计算机网络PPT第2章

1、标题标题基本概念基本概念模拟信号模拟信号 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；号编码的方式表示；数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。比特序列的模拟或数字信号的过程。 2基本概念基本概念通信的目的是交换信息，通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形

2、或图像的组合；字母、数字、语音、图形或图像的组合； 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；形或图像用二进制代码的数据来表示； 信息、信息、数据数据与信与信号号： 按照在传输介质上传输的信按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。系统与数字通信系统两种。信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的）的信号电平是连续变化的数字信号（数字信号（di

3、gital signal）是用两种不同的电平去表）是用两种不同的电平去表示示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；比特序列的电压脉冲信号表示；： 模拟信号是一种连续变化的电磁波，这种电磁波可以按照不同模拟信号是一种连续变化的电磁波，这种电磁波可以按照不同频率在各种介质上传输。正弦波是模拟信号的最基本形式，是一个频率在各种介质上传输。正弦波是模拟信号的最基本形式，是一个非常平滑的振动曲线，见图。非常平滑的振动曲线，见图。一个正弦波可以用三个特性来描述：一个正弦波可以用三个特性来描述：（振幅振幅频率频率相位相位2.1.2 模拟信号模拟信号模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形 (a)(a)v(t

4、)v(t)tt(b)(b)数字数据转换为模拟信号数字数据转换为模拟信号数字数据采用调数字数据采用调制的方法转换为制的方法转换为模拟信号模拟信号数字数据的数字信号数字数据的数字信号编码是指数字信息用编码是指数字信息用数字信号来表示数字信号来表示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模拟信号传输模拟数据的模拟信号传输模拟数据的模拟信号传模拟数据的模拟信号传输是指对任意的模拟信输是指对任意的模拟信息采用调制的方法息采用调制的方法模拟数据转换为数字信号模拟数据转换为数字信号模拟数据用数字信号表模拟数据用数字信号表示叫解调，是从载波频示叫解调，是从载波频段变换到基带，通过编段变换到基带，

5、通过编码解码器实现码解码器实现数字数据转换为模拟信号数字数据转换为模拟信号调制的基本方法主要有三种调制的基本方法主要有三种（1）幅移键控法）幅移键控法ASK，又称，又称AM（2）频移键控法）频移键控法FSK，又称，又称FM（3）相移键控法）相移键控法PSK，又称，又称PM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模拟信号传输模拟数据的模拟信号传输模拟数据转换为数字信号模拟数据转换为数字信号解调的方法主要有两种：解调的方法主要有两种： （1）脉冲幅度调制）脉冲幅度调制PAM （2）脉码调制）脉码调制PCM基本方法主要有三种基本方法主要有三种（1）幅度调制）幅度调制AM（2）频率调制）

6、频率调制FM（3）相位调制）相位调制PM数据编码类型数据编码类型（1）不归零码）不归零码 NRZ（2）曼彻斯特编码）曼彻斯特编码（3）差分曼彻斯特编码）差分曼彻斯特编码模拟数据编码方法 01001000+0+0+0+0212+数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)121脉冲编码调制方法 D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513

7、741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)PCM用于数字语音系统用于数字语音系统： 声音分为声音分为128个量化级；个量化级； 每个量化级采用每个量化级采用7位二进制编码表示；位二进制编码表示； 采样速率为采样速率为8000样本样本/秒；秒； 数据传输速率应达到数据传输速率应达到7位位8000/秒秒=56Kbps； 如果每个量化级采用如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示; 数据传输速率应达到数据传输速率应达到8位位8000 /秒秒= 64Kbps。曼彻斯特（曼彻斯特（Machester）编码）编码 在曼彻斯特编码中，每位数据位的中心都有一个跳在曼彻斯特编码中，每位数据

8、位的中心都有一个跳变，既作为时钟信号，又作为数据信号，可以起到位同步变，既作为时钟信号，又作为数据信号，可以起到位同步信号的作用。其编码规则是：每个比特的中间有跳变；二信号的作用。其编码规则是：每个比特的中间有跳变；二进制进制“0”，表示从高电平到低电平的跳变；二进制，表示从高电平到低电平的跳变；二进制“1”表表示从低电平到高电平的跳变。示从低电平到高电平的跳变。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differentlal Manchestert Encoding) 在差分曼彻斯特编码中，每位数据位的中心都有一个在差分曼彻斯特编码中，每位数据位的中心都有一个跳变，该跳变仅提供时钟定时，起到位同步

9、信号的作用。跳变，该跳变仅提供时钟定时，起到位同步信号的作用。数据则是以每位数据位的开始是否有跳变，来表示这位数数据则是以每位数据位的开始是否有跳变，来表示这位数据是据是“ 1”还是还是“0”。其编码规则是：二进制。其编码规则是：二进制“0”，表示每，表示每比特的开始有跳变；二进制比特的开始有跳变；二进制“1”表示每比特的开始无跳变。表示每比特的开始无跳变。数字数据编码方法 01001011数数据据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码数据传输类型：数据传输类型： 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信 数据通信方式：数据通信方式： 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 单

10、工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式：同步方式： 同步通信同步通信 异步通信异步通信网络通信系统设计中要解决的几个基本问题网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：1.数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程 通信子网通信子网资源子网资源子网CCPBCCPDCCPCCCPECCPACCPF主机H主机HAB2.单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道单向通道双向通道双向通道双向通道双向通道(a)(a)(b)(b)(c)(c)发送接收接收发送发送接收接收发送基带传输的定义基带传输的定义 通信信道带宽对基带传输的影响 E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t

11、)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1 2 3 4 5 6 7 8 9 1001100010(a)(b)(c)(d)(e)0 10 1 20 1 2 3 40 1 2 3 4 5 6 7 8ttttt数据通信方式数据通信方式1.并行传输并行传输2.串行传输串行传输 3.通路通路 串行通信与并行通信 发送端接收端串行通信信道串行通信信道(a)(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并并行行通通信信信信道道(b)(b)同步通信与异步通信一个或多个SYN字符控制字符数据字符SYNSYN控制字符t字节5字节4

12、字节3字节3字节2字节1bbbbbbb终止位(逻辑 0 )起始位(逻辑 1 )6543210调制解调器的基本工作原理调制解调器的基本工作原理 在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；输的模拟信号； 在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。信号。调制解调器的基本工作原理电话机电话线电话线电话机电话交换网电话交换网计算机计算机ModemModemFSK方式Modem的工作原理 电话交换网电话交换网组合器OSCOSC1270Hz1070Hz1 0 0 11270Hz带通

13、滤波器1070Hz带通滤波器1 0 01组合器滤波器滤波器计算机调制器解调器计算机电话机电话机Modem实现全双工通信的工作原理011070Hz1270Hz012025Hz2225Hz上频带下频带fol=1170Hzfoh=2125Hz电话交换网通频带调制解调器的分类与应用 外置Modem与计算机的连接 电话插座电源插座调制解调器调制解调器电话机计算机 （3）噪声）噪声 NTS2log1数据传输速率的定义与信道速率的极限 数据传输速率的定义 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标； 数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps； 常用的数据传

14、输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中： 1Kbps = 1103 bps 1Mbps = 1106 bps 1Gbps = 1109 bps 1Tbps = 11012 bps信道速率的极限值 奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz） 的关系为Rmax=2 Blog2N （bps）； 香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时， 数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N 的关系为Rmax = Blog2（1+S/N） S/N为信噪比；例例2-1：一个无噪声的信道，带宽是：一个无噪声的信道，带宽是4000Hz，采

15、用采用4相调制解调器传送二进制信号，问信道相调制解调器传送二进制信号，问信道容量是多少？容量是多少？解：解：4相调制解调器传送二进制信号的离散信相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为号数为4，所以，所以N=4，则信道容量，则信道容量 (kbit/s)NWC2log2NWC2log2NWC2log2164log400022C香农定理（香农定理（Shannaon）在有噪声的环境中，信道容量将与信噪功率比有关，在有噪声的环境中，信道容量将与信噪功率比有关，根据香农公式，在给定带宽根据香农公式，在给定带宽W(Hz)，信噪功率比，信噪功率比S/N的信道中，最大数据传输速率的信道中，最大数据传输速率C为

16、为公式中的公式中的S/N为信噪功率比，而为信噪功率比，而S/N常用分贝形式来常用分贝形式来表示，故其计算公式如下：表示，故其计算公式如下： dB= 式中式中S为信号功率，为信号功率，N为噪声功率。为噪声功率。例例2-2：一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为：一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为20dB的的3000Hz带宽信道传输，其数据速率不会超过多少？带宽信道传输，其数据速率不会超过多少？解：已知信噪比电平为解：已知信噪比电平为20dB，则信噪功率比，则信噪功率比 S/N =100dB (kbit/s)数据速率不会超过数据速率不会超过19.98kbit/sNSWC1log2NSlog

17、1010NS98.1966. 630001001log30002C信道容量与数据传输速率的区别信道容量与数据传输速率的区别信道容量与数据传输速率的区别信道容量与数据传输速率的区别信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限；道传输数据能力的极限；数据传输速率则表示实际的数据传输速率。数据传输速率则表示实际的数据传输速率。高速通信线路多路复用器多路复用器多路复用频分多路复用FDM时分多路复用TDM波分多路复用WDM频分多址时分多址码分多址同步时分多路复用异步时分多路复用多路复用的类型多路复用的类型（1） 频分多路复用频分多路复用 在一条通信

18、线路设计多路通信信道; 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; 各个载波频率是不重叠的, 一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。 13003100信道16064687260646872频率( k Hz)（c ）（c ）频率( k Hz)（b ）（b ）频率( H z)（a ）（a ）信道2信道311信道1信道2信道3（2） 波分多路复用 光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM; 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM； 目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps 。共享光纤共享光纤光栅光栅功率波长共享光纤的波谱功率波长光纤1的波谱

19、功率波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤3的波谱功率波长光纤4的波谱（3） 时分多路复用 时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片； 每个用户分得一个时间片； 在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。 信道2 4信道1信道2信道3信道401193比特帧（1 2 5 微秒 ）帧开始位7位数据位校验位时分多路复用的分类 同步时分多路复用 统计时分多路复用 124.n13.n.1234.n时间片1时间片2时间片n125.m41257.m.1234.m时间片1时间片2时间片n2.2.7 差错控制1 差错产生的原因与差错类型差错产生的原因与差错类型 传输差错是通

20、过通信信道后接收的数据与发送数据传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据 不一致的现象不一致的现象; 差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错； 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声； 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错； 冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错； 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。差错共同构成的。 2.传输差错产生过程信源通信

21、信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)3. 误码率的定义 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数； 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一； 对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求； 对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来

22、计算； 差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。 4. 检错码与纠错码 纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。 检错码: 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。 5. 循环冗余编码工作原理 发送方接收方发送数据 f ( x )生成多项式 G ( x )f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送: f ( x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.R(x)发送数据 f (x)生成多项式

23、G ( x )R(x)=R(x) 接收正确R(x)=R(x) 接收出错发送f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)CRC检错方法举例 1 1 0 0 1 1发送数据比特序列CRC校验码比特序列1 0 0 1带CRC校验码的发送数据比特序列1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 101 0 0 0 0 11 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk标准CRC生成多项式G（x）CRC

24、-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1CRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1CRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 CRC校验码的检错能力 CRC校验码能检查出全部单个错； CRC校验码能检查出全部离散的二位错； CRC校验码能检查出全部奇数个错； CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错； CRC校验码能以1-（1/2）K-1的概率检查出长度为（K+1）位的突发错； 如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16 位的所有的突