計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

第二講數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與物理層協(xié)議第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)本章重點(diǎn)基本概念●多路復(fù)用信道●數(shù)據(jù)交換技術(shù)傳輸介質(zhì)●差錯(cuò)控制編碼與調(diào)制技術(shù)CH4-6.P36～P602.1基本概念數(shù)據(jù)(Data)：傳遞（攜帶）信息的實(shí)體，信息(Information)則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。

--模擬(Analog)數(shù)據(jù)與數(shù)字(Digital)數(shù)據(jù)信號(hào)(Signal)：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式傳播。

--模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)；基帶(Baseband)與寬帶(Broadband)信號(hào)

●一些術(shù)語(yǔ)信道(Channel)：傳送信息的線路（或通路）。比特率(BitRate)：數(shù)據(jù)傳輸速率(bps，b/s)。碼元(CodeCell)：時(shí)間軸上的一個(gè)信號(hào)編碼單元t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號(hào)同步脈沖同步脈沖：用于碼元的同步定時(shí)，識(shí)別碼元的開始波特率(Baud)：每秒傳送的碼元數(shù)(即信號(hào)傳送速率)。

1Baud=（log2K）bps

其中K是信號(hào)的有效值狀態(tài)個(gè)數(shù)（編碼級(jí)數(shù)）。也可以寫成

Rbit=Rbaudlog2K

例如：4級(jí)編碼

一個(gè)信號(hào)往往可以攜帶多個(gè)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(shuō)，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特（bit）。帶寬(Bandwidth)：信號(hào)或信道占據(jù)的頻率范圍信道容量(Channelcapacity)：信道的最大數(shù)據(jù)率誤碼率(Biterrorrate)：信道傳輸可靠性指標(biāo)

P=錯(cuò)誤的位數(shù)/傳輸?shù)目偽粩?shù) 信息編碼：將信息用二進(jìn)制數(shù)表示的方法。數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的規(guī)則。

例如：字母‘A’(65)的ASCII編碼為01000001，其數(shù)據(jù)編碼可能為01000001t●通信系統(tǒng)模型通信的三個(gè)要素：信源、信宿和信道任何一個(gè)通信系統(tǒng)都可以抽象為以下模型：變換變換噪聲信源編碼調(diào)制信道解調(diào)解碼信宿編碼器：數(shù)據(jù)適合傳輸?shù)男盘?hào)--便于識(shí)別、糾錯(cuò)調(diào)制器：信號(hào)適合傳輸?shù)男问?-按頻率、幅度、相位解碼器：傳輸信號(hào)原始數(shù)據(jù)解調(diào)器：接收波形數(shù)字信號(hào)序列信息→數(shù)據(jù)→信號(hào)→在介質(zhì)上傳輸→信號(hào)→數(shù)據(jù)→信息通信系統(tǒng)的任務(wù)信息通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸

把攜帶信息的數(shù)據(jù)用物理信號(hào)形式通過(guò)介質(zhì)傳送到目的地。信息和數(shù)據(jù)（0、1比特）不能直接在介質(zhì)上傳輸?！裢ㄐ畔到y(tǒng)的構(gòu)成◆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：

1）傳輸線路（包括傳輸介質(zhì)和中繼設(shè)備）

2）傳輸設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器、多路復(fù)用器、交換機(jī)、路由器等◆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：主要是指計(jì)算機(jī)?！裢ㄐ呕具^(guò)程—包含兩項(xiàng)內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制建立物理連接→建立邏輯連接→數(shù)據(jù)傳送→斷開邏輯連接→斷開物理連接（對(duì)比：打電話的過(guò)程）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(hào)）傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信道：以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。2.模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)，包含無(wú)窮多個(gè)值數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值tta)模擬信號(hào)b)數(shù)字信號(hào)3.周期信號(hào)和非周期信號(hào)周期信號(hào)：信號(hào)由不斷重復(fù)的固定模式組成（如正弦波）非周期信號(hào)：信號(hào)沒有固定的模式和波形循環(huán)（如語(yǔ)音的音波信號(hào)），能被分解成無(wú)數(shù)個(gè)周期信號(hào)的疊加。ttTTTTTT周期信號(hào)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(cuò)，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(yǔ)音、數(shù)據(jù)、影像，通用、靈活

僅在不得已的情況下，才會(huì)采用模擬通信。如用modem通過(guò)撥號(hào)線路傳輸數(shù)字信號(hào)。4.傳輸模式(通信方式)—數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向傳輸模式并行：通信線路與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)相同，用于短距離傳輸。串行：通信線路只有一條（或2、4條），與傳輸數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，用于遠(yuǎn)距離傳輸。串行傳輸分三種方式：?jiǎn)喂ぁ腚p工、全雙工。

三種傳輸方式：?單工：數(shù)據(jù)單向傳輸（無(wú)線電廣播）?半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，但不能在同一時(shí)刻雙向傳輸（對(duì)講機(jī)）?全雙工：數(shù)據(jù)可同時(shí)雙向傳輸（電話）

兩個(gè)方向的信號(hào)共享鏈路帶寬：

1）鏈路具有兩條物理上獨(dú)立的傳輸線路，或

2）將帶寬一分為二，分別用于不同方向的信號(hào)傳輸5.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸方式?基帶傳輸：不調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號(hào)直接在信道上傳送。

例如：以太網(wǎng)?頻帶傳輸：調(diào)制成模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)

例如：通過(guò)電話模擬信道傳輸6.數(shù)據(jù)同步方式

目的是使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準(zhǔn)上一致(包括開始時(shí)間、位邊界、重復(fù)頻率等)。有三種同步方法：

●位同步

●字符同步（異步傳輸）

●幀同步（同步傳輸）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

●外同步--發(fā)送端發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)，接收方用它來(lái)鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。

●自同步--通過(guò)特殊編碼（如曼徹斯特編碼），這些數(shù)據(jù)編碼信號(hào)包含了同步脈沖，接收方提取同步信號(hào)來(lái)鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。字符同步：以字符為邊界實(shí)現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起止式或異步制——每?jī)蓚€(gè)字符之間的間隔時(shí)間不固定。

每個(gè)字符的傳輸需要：（下圖）

1個(gè)起始位7+1=8個(gè)數(shù)據(jù)位2個(gè)停止位

—

頻率的漂移不會(huì)積累，每個(gè)字符開始時(shí)都會(huì)重新同步

—增加了輔助位，所以效率低

例如，1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)停止位時(shí)，其效率為8/11＜72％起始位數(shù)據(jù)位0數(shù)據(jù)位1數(shù)據(jù)位2數(shù)據(jù)位3數(shù)據(jù)位4數(shù)據(jù)位5數(shù)據(jù)位6校驗(yàn)位停止位停止位字符2字符1字符3字符4┗─┳─┛┗┳┛┗┳┛任意間隔任意間隔任意間隔幀（Frame）——包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊（包）幀起始控制信息數(shù)據(jù)幀結(jié)束校驗(yàn)和0-n8bit8bit8-32m面向比特的——以特殊位序列（7EH）作為幀（起始）標(biāo)志來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀。面向字符的——以同步字符（SYN，16H）來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀。幀同步：識(shí)別一個(gè)幀的起始和結(jié)束。7.數(shù)字信道的五個(gè)技術(shù)指標(biāo)(1)

碼元與信息量碼元是承載信息的基本信號(hào)單位。比如用脈沖信號(hào)表示數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)單位脈沖就是一碼元。一碼元的信息量是由碼元所能表示的數(shù)據(jù)有效狀態(tài)值個(gè)數(shù)決定的，若一碼元有00、01、10、11四個(gè)有效狀態(tài)值，則一碼元能攜帶2bit的信息。

五個(gè)技術(shù)指標(biāo)(2)調(diào)制速率（波特率）

單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)牟ㄐ螖?shù)，單位為baud。

W=1/T其中T表示單位脈沖寬度。數(shù)據(jù)傳輸速率（比特率）

每秒能傳輸多少構(gòu)成數(shù)據(jù)的位數(shù)，它以位/秒為單位，簡(jiǎn)稱bps。

五個(gè)技術(shù)指標(biāo)(3)帶寬與容量(信道最大數(shù)據(jù)傳輸率)

帶寬：信道所能傳輸信號(hào)的頻率范圍容量：信道每秒鐘所能傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)Nyquist定理：

其中W

為帶寬,K為信元有效狀態(tài)個(gè)數(shù)Channon定理：

其中S/N為信噪比：

分貝（dB）=10log10(S/N),即信道容量C=WLog2（1+S/N）信道容量（理想）=2WLog2K信道容量--最大數(shù)據(jù)傳輸率M最大數(shù)據(jù)率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsD=2Wlog2KD=傳輸率，單位b/s或bpsW=帶寬，單位HzK=信號(hào)電平級(jí)數(shù)例如：話音級(jí)線路(3000Hz)的信道容量計(jì)算，如右圖所示。Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高速率提供了依據(jù)。Nyquist公式：用于理想信道非理想信道實(shí)際的信道上存在三類損耗：衰減、延遲、噪聲。a）衰減

信道的損耗引起信號(hào)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。b）延遲信號(hào)中的各種頻率成分在信道上的延遲時(shí)間各不相同，在接收端會(huì)產(chǎn)生信號(hào)畸變。c）噪聲

熱噪聲：由導(dǎo)體內(nèi)的熱擾動(dòng)引起，又稱為白噪聲。

串?dāng)_：信道間產(chǎn)生的不必要的耦合。例：多對(duì)雙絞線

脈沖噪聲：非連續(xù)、隨機(jī)、振幅較大。多由外部電磁干擾造成（閃電、大功率電機(jī)啟動(dòng)等）。噪聲將破壞信號(hào)，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時(shí)間0.01s的干擾可以破壞約560個(gè)比特（56Kbps）。Shannel公式：高斯噪聲干擾信道S/NdB

信噪比（dB分貝）的定義C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道帶寬W=3KHz，信噪比為30dB，則

C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsC=傳輸率，單位b/sW=帶寬，單位Hz

即：Nyquist公式和Shannel公式的比較●D=2Wlog2K

此公式說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸率D隨信號(hào)編碼級(jí)數(shù)增加而增加。●C=Wlog2(1+S/N)

無(wú)論采樣頻率多高，信號(hào)編碼分多少級(jí)，此公式給出了信道能達(dá)到的最高傳輸速率。原因：噪聲的存在將使編碼級(jí)數(shù)不可能無(wú)限增加。五個(gè)技術(shù)指標(biāo)(4)

誤碼率

誤碼率是在通信系統(tǒng)中衡量系統(tǒng)傳輸可靠性的指標(biāo)，它的定義是二進(jìn)制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。從統(tǒng)計(jì)的理論講，當(dāng)所傳送的數(shù)字序列無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，誤碼率為：

Pe=Ne/N

其中N表示傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)；Ne表示被傳錯(cuò)的碼元數(shù)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第2講數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.3傳輸媒體(介質(zhì))雙絞線同軸電纜(粗、細(xì))光纖無(wú)線介質(zhì)無(wú)線電、短波、微波、衛(wèi)星、光波CH4.P36～P42●雙絞線內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套--螺旋絞合的雙導(dǎo)線，≈1mm--每根4對(duì)、25對(duì)、1800對(duì)--典型連接距離100m（LAN）--RJ45插座、插頭--優(yōu)缺點(diǎn)：成本低密度高、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較短雙絞線的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易安裝，普通UTP較便宜有一定的傳輸速率具有較高的容性阻抗，信號(hào)衰減較大，傳輸距離有限（100m）有輻射，容易被竊聽屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音3類、5類、6類（16M、155M、1200M）雙絞線外沒有任何附加屏蔽雙絞線（TwistedPair）雙絞線（TwistedPair）●同軸電纜基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個(gè)信道，50，用于數(shù)字傳輸寬帶同軸電纜

一條電纜同時(shí)傳輸不同頻率的多路模擬信號(hào)，75，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器

銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套特點(diǎn)頻帶較寬，傳輸率較高。損耗較低，傳輸距離較遠(yuǎn)(200m,500m)。輻射低，保密性好，抗干擾能力強(qiáng)。

架設(shè)安裝方便，容易分支。寬帶電纜可實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用傳輸。細(xì)同軸

--50，D=1.02cm，10Mbps

--185m、4中繼、5段（925m）

--優(yōu)缺點(diǎn)：價(jià)格低 安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator） 抗干擾能力強(qiáng) 距離短 可靠性差粗同軸

--50，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中繼、5段（2500m）

--優(yōu)缺點(diǎn)：價(jià)格稍高 安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator） 抗干擾能力強(qiáng) 距離中等 可靠性好

同軸電纜（CoaxialCable）細(xì)纜同軸電纜（CoaxialCable）粗纜●光纖特點(diǎn)：依靠光波承載信息速率高，通信容量大

僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長(zhǎng)距離傳輸不受電磁干擾，抗干擾性能極好，無(wú)輻射，保密性好輕便光纖斷裂的檢測(cè)和修復(fù)都很困難。

光纖傳輸原理——利用了光的反射

光從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)的折射率。當(dāng)入射角≥臨界值時(shí)產(chǎn)生全反射，不會(huì)泄漏。從而把以光形式出現(xiàn)的能量約束在波導(dǎo)內(nèi)，并引導(dǎo)光沿著軸線平行的方向傳播。

光纖：纖芯-折射率高、玻璃包層-折射率低

亮度調(diào)制，有脈沖-1，無(wú)脈沖-0

光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測(cè)器 光源:850nm/1300nm/1500nm

發(fā)光二極管/激光二極管 介質(zhì):光纖 光檢測(cè)器:光電二極管PIN/雪崩二極管APD

單向傳輸，雙向需兩根光纖●光纖傳送模式：MMF、SMF

多模MMF

輸入電信號(hào)輸出電信號(hào)單模SMF

波長(zhǎng):1300,1550nm波長(zhǎng):850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纖的直徑減小到一個(gè)光波波長(zhǎng)多束光線以不同的反射角傳播單束光線沿直線傳播●典型的光纜玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯單芯光纜多芯光纜玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼常見規(guī)格：玻璃內(nèi)芯50um緩變型MMF 62.5um緩變/增強(qiáng)型MMF 8.3um突變型SMF

玻璃包層125um●高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強(qiáng)芯光纖外鞘加強(qiáng)芯光纖束●無(wú)線介質(zhì)使用電磁波或光波攜帶信息無(wú)需物理連接適用于長(zhǎng)距離或不便布線的場(chǎng)合易受干擾無(wú)線電固定終端點(diǎn)（基站）和終端之間是無(wú)線鏈路BS基站

用戶計(jì)算機(jī)和終端BS基站覆蓋的無(wú)線電區(qū)域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的頻率無(wú)線電傳輸?shù)皖l無(wú)線電波與高頻無(wú)線電波的傳輸?shù)孛嫖⒉ń恿蓚€(gè)地面站之間傳送距離：50-100km地面站之間的直視線路微波傳送塔地球地面微波收發(fā)兩端使用拋物面天線方向性強(qiáng)，直線傳輸（視距傳輸），距離遠(yuǎn)時(shí)使用中繼站常用頻段：2G---6G用于高速數(shù)傳受天氣影響較大地球同步衛(wèi)星與地面站相對(duì)固定位置使用3個(gè)衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)22,300公里地球常用傳輸媒體的比較2.4數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)：模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)信道：模擬信道、數(shù)字信道不同類型的數(shù)據(jù)（信號(hào)）在不同類型的信道上傳輸有4種組合，每一種相應(yīng)地需要進(jìn)行不同的編碼處理。CH4.P52～P56

模擬傳輸和數(shù)字傳輸話音模擬傳輸模擬數(shù)字模擬模擬CODEC數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字編碼數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)10101010ModemEncoderDecoderModulatorDemodulator數(shù)字或模擬數(shù)字或模擬數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)數(shù)字或模擬數(shù)字或模擬P—調(diào)制參數(shù)編碼調(diào)制編碼和調(diào)制用數(shù)字信號(hào)承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——編碼用模擬信號(hào)承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——調(diào)制1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼

不歸零制(NRZ，Non-ReturntoZero)

二進(jìn)制數(shù)字0、1分別用兩種電平來(lái)表示。 常用－5V表示1，＋5V表示0。

缺點(diǎn)：存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器；不具備自同步機(jī)制，必須使用外同步。曼徹斯特編碼(Manchestercode)

用電壓的變化表示0和1。

規(guī)定在每個(gè)碼元的中間發(fā)生跳變：

高→低的跳變——0，低→高的跳變——1

∵每個(gè)碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來(lái)作為同步信號(hào)，使接收端的時(shí)鐘與發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘保持一致。

∴曼徹斯特編碼也稱為自同步碼（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步機(jī)制，無(wú)需外同步信號(hào)。

缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號(hào)速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。差分曼徹斯特編碼(DifferentialManchestercode)

與曼徹斯特編碼相同，在每個(gè)碼元的中間，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變；不同之處在于：

用在碼元開始處有無(wú)跳變來(lái)表示0和1

：

碼元開始處有跳變——0

碼元開始處無(wú)跳變——101001100011

時(shí)鐘NRZManchester差分Manchester三種數(shù)字編碼的波形圖

數(shù)據(jù)2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制編碼三種常用的調(diào)制技術(shù)：

1）幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)，調(diào)幅

2）頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)，調(diào)頻

3）相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)，調(diào)相

基本原理：用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制。

載波S(t)=Acos(t+)S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、相位調(diào)制就是要使這三個(gè)參量隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化00110100010ASK調(diào)幅FSK調(diào)頻PSK：用載波的兩個(gè)不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用載波的兩個(gè)不同頻率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用載波的起始相位的變化表示0(同相)和1(反相)—相對(duì)相位調(diào)制PSK調(diào)相(相對(duì))多級(jí)調(diào)制方法1-單參量多級(jí)調(diào)制(絕對(duì))0起相表示0，其相表示1180。270。0。90。多相調(diào)制例：4相制--相位0?表示00，90?表示01，180?表示10，270?表示11高速(56Kbps)MODEMD/AA/DA/DD/AD/AA/DV.34(28.8--33.6kbps)最大的噪聲來(lái)源于模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化噪聲，信道容量極限值約35kbpsD/AA/DD/AV.90(56kbps)交換機(jī)1交換機(jī)2ISPV.34(28.8--33.6kbps)模擬模擬數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字模擬上行仍需模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，速率最高為35kbps；下行則可達(dá)56Kbps3.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼奈奎斯特定理（采樣定理）：

如果連續(xù)變化的模擬信號(hào)最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對(duì)其采樣，則采樣得到的離散信號(hào)序列就能完整地恢復(fù)出原始信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：

1）采樣——按一定間隔對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣

2）量化——對(duì)每個(gè)樣本舍入到量化級(jí)別上

3）編碼——對(duì)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(hào)PCM信號(hào)采樣電路量化和編碼

數(shù)字化聲音--話音信道帶寬<4KHz--采樣時(shí)鐘頻率：8KHz(>2倍話音最大頻率)--量化級(jí)數(shù)：256級(jí)(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(hào)的速率=64000bps編碼后的信號(hào)稱為PCM（PulseCodedModulation）信號(hào)（脈碼調(diào)制信號(hào)）采樣：按照一定的時(shí)間間隔，把模擬信號(hào)的值取下來(lái)作為樣本。采樣頻率≥2倍帶寬量化：對(duì)采樣得到的樣本，按其幅度大小給出一個(gè)值。編碼：用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示量化得到的值。PCM轉(zhuǎn)換波形圖BACDABCD模擬話音采樣時(shí)鐘PAM信號(hào)PCM信號(hào)采樣電路量化和編碼數(shù)字化聲音通信系統(tǒng)的例子——電話系統(tǒng)公用電話交換網(wǎng)PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的數(shù)據(jù)傳輸率：104b/s-干線的數(shù)據(jù)傳輸率：1010b/s-總體誤碼率：<10-5

-通信干線采用光纖或微波數(shù)字傳輸系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：出錯(cuò)率低、可傳輸語(yǔ)音/數(shù)據(jù)/圖像、速率高、成本低、維護(hù)容易構(gòu)成：本地回路、交換局、干線端局端局長(zhǎng)途局中心局長(zhǎng)途局本地回路準(zhǔn)長(zhǎng)途干線高帶寬長(zhǎng)途干線準(zhǔn)長(zhǎng)途干線本地回路光纖、微波、同軸雙絞線雙絞線本地回路編碼解碼器Codec編碼解碼器Codec用戶設(shè)備用戶設(shè)備ModemModem端局端局長(zhǎng)途局?jǐn)?shù)字干線模擬線路（本地回路）模擬線路（本地回路）●絕大多數(shù)為模擬線路●計(jì)算機(jī)間傳輸：以模擬為主，所以信號(hào)要經(jīng)過(guò)多次變換：數(shù)字→模擬→數(shù)字→模擬→數(shù)字?復(fù)用——多個(gè)信息源共享一個(gè)公共信道

為何要復(fù)用？線路成本DEMUX復(fù)用器解復(fù)用器共享信道MUX2.5多路復(fù)用技術(shù)復(fù)用類型FDM(頻分復(fù)用)WDM(波分復(fù)用)TDM(時(shí)分復(fù)用)1.頻分復(fù)用FrequencyDivisionMultiplexingCH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用f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(hào)傳輸

2.波分復(fù)用WaveDivisionMultiplexingF2F1F3

光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖采用無(wú)源設(shè)備，更可靠棱柱/衍射光柵原理：整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每個(gè)用戶占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。3.時(shí)分復(fù)用TimeDivisionMultiplexing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)。

A2A1A3原始信號(hào)D2D1D3數(shù)字化信號(hào)MUX復(fù)用后數(shù)據(jù)時(shí)隙1234D3D2D1適用于數(shù)字信號(hào)傳輸

時(shí)間片統(tǒng)計(jì)(異步)TDM——STDMABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM帶寬浪費(fèi)A1B1C2B2周期1周期2統(tǒng)計(jì)TDM可用帶寬TDM的缺點(diǎn)：某用戶無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該通道，將會(huì)造成帶寬浪費(fèi)。改進(jìn)：統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（STDM），用戶不固定占用某個(gè)通道，有空槽就將數(shù)據(jù)放入。數(shù)字載波標(biāo)準(zhǔn)T-標(biāo)準(zhǔn)北美、日本E-標(biāo)準(zhǔn)歐洲、中國(guó)、南美用數(shù)字信號(hào)傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的時(shí)分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)。

每125us為一個(gè)時(shí)間片，每時(shí)間片分為32個(gè)通道（供32個(gè)用戶輪流使用）。每通道占用125us/32=3.90625us

每通道一次傳送8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即每個(gè)二進(jìn)制位占用0.48828125us，所以

E1速率=1/0.48828125=2.048Mb/s

E1標(biāo)準(zhǔn)也可以這樣計(jì)算E1速率

E1速率=(32x8bit)/125ms=2.048Mb/sE1-幀格式0121631125ms=32時(shí)隙=2.048Mbps幀同步信令信道30路話音數(shù)據(jù)信道+2路控制信道2.6交換技術(shù)為降低通信線路造價(jià)，大型網(wǎng)絡(luò)主要采用部分連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)之間的通信連接一般都要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接，中間節(jié)點(diǎn)要在它所連接幾條線路中選擇一條進(jìn)行接續(xù)。就像電話交換機(jī)為通話雙方接續(xù)線路一樣，這個(gè)過(guò)程被稱為交換。

實(shí)現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報(bào)文交換、分組交換。

電路交換交換設(shè)備在通信雙方找出一條實(shí)際的物理線路的過(guò)程。(最早的電路交換連接是由電話接線員通過(guò)插塞建立的，現(xiàn)在則由計(jì)算機(jī)化的程控交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。

呼叫——建立連接——傳輸——掛斷

優(yōu)缺點(diǎn)：建立連接的時(shí)間長(zhǎng)；一旦建立連接就獨(dú)占線路，線路利用率低；無(wú)糾錯(cuò)機(jī)制；建立連接后，傳輸延遲小。報(bào)文交換整個(gè)報(bào)文作為一個(gè)整體一起發(fā)送。在交換過(guò)程中，交換設(shè)備將接收到的報(bào)文先存儲(chǔ)，待信道空閑時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一級(jí)一級(jí)中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)。缺點(diǎn)：1）報(bào)文大小不一，造成緩沖區(qū)管理復(fù)雜。2）大報(bào)文造成存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)過(guò)長(zhǎng)；3）出錯(cuò)后整個(gè)報(bào)文全部重發(fā)。分組交換（包交換）將報(bào)文劃分為若干個(gè)大小相等的分組(Packet)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。優(yōu)點(diǎn)：1）存儲(chǔ)量要求較小，可以用內(nèi)存來(lái)緩沖分組速度快；2）轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)小適用于交互式通信；3）某個(gè)分組出錯(cuò)僅重發(fā)該分組效率高；4）各分組可通過(guò)不同路徑傳輸可靠性高。特點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路。2）有強(qiáng)大的糾錯(cuò)機(jī)制、流量控制和路由選擇功能。三種交換方式的事件順序呼叫請(qǐng)求呼叫應(yīng)答數(shù)據(jù)ABCD分組1分組2分組3報(bào)文ABCDABCD尋路延遲排隊(duì)延遲線路交換報(bào)文交換分組交換異步傳輸模式ATMATM是一種高速分組交換技術(shù)，采用了以信元（cell）為單位的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，故又稱為信元交換。ATM將話音、數(shù)據(jù)和圖像等數(shù)據(jù)分解成長(zhǎng)度固定的數(shù)據(jù)塊，并在各數(shù)據(jù)塊前裝配地址、優(yōu)先級(jí)等控制信息構(gòu)成信元。信元由信元頭部和有效載荷構(gòu)成：信元頭部有效載荷5B48BCH.14P167-175在ATM網(wǎng)絡(luò)中，空信元以一定的速率出現(xiàn)，發(fā)送站只要獲得空信元即可插入信息發(fā)送。因信息插入位置無(wú)周期性，故稱這種傳送方式為異步傳輸模式。ATM特點(diǎn)：1)

面向連接（虛連接），按序遞交；2)

固定大小的信元，便于高速處理（可用硬件實(shí)現(xiàn)），傳輸速率≥622Mb/s；3)QoS特性保證了ATM可以實(shí)時(shí)地傳送語(yǔ)音和活動(dòng)圖像。123456數(shù)據(jù)塊信元流2.7差錯(cuò)控制傳輸差錯(cuò)：數(shù)字傳輸系統(tǒng)很容易受到干擾，這些干擾能引起隨機(jī)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)或傳輸數(shù)據(jù)的丟失或改變。產(chǎn)生差錯(cuò)的原因：1）信道的電氣特性引起信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變；2）信號(hào)反射；3）串?dāng)_；4）閃電、大功率電機(jī)的啟停等。線路傳輸差錯(cuò)是不可避免的，但要盡量減小其影響。CH.7P67～P72差錯(cuò)控制：在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)差錯(cuò)，對(duì)差錯(cuò)進(jìn)行糾正，從而把差錯(cuò)限制在數(shù)據(jù)傳輸所允許的盡可能范圍內(nèi)的技術(shù)和方法差錯(cuò)控制方法自動(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)法（ARQ）：采用具有檢錯(cuò)能力的校驗(yàn)碼，發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)后控制重傳。向前糾錯(cuò)：采用具有糾錯(cuò)能力的編碼，在接收端不僅能檢錯(cuò)，而且能糾錯(cuò)。差錯(cuò)控制編碼（抗干擾編碼）：為了檢錯(cuò)糾錯(cuò)，通常隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送一小部分附加信息。發(fā)送計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)中計(jì)算附加信息的值，接收計(jì)算機(jī)進(jìn)行同樣的計(jì)算來(lái)核對(duì)結(jié)果。差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制基本方法：接收方進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收。差錯(cuò)檢測(cè)主要有3種方法：奇偶校驗(yàn)校驗(yàn)和循環(huán)冗余校驗(yàn)差錯(cuò)控制1.奇偶校驗(yàn)（ParityChecking）在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位增加一個(gè)附加比特位，使結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)(奇校驗(yàn))或偶數(shù)(偶校驗(yàn))。增加的位稱為奇偶校驗(yàn)位。

例：原始數(shù)據(jù)=1100010，采用偶校驗(yàn)。則增加校驗(yàn)位后的數(shù)據(jù)為11100010若接收方收到的字節(jié)奇偶結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。奇偶校驗(yàn)只能檢測(cè)出奇數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)，對(duì)偶數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)則無(wú)能為力。水平垂直奇偶校驗(yàn):能糾正1比特錯(cuò)。校驗(yàn)和:把數(shù)據(jù)看成二進(jìn)制整數(shù)序列并且計(jì)算他們的和。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用16位或32位校驗(yàn)和。2.校驗(yàn)和(checksum)優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單，校驗(yàn)和尺寸比較小。缺點(diǎn)：不能檢測(cè)所有常見錯(cuò)誤。3.循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC,CyclicRedundancyCheck）

是一種通過(guò)多項(xiàng)式除法檢測(cè)錯(cuò)誤的方法。

編碼思想：將位串看成系數(shù)為0或1的多項(xiàng)式檢錯(cuò)思想：收發(fā)雙方約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)（其最高階和最低階系數(shù)必須為1），發(fā)送方在幀的末尾加上校驗(yàn)碼，使帶校驗(yàn)碼的幀的多項(xiàng)式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項(xiàng)式，若有余數(shù)，則傳輸有錯(cuò)。校驗(yàn)碼計(jì)算方法

若G(x)為r階，原幀為m位，其多項(xiàng)式為M(x)，則在原幀后面添加r個(gè)0，幀成為m+r位，相應(yīng)多項(xiàng)式xrM(x)按模2除法用對(duì)應(yīng)于G(x)的位串去除對(duì)應(yīng)于xrM(x)的位串按模2加法把xrM(x)的位串與余數(shù)相加，結(jié)果就是要傳送的帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式T(x)T(x)=xrM(x)+[xrM(x)MOD2G(x)]

CRC校驗(yàn)示例待校驗(yàn)數(shù)據(jù)：1101,0110,11G(x)=x4+x+1,即10011

110101101100001001111000010101001110011100110000101101001110100100111110余數(shù)∴傳送序列T(x)=1101,0110,1111,10硬件實(shí)現(xiàn)移位寄存器

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼異或單元

硬件實(shí)現(xiàn)模塊聯(lián)接：用異或單元聯(lián)接若干移位寄存器。所有移位寄存器中的值都被初始化為0，消息的位串一次移入一位，直到整個(gè)消息輸入結(jié)束，則移位寄存器中包含的即為CRC。改變移位寄存器分配的位數(shù)和使用的初始值，可以得到不同的CRC算法。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC比校驗(yàn)和能檢測(cè)出更多的差錯(cuò)消息的一位能在很大程度上影響CRC。由于使用反饋技術(shù)，消息一個(gè)位的影響被循環(huán)多次。CRC特別適用于檢測(cè)突發(fā)性差錯(cuò)帶差錯(cuò)檢測(cè)機(jī)制的幀格式循環(huán)冗余校驗(yàn)碼差錯(cuò)控制技術(shù)自動(dòng)請(qǐng)求重傳AutomaticRepeatRequest(ARQ)停等ARQ

發(fā)送方每發(fā)完一幀必須等接收方確認(rèn)后才能發(fā)下一幀。Go-back-NARQ

發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多幀。若前面某幀出錯(cuò)，從該幀以后的各幀都需重發(fā)。（一般與流控結(jié)合使用）選擇重傳ARQ

發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多幀。若前面某幀出錯(cuò)，只需重發(fā)該出錯(cuò)的幀。發(fā)送方需要緩存前面所有未被確認(rèn)的幀。用電流發(fā)送位串?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)娜舾蓡?wèn)題RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)幀對(duì)齊和差錯(cuò)硬件帶寬與信道容量第3章局域異步通信（RS-232)CH5.P43--P50數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃问剑弘娏?、無(wú)線電或光最簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)是用微小的電流編碼數(shù)據(jù)。通常負(fù)電壓表示1，正電壓表示0。波形圖：電信號(hào)如何隨時(shí)間發(fā)生變化。用電流發(fā)送位串使用多長(zhǎng)時(shí)間的電壓和多大的電壓來(lái)傳輸一位數(shù)據(jù)？能否在同樣的時(shí)間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)？電壓變化的最大速率是多少？發(fā)送器和接收器之間如何協(xié)調(diào)以便與接收器能夠正確接收數(shù)據(jù)？通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化組織：ITU,EIA,ISO,IEEE數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜舾蓡?wèn)題RS-232是串行的異步通信標(biāo)準(zhǔn)，被用于在計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備之間傳輸字符。電氣指標(biāo)：用-3～-15V的電壓表示二進(jìn)制1，用+3～+15V的電壓表示二進(jìn)制0；允許的最大傳輸速率為20kb/s；最長(zhǎng)可驅(qū)動(dòng)電纜15m；空閑時(shí)，導(dǎo)線處于一個(gè)負(fù)電壓狀態(tài)。--不歸0制RS-232標(biāo)準(zhǔn)（1）

異步通信起始位：傳輸字符之前先額外傳輸一位0。終止位：字符之間至少間隔一位。傳輸一個(gè)7位字符需要9位。RS-232標(biāo)準(zhǔn)（2）

全雙工通信至少需要三根導(dǎo)線(2根數(shù)據(jù)線+1根公共地線)忽略控制線，假定另一端處于工作狀態(tài)。2-3交換：計(jì)算機(jī)之間連接需要2-3交換，計(jì)算機(jī)與MODEM之間