計算機網(wǎng)絡(luò)――第02章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)ppt課件

1、第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識 2.2 數(shù)據(jù)通信中的基本概念 2.3 傳輸介質(zhì),2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù) 2.5 多路復(fù)用技術(shù) 2.6 光纖技術(shù) 2.7移動通信及蜂窩無線通信,2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識,2.1.1 數(shù)據(jù)通信模型 數(shù)據(jù)通信是把信息從源主機傳輸?shù)侥繕?biāo)主機的過程，數(shù)據(jù)通信模型如圖2.1所示。,圖2.1 數(shù)據(jù)通信模型,2.1.2 并行傳輸和串行傳輸 1并行傳輸 并行傳輸指的是數(shù)據(jù)的每一位各占一條信號線同時進(jìn)行傳輸。 2串行傳輸 串行傳輸指的是數(shù)據(jù)信號的若干位順序按位串行排列成數(shù)據(jù)流，在一條信道上傳輸。,2.1.3 同步傳輸和異步傳輸 1同步傳輸 （1）位同步 要求傳輸數(shù)據(jù)的收

2、發(fā)雙方的時鐘頻率嚴(yán)格保持一致，即稱收發(fā)雙方的時鐘是同步的。 （2）幀同步 “幀”是數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，其長度并沒有硬性規(guī)定。,圖2.3 幀同步傳輸,圖2.4 異步傳輸,2.1.4 傳輸方式 1單工通信 2半雙工通信 3全雙工通信,2.1.5 數(shù)字傳輸和模擬傳輸 模擬傳輸（Analog Transmission）是指信道中傳輸?shù)亩际悄M信號，即連續(xù)變化的信號。 數(shù)字傳輸（Digital Transmission）：是指信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字序列。,（1）傳輸質(zhì)量高，時延短，通信速率可按用戶需求選擇。 （2）支持多媒體業(yè)務(wù)。 （3）可以利用VLSI器件，體積小，成本低，質(zhì)量高。 （4）雖然需要中

3、繼放大，但干擾信號不會同時被放大，特別適合高保真的遠(yuǎn)程傳輸。,（5）可以利用數(shù)據(jù)壓縮與解壓技術(shù)大大減少存儲空間和傳輸流量。 （6）可以利用查錯糾錯技術(shù)保證通信質(zhì)量。 （7）能夠利用加密與解密技術(shù)保證通信安全。,2.2 數(shù)據(jù)通信中的基本概念,2.2.1頻率、頻譜和帶寬,圖2.5 信號的時域表示方法,圖2.6 數(shù)字信號,圖2.8 對稱方波由多個奇次諧波構(gòu)成,圖2.9 8個諧波疊加的結(jié)果,圖2.10 s(t)的頻譜,圖2.11 數(shù)字信號及其頻譜,2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸速率 1數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率簡稱數(shù)據(jù)率，是指單位時間內(nèi)發(fā)送端和接收端之間傳輸數(shù)據(jù)的平均比特數(shù)，或指發(fā)送端的發(fā)送速率，單位為每秒位（

4、bit/s），它反映了終端設(shè)備之間的信息傳輸能力，是一段時間的平均值。,2最大數(shù)據(jù)傳輸速率Cmax與帶寬的關(guān)系 （1）波特（Baud）率和比特率：波特率是每秒鐘傳送信息位的數(shù)量。它是所傳送代碼的最短碼元占有時間的倒數(shù)。,課件制作人：謝希仁,信道能夠通過的頻率范圍,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud 在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。 如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的

5、信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。,（2）最大數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬的關(guān)系 Cmax2Blog2N 3誤碼率 誤碼率接收方出現(xiàn)差錯的位數(shù)(比特數(shù))/總的傳輸位數(shù)(比特數(shù))100%。,課件制作人：謝希仁,(2) 信噪比,香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。 信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。,課件制作人：謝希仁,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪

6、比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。 實際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,2.2.3 基帶傳輸和寬帶傳輸 1基帶傳輸 基帶傳輸即數(shù)字傳輸。基帶指的是基本頻帶，就是傳輸數(shù)據(jù)編碼電信號所固有的頻帶，這種信號可稱為基帶信號。 2寬帶傳輸,2.3 傳 輸 介 質(zhì),2.3.1 雙絞線,圖2.12 雙絞線,圖2.13 雙絞線和平行線的抗噪聲比較,2.3.2 同軸電纜,圖2.

7、14 同軸電纜,2.3.3 光纖 1光纖的分類,（1）按照折射率分布，有均勻光纖（如圖2.15（a）和圖2.15（c）所示）和非均勻光纖（如圖2.15（b）所示）。 （2）按照傳輸?shù)目偰?shù)，光纖通常又分為單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）和多模光纖（Multi Mode Fiber，MMF） 單模（SM）光纖 多模（MM）光纖,2光纜的結(jié)構(gòu),圖2.16 光纜的結(jié)構(gòu),3光纖的損耗特性 （1）吸收損耗 （2）散射損耗,4光纖的色散特性 （1）模式色散 同一頻率同一波長的光在傳輸中有多種模式，不同的模式傳輸速度不同，模式之間存在時延差，這種色散稱為模式色散。它是影響多模光纖傳輸距

8、離和速度的主要原因之一。,（2）材料色散 （3）波導(dǎo)色散 5光纖通信的優(yōu)點 （1）光纖可提供更高的帶寬 （2）中繼距離長,（3）可以節(jié)約銅和鉛 （4）抗干擾能力強，保密性好 （5）重量輕，耐腐蝕 （6）數(shù)字化光纖系統(tǒng)可以大量使用VLSI器件，可靠性高，成本低。,（7）數(shù)字化光纖系統(tǒng)使用PCM技術(shù)，將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，可以方便地連接計算機，實現(xiàn)對全系統(tǒng)的監(jiān)控。 （8）采用混合光纖同軸電纜技術(shù)（Hybrid Fiber Coax，HFC），可以方便地用于有線電視系統(tǒng)。,（9）采用波分多路復(fù)用（Wavelength Dvision Mltiplexing，WDM）和密集波分多路復(fù)用DWDM（Dense

9、 WDM）技術(shù)可以大幅度地擴容，而不必增加光纖的芯數(shù)。,2.3.4 無線傳輸 1電磁波譜,圖2.17 電磁波譜,無線電波段劃分（部分）,2環(huán)境對電磁波的影響 （1）地表層： （2）大氣層： （3）電離層：,圖2.18 電磁波傳播,3無線電波的傳輸 4微波傳輸（地面微波） 5紅外線及毫米波（室內(nèi)通信）,2.4 數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.1 數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述 數(shù)據(jù)交換技術(shù)是數(shù)據(jù)通信過程中，對數(shù)據(jù)表示格式、傳輸方式的選擇和優(yōu)化的技術(shù) 1電路交換（Circuit Switching）,圖2.19 電路交換示意圖,圖2.20 電路交換過程示意圖,（1）電路建立階段 （2）傳輸數(shù)據(jù)階段 （3）電路拆除階段 電

10、路交換具有下述幾個特點。,（1）呼叫建立時間長且存在呼損。 （2）電路連通后提供給用戶的是“透明通路” （3）信號或數(shù)據(jù)的傳輸時延短且時延固定不變，適用于實時大批量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。 （4）線路（信道）利用率低。,2報文交換（Message Switching） 與電路交換相比，報文交換方式不要求交換網(wǎng)為通信雙方預(yù)先建立一條專用的數(shù)據(jù)通路，因此就不存在建立電路和拆除電路的過程。,3分組交換（又稱包交換，Packet switching） （1）數(shù)據(jù)報傳輸分組交換 傳輸質(zhì)量高 電路利用率高 信息傳遞安全、可靠 傳送信息有一定時延 通過申請賬號、密碼（NUI），可實現(xiàn)全國漫游，經(jīng)濟性能好。,（2）虛

11、電路傳輸分組交換,2.4.2交換技術(shù)的比較,圖2.21 電路交換,圖2.22 報文交換,圖2.23 數(shù)據(jù)報交換,圖2.24 虛電路交換,三種交換的比較,A B C D,A B C D,A B C D,報文交換,電路交換,分組交換,t,數(shù)據(jù)傳送 的特點,比特流直達(dá)終點,報文,報文,報文,分組,分組,分組,存儲 轉(zhuǎn)發(fā),存儲 轉(zhuǎn)發(fā),存儲 轉(zhuǎn)發(fā),存儲 轉(zhuǎn)發(fā),2.5 多路復(fù)用技術(shù),圖2.25 多路復(fù)用技術(shù)示意圖,課件制作人：謝希仁,+,( ),復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。,+,A1,A2,B1,B2,C1,C2,A1,A2,B1,B2,C1,C2,共享信道,(a) 使用單獨的

12、信道,(b) 使用共享信道,復(fù)用,分用,課件制作人：謝希仁,頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing),用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。,頻率,時間,頻帶 1,頻帶 2,頻帶 3,頻帶 n,課件制作人：謝希仁,時分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing),時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。 每一個用戶所占

13、用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長度）。 TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。 時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。,課件制作人：謝希仁,時分復(fù)用,頻率,時間,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,周期性出現(xiàn),課件制作人：謝希仁,時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 個時分復(fù)用幀,#1,a,c,b,c,d,時分復(fù)用,#2,#3,#4,用戶,使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時， 由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對 分配到的子信道的利用率一般是不高的。,課件制作人：謝希仁

14、,統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM(Statistic TDM),用戶,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 個 STDM 幀,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,統(tǒng)計時分復(fù)用,2.5.2 同步時分多路復(fù)用（STDM）,圖2.27 同步時分復(fù)用示意圖,2.5.3 異步時分多路復(fù)用（ATDM）,圖2.28 E1標(biāo)準(zhǔn)的TDM幀格式,圖2.29 T1標(biāo)準(zhǔn)的TDM幀格式,課件制作人：謝希仁,2.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing),常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

15、各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。,課件制作人：謝希仁,碼片序列(chip sequence),每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 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 bit 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，就發(fā)送序列 11100100。 S 站的碼片序列：(1 1 1 +

16、1 +1 1 +1 +1),課件制作人：謝希仁,CDMA 的重要特點,每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。 在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。,課件制作人：謝希仁,碼片序列的正交關(guān)系,令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0：,(2-3),課件制作人：謝希仁,碼片序列的正交關(guān)系舉例,令向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分

17、量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。,課件制作人：謝希仁,任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。,正交關(guān)系的另一個重要特性,課件制作人：謝希仁,CDMA 的工作原理,S 站的碼片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 個碼片,t,S 站發(fā)送的信號 Sx,T 站發(fā)送的信號 Tx,總的發(fā)送信號 Sx + Tx,規(guī)格化內(nèi)積 S Sx,規(guī)格化內(nèi)積 S Tx,數(shù)據(jù)碼元比特,發(fā) 送 端,接 收 端,課件制作人：謝希仁,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm

18、 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,復(fù) 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光調(diào)制器,光解調(diào)器,2.6 光 纖 通 信,2.6.1 光纖通信的特點 一是光纖通信用光波作為傳輸信號，二是用光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜作為信號的傳輸線路。,圖2.36 光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成,2.6.2 光纖通信中的編碼技術(shù) 1mBnB碼（m位n位碼） （1）5B6B碼編碼規(guī)則：,5 B 6 B 碼 型 方 案,（2）5B6B碼使用規(guī)則： （3）5B6B碼的特點： 2插入比特碼 （1）MBIP碼： （2