第2章数据通信基础知识

1、第第2章章 数据通信基础知识数据通信基础知识 学习目标学习目标 n了解数据通信的基本概念了解数据通信的基本概念 n掌握数据通信中信号的传输和编码方法掌握数据通信中信号的传输和编码方法 n了解数据交换技术和多路复用技术了解数据交换技术和多路复用技术 n掌握差错控制方法和差错控制编码技术掌握差错控制方法和差错控制编码技术 任务任务1：了解数据通信系统：了解数据通信系统 n计算机之间的通信是资源共享的基础，计算机通计算机之间的通信是资源共享的基础，计算机通 信网络的核心是数据通信设施。网络中的信息交信网络的核心是数据通信设施。网络中的信息交 换和共享意味着一个计算机系统中的信号通过网换和共享意味着一

2、个计算机系统中的信号通过网 络传输到另一个计算机系统中去进行处理和使用。络传输到另一个计算机系统中去进行处理和使用。 如何传输不同计算机系统中的信号是数据通信技如何传输不同计算机系统中的信号是数据通信技 术要解决的问题。术要解决的问题。 n数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路 连接分布在各地的数据终端设备以执行数据传输连接分布在各地的数据终端设备以执行数据传输 功能的系统。本任务将学习数据通信系统的组成、功能的系统。本任务将学习数据通信系统的组成、 基本概念和数据通信的主要技术指标。基本概念和数据通信的主要技术指标。 1.1.1 数据通信系统模型

3、数据通信系统模型 n1通信系统的基本组成通信系统的基本组成 通信系统必须具备通信系统必须具备3个基本要素：信源、传输介质个基本要素：信源、传输介质 和信宿。和信宿。 通信系统的一般模型如图所示，包括信源、发送通信系统的一般模型如图所示，包括信源、发送 设备、信道、噪声源、接收设备和信宿设备、信道、噪声源、接收设备和信宿6个部分。个部分。 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n（1）信源：）信源： 信息的来源，作用是将原始信息转换为相应的信号（通常信息的来源，作用是将原始信息转换为相应的信号（通常 称为基带信号）。电话机的话筒、摄像机等都属于信源。称为基带信号）。电话机的话筒、摄像机等都属于信

4、源。 n（2）发送设备：）发送设备： 对基带信号进行各种变换和处理，如放大、调制等，使其对基带信号进行各种变换和处理，如放大、调制等，使其 适合在信道中传输。适合在信道中传输。 n（3）信道：）信道： 发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质。发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质。 n（4）接收设备：）接收设备： 功能与发送设备相反，对接收信号进行必要的处理和变换功能与发送设备相反，对接收信号进行必要的处理和变换 后，恢复为相应的基带信号。后，恢复为相应的基带信号。 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n（5）信宿：）信宿： 信息的接收者，与信源相对应，将恢复的基带信息的接收者，与信源相

5、对应，将恢复的基带 信号转换成相应的原始信息。电话机的听筒、信号转换成相应的原始信息。电话机的听筒、 耳机以及显示器等都属于信宿。耳机以及显示器等都属于信宿。 n（6）噪声源：）噪声源： 信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪 声的集中表现。声的集中表现。 在图在图2-1所示的模型中，如果通信距离较远，则所示的模型中，如果通信距离较远，则 必须加上中继器，以对衰减的信号进行放大或必须加上中继器，以对衰减的信号进行放大或 再生，然后再传送。再生，然后再传送。 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n信道根据传输介质的种类可分为：信道根据传输介质的种类可分

6、为： 有线信道：有线信道：由有线传输介质构成的信道。由有线传输介质构成的信道。 无线信道：无线信道：由无线传输介质构成的信道。由无线传输介质构成的信道。 n信道根据传输的信号种类又可分为：信道根据传输的信号种类又可分为： 数字信道：数字信道：可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数 据的信道。据的信道。 模拟信道：模拟信道：可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制 后得到的模拟信号的信道。后得到的模拟信号的信道。 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n通信系统的一般模型也可表示为：通信系统的一般模型也可表示为：

7、n信号变换器在信源端就是发送设备，在信宿端信号变换器在信源端就是发送设备，在信宿端 就是接收设备。就是接收设备。 简单的数据通信系统模型简单的数据通信系统模型 噪声源噪声源 信信 道道 信源信源 信宿信宿 信号变换器信号变换器 信号变换器信号变换器 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n信号变换器信号变换器 作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上可靠作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上可靠 传输的信号。传输的信号。 对应不同的信源和信道，信号变换器有不同的组成对应不同的信源和信道，信号变换器有不同的组成 和变换功能。和变换功能。 发送端的信号变换器可以是发送端的信号变换器可以是编码器编

8、码器或或调制器调制器，接收，接收 端的信号变换器相对应的就是端的信号变换器相对应的就是译码器译码器或或解调器解调器。 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n信号变换器信号变换器 编码器：编码器：把输入的信号（二进制数字）作相应的变换，使把输入的信号（二进制数字）作相应的变换，使 之成为其他形式的数字信号或不同形式的模拟信号，以便之成为其他形式的数字信号或不同形式的模拟信号，以便 在信道中传输或在接收端正确识别信号。在信道中传输或在接收端正确识别信号。 调制器：调制器：把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换（调把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换（调 制）成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距

9、离传输。制）成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输。 译码器和解调器分别相应地做编码器和调制器的逆向工作译码器和解调器分别相应地做编码器和调制器的逆向工作 译码器：译码器：是在接收端完成编码的反过程。是在接收端完成编码的反过程。 解调器：解调器：反调制，将接收端接收的模拟信号还原为二进制反调制，将接收端接收的模拟信号还原为二进制 脉冲数字信号。脉冲数字信号。 编码器与译码器合并，称为编码编码器与译码器合并，称为编码/译码器。译码器。 调制器宇解调器合并，称为调制调制器宇解调器合并，称为调制/解调器。解调器。 模型中各部分的功能模型中各部分的功能 n信号变换器信号变换器 n数据通信中有两类编

10、码：信源编码和信道编码。数据通信中有两类编码：信源编码和信道编码。 信源编码：信源编码：目的是将来自信源的信号作相应的编目的是将来自信源的信号作相应的编 码变换后，便于在信到上传输。码变换后，便于在信到上传输。 信道编码：信道编码：目的是将要传输到信道上的信号编码目的是将要传输到信道上的信号编码 变换后降低误码率，提高传输质量。变换后降低误码率，提高传输质量。 2通信系统的性能指标通信系统的性能指标 有效性指的是传输信息的效率。有效性指的是传输信息的效率。 可靠性指的是接收信息的准确度。可靠性指的是接收信息的准确度。 n（1）模拟通信系统的性能指标）模拟通信系统的性能指标 模拟通信系统的有效性

11、用有效传输频带来度量。信模拟通信系统的有效性用有效传输频带来度量。信 道的传输频带越宽，能够容纳的信息量越大。道的传输频带越宽，能够容纳的信息量越大。 模拟通信的可靠性用接收端输出的信噪比来度量。模拟通信的可靠性用接收端输出的信噪比来度量。 信噪比指输出信号的平均功率和输出噪声的平均功信噪比指输出信号的平均功率和输出噪声的平均功 率之比，常记为率之比，常记为s/n，并用分贝（，并用分贝（db）值作为衡量）值作为衡量 的单位，即的单位，即 信噪比（信噪比（db）=10log10s/n （db）。）。 例如：当例如：当s/n=10时，信噪比为时，信噪比为10db，而当，而当 s/n=1000时，信

12、噪比为时，信噪比为30db。 信噪比越大，通信质量越好。信噪比越大，通信质量越好。 2通信系统的性能指标通信系统的性能指标 n香农香农(shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高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。 n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 n c = w log2(1+s/n) b/s w 为信道的带宽（以为信道的带宽（以 hz 为单位）；为单位）； 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； n 为信道内部的高斯噪声功率。为

13、信道内部的高斯噪声功率。 n香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息 的极限传输速率就越高。的极限传输速率就越高。 假定要用假定要用3khz带宽的电话信道传送带宽的电话信道传送64kb/s的数据（无差错的数据（无差错 传输），试问这个信道具有多高的信噪比（分别用比值和分传输），试问这个信道具有多高的信噪比（分别用比值和分 贝来表示。）贝来表示。） 2通信系统的性能指标通信系统的性能指标 n（2）数字通信系统的质量指标）数字通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性用信息传输速率来度量。数字通信系统的有效性用信息传输速率来度量。 它是指单

14、位时间内传输的信息量，单位为它是指单位时间内传输的信息量，单位为bit/s。 数字通信系统的可靠性用误码率来度量。它是指数字通信系统的可靠性用误码率来度量。它是指 接收错误的码元数与传输的总码元数之比，即接收错误的码元数与传输的总码元数之比，即 pb=接收错误元数接收错误元数/总的码元数总的码元数 n在有线信道或卫星传输信道中，误码率可以达到在有线信道或卫星传输信道中，误码率可以达到 10-7；而在无线短波信道内只能达到；而在无线短波信道内只能达到10-3。 2.1.2 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 1数据、信息和信号数据、信息和信号 n数据（数据（data）是记录下来的可以被鉴别的符

15、号，是把）是记录下来的可以被鉴别的符号，是把 事物的某些特征（属性）规范化后的表现形式。事物的某些特征（属性）规范化后的表现形式。 n信息（信息（information）是对数据的认识和解释，是对数）是对数据的认识和解释，是对数 据进行加工和处理后产生的数据。据进行加工和处理后产生的数据。 n数据和信息是有区别的。数据和信息是有区别的。 数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；信息是数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；信息是 按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工按照一定要求以一定格式组织起来的数据，凡经过加工 处理或换算成人们想要得到的数据，都可称为信息。处理或换算成人们想

16、要得到的数据，都可称为信息。 n信号（信号（signal）是数据的物理表示形式。）是数据的物理表示形式。 n电信号有模拟信号和数字信号两种形式。电信号有模拟信号和数字信号两种形式。 2.1.2 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 n2模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 根据信道传输信号的差异，通信系统分为模拟根据信道传输信号的差异，通信系统分为模拟 通信系统和数字通信系统。通信系统和数字通信系统。 l信道中传输模拟基带信号或模拟频带信号的通信信道中传输模拟基带信号或模拟频带信号的通信 系统称为模拟通信系统。系统称为模拟通信系统。 l信道中传输数字基带信号或数字频带信号的通信信道中传输数字基

17、带信号或数字频带信号的通信 系统称为数字通信系统。系统称为数字通信系统。 模拟通信系统仅使用模拟传输方式。模拟通信系统仅使用模拟传输方式。 数字通信系统既可以使用模拟传输方式又可使数字通信系统既可以使用模拟传输方式又可使 用数字传输方式。用数字传输方式。 数据通信、数字通信与模拟通信数据通信、数字通信与模拟通信 n数据通信：数据通信：指信源和信宿之间传送数据的通信指信源和信宿之间传送数据的通信 形式。形式。 n数据通信数据通信就是利用通信系统对各种数据信号进就是利用通信系统对各种数据信号进 行变换、处理和传输的过程。行变换、处理和传输的过程。 n因此，计算机与计算机、计算机与终端之间的因此，计

18、算机与计算机、计算机与终端之间的 通信及计算机网络中的通信主要是数据通信。通信及计算机网络中的通信主要是数据通信。 数据通信、数字通信与模拟通信数据通信、数字通信与模拟通信 n数字通信：数字通信：信道中传送数字信号的通信形式信道中传送数字信号的通信形式 n模拟通信：模拟通信：信道中传输模拟信号的通信形式信道中传输模拟信号的通信形式 两种通信强调的是信道中传输的信号形式，也两种通信强调的是信道中传输的信号形式，也 即强调的是信道的形式。即强调的是信道的形式。 前者是数字信道，后者是模拟信道。至于信源前者是数字信道，后者是模拟信道。至于信源 发出和信宿接收的信号可以是数字信号、模拟发出和信宿接收的

19、信号可以是数字信号、模拟 信号或其他形式的信号。信号或其他形式的信号。 数据通信、数字通信与模拟通信数据通信、数字通信与模拟通信 n数字通信数字通信和和数据通信数据通信是两个不同的概念。前者是两个不同的概念。前者 强调的是信道的形式或信道中传输的信号的形强调的是信道的形式或信道中传输的信号的形 式，而后者强调的是信源与信宿之间传输的信式，而后者强调的是信源与信宿之间传输的信 息形式。息形式。 n数字信号并非一定要用数字通信系统来传输，数字信号并非一定要用数字通信系统来传输， 数字信号经数字信号经d/a转换后，即可在模拟通信系统转换后，即可在模拟通信系统 传输。传输。 数字通信和模拟通信数字通信

20、和模拟通信 (a) 数字信道 信源编码器编码器信宿 (c) 模拟信道 信源调制器解调器信宿 (b) 数字信道 信源编码器编码器信宿 数字通信的主要优点数字通信的主要优点 n（1）抗干扰能力强。）抗干扰能力强。 n（2）便于加密处理）便于加密处理 n（3）易于实现集成化，从而减小通信设备体积和功耗）易于实现集成化，从而减小通信设备体积和功耗 n（4）利于采用时分复用实现多路通信）利于采用时分复用实现多路通信 图图2-2 模拟通信和数字通信抗干扰性能的比较模拟通信和数字通信抗干扰性能的比较 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 n1数据传输速率数据传输速率 n（1）比特率）比特

21、率s：数据的传输速率，指在有效带宽上，单位：数据的传输速率，指在有效带宽上，单位 时间内传输的二进制代码位（比特）数，单位是时间内传输的二进制代码位（比特）数，单位是“位位/秒秒”， 记作记作bit/s。 常用的数据传输速率单位有常用的数据传输速率单位有kbit/s、mbit/s、gbit/s与与tbit/s。 其中其中1kbit/s= 1103 bit/s；1mbit/s= 1106bit/s； 1gbit/s= 1109bit/s；1tbit/s= 11012bit/s。 n设设t为传输的电脉冲信号的宽度或周期，为传输的电脉冲信号的宽度或周期，n为脉冲信号所有为脉冲信号所有 可能的状态数，

22、则比特率为可能的状态数，则比特率为 s=(1/t)*log2n（bit/s） log2n是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特 数）。如电信号的状态数数）。如电信号的状态数n=2，即只有，即只有“0”和和“1”两个状态，两个状态， 则每个电信号只传送则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，位二进制数据，此时，s=1/t。 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 n（2）波特率）波特率b：调制速率，又称码元速率，是：调制速率，又称码元速率，是 数字信号经过调制后的传输速率。数字信号经过调制后的传输速率。 波特率指在有效带宽上

23、，单位时间内传送的波形波特率指在有效带宽上，单位时间内传送的波形 单元（码元）数，即模拟信号在传输过程中，从单元（码元）数，即模拟信号在传输过程中，从 调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制改变调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制改变 的次数。的次数。 波特率等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单波特率等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单 位是波特（位是波特（baud）。若用）。若用t表示调制周期，则波表示调制周期，则波 特率为特率为: b= 1/t(baud) 即即1波特表示每秒钟传送一个码元。波特表示每秒钟传送一个码元。 波特率与比特率的数量关系：波特率与比特率的数量关系：s=blog2n

24、 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 2信道、信道容量、信道带宽信道、信道容量、信道带宽 n（1）信道：信道：信道是传送信号的通路，由传输介质和相关线信道是传送信号的通路，由传输介质和相关线 路设备组成。一条传输线路上可以有多个信道。路设备组成。一条传输线路上可以有多个信道。 n（2）信道容量：信道容量：表示一个信道的最大数据传输速率，单位表示一个信道的最大数据传输速率，单位 为位为位/秒，记作秒，记作bit/s。 信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制数的信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制数的 位数（也称为信道的数据传输速率），以比特位数（也称为

25、信道的数据传输速率），以比特/ /秒秒(b/s(b/s) )表示，表示， 简略为简略为bpsbps。 n（3）信道带宽：信道带宽：指信道上能够传送信号的最高频率与最低指信道上能够传送信号的最高频率与最低 频率之差，单位为赫兹（频率之差，单位为赫兹（hz）。）。 一般情况下，信道带宽越宽，则信道容量就越大，单位时间一般情况下，信道带宽越宽，则信道容量就越大，单位时间 内信道上传输的信息量就越多，传输效率也就越高。信号传内信道上传输的信息量就越多，传输效率也就越高。信号传 输速率受信道带宽的限制。输速率受信道带宽的限制。 2信道、信道容量、信道带宽信道、信道容量、信道带宽 n“带宽带宽”(band

26、width)本来是指信号具有的频带宽本来是指信号具有的频带宽 度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 n现在现在“带宽带宽”是数字信道所能传送的是数字信道所能传送的“最高数据最高数据 率率”的同义语，单位是的同义语，单位是“比特每秒比特每秒”，或，或 b/s (bit/s)。 数字信号流随时间的变化数字信号流随时间的变化 n在在时间轴上时间轴上信号的信号的宽度宽度随带宽的增大而变窄。随带宽的增大而变窄。 每秒 106 个比特 时间 1 0 1 0 1 1 1 s 带宽为 1 mb/s 时间 每秒 4 106 个比特 0.25 s 带宽为 4 mb/s 常用

27、的带宽单位常用的带宽单位 n更常用的带宽单位是更常用的带宽单位是 千比每秒，即千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即兆比每秒，即 mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即吉比每秒，即 gb/s（109 b/s） 太比每秒，即太比每秒，即 tb/s（1012 b/s） n请注意：在计算机界，请注意：在计算机界，k = 210 = 1024 m = 220, g = 230, t = 240。 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 n3误码率误码率pe 误码率是衡量数据通信系统在正常情况下传输可靠性误码率是衡量数据通信系统在正常情况下传输可靠性 的指标。的指标

28、。 误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率， 又称又称“出错率出错率”。 假设传输的二进制码元总数为假设传输的二进制码元总数为n，被传错的码元数为，被传错的码元数为 ne，则误码率为，则误码率为pe=ne/n。 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 n4吞吐量吞吐量 吞吐量是信道或网络性能的另一个参数，数值上吞吐量是信道或网络性能的另一个参数，数值上 等于信道或网络在单位时间内传输的总信息量，等于信道或网络在单位时间内传输的总信息量， 单位也是单位也是bit/s。 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种吞吐量更经常地用

29、于对现实世界中的网络的一种 测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通 过网络。过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 n5网络负荷量网络负荷量 网络负荷量是指网络单位面积中的数据分布量，即数网络负荷量是指网络单位面积中的数据分布量，即数 据在网络中分布密度。据在网络中分布密度。 在计算机网络中，网络负荷量不宜过小，也不宜过大。在计算机网络中，网络负荷量不宜过小，也不宜过大。 网络负荷量过小，网络的吞吐量也会小，导致网络利网络负荷量过小，网

30、络的吞吐量也会小，导致网络利 用率过低；网络负荷量过大，容易产生阻塞现象，直用率过低；网络负荷量过大，容易产生阻塞现象，直 接导致网络吞吐量降低。接导致网络吞吐量降低。 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 n6. 时延时延(delay 或或 latency) 传输时延传输时延（发送时延（发送时延 ）：发送数据时，数据块从结）：发送数据时，数据块从结 点进入到传输媒体所需要的时间。点进入到传输媒体所需要的时间。 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的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。最后一个比特发送完毕所需的时间。 发送时延

31、 = 数据块长度（比特比特） 发送速率（比特比特/秒秒） 6. 时延时延(delay 或或 latency) n传播时延传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距电磁波在信道中需要传播一定的距 离而花费的时间。离而花费的时间。 n信号信号传输速率传输速率（即发送速率）和信号在信道上（即发送速率）和信号在信道上 的的传播速率传播速率是完全不同的概念。是完全不同的概念。 传播时延 = 信道长度（米米） 信号在信道上的传播速率（米米/秒秒） 6. 时延时延(delay 或或 latency) n处理时延处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的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。处

32、理所花费的时间。 n排队时延排队时延：结点缓存队列中分组结点缓存队列中分组排队排队所经历的时延。所经历的时延。 n排队时延的长短往往取决于网络中排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量当时的通信量。 6. 时延时延(delay 或或 latency) n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、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：处理时延和排队时延之和： 总时延总时延 = 发送时延发送时延+传播时延传播时延+处理时延处理时延+排队时延排队时延 四种时延所产生的地方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

33、 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 容易产生的错误概念容易产生的错误概念 n对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的 发送速率发送速率而不是比特在链路上的而不是比特在链路上的传播速率传播速率。 n提高链路带宽减小了数据的发送时延。提高链路带宽减小了数据的发送时延。 2.1.3 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 7. 时延带宽积时延带宽积 n时延带宽积表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多时延带宽积表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多 少个比

34、特。少个比特。 例如，设某段链路的传播时延为例如，设某段链路的传播时延为20ms，带宽为，带宽为10mb/s。时延。时延 带宽积为带宽积为2105bit，表示：若要发送端连续发送数据，则在，表示：若要发送端连续发送数据，则在 发送第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了发送第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了20万个万个 比特，而这比特，而这20万个比特都正在链路上向前移动。万个比特都正在链路上向前移动。 n链路的时延带宽积又称为以链路的时延带宽积又称为以比特比特为单位的链路长度。为单位的链路长度。 （传播）时延 链路 带宽 时延带宽积 = 传播时延 带宽 时延带宽积 2.1.3

35、数据通信的主要技术指数据通信的主要技术指 标标 n8. 利用率利用率 信道利用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被指出某信道有百分之几的时间是被 利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利 用率是零。用率是零。 网络利用率网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平则是全网络的信道利用率的加权平 均值。均值。 信道利用率并非越高越好。信道利用率并非越高越好。 时延与网络利用率的关系时延与网络利用率的关系 n根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时， 该信道引起的时延也就迅速增加。该信道引起的时延也就迅速增加。 n

36、若令若令 d0 表示网络空闲时的时延，表示网络空闲时的时延，d 表示网络当表示网络当 前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下 面的简单公式表示面的简单公式表示 d 和和 d0之间的关系：之间的关系： u d d 1 0 u 是网络的利用率，数值在是网络的利用率，数值在 0 到到 1 之间。之间。 时延 d 利用率利用率 u 1 0 d0 时延 急剧 增大 计算机网络的非性能特征计算机网络的非性能特征 n费用费用 n质量质量 n标准化标准化 n可靠性可靠性 n可扩展性和可升级性可扩展性和可升级性 n易于管理和维护易于管理和维护 任务任务2：理解数据通信方

37、式：理解数据通信方式 n在计算机网络中，从不同的角度看有多种不同在计算机网络中，从不同的角度看有多种不同 的通信方式。的通信方式。 n本任务学习、掌握并行通信和串行通信以及单本任务学习、掌握并行通信和串行通信以及单 工、半双工和全双工通信的基本概念。工、半双工和全双工通信的基本概念。 2.2.1 并行通信和串行通信并行通信和串行通信 n1并行通信并行通信 并行通信是指多个数据位同时在设备之间进行传输。可同并行通信是指多个数据位同时在设备之间进行传输。可同 时传送多个二进制位，一般适用于短距离、要求传输速度时传送多个二进制位，一般适用于短距离、要求传输速度 高的场合，常用于计算机内部各部件之间的

38、数据传输。高的场合，常用于计算机内部各部件之间的数据传输。 n2串行通信串行通信 串行通信是指一次只有一个数据位在设备之间传输。将一串行通信是指一次只有一个数据位在设备之间传输。将一 个由若干位二进制数表示的字按位进行有序的传输，常用个由若干位二进制数表示的字按位进行有序的传输，常用 于计算机与计算机或与外部设备之间的数据传输。是计算于计算机与计算机或与外部设备之间的数据传输。是计算 机网络中远程通信普遍采用的通信方式。机网络中远程通信普遍采用的通信方式。 2.2.1 并行通信和串行通信并行通信和串行通信 2.2.2 单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信 n1单工通信单工通信 通信

39、信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只 能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不 能改变信号传送方向。无线电广播和电视属于单工通信。能改变信号传送方向。无线电广播和电视属于单工通信。 n2全双工通信全双工通信 数据可以同时沿相反的两个方向双向传输。数据可以同时沿相反的两个方向双向传输。 n3半双工通信半双工通信 信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向 传送信号，即两个方向的传输只能交替进行，不

40、能同时进行。传送信号，即两个方向的传输只能交替进行，不能同时进行。 2.2.2 单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信 任务任务3：理解数据传输方式：理解数据传输方式 n常见的信号形式有模拟信号和数字信号，如图所示。常见的信号形式有模拟信号和数字信号，如图所示。 n模拟信号（模拟信号（analog signal）的电平是连续变化的，数）的电平是连续变化的，数 字信号（字信号（digital signal）是用两种不同电平表示）是用两种不同电平表示0、1 比特序列的电压脉冲信号。比特序列的电压脉冲信号。 n本任务将学习基带传输、频带传输和宽带传输、信源本任务将学习基带传输、频带传输和宽

41、带传输、信源 编码技术和多路复用技术等。编码技术和多路复用技术等。 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 n1基带传输基带传输 基带（基带（baseband）：指调制前原始电信号占用的频带，：指调制前原始电信号占用的频带， 是原始电信号固有的基本频带。是原始电信号固有的基本频带。 基带信号：基带信号：由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的 数字数据相对应的，数字数据相对应的，以及模拟信号经数字化处理后的以及模拟信号经数字化处理后的电脉电脉 冲信号，冲信号，通常呈矩形波，通常呈矩形波，所占据的频率范围通常从直流和所占据

42、的频率范围通常从直流和 低频开始。低频开始。 在信道中直接传输基带信号时，称为在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输基带传输。 近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，适合近距离近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，适合近距离 传输。计算机局域网络广泛采用基带传输方式，如：以传输。计算机局域网络广泛采用基带传输方式，如：以 太网、令牌环网都是如此。太网、令牌环网都是如此。 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 n2频带传输频带传输 远距离通信信道多为模拟信道，在远距离传输中不采用远距离通信信道多为模拟信道，在远距离传输中不采用 基带传输而采用频带传输。基带传输而

43、采用频带传输。 频带传输频带传输：是将数字信号调制成模拟信号后再发送和传：是将数字信号调制成模拟信号后再发送和传 输，到达接收端时，再把模拟信号解调为原来的数字信输，到达接收端时，再把模拟信号解调为原来的数字信 号。即先将基带信号调制成便于在模拟信道中传输的具号。即先将基带信号调制成便于在模拟信道中传输的具 有较高频率范围的信号（这种信号称为频带信号）。有较高频率范围的信号（这种信号称为频带信号）。 用模拟信道实现数字信号传输的方法，称用模拟信道实现数字信号传输的方法，称“频带传输频带传输”。 频带传输实际上就是模拟传输。频带传输实际上就是模拟传输。 采用频带传输方式时，发送端和接收端都需要安

44、装调制采用频带传输方式时，发送端和接收端都需要安装调制 解调器，进行模拟信号和数字信号的相互转换。解调器，进行模拟信号和数字信号的相互转换。 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 n2频带传输频带传输 频带传输与基带传输不同频带传输与基带传输不同 l基带传输中，基带信号占有信道的全部带宽；基带传输中，基带信号占有信道的全部带宽； l频带传输中，模拟信号通常由某个频率或某几个频率频带传输中，模拟信号通常由某个频率或某几个频率 组成，占用一个固有频带，即整个频道的一部分。组成，占用一个固有频带，即整个频道的一部分。 频带传输与传统的模拟传输有区别频带传输与传统的模拟

45、传输有区别 l频带传输的波形比较单一，因为在频带传输中只需要用不频带传输的波形比较单一，因为在频带传输中只需要用不 同幅度或不同频率表示同幅度或不同频率表示0、1两个电平。两个电平。 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 n3宽带传输宽带传输 宽带是指带宽比声频更宽的频带，宽带是指带宽比声频更宽的频带，它包括大部分它包括大部分 电磁波频谱。电磁波频谱。利用宽带进行的传输称为宽带传输。利用宽带进行的传输称为宽带传输。 宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技 术。由于数字信号的频带很宽，不便于在宽带网术。由于数字信号的频

46、带很宽，不便于在宽带网 中直接传输，通常将其转化成模拟信号后再在宽中直接传输，通常将其转化成模拟信号后再在宽 带网中传输。带网中传输。 宽带传输系统可以是模拟或数字传输系统，它能宽带传输系统可以是模拟或数字传输系统，它能 够在同一信道上进行数字信息和模拟信息传输。够在同一信道上进行数字信息和模拟信息传输。 宽带传输系统可容纳全部广播信号，并可进行高宽带传输系统可容纳全部广播信号，并可进行高 速数据传输。速数据传输。 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 n3宽带传输宽带传输 n宽带传输的主要特点宽带传输的主要特点: 宽带信道能够被划分成多个逻辑信道或频率段进行宽

47、带信道能够被划分成多个逻辑信道或频率段进行 多路复用传输，信道容量大大增加；多路复用传输，信道容量大大增加； 对数据业务、对数据业务、tv或无线电信号用单独的信道传输；或无线电信号用单独的信道传输； 宽带传输能够在同一信道上进行数字信息或模拟信宽带传输能够在同一信道上进行数字信息或模拟信 息服务；息服务； 宽带传输系统可以容纳全部广播信号，并可进行高宽带传输系统可以容纳全部广播信号，并可进行高 速数据传输；速数据传输； 宽带比基带的传输距离更远。宽带比基带的传输距离更远。 2.3.1 基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 n3宽带传输宽带传输 在局域网中，存在基带传输和宽带

48、传输两种方式。在局域网中，存在基带传输和宽带传输两种方式。 基带传输的数据速率比宽带传输速率低。一个宽带基带传输的数据速率比宽带传输速率低。一个宽带 信道可以被划分为多个逻辑基带信道。信道可以被划分为多个逻辑基带信道。 宽带传输能把声音、图像、数据等信息综合到一个宽带传输能把声音、图像、数据等信息综合到一个 物理信道上进行传输。宽带传输采用的是频带传输物理信道上进行传输。宽带传输采用的是频带传输 技术，但频带传输不一定是宽带传输。技术，但频带传输不一定是宽带传输。 2.3.2 信源编码技术信源编码技术 n基本的数据编码方式包括：基本的数据编码方式包括： 数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号

49、编码 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 2.3.2 信源编码技术信源编码技术 n1数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码 发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调称为调 制（制（modulation）。 接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解称为解 调（调（demodulation）。 若数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信，则需若数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信，则需 要要同时具备调制和解调功能的设备，即

50、调制解调器同时具备调制和解调功能的设备，即调制解调器 （modem ） 。 数字数据数字数据调制的基本方法调制的基本方法有有3种：幅移键控、频移键控和相种：幅移键控、频移键控和相 移键控。移键控。 2.3.2 信源编码技术信源编码技术 n1数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码 幅移键控法（幅移键控法（ask，amplitude shift keying）。）。又又 称幅度调制（称幅度调制（am，简称调幅），是调制载波的振幅，用，简称调幅），是调制载波的振幅，用 载波信号的幅度值表示数字信号载波信号的幅度值表示数字信号“1”和和“0”。通常用有。通常用有 载波载波表示数字信号表示数字信号

51、“1”，无载波表示数字信号，无载波表示数字信号“0”。 频移键控法（频移键控法（fsk，frequency shift keying）。）。又又 称频率调制（称频率调制（fm，简称调频），是调制载波的频率，用，简称调频），是调制载波的频率，用 载波信号的不同频率（幅值相同）表示数字信号载波信号的不同频率（幅值相同）表示数字信号“1”和和 “0”。用。用1表示数字信号表示数字信号“1”，用，用2表示数字信号表示数字信号 “0”。 相移键控法（相移键控法（psk，phase shift keying）。）。又称相又称相 位调制（位调制（pm，简称调相），是调制载波的相位，用不同，简称调相），是调制

52、载波的相位，用不同 的载波相位（幅值相同）表示数字信号的载波相位（幅值相同）表示数字信号“1”和和“0”。绝。绝 对调相使用相位的绝对值，相位为对调相使用相位的绝对值，相位为0表示数字信号表示数字信号“1”， 相位为相位为表示数字信号表示数字信号“0”。相对调相使用相位的相对偏。相对调相使用相位的相对偏 移值，当数字数据为移值，当数字数据为0时，相位不变化；数字数据为时，相位不变化；数字数据为1时，时， 相位偏移相位偏移。 2.3.2 信源编码技术信源编码技术 2数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 n数字数据如果利用数字信道直接传输，在数字数据传数字数据如果利用数字信道直接传输，在数

53、字数据传 输前常常进行数字编码。输前常常进行数字编码。 n数字信号编码的目的是使二进制数数字信号编码的目的是使二进制数“1”和和“0”的特性的特性 更有利于传输，如下图所示。更有利于传输，如下图所示。 n数字数据的编码方式有数字数据的编码方式有3种：非归零编码、曼彻斯特编种：非归零编码、曼彻斯特编 码和差分曼彻斯特编码。码和差分曼彻斯特编码。 2数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 n（1）不归零编码（）不归零编码（nrz，non-return to zero）。）。 不归零编码规定，如果用负电平表示逻辑不归零编码规定，如果用负电平表示逻辑“0”， 则正电平表示逻辑则正电平表示逻辑“1

54、”，反之亦然。，反之亦然。 特点：发送能量大，有利于提高收端信噪比；特点：发送能量大，有利于提高收端信噪比； 带宽窄但直流和低频成分大，不能提取同步信带宽窄但直流和低频成分大，不能提取同步信 息，判决电平不易稳定。不归零编码一般用于息，判决电平不易稳定。不归零编码一般用于 设备内部通信和短距离通信。设备内部通信和短距离通信。 2数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 n（2）曼彻斯特编码（）曼彻斯特编码（manchester）。）。 目前应用最广泛的编码方法之一，每一位二进目前应用最广泛的编码方法之一，每一位二进 制信号的中间都有跳变，从低电平跳变到高电制信号的中间都有跳变，从低电平跳变

55、到高电 平，表示数字信号平，表示数字信号“1”；从高电平跳变到低电；从高电平跳变到低电 平，表示数字信号平，表示数字信号“0”。 典型的同步数字信号编码技术，编码中的每个典型的同步数字信号编码技术，编码中的每个 二进制位持续时间分为两半，在发送数字二进制位持续时间分为两半，在发送数字“0” 时，前一半时间为高电平，后一半时间电平低。时，前一半时间为高电平，后一半时间电平低。 发送数字发送数字“1”时刚好相反。时刚好相反。 特点：不含直流分量，无须另发同步信号，具特点：不含直流分量，无须另发同步信号，具 有编码冗余，极性反转时常会引起译码错误。有编码冗余，极性反转时常会引起译码错误。 2数字数据

56、的数字信号编码数字数据的数字信号编码 n（ 3 ） 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 （） 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 （ d i f f e r e n c e manchester）。）。 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。 与曼彻斯特编码不同的是，每位二进制数据的取值与曼彻斯特编码不同的是，每位二进制数据的取值 根据其开始边界是否发生跳变决定。若一个比特开根据其开始边界是否发生跳变决定。若一个比特开 始处始处“有跳变有跳变”，则表示，则表示“0”；若一个比特开始处；若一个比特开始处 “无跳变无跳变”，则表示，则表示“1”。 在局域网通信中，

57、差分曼彻斯特码更常用，其每个在局域网通信中，差分曼彻斯特码更常用，其每个 码位中间的跳变被专门用作定时信号，用每个码开码位中间的跳变被专门用作定时信号，用每个码开 始时刻有无跳变来表示数字始时刻有无跳变来表示数字“0”和和“1”。 2数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 3模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 n模拟数据数字化编码的常用方法是脉冲编码调模拟数据数字化编码的常用方法是脉冲编码调 制（制（pcm，pulse code modulation）。）。 n脉冲编码调制是模拟数据数字化的主要方法。脉冲编码调制是模拟数据数字化的主要方法。 n在网络中，除计算机直接产生的数字信

58、号外，在网络中，除计算机直接产生的数字信号外， 语音、图像信息必须经过数字化后才能交给计语音、图像信息必须经过数字化后才能交给计 算机处理。算机处理。 n发送端通过发送端通过pcm编码器将语音数据变换为数字编码器将语音数据变换为数字 信号，接收方再通过信号，接收方再通过pcm解码器将数字信号还解码器将数字信号还 原成模拟信号。数字化语音数据传输的速率高、原成模拟信号。数字化语音数据传输的速率高、 失真小，并可存储在计算机中。失真小，并可存储在计算机中。 3模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 n编码调制包括编码调制包括3部分：采样、量化和编码，如部分：采样、量化和编码，如 图所示。图所

59、示。 3模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 n（1）采样：每隔一个固定的时间间隔，取出模拟信号）采样：每隔一个固定的时间间隔，取出模拟信号 的值。以模拟信号的瞬时电平值作为样本，表示模拟的值。以模拟信号的瞬时电平值作为样本，表示模拟 数据在某一区间随时间变化的值。采样频率数据在某一区间随时间变化的值。采样频率f2b，b为为 信号的最高有效频率，即相邻两次采样之间的时间间信号的最高有效频率，即相邻两次采样之间的时间间 隔应等于或高于两倍的最高有效频率。隔应等于或高于两倍的最高有效频率。 n（2）量化：分级处理。量化之前，估计模拟信号可能）量化：分级处理。量化之前，估计模拟信号可能 的幅

60、值范围，把这个幅值范围划分为若干宽度相等的的幅值范围，把这个幅值范围划分为若干宽度相等的 小区域，如可分为小区域，如可分为8级、级、16级或更多的量化级。每个级级或更多的量化级。每个级 别的幅值定义为该范围的上限或下限或均值。然后把别的幅值定义为该范围的上限或下限或均值。然后把 每次取样的信号幅值对应到相应的级别里，以级别代每次取样的信号幅值对应到相应的级别里，以级别代 号代替本次取样的幅值，使连续的模拟信号变成随时号代替本次取样的幅值，使连续的模拟信号变成随时 间变化的数字数据。间变化的数字数据。 3模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 n（3）编码：把相应的量化级别用一定位数的）编