完美版课件第2章数据通信基础.ppt

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1、第2章数据通信基础2.1数据通信的基本概念2.2信道特性2.3传输介质2.4数据编码2.5数字调制技术第2章数据通信基础（续）2.6脉冲编码调制2.7扩频通信2.8通信方式和交换方式2.9多路复用技术2.10差错控制2.1数据通信的基本概念2.1.1数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机几个术语n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n源点源点设备产生的要传输的数据，例如，从PC机的键盘输入的汉字、P

2、C机产生输出的数字比特流。源点又称为信源。n发送器通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC机使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器)，用户在PC机外面看不见调制解调器。几个术语n接收器接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出n在送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。n终点终点设备从接收器攻取传送来的数据比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在PC机屏幕上显示出来）。终点又称为信宿。几个术语n模拟信号(analogousdata)表

3、示连续变化的物理量，如声音大小、光的强弱、电流、电压等。n数字信号(datadigital)表示离散不连续的量，如二进制信息“0”、“1”等。在使用时间域(或间称为时域)的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。n码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。2.1.2有关信号的几个基本概念n信道（channel）和电路并不等同。它一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。2.1.2有关信号的几个基

4、本概念n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。基带(baseband)信号和带通(bandpass)信号n基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。n基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。n带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较

5、高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。几种最基本的调制方法n基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)r(r,)可供选择的相位

6、有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例课件制作人：叶安新2.2信道特性n2.2.1信道的带宽模拟信号的带宽如下图所示，信道带宽W=f1-f2图2-2 模拟信道的带宽课件制作人：叶安新2.2信道特性n信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。一个数字脉冲称为一个码元，用码元的速率表示单位时间内信号波形的变换次数，若一个信号码元宽度为T秒，即码元速率B=1/T。码元速率的单位叫波特（Baud），所

7、以码元速率好叫波特率。课件制作人：叶安新2.2信道特性n早在1924年，贝尔实验室的研究员亨利尼奎斯特(HarryNyquist)就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特定理。若信道带宽为W，则尼奎斯特定理指出最大码元速率为B=2W（Baud）课件制作人：叶安新2.2信道特性n一个码元携带的信息量n(位)与码元的种类数N有如下关系:n=log2N(N=2n)例如，假定我们的基带信号是:101011000110111010如果直接传送，则每一个码元所携带的信息量是1bit。课件制作人：叶安新2.2信道特性n课件制作人：叶安新2.2信道特性n课件制作人：叶安新2.2信道特性n任何实际

8、的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道n有失真，但可识别n失真大，无法识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形课件制作人：叶安新香农定理n香农(Shannon)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极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率C 可表达为n C=Wlog2(1+S/N)b/snW 为信道的带宽（以Hz为单位）；nS 为信道内所传信号

9、的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。课件制作人：叶安新香农公式表明n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。n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。n若信道带宽W 或信噪比S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C 也就没有上限。n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。课件制作人：叶安新请注意n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。课件制

10、作人：叶安新2.2.2误码率n课件制作人：叶安新2.2.3信道延迟n信号在信道中传播，从源端到达宿端需要一定的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体信道中的信号传播速度有关。课件制作人：叶安新2.2.3信道延迟n以后考虑的信号主要是电信号，这种信号一般以接近光速的速度(300000Km/S)传播，但随传输介质的不同而略有差别。例如，在电缆中的传播速度一般为光速的77%，即230000Km/S。课件制作人：叶安新2.3传输介质传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波

11、被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。下图是电信领域使用的电磁波的频谱。课件制作人：叶安新2.3传输介质无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动

12、无线电 电信领域使用的电磁波的频谱课件制作人：叶安新2.3.1导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)n无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆课件制作人：叶安新各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆双绞线 实物图课件制作人：叶安新双绞线种类类型带宽（Mb/s）屏蔽双绞线3类165类100无屏蔽双绞线3类164类205类100超5类1556类200表2-1 计算机综合布线使用的双绞线课

13、件制作人：叶安新光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯课件制作人：叶安新光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射课件制作人：叶安新输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤课件制作人：叶安新2.3.2非导向传输媒体n无线传输所使用的频段很广。n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。n微波在空间主要是直线传播。n地面微波接力通信n卫星通信 课件制作人：叶安新2.4数据编码二进制数字信息在传输过程中可以采用不同的代码，各种代码的抗噪声特性和定时能力各

14、不相同，实现费用也不一样。下面介绍几种常用的编码方案，如图2-9所示。课件制作人：叶安新2.4数据编码课件制作人：叶安新1.单极性码在这种编码方案中，只用正的(或负的)电压表示数据。例如，在图2-9中用+3V表示二进制数字“0，而用0V表示二进制数字“1。单极性码用在电传打字机(TTY)接口以及PC与TTY兼容的接口中，这种代码需要单独的时钟信号配合定时，否则，当传送一长串0或1时，发送机和接收机的时钟将无法定时，单极性码的抗噪声特性也不好。课件制作人：叶安新2.极性码在这种编码方案中，分别用正和负电压表示二进制数+3V表示二进制数字“0”，而用一V表示二进制数字“1”而抗干扰特性好，但仍然需

15、要另外的时钟信号。这种代码的电平差比单极码大，因而抗干扰特性好，但仍然需要另外的时钟信号。课件制作人：叶安新3.双极性码在双极性编码方案中，信号在三个电平(正、负、零)之间变化。一种典型的双极性码就是所谓的信号交替反转编码(AlternateMarkInversionAMI)。在AMI信号中，数据流中遇到1”时使电平在正和负之间交替翻转，而遇到“0”时则保持零电平。课件制作人：叶安新4.归零码在归零码(ReturntoZeroRZ)中，码元中间的信号回归到零电平，因此任意两个码元之间被零电平隔开。与以上仅在码元之间有电平转换的编码方案相比，这种编码方案有更好的噪声抑制特性。因为噪声对电平的干扰

16、比对电平转换的干扰要强，而这种编码方案是以识别电平转换边来判别“0”和“1”信号的。课件制作人：叶安新7.曼彻斯特编码曼彻斯特编码(ManchesterCode)是一种双相码。在图2-9中，用比特位中间高电平到低电平的转换边表示“0，而用低电平到高电平的转换边表示“1，相反的表示也是允许的。位中间的电平转换边既表示了数据代码，同时也作为定时信号使用。曼彻斯特编码使用在以太网中。课件制作人：叶安新2.5数字调制技术数字数据不仅可以用方波脉冲传输，也可以用模拟信号传输。用数字数据调制模拟信号叫做数字调制。课件制作人：叶安新2.5数字调制技术图2-11三种调制方式课件制作人：叶安新1.幅度键控(AS

17、K，AmplitudeShiftKeying)按照这种调制方式，载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二进制“0”,载波振幅为“0”,对应二进制“1“;载波振幅取“1“。调幅技术实现起来简单，但抗干扰性能较差。课件制作人：叶安新2.频移键控(FSK，Frequency-shiftkeying)按照数字数据的值调制载波的频率叫做频移键控。例如，对应二进制“0”的载波频率为f1，而对应二进制“1”的载波频率为f2。这种调制技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。在有些低速调制解调器中，用这种调制技术把数字数据变成模拟音频信号传送。课件制作人：叶安新3.相移键控(PSK，phase-shift

18、keying)用数字数据的值调制载波相位，这就是相移键控。例如，用180相移表示”1“;用0相移表示”0”(传输数字“0”，“1”时，载波的起始相位不同)。这种调制方式抗干扰性能好，而且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟。码元只取两个相位值叫2相调制，码元可取4个相位值叫4相调制。课件制作人：叶安新2.6脉冲编码的调制模拟数据通过数字信道传输时效率高、失真小，而且可以开发新的通信业务，例如，在数字电话系统中可以提供语音信箱功能。把模拟数据转化成数字信号，要使用叫做编码解码器的设备。课件制作人：叶安新2.6脉冲编码的调制经传输到达接收端再解码还原为模拟数据。用编码解码器把模拟

19、数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化。常用的数字化技术就是脉冲编码调制技术(PulseCodeModulation,PCM)，简称脉码调制。PCM的原理如下所述：课件制作人：叶安新2.6脉冲编码的调制图2-12 脉冲编码调制课件制作人：叶安新2.6.1取样每隔一定时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本，该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。f=1/T2fmax课件制作人：叶安新2.6.2量化取样后得到的样本是连续值，这些样本必须量化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。在图2-12中，把量化的等级分为16级，用00001111这16个二进制数分别代表0.11.6这16个不同的电平幅度。

20、课件制作人：叶安新2.6.3编码把量化后的样本值变成相应的二进制代码，可以得到相应的二进制代码序列，其中每个二进制代码都可用一个脉冲串(4位)来表示，这4位一组的脉冲序列就代表了经PCM编码的模拟信号。课件制作人：叶安新2.7扩频通信略2.8数据通信和交换方式n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。2.8.1数据通信方式1.通信方向n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信（半双工

21、通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。不同传输制式示意图全双工站站A站站B站站A站站B站站A站站B半双工半双工单工单工2.同步方式在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持位同步，只有保证了位同步才可能保证帧同步，所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正确的采样，才能确保数据接收的正确性。2.同步方式为此，通信双方必须遵循同一个通信规程，使用相同的位同步方式进行数据传输，根据通信规程所定义的位同步方式，可分为异步通信和同步通信两大类2.同步方式（1）异步通信n异步

22、通信是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个，故名，是以字符为单位的数据传输，常用的是ASCII字符集n数据块以字符为单位，每个字符都要附加1位起始位和1位停止位作标志，以标记字符的开始和结束n此外，还要附加1位奇偶校验位异步通信示意图起始位每个字符开始传送的标志，起始位采用逻辑0电平起始位起始位校验位校验位停止位停止位空闲位空闲位数据位数据位低位低位高位高位字符字符0/10/1 0/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1数数据据位位数数据据位位紧紧跟跟着着起起始始位位传传送送。由由58个二进制位组成，低位先传送个二进制位组成，低位先传送校校验验位位用用于于校校验验是是否

23、否传传送送正正确确；可可选择奇检验、偶校验或不传送校验位选择奇检验、偶校验或不传送校验位停停止止位位表表示示该该字字符符传传送送结结束束。停停止止位采用逻辑位采用逻辑1电平，可选择电平，可选择1、1.5或或2位位空空闲闲位位传传送送字字符符之之间间的的逻逻辑辑1电电平平，表示没有进行传送表示没有进行传送2.同步方式（2）同步通信n同步通信是指发送方和接收方的采样时钟是同一个，故名n通常发送方在发送数据的编码中包含时钟，而接收方则从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是同一个。n根据同步通信规程，同步通信又分为面向字符的同步通信和面向bit流的同步通信2.同步通信n以一个数据块（帧）为

24、传输单位，每个数据块附加1个或2个同步字符，最后以校验字符结束n同步通信的数据传输效率和传输速率较高，但硬件电路比较复杂n同步通信主要应用在网络当中n最常使用是面向比特流高级数据链路控制协议HDLC(High-Level Data Link Control)同步字符同步字符数据数据1 数据数据2数据数据n校验字符校验字符2.8.2交换方式一个通信网络由许多交换节点互连而成。信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样，经过一系列交换节点(车站)，从一条线路交换到另一条线路，最后才能到达目的地。交换节点转发信息的方式可分为电路交换、报文交换和分组交换三种。课件制作人：叶安新1.电路交换的主

25、要特点n两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。课件制作人：叶安新更多的电话机互相连通n5部电话机两两相连，需10对电线。nN 部电话机两两相连，需N(N1)/2对电线。n当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。课件制作人：叶安新使用交换机n当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。交换机课件制作人：叶安新“交换”的含义n在这里，“交换”(switching)的含义就是转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。n从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。课件制作人：叶安新电路交换的特点n电路交

26、换必定是面向连接的。n电路交换的三个阶段：n建立连接n通信n释放连接课件制作人：叶安新电路交换举例nA和B通话经过四个交换机n通话在A到B的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA课件制作人：叶安新电路交换举例nC和D通话只经过一个本地交换机n通话在C到D的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA课件制作人：叶安新电路交换传送计算机数据效率低n计算机数据具有突发性。n这导致通信线路的利用率很低。2.报文交换这种方式不要求在两个通信节点之间建立专用通路。节点把要发送的信息组织成一个数据包报文，该报文中含有目标节点的地址，完整的报文在网络中一站一

27、站地向前传送。每一个节点接收整个报文，检查目标节点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个节点。经过多次的存储转发，最后到达目标节点(如图2-21所示)，因而这样的网络叫存储转发网络。其中的交换节点要有足够大的存储空间(一般是磁盘)，用以缓冲接收到课件制作人：叶安新报文3.分组交换的主要特点n在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输课件制作人：叶安新数 据数 据数 据报文添加首部构成分组n每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3

28、请注意：现在左边是“前面”课件制作人：叶安新分组交换的传输单元n分组交换网以“分组”作为数据传输单元。n依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3课件制作人：叶安新分组首部的重要性n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。n分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。n用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。课件制作人：叶安新收到分组后剥去首部n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据课件制作人：叶安新数 据数 据数 据最后还

29、原成原来的报文n最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010课件制作人：叶安新因特网的核心部分n因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。n在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。n主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。H1H5H2H4H3H6

30、路由器网络网络核心部分主机H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机课件制作人：叶安新分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机课件制作人：叶安新注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口课件制作人：叶安新路由器n在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。n路由器处理分组的过程

31、是：n把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；n查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；n把分组送到适当的端口转发出去。课件制作人：叶安新主机和路由器的作用不同n主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。n路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。课件制作人：叶安新分组交换的优点n高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。n灵活以分组为传送单位和查找路由。n迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。n可靠保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。课件制作人：叶安新分组交换带来的问题n分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。n

32、分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。课件制作人：叶安新存储转发原理并非完全新的概念n在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。n报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。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课件制作人：谢希仁4.时延(delay或latency

33、)n传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。n也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）课件制作人：谢希仁时延(delay或latency)n传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。n信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）课件制作人：谢希仁时延(delay或latency)n处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。n排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。n排

34、队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。课件制作人：谢希仁时延(delay或latency)n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+处理时延课件制作人：谢希仁四种时延所产生的地方1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点 A 中产生处理时延和排队时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路课件制作人：叶安新共享信道2.9多路复用技术2.9.1频分复用、时分复用和统计时分复用n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信

35、道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术课件制作人：叶安新2.9.1频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。n频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5课件制作人：叶安新2.9.2时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时

36、隙。n每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。nTDM信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。课件制作人：叶安新2.9.2时分复用频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧课件制作人：叶安新2.9.2时分复用频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧课件制作人：叶安新2.9.2时分复用频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC在TDM帧中的位置不变TDM帧T

37、DM帧TDM帧TDM帧TDM帧课件制作人：叶安新2.9.2时分复用频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧课件制作人：叶安新时分复用可能会造成线路资源的浪费使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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。课件制作人：叶安新统计时分复用STDM(StatisticTDM)统计时分复用课件制作人：叶安新1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41

38、554nm51555nm61556nm71557nm2.9.3波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)n波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器课件制作人：叶安新2.9.4码分多路复用CDMA(CodeDivisionMultiplexingAccess)n常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。n每一个比特

39、时间划分为m 个短的间隔，称为码片(chip)。课件制作人：叶安新码片序列(chipsequence)n每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。n如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。n如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，S站的8bit码片序列是00011011。n发送比特1时，就发送序列00011011，n发送比特0时，就发送序列11100100。nS站的码片序列：(111+1+11+1+1)课件制作人：叶安新CDMA的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。课件制作人：叶安新码片序

40、列的正交关系n令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。n两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：(2-3)课件制作人：叶安新码片序列的正交关系举例n令向量S为(111+1+11+1+1)，向量T为(11+11+1+1+11)。n把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。课件制作人：叶安新n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是1。正交关系的另一个重要特性课件制作人：叶安新CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送

41、的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积SSx规格化内积STx数据码元比特发送端接收端课件制作人：叶安新2.10差错控制无论通信系统如何可靠，都不能做到完美无缺。因此，必须考虑如何发现和纠正信号传输中的差错。这一节从应用角度介绍差错控制的基本原理和方法。课件制作人：叶安新2.10差错控制通信过程中出现的差错可大致分为两类:一类是由热噪声引起的随机错误;另一类是由冲击噪声引起的突发错误。通信线路中的热噪声是由电子的热运动产生的，香农关于噪声信道传输速率的结论就是针对这种噪声的。热噪声时刻存在，具有很宽的频谱，且幅度较小。通信线路的信噪比越高，热噪声引起的差错越少。这种差错具有

42、随机性，影响个别位。课件制作人：叶安新2.10.1检错码奇偶校验是最常用的检错方法，其原理是在7单位的ASCII代码后增加一位，使码字中1的个数成奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。经过传输后，如果其中一位(甚至奇数个位)出错，则接收端按同样的规则就能发现错误。这种方法简单实用，但只能对付少量的随机性错误。课件制作人：叶安新2.10.2海明码1950年，海明(Hamming)研究了用冗余数据位来检测和纠正代码差错的理论和方法。按照海明的理论，可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字。码字之间的海明距离是一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数。例如，7位ASCII码增加一位奇偶位成为8位的码字，

43、这128个8位的码字之间的海明距离是2。所以，当其中1位出错时便能检测出来。两位出错时就变成另外一个码字了。课件制作人：叶安新2.10.3循环冗余校验码n在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。n在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。n假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M 的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。课件制作人：叶安新冗余码的计算n用二进制的模2运算进行2n 乘M 的运算，这相当于在M 后面添加n 个0。n得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q 而余数是R，余数R 比除数P 少1位

44、，即R 是n位。课件制作人：叶安新冗余码的计算举例n现在 k=6,M=101001。n设 n=3,除数P=1101，n被除数是2nM=101001000。n模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001。n把余数R 作为冗余码添加在数据M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。课件制作人：叶安新循环冗余检验的原理说明课件制作人：叶安新帧检验序列FCSn在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。n循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。nCRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。

45、nFCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。课件制作人：叶安新接收端对收到的每一帧进行CRC检验n(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。n(2)若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。n但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。课件制作人：叶安新应当注意n仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。n“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。n也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。n要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。