數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

§2.1基本概念§2.2差錯(cuò)控制§2.3多路復(fù)用§2.4數(shù)據(jù)交換本章主要討論數(shù)據(jù)通信的一些基本概念、原理和技術(shù)。第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

§2.1基本概念一、數(shù)據(jù)通信的定義及特點(diǎn)1.數(shù)據(jù)通信的定義指按照一定的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)以某種信號(hào)的方式，通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)信息的傳輸、交換、存儲(chǔ)和處理的過(guò)程。2.幾個(gè)概念。數(shù)據(jù)(data)是運(yùn)送信息的實(shí)體，而信號(hào)(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。無(wú)論數(shù)據(jù)或信號(hào)，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”就表示取值是離散的。因此，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(digitaldata)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程叫作調(diào)制。一般說(shuō)來(lái)，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。因此我們有以下四種情況： （1）模擬數(shù)據(jù)、模擬信號(hào)。 （2）模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號(hào)。 （3）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號(hào)。 （4）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、數(shù)字信號(hào)。下圖給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)的示意圖。3.數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)（1）數(shù)據(jù)量具有突發(fā)性（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蟾撸?）適應(yīng)性強(qiáng)（4）信息傳輸效率高（5）靈活的接口能力4.數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量指標(biāo)（1）有效性：指在給定的信道中單位時(shí)間內(nèi)能傳輸信息量的多少，即用傳輸信息的速率來(lái)衡量。信息速率，也稱信息傳輸速率（或稱比特率），用Rb來(lái)標(biāo)記，它表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道的信息量，單位是比特/秒（b/s或bps）。碼元速率，也稱碼元傳輸速率（或稱調(diào)制速率、波特率），用Rs標(biāo)記，它表示單位時(shí)間內(nèi)信道上實(shí)際傳輸碼元個(gè)數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)（可以是多進(jìn)制），單位是波特（Baud）。（2）可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，可用錯(cuò)誤率（差錯(cuò)率）來(lái)度量。誤比特率（誤信率）:誤碼元率（誤符號(hào)率）:數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)為中心，通過(guò)通信線路連接分布在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)終端設(shè)備而傳輸數(shù)據(jù)信息的通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)劃分為三大部分，即源系統(tǒng)(或發(fā)送端)、傳輸系統(tǒng)(或傳輸網(wǎng)絡(luò))和目的系統(tǒng)(或接收端)。數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE，DataTerminalEquipment）數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE，DataCircuit-terminatingEquipment）信道數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2.信道類型（1）有線信道和無(wú)線信道（2）模擬信道和數(shù)字信道3.傳輸介質(zhì)：它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送端和接收端之間的物理通路?？煞譃閮纱箢悾河芯€和無(wú)線。（1）雙絞線

把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來(lái)就構(gòu)成了雙絞線。分類：無(wú)屏蔽雙絞線UTP和屏蔽雙絞線STP

（2）同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實(shí)心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護(hù)塑料外層所組成。分類(按特性阻抗數(shù)值的不同)：（1）50同軸電纜基帶同軸電纜（2）75同軸電纜寬帶同軸電纜（3）光纖由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì)，其直徑只有8－100m。纖芯用來(lái)傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時(shí)，其折射角將大于入射角。只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個(gè)臨界角度，就可產(chǎn)生全反射?？梢源嬖谠S多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖。62.5/125μm多模光纖50μm多模光纖光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些特點(diǎn)：（1）傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。（2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。（3）無(wú)串音干擾，保密性好，也不易被竊聽(tīng)或截取數(shù)據(jù)。（4）體積小，重量輕。（4）微波（5）紅外線微波通信微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；相鄰站之間必須直視，不能有障礙物；微波的傳播有時(shí)也會(huì)受到惡劣氣候的影響；衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。4.信道技術(shù)參數(shù)（1）帶寬：一條傳輸信道上允許信息傳輸?shù)男盘?hào)頻率范圍。（2）信道容量：信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，即指定信道傳輸速率的最大理論極限值。模擬信道的信道容量用香農(nóng)（Shannon）公式表示為：B為信道帶寬，S為信號(hào)的平均功率，N為白噪聲功率，即S/N為平均信號(hào)噪聲功率比。

數(shù)字信道的信道容量（理想的無(wú)錯(cuò)信道，用奈奎斯特公式）：B為信道寬帶，M為碼元符號(hào)的種類

四、調(diào)制/解調(diào)1.什么是調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是使載波信號(hào)的幅度、頻率或相位（可以是它們的任意組合）隨發(fā)送信號(hào)而變化的信號(hào)變換過(guò)程。接收端需要進(jìn)行解調(diào)，將已調(diào)波變換成原來(lái)的信號(hào)形式。2.為什么要進(jìn)行調(diào)制

為了使數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能在模擬信道中傳輸，通過(guò)調(diào)制將數(shù)字信號(hào)變換為適合于在模擬信道中傳輸?shù)倪m當(dāng)?shù)男盘?hào)形式，這就需要由調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.調(diào)制技術(shù)（1）調(diào)幅與調(diào)頻

（2）幅移鍵控

（3）頻移鍵控

（4）相移鍵控

五、編碼/解碼舉例：將模擬電話信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，先對(duì)電話信號(hào)進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號(hào)最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號(hào)無(wú)失真地恢復(fù)出原來(lái)的電話信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號(hào)的最高頻率為3.4kHz，為方便起見(jiàn)，采樣頻率就定為8kHz，相當(dāng)于采樣周期為125s。下圖表示了上述的概念。六、傳輸編碼1.字符編碼字母、數(shù)字和符號(hào)用二進(jìn)制編碼組合來(lái)表示，常用的二進(jìn)制代碼有國(guó)際5號(hào)碼、EBCDIC碼、國(guó)際2號(hào)電報(bào)碼等。2.基帶傳輸編碼基帶數(shù)字信號(hào)的編碼方法:曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼。七、傳輸方式1.并行傳輸和串行傳輸2.單工、半雙工和全雙工通信3.同步傳輸和異步傳輸同步通信就是要求接收端的時(shí)鐘頻率和發(fā)送端的時(shí)鐘頻率相等(這常稱為收發(fā)雙方的時(shí)鐘是同步的)，以便使接收端對(duì)收到的比特流的采樣判決的時(shí)間是準(zhǔn)確的。異步傳輸又稱起止式傳輸，其特點(diǎn)是字符內(nèi)部的每一位采用固定的時(shí)間模式，字符之間間隔任意。用獨(dú)特的起始信號(hào)（或起始位）和終止信號(hào)（或結(jié)束位）來(lái)限定每個(gè)字符，傳輸效率較同步傳輸?shù)?。八、傳輸形?.基帶傳輸在數(shù)字信道上直接傳送基帶信號(hào)的方法稱為基帶傳輸。2.頻帶傳輸對(duì)原始基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后送入模擬信道傳輸，這種利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的方法就是頻帶傳輸?！?.2差錯(cuò)控制一、差錯(cuò)控制的基本方式通過(guò)增加冗余碼元（犧牲有效性）提高傳輸系統(tǒng)的可靠性，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確接收。1.檢錯(cuò)反饋重發(fā)檢錯(cuò)反饋重發(fā)是計(jì)算機(jī)通信中最常用的差錯(cuò)控制方法，通常又有三種方式：停發(fā)等待方式、連續(xù)發(fā)送方式、選擇重發(fā)方式。

（1）停發(fā)等待方式

發(fā)送端

1

時(shí)間

接收端

1

1

1

NAK

檢測(cè)到錯(cuò)誤

2

2

ACK

檢測(cè)正確3

3

ACK

檢測(cè)正確時(shí)間

1

2

3

4

5

6

7

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

3

4

5

6

7

8

發(fā)送端ACK1

ACK2

NAK3

ACK4

ACK3

檢測(cè)到錯(cuò)誤

從碼組3開(kāi)始重發(fā)接收端時(shí)間（2）連續(xù)發(fā)送方式

（3）選擇重發(fā)方式

1

2

3

4

5

6

7

3

8

9

10

11

1

2

3

4

5

6

7

3

8

9

10

11

發(fā)送端

ACK1

ACK2

NAK3

ACK3

ACK4

檢測(cè)到錯(cuò)誤碼組3重發(fā)

ACK7

時(shí)間

接收端

2.前向糾錯(cuò)前向糾錯(cuò)，就是在發(fā)送端發(fā)出經(jīng)編碼的糾錯(cuò)碼，接收端收到碼組后，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并糾正錯(cuò)誤。3.混合糾錯(cuò)檢錯(cuò)反饋重發(fā)方式和前向糾錯(cuò)方式的結(jié)合稱為混合糾錯(cuò)。2.2.3常用的檢糾錯(cuò)碼

奇偶監(jiān)督碼

a0a1

…an-1=1（奇校驗(yàn)）a0a1

…an-1=0（偶校驗(yàn)）§2.3多路復(fù)用一、多路復(fù)用原理其理論依據(jù)是信號(hào)分割原理。多路復(fù)用有頻分多路復(fù)用、時(shí)分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用之分。二、頻分多路復(fù)用是指按照頻率參量的差別來(lái)分割各路信號(hào)的。在發(fā)送端使各復(fù)用信號(hào)的頻譜互不重疊，在接收端用濾波器把各路信號(hào)區(qū)分開(kāi)。三、時(shí)分多路復(fù)用按照時(shí)間參量的差別來(lái)分割各路信號(hào)。將信道工作時(shí)間劃分為周期T，每一周期又再劃分為若干時(shí)間間隔，在一個(gè)周期內(nèi)每一路信號(hào)占用一個(gè)時(shí)間間隔（通常稱為時(shí)隙）。1.時(shí)分多路復(fù)用原理2.T1系統(tǒng)日本和北美采用T1標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)用了24路話路信號(hào)，每個(gè)話路的采樣頻率是8KHz，對(duì)每個(gè)采樣脈沖進(jìn)行7bit編碼，然后加上1bit作標(biāo)志，在第24路編碼之后再附加1bit用于幀同步，這樣構(gòu)成的幀共有193bit，由此可計(jì)算出T標(biāo)準(zhǔn)的一次群數(shù)據(jù)速率為8000×193=1.544Mbps。

3.E1系統(tǒng)我國(guó)和歐洲采用E標(biāo)準(zhǔn)，E1系統(tǒng)是E標(biāo)準(zhǔn)的基群（一次群），有時(shí)稱為PCM30/32路系統(tǒng)。每幀分為32個(gè)時(shí)隙，各個(gè)時(shí)隙從0到31編號(hào)，記為TS0，TS1，TS2，……，TS31，其中TS1至TS15及TS17至TS31這30路時(shí)隙用來(lái)傳送30路PCM信號(hào)的8位碼組，每幀的開(kāi)始時(shí)隙TS0（8位）作幀同步用，TS16（8位）用于傳輸信令。因?yàn)門S16的8位只能傳送兩路信令，所以又把每16個(gè)幀放在一起構(gòu)成更大的幀，稱為復(fù)幀。由于每個(gè)時(shí)隙傳送8bit信息，因此32個(gè)時(shí)隙共用256bit，而每秒傳輸8K個(gè)幀，所以E1系統(tǒng)的數(shù)據(jù)數(shù)率是8000×256=2.048Mbps。

4.多級(jí)復(fù)用5.統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用四、波分復(fù)用

波分復(fù)用即為頻分復(fù)用運(yùn)用于光纖信道，實(shí)質(zhì)就是頻分復(fù)用，與FDM的區(qū)別僅在于WDM使用光復(fù)用器和光分用器。DWDM系統(tǒng)是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)同時(shí)使用4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)或n個(gè)波長(zhǎng)，通常在一對(duì)光纖上構(gòu)成的光纖通信系統(tǒng)。一般每個(gè)光載波之間的波長(zhǎng)間隔是0.8nm或1.6nm，等間隔分布，輸入的光載波經(jīng)光調(diào)制后變到相應(yīng)的波段。例如，對(duì)于4路傳輸速率均為2.5Gbps的光載波（波長(zhǎng)均為1310nm），分別進(jìn)行光調(diào)制后變換到波長(zhǎng)為1550nm、1550.8nm、1551.6nm、1552.4nm，每個(gè)光載波波長(zhǎng)間隔0.8nm，復(fù)用總速率達(dá)到10Gb/s。五、碼分復(fù)用碼分復(fù)用也是一種共享信道方法，各用戶以其特有的碼型（通常稱為偽隨機(jī)序列）在共同的信道帶寬內(nèi)傳送數(shù)據(jù)信息，按照碼型的差別來(lái)分割各路信號(hào)，這樣的通信方式叫做碼分多址（CDMA）。在CDMA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)碼元時(shí)間被劃分為m個(gè)較短的時(shí)間間隔，稱之為碼片（chip），若干碼片組成碼片序列（也稱偽隨機(jī)序列），一般m=64或m=128。§2.4數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換本身不關(guān)心傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，僅執(zhí)行交換的動(dòng)作，將數(shù)據(jù)從一個(gè)端口交換到另一個(gè)端口，進(jìn)而傳輸?shù)搅硪粋€(gè)中間結(jié)點(diǎn)，直至目的地。從交換方式的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，交換經(jīng)歷了電路交換、報(bào)文交換、分組交換和快速交換幾個(gè)階段。一、電路交換

主機(jī)A

主機(jī)B

結(jié)點(diǎn)1

結(jié)點(diǎn)2

結(jié)點(diǎn)3

比特流

二、報(bào)文交換基本思想：存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forwardexchanging）。

主機(jī)B

主機(jī)E

結(jié)點(diǎn)

主機(jī)A

主機(jī)C

主機(jī)D

主機(jī)F

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

結(jié)點(diǎn)

三、分組交換報(bào)文交換的一種改進(jìn)形式。首先將長(zhǎng)報(bào)文分成若干個(gè)分組，每個(gè)分組的長(zhǎng)度給了一個(gè)上限，然后以分組為單位以存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行傳輸。分組交換有兩種管理數(shù)據(jù)分組的方法：數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路。1.數(shù)據(jù)報(bào)方式

主機(jī)B

主機(jī)