計算機通信與網(wǎng)絡CH02數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)

1、數(shù)據(jù)和信號數(shù)據(jù)和信號模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)信息信息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號有意義的實體有意義的實體涉及數(shù)據(jù)的涉及數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋內(nèi)容和解釋在某個區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值在某個區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值產(chǎn)生離散的值產(chǎn)生離散的值是數(shù)據(jù)的電磁是數(shù)據(jù)的電磁 (或電子或電子)編碼編碼涉 及 到 事涉 及 到 事物的形式物的形式是一種連續(xù)變化的電磁波是一種連續(xù)變化的電磁波是一系列的電壓脈沖是一系列的電壓脈沖信號信號模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)模擬信號模擬信號放大器放大器調(diào)制器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字信號 PCM編碼器編碼器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號模擬信號調(diào)制器調(diào)制器數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字信號

2、數(shù)字數(shù)字發(fā)送器發(fā)送器信源和信宿：信源和信宿：信源就是信息的發(fā)送端，是發(fā)信源就是信息的發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的設(shè)備；信宿就是信息的接收出待傳送信息的設(shè)備；信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的設(shè)備。端，是接收所傳送信息的設(shè)備。信號轉(zhuǎn)換設(shè)備：信號轉(zhuǎn)換設(shè)備：是將信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成是將信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘柕脑O(shè)備。適合于在信道上傳輸?shù)男盘柕脑O(shè)備。傳輸傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)輸輸入入信信息息輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)送發(fā)送的信號的信號接收接收的信號的信號輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)源點源點終點終點發(fā)送器發(fā)送器接收器接收器調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC 機機公用電話網(wǎng)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特

3、流數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號模擬信號模擬信號 正文正文正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸輸出出信信息息PC 機機通信系統(tǒng)舉例通信系統(tǒng)舉例通信系統(tǒng)舉例通信系統(tǒng)舉例(b) 局域網(wǎng)用戶通過局域網(wǎng)用戶通過Internet上網(wǎng)通信上網(wǎng)通信SiSiInternetSiSiToken-ring 無線電波無線電波 紅外線技術(shù)紅外線技術(shù)銅線銅線銅線銅線聚氯乙烯聚氯乙烯 套層套層聚氯乙烯聚氯乙烯套層套層屏蔽層屏蔽層絕緣層絕緣層絕緣層絕緣層無屏蔽雙絞線無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 STPA扭絞距扭絞距線徑線徑 0.40.41.4 mm1.4 mmB近

4、端串擾近端串擾遠端串擾遠端串擾白綠白綠 綠綠白橙白橙 藍藍白藍白藍 橙橙白棕白棕 棕棕12345678 局域網(wǎng)局域網(wǎng) EIA/TIA 568A UTP內(nèi)內(nèi)4對對8線的編號與線色線的編號與線色外導體屏蔽層外導體屏蔽層絕緣層絕緣層絕緣保護套層絕緣保護套層內(nèi)導體內(nèi)導體遠供電源遠供電源光纖及包層光纖及包層填充物填充物外護套外護套包帶層包帶層包層包層纖芯纖芯（a）光纜結(jié)構(gòu)剖面圖）光纜結(jié)構(gòu)剖面圖（b）光波在纖芯中傳播）光波在纖芯中傳播折射角折射角入射角入射角 包層包層（低折射率的媒體）（低折射率的媒體） 包層包層（低折射率的媒體）（低折射率的媒體） 纖芯纖芯（高折射率的媒體）（高折射率的媒體） 包層包層纖

5、纖芯芯高折射率高折射率( (纖芯纖芯) )低折射率低折射率( (包層包層) )光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔饩€在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸入脈沖輸出脈沖輸出脈沖單模光纖單模光纖輸入脈沖輸入脈沖輸出脈沖輸出脈沖多模光纖多模光纖無線電無線電微波微波紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線X射線射線 射線射線雙絞線雙絞線同軸電纜同軸電纜衛(wèi)星衛(wèi)星地面微波地面微波 調(diào)幅調(diào)幅無線電無線電 調(diào)頻調(diào)頻無線電無線電 海事海事無線電無線電光纖光纖電視電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109 1010 1011

6、1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動移動無線電無線電 調(diào)制非相干紅外線光調(diào)制非相干紅外線光 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率信道帶寬信道帶寬n模擬信道：表示通信線路允許通過的信模擬信道：表示通信線路允許通過的信號頻帶范圍就稱為線路帶寬號頻帶范圍就稱為線路帶寬(通頻帶通頻帶)。信道帶寬信道帶寬每每秒秒 106 個比特個比特時間時間1 0 1 0 1 11 s帶寬為帶寬為1 Mb/s 時間時間每每秒秒 4 106 個比特個比

7、特0.25 s帶寬為帶寬為4 Mb/s 帶寬帶寬誤碼率和誤組率誤碼率和誤組率發(fā)送時延發(fā)送時延 = 數(shù)據(jù)塊長度（比特）數(shù)據(jù)塊長度（比特）信道帶寬（比特信道帶寬（比特/秒）秒）時延時延傳播時延傳播時延 = 信道長度（米）信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米信號在信道上的傳播速率（米/秒）秒）時延時延時延時延總時延 = 發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延時延時延時延時延1 0 1 1 0 0 1發(fā)送器發(fā)送器隊列隊列在鏈路上產(chǎn)生在鏈路上產(chǎn)生傳播時延傳播時延結(jié)點結(jié)點 B結(jié)點結(jié)點 A在發(fā)送器產(chǎn)生發(fā)送時延在發(fā)送器產(chǎn)生發(fā)送時延( (即傳輸時延即傳輸時延) )在隊列中產(chǎn)生在隊列中產(chǎn)生處理時延處理時延數(shù)據(jù)數(shù)

8、據(jù)從結(jié)點從結(jié)點 A 向結(jié)點向結(jié)點 B 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路鏈路時延時延時延時延例例2-3若若AB兩臺計算機之間的距離為兩臺計算機之間的距離為1000km，假定在，假定在電纜內(nèi)信號的傳播速度是電纜內(nèi)信號的傳播速度是2108m/s，試對下列類型的鏈，試對下列類型的鏈路分別計算發(fā)送時延和傳播時延。路分別計算發(fā)送時延和傳播時延。 （1）數(shù)據(jù)塊長度為）數(shù)據(jù)塊長度為108bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Mb/s； （2）數(shù)據(jù)塊長度為）數(shù)據(jù)塊長度為1000bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Gbit/s 并行傳輸并行傳輸并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時進行傳輸。 串行傳輸串行

9、傳輸串行傳輸指的是組成字符的若干位二進制碼排列成數(shù)據(jù)流在一條信道上逐位順序傳輸。 異步傳輸異步傳輸不論字符所采用的代碼不論字符所采用的代碼為多少位，在發(fā)送每一為多少位，在發(fā)送每一個字符代碼（即字符的個字符代碼（即字符的數(shù)據(jù)位）時，都要在前數(shù)據(jù)位）時，都要在前面加上一個起始位，表面加上一個起始位，表示一個字符的開始；后示一個字符的開始；后面加上一個停止位，表面加上一個停止位，表示一個字符的結(jié)束。示一個字符的結(jié)束。 同步傳輸同步傳輸幅度幅度時間時間幅度幅度時間時間數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列單極性不歸零碼單極性不歸零碼單極性歸零碼單極性歸零碼雙極性不歸零碼雙極性不歸零碼雙極性歸零碼雙極性歸零碼 0 1 0 0

10、 1 1 0 0 0 1 1 1 數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)序列偽三元編碼偽三元編碼曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分編碼差分編碼 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 實際的信道實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸入信號波形輸出信號波形輸出信號波形( (失真不嚴重失真不嚴重) )輸入信號波形輸入信號波形實際的信道實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形輸出信號波形( (失真嚴重失真嚴重) ) 數(shù)字信號通過實際的信道數(shù)字信號通過實際的信道信道容量噪聲誤碼率帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率n理

11、想低通信道的最高碼元傳輸速率理想低通信道的最高碼元傳輸速率 N= 2W BaudnW 是理想低通信道的帶寬，單位為赫是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過不能通過能通過能通過0頻率頻率(Hz)W (Hz) 要強調(diào)以下兩點要強調(diào)以下兩點傳輸比特流傳輸比特流 10011100 10 01 11 00 2bit一組一組4種幅度種幅度,1個碼元個碼元攜攜帶帶2bit信息信息, n = log2M (M 碼元狀態(tài)數(shù)碼元狀態(tài)數(shù))t3210 應用舉例應用舉例解：已知信噪比電平為解：已知信噪比電平為20dB，則信噪功率比，則信噪功率比 S/N = 100 C = 3000 log2(1+100)=3

12、000 6.66=19.98 kbit/s 數(shù)據(jù)率不會超過數(shù)據(jù)率不會超過19.98 kbit/s 香農(nóng)公式表明香農(nóng)公式表明 香農(nóng)公式表明香農(nóng)公式表明 奈氏準則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作用范圍奈氏準則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作用范圍源系統(tǒng)源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)源點源點終點終點發(fā)送器發(fā)送器接收器接收器輸輸入入信信息息輸輸出出信信息息輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)送的發(fā)送的信號信號接收的接收的信號信號碼元傳輸速率受碼元傳輸速率受奈氏準則的限制奈氏準則的限制信息傳輸速率受信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制香農(nóng)公式的限制 基帶信號基帶信號 在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機中二進制比

13、特序在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機中二進制比特序列的數(shù)字數(shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號。人們列的數(shù)字數(shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號。人們把矩形脈沖信號的固有頻帶稱作把矩形脈沖信號的固有頻帶稱作基本頻帶基本頻帶(簡稱為簡稱為基帶基帶)，這種矩形脈沖信號就叫做，這種矩形脈沖信號就叫做基帶信號基帶信號。 在數(shù)字信道上，計算機中的數(shù)據(jù)是以矩形脈在數(shù)字信道上，計算機中的數(shù)據(jù)是以矩形脈沖信號直接傳送的，這種傳送方法稱為沖信號直接傳送的，這種傳送方法稱為基帶傳輸基帶傳輸。 數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬傳輸 數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬傳輸 數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬傳輸010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻

14、調(diào)相抽樣量化抽樣量化編碼編碼模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)字數(shù)字信道信道解碼解碼恢復恢復數(shù)字信號數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)時間量化時間量化幅值量化幅值量化采樣間隔采樣間隔Ts 2 fc模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字信號1、 頻分復用頻分復用2、 時分復用時分復用3、 碼分復用碼分復用4、 波分復用波分復用頻率頻率1頻率頻率3頻率頻率2頻率頻率4時間時間頻率頻率T4T3T2T1T1T2T3T4頻率頻率時間時間B C DB C DB C DB C DAAAA在在 TDM 幀中的位置不變幀中的位置不變TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀頻率頻率時間時間C DC DC DC D

15、AAAATDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀BBBB在在 TDM 幀中幀中的位置不變的位置不變頻率頻率時間時間BDBDBDBDAAAATDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀CCCC在在 TDM 幀中幀中的位置不變的位置不變頻率頻率時間時間B CB CB CB CAAAATDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀TDM 幀幀在在 TDM 幀中幀中的位置不變的位置不變DDDDABCDaabbcdb cattttt4 個時分復用幀個時分復用幀#1acbcd靜態(tài)時分復用靜態(tài)時分復用#2#3#4用戶用戶用戶用戶ABCDabcdttttt3 個個 STD

16、M 幀幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復用統(tǒng)計時分復用0TSm1TSm1iiimimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSS 站的碼片序列站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片個碼片tS 站發(fā)送的信號站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)發(fā)送送端端接接收收端端 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1

17、550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復復用用器器分分用用器器EDFA120 km網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)交換節(jié)點交換節(jié)點轉(zhuǎn)接中心轉(zhuǎn)接中心用戶線用戶線中繼線中繼線全連通全連通交換交換網(wǎng)絡網(wǎng)絡用戶用戶接口接口中繼中繼接口接口控制控制單元單元信號信號單元單元中繼線中繼線用戶線用戶線（1 1）建立連接）建立連接（2 2）維持連接）維持連接（3 3）拆除連接）拆除連接電路交換電路交換報文交換報文交換分組交換分組交換快速分組交換快速分組交換多

18、速率電路交換多速率電路交換快速電路交換快速電路交換存儲存儲 - - 轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)ATMATM交換交換X.25X.25分組網(wǎng)分組網(wǎng)幀中繼、幀中繼、 SMDSSMDS信元交換信元交換正向證實信號正向證實信號正向拆線信號正向拆線信號主叫掛機主叫掛機反向拆線信號反向拆線信號被叫掛機被叫掛機被叫用戶被叫用戶主叫用戶主叫用戶回鈴音回鈴音取機取機撥號撥號撥號音撥號音占用信號占用信號占用信號占用信號振鈴振鈴通話通話( (信息傳送信息傳送) )連接連接釋放釋放呼叫呼叫建立建立A A局局B B局局C C局局掛機掛機連接釋放連接釋放數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送連接建立連接建立A B C D t報文報文C1C4C3C2C3本地網(wǎng)本地

19、網(wǎng)省中心省中心省間中心省間中心地市中心地市中心縣中心縣中心長途網(wǎng)長途網(wǎng)ABt用戶電報機用戶電報機B用戶電報機用戶電報機AA局局B局局C局局M1M1M1M1傳播時延傳播時延傳輸時延傳輸時延存儲存儲 / 處理時延處理時延報報文文報報文文報報文文A B C DtP2P1報文報文A主機B主機C鏈路P5P6P4P3P2P1PSEaPSEbPSEcP1P2P3P4P1P2P3P4P3P4A B C DP2P1 差錯產(chǎn)生的原因差錯產(chǎn)生的原因n碼間距離碼間距離 ：兩個碼字的對應：兩個碼字的對應位取值不同的個數(shù)。例：位取值不同的個數(shù)。例：10100010010010011010110110001001碼間距離碼

20、間距離 d = 3例例2 000000 000111 111000 111111收到收到0101114 1 5 2恢復恢復000111n檢錯碼檢錯碼n糾錯碼糾錯碼 漢明碼（漢明碼（Hamming)n線性分組碼的性質(zhì)線性分組碼的性質(zhì) 封閉性：任意兩個有效碼組之和（模封閉性：任意兩個有效碼組之和（模2加）仍加）仍為一個有效碼組。為一個有效碼組。 碼的最小距離等于非零碼最小重量。碼的最小距離等于非零碼最小重量。S1 S2 S3 出錯碼出錯碼S1 S2 S3 出錯碼出錯碼 0 0 0 無差錯無差錯0 1 1 c30 0 1 c01 0 1 c40 1 0 c11 1 0 c51 0 0 c21 1 1

21、 c6例如例如 A A4 4=0111001=0111001，對應的碼多項式為，對應的碼多項式為 ：碼多項式碼多項式 (n(n，k)k)循環(huán)碼中，為了便于描述與計算，循環(huán)碼中，為了便于描述與計算，經(jīng)常使用經(jīng)常使用 n-1 n-1 次次 碼多項式來表示碼字，碼多項式來表示碼字，碼字碼字 A =aA =an-1n-1 a an-2n-2 a a1 1 a a0 0 ，它對應，它對應的碼多項式為：的碼多項式為：01222211)(axaxaxaxaxAnnnn11001110)(345234564xxxxxxxxxxA 在在(n(n，k)k)循環(huán)碼中，存在循環(huán)碼中，存在惟一惟一的最高的最高冪次為冪次

22、為(n-k)(n-k)，最多，最多 k-1k-1 個個連續(xù)連續(xù)的的 0 0 項，項，且且常數(shù)項必須為常數(shù)項必須為1 1 的碼多項式的碼多項式g(x)g(x)，此，此碼多項式的冪次最低（碼多項式的冪次最低（0 0 元除外）；其元除外）；其它所有的碼多項式都能被它所有的碼多項式都能被g(x)g(x)整除；并整除；并且且g(x)g(x)是是 x xn n+1 +1 的一個因式。的一個因式。 g(x)g(x)稱為稱為該編碼集的該編碼集的生成多項式生成多項式。生成多項式生成多項式 g(x)g(x)CRC-16 CRC-CCITTCRC-321)(21516xxxxg1)(51216xxxxg1)(245781011121622232632xxxxxxxxxxxxxxxg 標準生成多項式標準生成多項式選擇選擇 r 階生成多項式階生成多項式 G(x) ，rnk在數(shù)據(jù)幀末尾加在數(shù)據(jù)幀末尾加 r 個個0，形成多項式，形成多項式 xrM(x) xrM(x) R(x) G(x) G(