计算机网络——第02章-数据通信基础要点优秀PPT.ppt

第第2章章 数据通信基础数据通信基础2.1 数据通信基础学问数据通信基础学问 2.2 数据通信中的基本概念数据通信中的基本概念2.3 传输介质传输介质2.4数据交换技术数据交换技术2.5 多路复用技术多路复用技术2.6 光纤技术光纤技术 2.7移动通信及蜂窝无线通信移动通信及蜂窝无线通信2.1 数据通信基础学问数据通信基础学问2.1.1 数据通信模型数据通信模型数据通信是把信息从源主机传输到目标数据通信是把信息从源主机传输到目标主机的过程，数据通信模型如图主机的过程，数据通信模型如图2.1所示。所示。图图2.1 数据通信模型数据通信模型2.1.2 并行传输和串行传输并行传输和串行传输1并行传输并行传输并行传输指的是数据的每一位并行传输指的是数据的每一位各占一条信号线同时进行传输。各占一条信号线同时进行传输。2串行传输串行传输串行传输指的是数据信号的若串行传输指的是数据信号的若干位依次按位串行排列成数据流，干位依次按位串行排列成数据流，在一条信道上传输。在一条信道上传输。2.1.3 同步传输和异步传输同步传输和异步传输1同步传输同步传输（1）位同步）位同步 要求传输数据的收发要求传输数据的收发双方的时钟频率严格保持一样，即双方的时钟频率严格保持一样，即称收发双方的时钟是同步的。称收发双方的时钟是同步的。（2）帧同步）帧同步“帧帧”是数据链路层传是数据链路层传输的数据单元，其长度并没有硬性输的数据单元，其长度并没有硬性规定。规定。图图2.3 帧同步传输帧同步传输图图2.4 异步传输异步传输2.1.4 传输方式传输方式1单工通信单工通信2半双工通信半双工通信3全双工通信全双工通信2.1.5 数字传输和模拟传输数字传输和模拟传输模拟传输（模拟传输（Analog Transmission）是指信道中传输）是指信道中传输的都是模拟信号，即连续变更的的都是模拟信号，即连续变更的信号。信号。数字传输（数字传输（Digital Transmission）：是指信道中传）：是指信道中传输的是数字序列。输的是数字序列。（1）传输质量高，时延短，通信速率可）传输质量高，时延短，通信速率可按用户需求选择。按用户需求选择。（2）支持多媒体业务。）支持多媒体业务。（3）可以利用）可以利用VLSI器件，体积小，成本器件，体积小，成本低，质量高。低，质量高。（4）虽然须要中继放大，但干扰信号不）虽然须要中继放大，但干扰信号不会同时被放大，特殊适合高保真的远程传会同时被放大，特殊适合高保真的远程传输。输。（5）可以利用数据压缩与解压技术大大）可以利用数据压缩与解压技术大大削减存储空间和传输流量。削减存储空间和传输流量。（6）可以利用查错纠错技术保证通信质）可以利用查错纠错技术保证通信质量。量。（7）能够利用加密与解密技术保证通信）能够利用加密与解密技术保证通信平安。平安。2.2 数据通信中的基本概念数据通信中的基本概念2.2.1频率、频谱和带宽频率、频谱和带宽图图2.5 信号的时域表示方法信号的时域表示方法图图2.6 数字信号数字信号图图2.8 对称方波由多个奇次谐波构成对称方波由多个奇次谐波构成图图2.9 8个谐波叠加的结果个谐波叠加的结果图图2.10 s(t)的频谱的频谱图图2.11 数字信号及其频谱数字信号及其频谱2.2.2 数据传输速率数据传输速率1数据传输速率数据传输速率数据传输速率简称数据率，是数据传输速率简称数据率，是指单位时间内发送端和接收端之间指单位时间内发送端和接收端之间传输数据的平均比特数，或指发送传输数据的平均比特数，或指发送端的发送速率，单位为每秒位端的发送速率，单位为每秒位（bit/s），它反映了终端设备之间），它反映了终端设备之间的信息传输实力，是一段时间的平的信息传输实力，是一段时间的平均值。均值。2最大数据传输速率最大数据传输速率Cmax与带宽的与带宽的关系关系（1）波特（）波特（Baud）率和比特率：波特）率和比特率：波特率是每秒钟传送信息位的数量。它是所率是每秒钟传送信息位的数量。它是所传送代码的最短码元占有时间的倒数。传送代码的最短码元占有时间的倒数。课件制作人：谢希仁(1)信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围1924 1924 年，奈奎斯特年，奈奎斯特年，奈奎斯特年，奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)就推导出了著名的奈就推导出了著名的奈就推导出了著名的奈就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的志向条件下，为了避氏准则。他给出了在假定的志向条件下，为了避氏准则。他给出了在假定的志向条件下，为了避氏准则。他给出了在假定的志向条件下，为了避开码间串扰，码元的传输速率的上限值开码间串扰，码元的传输速率的上限值开码间串扰，码元的传输速率的上限值开码间串扰，码元的传输速率的上限值志向低通信道的最高码元传输速率志向低通信道的最高码元传输速率志向低通信道的最高码元传输速率志向低通信道的最高码元传输速率=2W Baud=2W Baud在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不行能。判决（即识别）成为不行能。判决（即识别）成为不行能。判决（即识别）成为不行能。假如信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高假如信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高假如信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高假如信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频重量越多，那么就可以用更高的速率传送码元频重量越多，那么就可以用更高的速率传送码元频重量越多，那么就可以用更高的速率传送码元频重量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。而不出现码间串扰。而不出现码间串扰。而不出现码间串扰。（2）最大数据传输速率与带宽的关系）最大数据传输速率与带宽的关系Cmax2Blog2N3误码率误码率误码率误码率接收方出现差错的位数接收方出现差错的位数(比比特数特数)/总的传输位数总的传输位数(比特数比特数)100%。课件制作人：谢希仁(2)信噪比信噪比 香农香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限极限、无差错的无差错的信息传输速率。信息传输速率。信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达为可表达为 C=W log2(1+S/N)b/s W W 为信道的带宽（以为信道的带宽（以为信道的带宽（以为信道的带宽（以 Hz Hz 为单位）；为单位）；为单位）；为单位）；S S 为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；N N 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。课件制作人：谢希仁香农公式表明香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。限传输速率就越高。限传输速率就越高。限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就确定可以找到某种方法来实现无差错的传输。就确定可以找到某种方法来实现无差错的传输。就确定可以找到某种方法来实现无差错的传输。就确定可以找到某种方法来实现无差错的传输。若信道带宽若信道带宽若信道带宽若信道带宽 W W 或信噪比或信噪比或信噪比或信噪比 S/N S/N 没有上限（当然实没有上限（当然实没有上限（当然实没有上限（当然实际信道不行能是这样的），则信道的极限信息传际信道不行能是这样的），则信道的极限信息传际信道不行能是这样的），则信道的极限信息传际信道不行能是这样的），则信道的极限信息传输速率输速率输速率输速率 C C 也就没有上限。也就没有上限。也就没有上限。也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。极限传输速率低不少。极限传输速率低不少。极限传输速率低不少。2.2.3 基带传输和宽带传输基带传输和宽带传输1基带传输基带传输基带传输即数字传输。基带指的是基基带传输即数字传输。基带指的是基本频带，就是传输数据编码电信号所固有本频带，就是传输数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为基带信号。的频带，这种信号可称为基带信号。2宽带传输宽带传输2.3 传传 输输 介介 质质2.3.1 双绞线双绞线图图2.12 双绞线双绞线图图2.13 双绞线和平行线的抗噪声比较双绞线和平行线的抗噪声比较2.3.2 同轴电缆同轴电缆图图2.14 同轴电缆同轴电缆2.3.3 光纤光纤1光纤的分类光纤的分类（1）依据折射率分布，有匀整光纤（如）依据折射率分布，有匀整光纤（如图图2.15（a）和图）和图2.15（c）所示）和非匀）所示）和非匀整光纤（如图整光纤（如图2.15（b）所示）。）所示）。（2）依据传输的总模数，光纤通常又分）依据传输的总模数，光纤通常又分为单模光纤（为单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）和多模光纤（）和多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）单模（单模（SM）光纤）光纤 多模（多模（MM）光纤）光纤 2光缆的结构光缆的结构图图2.16 光缆的结构光缆的结构3光纤的损耗特性光纤的损耗特性（1）吸取损耗）吸取损耗（2）散射损耗）散射损耗 4光纤的色散特性光纤的色散特性（1）模式色散）模式色散 同一频率同一波长的同一频率同一波长的光在传输中有多种模式，不同的模式光在传输中有多种模式，不同的模式传输速度不同，模式之间存在时延差，传输速度不同，模式之间存在时延差，这种色散称为模式色散。它是影响多这种色散称为模式色散。它是影响多模光纤传输距离和速度的主要缘由之模光纤传输距离和速度的主要缘由之一。一。（2）材料色散）材料色散（3）波导色散）波导色散 5光纤通信的优点光纤通信的优点（1）光纤可供应更高的带宽）光纤可供应更高的带宽（2）中继距离长）中继距离长（3）可以节约铜和铅）可以节约铜和铅（4）抗干扰实力强，保密性好）抗干扰实力强，保密性好（5）重量轻，耐腐蚀）重量轻，耐腐蚀（6）数字化光纤系统可以大量运用）数字化光纤系统可以大量运用VLSI器件，牢靠性高，成本低。器件，牢靠性高，成本低。（7）数字化光纤系统运用）数字化光纤系统运用PCM技术，技术，将模拟数据数字化，可以便利地连接计将模拟数据数字化，可以便利地连接计算机，实现对全系统的监控。算机，实现对全系统的监控。（8）接受混合光纤同轴电缆技术）接受混合光纤同轴电缆技术（Hybrid Fiber Coax，HFC），可以便），可以便利地用于有线电视系统。利地用于有线电视系统。（9）接受波分多路复用（）接受波分多路复用（Wavelength Dvision Mltiplexing，WDM）和密集波）和密集波分多路复用分多路复用DWDM（Dense WDM）技术）技术可以大幅度地扩容，而不必增加光纤的可以大幅度地扩容，而不必增加光纤的芯数。芯数。2.3.4 无线传输无线传输1电磁波谱电磁波谱图图2.17 电磁波谱电磁波谱无线电波段划分（部分）无线电波段划分（部分）2环境对电磁波的影响环境对电磁波的影响（1）地表层：）地表层：（2）大气层：）大气层：（3）电离层：）电离层：图图2.18 电磁波传播电磁波传播3无线电波的传输无线电波的传输4微波传输（地面微波）微波传输（地面微波）5红外线及毫米波（室内通信）红外线及毫米波（室内通信）2.4 数据交换技术数据交换技术2.4.1 数据交换技术概述数据交换技术概述数据交换技术是数据通信过程中，对数据交换技术是数据通信过程中，对数据表示格式、传输方式的选择和优化的数据表示格式、传输方式的选择和优化的技术技术1电路交换（电路交换（Circuit Switching）图图2.19 电路交换示意图电路交换示意图 图图2.20 电路交换过程示意图电路交换过程示意图（1）电路建立阶段）电路建立阶段 （2）传输数据阶段）传输数据阶段（3）电路拆除阶段）电路拆除阶段 电路交换具有下述几个特点。电路交换具有下述几个特点。（1）呼叫建立时间长且存在呼损。）呼叫建立时间长且存在呼损。（2）电路连通后供应应用户的是）电路连通后供应应用户的是“透亮通透亮通路路”（3）信号或数据的传输时延短且时延固定）信号或数据的传输时延短且时延固定不变，适用于实时大批量连续的数据传输。不变，适用于实时大批量连续的数据传输。（4）线路（信道）利用率低。）线路（信道）利用率低。2报文交换（报文交换（Message Switching）与电路交换相比，报文交换方式不要与电路交换相比，报文交换方式不要求交换网为通信双方预先建立一条专用的求交换网为通信双方预先建立一条专用的数据通路，因此就不存在建立电路和拆除数据通路，因此就不存在建立电路和拆除电路的过程。电路的过程。3分组交换（又称包交换，分组交换（又称包交换，Packet switching）（1）数据报传输分组交换）数据报传输分组交换 传输质量高传输质量高 电路利用率高电路利用率高 信息传递平安、牢靠信息传递平安、牢靠 传送信息有确定时延传送信息有确定时延 通过申请账号、密码（通过申请账号、密码（NUI），可实），可实现全国漫游，经济性能好。现全国漫游，经济性能好。（2）虚电路传输分组交换）虚电路传输分组交换2.4.2交换技术的比较交换技术的比较图图2.21 电路交换电路交换 图图2.22 报文交换报文交换 图图2.23 数据报交换数据报交换 图图2.24 虚电路交换虚电路交换三种交换的比较三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组 分组 分组存储转发存储转发存储转发存储转发2.5 多路复用技术多路复用技术图图2.25 多路复用技术示意图多路复用技术示意图课件制作人：谢希仁+()复用复用复用复用(multiplexing)(multiplexing)是通信技术中的基本概念。是通信技术中的基本概念。是通信技术中的基本概念。是通信技术中的基本概念。+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)运用单独的信道(b)运用共享信道复用分用课件制作人：谢希仁频分复用频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)用户在安排到确定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这用户在安排到确定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这用户在安排到确定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这用户在安排到确定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。个频带。个频带。个频带。频分复用的全部用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请留频分复用的全部用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请留频分复用的全部用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请留频分复用的全部用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请留意，这里的意，这里的意，这里的意，这里的“带宽带宽带宽带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。是频率带宽而不是数据的发送速率）。是频率带宽而不是数据的发送速率）。是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频带 1频带 2频带 3频带 n课件制作人：谢希仁时分复用时分复用TDM(Time Division Multiplexing)时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（帧（帧（帧（TDM TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个帧）。每一个时分复用的用户在每一个帧）。每一个时分复用的用户在每一个帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM TDM 帧中占用固定序号的时隙。帧中占用固定序号的时隙。帧中占用固定序号的时隙。帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是就是就是就是 TDM TDM 帧的长度）。帧的长度）。帧的长度）。帧的长度）。TDM TDM 信号也称为等时信号也称为等时信号也称为等时信号也称为等时(isochronous)(isochronous)信号。信号。信号。信号。时分复用的全部用户是在不同的时间占用同样的频时分复用的全部用户是在不同的时间占用同样的频时分复用的全部用户是在不同的时间占用同样的频时分复用的全部用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。带宽度。带宽度。带宽度。课件制作人：谢希仁时分复用时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAATDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧周期性出现课件制作人：谢希仁时分复用可能会造成时分复用可能会造成线路资源的奢侈线路资源的奢侈 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户运用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对安排到的子信道的利用率一般是不高的。课件制作人：谢希仁统计时分复用统计时分复用 STDM(Statistic TDM)用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用2.5.2 同同 步步 时时 分分 多多 路路 复复 用用（STDM）图图2.27 同步时分复用示意图同步时分复用示意图2.5.3 异异 步步 时时 分分 多多 路路 复复 用用（ATDM）图图2.28 E1标准的标准的TDM帧格式帧格式图图2.29 T1标准的标准的TDM帧格式帧格式课件制作人：谢希仁2.4.3 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)常用的名词是码分多址常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用户运用经过特殊选择的不同码型，因此各用户运用经过特殊选择的不同码型，因此彼此不会造成干扰。彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰实力，这种系统发送的信号有很强的抗干扰实力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片(chip)。课件制作人：谢希仁码片序列码片序列(chip sequence)每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 mm bit bit 码片序列。码片序列。码片序列。码片序列。如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片序列。码片序列。如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反，则发送该码片序列的二进制反码。码。例如，例如，例如，例如，S S 站的站的站的站的 8 bit 8 bit 码片序列是码片序列是码片序列是码片序列是 00011011 00011011。发送比特发送比特 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011，发送比特发送比特 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100。S S 站的码片序列：站的码片序列：站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)(1 1 1+1+1 1+1+1)课件制作人：谢希仁CDMA 的重要特点的重要特点每个站安排的码片序列不仅必需各不相同，并每个站安排的码片序列不仅必需各不相同，并且还必需相互正交且还必需相互正交(orthogonal)。在好用的系统中是运用伪随机码序列。在好用的系统中是运用伪随机码序列。课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系码片序列的正交关系 令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示其他表示其他任何站的码片向量。任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的规格化的规格化内积内积(inner product)都是都是 0：(2-3)课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例 令向量令向量 S 为为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量，向量 T 为为(1 1+1 1+1+1+1 1)。把向量把向量 S 和和 T 的各重量值代入的各重量值代入(2-3)式就可看出式就可看出这两个码片序列是正交的。这两个码片序列是正交的。课件制作人：谢希仁任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是积值是 1。正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 课件制作人：谢希仁CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx+Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端课件制作人：谢希仁 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器2.6 光光 纤纤 通通 信信2.6.1 光纤通信的特点光纤通信的特点一是光纤通信用光波作为传输信号，一是光纤通信用光波作为传输信号，二是用光导纤维构成的光缆作为信号的传二是用光导纤维构成的光缆作为信号的传输线路。输线路。图图2.36 光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的基本构成 2.6.2 光纤通信中的编码技术光纤通信中的编码技术1mBnB码（码（m位位n位码）位码）（1）5B6B码编码规则：码编码规则：5B6B码码型型方方案案（2）5B6B码运用规则：码运用规则：（3）5B6B码的特点：码的特点：2插入比特码插入比特码（1）MBIP码：码：（2）MBIC码：码：（3）MBIH码：码：2.7 移动通信及蜂窝无线通信移动通信及蜂窝无线通信2.7.1 模拟蜂窝电话模拟蜂窝电话图图2.37 频率重用示意图频率重用示意图图图2.38 AMPS示意图示意图2.7.2 数字蜂窝无线通信数字蜂窝无线通信（2G）1全球移动通信系统全球移动通信系统GSM图图2.39 GSM运用运用124个频率信道，每个信道均运用个频率信道，每个信道均运用8时隙时隙TDM系统系统图图2.40 GSM分帧结构的一部分分帧结构的一部分2码分多址访问码分多址访问CDMA2.7.3 第三代移动通信第三代移动通信3G1第三代移动通信技术标准第三代移动通信技术标准2TD-SCDMA的优势的优势（1）频谱利用率高）频谱利用率高 （2）系统容量大）系统容量大（3）特殊适合运营商开展数据业务）特殊适合运营商开展数据业务（4）系统成本低）系统成本低（5）代表移动技术发展方向，系统易于）代表移动技术发展方向，系统易于升级，爱护运营商投资。升级，爱护运营商投资。