计算机网络本科 数据通信基础.pptx
1.1.数据通信的系统构成（1 1）功能结构信源信宿载体(信道)噪声源反变换器变换器差错控制第1页/共109页1.1.数据通信的系统构成（2 2）信源信源/信宿信宿信号的发送信号的发送/接收者接收者数据：静态存储于不同的介质之上信号：模拟信号 (Analog Signals)(Analog Signals)？数字信号 (Digital Signals)(Digital Signals)？动态动态第2页/共109页1.1.数据通信的系统构成（3 3）通信信道信息传输的途径，含传输媒体和中继设施信息传输的途径，含传输媒体和中继设施信道的分类信道的分类有线信道：双绞线、电缆、光纤等，能量集中在导线附近有线信道：双绞线、电缆、光纤等，能量集中在导线附近（各自特点？）（各自特点？）无线信道：自由空间，红外、微波、无线电波等，能量向空间发散无线信道：自由空间，红外、微波、无线电波等，能量向空间发散（各自特点？）（各自特点？）模拟信道模拟信道 ：支持模拟信号传输，电话线、双绞线等：支持模拟信号传输，电话线、双绞线等数字信道：支持数字信号传输，光纤等数字信道：支持数字信号传输，光纤等第3页/共109页1.1.数据通信的系统构成（4 4）信号变换器变换器：进行信号变换以适合信道传输，或者信宿信道传输，或者信宿接收接收数字型信源Modem模拟型信源Codec数字信道模拟信道数字型信宿Modem模拟型信宿Codec光电转换光电转换频率转换频率转换第4页/共109页1.1.数据通信的系统构成（5 5）两个实例拨号上网（Dial-up）ModemHaHb第5页/共109页1.1.数据通信的系统构成（6 6）网络电话（netphone）CodecinternetMrs.Mr.第6页/共109页2.数据通信理论基础信号的分解特性信道的传输特性第7页/共109页2.1 信号的分解特性(1)时域和频域AAft第8页/共109页2.1信号的分解特性（2）傅里叶变换周期信号和非周期信号0 1 1 0 1 1 0 0 0 1TimeA第9页/共109页2.1信号的分解特性(3)傅里叶变换已经证明傅里叶变换可以将非周期信号分解为无数个周期信号的叠加。研究周期信号的传输特性具有普遍意义第10页/共109页2.1 信号的分解特性(4)傅里叶分析任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t)可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：g(t)=c+f=1/T基本频率an,bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值第11页/共109页2.1 信号的分解特性(5)数字信号的分解一个数字信号可以分解为多个被称为谐波的简单正弦波，每个谐波都有不同的振幅、频率和相位。每个数字信号在介质上传输时，实际上是在发送其不同的谐波分量。该信号的每个谐波分量都必须被忠实的传送，才能保证接受信号副本精确性。否则第12页/共109页2.2 信道的传输特性（1）信道速率（bps）vs.波特率（baud）波特率：每秒钟传送信号的次数，也称调制速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数，也称信道速率。信道速率=波特率xlog2N(N为信号的状态数）波特率与比特率的关系取决于信号值表示位数与比特位的关系，在计算机二进制信号时，两者象等。例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍；每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。交通信号（红、绿、黄）？第13页/共109页2.2 信道的传输特性（2）香农定理（Max传输速率）带宽为 H 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为：最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)(bps)：信号功率，：噪声功率第14页/共109页2.2 信道的传输特性（3）奈魁斯特采样定理任意信号通过一个带宽为的低通滤波器，则每秒采样次就能完整地重现该信号。第15页/共109页2.2 信道的传输特性（4）信道差错率原因：噪声、信道的带宽限制误码率：传输二进制位的总数与出错位数的比值。误分组率：传输分组总数与出错分组数的比值误字符率：传输字符总数与出错字符数的比值第16页/共109页2.2 信道的传输特性（7）信道传输模式(?)单工第17页/共109页2.2 信道的传输特性（8）半双工第18页/共109页2.2 信道的传输特性（9）全双工第19页/共109页2.2 信道的传输特性（10）数据传输模式(?)并行传输第20页/共109页2.2 信道的传输特性（11）串行传输（异步、同步）(?)第21页/共109页2.2 信道的传输特性（12）异步传输第22页/共109页2.2 信道的传输特性（13）同步传输(依靠双方始终的精确同步)第23页/共109页3.调制解调与编解码技术（1）数字型信源Modem模拟型信源Codec数字信道模拟信道数字型信宿Modem模拟型信宿Codec光电转换光电转换频率转换频率转换第24页/共109页3.调制解调与编解码技术（2）数据编码与信号转换 数字编码 数字化 调 制 和 解 调第25页/共109页3.调制解调与编解码技术（3）数字数字信号数字到数字信号不同的转换方法数字编码第26页/共109页3.调制解调与编解码技术（4）数字编码NRZ第27页/共109页3.调制解调与编解码技术（5）归零编码(RZ)特点：含同步信息特点：含同步信息 每位三个状态每位三个状态 处理复杂处理复杂第28页/共109页3.调制解调与编解码技术（6）非归零编码(NRZ)（非归零电平编码和转换编码）NRZ-L vs.NRZ-I特点：不含同步信息特点：不含同步信息 无法传送大量信息，无法传送大量信息，1 1位边界有跃变位边界有跃变第29页/共109页3.调制解调与编解码技术（7）Manchester vs.Diff.Manchester 特点：含同步信息（位中间变化）特点：含同步信息（位中间变化）适合局域网络适合局域网络同步和数值信息同步信息数值信息波特率和信道速率的关系？第30页/共109页3.调制解调与编解码技术（9）Manchester编码每位中间都发生变化，这种变化既作为同步信号又作为1和0的区别Diff.Manchester编码每位中间的变化仅作为同步时钟，而位周期的起始跃变作为0，没有跃变则为1两种编码虽然解决了同步问题，但造成了带宽的浪费，效率为50%第31页/共109页3.调制解调与编解码技术（10）4b/5b4b/5b编码（编码（p24p24）使用5位符号表示4位数据仍然采用NRZI进行编码解决了连续1的同步问题，没有解决连续0的同步问题编码的约束条件（提高同步精度）每个编码前导0不多于1个、编码的结尾0不多于2个且每个编码有2个以上的1特点：在解决了同步问题的前提下，提高了带宽利用效率（80%），适合光纤高速通信。11110 01001 10100 10101 （0-3）01010 01011 01110 01111 （4-7）10010 10011 10110 10111 （8-11）11010 11011 11100 11101 （12-15）第32页/共109页3.调制解调与编解码技术(11)模拟信号的数字化采样：采样：Analog Digital量化量化(量化级别选择量化级别选择)编码编码？第33页/共109页3.调制解调与编解码技术(12)采样-量化-编码-处理第34页/共109页3.调制解调与编解码技术（13）数字信息的调制解调已有物理信道（analog）数字传输信道（cost）调制：Digital Analog解调：Analog Digital？第35页/共109页3.调制解调与编解码技术(14)数字信息的调制模拟信号的三个要素幅度（A）频率（）相位（）调制的三种技术调幅调频调相第36页/共109页3.调制解调与编解码技术(15)1 0 1 0 1 1 0调幅（同频异幅）：1 0 1 0 1 1 0调频（同幅异频）第37页/共109页3.调制解调与编解码技术(14)调相（相位变化）1 0 1 0 1 1 0第38页/共109页3.调制解调与编解码技术(16)Mothed第39页/共109页3.调制解调与编解码技术(17)AM第40页/共109页3.调制解调与编解码技术(18)FM第41页/共109页4.错误检测与纠错技术(1)差错出现：随机、连续突发（差错出现：随机、连续突发（burstburst）处理差错的两种基本策略处理差错的两种基本策略使用检错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有使用检错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。错，但不能判断哪里有错。使用纠错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有使用纠错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。错，并能纠正错误。第42页/共109页4.错误检测与纠错技术(2)Types of Errors第43页/共109页4.错误检测与纠错技术(3)Single-bit error第44页/共109页4.错误检测与纠错技术(4)Multiple-bit error第45页/共109页4.错误检测与纠错技术(5)Burst error第46页/共109页4.错误检测与纠错技术(6)错误检测（Detection）基本途径，在信息中增加冗余冗余信息信息（redundancyredundancy）奇偶校验（parity）循环校验（CRC）第47页/共109页4.错误检测与纠错技术(7)冗余（redundancy）第48页/共109页4.错误检测与纠错技术(8)奇偶校验（互补错误无法检测）？第49页/共109页4.错误检测与纠错技术(9)循环校验（CRC）与其他校验方式一样，在原信息后附加一个冗余比特串（CRC）过程首先给定一除数d（CRC代码生成多项式）位数为k信息字段M左移k-1位除以d(数学模2除法）得到余数R=CRC校验码形成新的传输数据M=M+CRC接收端校验:M能否被d整除?第50页/共109页4.错误检测与纠错技术(10)具体操作第51页/共109页4.错误检测与纠错技术(11)例子已知信息100100给定除数1101余数CRC=001要传输的信息为100100001第52页/共109页4.错误检测与纠错技术(14)标准多项式第53页/共109页4.错误检测与纠错技术(15)CRC的性质(结论)CRC可检测所有影响奇数位的突发错误可检测所有长度小于或等于多项式阶数的突发错误可以非常高的概率检测出长度大于多项式阶数的突发错误一般数据量不大时，使用一般的验错方法，数据量大时，就可以使用CRC校验；据理论统计，用CRC16时，超过17个连续位的错误侦测率为99.9969%，小于此时为100%。第54页/共109页4.错误检测与纠错技术(16)错误纠正(一位错)水平/垂直奇偶纠错码（必须采用偶校验）错？错？第55页/共109页4.错误检测与纠错技术(17)正反码信息字段与冗余校验字段具有相同的位数冗余校验字段的取值原则（发送方）若信息字段1的个数为奇数，则冗余字段的取值为信息字段。若信息字段的1的个数为偶数，则冗余字段的取值为信息字段的反码。接收方的纠错首先将收到的信息字段和冗余字段相加（位半加）若信息字段1的个数为奇数，则和式不变若信息字段1的个数为偶数，则和式取反若和式只有一个0，则信息字段中对应的位出错若和式只有一个1，则冗余字段中对应的位出错第56页/共109页4.错误检测与纠错技术(18)和和和变换和变换信息字段信息字段若一个若一个0 0：信息字段信息字段对应位错对应位错一个一个1 1：校验字段校验字段对应位错对应位错全全0 0：无错：无错冗余校验字段冗余校验字段判断信息字段：判断信息字段：奇数奇数个个1 1，校，校验字段验字段=信息字段信息字段偶数偶数个个1 1，校，校验字段验字段=信息字段信息字段的反码的反码发送端发送端判断信息字段：判断信息字段：奇数奇数个个1 1，和不，和不变变偶数偶数个个1 1，和取，和取反反第57页/共109页4.错误检测与纠错技术(19)正反码举例：正反码举例：合成合成 信息字信息字 校验校验 原信息原信息 接收码字接收码字 码组码组 段奇段奇/偶偶 码组码组 结果结果 字段字段010110101101011 00000 01011 00000 奇（不变）奇（不变）00000 00000 正确正确 0101101011100101001001101 11111 01101 11111 偶（取反）偶（取反）00000 00000 正确正确 1001010010011110111101011 00100 01011 00100 偶（取反）偶（取反）11110 011 11 信息位信息位3 3错错 0101101011100101001001001 11011 01001 11011 偶（取反）偶（取反）00001 100 00 校验位校验位3 3错错 1001010010正反码具有纠一位错的能力，其编码效率为正反码具有纠一位错的能力，其编码效率为5050。第58页/共109页4.错误检测与纠错技术(20)海明码（Hamming）基本模式：信息字段冗余字段定位冗余比特(2的幂次序列)计算冗余比特值（每个比特都是一组数据位的偶校验）接收方的检错纠错（冗余位是否全为0，不为0则指出了错误位）第59页/共109页4.错误检测与纠错技术(21)定位冗余比特20212223第60页/共109页4.错误检测与纠错技术(22)计算冗余比特值计算冗余比特值2021第61页/共109页4.错误检测与纠错技术(23)计算冗余比特值2223第62页/共109页4.错误检测与纠错技术(24)冗余比特计算实例0000000000第63页/共109页4.错误检测与纠错技术(25)信息传输差错第64页/共109页4.错误检测与纠错技术(26)差错检测、纠正第65页/共109页通信传输错误率假设同轴电缆的通信位出错率为10-6，若信道速率为9600bps，则平均产生一位错的时间是多少？若内部电路的错误率为10-15，若信道速率为9600bps，产生一位错的时间是多长？光纤的错误率、电话线的错误率？第66页/共109页第67页/共109页5.复用技术(1)复用的需求复用的需求通信中通信中“质质”和和“量量”的要求的要求现有通信线路的不足及成本因素现有通信线路的不足及成本因素复用的基础复用的基础现有通信线路现有通信线路(主干主干)的带宽较大的带宽较大各种复用技术的产生各种复用技术的产生第68页/共109页5.复用技术(2)第69页/共109页5.复用技术(3)第70页/共109页5.复用技术(4)FDM的概念是一种模拟技术,在链路带宽大于要传输的所有信号带宽之和时采用。AmplitudeFrequencyf1f2f3f4f5f6Channel第71页/共109页5.复用技术(5)物理路径逻辑信道第72页/共109页5.复用技术(6)载波调制调制后合成？AA第73页/共109页5.复用技术(7)滤波载波信息第74页/共109页5.复用技术(8)TDM的概念时分复用是一个数字化过程,当传输介质的数据速率容量大于所有发送和接受设备所需要的数据速率时就可以使用它.TDM的链路分割是一种时间上的串型分割,在宏观上对通信终端是并行通信.TDM的复用形式同步TDM异步TDM第75页/共109页5.复用技术(9)同步TDM同步指时间片的固定分配第76页/共109页5.复用技术(10)第77页/共109页5.复用技术(11)同步TDM体现了一种速率平均的思想第78页/共109页5.复用技术(12)同步TDM接受方的复用分解第79页/共109页5.复用技术(13)同步TDM的传输帧的标示(定位)第80页/共109页5.复用技术(15)异步TDM时分复用同步TDM存在带宽浪费的现象对于n个设备一个传输帧内至少有n个时间片时间片的使用是固定的平均思想不符合网络信息流的实际情况网络本身的信息流模型是突发性的异步TDM充分复用通路带宽资源一个帧内时间片的分配是动态的对于n个设备一个传输帧内至多有m(mn)个时间片统计复用(集中器)第81页/共109页5.复用技术(16)时间片的动态分配第82页/共109页5.复用技术(17)帧和时间片地址第83页/共109页5.复用技术(18)T-1示例(24X8000 x8）one sample frameOne bit control 第84页/共109页CDMA 的原理？WDM DWDM?第85页/共109页6 6.通信交换技术（1 1）Why switch第86页/共109页6 6.通信交换技术（2 2）交换概念在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望使用较少的设备和线路实现所有终端的可达性。动态地接通或断开通信线路的过程，称为“交换”第87页/共109页6 6.通信交换技术（3 3）交换和复用的区别交换强调设备的主动控制功能，不同物理链路之间的切换复用强调一个物理链路的带宽共享交换方式分类电路交换（Circuit）独占线路报文交换（Paragraph）存储转发方式分组交换（Packet）存储转发方式第88页/共109页6 6.通信交换技术（4 4）电路交换（Circuit switching）原理直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方，典型的如电话交换网（端交换局）。三个阶段建立电路传输数据拆除电路第89页/共109页6 6.通信交换技术（5 5）特点在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路建立物理通路时间较长，而数据传送延迟较短独占通信通路，易于形成交换阻塞第90页/共109页6 6.通信交换技术（6 6）报文交换（paragraph）传输单位为整个报文，大小不定存储转发（store and forward)机制链路共享，节点排队依据一定的规则动态选择下一条传输路径网络延迟第91页/共109页6 6 通信交换技术（7 7）分组交换（Packet）一次交换一个固定上限的信息单位（packet）存储转发方式(store and forward)分组交换数据报分组交换虚电路（兼有电路交换和报文交换的特点）虚电路交换虚电路和永久虚电路第92页/共109页6 6.通信交换技术（8 8）数据报（Datagram）没有固定的路径每个分组（packet）独立传输同一过程中的不同分组可有不 同的传输路径第93页/共109页6 6.通信交换技术（9 9）虚电路方式（Virtual Circuit）虚电路相对于电路交换而言，这里的路径是逻辑信道同电路交换一样，每次传输过程具有固定的路径同样具有路径的建立、传输和拆除过程交换虚电路（Switched Virtual Circuit）每条虚电路在需要的时候被动态创建同一传输过程中的路径不变传输过程结束时路径被释放第94页/共109页6 6.通信交换技术（1010）永久虚电路（Permanent Virtual Circuit）通信双方的虚电路预先分配同一传输过程中的路径不变传输过程结束时路径不被释放第95页/共109页6 6 虚电路的具体形成（1111）1 1 2 2 3 31 1 2 2 3 31 1 2 2 3 3用户用户1111用户用户1212用户用户1313用户用户2121用户用户2222用户用户2323 结点结点A A中继结点中继结点1 1中继结点中继结点2 2 结点结点B B传输媒体传输媒体传输媒体传输媒体传输媒体传输媒体第96页/共109页6 6.通信交换技术（1212）交换虚电路（svc）第97页/共109页6 6.通信交换技术（1313）？第98页/共109页6 6.通信交换技术（1414）永久虚电路（pvc）第99页/共109页6 6.通信交换技术（1515）？第100页/共109页6 6 通信交换技术（1616）三种交换的传输比较呼叫请求呼叫请求呼叫请求呼叫确认数据传输报文报文报文分组1 1分组2 2分组3 3分组4 4分组5 5分组1 1分组2 2分组3 3分组4 4分组5 5分组1 1分组2 2分组3 3分组4 4分组5 5存储转发存储转发存储转发存储转发高速缓存转发高速缓存转发后继资源利用后继资源利用第101页/共109页本章小结通信原理（1 1）通信的本质目标通信的本质目标通信系统的构成通信系统的构成通信系统传输信息信源变换器信道信宿第102页/共109页本章小结通信原理（2 2）数字信号和模拟信号数字信号和模拟信号信号之间的变换信号之间的变换 信 号第103页/共109页本章小结通信原理（3 3）4b/5b4b/5bManchester CodeManchester CodeDiff Man.CodeDiff Man.Code数字编码第104页/共109页本章小结通信原理（4 4）信道的分类信道的分类信道传输模式信道传输模式信道的复用信道的复用通信信道第105页/共109页本章小结通信原理（5 5）冗余信息冗余信息差错的检验差错的检验差错的纠正差错的纠正差错处理第106页/共109页本章小结通信原理（6 6）电路交换电路交换分组交换分组交换报文交换报文交换交换技术第107页/共109页第108页/共109页感谢您的观看。第109页/共109页
