数据通信的理论基础

物理层 数据通信的理论基础 n 傅立叶分析 n 周期 为 T的函数 g(t)可展开成多个或无限个正 弦和余弦函数的和。带宽：传输过程中振幅 不会明显减弱（通常保留一半能量处）的频 率范围。 n 带宽对于信号传输影响 P74 数据传输系统 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 正文 正文 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 数据 (data)运送信息的实体。 n 信号 (signal)数据的电气的或电磁的表现。 n “模拟的 ”(analogous)连续变化的。 n “数字的 ”(digital)取值是离散数值。 n 调制 把数字信号转换为模拟信号的过程。 n 解调 把模拟信号转换为数字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据 模拟信号放大器调制器 模拟数据 数字信号 PCM 编码器 数字数据 模拟信号调制器 数字数据 数字信号 数字发送器 数据传输系统 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 宽 带 (broadband)信号 n 基带信号 就是将数字信号 1 或 0 直接用两 种不同的电压来表示，然后送到线路上去 传输。 n 宽带信号 则是将基带信号进行调制后形成 的频分复用模拟信号。 2.2.3 信道的最高码元传输速率 n 任何实际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 失真不严重 n 失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形 输出信号波形 (失真不严重 ) 输入信号波形 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输出信号波形 (失真严重 ) 数据传输系统 1、数字信号模拟传输 （ 1）信号调制 A、 幅移键控法 ASK B、 频移键控法 FSK C、 相移键控法 PSK Asin(t+) 数据传输系统 1、数字信号模拟传输 0 1 0 0 1 1 1 0 0基带信号 调幅 调频 调相 数据传输系统 1、数字信号模拟传输 （ 2）调制解调器原理 调制解调器 n 数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。 出现差错 0 1 0 0 1 0 1 0 0还原后 的数据 t接收到的失真信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 t发送的 基带信号 t采样时刻 调制解调器的作用 n 调制解调器 (modem)包括： n 调制器 (MOdulator)： 把要发送的数字信号转 换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信 号，以便在电话用户线上传送。 n 解调器 (DEModulator)： 把电话用户线上传送 来的模拟信号转换为数字信号。 n 本书中的调制解调器是指使用在标准的二 线模拟话路（ 3.1 kHz 的标准话路带宽） 上的调制解调器。 调制解调器的作用（续） n 调制器的主要作用就是个 波形变换器 ，它把基 带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输 的波形 n 解调器的作用就是个 波形识别器 ，它将经过调 制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 。 n 若识别不正确，则产生误码。 n 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 数据传输系统 1、数字信号模拟传输 n QPSK： 正交相移键控，即每个码元采用四种相移实 现传输。 n QAM-16： 正交振幅调制。即每个码元采用 4种振幅 、 4种相移 n QAM-64： 振幅与相位有 64种组合。 n 星座图：每个 Modem都有自己的星座模型。 P107 n TCM： 格子架编码调制。每个采样中增加一位，用 于查错和纠错。 数据传输系统 n 1、数字信号模拟传输 n V.32bis:2400Baud上，每个采样传输 6个数据位 和 1个奇偶位，得 14400bps。 即 QAM-128 n V.34： 2400Baud上，每个采样传输 12个数据位 ，得传输率 28.8kbps。 n V.34bis： 2400Baud上，每个采样传输 14个数据 位，得 33.6kbps。（ 香农限制 35kbps) 数据传输系统 n 1、数字信号模拟传输 n 全双工（ full duplex）： 允许两个方向上同时进 行数据传输。 n 半双工（ half duplex）： 允许两个方向上进行数 据传输，但某一时刻只能单向数据传输。 n 单工（ simplex）： 只允许一个方向数据通过。 n V.90： 提供了 33.6k上行， 56kbps下行。 A 2/4 A/D A/D D/A D/A 数字信号 数字信号 交换机 1 交换机 2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 B D/A A/D 4/2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 产生量化噪声产生量化噪声 使用 V.34 调制解调器（ 33.6 kb/s） 产生量化噪声 产生量化噪声 用户环路 模拟信号 用户环路 模拟信号 使用 V.90 调制解调器（ 56 kb/s） A 2/4 A/D A/D 交换机 因特网服务提供者 V.90 56 kb/s 调制解调器 D/A V.90 56 kb/s 调制解调器 数字信号 数字信号 至因特网 （ 数字信号 ） 用户环路 模拟信号 仅在此处 产生量化噪声 仅在此处 产生量化噪声 数据传输系统 2、数字信号数字传输 （ 1）数字信号编码 A、 不归零制编码 B、 曼彻斯特编码 C、 微分曼彻斯特编码 数据传输系统 2、数字信号数字传输 n NRZ编码原理：直接用高低电平来表示数字 0 或 1。 n 曼彻斯特编码原理：每位中间都有一次跳变既 用于时钟同步，跳变又方向表示数据，电平翻 转仅在每位起始位置出现。下跳变 0，上跳变 1 n 微分曼彻斯特编码原理：每位中间的跳变仅用 于时钟同步，每位起始时有无跳变来表示数据 。 有为 0，无为 1 数据传输系统 2、数字信号数字传输 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 数据传输系统 1、数字信号数字传输 （ 2）同步方法 A、 异步方式：由起始位、数据位、校 验位和停止位构成。每次传输一个字节 。 数据传输系统 2、数字信号数字传输 （ 2）同步方法 B、 同步方式：每次传输一个数据块。通 常采用曼彻斯特编码。 数据传输系统 3、模拟信号数字传输 脉冲编码调制 PCM 包括采样、量化和编码三个阶段 数据传输系统 3、模拟信号数字传输 信道的主要技术指标 1、 数据率：指每秒传输多少个二进制代码 位数，又称比特率。单位 bps或 b/s。 2、 波特率：又称码元速率，它是数字信号 经过调制后的传输速率，指每秒钟传输 的码元数。单位是波特 （ Baud）。 S B*log2N 3、 信道容量：是指信道能够传送的最大数 据率。 信道的主要技术指标 n 4、信道最大数据传输率 n 尼奎斯特（ Henrry Nyquiest)定理（无噪声 ） n 最大数据传输率 =2 H log2V （ 位 /秒） n 其中 H： 带宽 。 V： 信号的离散级数 n 香农 （ Claude Shannon)公式（考虑热噪声 ） n 最大数据传输率 =H log2（ 1+S/N） n 其中 H： 带宽。 S/N： 信噪比，即信号功率与噪 声功能比值。 n 常用单位分贝 dB的计算公式： 10 lg S/N 信道的主要技术指标 5、吞吐量：为信道 在单位时间内成功传 输的总信息量。 6、误码率：也称为出错率，是指二进制位 在传输中被传错的概率。其值为传输的 总位数除以传错的位数。 7、信道的传播速率：指信号在单位时间内 传送的距离。如电信在电缆中的传播速 率约为光速的 77%。 时分复用 n 为了有效地利用传输线路，可将多个话路的 PCM 信号用 时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后 发送到线路上。 n 中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。 n 美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一 次群。 n 频分复用、时分复用和统计时分复用 n 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的 带宽资源。 n 时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的 频带宽度。 频分复用 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 频分复用 n 长途干线最初采用 频分复用 FDM 的传输 方式 n FDM (Frequency Division Multiplexing) n 目前我国长途通信线路已实现了数字化， 因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户 电话机到市话交换机之间的这一段几公里 长的用户线上。 时分复用 频率 时间 B CD B CD B CD B CDA A A A 在 TDM 帧中的位置不变 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 CD CD CDA A A AB B B B CD 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 B D B D B DA A A A BC C C CD 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 B C B C B CA A A A B CD D D D 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s 传输线路 CH0 CH16 CH17 CH15 CH15 CH16 CH17 CH31 CH31 CH0 CH1 CH1 时分复用帧 T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH0 8 bit t时分复用帧 时分复用帧 T = 125 us 15 个话路 15 个话路 时分复用可能会造成 线路资源的浪费 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 个时分复用帧 #1 a c b c d 时分复用 #2 #3 #4 用户 统计时分复用 STDM 用户 A B C D a b c d t t t t t 3 个 STDM 帧 #1 a c b ab b ca c d #2 #3 统计时分复用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 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 WDM n 波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 复 用 器 分 用 器 EDFA 120 km 码分复用 CDMA n 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 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 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为 码片 (chip)。 码片序列 (chip sequence) n 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 n 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 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 8 bit 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。 n S 站的码片序列： (1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 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 。 码片序列的正交关系 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 (inner product)都是 0： (2-4) 码片序列的正交关系举例 n 令向量 S 为 (1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)， 向量 T 为 (1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n 把向量 S 和 T 的各分量值代入 (2-4)式就可 看出这两个码片序列是正交的。 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 CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S 1 1 0 t t t t t t m 个码片 tS 站发送的信号 Sx T 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 传输媒体（传输介质） 0、磁介质 1、双绞线 twisted pair（ UTP、 STP） 2、 同轴电缆（细缆、粗缆、宽带同 轴电缆） 3、光缆（单模、多模） 4、无线传输（微波、红外线、激光 ） 传输媒体（传输介质） 1、双绞线 （ 1）无屏蔽 双绞线 （ Unshielded Twisted Pair ， UTP） 粗约 1mm的互相绝缘的一对铜线扭在一起 ，双绞的结构是为了减少相邻导线的电磁于扰。 分为三类、四类、五类线，五类线利用增加 缠绕密度、高质量绝缘材料改善了传输媒体的性质 。 五类线在 100m内 可传送达 100Mbps以上的速 度。 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 组建局域网络所用的双绞线是一种由 4对线（即 8根线）组成的，其中每根 线的材质有铜线和铜包的钢线两类。 一般来说，双绞线电缆中的 8根线是成对使用的，而且每一对都相互绞合 在一起，绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。双绞线分为屏蔽双绞 线（ STP） 和非屏蔽双绞线（ UTP）。 目前，在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（ UTP）， 它又分： 3类、 4类、 5类、超 5类、 6类和 7类。 双绞线的这 8根线的引脚定义如下： 线路线号 1 2 3 4 5 6 7 8 线路色标 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白褐 褐 引脚定义 Tx+ Tx- Rx+ Rx- n 一类双绞线：专为电话系统设计， 1-2Mbps n 二类双绞线：语音及低速数据传送， 50Tbps, 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 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 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 传输媒体（传输介质） 3、光缆 （ 1）多模光纤：纤芯直径 5微米，传输原 理光的全反射。每束光都有不同模式。 传输媒体（传输介质） 3、光缆 （ 2）单模光纤： 纤芯直径 5微米，接近于光的波长， 光纤如一个波导，无反射并沿直线传播。 50Gbps可达 100km。 项 目 LED 半 导 体激光 数据 传输 率 低 高 光 纤类 型 多模 多模或 单 模 距离 短 长 寿命 长 短 温度敏感性 小 敏感 成本 低 昂 贵 n 3、光缆 n 光纤每公里衰减的分贝 P80 =10 lg （ 传输的能量 /接收的能量） n 光纤连接 n 通过连接器连接，光纤插入到光纤插口。 损失 1020%的光 n 机械接合，切割好的光纤头放在特殊套中 。损失 10%的光 n 熔接。衰减小。 传输媒体（传输介质） 传输媒体（传输介质） 4、无线传输 n 电磁波谱与通信用途。 P85 n 低频：较好穿透障碍物，能量衰减快。 n 高频：直线，受障碍物阻挡。 n 跳频扩频：发送方每秒几百次地从一种频率跳到 另一种频率。（防止人为干扰、反射信号干扰， 用于军事） n 直接序列扩频：将信号展开在一个很宽的频段上 。用于商业领域。 n 电磁频谱的分配 ： ITU-R组织、政府 。 ISM（ Industrial,Scientific,Medical） 用于非授权用途。 美国 ISM频段 P89，（ 功率小于 1W设备不需 FCC 许可），蓝牙与某些 802.11工作在 2.4G频段。 802.11a工作在 5.7G。 传输媒体（传输介质） 4、无线传输 （ 1）微波：指频率为 300MHz 300GHz的电波， 既可传输模拟信号，又可传输数字信号，并且容 量大。易被雨水吸收 。 通常与卫星通信组合。 （ 2）红外线： 1.5Mbps时仅能达 1.6km。 不能通过 固体物质。 是全数字的通信。 （ 3）激光：全数字通信，方向性好，但会污染环 境。 （ 4）通信卫星：卫星安装高度 P92、 公共交换电话网络（ PSTN） n DSL（ Digital Subscriber Lines）： 数字用户线路 。 n ADSL（ Asymmetric DSL）： 非对称数字用户线路 。 n 去除了滤波器所建的 3100Hz（ 3003400Hz） 的带宽限制 。 n 原理：分成三个频段（共 1.1MHz）， POTS（ 传统的简单电 话服务）、上行数据流和下行数据流。 n DMT（ 离散的多信道调制）频段划分方法：将 1.1MHz频谱 分成 256条独立的信道，每条信道 4312.5Hz。 信道 0用于 POTS， 15未用。 250条中，一条用于上行控制，一条用于 下行控制，其他全部用于用户数据。 n ADSL标准 （ ANSI T1.413）： 下行 8Mbps， 上行 1Mbps。 n 通常下行 1Mbps或 512Kbps， 上行 256kbps或 64kbps。 公共交换电话网络 （ PSTN） n ADSL设备配置图 P112 n 用户端组成： NID（ 网络接口设备）、分离器 （ splitter）、 ADSL调制解调器。 n 分离器 （ splitter）： 模拟滤波器，将 04000Hz与数据分开。 n ADSL调制解调器：一个数字信号处理器，相当 于一组 256QAM调制解调器，分别工作于不同 频率。 n 端局组成：分离器、 DSLAM（ 数字用户线路访 问复用器） SONET/SDH n SONET（ 同步光纤网络）：光纤 TDM系统的标准， 由 Bellcore于 1985年开始制定， 1989年产生。 n SDH（ 同步数字系列）： CCITT（ ITU即国际电信联 盟的前身）制定与 SONET相类似的标准。 n 每 帧 SONET 需 125us， 大小 810字节，总的数据传 输率为 51.84Mbps（ 基本 的 SONET信道 ， STS -1 （ 同步传输信号）， SONET干线为 STS-1的倍数。 n ATM（ 异步传输模式） “交换 ”的含义 n 在这里， “交换 ”(switching)的含义是： n 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。 电路交换的特点 n 电路交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 电路交换举例 n A 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 B D C A 电路交换举例 n C 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 B D C A 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。 报文 分组交换的原理（一） 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 数 据 数 据 数 据 报文 分组交换的原理（二） 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 请注意：现在左边是 “前面 ” 分组交换的原理（三） 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 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，分组就能传送 到 最终目的地 。 分组交换的原理（四） 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 数 据 数 据 数 据 分组交换的原理（五） 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 请注意首部的位置 n 接收端在发送端的左方时，首部往往画在 分组的左方。 n 接收端在发送端的右方时，首部往往画在 分组的右方。 数 据首部 分组接 收 端 发 送 端 传送方向 数 据 首部 分组 接 收 端 发 送 端 传送方向 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4H 2 H3 H1 向 H5 发送分组 H2 向 H6 发送分组 注意分组路径的变化！ 结点交换机 主机 注意分组的 存储转发 过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4H 2 H3 H1 向 H5 发送分组结点交换机 主机 在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机 H5 注意结点交换机有多个端口 A B C D E H1 H5 H2 H4 H3 H6 高速链路 结点 交换机 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 结点交换机 n 在结点交换机中的输入和输出端口之间 没有直接连线 。 n 结点交换机处理分组的过程是： 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。 主机和结点交换机的作用不同 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 结点交换机对分组进行 存储转发 ，最后 把分组交付给目的主机。 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；充分