數據通信技術基礎

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1、,*,第2章 數據通信技術基礎,主要學習內容,,：,,數據通信的基本概念,,數據通信方式,,數據通信傳輸介質,,了解數據編碼技術和多路復用技術,,數據交換技術,,1,,2.1 數據通信的基本概念,1、信息與編碼,,,信息,可以是數字、文字、語言、圖形和圖像等各種形式，是人們要通過通信系統(tǒng)傳遞的內容。,,,編碼,就是用二進制代碼來表示信息中的每一個字符。,,,2、數據,,編碼后的信息就是,數據,。,,2,,2.1 數據通信的基本概念,3、信號,,,數據的傳輸表現(xiàn)形式稱為信號。,,,從信號的實現(xiàn)形式上劃分為模擬信號和數字信號兩種形式。,,模擬信號是用幅度連續(xù)變化的電磁波來表示信息的信號。,模

2、擬傳輸就是在通信介質上傳遞模擬信號。根據模擬信號的不同頻率，可在有線介質和無線介質上傳輸。,,,數字信號是一種不連續(xù)（離散）的信號。,通常是一串電壓脈沖序列序號。如某一電壓值代表二進制數“,1”,，另一脈沖電壓值代表二進制數“,0”,。在通信介質上傳輸數字信號稱數字傳輸。,,3,,2.1 數據通信的基本概念,4、信道,,在數據通信系統(tǒng)中，,信道是傳輸信號的通道,。,,,邏輯上,，信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的,“介質”,。一般來說，一條通信線路至少包含兩條信道，一條用于,發(fā)送的信道,和一條用于,接收的信道,。,,信道可分為適合傳送模擬信號的,模擬信道,和適合傳送數字信號的,數字信

3、道,。,,4,,2.1 數據通信的基本概念,5、通信系統(tǒng)基本模型,信道,發(fā)送設備,發(fā)送機,接收機,接收設備,是發(fā)出信息的源，其作用是把信息轉換成原始信號，是產生數據的設備。,是指傳輸信號的通道，是連接信源和信宿的傳輸線路，信道既給信號以通路，也對信號產生各種干擾和噪聲。,從傳輸系統(tǒng)接收信號并將其轉換成信宿設備能夠處理的形式。主要進行解調、譯碼、解碼等，用來恢復原始信號。,從接收器上取得傳入數據的設備，將復原的原始信號轉換成相應的消息。,通信系統(tǒng)的作用是傳遞信息。無論模擬通信系統(tǒng)還是數字通信系統(tǒng)均包含5個基本組件：,發(fā)送設備、發(fā)送機、信道、接收機和接收設備,。,是將信源和信道匹配，將信源產生的

4、信號變換成適合信道傳輸的信號，并進行發(fā)送。,,5,,2.1 數據通信的基本概念,數據通信系統(tǒng)是通過數據電路將分布在遠地的數據終端設備與計算機系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)數據傳輸、交換、存儲和處理的系統(tǒng)。比較典型的數據通信系統(tǒng)主要由數據終端設備、數據電路、計算機系統(tǒng)三部分組成。,數據通信系統(tǒng)組成,,6,,2.1 數據通信的基本概念,6、數據通信的主要技術指標,在數據通信系統(tǒng)中，信道占有非常重要的地位，其中,信道帶寬,和,信道最大傳輸速率,是影響,信道質量,的兩個主要因素。,,,信道帶寬：,信道上傳輸的是電磁信號。,某個信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就是該信道的帶寬。,,信道帶寬＝最大有效頻率－最小有

5、效頻率,信道帶寬,,7,,2.1 數據通信的基本概念,數據傳輸速率,是指信道每秒所能傳輸的,二進制比特數,，記作bps（比特每秒）。常見單位：Kbps、Mbps、Gbps。它與信道帶寬緊密相連的，即,信道帶寬越寬，數據傳輸速率越高,。,信道容量：是指信道的允許的最大傳輸速率。,波特率：信號每秒種變化的次數。它與數據傳輸速率成正比關系。,,吞吐量：信道在單位時間內成功傳輸的信息量。如某信道在,10,分鐘內成功傳輸了,6Mb,的數據，其吞吐量為,6*1024 / (10*60)≈10Kbps,。,,8,,誤碼率,誤碼率指在二進制碼元數據傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。,,Pe=Ne/N,,N為傳輸的二

6、進制碼元總數，Ne為被傳錯的碼元數。,,(1)是衡量系統(tǒng)傳輸可靠性和有效性的重要參數,,(2)如果不是二進制碼元，必須折合成二進制來計算。,傳輸延遲,數據從信源（源計算機）到信宿（目的計算機）所花費的時間。,2.1 數據通信的基本概念,,注：碼元,是承載信息的基本信號單位。比如用脈沖信號表示數據時，一個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據有效狀態(tài)值個數決定的，若一碼元有00、01、10、11四個有效狀態(tài)值，則一碼元能攜帶2bit的信息,。,,9,,2.2 信號傳輸的基本形式,通信系統(tǒng)的信號傳輸基本形式按調制方式分類有：,,基帶信號,：將數字信號,1,或,0,直接用

7、兩種,不同的電壓,來表示，然后送到線路上去傳輸。,,,頻帶信號,：將基帶信號進行調制后形成的,頻分復用模擬信號,。,(1)?基帶傳輸,,,在數字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸。,,,基帶傳輸不需要調制解調器，設備花費小，適用于短距離的數據傳輸，如局域網。,,10,,2.2 信號傳輸的基本形式,(2)?頻帶傳輸,,在計算機通信遠程線路中，不能直接傳送基帶信號，需要利用,頻帶傳輸。,,就是用基帶脈沖對載波波形的某些參量進行控制，使這些參量隨基帶脈沖變化，,也就是調制。經過調制的信號稱為已調信號。,已調信號通過線路傳輸到接收端，然后通過解調恢復為原始基帶脈沖,。,,這種頻帶傳輸不僅

8、克服了目前許多長途電話線路不能直接傳輸基帶信號的缺點，而且能實現(xiàn)多路復用的目的，從而提高了通信線路的利用率。值得注意的是，頻帶傳輸在發(fā)送端和接收端都需要調制解調器。,,11,,2.3 數據通信方式-并行與串行,（1）,串行數據傳輸,,,只使用一條線路，逐位地傳送所有的比特。它比較便宜，用在長距離連接中也比并行傳輸更加可靠。因為它每次只能發(fā)送一個比特位，所以其速度比較慢。,,,,（2）,并行數據傳輸,,,并行傳輸指可以同時傳輸一組比特，每個比特使用單獨一條線路（導線）。這些線路通常被捆扎在一條電纜里。并行傳輸非常普遍，特別是應用于兩個短距離和設備之間。,,通信系統(tǒng)的通信方式按數字信號的排列順序

9、分類有：,,12,,,同步是要接收方按照發(fā)送方發(fā)送的每個位的起止時刻和速率來接收數據，否則會產生誤差。,,,通?？梢圆捎?同步,傳輸,或,異步,傳輸,的傳輸方式,對位進行同步處理,。,,同步傳輸方式中發(fā)送方和接收方的時鐘是,統(tǒng)一,的、字符與字符間的傳輸是,同步無間隔,的。,,異步傳輸方式并,不要求,發(fā)送方和接收方的時鐘完全一樣，字符與字符間的傳輸是,異步,的。,2.3 數據通信方式-異步與同步,,13,,2.3 數據通信方式-異步與同步,1.異步式,,各個字符分開傳輸，字符之間插入同步信息。異步式又稱為,起止同步方式,。傳輸數據以“,字符,”為數據單元，一般由起始位（1位）、數據位（5～

10、9位，PC機7～8位）、奇偶校驗位（1位）和停止位（1-2位）部分組成，兩字符之間的間隔長度可以不固定。,,14,,2.3 數據通信方式-異步與同步,例如，一般不發(fā)字符時線路保持“1”狀態(tài)，當發(fā)送一個字符代碼時，字符前面要加一個起始信號，極性為“0”，即空號極性，預告字符的信息代碼即將開始。在數據位和校驗位結束后面要加一個終止符號，極性為“1”，即傳號極性，表示該字符已結束。,,異步方式,實現(xiàn)起來簡單容易,，每個字符都為該字符的位同步提供了時間基準，對線路和收發(fā)器要求較低。,缺點是通信開銷較大，線路效率低，,數據傳輸速率多在1.2kb/s以下。,,15,,2.3 數據通信方式-異步與同步,

11、2.同步式,,同步式要求不管是否傳輸信息代碼，每個比特位必須在收發(fā)兩端始終保持同步，中間沒有間斷時間，即為比特位同步。,,當不傳送信息代碼時，在線路上傳送的是全1或其他特定代碼，,在傳輸開始時用同步字符SYN（編碼為0010110）使收發(fā)雙方進入同步。當搜索到兩個以上SYN同步字符時，接收端開始接收信息。在兩個連續(xù)的報文之間，應插入兩個以上的SYN同步字符。,,16,,2.3 數據通信方式-異步與同步,,同步傳輸的比特分組要大得多。它不是獨立地發(fā)送每個字符，而是,把它們組合起來一起發(fā)送,。一般,接收端從接收的信號中提取同步信號,。,,同步傳輸方式,特點,是,開銷少、效率高,，一般在高速傳輸數

12、據的系統(tǒng)中采用同步式。,,,缺點,是整個數據塊一旦有一位錯傳，就必須重傳整個數據塊的內容。,,一般同步傳輸增加的比特位會使傳輸的比特總數增加2.5%，而異步傳輸是25%。隨著數據幀中實際數據比特位的增加，開銷比特所占的百分比將相應地減少。但是，數據比特位越長，緩存數據所需要的緩沖區(qū)也越大，這就限制了一個幀的大小。另外，幀越大，它占據傳輸媒體的連續(xù)時間也越長。在極端的情況下，這將導致其他用戶等得太久。,,,,17,,2.3 數據通信方式-異步與同步,數據通信的同步傳輸方式由,字符同步,和,位同步,共同構成。,,其中，位同步的方式有兩種：,,,外同步,：由通信線路設備提供同步時鐘信號，該同步信號

13、與數據編碼一同傳輸，以保證線路兩端數據傳輸同步。,,,內同步,：在某些編碼技術內含時鐘信號。,,,,18,,2.3 數據通信方式-傳輸方向,通信系統(tǒng)的通信方式按消息傳送的方向和時間分類，可以有以下三個基本方式分類：,,,,1．單工通信（單向通信 ）,,單工通信就是指傳送的信息,始終是一個方向,，而,不進行與此相反方向,的傳送。無線電廣播、電視信號傳播、遙測、遙控都是單工傳送的例子。,,19,,2.3 數據通信方式-傳輸方向,2．半雙工通信（雙向交替通信 ）,,,半雙工通信是指信息流可在兩個方向上傳輸，,但同一時刻只限于一個方向傳輸,。如對講機、收發(fā)報機就是以這種方式通信的。,,,半雙工通信

14、由要頻繁調換信道方向，故效率低，但可節(jié)省傳輸線路。,,20,,2.3 數據通信方式-傳輸方向,3．全雙工通信（雙向同時通信 ）,,全雙工通信是指能,同時做雙向通信,。如圖所示。這種方式適用于普通電話、手機以及計算機——計算機間高速數據通信。,,全雙工與半雙工比較,全雙工通信效率高，控制簡單，但是結構較復雜，成本較高。,,21,,2.3 數據通信方式-連接方式,,1.點到點的連接方式（專線直通 ）,,2.多點的連接方式（交換網絡,,）,通信系統(tǒng)的通信方式按連接形式分類有：,3.集中式連接方式,,22,,雙絞線,內導體芯線,,絕緣,,內屏蔽,,外屏蔽,,外套,--,螺旋絞合的雙導線，,?≈,1

15、mm,,--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：,,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,2.4 傳輸介質,,23,,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，價格較高,雙絞線外無任何屏蔽層，價格較低,根據絞合次數，絞合度不同，常用的雙絞線為3類(16Mbit/s) 和5類(155Mbit/s)兩種，尤其是所謂超5類線。,2.4 傳輸介質,,24,,2.4 傳輸介質,（1）,

16、物理特性,： 采用四對雙絞線且外套塑料保護套組成，以支持一種所謂的“四重線編碼”技術。采用這種方法，數據被平行地傳送到四對電纜的每一對上。,,（2）,傳輸特性,： 模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線。,,（3）,連通性,： 一般僅支持點對點連接，多點連接需增加相關設備，如集線器（Hub）。,,（4）,地理范圍,：通信距離一般為幾km到十幾km。距離太長時就要加放大器以便將衰減了的信號放大到合適的數值（對于模擬傳輸），或者加上中繼器以便將失真了的數字信號進行整形（對于數字傳輸）。,,（5）,抗干擾能力,：一般，尤其是低頻使用和短距離使用時較好。,,（6）,價格,： 較低。,,25,,同軸電纜,,

17、基帶同軸電纜,,阻抗50,?，用于數字傳輸,,寬帶同軸電纜,,阻抗75,?，用于模擬傳輸，主要用于有線電視網,,（CATV）。,,銅芯,絕緣層,外導體屏蔽層,保護套,2.4 傳輸介質,注：當需要將計算機連接到電纜上的某一處時，同軸電纜要比用雙絞線麻煩很多。通常都是利用T型分接頭(又稱為T型連接器）。,,26,,細同軸：,,D,=1.02cm，10Mbit/s,,每段185m、4中繼、5段（925m）,,優(yōu)缺點：,,價格低,,安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator）,,抗干擾能力較強,,可靠性差,,粗,同軸：,,D=2.54cm，10Mbit/s,,每段500m、4中繼、5段（

18、2500m）,,優(yōu)缺點：價格稍高,,安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator）,,抗干擾能力強,,連接距離中等,,可靠性好,,2.4 傳輸介質,,27,,光纜,,,光纖通信就是利用光導纖維(以下簡稱為光纖)傳遞光脈沖來進行通信。,一根光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于目前其它各種傳輸介質的帶寬。,光纖是網絡傳輸介質中性能最好、應用前途最廣泛的一種。,,,如：有光脈沖相當于1，而沒有光脈沖相當于0。,,,2.4 傳輸介質,,28,,2.4 傳輸介質,（1）,物理特性,,光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。纖芯用來傳導光波。包層較纖芯有較低的折射率

19、。利用其“全反射”特性，實現(xiàn)光波在纖芯中的傳播。光纖按光在其中的傳輸模式可分：,,★多模光纖：可以存在許多條不同入射角度的光線在一條光纖中傳輸。,,★單模光纖：光纖的直徑減少到只有一個光的波長，則該光纖就象一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會經多次反射傳播。 單模光纖的光源要使用昂貴的半導體激光器，而不能使用較便宜的發(fā)光二極管。但單模光纖的衰減系數較小。,,29,,與雙絞線和同軸電纜相比，光纖具有如下優(yōu)點：,,容量更大，即帶寬更大，傳輸速率更高；,,體積更小，重量更輕；,,衰減更小，轉發(fā)器的間隔更遠。,2.4 傳輸介質,（2）,連通性,：點對點。,,（3）,地理范圍,：傳輸損耗小，中

20、繼距離長，可達數十公里而不必用中繼器。,,（4）,抗干擾性,：抗雷電和電磁干擾性能好；無串音干擾；保密性好，不易被竊聽或截取數據。,,（5）,價格,：比較昂貴，但價格正在逐年下降。,,30,,無線傳輸是指信號通過空氣傳輸，信號不能被約束在一個物理導體內。無線介質實際上就是無線傳輸系統(tǒng)，主要包括,無線電,、,微波,和,衛(wèi)星通信,等。當前主要的無線接入技術的種類：,無線傳輸介質,2.4 傳輸介質,無線本地環(huán)路,(WLL),－,終端固定的無線接入,,蜂窩通信技術－發(fā)展最迅速的無線接入技術,,無繩通信－最簡單經濟的慢速移動無線接入手段,,衛(wèi)星移動通信－廣域和國際性的無線通信手段，可以作為固定公用電信

21、網的接入手段,,個人通信網－未來最理想的接入手段之一,,31,,無線通信,的網絡結構,PSTN,Internet,光纖,光纖,微波,微波,微波,用戶駐地設備,無線網絡,中心設備,房頂,,中繼器,中繼器,無線節(jié)點,房頂,,無線節(jié)點,用戶天線,用戶終端,2.4 傳輸介質,,32,,2.4 傳輸介質,無線電波,,33,,微波通信,收發(fā)兩端使用拋物面天線,,方向性強，直線傳輸（視距傳輸），,,,距離遠時使用中繼站,,常用頻段：,2G---6G,,,用于高速數傳,,受天氣影響較大,2.4 傳輸介質,,34,,衛(wèi)星通信,一個衛(wèi)星可工作在多個頻段，工作頻,,,段一般在幾,G,到幾十,G,。,,,同步衛(wèi)

22、星：衛(wèi)星與地球保持相對靜止，,,,三顆同步衛(wèi)星即可覆蓋全球,,傳輸時延大，,240ms---300ms,2.4 傳輸介質,,35,,超短波,無方向性，繞射能力強,,速率低,〈10Kbps,，,距離近，幾十公里,,頻率范圍：,30M---1G,,,用于城市內無線組網、無線調度、遙測遙控、 蜂,,窩系統(tǒng)、無線尋呼、無線數傳,,存在多徑干擾,注：,多徑干擾,是由于電波傳播過程中遇到各種反射體（高山，建筑物）引起，同一個信號經過不同的反向路徑到達同一個接收點，但各反向路徑的衰減和時延都不相同，使得最后得到的合成信號失真很大。,2.4 傳輸介質,,36,,2.5 數據編碼技術,問題的提出 ：,,數

23、字信號為什么要采用編碼傳輸呢？,,,二個理由：,,（1）,長距離數字信號傳輸可能存在衰減問題。,例如連續(xù)發(fā)送若干個“1”，可能因存在的衰減導致誤識別成“0”； 連續(xù)發(fā)送若干個“0”，可能因干擾或累積電平漂移而誤識別成“1”；,,,（2）,同步問題。,例如，當出現(xiàn)一長串的連1或連0時，在接收端無法從收到的比特流中提取位同步信號。,,,37,,2.5 數據編碼技術,在網上傳輸的數據一般都需要進行必要的轉換（編碼），方可進行傳輸。,,計算機數據在傳輸過程中的數據編碼類型，主要取決于它采用的通信信道所支持的數據通信類型。,數據編碼方法,模擬數據編碼,數字數據編碼,振幅鍵控（ASK),移頻鍵控（FSK

24、）,移相鍵控（PSK）,非歸零碼（NRZ）,曼徹斯特編碼,差分曼徹斯特編碼,,38,,2.5 數據編碼技術－模擬,模擬數據編碼方法,（1）問題的提出,,,現(xiàn)有的模擬信號傳輸系統(tǒng)（如PSTN）不能傳輸數字信號嗎？,,關注：,,（a)發(fā)送的基帶信號包含有各種的頻率成分，由于現(xiàn)有PSTN系統(tǒng)的頻寬有限，因而其中的一部分高頻分量已落到電話通信系統(tǒng)所能通過的頻率范圍之外。,,（b）在能夠通過電話線路的這部分頻率成分中，各頻率成分經受的衰減和時延可能會有不同。這也要產生失真。,,（c）電話線路中存在噪聲和各種干擾信號，使信號失真。,,39,,,,,,,波形變換,,,,,,,,,,,波形識別,,,,,調制

25、解調器的作用,,調制,,解調器,,調制,,解調器,,（2）調制解調器（modem）簡介,,所謂調制解調器就是一種基于某種載波頻率來實現(xiàn)對數字信號（電平信號）進行轉換的裝置。調制解調器組成上包括了,為發(fā)送信號用的調制器,和,為接收信號用的解調器,。,,調制器的主要作用實際上就是一個,波形變換裝置,，它將基帶數字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸的波形。,,解調器的作用就是個,波形識別器,，它將經過調制器變換過的模擬信號恢復成原來的數字信號。,2.5 數據編碼技術－模擬,,40,,2.5 數據編碼技術－模擬,（3）幾種最基本的調制方法,,,既然Modem的作用是基于某種載波頻率將,數字信號變換

26、成模擬波形,，那么究竟采用何種信號變換方法，來恰當的反映出二進制的“0”和“1”。,,從物理學的知識知道，反映一個頻率波形的主要參量有三個，即“,振幅、頻率和相位,”，因而Modem對數字信號的變換，主要是針對這三個參量實現(xiàn)，相對應有三種不同的調制技術（,數字信號到模擬信號的變換,,）。,（a）調幅(振幅鍵控ASK),,,頻率和相位為常量，而振幅為變量,，通過改變載波頻率的振幅來表示二進制數的0和1。例如，數字0對應于無載波輸出，而數字1對應于有載波輸出。,,41,,0 1 0 0 1 1 1 0 0,,基帶信號,,基帶信號,,,,,,,調幅

27、 振幅改變,,,,,f,1,,,f,2,,,,,調頻 頻率改變,,,,,,,,調相 相位改變,,,,三種調制技術的原理,,,42,,2.5 數據編碼技術－模擬,（b）調頻(移頻鍵控FSK),,,振幅和相位為常量，而頻率為變量,，通過使用載波頻率附近的兩個不同頻率值來表示二進制數的0和1。例如，數字0對應于頻率f,1,，而數字1對應于頻率f,2,。,,（c）調相(移相鍵控

28、PSK),,,把,振幅,和頻率為常量，而相位為變量,，通過利用載波頻率初始相位移動的不同來表示二進制數的0和1。例如，數字0對應于相位0,0,，而數字1對應于180,0,。,（4）三種調制方法的比較,,調幅易于受到增益干擾的影響，實現(xiàn)比較容易。,,調相法抗干擾能力最強，但實現(xiàn)比較復雜。,,調頻法介于,AM,法和,PM,法之間。,,43,,2.5 數據編碼技術－數字,在基帶傳輸中，數字數據信號的編碼方式主要有：,不歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼等。,,,不歸零碼(,NRZ，Non-Return to Zero),,二進制數字0、1分別用兩種電平來表示。,,缺點：不具備自同步機制，傳輸時

29、必須使用外同步。存在直流分量。,,注：碼元,是承載信息的基本信號單位。比如用脈沖信號表示數據時，一個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據有效狀態(tài)值個數決定的，若一碼元有00、01、10、11四個有效狀態(tài)值，則一碼元能攜帶2bit的信息,。,數字數據編碼方法,,44,,2.5 數據編碼技術－數字,曼徹斯特編碼(,Manchester Code),,（1）編碼原理,,用電壓的變化表示0和1。,,將每一個碼元（bit）傳輸時間分成兩個相等的時間間隔。,,規(guī)定在每個碼元的中間發(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-Synchro

30、nizing Code)。,,,位中部從,高→低,的跳變代表“0”，位中部,低→高,的跳變代表“1”。,（2）存在的問題,,它所占的頻帶寬度比原始的基帶信號整整增加了一倍,（即信號速率是數據速率的2倍）,。,,45,,2.5 數據編碼技術－數字,,差分曼徹斯特編碼(Differential ～,),,（1）編碼原理,,,與曼徹斯特編碼一樣仍然將每一個碼元（bit）傳輸時間分成兩個相等的時間間隔，所不同的是：,,若碼元為1，則其前半個碼元的持續(xù)電平與上一個碼元的后半個碼元的持續(xù)電平一樣（即,無跳變代表“1”,）。,,若碼元為0，則其前半個碼元的持續(xù)電平與上一個碼元的后半個碼元的持續(xù)電平相反（即

31、,有跳變代表“0”,）。,,不論碼元是0或1，,在每個碼元的正中間的時刻，一定要有一次電平的轉換,。,（2）特點：差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術，但可以獲得較好的抗干擾性能。,,46,,數據,0 1 0 0 1 1 0 1 0,,,,NRZ,,編碼,,,(a),,,“,0,”：位中部從高到低；“,1,”：位中部從低到高；,,,曼徹斯,,特編碼,,,(b),,位起始時有電平變化代表“,0,”，反之代表“,1,”，位中部始終變化。,,,差分,,曼徹,,斯特,,編碼,,曼徹

32、斯特編碼和差分曼徹斯特編碼原理圖,,(c),,47,,2.5 數據編碼技術－數字,模擬信號到數字信號的變換,,（,1,）問題的提出,,現(xiàn)存的通信網是數字信號傳輸系統(tǒng)和模擬信號傳輸系統(tǒng)并存的局面，要想在數字信號傳輸系統(tǒng)中傳輸模擬信號，必然存在一個如何將模擬信號量化的問題。,,（,2,）,脈碼調制方法,（,Pulse Code Modulator—PCM,）,,現(xiàn)在的數字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調制,PCM,體制。,,由于歷史上的原因，,PCM,有兩個互不兼容的國際標準，即北美的,24,路時分多路復用,PCM (,簡稱為,T1),和歐洲的,30,路時分多路復用,PCM (,簡稱為,E1),。我國采用

33、的是歐洲的,E1,標準。,,,T1,的數據傳輸速率為,1.544Mbps,；,E1,為,2.048Mbps,。,,48,,2.5 數據編碼技術－數字,PCM的基本原理,,要將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?，無一例外地需經過,采樣、量化和編碼,三個階段。,,（a）采樣,,那么采樣的頻率(周期)T是多少?,,根據采樣定理，T≥2fmax，只要,采樣頻率不低于采樣信號（電話信號）最高頻率的2倍,，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復出原來信號。,,例如：語聲的能量和頻譜主要分布在300Hz—3.4kHz，為了簡化起見，通常采樣頻率就定為8kHz，相當于采樣周期為125us。,,49,,2.5 數據編碼技術－

34、數字,（b）量化采樣后的信號,,所謂“量化”就是對每個采樣點用一個恰當的數值表示。,,（c）編碼,,所謂“編碼”就是對每個采樣點所對應的數值確定一種二進制的表示方式，以實現(xiàn)從模擬信號到數字信號的轉換。一般而言，每個點用n位二進制數進行編碼。,,如當PCM用于數字化語音系統(tǒng)時，它將聲音分為128個量化級，每個量化級采用7位二進制編碼表示，則數據傳輸數率應達到7*8k=56Kbps。,,50,,復用：多個信息源共享一個公共信道,,所謂“多路復用技術”就是把多個不同的信號同時在一條傳輸線路路上進行傳輸的技術。,,,為何要復用？——提高線路利用率,,適用場合：當信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求

35、時,,類比：公共運輸系統(tǒng)（鐵路、海運、航空）,DEMUX,復用器,解復用器,共享信道,MUX,信源,信宿,2.6 多路復用技術,,51,,,通信系統(tǒng)按復用方式分類：,,,頻分復用FDM,(Frequency Division Multiplexing),,,波分復用WDM,(Wave Division Multiplexing),,,,時分復用TDM,(Time Division Multiplexing),2.6 多路復用技術,,52,,2.6 多路復用技術,頻分復用（ FDM ）,,原理：將信道的,可用帶寬,劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通道之間留有防護

36、頻帶以防相互干擾。主要適用于,模擬信道,環(huán)境中 。如有線電視CATV。,CH2,CH1,CH3,原帶寬,CH1,CH2,CH3,移頻后帶寬,MUX,CH1,CH2,CH3,帶寬復用信號,f,復用器,,53,,2.6 多路復用技術,波分復用（ WDM ）——光的頻分復用,,原理：整個,波長頻帶,被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。如光纖通信。,,F2,F1,F3,光譜,F1,F2,F3,共享光纖的光譜,?,光纖2,光纖3,光纖1,共享光纖,?,?,?,棱柱/衍射光柵,,54,,2.6 多路復用技術,時分復用（ TDM ）,,原理：將信道的,可用時間,分割成小的時間片，

37、每個時間片分為若干個時隙，每路數據占用一個時隙進行傳輸。主要適用于,數字信道,環(huán)境中 。如移動GSM。,,A2,A1,A3,原始信號,D2,D1,D3,數字化信號,,MUX,復用后的數據流,時隙號,1,2,3,1,D3,D2,D,1,時間片1,2,時間片2,D,1,時隙,D2,復用器,,55,,什么是交換？,,,交換就是按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。,,例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。,,為什么要采用交換技術？,,節(jié)省線路投資，提高線路利用率。,,通信系統(tǒng)中，交換機采用數據交換技術按照其交換形式可分為四種：,線

38、路交換、報文交換、分組交換和虛電路交換。,2.7 數據交換技術,,56,,線路交換,,,,,2.7 數據交換技術-線路交換,交換設備在通信雙方找出一條實際的物理線路的過程。,,過程：,建立連接,→,交換數據,→,斷開連接。,在通話前通過用戶撥號，由網絡預先給用戶分配數據交換通路。用戶若呼叫成功，則從主叫端到被叫端就建立了一條物理通路，此后雙方才能互相通話。通話完畢掛機后即自動釋放這條物理通路。,,,特點：,,（,a,）數據交換前必須建立起一條從發(fā)端到接收端的,物理通路,；,,（,b,）在數據交換的全部時間內用戶,始終占用,端到端的固定傳輸信道，交換雙方可隨時進行數據交換，而不會存在任何延遲

39、。,,（,c,）通信子網中的結點交換設備,不能存儲數據,，不能改變數據內容，,不具備差錯控制能力,。,,57,,2.7 數據交換技術-線路交換,,58,,優(yōu)缺點：,,建立連接的時間長；,,一旦建立連接就獨占線路，通信實時性強，適用于交互式會話類通信；,,無糾錯機制；,,系統(tǒng)效率低，不適用于計算機通信，因為計算機數據具有突發(fā)性和間歇性的特點，真正傳輸數據的時間不到,10%,；,,不夠靈活， 只要在通話雙方建立的通路中的任何一點出了故障，就必須重新?lián)芴柦⑿碌倪B接。這對十分緊急和重要通信是很不利的。,,2.7 數據交換技術-線路交換,,59,,報文交換,,整個報文(Message)作為一個整體

40、一起發(fā)送。,,,在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉發(fā)出去，一級一級中轉，直到目的地。這種數據傳輸技術稱為,存儲-轉發(fā),。,,,特點：傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰結點傳輸報文時建立結點間的連接。,——,稱為“,無連接的,”。,,,缺點：,,報文大小不一，造成存儲管理復雜。,,大報文造成存儲轉發(fā)的延時過長；,,出錯后整個報文全部重發(fā)。,2.7 數據交換技術-報文交換,,60,,分組交換（包交換）,,將報文劃分為若干個大小相等的分組(Packet)進行存儲轉發(fā)。,,,特點,:,,數據傳輸前不需要建立一條端到端的通路,——,也是“,無連接的,”,;,,有強大的糾

41、錯機制、流量控制和路由選擇功能。,,2.7 數據交換技術-分組交換,圖中表示,主機H1,向H5發(fā)送的分組，有的可以經過結點A-B-E，而另一些則可能經過結點A-C-E，或A-C-B-E。在一個網絡中，還可以有多個主機同時發(fā)送數據報，同時，,主機H2,經過結點B-E與主機H6通信。,,61,,2.7 數據交換技術-分組交換,,,62,,,優(yōu)點：,,對轉發(fā)結點的存儲要求較低，可以用內存來緩沖分組,——,速度快；,,轉發(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。,2.7 數據交換技術-分組交換,結論：,,（a）主

42、機只要想發(fā)送數據就隨時可發(fā)送（數據發(fā)送的,任意性,）。,,（b）每個分組獨立地,選擇路由,。先發(fā)送出去的分組不一定先到達目的站主機。,,（c）當網絡發(fā)生擁塞時，網絡中的某個結點可以將一些分組丟棄。所以，,數據報提供的服務是不可靠的，它不能保證服務質量,，而是一種“,盡最大努力交付,”的服務。,,63,,三種交換方式的事件順序,報文,A,B,C,D,排隊延遲,報文交換,呼叫請求,呼叫應答,數據,A,B,C,D,尋路延遲,線路交換,分組1,分組,2,分組3,A,B,C,D,分組交換,分組4,t,2.7 數據交換技術,,64,,2.7 數據交換技術,分組交換和線路交換的選擇：,,★若要連續(xù)傳送大

43、量的數據，且其傳送時間遠大于呼叫建立時間，則采用在數據通信之前預先分配傳輸帶寬的線路交換較為合適。,,★分組交換不需要預先分配傳輸帶寬，在傳送突發(fā)數據時可提高整個網絡的信道利用率。,,,65,,虛電路交換：,虛電路服務本質上就是有連接服務。,,,,2.7 數據交換技術-虛電路交換,（a）,虛電路建立階段,：主機H1要先發(fā)起一個虛呼叫(Virtual Call)，即發(fā)送一個特定格式的呼叫分組到主機H5，要求進行通信，同時也尋找一條合適的路由。若主機H5同意通信，就發(fā)回響應，然后雙方就可以傳送數據了。這點很像電話通信，先撥號建立電路，然后再通話。,,,在圖中，設虛電路連接尋找到的路由是A→B→E

44、。這樣，我們就建立了一條虛電路：H1→A→B→E→H5，記為VCl。,,圖中假定還有主機H2和主機H6通信。虛電路為VC2，經過B→E兩個結點。,,,（b）,數據傳輸階段,：所有分組都沿指定的虛電路傳送。,,（c）,虛電路拆除階段,： 在數據傳送完畢后，還要將建立的虛電路釋放掉，如VC1的釋放。,,66,,2.7 數據交換技術-虛電路交換,,,67,,2.7 數據交換技術-虛電路交換,注意：由于采用了存儲轉發(fā)技術，所以虛電路和線路交換的連接有很大的不同。在線路交換的電話網上打電話時，兩個用戶在通話期間,自始至終地占用一條端到端的物理信道,。但當我們占用一條虛電路進行計算機通信時，由于采用的

45、是存儲轉發(fā)的分組交換，所以只是,斷續(xù)地占用一段又一段的鏈路,，雖我們感覺到好像（但并沒有真正地）占用了一條端到端的物理電路。,,,結論,：,,（a）虛電路建立后，就好像在兩個主機之間建立了一對穿過網絡的數字管道（收發(fā)各用一條）。所有發(fā)送的分組都按發(fā)送的前后順序進入管道，然后按照,先進先出的原則,沿著管道傳送到目的站主機，即分組到達目的站的順序與發(fā)送時的順序一致。顯然，因此虛電路對通信的,服務質量,QoS(Quality of Service),有比較好的保證。,,68,,2.7 數據交換技術-虛電路交換,（b）由于在建立虛電路時，有關的交換結點預先,保留了一定數量的緩沖區(qū)，,因而分組一般不會因網絡出現(xiàn)擁塞而丟失。,,,數據報服務和虛電路服務的比較,,,統(tǒng)計表明，計算機網絡上傳送的報文長度，在很多的情況下是很短的。在這種情況下，用,數據報既迅速又經濟,。若用虛電路，為了傳送一個分組而建立虛電路和釋放虛電路就顯得太,浪費網絡資源,了。,,下表歸納了虛電路服務與數據報服務的主要區(qū)別。,,69,,2.7 數據交換技術-虛電路交換,,,70,,