第2章数据通信

1、本章学习要求本章学习要求： 数据是携带含义的实体。数据的含义就是信数据是携带含义的实体。数据的含义就是信息，数据是信息的载体，信息是数据的解释，息，数据是信息的载体，信息是数据的解释，是数据所要表达的内容。是数据所要表达的内容。 模拟信号是随时间连续变化的信号；数字信模拟信号是随时间连续变化的信号；数字信号在时间上和幅度上都是不连续的号在时间上和幅度上都是不连续的 以连续值的形式出现的数据是模拟数据，例温以连续值的形式出现的数据是模拟数据，例温度、压力、声音度、压力、声音以离散值的形式出现的数据是数字数据以离散值的形式出现的数据是数字数据 ，例整，例整数、文字的数字编码数、文字的数字编码 一个

2、二进制位叫一个比特（一个二进制位叫一个比特（bit）用于一路信号传输的通道，称为信道，一条物用于一路信号传输的通道，称为信道，一条物理线路常可以被划分为多个信道理线路常可以被划分为多个信道 1. 基本定义概念：基本定义概念：比特比特(bit)：信息量的单位，值为：信息量的单位，值为0/1。比特率（。比特率（bit/s）即为）即为每秒传输的二进制位个数。每秒传输的二进制位个数。码元码元(Code Cell)：一个数字脉冲称为一个码元。：一个数字脉冲称为一个码元。码元所携带的信息码元所携带的信息n（比特数）与码元所取的离散值个数（比特数）与码元所取的离散值个数m的关系：的关系： n=log2m想？

3、想？m取取2、4、8时，分别携带的信息量是多少？时，分别携带的信息量是多少？2.主要技术指标：主要技术指标： 数据传输速率R：数字数据的传输速率，每秒传输二进制代码的比特位数。比特/秒：b/s或bps(bit per second)即为比特率。 信号传送速率B：数字信号的传输速率，指单位时间内所传送信号波形的单元数。一个波形单元也称为一个码元。单位：波特（Baud）。 比特率R与波特率之间的关系： R=Blog2N R-比特率，B-波特率， N:一个码元携带的信息量的个数 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。 换句话说，一个码元中可以传送多个比特

4、的信息。 例如，N=4，波特率为1200时，数据传输率为？b/s误码率（误码率（Pe）：二进制码元在数据传输中被传错的概率称为误码率。：二进制码元在数据传输中被传错的概率称为误码率。需传输的位数为需传输的位数为N位，出错的位数为位，出错的位数为Ne。Pe=Ne/N 信道容量：信道容量： 物理信道上能传输数据的最大能力。单位时间内可传输的最大比特数。 信道容量与传输速率的区别？ （1）无噪声时的信道容量公式 Rmax=2Wlog2M 奈奎斯特（Nyquist） M=4，W=4KHZ，数据的最大传输速率可达多少？ W：信道带宽 ； M：信号可取的离散值的个数。 ( 2)有噪声时的信道容量公式 C=

5、Wlog2 （1+S/N）仙农（Shannon） S ：平均功率 N：噪声功率 Nyquist 公式：用于理想低通信道 C = 2W log2 M C = 数据传输率，单位bit/s ；W = 带宽，单位Hz；M = 信号编码级数 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 例如，话音级线路的例如，话音级线路的 带宽为带宽为3100Hz，根据，根据 上式计算的信道最大上式计算的信道最大 数据传输速率如右表所示数据传输速率如右表所示M 最大数据率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps16 24800 bps32 31000 bps例

6、：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则 C = 3100*log2(1+2000) 34Kbit/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s 非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。噪声会破坏信号，产生误码。持续时间持续时间0.01s的干扰会破坏约的干扰会破坏约560个比特个比特(56Kbit/s) 信道所能传送的信号的频率范围称为信道的带宽信道所能传送的信号的频率范围

7、称为信道的带宽 ，信道允许的最高频率与低频率的差值带宽常被用来衡量信道允许的最高频率与低频率的差值带宽常被用来衡量通信系统传输数据的能力通信系统传输数据的能力 更常用的带宽单位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.

8、25 s带宽为4 Mb/s 吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。 吞吐量更经常地用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过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 传输时延（发送时延 ）发送数据时，数据块从结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，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 发送时延 = 数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒） 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 传播时延 =

9、 信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）处理时延 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。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。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： 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 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 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q q 发送站发送站接收站接收站信息流向信息流向单工通信单工通信发发收收发发收收半双工通信半双工通

10、信发发收收发发收收全双工通信全双工通信q q q 串行传输串行传输把每个二进制位按顺序排列成串，形成比特流，逐位在把每个二进制位按顺序排列成串，形成比特流，逐位在信道上传送信道上传送 同步控制同步控制发送端发送端接收端接收端b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道串行信道发送时钟发送时钟接收时钟接收时钟串行通信串行通信q 并行传输并行传输多个比特以成组的方式在多个并行的信道上同时传输多个比特以成组的方式在多个并行的信道上同时传输 道道信信行行并并b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1并行通信并行通信 同步是指通信的收发双方发送和接收数据在时间同步是指通信的收发双方发送

11、和接收数据在时间 基准上必须保持一致。基准上必须保持一致。 同步方法分为异步方式和同步方式。同步方法分为异步方式和同步方式。SYNSYN一个或多个一个或多个SYN字符字符控制字符控制字符数据字符数据字符控制字符控制字符同步传输的字符块结构同步传输的字符块结构q 同步传输方式同步传输方式b0位宽位宽字符字符1字符字符4字符字符3字符字符2启始位启始位7个信息位个信息位校验位校验位 截止位截止位一个字符一个字符接收时钟同步接收时钟同步发送时钟发送时钟接收时钟接收时钟发送的字符发送的字符tb1b2b3b4b5b6异步传输中的比特流结构异步传输中的比特流结构q 异步传输方式异步传输方式基带传输是在数字

12、信道上直接传送基带信号基带传输是在数字信道上直接传送基带信号v 不归零码不归零码v 差分不归零码差分不归零码v 曼彻斯特编码曼彻斯特编码v 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码1 1、二阶基带信号编码方式、二阶基带信号编码方式 二阶：信号上仅能区分出两种逻辑状态二阶：信号上仅能区分出两种逻辑状态高低电位高低电位电位的极性：电位的正负（单极性双极性）电位的极性：电位的正负（单极性双极性） 不归零码不归零码(NRZ,Non(NRZ,Non-return to Zero)-return to Zero) 最原始的编码最原始的编码 1=1=高电位高电位 0=0=低电位低电位1111000000 归零码归零

13、码(RZ,Return(RZ,Return-To-Zero)-To-Zero) 1= 1=从高电位变化到低电位从高电位变化到低电位 0=0=低电位低电位1111000000 归零反转码归零反转码(NRZI,Nonreturn(NRZI,Nonreturn-To-Zero-Inverted) -To-Zero-Inverted) 1= 1=与前一位比，变换电位状态与前一位比，变换电位状态 0=0=与前一位比，不变换电位状态与前一位比，不变换电位状态 同一串码流有两种编码方式同一串码流有两种编码方式 1 1、假设前一位是低电位、假设前一位是低电位11110000002 2、假设前一位是高电位、假设

14、前一位是高电位1111000000 曼彻斯特码曼彻斯特码(Manchester)(Manchester)0=0=从低电位变化到高电位从低电位变化到高电位1=1=从高电位变化到低电位从高电位变化到低电位差分式曼彻斯特码差分式曼彻斯特码(Differential Manchester)(Differential Manchester) 1= 1=颠倒上一位电位状态变化方式颠倒上一位电位状态变化方式 0=0=沿用上一位电位状态变化方式沿用上一位电位状态变化方式 同一串码流有两种编码方式同一串码流有两种编码方式 不管前一位是不管前一位是1 1或或0 0 ，假设前一位由低电位升到高电位，假设前一位由低电

15、位升到高电位1111000000不管前一位是不管前一位是1 1或或0 0 ，假设前一位由高电位降到低电位，假设前一位由高电位降到低电位1111000000数字数据的编码数字数据的编码 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1不归零不归零差分不归零差分不归零曼彻斯特曼彻斯特差分曼彻斯特差分曼彻斯特 通常是指在电话网上传输数据通常是指在电话网上传输数据q 调制与解调调制与解调调制是用交流信号承载信息的过程，即用要发送的信息调制是用交流信号承载信息的过程，即用要发送的信息调制载波调制载波解调是从载波中还原发送的信息的过程解调是从载

16、波中还原发送的信息的过程q 3种基本调制形式种基本调制形式载波信号：载波信号：Asin(2nft+)v 幅移键控（幅移键控（ASK）即调幅）即调幅v 频移键控（频移键控（FSK）即调频）即调频v 相移键控（相移键控（PSK）即调相）即调相ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据m(t)s(t)m(t)数字或数字或模拟数据模拟数据载波发送方发送方接收方接收方1. 幅移键控（ASK ,Amplitude Shift Keying） ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”、“0”的，以载波幅度A1表示数字信号“1”，用载波幅度A2表示数字信号“0”（通常A1

17、取1，A2取0），而载波信号的参数f和恒定。2. 频移键控（FSK ,Frequency Shift Keying） FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字信号“1”、“0”的，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和不变。3.相移键控（PSK ,Phase Shift Keying） PSK是通过改变载波信号的相位值（）来表示数字信号“1”、“0”的，而载波信号的A和f不变。PSK包括绝对调相和相对调相两种类型： （1）绝对调相 绝对调相使用相位的绝对值，为0表示数字信号“1”，为表示数字信号“0”。 （2）相对调相 相对调相使用相位的偏移值，当数字数据为0

18、时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移。3种调制技术的波形种调制技术的波形数据数据 1 0 1 1 0 0 1ASKFSKPSK(绝对绝对)PSK(相对相对)3 3、 模拟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常用的方法有脉冲编码调制（PCM）以采样定理为基础，将模拟数据数字化。 这需要经过三个步骤： 采样：按一定间隔对语音信号进行采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：对每个样本舍入到量化级别上量化：对每个样本舍入到量化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码编码：对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为PCM信号 (脉码调制, Pulse Code

19、d Modulation) 话音信道带宽话音信道带宽4kHz 28kHz ( 2倍话音最大频率倍话音最大频率) )量化级数：量化级数：8 8级级 ( (用用3 3位二进制码表示位二进制码表示) )设量化级为设量化级为N N，对应的二进制位数位，对应的二进制位数位loglog2 2N N数据率：数据率：80008000次次/s/s* *3bit = 24kbit/s3bit = 24kbit/s 每路每路PCMPCM信号的速率信号的速率 = 24000bit/s= 24000bit/s模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟PCM PCM 信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码数字化数字化声音声音

20、f4kHzf4kHzfsfs=8kHz=8kHzPCM转换过程举例转换过程举例语音信号语音信号 011 100 011 011 011 100 011 011 001 100 001 100PCM PCM 输出输出011011100100011011011011001001100100PCM PCM 脉冲脉冲 （有量化误差（有量化误差PAMPAM脉冲脉冲2.5 多路复用技术多路复用技术复用：多个信息源共享一个公共信道.为何要复用？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信信源源信信宿宿多路复用技术的分类多路复用技术的分类

21、频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)波分多路复用WDM (Wave Division Multiplexing) 时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)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）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5频分多路复用（模拟信道）频分多路复用（模拟信道） 原理：整个

22、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。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。 实现的条件：信道的带宽远远大于每个子信道的带宽实现的条件：信道的带宽远远大于每个子信道的带宽 各子信道上并行传输的。各子信道上并行传输的。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

23、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。时分复用时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用 频率时间B

24、DBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成线路资源的浪费时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd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。 统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdt

25、tttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用 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。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 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅波分多路复用波分多路复用 波分多路复用波分多路复用光光纤纤1 1光光纤纤2 2光光纤纤3 3光光纤纤4 4共享光纤共享光纤棱镜棱镜/ /光栅光栅棱镜棱镜/ /光栅光栅码分多路复用码分多路复用

26、码分多路复用又称为码分多址（CDMA, Coding Division Multiplexing Access）。它也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，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。 码分复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。 传统的数据交换方式有电路交换和存储交换。传统的数据交换方式有电路交换和存储交换。电路交换要经过电路交换要经过3个阶段个阶段v 建立通路建立通路v 传输数据传输数据v 撤消通路撤消通路主机主机B主机主机C主机主机D结点结点A结点结点B结点结点E结点结点F结点结点G结点

27、结点C结点结点D通信子网通信子网主机主机A建立信道建立信道撤消信撤消信道道数据传数据传输输 B C E G呼叫请求呼叫请求撤消呼叫撤消呼叫呼叫应答呼叫应答撤消应答撤消应答报文或分组报文或分组应答应答电路交换举例 A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例 C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA存储转发交换方式分类： 数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式；报文传输：不管

28、发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。报文和报文分组结构 由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。报文分组报文分组报文报文报文号目的地址源地址校验报文号目的地址源地址报文分组数据校验报文分组号数据数 据数 据数 据F 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块F 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）F 依次把各分组发送到接收端F 接收端剥去

29、首部，抽出数据部分，还原成报文数 据分组报文发送端首部分组数 据首部分组首部数 据发送发送发送在前发送接收端数 据首部数 据首部数 据首部报文号报文号目的地址目的地址源地址源地址数数 据据校验校验典型的报文结构典型的报文结构q 主要缺点主要缺点v 由于报文一般都比较长，延迟比较大，对结点由于报文一般都比较长，延迟比较大，对结点存储能力的要求也比较高存储能力的要求也比较高v 产生差错后要重传整个报文，降低了传输的效产生差错后要重传整个报文，降低了传输的效率，增加了延迟率，增加了延迟主机主机A通信子网通信子网主机主机D数据报方式数据报方式主机主机C主机主机Bq 数据报方式数据报方式主机主机A主机主

30、机C通信子网通信子网主机主机D虚电路方式虚电路方式主机主机Bq 虚电路方式虚电路方式H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机分组交换网的示意图分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机注意分组的存储转发过程注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口电信网电信网向用户电话机提供可

31、靠交付TCP 协议协议丢弃丢弃丢弃丢弃丢弃丢弃三种交换的比较三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放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2.7 差错控制技术 差错：就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象。差错控制：是检查是否出现差错以及如何纠正差错；1.差错的产生 通信信道中的噪声分为热噪声和冲击噪声。 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；在通信

32、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。传输差错产生过程信源通信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)差错的控制差错的控制 差错控制编码。差错控制编码分为检错码和纠错码。 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。 差错控制方法 分为两类：自动请求

33、重播、前向纠错 编码效率：是码字中信息位所占的比例 R=k/n=k/(k+r) K为信息位的位数；n为编码的长度；r为外加冗余位为数1 1、奇偶校验（、奇偶校验（Parity CheckingParity Checking） 奇偶校验码是通过增加冗余位来检错，如ASCII，是根据数据和冗余位中“1”的总数的奇偶性进行的一种编码，通常的奇校验（“1”的总数为单，用于同步通信中），偶校验（“1”的总数为双，用于异步通信中）；奇偶校验码通常有以下三种形式： 水平奇偶校验：以字符为单位，校验字段仅含一个二进制位。 垂直奇偶校验：也称组校验，一组包含多个字符。 水平垂直奇偶校验：也称方阵奇偶校验或纵横奇

34、偶校验。是将水平和垂直两个方向的奇偶校验结合起来，纵向每个字符校验一次，水平方向组成每个字符的对应位也校验一次。奇偶校验例子：奇偶校验例子：字符ASCII水平奇校验H1 0 0 1 0 0 01a1 1 0 0 0 0 10m1 1 0 1 1 0 10g1 1 0 0 1 1 10n1 1 0 1 1 1 00c1 1 0 0 0 1 11o1 1 0 1 1 1 10垂直奇校验0 1 1 1 1 1 012 2、循环冗余校验、循环冗余校验 (CRC, Cyclic Redundancy Check)(CRC, Cyclic Redundancy Check)循环冗余码的工作原理任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为0和1取值的多项式一一对应。例如：代码1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x1+1，而多项式为x5+x3+x2+x1+1对应的代码101111。 差错检测原理：将传输的位串看成系数为0或1的多