數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)

,*,第2章 數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ),主要學(xué)習(xí)內(nèi)容,,：,,數(shù)據(jù)通信的基本概念,,數(shù)據(jù)通信方式,,數(shù)據(jù)通信傳輸介質(zhì),,了解數(shù)據(jù)編碼技術(shù)和多路復(fù)用技術(shù),,數(shù)據(jù)交換技術(shù),,1,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,1、信息與編碼,,,信息,可以是數(shù)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(nèi)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(shù)據(jù),,編碼后的信息就是,數(shù)據(jù),。,,2,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,3、信號,,,數(shù)據(jù)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(shù)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。,模擬傳輸就是在通信介質(zhì)上傳遞模擬信號。根據(jù)模擬信號的不同頻率，可在有線介質(zhì)和無線介質(zhì)上傳輸。,,,數(shù)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(shù)“,1”,，另一脈沖電壓值代表二進制數(shù)“,0”,。在通信介質(zhì)上傳輸數(shù)字信號稱數(shù)字傳輸。,,3,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,4、信道,,在數(shù)據(jù)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(zhì)”,。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(shù)字信號的,數(shù)字信道,。,,4,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,5、通信系統(tǒng)基本模型,信道,發(fā)送設(shè)備,發(fā)送機,接收機,接收設(shè)備,是發(fā)出信息的源，其作用是把信息轉(zhuǎn)換成原始信號，是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的設(shè)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(chǎn)生各種干擾和噪聲。,從傳輸系統(tǒng)接收信號并將其轉(zhuǎn)換成信宿設(shè)備能夠處理的形式。主要進行解調(diào)、譯碼、解碼等，用來恢復(fù)原始信號。,從接收器上取得傳入數(shù)據(jù)的設(shè)備，將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shù)字通信系統(tǒng)均包含5個基本組件：,發(fā)送設(shè)備、發(fā)送機、信道、接收機和接收設(shè)備,。,是將信源和信道匹配，將信源產(chǎn)生的信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘枺⑦M行發(fā)送。,,5,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)電路將分布在遠地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計算機系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲和處理的系統(tǒng)。比較典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)電路、計算機系統(tǒng)三部分組成。,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成,,6,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,6、數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo),在數(shù)據(jù)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(zhì)量,的兩個主要因素。,,,信道帶寬：,信道上傳輸?shù)氖请姶判盘枴?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－最小有效頻率,信道帶寬,,7,,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,數(shù)據(jù)傳輸速率,是指信道每秒所能傳輸?shù)?二進制比特數(shù),，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(shù)據(jù)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(shù)。它與數(shù)據(jù)傳輸速率成正比關(guān)系。,,吞吐量：信道在單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒘俊Ｈ缒承诺涝?10,分鐘內(nèi)成功傳輸了,6Mb,的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。,,Pe=Ne/N,,N為傳輸?shù)亩M制碼元總數(shù)，Ne為被傳錯的碼元數(shù)。,,(1)是衡量系統(tǒng)傳輸可靠性和有效性的重要參數(shù),,(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(shù)據(jù)從信源（源計算機）到信宿（目的計算機）所花費的時間。,2.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)有效狀態(tài)值個數(shù)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?shù)幕拘问?通信系統(tǒng)的信號傳輸基本形式按調(diào)制方式分類有：,,基帶信號,：將數(shù)字信號,1,或,0,直接用兩種,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(diào)制后形成的,頻分復(fù)用模擬信號,。,(1) 基帶傳輸,,,在數(shù)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(diào)制解調(diào)器，設(shè)備花費小，適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，如局域網(wǎng)。,,10,,2.2 信號傳輸?shù)幕拘问?(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(diào)制。經(jīng)過調(diào)制的信號稱為已調(diào)信號。,已調(diào)信號通過線路傳輸?shù)浇邮斩耍缓笸ㄟ^解調(diào)恢復(fù)為原始基帶脈沖,。,,這種頻帶傳輸不僅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(fù)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(diào)制解調(diào)器。,,11,,2.3 數(shù)據(jù)通信方式-并行與串行,（1）,串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dǎo)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(yīng)用于兩個短距離和設(shè)備之間。,,通信系統(tǒng)的通信方式按數(shù)字信號的排列順序分類有：,,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(shù)據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。,,,通常可以采用,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(shù)據(jù)通信方式-異步與同步,,13,,2.3 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)以“,字符,”為數(shù)據(jù)單元，一般由起始位（1位）、數(shù)據(jù)位（5～9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(shù)據(jù)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(dāng)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(yù)告字符的信息代碼即將開始。在數(shù)據(jù)位和校驗位結(jié)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(jié)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(zhǔn)，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(shù)據(jù)傳輸速率多在1.2kb/s以下。,,15,,2.3 數(shù)據(jù)通信方式-異步與同步,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(dāng)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(dāng)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(yīng)插入兩個以上的SYN同步字符。,,16,,2.3 數(shù)據(jù)通信方式-異步與同步,,同步傳輸?shù)谋忍胤纸M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(shù)據(jù)的系統(tǒng)中采用同步式。,,,缺點,是整個數(shù)據(jù)塊一旦有一位錯傳，就必須重傳整個數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容。,,一般同步傳輸增加的比特位會使傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)增加2.5%，而異步傳輸是25%。隨著數(shù)據(jù)幀中實際數(shù)據(jù)比特位的增加，開銷比特所占的百分比將相應(yīng)地減少。但是，數(shù)據(jù)比特位越長，緩存數(shù)據(jù)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(jù)傳輸媒體的連續(xù)時間也越長。在極端的情況下，這將導(dǎo)致其他用戶等得太久。,,,,17,,2.3 數(shù)據(jù)通信方式-異步與同步,數(shù)據(jù)通信的同步傳輸方式由,字符同步,和,位同步,共同構(gòu)成。,,其中，位同步的方式有兩種：,,,外同步,：由通信線路設(shè)備提供同步時鐘信號，該同步信號與數(shù)據(jù)編碼一同傳輸，以保證線路兩端數(shù)據(jù)傳輸同步。,,,內(nèi)同步,：在某些編碼技術(shù)內(nèi)含時鐘信號。,,,,18,,2.3 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。,,,半雙工通信由要頻繁調(diào)換信道方向，故效率低，但可節(jié)省傳輸線路。,,20,,2.3 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。,,21,,2.3 數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò),,）,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(nèi)導(dǎo)體芯線,,絕緣,,內(nèi)屏蔽,,外屏蔽,,外套,--,螺旋絞合的雙導(dǎo)線，,?≈,1mm,,--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(zhì),,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(jù)絞合次數(shù)，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(zhì),,24,,2.4 傳輸介質(zhì),（1）,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(shù)。采用這種方法，數(shù)據(jù)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(shù)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(guān)設(shè)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(shù)值（對于模擬傳輸），或者加上中繼器以便將失真了的數(shù)字信號進行整形（對于數(shù)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,,基帶同軸電纜,,阻抗50,?，用于數(shù)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(wǎng),,（CATV）。,,銅芯,絕緣層,外導(dǎo)體屏蔽層,保護套,2.4 傳輸介質(zhì),注：當(dāng)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（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(zhì),,27,,光纜,,,光纖通信就是利用光導(dǎo)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(zhì)的帶寬。,光纖是網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中性能最好、應(yīng)用前途最廣泛的一種。,,,如：有光脈沖相當(dāng)于1，而沒有光脈沖相當(dāng)于0。,,,2.4 傳輸介質(zhì),,28,,2.4 傳輸介質(zhì),（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(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯用來傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。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(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會經(jīng)多次反射傳播。 單模光纖的光源要使用昂貴的半導(dǎo)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(shù)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(zhuǎn)發(fā)器的間隔更遠。,2.4 傳輸介質(zhì),（2）,連通性,：點對點。,,（3）,地理范圍,：傳輸損耗小，中繼距離長，可達數(shù)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(shù)據(jù)。,,（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(dǎo)體內(nèi)。無線介質(zhì)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(dāng)前主要的無線接入技術(shù)的種類：,無線傳輸介質(zhì),2.4 傳輸介質(zhì),無線本地環(huán)路,(WLL),－,終端固定的無線接入,,蜂窩通信技術(shù)－發(fā)展最迅速的無線接入技術(shù),,無繩通信－最簡單經(jīng)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網(wǎng)的接入手段,,個人通信網(wǎng)－未來最理想的接入手段之一,,31,,無線通信,的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),PSTN,Internet,光纖,光纖,微波,微波,微波,用戶駐地設(shè)備,無線網(wǎng)絡(luò),中心設(shè)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(zhì),,32,,2.4 傳輸介質(zhì),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(shù)傳,,受天氣影響較大,2.4 傳輸介質(zhì),,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)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(zhì),,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(nèi)無線組網(wǎng)、無線調(diào)度、遙測遙控、 蜂,,窩系統(tǒng)、無線尋呼、無線數(shù)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(jīng)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(zhì),,36,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù),問題的提出 ：,,數(shù)字信號為什么要采用編碼傳輸呢？,,,二個理由：,,（1）,長距離數(shù)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(dǎo)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(dāng)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(shù)據(jù)編碼技術(shù),在網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般都需要進行必要的轉(zhuǎn)換（編碼），方可進行傳輸。,,計算機數(shù)據(jù)在傳輸過程中的數(shù)據(jù)編碼類型，主要取決于它采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)通信類型。,數(shù)據(jù)編碼方法,模擬數(shù)據(jù)編碼,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼,振幅鍵控（ASK),移頻鍵控（FSK）,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(shù)據(jù)編碼技術(shù)－模擬,模擬數(shù)據(jù)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(shù)字信號嗎？,,關(guān)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(jīng)受的衰減和時延可能會有不同。這也要產(chǎn)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(diào)制解調(diào)器的作用,,調(diào)制,,解調(diào)器,,調(diào)制,,解調(diào)器,,（2）調(diào)制解調(diào)器（modem）簡介,,所謂調(diào)制解調(diào)器就是一種基于某種載波頻率來實現(xiàn)對數(shù)字信號（電平信號）進行轉(zhuǎn)換的裝置。調(diào)制解調(diào)器組成上包括了,為發(fā)送信號用的調(diào)制器,和,為接收信號用的解調(diào)器,。,,調(diào)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(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ巍?,解調(diào)器的作用就是個,波形識別器,，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復(fù)成原來的數(shù)字信號。,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－模擬,,40,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－模擬,（3）幾種最基本的調(diào)制方法,,,既然Modem的作用是基于某種載波頻率將,數(shù)字信號變換成模擬波形,，那么究竟采用何種信號變換方法，來恰當(dāng)?shù)姆从吵龆M制的“0”和“1”。,,從物理學(xué)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(shù)字信號的變換，主要是針對這三個參量實現(xiàn)，相對應(yīng)有三種不同的調(diào)制技術(shù)（,數(shù)字信號到模擬信號的變換,,）。,（a）調(diào)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(shù)的0和1。例如，數(shù)字0對應(yīng)于無載波輸出，而數(shù)字1對應(yīng)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(diào)幅 振幅改變,,,,,f,1,,,f,2,,,,,調(diào)頻 頻率改變,,,,,,,,調(diào)相 相位改變,,,,三種調(diào)制技術(shù)的原理,,,42,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－模擬,（b）調(diào)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(shù)的0和1。例如，數(shù)字0對應(yīng)于頻率f,1,，而數(shù)字1對應(yīng)于頻率f,2,。,,（c）調(diào)相(移相鍵控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(shù)的0和1。例如，數(shù)字0對應(yīng)于相位0,0,，而數(shù)字1對應(yīng)于180,0,。,（4）三種調(diào)制方法的比較,,調(diào)幅易于受到增益干擾的影響，實現(xiàn)比較容易。,,調(diào)相法抗干擾能力最強，但實現(xiàn)比較復(fù)雜。,,調(diào)頻法介于,AM,法和,PM,法之間。,,43,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－數(shù)字,在基帶傳輸中，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)有效狀態(tài)值個數(shù)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法,,44,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－數(shù)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-Synchronizing 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(shù)據(jù)速率的2倍）,。,,45,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－數(shù)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,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(zhuǎn)換,。,（2）特點：差分曼徹斯特編碼需要較復(fù)雜的技術(shù)，但可以獲得較好的抗干擾性能。,,46,,數(shù)據(jù),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,,曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼原理圖,,(c),,47,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－數(shù)字,模擬信號到數(shù)字信號的變換,,（,1,）問題的提出,,現(xiàn)存的通信網(wǎng)是數(shù)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(shù)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(diào)制方法,（,Pulse Code Modulator—PCM,）,,現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制,PCM,體制。,,由于歷史上的原因，,PCM,有兩個互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的,24,路時分多路復(fù)用,PCM (,簡稱為,T1),和歐洲的,30,路時分多路復(fù)用,PCM (,簡稱為,E1),。我國采用的是歐洲的,E1,標(biāo)準(zhǔn)。,,,T1,的數(shù)據(jù)傳輸速率為,1.544Mbps,；,E1,為,2.048Mbps,。,,48,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－數(shù)字,PCM的基本原理,,要將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，無一例外地需經(jīng)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(jù)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(fù)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(dāng)于采樣周期為125us。,,49,,2.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)－數(shù)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(dāng)?shù)臄?shù)值表示。,,（c）編碼,,所謂“編碼”就是對每個采樣點所對應(yīng)的數(shù)值確定一種二進制的表示方式，以實現(xiàn)從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。一般而言，每個點用n位二進制數(shù)進行編碼。,,如當(dāng)PCM用于數(shù)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(shù)據(jù)傳輸數(shù)率應(yīng)達到7*8k=56Kbps。,,50,,復(fù)用：多個信息源共享一個公共信道,,所謂“多路復(fù)用技術(shù)”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?shù)募夹g(shù)。,,,為何要復(fù)用？——提高線路利用率,,適用場合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時,,類比：公共運輸系統(tǒng)（鐵路、海運、航空）,DEMUX,復(fù)用器,解復(fù)用器,共享信道,MUX,信源,信宿,2.6 多路復(fù)用技術(shù),,51,,,通信系統(tǒng)按復(fù)用方式分類：,,,頻分復(fù)用FDM,(Frequency Division Multiplexing),,,波分復(fù)用WDM,(Wave Division Multiplexing),,,,時分復(fù)用TDM,(Time Division Multiplexing),2.6 多路復(fù)用技術(shù),,52,,2.6 多路復(fù)用技術(shù),頻分復(fù)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(fù)用信號,f,復(fù)用器,,53,,2.6 多路復(fù)用技術(shù),波分復(fù)用（ WDM ）——光的頻分復(fù)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(fù)用技術(shù),時分復(fù)用（ TDM ）,,原理：將信道的,可用時間,分割成小的時間片，每個時間片分為若干個時隙，每路數(shù)據(jù)占用一個時隙進行傳輸。主要適用于,數(shù)字信道,環(huán)境中 。如移動GSM。,,A2,A1,A3,原始信號,D2,D1,D3,數(shù)字化信號,,MUX,復(fù)用后的數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)？,,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(shù)據(jù)交換技術(shù)按照其交換形式可分為四種：,線路交換、報文交換、分組交換和虛電路交換。,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù),,56,,線路交換,,,,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-線路交換,交換設(shè)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(shù)據(jù),→,斷開連接。,在通話前通過用戶撥號，由網(wǎng)絡(luò)預(yù)先給用戶分配數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換的全部時間內(nèi)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(shù)據(jù)交換，而不會存在任何延遲。,,（,c,）通信子網(wǎng)中的結(jié)點交換設(shè)備,不能存儲數(shù)據(jù),，不能改變數(shù)據(jù)內(nèi)容，,不具備差錯控制能力,。,,57,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-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(shù)據(jù)具有突發(fā)性和間歇性的特點，真正傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換技術(shù)-線路交換,,59,,報文交換,,整個報文(Message)作為一個整體一起發(fā)送。,,,在交換過程中，交換設(shè)備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一級一級中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為,存儲-轉(zhuǎn)發(fā),。,,,特點：傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰結(jié)點傳輸報文時建立結(jié)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(fù)雜。,,大報文造成存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時過長；,,出錯后整個報文全部重發(fā)。,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-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(zhuǎn)發(fā)。,,,特點,:,,數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路,——,也是“,無連接的,”,;,,有強大的糾錯機制、流量控制和路由選擇功能。,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-分組交換,圖中表示,主機H1,向H5發(fā)送的分組，有的可以經(jīng)過結(jié)點A-B-E，而另一些則可能經(jīng)過結(jié)點A-C-E，或A-C-B-E。在一個網(wǎng)絡(luò)中，還可以有多個主機同時發(fā)送數(shù)據(jù)報，同時，,主機H2,經(jīng)過結(jié)點B-E與主機H6通信。,,61,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-分組交換,,,62,,,優(yōu)點：,,對轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲要求較低，可以用內(nèi)存來緩沖分組,——,速度快；,,轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)交換技術(shù)-分組交換,結(jié)論：,,（a）主機只要想發(fā)送數(shù)據(jù)就隨時可發(fā)送（數(shù)據(jù)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，網(wǎng)絡(luò)中的某個結(jié)點可以將一些分組丟棄。所以，,數(shù)據(jù)報提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量,，而是一種“,盡最大努力交付,”的服務(wù)。,,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(yīng)答,數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)交換技術(shù),,64,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù),分組交換和線路交換的選擇：,,★若要連續(xù)傳送大量的數(shù)據(jù)，且其傳送時間遠大于呼叫建立時間，則采用在數(shù)據(jù)通信之前預(yù)先分配傳輸帶寬的線路交換較為合適。,,★分組交換不需要預(yù)先分配傳輸帶寬，在傳送突發(fā)數(shù)據(jù)時可提高整個網(wǎng)絡(luò)的信道利用率。,,,65,,虛電路交換：,虛電路服務(wù)本質(zhì)上就是有連接服務(wù)。,,,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-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(yīng)，然后雙方就可以傳送數(shù)據(jù)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(shè)虛電路連接尋找到的路由是A→B→E。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(jīng)過B→E兩個結(jié)點。,,,（b）,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換技術(shù)-虛電路交換,,,67,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-虛電路交換,注意：由于采用了存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，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(wǎng)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(dāng)我們占用一條虛電路進行計算機通信時，由于采用的是存儲轉(zhuǎn)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(jié)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(wǎng)絡(luò)的數(shù)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(wù)質(zhì)量,QoS(Quality of Service),有比較好的保證。,,68,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-虛電路交換,（b）由于在建立虛電路時，有關(guān)的交換結(jié)點預(yù)先,保留了一定數(shù)量的緩沖區(qū)，,因而分組一般不會因網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞而丟失。,,,數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)的比較,,,統(tǒng)計表明，計算機網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)報既迅速又經(jīng)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(wǎng)絡(luò)資源,了。,,下表歸納了虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報服務(wù)的主要區(qū)別。,,69,,2.7 數(shù)據(jù)交換技術(shù)-虛電路交換,,,70,,