第2章 数据通信基础

1、1第第2章章 数据通信的基础知识数据通信的基础知识n本章内容q数据通信系统q基本概念q传输介质q数据编码q多路复用技术q数据交换技术q差错控制q数据通信性能指标22.1数据通信系统数据通信系统2.1.1数据通信系统的构成数据通信系统的构成数据通信系统的模型数据通信系统的模型图2-1 数据通信系统的基本结构3从图从图2-1可知，可知，数据通信系统的基本结构分为三部分：1.源系统源系统源系统包含了：源系统包含了：q源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。q发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。2.传输系统传输系统q可以是简单的物理通信线路q也可以是连接源系统和目的

2、系统之间的复杂网络设备43.目的系统目的系统 目的系统包含：目的系统包含： 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。 终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。52.1.2数据通信的基本过程数据通信的基本过程n数据通信的基本过程分为数据通信的基本过程分为5个阶段个阶段n包含两项内容：包含两项内容：数据传输数据传输和和通信控制通信控制 过程过程 与打电话比较与打电话比较q建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 q建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份q数据传输数据传输 互相通话互相通话q断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确

3、认要结束通话q断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。62.2基本概念基本概念n数据与信号数据与信号n信道信道n通信方式通信方式n传输方式传输方式n同步方式同步方式72.2.1数据与信号数据与信号 1.数据（数据（Data） 数据是指数字化的信息。在数据通信过程中，被传输的二进制代码(或者说数字化的信息)称为数据。数据是传递信息的载体，它涉及事物的表现形式。 数据有两种类型：数字数据和模拟数据，前者的值是离散，如电话号码、邮政编码等；而后者的值则是连续变化的量。82.信息（Information） 数据的内容或解释。信息是对客观事物属性和特性的

4、表征。它反映了客观事物的存在形式与运动状态，它可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可以是物质与外部的联系。信息是字母、数字及符号的集合，其载体可以是数字、文字、语音、视频和图像等。 数据与信息的区别：数据是装载信息的实体，信息则是数据的内在含义或解释。3.信号（Signal） 数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播9n信号分为：模拟信号、数字信号。信号分为：模拟信号、数字信号。n模拟信号模拟信号q时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值n数字信号数字信号q时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常时间上离散，仅包含有限数目的信

5、号值。最常见的是二值信号见的是二值信号ta） 模拟信号tb） 数字信号10n根据信号是否有周期性，信号可分为：根据信号是否有周期性，信号可分为：n周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）n非周期信号非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt11信息编码信息编码：将信息用二进制数表示的方法（将信息用二进制数表示的方法（编码方式编码方式） 例如：例如：ASCII编码、编码、BCD编码等编码等数据编码数据编码：将数据用物理

6、量表示的方法（：将数据用物理量表示的方法（具体表示方法具体表示方法） 例如：字符例如：字符“A”的的ASCII编码为编码为01000001，其数据编码可，其数据编码可能为能为01000001t12 4. 信息通过数据通信系统进行传输的过程信息通过数据通信系统进行传输的过程 如何实现把携带如何实现把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通形式通过信道传送到目的地？过信道传送到目的地？注意：信息和数据（二进制位）不能直接在信道上注意：信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输传输 1)编码编码：数据：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、便于同步、识别、纠错识别、纠错 2)调

7、制调制：数字信号：数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、按频率、幅度、相位幅度、相位 3)解调解调：接收波形：接收波形数字信号数字信号 4)解码解码：数字信号：数字信号原始数据原始数据13信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据数据编码编码调制调制解调解调数据数据解码解码01000001“A”01000001“A”信道信道信息信息编码编码信息信息解码解码例如：传递信息A14不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字

8、信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道5.不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输156.模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术语音语音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制16n编码与调制的区别编码与调制的区别q编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载数字或模拟数据q调制调制：用模

9、拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码17数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据g(t)s(t)g(t)载波发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制182.2.2 信道信道信道（信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）：传送信息的线路（或通路）信道分为数字信道、模拟信道信道分为数字信道、模拟信道数字信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据：以数字脉冲形式（

10、离散信号）传输数据的信道的信道. 计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输模拟信道模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道 有线电视有线电视 无线电广播无线电广播 电话拨号线路电话拨号线路19数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信 数字通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点数字通信的优点 1)抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 2)可以控制差错，提高

11、了传输质量可以控制差错，提高了传输质量 3)便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 4)易于加密、保密性强易于加密、保密性强 5)可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。如通过电话线拨号上网。202.2.3 通信方式通信方式 1 按按通信方向分n单工单工数据单向传输数据单向传输（例：无线电广播）（例：无线电广播）n半双工半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输传输（例：对讲机）（例：对讲机）

12、n全双工全双工数据可以双向同时传输数据可以双向同时传输（例：电话）（例：电话）q需要具有两条物理上独立的传输线路；需要具有两条物理上独立的传输线路；q或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。别用于不同方向的信号传输。21发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式：单工方式：半双工方式：半双工方式：全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时不可同时222 按通信传输的顺序分 按数据代码传输的顺序分为:串行传输和并行传输 串行传输是指把要传

13、输的数据编成数据流，在一条串行信道上进行传输，一次只传输一位二进制数，接收方再把数据流转换成数据。在串行传输方式下，只有解决同步问题，才能保证接收方正确地接收信息。串行传输的优点是只占用一条信道，易于实现，利用较为广泛。 并行传输：主要用于局域网等距离比较近的情况，至少有八位数据同时传输。23b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0 b1 b2 b3 b4 b5 b7 b6 串行传输串行传输 并行传输并行传输 24n基带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在

14、信道上传送。接在信道上传送。例如：以太网（局域网）例如：以太网（局域网）n频带传输频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据例如：通过电话网络传输数据n宽带传输宽带传输：把信号调制成频带为几十：把信号调制成频带为几十MHZ到几百到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输2.2.4 传输方式传输方式25n同步的因素：同步的因素：数据从什么时候开始，什么时候结束数据从什么时候开始，什么时候结束n数据通信中需要在

15、三个层次上实现同步：数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位位同步位同步字符字符字符同步字符同步帧帧(Frame)帧同步帧同步2.2.5 同步方式同步方式26n目的：目的：使接收端与发送端在时间基准上一致使接收端与发送端在时间基准上一致外同步外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。频率。自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提

16、取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。发送站 同步信号数据接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收站收到的数据数据位同步位同步27n目的：目的：找到正确的字符边界找到正确的字符边界n常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：字符的传输需要：1个起始位个起始位(逻辑逻辑1）、）、58个数据位、个数据位、1或或2个停止个停止位（逻辑位（逻辑0）n采用这种同步方式的通信也称采用这种同步方式的通信也称“异步通信异步通信”n起止式的优缺点：起止式的优缺点：1)每个字符开始时都会重新获得同步每个字符开始时都会重新

17、获得同步2)每两个字符之间的间隔时间不固定每两个字符之间的间隔时间不固定3)增加了辅助位，所以传输效率低增加了辅助位，所以传输效率低例如，采用例如，采用1个起始位、个起始位、 8个数据位、个数据位、 2个停止位个停止位时，其传输效率为时，其传输效率为8/1173字符同步字符同步28起始位起始位数据位数据位停止位停止位字符间隔不固定字符间隔不固定1个字符时间个字符时间逻辑逻辑“0”逻辑逻辑“1”29n目的目的：识别一个帧的起始和结束：识别一个帧的起始和结束帧（帧（Frame）：数据链路中的传输单位：数据链路中的传输单位包含数包含数据和控制信息的数据块据和控制信息的数据块q面向字符的面向字符的以同

18、步字符（以同步字符（SYN，16H）来标）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧q面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH，即，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧据类型的帧帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和0 n bit8bit8bit832m7EH7EH帧同步帧同步302.3 传输介质传输介质 传输介质分为：传输介质分为： 1.金属导体金属导体 双绞线、双绞线、 同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细) 2.光纤光纤 3.无线介质无线介质 无线电、微波、

19、卫星、红外线无线电、微波、卫星、红外线31n同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable，CC）有线电视系统中使用有线电视系统中使用宽带宽带同轴电缆同轴电缆计算机网络中使用计算机网络中使用基带基带同轴电缆同轴电缆n阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）应用：总线局域网（以太网）性能：性能：10Mb/s，500m/185m铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套32n双绞线双绞线（Twist Pair，TP）螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线每根每根4对对典型连接距离典型连接距离100m（LAN）RJ45插座、插头插座、插头优缺点：优缺点： 成本低成本低 组装密度

20、高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套33屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：常用的双绞线：3类（类（16Mb/s） 和和5类（类（155Mb/s）两种）两种34常用术语 “10Base-T”的名称命名分为三个部分，数字“10”表示带宽

21、，单位为Mbps，10表示10Mbps，若为100则表示100Mbps；“Base”指带宽使用方式，Base指基带传输，Board指宽带传输T表示介质为双绞线，若为F则表示光纤网络。 35双绞线制作方法（1）剥线。剥线就是利用压线钳剥线刃口将双绞线的外皮除去1.5cm左右。 （2）理线、剪线。理线、剪线就是把剥好的双绞线里的4对8根线芯按照规格（白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕）理顺并剪齐。（双绞线的8根线只用到白橙（桔）,橙（桔）,白绿，绿这4根线，1，2，3，6）。（3）压线。压线就是把排列并剪好的双绞线压入水晶头的过程。 （4）测试。双绞线制作完成后，为了验证其连通性的好坏，需要使用测线器进行测

22、试。 36具体分工：1 输出数据 2 输出数据3 输入数据4 保留为电话使用5 保留为电话使用6 输入数据7 保留为电话使用8 保留为电话使用37n光纤光纤（Optical Fiber，OF）q依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播q优缺点：优缺点：n传输带宽高：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）n传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输n抗干扰性能极好、误码率低、保密性好抗干扰性能极好、误码率低、保密性好n轻便轻便n价格较高价格较高n需要光电转换需要光电转换q纤芯材料：纤芯材料：n塑料塑料n二氧化

23、硅二氧化硅 （高纯玻璃）（高纯玻璃）38n光纤传输原理光纤传输原理光的反射光的反射q光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。临界值时产生全反射，不会泄漏。n纤芯纤芯折射率高，玻璃包层折射率高，玻璃包层折射率低折射率低q单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤q应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接39n光纤类型：光纤类型：n多模光纤多模光纤(MMF)n单模光纤单模光纤(SM

24、F)：光纤的直径接近一个光波波长光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播40单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳41n无线介质无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）信号在大气或外层空间自由传播）q使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息q优缺点：优缺点：n无需物理连接n适用于长距离或不便布线的场合n易受干扰n反射，为障碍物所阻隔q主要类型主要类型：n无线电、

25、地面微波n通信卫星n红外线42n微波通信微波通信q通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送q接力站之间距离：接力站之间距离：50 100 kmq速率：每信道速率：每信道 45 Mb/s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43n地球同步卫星地球同步卫星q与地面站相对固定位置q使用三颗卫星即可覆盖全球q传输延迟时间长（270ms）q广播式传输q应用领域：n电视传输n长途电话n专用网络n广域网35,784km地球地球44n红外线通信红外线通信 红外传输系统利用墙壁或屋顶反射，红外线从而 形成整个房间内的广播通信系统 n特点：q红外通信的设备相对便宜，可获得较高的带宽q传

26、输距离有限，而且易受室内空气状态（例如有烟雾等）的影响 45n短波通信短波通信q基站与终端之间通信采用无线链路q应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端462.4数据编码数据编码n数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输使数字数据能在数字信道上传输n数字数据的调制编码数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输n模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输471. 数字数据的数字信号编码数字数据

27、的数字信号编码1）不归零码（）不归零码（Non-Return to Zero， NRZ ）q二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示；分别用两种电平来表示；n常用常用5V表示表示1，5V表示表示0；q缺点：缺点：n存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；n不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。482）曼彻斯特编码（Manchester Coding） 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变 高低的跳变代表1，低高的跳变代表0 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。这

28、种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC） 每个码元的中间仍要发生跳变。 用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。49n三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图50课堂练习课堂练习n给出比特流0110，0010,1111的不归零码，曼彻斯特码和差分曼彻斯特码51 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1522. 数字数据的调制数字数据的调制n三种常用的调制技术三种常用的调制技术：q幅移键控

29、ASK （Amplitude Shift Keying）q频移键控FSK （Frequency Shift Keying）q相移键控PSK （Phase Shift Keying）n原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号载波信号 S(t) = Acos( t+ ) nS(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 q调制就是要使调制就是要使A、 或或 随数字基带信号的变化随数字基带信号的变化而变化而变化53幅移键控ASK1）幅移键控法（调幅） 幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即： A(t) 取不同的

30、值表示不同的信息码。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。NAAAtAtt,)()()(210054幅移键控ASK55频移键控FSK2）频移键控法（调频） 频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。NttAtA,)()()(210056频移键控FSK57相移键控PSK3）相移键控法（调相） 相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。NttAtA,)

31、()()(210058相移键控PSK593. 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码n采样定理：q如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。n要转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。60PCM编码：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（ Pulse Coded Modulation，脉码调制）。61PCM举例（4位编码）622.5 多路复用技术多路复用技术n多路复用多路复用：多个信

32、息源共享一个公共信道：多个信息源共享一个公共信道n为何要复用？为何要复用？q适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时传输需求时n类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿63n复用的基本思想：复用的基本思想：q把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据每个子信道传输一路数据。n复用方法复用方法q频分复用频分复用FDM （Frequency Division Mult

33、iplexing）n按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统q时分复用时分复用TDM （Time Division Multiplexing）n按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛q波分复用波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） n按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输q码分复用码分复用CDM （Code Division Multiplexing）n按地址码划分不同的信道，非常有发展前途按地址码划分不同的信道，非常有发展前途64n频分复用频分复用FDMq原理：整个传输频

34、带被划分为若干个频率通道，每原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。留有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器65n时分复用时分复用TDMq原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。通信网络中应用极为广泛。

35、A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t66ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费 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）。 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。67n由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为所以这种时分复

36、用也称为同步时分复用同步时分复用。n一个时间片内传输的多路数据称为一个时间片内传输的多路数据称为帧帧。n时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输q把多个话路的把多个话路的PCM语音数据用语音数据用TDM的方法装成的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）q每帧在一个时间片内发送每帧在一个时间片内发送q每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号68n统计（异步）统计（异步）TDMSTDMqTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。占用该时隙，将会造成

37、带宽浪费。qSTDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C2n频分多路复用与时分多路复用的区别如下： (1)微观上，频分多路复用的各路信号是并行的，而时分多路复用是串行的。n (2)频分多路复用较适合于模拟信号，而时分多路复用较适用于数字信号。n 频分多路复用是将传输介质的可用带宽分割成一个个“频段”，以便每个输入装置都分配到一个“频段”。传输介质容许传

38、输的最大带宽构成一个信道，因此每个“频段”就是一个子信道。n 频分多路复用的特点是：每个用户终端的数据通过专门分配给它的信道传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用。频分多路复用适合于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电缆电视(CATV)系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用70n波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用q原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤

39、 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅71n码分复用码分复用CDM(码分多址访问码分多址访问CDMA)q原理：原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码行编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被迭加，然后接收者用同样的地发送的信号在接收端被迭加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。q在无线移动通信中应用广泛。在无线移动通信中应

40、用广泛。72向量的内积n设有设有n维向量维向量 令令 称为向量称为向量和和的内积的内积当当和和都是列向量时，有都是列向量时，有当当和和都是行向量时，有都是行向量时，有两个向量正交，即两个向量的内积为两个向量正交，即两个向量的内积为0731、“交换”的含义 “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。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。2.6 数据交换技术数据交换技术74 在数据通信系统中，当终端与计算机之间，或者计算机与计算机之间不是直通专线连接，而是要经过通信网的接续过程来建立连接的时候，那么两端系统之间

41、的传输通路就是通过通信网络中若干节点转接而成的所谓“交换线路” ，在一种任意拓扑的数据通信网络中，通过网络节点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间接通数据通路的技术，就称为数据交换技术 。2.6 数据交换技术数据交换技术752.6 数据交换技术数据交换技术n例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其他用户。开该线路，该线路又可分配给其他用户。n最初的交换：人工转接交换最初的交换：人工转接交换n实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有：电路交换电

42、路交换、报文交换报文交换和和分组交换分组交换。762.6.1 电路交换电路交换1.原理：在通信双方之间建立一条临时专用线路原理：在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。的过程。n可以是真正的物理线路，也可以是一个复用可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道信道(逻辑电路）。逻辑电路）。2.特点：数据传输前需要建立一条端到端的通特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。路。称为称为“面向连接的面向连接的”（典型例子：电（典型例子：电话）话）3.过程：过程：建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接774.优缺点：优缺点：建立连接的时间长；建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；

43、一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为例如：建立连接的时间为0.5s，计算机以，计算机以1Mb/s的速率发送的速率发送10KB。线路利用率？。线路利用率？78n电路交换例子n电话网络中的电路交换n电路交换也能在多路复用信道上实现q在物理线路的某个信道上建立连接n主要用于电话通信网络、远程用户或移动用户连接企业局域网，或用于高速线路的备份792.6.

44、2报文交换报文交换1.原理：以报文为单位进行原理：以报文为单位进行“存储存储-转发转发”交换的交换的技术。技术。n在交换过程中，交换设备将接收到的报文先在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道空闲时再转发出去，一级存储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为称为存储存储-转发转发。2.特点：特点：传输之前不需要建立端到端的连接传输之前不需要建立端到端的连接，仅，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。称为称为“无连接的无连接的”（典型例子：电报）（典型例子：电报）q整个

45、报文（整个报文（Message）作为一个整体一起发送。）作为一个整体一起发送。803.优点：优点：1)没有建立和拆除连接所需的等待时间；没有建立和拆除连接所需的等待时间；2)线路利用率高；线路利用率高；5)传输可靠性较高；传输可靠性较高；4.缺点：缺点：1)报文大小不一，造成存储管理复杂；报文大小不一，造成存储管理复杂；2)大报文造成存储转发的延时过长，且对大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；存储容量要求较高；3)出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。类比：下载时若无断点续传功能，一旦类比：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？出错你会怎样做？812.6.3分组

46、交换（包交换）分组交换（包交换）1.原理：将报文分割成若干个大小相等的分组原理：将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。）进行存储转发。2.特点：数据传输前不需要建立一条特点：数据传输前不需要建立一条端到端端到端的通的通路路也是也是“无连接的无连接的”。q有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。由选择功能。3.优点：优点：n对转发节点的存储要求较低，可以用内存来对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组缓冲分组速度快；速度快；n转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信；n某个分组出错可以仅重发出错的分组

47、某个分组出错可以仅重发出错的分组效效率高；率高；n各分组可通过不同路径传输，容错性好。各分组可通过不同路径传输，容错性好。824.缺点：需要分割报文和重组报文，增加了端缺点：需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。站点的负担。 分组交换有两种交换方式：分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式数据报方式和虚电路方式报文5. 分组交换的实现过程 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

48、首部首部分组 1分组 2分组 3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。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收到的数据数 据数 据数 据最后还原成原来的报文n最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n这

49、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1101000110101010110101011100010011010010891.数据报方式（Datagram） 面向无连接的数据传输,工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。特点：1）各分组独立地确定路由独立地确定路由（传输路径）分组可能通过多个路径穿越网络分组可能通过多个路径穿越网络902）不能保证分组按序到达不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序重新排序和组装数据报方式不能保证分组按序到达数据报方式不能保证分组按序到达912.虚电路方式（Virtual Circuit）

50、 思想：通信前预先建立一条逻辑连接虚电路虚电路 虚电路是面向连接的数据传输，工作过程类似于线路交换，不同之处在于此时的电路是虚拟的。 采用虚电路方式传输时，物理媒体被理解为由多个子信道（称之为逻辑信道LC）组成，子信道的串接形成虚电路（VC），利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。q也需要三个过程：建立数据传输拆除n建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源q虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要n数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络“数字管道”92 提供的是“面向连接”的服务 但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路

51、径上各个断续地依次占用传输路径上各个链路段链路段！ 可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达 虚电路又可分为：永久虚电路PVC和交换虚电路SVC93n分组通过预先建立好的虚电路穿越网络94n三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼呼叫叫请请求求呼呼叫叫应应答答数数据据ABCD寻路延迟寻路延迟线路交换线路交换分组分组1分组分组2分组分组3ABCD分组交换分组交换分组分组4t t报文报文ABCD排队延迟排队延迟报文交换报文交换952.7 差错控制差错控制 1.什么是差错控制？什么是差错控制？q在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正 2.

52、为何要进行差错控制？为何要进行差错控制？q不存在理想的信道不存在理想的信道传输总会出错传输总会出错 与语音、图像传输不同，计算机通信要求极与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。低的差错率。2.7.1产生差错的原因：产生差错的原因：1）信号衰减和热噪声；）信号衰减和热噪声；2）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；的畸变；3）信号反射，串扰；）信号反射，串扰；4）冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。）冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。962.7.2差错控制方法 差错控制的基本方法：接收方进行差错检测， 并向发送方应答，告知是否正确

53、接收。 常采用的差错控制技术有三种1)自动请求重发（检错反馈重发）（ Automatic Repeat Request, ARQ） 实现原理：接收方的译码器只检测有无误码，如发现有误码则利用方向信道要求发送方重发出错消息，直到接收检测认为无误码为止。 自动请求重发又有三种情况 （1）停等 ARQ 每发送一帧就需要一个应答帧（接收方确认），才能发出下一帧97（2)全部重发Go-back-N ARQ 发送方可以连续发送多个数据报。若前面的某个数据报文出错，该数据报文后的所有数据报文都要重发。(3)选择重传 ARQ 每发送N帧，需要一个应答帧，只重传出错的帧 2）前向纠错（自动纠错） 利用编码的方法

54、，接收方不仅对接收的数据进行检测，发现错误后能自动纠正错误 3）混合方式（Hybrid FEC-ARQ） 检错、纠错相结合.982.7.3 常见的检错码常用的检错码有：1.奇偶校验（Parity Checking）1）实现方法：在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。q例如：1100010增加偶校验位后为11100010q若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。992）特点 在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。只能用于面向字符的通信协议中。只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。3)按校验的数据

55、量和生成校验码的方式分三类 垂直奇偶校验码：以一个字符作为校验单位纵向生成校验码位； 水平奇偶校验码：以多个字符作为校验单位横向生成校验码位； 水平垂直冗余校验码（方阵校验码）：以多个字符作为校验单位水平垂直两个方向共同生成校验字符。1012.循环冗余校验编码（Cyclic Redundancy Check , CRC）q差错检测原理：收发双方约定一个收发双方约定一个生成多项式生成多项式G(x)，发送方根，发送方根据发送的据发送的数据和数据和G(x)计算出计算出CRC校验和校验和，使带，使带校验和的位串多项式能被校验和的位串多项式能被G(x)整除。接收方则整除。接收方则用用G(x)去除接收到的

56、数据，若有余数，则传输去除接收到的数据，若有余数，则传输有错有错。q校验和是16位或32位的二进制位串。qCRC校验的关键是如何计算校验和。102 CRC校验和的计算n数据块位串后面添加n个0，得到n位新数据块位串（n=生成多项式位数-1）n用新的数据块位串模2除以生成多项式位串，得到一个余数位串，即校验和n原数据块位串+余数位串 = 要发送的结果103n*CRC校验和的计算q以数据块（帧, Frame）为单位进行校验q将数据块构成的位串看成是系数为0或1的多项式n如110001，可表示成多项式 x5 + x4 + 1q若G(x)为r位，帧为m位，记多项式为M(x)，则在帧后面添加r-1个0，

57、成为m+r-1位，相应多项式为xr-1M(x) q按模2除法用xr-1M(x)除以G(x)：得商为Q(x)，余数为R(x)n即： xr-1M(x) = G(x)Q(x)+R(x)按模2加法把xr-1M(x)与余数R(x)相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x) ：即：T(x) = xr-1M(x) + R(x)实际上，T(x)=xr-1M(x)+R(x) =G(x)Q(x)+R(x)+R(x) =G(x)Q(x) (模2运算) 所以，若接收的T(x)正确，则它肯定能被G(x)除尽。例：设要校验的数据流为：110011（6bits)，约定的生成多项式为：11001（k=4，5bits）

58、分析：数据流用多项式可表示为 M(x)=x5+x4+x1+1 约定的生成多项式为 G(x)=x4+x3+1 由 M(x)=110011, G(x)=11001 得 M(x)*xk=1100110000 用M(x)*xk / G(x)得到R(x) 即：1100110000/11001根据模二除法所得的余数R(x)为：1001按模2加法把xr-1M(x)与余数R(x)相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x) ：即：T(x) = xr-1M(x) + R(x) T(x)=1100110000+ 1001= 1100111001假设收到的数据T(x)为：1100111001T(x)/G(x)

59、的模二除法余数为0结论：接收到的数据没有错误！1083.校验和校验和 校验和是因特网数据传输中常用的校验方式，校验和是因特网数据传输中常用的校验方式， IP、ICMP、TCP等协议都使用该方式进行差错检错。检测过程为： 1）发送方算法）发送方算法 a.将待发送的进行校验和运算的字符串分成若干16位的位串，每个位串看成一个二进制数，这里的字符串不关注其语义。 b.将IP、ICMP、TCP或UDP的PDU首部中的校验和字段设置为0，该字段也参与校验和运算。c.对这些16位的二进制数进行1的补码和（ones complement sum）运算，累加的结果再取反作为校验和，并放置到PDU的校验和字段中

60、。109接收方算法接收方算法将接收的进行校验和运算的16位二进制按发送方的同样方法进行1的补码和运算，包括校验和字段、累加的结果再取反。这样，其结果为0，表明传输正确；否则，表明传输有差错。 110数据10011100 00011010数据11011010 10001000数据10101101 00110101检验和00000000 0000000011011100 001001101的补码和 00100011 11011001反码11011100 00100110发送方运算111接收方运算数据10011100 00011010数据11011010 10001000数据10101101 001