数据通信基础知识幻灯片.ppt

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1、数据通信基础知识数据通信基础知识第1页，共93页，编辑于2022年，星期六2.1 基本概念基本概念信号信号l是消息或数据的电磁编码。信号的时域特性表示为时间t的函数，信号的数学描述一般是以时间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变量。l分为模拟信号与数字信号。通信通信l通信的任务是将表示消息的信号从发送方传递到 接收方。l分为模拟通信与数字通信。x(nT)(b)数字信号(a)模拟信号 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 f(t)tnT1 0 0 1 1 0 0 1 1 1第2页，共93页，编辑于2022年，星期六2.1.2 模拟通信模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声 模拟通信：利用模拟

2、信号来传递消息。实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟信号，所以调制器的功能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输或多路复用。l包括传输介质和介质两端的传输设备第3页，共93页，编辑于2022年，星期六2.1.3 数字通信数字通信 信源编码器 噪声 发送端时钟 信 源 信道编码器 信 宿 调 制 信 道 解 调 信道译码器 信源译码器 接收端时钟 数字通信：利用数字信号来传递消息。是对传输的数字信号进行检错或纠错编码,以便接收方能进行差错检测和纠正。信源编码器的主要作用：一是进行模/数转换；二是降低信号的数码率。它使变换后的信号能在传输介质中传输，或提高信道的传输效率l发送端和接收端使用

3、各自的时钟；l接收时钟与发送时钟必须保持同步第4页，共93页，编辑于2022年，星期六数字通信的主要特点数字通信的主要特点优点优点l抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；l能适应各种传输业务；l能实现高保密传输；l传输设备的集成化和微型化；缺点缺点l占用信道的带宽大；而且需要复杂的同步技术。u 例子：一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的信道带宽要远远大于4KHz。第5页，共93页，编辑于2022年，星期六模拟放大与数字再生模拟放大与数字再生第6页，共93页，编辑于2022年，星期六2.2 数据通信基础理论数据通信基础理论2.2.1 信号

4、的频谱和带宽信号的频谱和带宽l任何信号通过信道时都会发生衰减；如果所有频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没有畸变。q然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不相同的，因而会发生畸变。一般来说，频率越高的信号，其衰减幅度越大2.2.2 信道的截止频率与带宽信道的截止频率与带宽2.2.3 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率第7页，共93页，编辑于2022年，星期六傅立叶已经证明：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦和余弦函数合成，即：f(t)=其中：n=arctg(bn/an)此处f=1/T是基频，an和bn是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。f(t)2.2.1 信

5、号的频谱和带宽信号的频谱和带宽第8页，共93页，编辑于2022年，星期六基本概念基本概念信号带宽信号带宽l信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的带宽l我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的 有效带宽，简称为带宽(Bandwidth)；l任何信号都有一定的带宽。频域图（频率频域图（频率-最大振幅图）最大振幅图）l把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成谱状图形,称为信号f(t)的频谱图。第9页，共93页，编辑于2022年，星期六绝对带宽和有效带宽绝对带宽和有效带宽第10页，共93页，编辑于2022年，星期六常见信号的带宽常见信号的带宽话音信号话音信号l话音信号的标准带宽为3

6、00Hz3400Hz。音乐信号（音乐信号（CD音质）音质）l要求的带宽是20Hz 20KHz。电视信号电视信号l电视信号的带宽为几Hz4MHz。单脉冲信号单脉冲信号l其带宽为无穷大二进制信号二进制信号l一般情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列的顺序以及具体的数字编码方式。第11页，共93页，编辑于2022年，星期六脉冲信号频谱图脉冲信号频谱图信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信号信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。的数据率越高，信号的带宽也就越宽。第12页，共93页，编辑于2022年，星期六2.2.2 信道的截止频率与带宽信道的截止频率与带宽信道带宽是指该

7、系统不失真传输信号的频率范围信道带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振幅衰减到原来的减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来的一半即信号的能量衰减到原来的一半)时时所对应的频率称为信道的所对应的频率称为信道的截止频率截止频率fc。(cut-off frequency)即即低通信道的有效带宽低通信道的有效带宽(0fc）任何信道都有任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其固有，信道的截止频率或带宽是由其固有的物理特性决定的。的物理特性决定的。第13页，共93页，编辑于2022年，星期六信道截止频率信道截

8、止频率10lg 2 3第14页，共93页，编辑于2022年，星期六结论结论信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对于有限带宽信道必须限制信号的带宽，即限制信号的数据传输率；否则输出信号就会畸变。第15页，共93页，编辑于2022年，星期六以以01100010为周期信号的频谱为周期信号的频谱第16页，共93页，编辑于2022年，星期六2.2.3 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 基本概念基本概念l码元速率u调制速率，波特率，信号单元速率u信号每秒钟传输的脉冲（码元）数：l数据传输率u信息速率u信号每秒钟传输的信息量（比特/秒）：V为信号的电平级数l两者的关系：第17页，共93页，编辑于2

9、022年，星期六码元码元同步脉冲同步脉冲t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元：时间轴上的一个信号编码单元第18页，共93页，编辑于2022年，星期六信息量的度量信息量的度量香农规定：一个消息所荷载信息量香农规定：一个消息所荷载信息量I I，等于它所表示，等于它所表示 事件发生的概率事件发生的概率P P的倒数的对数。的倒数的对数。信息量的计算公式：信息量的计算公式：I=logI=loga a(1/P)=-log(1/P)=-loga a(P)(P)信息量的单位：信息量的单位：如果对数以如果对数以2 2为底，单位为比

10、特（为底，单位为比特（b b）。）。如果对数以如果对数以e e为底，单位为奈特（为底，单位为奈特（nat)nat)。如果对数以如果对数以1010为底，单位为哈特莱（为底，单位为哈特莱（HartleyHartley）。）。事件发生的概率越高，信息量越少。事件发生的概率越高，信息量越少。第19页，共93页，编辑于2022年，星期六Nyquist定理定理Nyquist（1924）推导出带宽为H的理想(无噪声)信道的最大数据传输率为lRmax=2H*log 2V(bps)其中V为信号电平的量化等级。公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。例子例子l一个带

11、宽为3000Hz的无噪声信道在传输二进制数字信号其最大数据传输率不超过6000bps。第20页，共93页，编辑于2022年，星期六Shannon定理定理Shannon（1948）推导出对于带宽为H，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为：其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to-Noise Ratio)；我们一般使用分贝(dB)来表示信噪比。例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB的信道其最大数据传输率不超过C=3000*log2(1+1000)30KbpsS/NdB=10 log10 S/NRmax=H*log 2(1+S/N)(bps)第21页，共93

12、页，编辑于2022年，星期六结论结论若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超过一若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超过一点，那么点，那么被正确接受的概率就会趋于零被正确接受的概率就会趋于零。在实际信道上能够达到的信息传输速率在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极要比香农的极限传输速率低不少限传输速率低不少。这是因为在实际的信道中，信号还。这是因为在实际的信道中，信号还要受到其他损伤，如各种系统外的噪声干扰以及在传输要受到其他损伤，如各种系统外的噪声干扰以及在传输和处理中产生的其他失真等。和处理中产生的其他失真等。当信噪比太小，不能保证通信质量时，可用增加带宽当信噪比太小，不能保

13、证通信质量时，可用增加带宽来提高信道容量，即来提高信道容量，即以带宽换功率以带宽换功率。无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能达到的最无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能达到的最高传输速率，高传输速率，原因是噪声的存在将使编码级数不可能原因是噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。无限增加。第22页，共93页，编辑于2022年，星期六2.3 传输介质传输介质数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设备之间进行。传输媒体可以划分为备之间进行。传输媒体可以划分为导线导线的或的或无导线无导线的的两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波的形式发

14、生。两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波的形式发生。使用导线媒体，波的传播被限制到一条物理通路；导线媒使用导线媒体，波的传播被限制到一条物理通路；导线媒体的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线媒体提体的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线媒体提供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；无导线传播供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；无导线传播的例子有通过空气、真空和海水的通信。常用的无线通信的例子有通过空气、真空和海水的通信。常用的无线通信系统有系统有无线电无线电、微波、卫星、红外线微波、卫星、红外线、激光激光等等。等等。第23页，共93页，编辑于2022年，星期六2.3.1 双绞

15、线双绞线双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数但同样适用于数字信号的传输字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。采用双绞线特别适用于较短距离的信息传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度、铜线的粗细的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度、

16、铜线的粗细及传输技术。一般可以在几公里内达到几兆及传输技术。一般可以在几公里内达到几兆bps的传输率。的传输率。双绞线可分为双绞线可分为屏蔽双绞线屏蔽双绞线STP(IBM)和和非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）第24页，共93页，编辑于2022年，星期六双绞线双绞线第25页，共93页，编辑于2022年，星期六双绞线双绞线EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计计算机网络综合布线使用第三、四、五类。算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如这五种型号如下：下：l第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线

17、缆），不用于数据传输。第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。第26页，共93页，编辑于2022年，星期六双绞线双绞线第四类第四类:该类电缆的传输频率为该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传用于语音传输和最高传输速率输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/

18、100base-T。第五类第五类:该类电缆增加了绕线密度该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料外套一种高质量的绝缘材料,传传输频率为输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数的数据传输，主要用于据传输，主要用于100base-T和和10base-T网络，这是最常用的以太网络，这是最常用的以太网电缆。网电缆。3 3类和类和5 5类类UTPUTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5 5类旋得较紧，类旋得较紧，一般为每英寸一般为每英寸3-43-4转，而转，而3 3类则一般是每英尺类则一般是每英尺

19、3-43-4转；旋得越紧，价格转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。越贵，但性能也好得多。另外还有另外还有超超5 5类类双绞线电缆，通过对其双绞线电缆，通过对其“信道信道”性能测试结果表明，性能测试结果表明，与普通与普通5 5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。性能指标都有很大提高。第27页，共93页，编辑于2022年，星期六屏蔽双绞线屏蔽双绞线以铝箔屏蔽以减少干扰和串音需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应以铝箔屏蔽以减少干扰和串音需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。的安装技术。100m

20、内可达内可达155Mbps，但价格高。，但价格高。主要用于主要用于IBM网络产品（网络产品（16Mbps速率速率)，并未普遍流行起来。，并未普遍流行起来。第28页，共93页，编辑于2022年，星期六2.3.2 同轴电缆同轴电缆第29页，共93页，编辑于2022年，星期六同轴电缆同轴电缆基带电缆基带电缆l特性阻抗50欧姆，主要用于传输数字信号，可作为计算机局域网的传输介质，速率可达10Mbps有可分为粗缆和细缆，粗缆无中继传输距离可达500m，安装难度大，但可靠。细缆无中继传输距率185m，安装时需切断电缆，不可靠。宽带电缆（宽带电缆（CATV电缆）电缆）l特性阻抗为75欧姆，主要用于传输模拟信

21、号，可用于有线电视的传输线路。频带高达300MHz或更高，传输距离可达100km。第30页，共93页，编辑于2022年，星期六光纤及光缆构成光纤及光缆构成第31页，共93页，编辑于2022年，星期六光反射原理光反射原理第32页，共93页，编辑于2022年，星期六2.3.3 光纤光纤传输与计算的比较传输与计算的比较lCompution：每10年增长1个数量级lCommunication：每10年增长2个数量级带宽带宽l频率范围：180370 THzl数据传输率：100*10Gbps=1 Tbpsu原因：光/电、电/光转换的速度跟不上u光电子技术/光子技术通过光纤中光的波长通过光纤中光的波长l0.

22、85m/1.3m/1.55 m (250 300THz)第33页，共93页，编辑于2022年，星期六单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤多模光纤（多模光纤（multi-mode fiber）l使用普通发光二极管作为光源l中继距离2公里l内芯直径稍大u直径为62.5m/125m单模光纤（单模光纤（single-mode fiber）l使用激光源l中继距离100公里l内芯直径与光源波长相近u直径为810m第34页，共93页，编辑于2022年，星期六光纤示意图光纤示意图第35页，共93页，编辑于2022年，星期六单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较第36页，共93页，编辑于2022年，星

23、期六光纤信道的一般组成光纤信道的一般组成第37页，共93页，编辑于2022年，星期六光纤的特点光纤的特点优点优点l高带宽、高数据传输率，衰减小l对电磁干扰EMI、窃听不敏感（安全、可靠）l抗腐蚀l重量轻，原料丰富，生产成本低。缺点缺点l单向传输l光纤接口价格昂贵l工艺复杂、安装技术复杂第38页，共93页，编辑于2022年，星期六2.3.4 无线介质无线介质无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内。由无线介质组成无线传输系统，主要包括：l无线电l微波（地面微波、卫星微波）l红外线l激光 第39页，共93页，编辑于2022年，星期六无线电波频段划分无线电波频段划分无线电、微波、卫星

24、无线电、微波、卫星语音语音红外线红外线 光紫外紫外X、伽玛射线、伽玛射线0 3kHz 300GHz430750THz第40页，共93页，编辑于2022年，星期六无线电无线通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线通信使用的频率一般在3MHz 至300MHz。无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。第41页，共93页，编辑于2022年，星期六微波微波对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这

25、就是微波。微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在300MHz至3GHz左右。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。第42页，共93页，编辑于2022年，星期六地面微波接力地面微波接力地球地球地球地球两个地面站之间传送距离：50-100 km地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔第43页，共93页，编辑

26、于2022年，星期六地球同步卫星地球同步卫星3586035860公里公里公里公里地球地球地球地球与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球传输延迟时间长传输延迟时间长第44页，共93页，编辑于2022年，星期六卫星通信卫星通信卫星通信：微波通信的特殊形式，它以距地面 35860km 的同步卫星为中继站，实现地球上18000km 范围内的多点之间的连接。主要由卫星、地球站、上下行线组成。频率范围在 330GHz波段下行线上行线C3.74.25.9256.425Ku11.712.21414.5Ka17.72127.531L1.5451.55851.64651.6

27、6卫星频带（卫星频带（GHz）第45页，共93页，编辑于2022年，星期六甚小口径地球终端甚小口径地球终端VSATVSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门和企业多使用和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。网来建设内部专用网。第46页，共93页，编辑于2022年，星期六多路复用多路复用复用复用多

28、个信息源共享一个公共信道多个信息源共享一个公共信道 主要目的减少线路成本，提高线路利用率DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道MUX第47页，共93页，编辑于2022年，星期六2.4 多路复用多路复用频分多路复用频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)l主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段；l调频广播以及有线电视。波分多路复用波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing)lFDM在光纤介质中的应用；l光纤系统使用的衍射光栅可以是无源的。时分多路复用时分多路复用TDM(Time Division

29、Multiplexing）l每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；l在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。第48页，共93页，编辑于2022年，星期六多路复用多路复用统计统计(异步）异步）TDM:用户不固定占用某个通用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入，可节省带宽。道，有空槽就将数据放入，可节省带宽。第49页，共93页，编辑于2022年，星期六FDM第50页，共93页，编辑于2022年，星期六频分多路复用频分多路复用FDM图图第51页，共93页，编辑于2022年，星期六FDM第52页，共93页，编辑于2022年，星期六WDM第

30、53页，共93页，编辑于2022年，星期六时分多路复用时分多路复用TDM图图第54页，共93页，编辑于2022年，星期六统计时分多路复用统计时分多路复用ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽TDM的的缺缺点点：某某用用户户无无数数据据发发送送，其其他他用用户户也也不不能能占占用用该该通通道道，将将会会造成带宽浪费。造成带宽浪费。改改进进：统统计计时时分分多多路路复复用用（STDM），用用户户不不固固定定占占用用某某个个通通道道，有有空空槽就将数据放入。槽就将数

31、据放入。第55页，共93页，编辑于2022年，星期六电话通信网的传输技术电话通信网的传输技术光纤光纤电缆电缆明线明线光纤光纤电缆电缆明线明线基基 站站用户用户用户线用户线市市 内内 交交 换换 设设 备备移移 动动 交交 换换 局局基基 站站长长 途途 交交 换换 设设 备备多多 路路 复复 用用 设设 备备地地 球球 站站微微 波波 站站终终 端端 增增 音音 设设 备备用户用户用户线用户线市市 内内 交交 换换 设设 备备移移 动动 交交 换换 局局基基 站站长长 途途 交交 换换 设设 备备多多 路路 复复 用用 设设 备备地地 球球 站站微微 波波 站站终终 端端 增增 音音 设设 备

32、备基基 站站增增 音音 设设 备备通信卫星通信卫星第56页，共93页，编辑于2022年，星期六64kbps单路PCMCCITT标准（标准（T，E系列）系列）57680路564992kbps96路6312kbps1920路13926kbps480路34368kbps120路8448kbps30路2048kbps672路44736kbps480路32064kbps24路1544kbps2444444北美日本欧洲日本北美7第57页，共93页，编辑于2022年，星期六PDH数字传输系统数字传输系统第58页，共93页，编辑于2022年，星期六T1线路帧格式线路帧格式第59页，共93页，编辑于2022年，

33、星期六E1帧格式帧格式0121631125 125 m m m ms=32 s=32 时隙时隙时隙时隙=2.048 Mbps=2.048 Mbps帧同步帧同步信令信道信令信道30 路话音数据信道路话音数据信道+2 路控制信道路控制信道第60页，共93页，编辑于2022年，星期六同步数字体系同步数字体系SDH最早由美国最早由美国贝贝尔尔通信所提出，称通信所提出，称为为SONET,1988年年CCITT改名改名为为SDH，规规定了定了标标准光信号多路准光信号多路复用的数字复用的数字业务业务同步同步帧结帧结构和构和传输速率的系列等传输速率的系列等级、信号格式级、信号格式操作操作规规程。程。它在它在帧

34、结帧结构内安排了丰构内安排了丰富的比特开富的比特开销销用于网用于网络维护络维护，操作和管理采用大，操作和管理采用大量的量的软软件件进进行智能化便于行智能化便于实现实现低速信号的分流和低速信号的分流和插入。插入。新研制的新研制的SONET标准则是标准则是OC-192（大约（大约10 Gbps）以及更高的级别。两种标准几乎同等）以及更高的级别。两种标准几乎同等第61页，共93页，编辑于2022年，星期六SONET/SDH复用级别复用级别第62页，共93页，编辑于2022年，星期六第63页，共93页，编辑于2022年，星期六SONET多路复用多路复用第64页，共93页，编辑于2022年，星期六2.5

35、 数据交换技术数据交换技术电路交换电路交换(Circuit Switching)l传统电话网报文交换报文交换(Message Switching)l报文指具有完整消息含义的数据单元。例如电报，电子邮件，数据文件等。分组交换分组交换(Packet Switching)l分组大小有严格的上限。例如，X.25网。第65页，共93页，编辑于2022年，星期六电路交换节点电路交换节点incoming linksoutgoing linksNode第66页，共93页，编辑于2022年，星期六电路交换电路交换原理原理l在采用电路交换技术的网络中，传输双方在传输之前通过呼叫建立一条物理线路，该线路的带宽是固定

36、的而且该物理线路一直保持到双方通话结束才释放。特点特点l电路交换技术有两大优点，第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟；第二是一旦线路建立便不会发生冲突。l电路交换的缺点首先是建立物理线路所需的时间比较长；其次是在电路交换系统中，物理线路的带宽是预先分配好的。第67页，共93页，编辑于2022年，星期六报文（报文（Message）交换）交换原理原理l报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。特点特点l不限制

37、报文的大小，这就要求各个中间结点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块。l报文转发可能会长时间占用线路，导致报文在中间结点的延迟非常大，这使得报文交换技术不适合交互式通信。第68页，共93页，编辑于2022年，星期六原理原理l是报文交换技术的改进；l在分组交换网中，将用户的数据划分成一个个分组(packet)，而且分组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中。特点特点l吞吐率较高，非常适合于交互式通信。实现方式实现方式l数据报(Datagram)u每个Packet单独寻址l虚电路(Virtual Circuit)u在传输双方先建立一条虚电路，所有Packet沿着同一

38、条虚电路到达目的地：X.25实例分组交换分组交换第69页，共93页，编辑于2022年，星期六分组交换节点分组交换节点incoming linksoutgoing linksNodeMemory第70页，共93页，编辑于2022年，星期六电路和分组交换示意图电路和分组交换示意图第71页，共93页，编辑于2022年，星期六三者的比较三者的比较第72页，共93页，编辑于2022年，星期六电路交换和分组交换的比较电路交换和分组交换的比较带宽分配带宽分配l电路交换技术静态预留带宽（物理线路）；而分组交换技术动态申请和释放带宽（虚电路）。透明性透明性l电路交换是完全透明的。发送方和接收方可以使用任何速率(

39、当然是在物理线路支持的范围内)、帧格式来进行数据通信。而在分组交换中，发送方和接收方按一定的数据速率和帧格式进行通信。计费方式计费方式l在电路交换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关；而在分组交换中，通信费用主要按通信流量(如字节数)来计算，适当考虑通话时间和距离。第73页，共93页，编辑于2022年，星期六信号变换信号变换话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字调制解调调制解调模拟模拟模拟模拟编码解码编码解码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟信号，模拟信号模拟信号，模拟信号数字信号，模拟信号数字信号，模拟信号数字信号，数字信号数字信号，数字信号模拟信号，数字信号模拟信号

40、，数字信号10101010第74页，共93页，编辑于2022年，星期六2.6 调制解调器调制解调器计算机发出的二进制数据在模拟用户线上直接传输时会发生信号的衰减和畸变；因此在计算机与用户电话线之间必须引入Modem；拨号Modem就是对数字信号进行调制以便数字信号能够在普通模拟话音信道上进行传输的设备调制就是用载波的一个参量的变化来反映调制信号变化的过程，实现调制过程的设备叫做调制器；从已调制信号恢复出原始信号的过程叫解调，相应的设备叫解调器。第75页，共93页，编辑于2022年，星期六调制原理调制原理第76页，共93页，编辑于2022年，星期六相位调制解调原理相位调制解调原理第77页，共93

41、页，编辑于2022年，星期六2.6.1 调制方式调制方式第78页，共93页，编辑于2022年，星期六多级调制方法多级调制方法1-单参量多级调制单参量多级调制0110000+90+180+27011数据率=信号速率 log2M M：调制级数+90+900 0 01010 00 0 0000+270+2700 0 1111+180+1800 0 10104-PSK4-PSK4v2v-2v-4v第79页，共93页，编辑于2022年，星期六正交幅度正交幅度QAM调制调制第80页，共93页，编辑于2022年，星期六16-QAM(正交振幅调制正交振幅调制):使用使用振幅振幅和和相位相位的的16种组合种组合

42、0 045 16-QAM 16-QAM的星座图的星座图的星座图的星座图90180270135315225多级调制方法多级调制方法2 多参量多级调制多参量多级调制第81页，共93页，编辑于2022年，星期六2.6.2 Modem标准标准传输速率传输速率(9600bps,14.4kbps,33.6kbps,56kbps)调制方式调制方式(调幅、调频、调相、正交幅度调制调幅、调频、调相、正交幅度调制)数据压缩数据压缩lCCITT规范：CCITT V.42bis规范，使用Huffman编码技术lMNP(Microcom Networking Protocol)规范：MNP 5可以实现2：1的压缩比，M

43、NP 7的压缩比可以达到3：1。差错控制差错控制lCCITT规范：CCITT V.42规范lMNP 规范：MNP 10级是功能非常齐全的差错控制协议，用于向蜂窝电话这样的噪声环境。物理接口物理接口(RS-232-C，RS-449，V.35)第82页，共93页，编辑于2022年，星期六ITU有关有关Modem的标准的标准ITU V.22 bis 2400bpsITU V.274800bpsITU V.32 9600bpsQAM (16points)ITU V.32bis14.4kbpsQAM (64points)ITU V.3428.8kbps12bits/SampleITU V.34bis33

44、.6kbps14bits/SampleITU V.42bisCompress ITU V.90 56kbps第83页，共93页，编辑于2022年，星期六2.6.3 Modem的分类的分类按调制信号按调制信号l电话拨号Modem（人工呼叫/应答、自动呼叫/应答）l专线Modem（2线、4线）l射频Modem（Cable Modem）lOptical Modem（光调制解调器）按调制方式按调制方式l调幅/调频/调相/正交幅度调制按数据传输方式按数据传输方式l同步Modem/异步Modem按传输方式按传输方式l单工/半双工/全双工第84页，共93页，编辑于2022年，星期六3.23.23.93.92

45、.82.83.43.41.21.24.24.23 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 原始信号原始信号 PAM PAM脉冲脉冲 PCM PCM 脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差）011100011011001100 PCM PCM 输出输出输出输出 模模/数转换数转换第85页，共93页，编辑于2022年，星期六PCM 转换波形图转换波形图BACDAABBCCDD模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编

46、码数字化声音数字化声音数字化声音数字化声音第86页，共93页，编辑于2022年，星期六脉码调制脉码调制PCM(Pulse Coded Modulation)模拟话音模拟话音模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号信号信号PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码 数字化数字化数字化数字化声音声音声音声音-话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率)-量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示)-数据率：数据率：8000次次/s*8bit=64Kb/s 每路每路PCM信号的速率信号的速率=64000bp

47、s第87页，共93页，编辑于2022年，星期六01001100011 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester差分差分差分差分ManchesteManchester r三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图第88页，共93页，编辑于2022年，星期六曼彻斯特编码曼彻斯特编码 规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变：高高 低的跳变低的跳变0，低，低高的跳变高的跳变1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设

48、备的时钟保持一致。持一致。曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码（自同步码（Self-Synchronizing Code）。它）。它具有自同步机制，无需外同步信号。具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的的2倍）。倍）。第89页，共93页，编辑于2022年，星期六差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differancial Manchester code)与与曼彻斯特编码相同，曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：会

49、发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示用在码元开始处有无跳变来表示0和和1：码元开始处有跳变码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变码元开始处无跳变1第90页，共93页，编辑于2022年，星期六小结（小结（1）信号是消息(或数据)的一种电磁编码，信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号，相应的将通信分为模拟通信和数字通信。傅立叶已经证明：任何信号(不管模拟信号还是数字信号)都是由各种不同频率的谐波组成的，任何信号都有相应的带宽。而且任何信道在传输信号时都会对信号产生衰减，因此，任何信道在传输信号时都存在一个数据传输率的限制，这就是奈奎斯特Nyquist定理和香农Shann

50、on定理所要告诉我们的结论。第91页，共93页，编辑于2022年，星期六小结（小结（2）传输介质是计算机网络与数据通信的最基本的组成部分。为了提高传输介质的利用率，我们可以使用多路复用技术，多路复用技术有频分多路复用、波分多路复用和时分多路复用三种，它们用在不同的场合。数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换三种，它们有各自的优缺点。Modem是用于在模拟电话网上传输计算机的二进制数据，Modem的调制方式有调幅、调频、调相以及正交幅度调制，而且Modem还支持数据压缩和差错控制。第92页，共93页，编辑于2022年，星期六小结（小结（3）脉码调制脉码调制PCM将模拟信号变换为数字信号，将