数据通信的基本原理ppt课件

1、1第二章第二章 物理层物理层数据通讯的根本原理数据通讯的根本原理物理层接口及其协议物理层接口及其协议2Part 数据通讯的根本原理1 数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底1.1傅立叶分析傅立叶分析1.2有限带宽信号有限带宽信号1.3信道的最大数据传输速率信道的最大数据传输速率2 数据通讯技术数据通讯技术2.1数据通讯系统的根本构造数据通讯系统的根本构造2.2数据编码技术数据编码技术2.3多路复用技术多路复用技术2.4通讯线路的通讯方式通讯线路的通讯方式3 通讯交换技术通讯交换技术3.1电路交换电路交换3.2报文交换报文交换3.3分组交换分组交换3.4交换构造交换构造31数据通讯的实际根底数据通

2、讯的实际根底 ( 1 )主要内容：信号在通讯信道上传输时的数学表示及其所遭到的限制。1.1傅立叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 可分解为假设干项能够无限多项正弦和余弦函数之和：g(t) = c + + f = 1/T根本频率an, bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值21)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn41数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ()知 g(t)，求c, an, bn1) 将等式两边从到积分可得cc = 2) 用sin(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得an an = 3) 用cos(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得bnbn = T2T

3、dtnfttg0)2sin()(T2T2Tdttg0)(Tdtnfttg0)2cos()(51数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ( 3 )1.2有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals)对于二进制编码，其输出电压波形为： g(t) = 01010TtTTtTTtTTtTTt87878686838388061数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ( 4 )其傅立叶分析的系数为：an = cos(n/4) - cos(3 n/4) + cos(6 n/4) - cos(7 n/4)bn = sin(3n/4) - sin( n/4) + sin(7 n/4) - si

4、n(6 n/4)c = 3/8Fig. 2-1信号在信道上传输时的特性：对不同傅立叶分量的衰减不同，因此引起输出失真；信道有截止频率fc, 0 fc的振幅不衰减， fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决议， 0 fc称为信道的有效带宽；实践运用时，可以接入滤波器，限制用户的带宽；经过信道的谐波次数越多，信号越逼真。n1n1781数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ( 5 )波特率baud和比特率bit的关系：波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。比特率：每秒钟传送的二进制位数。波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。例：每个信号值可表示位，那么比特率是波特率的倍； 每

5、个信号值可表示位，那么比特率和波特率一样。对于比特率为bps的信道，发送位所需的时间为 8/B秒，假设位为一个周期，那么一次谐波的频率是：f1 = B/8 Hz能经过信道的最高次谐波数目为：N = fc / f191数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ( 6 )音频线路的截止频率为3000HzN = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/BFig. 2-2结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。10111数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ( 7 )1.3信道的最大数据传输速率1924年，奈魁斯特H. Nyquist推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传

6、输率公式：最大数据传输率 = 2Hlog2V (bps)恣意信号经过一个带宽为的低通滤波器，那么每秒采样次就能完好地重现该信号，信号电平分为级。1948年，香农C. Shannon把奈魁斯特的任务扩展到信道遭到随机热噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比信号功率与噪声功率之比来衡量。：信号功率，：噪声功率10log10S/N单位：分贝db121数据通讯的实际根底数据通讯的实际根底 ( 8 )香农的主要结论是： 带宽为 H 赫兹，信噪比为S/N的恣意信道的最大数据传输率为最大数据传输率 = Hlog2(1 + S/N) (bps)系统的典型信噪比为30db;此式是利用信息论得出的，具有普遍意义

7、；与信号电平级数、采样速度无关；此式仅是上限，难以到达。132数据通讯技术数据通讯技术 ( 1 )主要内容：数据在通讯信道上的各种传输方式及其所采用的技术。2.1数据通讯系统的根本构造根本构造数据传输计算机信号变换器计算机信号变换器信道过失控制142数据通讯技术数据通讯技术 ( 2 )数据表示和传输方式数据表示数据： 模拟数据 (Analog Data) 延续值数字数据 (Digital Data) 离散值数据传输方式信号： 模拟信号 (Analog Signals)数字信号 (Digital Signals)信号发送方式：模拟信号发送模拟信道数字信号发送数字信道152数据通讯技术数据通讯技术

8、 ( 3 )模拟信号发送：模拟数据声音模拟信号数字数据二进制脉冲模拟信号数字信号发送：模拟数据数字信号数字数据二进制脉冲数字信号数字信号发送的优点是：价钱廉价，对噪声不敏感； 缺陷是：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。系统调制解调器MODEM编码解码器CODEC数字编码解码器162数据通讯技术数据通讯技术 ( 4 )2.2数据编码技术研讨数据在信号传输过程中如何进展编码变换数字数据的数字传输基带传输基带：根本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固 有的频带。基带传输：在传输时直接运用基带信号。基带传输是一种最简单最根本的传输方式，普通用低电平表示“0，高电平表示“1。适用范围：低速和高速

9、的各种情况。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。172数据通讯技术数据通讯技术 ( 5 )常用的几种编码方式：1不归零制码NRZ：Non-Return to Zero原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0和“1，低电平表示“0，高电平表示“1。缺陷： a难以分辨一位的终了和另一位的开场； b发送方和接纳方必需有时钟同步； c假设信号中“0或“1延续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误。2曼彻斯特码Manchester，也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0，从高跳到低表示“1。优点：抑制了NRZ码的缺乏。每位中间的跳变即可作为数

10、据，又可作为时钟，可以自同步。182数据通讯技术数据通讯技术 ( 6 )3差分曼彻斯特码Differential Manchester原理：每一位中间都有一个跳变，每位开场时有跳变表示“0，无跳变表示“1。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分别，便于提取。4逢“1变化的NRZ码原理：在每位开场时，逢“1电平跳变，逢“0电平不跳变。5逢“0变化的NRZ码原理：在每位开场时，逢“0电平跳变，逢“1电平不跳变。19 001101NRZ曼彻斯特差分曼彻斯特逢“1变化NRZ逢“0变化NRZ202数据通讯技术数据通讯技术 ( 7 )数字数据的模拟传输频带传输频带传输：指在一定频率范围内

11、的线路上，进展载波传输。用基带信号对载波进展调制，使其变为适宜于线路传送的信号。调制Modulation：用基带脉冲对载波信号的某些参量进展控制，使这些参量随基带脉冲变化。解调Demodulation：调制的反变换。调制解调器MODEMmodulation-demodulation) Figure21Caption: Modem showing RS-232 connector for serial connection to computer and RJ-11 jack for connection to phone line. 22Caption: Computer system wit

12、h modems, showing serial cable to modem and cable to phone jack. 23Caption: Dialup modem for voice telephone lines. 24Caption: Modems in a computer center for dial-up modem access to the organization network. 25Caption: An Ascend Pipeline ISDN modem. 26Caption: Two examples of PCMCIA fax/modem/Ether

13、net adapters. 272数据通讯技术数据通讯技术 ( 8 )根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK)频移键控法 Frequency-shift keying (FSK)相移键控法 Phase-shift keying (PSK) 282数据通讯技术数据通讯技术 ( 9 )1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) 取不同的值表示不同的信息码。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0，A2表示“1。 Fig. 2-18NAAAtAtt

14、,)()()(2100292数据通讯技术数据通讯技术 ( 10 )2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。 Fig. 2-18NttAtA,)()()(2100302数据通讯技术数据通讯技术 ( 11 )3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。 Fig. 2-24NttAtA,)()()(210031322数据通讯技术数据通讯技术 ( 12

15、)模拟数据数字传输处理模拟信号数字化问题，也称为脉冲代码调制PCMPulse Code Modulation。根据Nyquist原理进展采样。1常用的PCM技术将模拟信号振幅分成多级2n，每一级用 n 位表示。例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。2差分脉冲代码调制原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进展编码，输出二进制数字。3 调制原理：根据每个采样值与前一个值之间差“+1或“-1来决议输出二进制“1或“0。缺陷：编码速度跟不上变化太快的信号。33342数据通讯技术数据通讯技术 ( 13 )2.3多路复用技术由于一条传输线路的才干远远

16、超越传输一个用户信号所需的才干，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常用的有三种方法：时分复用 TDMTime Division Multiplexing主要用于数字数据传输T1载波，分成 24 个信道Fig. 2-33频分复用 FDMFrequency Division MultiplexingFig. 2-31波分复用 WDMWavelength Division MultiplexingFig. 2-32353637382数据通讯技术数据通讯技术 ( 14 )2.4通讯线路的通讯方式衔接方式为顺应不同的需求，通讯线路采用不同的衔接方式。点 点方式多点方式ABABCD3

17、92数据通讯技术数据通讯技术 ( 15 )通讯方式从信息传送方向和时间的关系角度研讨。单工通讯方式信息只能单向传输，监视信号可回送。半双工通讯方式信息可以双向传输，但在某一时辰只能单向传输。AB数据监视信号AB数据监视信号402数据通讯技术数据通讯技术 ( 16 )全双工通讯方式信息可以同时双向传输，普通采用四线式构造。AB数据监视信号413.2数据通讯技术数据通讯技术 ( 17 )同步方式目的：接纳方必需知道每一位信号的开场及其宽度，以便正确的采样接纳。以字符传输字符为根本传输单位为例，在基于字符的信息传送中，可以采用异步方式，也可以采用同步方式。1异步方式信息是以字符为单位传送的；每个字符

18、由发送方异步产生，有随机性；字符普通采用5，6，7或8位二进制编码；需求辅助位，每个字符能够需求用10位或11位才干传送，例如：起始位，1位；字符编码，7位；奇偶校验位，1位；终止位，1 2位。422数据通讯技术数据通讯技术 ( 18 )特点：传输效率低；主要用于字符终端与计算机之间的通讯。0 1 0 1 0 11 00 1起始位字符编码奇偶校验终止位432数据通讯技术数据通讯技术 ( 19 )2同步方式信息是以报文为单位传送的；传输开场时，以同步字符使收发双方同步；从传输信息中抽取同步信息，修正同步，保证正确采样。特点：可以不延续地传输信息，传输效率较高；字符间减少了辅助信息；传输的信息中不

19、能有同步字符出现，透明性较差。SYN SYN 信 息 SYN SYN442数据通讯技术数据通讯技术 ( 20 )3基于位的传送中，采用同步方式。信息以二进制位流为单位传送；传输过程中收发双方以位为单位同步；传输的开场和终了由特定的八位二进制位同步。特点：传输效率高；透明性好。标志 二进制位流 标志45Communication networks can be classified based on the way in which the nodes exchange information:A Taxonomy of Communication NetworksCommunication C

20、ommunication NetworkNetworkSwitchedSwitchedCommunication Communication NetworkNetworkBroadcastBroadcastCommunication Communication NetworkNetworkCircuit-SwitchedCircuit-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkPacket-SwitchedPacket-SwitchedCommunication Communication NetworkNetworkDatagramD

21、atagram Network NetworkVirtual Circuit NetworkVirtual Circuit Network463通讯交换方式通讯交换方式1在多结点通讯网络中，为有效利用通讯设备和线路，普通希望动态地设定通讯双方间的线路。动态地接通或断开通讯线路，称为“交换交换方式分类：电路交换报文交换存储转发方式分组交换包交换存储转发方式混合交换 473通讯交换方式通讯交换方式23.1电路交换circuit switching原理直接利用可切换的物理通讯线路，衔接通讯双方。三个阶段建立电路传输数据撤除电路特点在发送数据前，必需建立起点到点的物理通路；建立物理通路时间较长，数据传

22、送延迟较短。例Telephone networksISDN (Integrated Services Digital Networks)4849503通讯交换方式通讯交换方式4A node (switch) in a circuit switching networkincoming linksoutgoing linksNode513通讯交换方式通讯交换方式5Multiplexing/DemultiplexingTime divided in frames and frames divided in slotsRelative slot position inside a frame det

23、ermines which conversation the data belongs toNeeds synchronization between sender and receiverIn case of non-permanent conversationsneeds to dynamic bind a slot to a conservation523通讯交换方式通讯交换方式63.2报文交换message switching原理信息以报文逻辑上完好的信息段为单位进展存储转发。Fig. 2-39特点线路利用率高；要求中间结点网络通讯设备缓冲大；延迟时间长。 533通讯交换方式通讯交换方

24、式73.3分组交换packet switching原理信息以分组为单位进展存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。Fig. 2-38Fig. 2-39特点每个分组头包括目的地址，独立进展路由选择网络结点设备中不预先分配资源线路利用率高；结点存储器利用率高；易于重传，可靠性高；543通讯交换方式通讯交换方式8- 易于开场新的传输，让紧急信息优先经过；- 额外信息添加。- 分组交换分为- 数据报datagram和虚电路virtual circuit553通讯交换方式通讯交换方式9A node in a packet s

25、witching networkincoming linksoutgoing linksNodeMemory563.3通讯交换方式通讯交换方式10Data from any conversation can be transmitted at any given timeHow to tell them apart?use meta-data (header) to describe data573通讯交换方式通讯交换方式11数据报每个分组均带有全称网络地址源、目的，可走不同的途径。例: IP networks虚电路电路交换和分组交换的结合data is transmitted as pack

26、etsall packets from one packet stream are sent along a pre-established path (=virtual circuit)Guarantees in-sequence delivery of packetsHowever: Packets from different virtual circuits may be interleaved583通讯交换方式通讯交换方式12- 分三个阶段- 建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路- 传输：沿建立好的虚电路传输数据；- 撤除：撤除虚电路。- Fig. 2-43(3rd edi

27、tion)- Note: packet headers dont need to contain the full destination address of the packet - 例: ATM networks59603通讯交换方式通讯交换方式13电路交换与分组交换的比较Most important advantage of packet-switching over circuit switching: Ability to exploit statistical multiplexing:efficient bandwidth usage; ratio between peek a

28、nd average rate is 3:1 for audio, and 15:1 for data trafficHowever, packet-switching needs to deal with congestion:more complex routersharder to provide good network services (e.g., delay and bandwidth guarantees)In practice they are combined:IP over SONET, IP over Frame RelayFig. 2-4061623通讯交换方式通讯交

29、换方式14结论：电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下运用比较经济；报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵敏，但延迟大；分组交换缩短了延迟，也能满足普通的实时信息传送。在高带宽的通讯中更为经济、合理、可靠。是目前公认较最好的一种交换技术。633通讯交换方式通讯交换方式153.3交换构造switch fabriccrossbar 交换Fig. 2-38(3rd edition)空分交换Fig. 2-39(3rd edtion)时分交换Fig. 2-40(3rd edition) 64656667(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMa

30、I7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u

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32、cK8H5D2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVnVjSgPdLaI6F3C0

33、y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVk

34、SgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D

35、2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#

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37、I6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-x

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39、iQeNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3

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