计算机网络――第02章 数据通信基础ppt课件

1、第2章 数据通信基础,2.1 数据通信基础知识 2.2 数据通信中的基本概念 2.3 传输介质,2.4数据交换技术 2.5 多路复用技术 2.6 光纤技术 2.7移动通信及蜂窝无线通信,2.1 数据通信基础知识,2.1.1 数据通信模型 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2.1所示。,图2.1 数据通信模型,2.1.2 并行传输和串行传输 1并行传输 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。 2串行传输 串行传输指的是数据信号的若干位顺序按位串行排列成数据流，在一条信道上传输。,2.1.3 同步传输和异步传输 1同步传输 （1）位同步 要求传输数据的收

2、发双方的时钟频率严格保持一致，即称收发双方的时钟是同步的。 （2）帧同步 “帧”是数据链路层传输的数据单元，其长度并没有硬性规定。,图2.3 帧同步传输,图2.4 异步传输,2.1.4 传输方式 1单工通信 2半双工通信 3全双工通信,2.1.5 数字传输和模拟传输 模拟传输（Analog Transmission）是指信道中传输的都是模拟信号，即连续变化的信号。 数字传输（Digital Transmission）：是指信道中传输的是数字序列。,（1）传输质量高，时延短，通信速率可按用户需求选择。 （2）支持多媒体业务。 （3）可以利用VLSI器件，体积小，成本低，质量高。 （4）虽然需要中

3、继放大，但干扰信号不会同时被放大，特别适合高保真的远程传输。,（5）可以利用数据压缩与解压技术大大减少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量。 （7）能够利用加密与解密技术保证通信安全。,2.2 数据通信中的基本概念,2.2.1频率、频谱和带宽,图2.5 信号的时域表示方法,图2.6 数字信号,图2.8 对称方波由多个奇次谐波构成,图2.9 8个谐波叠加的结果,图2.10 s(t)的频谱,图2.11 数字信号及其频谱,2.2.2 数据传输速率 1数据传输速率 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（

4、bit/s），它反映了终端设备之间的信息传输能力，是一段时间的平均值。,2最大数据传输速率Cmax与带宽的关系 （1）波特（Baud）率和比特率：波特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。,课件制作人：谢希仁,信道能够通过的频率范围,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud 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，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的

5、信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。,（2）最大数据传输速率与带宽的关系 Cmax2Blog2N 3误码率 误码率接收方出现差错的位数(比特数)/总的传输位数(比特数)100%。,课件制作人：谢希仁,(2) 信噪比,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。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 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,信道的带宽或信道中的信噪

6、比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 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。 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。,2.2.3 基带传输和宽带传输 1基带传输 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的频带，这种信号可称为基带信号。 2宽带传输,2.3 传 输 介 质,2.3.1 双绞线,图2.12 双绞线,图2.13 双绞线和平行线的抗噪声比较,2.3.2 同轴电缆,图2.

7、14 同轴电缆,2.3.3 光纤 1光纤的分类,（1）按照折射率分布，有均匀光纤（如图2.15（a）和图2.15（c）所示）和非均匀光纤（如图2.15（b）所示）。 （2）按照传输的总模数，光纤通常又分为单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）和多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF） 单模（SM）光纤 多模（MM）光纤,2光缆的结构,图2.16 光缆的结构,3光纤的损耗特性 （1）吸收损耗 （2）散射损耗,4光纤的色散特性 （1）模式色散 同一频率同一波长的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，这种色散称为模式色散。它是影响多模光纤传输距

8、离和速度的主要原因之一。,（2）材料色散 （3）波导色散 5光纤通信的优点 （1）光纤可提供更高的带宽 （2）中继距离长,（3）可以节约铜和铅 （4）抗干扰能力强，保密性好 （5）重量轻，耐腐蚀 （6）数字化光纤系统可以大量使用VLSI器件，可靠性高，成本低。,（7）数字化光纤系统使用PCM技术，将模拟数据数字化，可以方便地连接计算机，实现对全系统的监控。 （8）采用混合光纤同轴电缆技术（Hybrid Fiber Coax，HFC），可以方便地用于有线电视系统。,（9）采用波分多路复用（Wavelength Dvision Mltiplexing，WDM）和密集波分多路复用DWDM（Dense

9、 WDM）技术可以大幅度地扩容，而不必增加光纤的芯数。,2.3.4 无线传输 1电磁波谱,图2.17 电磁波谱,无线电波段划分（部分）,2环境对电磁波的影响 （1）地表层： （2）大气层： （3）电离层：,图2.18 电磁波传播,3无线电波的传输 4微波传输（地面微波） 5红外线及毫米波（室内通信）,2.4 数据交换技术,2.4.1 数据交换技术概述 数据交换技术是数据通信过程中，对数据表示格式、传输方式的选择和优化的技术 1电路交换（Circuit Switching）,图2.19 电路交换示意图,图2.20 电路交换过程示意图,（1）电路建立阶段 （2）传输数据阶段 （3）电路拆除阶段 电

10、路交换具有下述几个特点。,（1）呼叫建立时间长且存在呼损。 （2）电路连通后提供给用户的是“透明通路” （3）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。 （4）线路（信道）利用率低。,2报文交换（Message Switching） 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数据通路，因此就不存在建立电路和拆除电路的过程。,3分组交换（又称包交换，Packet switching） （1）数据报传输分组交换 传输质量高 电路利用率高 信息传递安全、可靠 传送信息有一定时延 通过申请账号、密码（NUI），可实现全国漫游，经济性能好。,（2）虚

11、电路传输分组交换,2.4.2交换技术的比较,图2.21 电路交换,图2.22 报文交换,图2.23 数据报交换,图2.24 虚电路交换,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,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,图2.25 多路复用技术示意图,课件制作人：谢希仁,+,( ),复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,+,A1,A2,B1,B2,C1,C2,A1,A2,B1,B2,C1,C2,共享信道,(a) 使用单独的

12、信道,(b) 使用共享信道,复用,分用,课件制作人：谢希仁,频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),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。 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,频带 1,频带 2,频带 3,频带 n,课件制作人：谢希仁,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隙。 每一个用户所占

13、用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 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：谢希仁,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,周期性出现,课件制作人：谢希仁,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,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,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：谢希仁

14、,统计时分复用 STDM(Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,2.5.2 同步时分多路复用（STDM）,图2.27 同步时分复用示意图,2.5.3 异步时分多路复用（ATDM）,图2.28 E1标准的TDM帧格式,图2.29 T1标准的TDM帧格式,课件制作人：谢希仁,2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing),常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

15、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。 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。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,课件制作人：谢希仁,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(1 1 1 +

16、1 +1 1 +1 +1),课件制作人：谢希仁,CDMA 的重要特点,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)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。,课件制作人：谢希仁,码片序列的正交关系,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。 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：,(2-3),课件制作人：谢希仁,码片序列的正交关系举例,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)。 把向量 S 和 T 的各分

17、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：谢希仁,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 。 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：谢希仁,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,t,S 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,课件制作人：谢希仁,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm

18、 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(Wavelength Division Multiplexing),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,光调制器,光解调器,2.6 光 纤 通 信,2.6.1 光纤通信的特点 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输线路。,图2.36 光纤通信系统的基本构成,2.6.2 光纤通信中的编码技术 1mBnB码（m位n位码） （1）5B6B码编码规则：,5 B 6 B 码 型 方 案,（2）5B6B码使用规则： （3）5B6B码的特点： 2插入比特码 （1）MBIP码： （2