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時刻雙向傳輸（例：對講機(jī)） 全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時傳輸（例：電話） 需要具有兩條物理上獨(dú)立的傳輸線路； 或者需要具有一條物理線路上的兩個信道，分別用于不同方向的信號傳輸。,32,發(fā)送器,接收器,發(fā)送器/接收器,發(fā)送器/接收器,發(fā)送器/接收器,發(fā)送器/接收器,單工方式：,半雙工方式：,全雙工方式：,A站,B站,可同時,不可同時,33,基帶/頻帶/寬帶傳輸 基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。 例如：以太網(wǎng)（局域網(wǎng)） 頻帶傳輸：數(shù)字信號調(diào)制成音頻(

16、:20Hz - 20KHz )模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。 例如：通過電話網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù) 寬帶傳輸：把信號調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百M(fèi)HZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。 例如：閉路電視的信號傳輸,34,數(shù)據(jù)同步方式 目的是使接收端與發(fā)送端在時間基準(zhǔn)上一致： 同步脈沖頻率 數(shù)據(jù)從什么時候開始，什么時候結(jié)束 位邊界 數(shù)據(jù)塊邊界 數(shù)據(jù)通信中需要在三個層次上實(shí)現(xiàn)同步： 位位同步 字符字符同步 幀(Frame)幀同步,35,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步，2種同步方法： 外同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。 自

17、同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。,36,在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示1，從低到高跳變表示0。還有一種是差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示0或1，有跳變?yōu)?，無跳變?yōu)?。,37,字符同步：找到正確的字符邊界。 常用的為起止式（異步式）。在這種方式中，每個字符的傳輸需要： 1個起始位、58個數(shù)據(jù)位、1、1.5或2個停止位 采用這種同步方式的通信也稱“異步通信”。 起止式的優(yōu)缺點(diǎn)： 頻率的漂移不會積累，

18、每個字符開始時都會重新獲得同步； 每兩個字符之間的間隔時間不固定； 增加了輔助位，所以傳輸效率低； 例如，采用1個起始位、 8個數(shù)據(jù)位、 2個停止位時，其傳輸效率為8/1173,38,幀同步：識別一個幀的起始和結(jié)束。 幀（Frame）：數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊 面向字符的以同步字符（SYN，16H）來標(biāo)識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀 面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）來標(biāo)識一個幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀,7EH,7EH,39,2.3 傳輸介質(zhì),磁介質(zhì) 高帶寬、低費(fèi)用、高延時（小時） 在通信中很少使用 金屬導(dǎo)體 雙絞線、 同軸電纜(粗、細(xì))

19、 光纖 無線介質(zhì) 無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線,40,雙絞線（Twist Pair，TP）,-螺旋絞合的雙導(dǎo)線 -每根4對、25對、1800對 -典型連接距離100m（LAN） -RJ45插座、插頭 -優(yōu)缺點(diǎn)： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易（綜合布線系統(tǒng)） 平衡傳輸（高速率） 抗干擾性一般 連接距離短,應(yīng)用領(lǐng)域：電話網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng),41,雙絞線（Twisted Pair）,雙絞線減少相互間的干擾 電纜常常包括多對雙絞線 雙絞線分為兩類： 屏蔽雙絞線STP（Shielded Twisted Pair） 非屏蔽雙絞線UTP（Unshielded Twisted Pair） 3類UTP：

20、常用來傳輸話音 5類UTP：可以100Mbps傳輸數(shù)據(jù) 超5類UTP：支持的數(shù)據(jù)速率更高,42,物理層中的傳輸媒體,(a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP.,雙絞線,43,物理層中的傳輸媒體,雙絞線,44,平行線的噪聲干擾,45,雙絞線的噪聲干擾,46,雙絞線小結(jié),一般在一根線內(nèi)有多對，常在21800對之間； 雙絞線分為： UTP（非屏蔽雙絞線）成本低，安裝容易，易受外部 或附近雙絞線的干撓； STP（屏蔽雙絞線）：在線的外層加上金屬包層來屏蔽 外界的干撓，成本高，安裝難度大； 根據(jù)1995年的電子工業(yè)協(xié)會EIA公布的標(biāo)準(zhǔn)EIA-586-A， 其中100的

21、3類UTP和5類UTP，STP是150，其中CAT3 和CAT5的區(qū)別在于旋絞次數(shù)，CAT5一般是34次/英寸， 而CAT3則是34次/英尺；,47,48,UTP的主要性能參數(shù)和用途,49,50,2020/9/22,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合,從性價比和可維護(hù)性出發(fā)，大多數(shù)局域網(wǎng)使用非屏蔽雙絞線(UTPUnshielded Twisted Pair)作為布線的傳輸介質(zhì)來組網(wǎng)。,網(wǎng)線由一定距離長的雙絞線與RJ45頭組成。,雙絞線,RJ45頭,51,2020/9/22,雙絞線做法有兩種國際標(biāo)準(zhǔn)： EIA/TIA568A和EIA/TIA568B 如圖：,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合

22、,52,2020/9/22,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合,53,2020/9/22,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合,雙絞線的連接方法：直通線纜和交叉線纜。,直通線纜的水鏡頭兩端都遵循568A或568B標(biāo)準(zhǔn)，雙交線的每組線在兩端是一一對應(yīng)的，顏色相同的在兩端水晶頭的相應(yīng)槽中保持一致。它主要用在交換機(jī)（或集線器）Uplink口連接交換機(jī)（或集線器）普通端口或交換機(jī)普通端口連接計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡上。,54,2020/9/22,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合,交叉線纜的水晶頭一端遵循568A，而另一端則采用568B標(biāo)準(zhǔn)，即A水晶頭的1、2對應(yīng)B水晶頭的3、6，而A水晶頭的3、6對應(yīng)B水晶頭

23、的 1、2，它主要用在交換機(jī)（或集線器）普通端口連接到交換機(jī)（或集線器）普通端口或網(wǎng)卡連網(wǎng)卡上。,55,水晶頭的八根針腳的定義（拿著水晶頭，頭部朝向自己，塑料彈片朝下，從右到左依次為1、2、3、4、5、6、7、8）,56,2020/9/22,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合,網(wǎng)線的制作： 主要用到的工具,57,2020/9/22,雙絞網(wǎng)線的正線反線制作方法及應(yīng)用場合,測線器的使用,網(wǎng)線測試儀,在把水晶頭的兩端都做好后即可用網(wǎng)線測試儀進(jìn)行測試，如果測試儀上8個指示燈都依次為綠色閃過，證明網(wǎng)線制作成功。如果出現(xiàn)任何一個燈為紅燈或黃燈，都證明存在斷路或者接觸不良現(xiàn)象。 注：直通線測試儀上的燈應(yīng)該

24、是依次順序的亮。 交叉雙絞線那測試儀的一段的閃亮順序應(yīng)該是3、6、1、4、5、2、7、8。,58,光纖（Optical Fiber） 依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳播 優(yōu)缺點(diǎn)： 傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s） 傳輸損耗小，適合長距離傳輸 抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好 輕便 價格較高 需要光電轉(zhuǎn)換 纖芯材料： 塑料 二氧化硅 （高純玻璃）,59,光纖（Optical Fiber）,光纖傳送電信號的過程 單模光纖：直線，距離更長，數(shù)據(jù)速率更高 多模光纖：折射,60,光纖,光纖是寬帶網(wǎng)絡(luò)中多種傳輸媒介中最理想的一種，它 的特點(diǎn)是傳輸容量大，傳輸質(zhì)量好，損耗小，中繼

25、距離長 等。而光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示：,61,光纖的組網(wǎng)范例,62,光纖,物理特性 物理成份：5100um芯，超純 SiO2，成本高，生產(chǎn)工藝難 度大，傳輸距離遠(yuǎn)；多塑纖維，成本低，但傳輸距離短 構(gòu)成：根據(jù)光纖的波長分為多模和單多模光纖； 多模是光線沿著光纖以多種角度不斷被包層反射而向前傳播， 多模指反射角的多樣性；其波長為0.85um， 單模是指光纖的芯縮小到與波長相當(dāng)，此時相當(dāng)于光沿直線在 光纖的軸芯上傳播。單模光纖由于減少了反射過程中光能量被 包層材料吸收，故損耗小，能傳輸?shù)母h(yuǎn)；但由于要把光纖的 芯拉的更細(xì)；1.3um，所以工藝難度大，成本高。（光纖芯直徑 是單模8.3um，多模是

26、50um和 62.5um兩種） 速度：2.4G，5G，10G在推廣，20G正在研制，無中繼達(dá) 20Km以上； 影響光纖的因素：衰減和色散,63,傳輸原理 用10141015HZ的光，利用光的折射和全反射原理;,折射率作為衡 量它的一個 標(biāo)準(zhǔn)。其定 義為： cos(a) /cos(b),64,利用不同的介質(zhì)密度的差異，引起全反射,65,傳輸過程 電信號驅(qū)動器光源光纖信號（光纖） 光檢波器放大器電信號 發(fā)送端：發(fā)光二極管LED，可見光，多模；注入型激光 二極管ILD，激勵性電效應(yīng)，單模，昂貴，有穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài) 接收端：光檢測 PIN檢測器，PN結(jié)中加純硅，價格低，靈敏度低 APP檢測器，雪崩光電二極

27、管，靈敏度高 光調(diào)制：ASK調(diào)制，復(fù)用技術(shù)（WDM，DWDM） 光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)： 輕便、低衰減和大容量,66,傳輸模式,Mode,Singlemode,Step-index,Multimode,Graded-index,67,傳輸模式-多模突變,Multimode step-index fiber,68,傳輸模式-多模漸變,Multimode graded-index fiber,69,傳輸模式-單模,Single-mode fiber,70,同軸電纜（Coaxial Cable） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用基帶同軸電纜 阻抗50，有粗同軸和細(xì)同軸兩種 應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)） 性能：10Mb/s，5

28、00米/185米,71,無線介質(zhì)（信號在大氣或外層空間自由傳播） 使用電磁波或光波攜帶信息 優(yōu)缺點(diǎn)： 無需物理連接 適用于長距離或不便布線的場合 易受干擾 反射，為障礙物所阻隔 主要類型： 無線電、地面微波 通信衛(wèi)星 紅外線,72,無線電 基站與終端之間通信采用無線鏈路 應(yīng)用領(lǐng)域：移動通信、無線局域網(wǎng)（WLAN）,基站覆蓋的無線電區(qū)域,基站,用戶計(jì)算機(jī)和終端,73,地面微波 通過地面站之間接力傳送 接力站之間距離：50 -100 km 速率：每信道 45 Mb/s,地球,地面站之間的直視線路,微波傳送塔,74,地球同步衛(wèi)星 與地面站相對固定位置 使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球 傳輸延遲時間長（270

29、ms） 廣播式傳輸 應(yīng)用領(lǐng)域： 電視傳輸 長途電話 專用網(wǎng)絡(luò) 廣域網(wǎng),35,784 公里,地球,75,常用傳輸介質(zhì)的比較（p46表2.1）,76,2.4 數(shù)據(jù)編碼,不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況：,77,模擬傳輸和數(shù)字傳輸所使用的技術(shù),78,編碼與調(diào)制的區(qū)別 編碼：用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù) 調(diào)制：用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù),Encoder,Decoder,數(shù)字或 模擬數(shù)據(jù),數(shù)字信號,x(t),g(t),數(shù)字或 模擬數(shù)據(jù),編碼與解碼,數(shù)字信道,發(fā)送方,接收方,g(t),編碼,解碼,79,調(diào)制與解調(diào),80,1. 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼,使數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能在數(shù)字信道上傳輸 把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

30、轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號 常見的有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼 不歸零碼（NRZ，Non-Return to Zero） 二進(jìn)制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示； 常用5V表示1，5V表示0； 缺點(diǎn)： 存在直流分量，傳輸中不能有變壓器或電容； 不具備自同步機(jī)制，傳輸時必須使用外同步。,81,曼徹斯特編碼（Manchester Coding） 用電壓的變化表示0和1。 規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變： 高低的跳變代表0，低高的跳變代表1 每個碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號。這種編碼也稱為自同步碼（Self-Synchronizing Code）。 缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬（

31、即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。 差分曼徹斯特編碼（Differential ） 每個碼元的中間仍要發(fā)生跳變。 用碼元開始處有無跳變來表示0和1 ，有跳變代表0，無跳變代表1。,82,三種數(shù)字編碼的波形圖,83,2. 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制,使數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能在模擬信道上傳輸 三種常用的調(diào)制技術(shù)： 幅移鍵控ASK （Amplitude Shift Keying） 頻移鍵控FSK （Frequency Shift Keying） 相移鍵控PSK （Phase Shift Keying） 原理：用數(shù)字信號對載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制。 載波信號 S(t) = Acos(t+) S(t)的參量包括： 幅度A、頻率 、初

32、相位 調(diào)制就是要使A、 或隨數(shù)字基帶信號的變化而變化,84,ASK：用載波的兩個不同振幅表示0和1 FSK：用載波的兩個不同頻率表示0和1 PSK：用載波的起始相位的變化表示0和1,85,3. 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼,使模擬數(shù)據(jù)能在數(shù)字信道上傳輸 采樣定理： 如果模擬信號的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。 要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號 模擬數(shù)據(jù)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。三個步驟： 采樣：按一定間隔對語音信號進(jìn)行采樣 量化：把每個樣本舍入到最接近的量化級別上 編碼：對每個舍入后的樣本進(jìn)行編碼 編碼后的信號稱為P

33、CM信號（脈碼調(diào)制, Pulse Coded Modulation）。,86,語音信號的數(shù)字化 語音帶寬f2倍語音最大頻率） 樣本量化級數(shù)：256級（8bit/每樣本） 數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit = 64kb/s 每路PCM信號的速率 = 64kb/s,87,PCM,采樣信號：基于nyquist理論,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（采樣）,PCM 脈沖（量化） 有量化差錯,011100011011001100,PCM 輸出（編碼）,88,2.5 多路復(fù)用技術(shù),多路復(fù)用技術(shù)就是將

34、多路信號組合在一條物理 信道上進(jìn)行傳輸，到接收端再用專門的設(shè)備將 各路信號分離開來。這樣使一條物理信道資源 被多路信號共享。 多路復(fù)用技術(shù)包括: 頻分多路復(fù)用(FDM) 時分多路復(fù)用(TDM) 波分多路復(fù)用(WDM) 碼分多址(CDMA),89,Multiplexing vs. No Multiplexing,90,多路復(fù)用技術(shù),頻分多路復(fù)用(FDM) 時分多路復(fù)用(TDM) 波分多路復(fù)用(WDM) 碼分多址(CDMA),91,頻分多路復(fù)用 (FDM),頻分多路復(fù)用 FDM （Frequency Division Multiplexing） 當(dāng)傳輸介質(zhì)的可用帶寬超過各路給定信號所需帶寬的總和時

35、，可以把多個信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)同時傳送多路信號，這就是頻分多路復(fù)用。,92,頻分多路利用（FDM）圖,93,頻分多路復(fù)用 (續(xù)),94,頻分多路復(fù)用帶寬分配例,f,A,95,FDM 多路復(fù)用過程例,FDM多適用于模擬信號傳輸,96,FDM 解多路復(fù)用過程例,97,FDM 中的移頻與疊加（頻譜）,98,FDM 多路復(fù)用與解復(fù)用全過程例,99,多路復(fù)用技術(shù),頻分多路復(fù)用 (FDM) 時分多路復(fù)用 (TDM) 波分多路復(fù)用 (WDM) 碼分多址 (CDMA),100,時分多路復(fù)用 (TDM),時分多路復(fù)用 TDM （Time Division Multiplexing）

36、： 當(dāng)傳輸介質(zhì)所能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過各路信號的數(shù)據(jù)傳輸速率的總和時，可以將物理信道按時間分成若干時間片輪換地分配給多路信號使用，每一路信號在自己的時間片內(nèi)獨(dú)占信道傳輸，這就是時分多路復(fù)用。 時分多路復(fù)用可分為同步TDM和異步TDM。,101,時分多路利用,102,時分多路復(fù)用 (續(xù)),時分多路復(fù)用TDM多用來傳輸數(shù)字信號，但并不局限于傳輸數(shù)字信號，有時也可以用來分時傳輸模擬信號。 另外，對于模擬信號，有時可把TDM和FDM結(jié)合起來一起使用，比如第二代移動電話的GSM標(biāo)準(zhǔn)中，將一個傳輸系統(tǒng)的可用頻帶頻分成許多子信道，每個子信道再利用時分多路復(fù)用來細(xì)分。,103,時分多路復(fù)用 (續(xù)),TDM多

37、適用于數(shù)字信號傳輸,104,時分多路復(fù)用 (續(xù)),105,統(tǒng)計(jì)(異步)TDM STDM,TDM的缺點(diǎn)：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該 通道，將會造成帶寬浪費(fèi)。 改進(jìn)： 使用統(tǒng)計(jì)時分多路復(fù)用（STDM），用戶不固 定占用某個通道，有空時間片就將數(shù)據(jù)放入。,統(tǒng)計(jì)TDM,各數(shù)據(jù)之前要附有該路地址， 以便接收方能分出各路信號,106,TDM 和 STDM 的比較,107,多路復(fù)用技術(shù),頻分多路復(fù)用(FDM) 時分多路復(fù)用(TDM) 波分多路復(fù)用(WDM) 碼分多址(CDMA),108,波分多路復(fù)用 (WDM),目前一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到 2.5Gb/s，如能采用色散補(bǔ)償技術(shù)解決光纖傳輸中

38、的色散問題 (指光脈沖中由于不同頻率分量傳輸速率不同導(dǎo)致信號失真產(chǎn)生誤碼的現(xiàn)象)，則一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到10Gb/s，這已是當(dāng)前單個光載波信號傳輸?shù)臉O限值。,109,波分多路復(fù)用 (續(xù)),波分多路復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM） 是光的頻分復(fù)用。不同的信源使用不同波長的光波來傳輸 數(shù)據(jù)，各路光波經(jīng)過一個棱鏡（或衍射光柵）合成一個光 束在光纖干道上傳輸，在接收端利用相同的設(shè)備將各路光 波分開。這樣復(fù)用后，可以使光纖的傳輸能力成幾倍幾十 倍的提高。,110,多路復(fù)用技術(shù),頻分多路復(fù)用(FDM) 時分多路復(fù)用(TDM) 波分多路復(fù)用(WDM)

39、碼分多址(CDMA),111,碼分多址(CDMA),每個比特時間分成m個碼片，每個站分配一個唯 一的m比特碼片序列。當(dāng)某個站欲發(fā)送 “1” 時， 它就在信道中發(fā)送它的碼片序列，當(dāng)欲發(fā)送“0” 時，就發(fā)送它的碼片序列的反碼。 滿足條件：不同的碼片序列之間是相互正交的。 由于原始數(shù)字信號的頻率被擴(kuò)展，這種通信方 式又叫做擴(kuò)頻通信。,112,碼片序列,每個站被指派一個唯一的 m 位碼片序列。 如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m 位碼片序列 如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼 例如，S 站的 8 位碼片序列是 00011011。 發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011 發(fā)送比特 0 時

40、，就發(fā)送序列 11100100 為數(shù)學(xué)運(yùn)算方便，將S 站的碼片序列表示成 (1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),113,設(shè)向量 S 表示站 S 的碼片向量， T 表示站T的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，必須向量 S 和T 的歸一化內(nèi)積(inner product)為 0： 例如： 設(shè) S(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1), T= (1 1 +1 1 +1 +1 +1 1), 則,碼片序列間要相互正交,114,推 論,由 可推知：,115,CDMA 接收,CDMA接收時，接收站從空中收到多站發(fā)送信號后的線性疊加碼片序列的和。將其與某一發(fā)送站碼片序列進(jìn)行歸一化內(nèi)積運(yùn)算，則可恢復(fù)

41、出該站發(fā)送的數(shù)據(jù)。 設(shè)接收站接收到的碼片序列和為S，接收站要聽碼片序列為C的站發(fā)出的數(shù)據(jù)，并設(shè)站A發(fā)送1，站B發(fā)送0，站C發(fā)送1，則接收站計(jì)算C站發(fā)出的數(shù)據(jù)為：,116,2.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù),什么是交換？ 按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。 例如，電話交換機(jī)在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進(jìn)行接續(xù)。用戶掛機(jī)后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。 最初的交換：人工轉(zhuǎn)接交換 為什么要采用交換技術(shù)？ 節(jié)省線路投資，提高線路利用率。 實(shí)現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。,117,電路交換 在通信雙方之間建立一條臨時專用線路的過程。 可以是真正的物理線路，也可以是一個復(fù)用信道。

42、特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。稱為“面向連接的”（典型例子：電話） 過程：建立連接通信釋放連接 優(yōu)缺點(diǎn)： 建立連接的時間長； 一旦建立連接就獨(dú)占線路，線路利用率低； 無糾錯機(jī)制； 建立連接后，傳輸延遲小。 不適用于計(jì)算機(jī)通信：因?yàn)橛?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性的特點(diǎn)，真正傳輸數(shù)據(jù)的時間不到10%。 例如：建立連接的時間為0.5秒，計(jì)算機(jī)以1Mb/s的速率發(fā)送10k字節(jié)。,118,電話網(wǎng)絡(luò)中的電路交換 電路交換也能在多路復(fù)用信道上實(shí)現(xiàn) 在物理線路的某個信道上建立連接,119,報文交換 以報文為單位進(jìn)行“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”交換的技術(shù)。 在交換過程中，交換設(shè)備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)出去

43、，一級一級中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為存儲-轉(zhuǎn)發(fā)。 傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰結(jié)點(diǎn)傳輸報文時建立結(jié)點(diǎn)間的連接。稱為“無連接的”（典型例子：電報） 整個報文（Message）作為一個整體一起發(fā)送。 優(yōu)缺點(diǎn)： 沒有建立和拆除連接所需的等待時間； 線路利用率高； 傳輸可靠性較高； 報文大小不一，造成存儲管理復(fù)雜； 大報文造成存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時過長，且對存儲容量要求較高； 出錯后整個報文全部重發(fā)。 比較：下載時若無斷點(diǎn)續(xù)傳功能，一旦出錯你會怎樣做？,120,分組交換（包交換） 將報文分割成若干個大小相等的分組（Packet）進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。 數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路也是“

44、無連接的”。 有強(qiáng)大的糾錯機(jī)制、流量控制、擁塞控制和路由選擇功能。 優(yōu)缺點(diǎn)： 對轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)的存儲要求較低，可以用內(nèi)存來緩沖分組速度快； 轉(zhuǎn)發(fā)延時小適用于交互式通信； 某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組效率高； 各分組可通過不同路徑傳輸，容錯性好。 需要分割報文和重組報文，增加了端站點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。 分組交換有兩種交換方式： 數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式,121,數(shù)據(jù)報方式（Datagram） 各分組獨(dú)立地確定路由（傳輸路徑） 不能保證分組按序到達(dá)，所以目的站點(diǎn)需要按分組編號重新排序和組裝,數(shù)據(jù)報方式不能保證分組按序到達(dá),分組可能通過多個路徑穿越網(wǎng)絡(luò),122,虛電路方式（Virtual Circuit） 通信前

45、預(yù)先建立一條邏輯連接虛電路 虛電路是由其路徑上的所有交換機(jī)中的路由表定義的 類比：鐵路系統(tǒng)（旅客/列車:分組，鐵路網(wǎng):網(wǎng)絡(luò)，火車站:節(jié)點(diǎn)） “西安北京”這條線路可以看成是一條虛路徑 也需要三個過程：建立數(shù)據(jù)傳輸拆除 建立虛電路時，交換機(jī)將預(yù)留傳輸時所需的所有資源 虛電路的路由在建立時確定，傳輸數(shù)據(jù)時則不再需要 數(shù)據(jù)傳輸時只需指定虛電路號，分組即可按虛電路的路由穿越網(wǎng)絡(luò)“數(shù)字管道” 提供的是“面向連接”的服務(wù) 但卻沒有像電路交換那樣始終占用一條端到端的物理通道，只是斷續(xù)地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段與鐵路系統(tǒng)類比！ 可以看成是采用了電路交換思想的分組交換 能夠保證分組按序到達(dá) 永久虛電路PVC和交換虛電路SVC,123,分組通過預(yù)先建立好的虛電路穿越網(wǎng)絡(luò),124,三種交換方式的事件順序,125,2.7 差錯控制與檢錯,什么是差錯控制？ 在通信過程中，發(fā)現(xiàn)、檢測差錯并進(jìn)行糾正 為何要進(jìn)行差錯控制？ 不存在理想的信道傳輸總會出錯 與語音、圖像傳輸不同，計(jì)算機(jī)通信要求極低的差錯率。 產(chǎn)生差錯的原因： 信號衰減和熱噪聲 信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變； 信號反射，串?dāng)_； 沖擊