数据与计算机通信讲义

通信模型

1-2(发送系统soursesystem)3-5(接受系统destinationsystem)

信源(Source)：信息产生的源头，可以是人或设备。其发出的信息也可以是多种多样的，如语音、文字、图像、数据

等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。

发送器(Transmitter)：种类及其功能多样化，如编码、调制、放大、滤波、发射等。发送器含有与传输线路匹配

的接口，其基本作用是将信源发出的信息转换成便于传输的某种信号。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大

差异。

信道(TransmissionSystem)信息传输通道，也是传潼物质信号的媒体。可以是叨线、电缆、波导、光纤、无线

电波等。

噪声源：是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道中传输时遭受的干扰情况。在任何通信系统中，干扰

的性质与强弱都是影响系统性能的主要因素。

接收器(Receiver)：其作用主要是接受信道中的信号，并转换成发送前相同表示形式的信息传递给新宿，与发送器

功能正好相反。对接收器的要求是尽可能地从受干扰的信号中精确的提取和还原来自信源的信息。

信宿(Destination)：信息传输的目的地，即接受消息的人或机器。

同步：狭义的讲，是信息在通信系统传输过程II其数据信号在系统各部分的收发时序上保持•致，包括比特同步、

帧同步•、网同步。更广的意义是信息在通信系统中保持时间、空间、内容以及它们之间的同步。

通信主要任务

(1)传输系统的利用(Transmissionsystemutilization)

在多个通信设备之间充分合理利用阐述设施；

复用：在多个用户之间分配传输系统的总传输能力(频分/时分/统计时分/码分/空分)

拥塞控制：保证传输系统不因传输请求过量而超载：

(2)接口(Interfacing)

设备与传输系统之间的连接：

(3)信号的产生(Signalgeneration)

按某种格式产生具有一定强度的电磁波信号；

能够在传输系统上传播；

能够被接收器转换为数据：

(4)同步(synchronization)

在发送器与接收器之间达成某种同步(时序同步，帧同步等)；

接收器能够判断信号的起始、结束和信号单元的持续时间；

(5)交互的管理(exchangemanagement)

通信双方为交换数据而建立连接；

通信双方数据处理设备的其它协商工作：

差错控制：检测或纠正信号失真或信道噪声等原因而产生的传输差错；

流量控制：保证信宿设备不会因信源设备发送太快以至无法及时接受和处理这些数据

而导致超载；

(6)寻址(addressing)

当传输设备被两个以上设备共享时，信源必须给出信宿的标识；

(7)路由选择(routing)

当传输系统是不止一条路径的网络时需要确定路由：

选择合适路由；

保证正确路由；

(8)恢复(recovery)

信息交换过程中因通信系统某处出现故障而致使传输中断，需要从中断处恢复工作，或者把系统被设计部分恢复到数

据交换开始之前的状态；

(9)报文格式化(messageformatting)

1

数据交换双方必须就传输的数据格式达成一致协议；

数据压缩、加密，减少带宽占用；

（10）安全措施（security）

发送方希望确保只有它期望的接受者接受到数据；

接收方希望保证收到的数据来自正确的发送方，且数据在传输过程中未被改变；

鉴权/认证，只有合法发送方才能使用；

（11）网络管理（networkmanagement）

数据通信设施是一个复杂系统，需要合理地规划和配置，需要对系统运行状态进行监控，并处理拥塞、死锁、故障等

印发的问题；

（12）差错检测和纠正（Errordetectionandcorrection）

（13）流量控制（Flowcontrol）

数据通信及计算机通信

数据通信是指信源产生的数据，按一定通信协议，通过模拟传输信道或者数字传输信道，形成数据流传送到新宿的过

程；

数据通信是为了实现计算机与计算机之间或者终端与计算机之间的信息交互而产生的一种通信技术；

从某种意义上讲，数据通信是计算机通信的组成部分，数据通信着重于数据的传输，而不涉及数据所表示的原始信息,

而计算机通信则着重于信息的交互；

目前数据通信与计算机通信界定日益模糊。

数据通信与其他通信的区别

语音通信：电话；

图像通信：传真、静态图像；

视频通信：电视；

数据通信：计算机数据（包括数字化的多媒体信息）

语音等其他通信可以允许适当范围的误差，数据通信要求传输完全正确；

数据通信最基本要求：迅速和可靠（快与对）。

数字通信与模拟通信

数字通信系统：

数字设备，数字基带传输（数字-数字编码）（基带编码器）

数字设备，模拟频带传输（数字-模拟编码）（低通滤波器）

模拟设备，数字基带传输（模拟-数字编码）（模数转换器）

模拟通信系统

模拟信号以固有频率基带传输（传统电话）

模拟信号频谱搬移后频带传输（模拟-模拟编码）（1G（TACS900MHZ）/电视）

混合系统

同一系统中包含模拟通信和数字通信

数据通信网络

两个通信设备点对点直接连接的不实际性

两个设备之间距离很远；

大批设备需要的连接线难以估量（全连通N个结点N（N-1）/2条线路）；

设备组中的每个设备都可能需要在不同的时间与不同的设备连接；

数据通信网：在•定范围内以数据通信设备与交换设备为点以传输链路为线，点线按一定顺序相连，将地理分散的数

据终端设备连接起来，可以完成多用户间多对多的数据通信；

解决办法：数据通信网络——局域网LAN,广域网WAN,域域网MAN；

网络连接术语

结点（node）:网络中通信线路连接的计算机和交换机；

链路（link）:建立在相邻结点物理连接上的逻辑信道；

2

交换(switching)：交换节点建立、保持和改变数据传输通路的过程；

路山选择(routing):交换接书中选择传输路径的功能；

端结点(endnode)：位于网络边缘连接源或目的站点的交换设备；

路山节点(routenode)：网络中间的交换设备；

传输中继/传输网(relaytransmission)：

接入线/接入网(accessnetwork)：由用户-网络接口(UNI)到业务节点接口(SNI)之间的一系列传送实体所组成的

全部设施。

电路(circuit)：电路是通过已有媒介建立的发送端与接收端之间、或者网络中任两点或多点之间的端到端的信

息传输通路。

接入电路：是从用户到电信公司网络的电路

传输电路：用于网络中或网络之间的长途传输

单工电路：单向传输

双工电路：双向传输。双向不能同时传输——半双工

双向可以同时传输——全双工

交换电路：电路交换网中灵活通过一台或多台中间交换设备临时建立的电路连接；

虚电路：在分组交换网络中由软件路由表定义的端到端的数据分组传输通路，它是逻辑上而非物理上的电路;

永久虚电路(PVC)：长期定义在路由表中的逻辑电路；

交换虚电路(SVC)：在要求通信时据网络状况选择最佳路径而临时建立在路由表中的逻辑电路；

线路(line):节点间通信的物理连接，可以是端到端也可以是点到点；

接入线：连接用户设备到网络的这段线路；

中继线：是指能提供汇接和多路复接能力、实现多个用户共享的一段线路：

接入中继：终端到交换点的中继线；

传输中继：交换点到交换点之间的中继线；

中继线是有方向的，可以是单向出中继、单向入中继或双向中继。

信道(informationchannels)：在正式标准术语中，信道是指发送器与接收器之间的单向连接，即单向电路或信

息传输通路；

在一般用法中，信道是在物理电路上用于支持单一会话的逻辑连接。可以用某种方式构成物理电路，以支

持一个或多个逻辑对话；

交换(exchange)：交换就是在用户间有目的地传递信息，数据交换就是数据转接；

交换设备建立、保持和改变物理电路上的逻辑连接；

用户小交换机(PBX)和中心交换机(CO或COE)提供电路交换功能，电路交换按要求在可用状态下建立

电路之间或链路之间的连接。电路交换虽然研制的初衷是持语音通信的，但它可以支持数据等任何

形式信息的传输；

分组交换、帧交换和信元交换在较先进网络中发展起来，主要支持数据和图像传输；

端局交换机位于网络边缘，用户通过接入链路接入到端局交换机：

中心交换机也称汇接交换机，是一种高容量的交换机，位于网络中心，用于互联端局交换机；

网络(network)：网络是工作在一起用语支持信息传输的各台设备单元构成的集合；

广义的讲，网络包括从发送器到接收器之间的所有设备：所有链路和所有相关的交换机以及其它中间设备；

广域网常被描述成云状：千变万化，难以看见，透明性概念，一端进•端出；

数据和计算机通信网的类型

1.根据采用的传输技术的不同，司分为：

(1)交换式网络：

电路交换：两个站点在会话期间需建立专用的通信路径；

数据通过专用通信路径由源站发送到目的站；

通过网络节点(端结点和路由节点)和连接节点的一连串链路构成；

特点：独占性，实时性；

3

Eq：telephonenetwork；

存储-转发（报文交换、分组交换）：

传送的数据成为报文（message,消息），可以是文件，表格，图片；

以整个报文为单位传送成为报文交换（messagesw让ching）；

报文分成若干块，每次传送一小块（packets,包或报文分组），即分组交换；

______________为什么将报文分块：为了方便发送和接收，出错后不用全部重发：

______________分组交换中，报文的数据可以不按序发送；

源站点和11的站,点：之间传送的分组，经过•个个交换节点，穿越整个网络；

常用于终端-计算机通信或计算机-计算机通信；

X.25—典型的工种分组交换数据网标准（ITU-T）

帧中继：FR-FrameRelay

分组交换机制中各交换节点为纠正差错需要大量额外开销；

当今电信系统越越来越可靠，交换节点不必进行差错控制；

差错上要发生在端系统，差错控制完全者以只由端系统实现；

帧中继是在分组交换的基础上发展起来的，大多数用于差错控制的额外开销被抛弃，因此传输速率

大幅度提高；（64Kps-2Mbps）

信元中继；

（2）广播式网络：

有限通道（总线型、环型）；

无线通道（蜂窝、微波、卫星）；

补：异步传输模式（ATM-AsynchronousTransferMode）

某个特:定用户信息并不关在信道上周期件出现；

FR的演进，分组交换与电路交换的结合；

乎没有差错控制的额外开销；

固定的分组（称为信元，cell）长度；

各种通信业务工作速率范围十Mbps到几百Mbps；

使用分组交换技术能提供恒定数据速率的通路：

每条通路的数据速率又可以按i以动态定义；

2.根据网络规模及所覆盖地域范围大小，可分为：

（1）局域网：是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。

PAN-PersonalAreaNetwork（个人局域网）

LAN-LocalAreaNetwork（局域网）

CAN二CampusAreaNetwork（园区网、校网网）

覆盖范围较小，联设备少：一栋楼或•小片，楼群；

相连接的设备属于同一组织：大量资金用于采购和维护；网管完全用户负责；

比WAN更高的数据率；

交换局域网：

交换以太局域网：•个交换机；多个互连交换机；

无线局域网：移动性；安装配置的简易性；

（2）域域网：

MAN-MetropohtanAreaNetwork

（3）广域网：•种用来实现不同地M的局域网或城域网的几连，灯提供不同地区、城市和国家之间的计卯机通信的远

程计算机网。

WAN-WideAreaNetwork（广域网）

GAN-GlobalAreaNetwork（全球局域网）

覆盖地理范围大;

4

穿越公众设施；

依靠公1曲信运营公司建立的电路：

广域网建立所采用的技术：

电路交换(Circuitswitching)

________分组交换(Packetsw让chin。)

________帧中继(Framerelay)

________异步传递方式ATM(AsynchronousTransferMode)

补：Internet：从ARPANET发展而来；

第•种司运营的分组网络；

可应用到无线或者卫星通信；

互联的需求导致了TCP/IPHI现。

第二章

协议体系结构的必要性

1.数据交换引起复杂的过程：

一个例子：传送文件

源点系统必须激活直接连接的数据通信通道，或者告诉网络终点系统标识；

源点系统确定终点系统准备好接收数据；

文件发送应用程序确定终点系统的文件管理程序准备好接收并存储文；

源点系统还需进行文件格式转化；

2.任务分解成独立的子任务(subtasks)；

3.在垂直协议层中分别实现：

每层对高层提供通信服务；

每层使用下层所提供的功能；

4.对等层通信采用一套规则称之为协议(protocol)；

5.实体

用户应用程序、电子邮件设备、终端(任何能够发送和接收信息的东西都是实体);

协议的内容

1.用于系统中的实体间通信；

2.通信必须有共同的语言；

3.互相可接受的协定：通信内容；通信方式；通信时序；

4.那些协定和相关的规则就被称为“协议”；

协议的关键要素

语法(Syntax)一通信内容：有关数据块的格式

语义(Semantics)-通信方式：相互协调及差错处理的控制信息

定时关系(Timing)-通信时序：速率匹配和数据排序

协议体系结构

通信过程包括三个要素：应用程序，计算机和网络；

通信任务划分为几个模块：

比如文件传送可以使用三个模块：文件传送模块；通信服务模块；网络接入模块；

网络接入层

计算机/终端与所连网络之间的数据交换；

发送方计算机提供目的计算机地址；

调用网络提供的特殊服务，如优先级；

使用的软件取决于所用网络类型：电路交换；分组交换；局域网等；

网络类型独立于同一个上层的通信软件；

运输层

5

可靠的数据交换：到达目的地的应用程序与发送是的顺序一致；

不依赖网络类型；

不依赖应用程序类型；

应用层

支持不同的用户应用程序：如，电子邮件，文件传输；

寻址请求(AddressingRequirements)

1.两级地址

2.每个计算机有唯一的网络地址：网络服务访问点(NSAP)或者IP地址;

3.计算机的每个应用程序也有一个计算机内部的唯•地址：

服务访问点(SAP)或者端U(port)：

卜.层访问下层所提供的服务；上层控制下层的行为

是上下层之间的接U;

协议数据单元(PDU)

1.用户数据是层层传送的

2.协议控制信息在每层中被加到用户数据中

每个层添加不同的首部(目标SAP,序列号，插错检验码)

3.封装(Encapsulation)

Data+header=PDU(ProtocolDataUnit)

每层都有个不同的PDU

传输层PDU格式

1.传输层分割/重组用户数据

通信网络数据块大小限制(以太网1526Bytes,ATM53Bytes)

提供公平接入，防止大数据块站点霸占共享媒体

接收方需要更小的缓存…

提高差错控制效率

并非数据块越小越好

2.每个数据块都有个运输首部

目的SAP(destinationSAP)

序号(sequencenumber)

差错检测代码(error-detectioncode)

3.这就是传输协议数据单元

网络接入层PDU格式

添加网络首部

目的计算机地址(destinationcomputeraddress,原计算机地址

功能请求(facilitiesrequests)

优先级，生存时间TTL

标准化的协议体系结构

通信需要设备

运营商拥有更多的适销产品

消费者要求设备的标准化

两个标准：

OSI七层参考模型：没有实现过标准的理想

TCP/IP协议族：使用最广的可通用体系结构

IBM的系统网络体系结构结构(SystemsNetworkArchitecture,SNA)

标准的关键元素

协议规约(protocolspecification)

6

不同系统中的同一层的两个实体相互交互作用过程

准确定义：

如协议数据单元的格式

字段含义

可允许的PDU序号

服务定义（servicedefinition）

定义向上层提供的标准化服务

寻址（addressing）

通过服务访问点SAP提供服务

OSI的各层

应用层：为用户提供到OSI环境的接入手段，同时提供分布式信息服务

表示层：数据格式定义（如压缩数据和加密数据）

会话层：为终端应用程序之间提供对话控制机制：

会话规则（全双T/半双工.）、数据的编组、断点恢复重传

传输此：端系统之间的数据交换

确保数据无差错、按序的、没仃丢失或重:复的

如何最佳使用网络服务并提供高层请求的服务质量并提供高层请求的服务质量（差错率，最大延时，优先级

和安全性要求）

网络层：多链路之间数据传送（交换或者路由）

多网络互联

特殊网络不需要网络层（802.3系列局域网）

数据链路层•：提供差错检测和控制

保证链路可靠并提供了激活、维持、释放链路的方法

上层可通过该链路无差错的传输一

物理层：传输媒体与设备之间的物理接口，以及从•端向另一端传递比特所遵守的原则；

机械的、电气的、功能的、过程的；

服务原语和参数

邻层之间的服务用“原语”（primitve）和“参数”（parameter）表示

原语定义的是执行的功能

参数用于传递数据和控制信息

四种类型的服务原语的定义

Request,Indication,Response,andConfirm

TCP/IP协议体系结构各层

物理层：数据传输设备।j传输媒体或网络间的物理接U

定义了传输媒体的特点、信号状态、数据率

网络接入层：端系统与其连接网络之间的数据交换

提供目的地址

特别功能依赖于网络类型，如LAN,framerelay

互联网层：实现数据跨越多个互连的网络

__________提供路由选择功能，互联多个网络

____________IP协议在端系统和路由器中实现

运输层：可靠的交换数据

数据到达的顺序与发送顺序一致

应用层：包含用于支持各种不同的用户应用程序的逻辑

如http,文件传送程序FTP

TCP和UDP

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TCP(TransmissionControlProtocol)

为数据传送提供可靠的链接即实体间临时性逻辑关

TCP报文段(TCPPDU)包含源端口和目的端口

连接持续期间，实体跟踪往返另一个实体间的TCP报文段

UDP(UserDatagramProtocol)

不担保交付的正确性，不维护到达时的顺序性，不管是否重复到达

通过最少的协议机制发送报文(无连接)

IP上增加一个端口寻址能力

E.g.SNMP(SimIPpleNetworkManagementProtocol)orVoIP

UDP(UserDatagramProtocol)：用户数据报协议，它和TCP一样位于传输层，和IP协议配合使用，提供无连接、不可靠、

无流量控制、不排序的服务，可高效率地传输数据，但不提供数据报的重传，一般用于传输较短的文件。

UDP是面向非连接的，所谓“面向非连接”，就是指在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态就直接发送。

TCP协议和UDP协议各有所长、各有所短，适用于不同要求的通信环境。TCP协议和UDP协议之间的差别如下表所示。

项目TCPUDP

是否连接面向连接面向非连接

传输可靠性可靠不可靠

应用场合传输大量数据传输少量数据

速度较慢快

IP(InternetLayer)

Internet协议族中最重要的协议就是IP协议。它的主要功能有无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制。IP将报

文传送到目的主机后，不管传送正确与否，不进行校验，不回送确认，也不保证分组的正确顺序，这些功能都由T

CP来完成。

IP协议充分体现了TCP/IP技术的包容性，使Internet互连异种网络成为可能。它一方面可以支持各类数据业务，另一方

面还能利用现有的各种传输方式和基础设施。

TCP/IP应用程序

TCP/IP、协传议输数层据、的网传络输层基、于接TCP/IP协议的四层结构：应用层、传输层、网络层、接口层；

TCP/IP协议族中包括上百个互为关联的协议，不同功能的协议分布在不同的协议层，下面是几个常用协议：

(1)TELNET(RemoteLogin)：提供远程登录功能，•台计算机用户可以登录到远程的另一台计算机上，如同在远程主机

上直接操作一样。

⑵FTP(FileTransferProtocol)：远程文件传输协议，允许用户将远程主机上的文件拷贝到自己的计算机上。

(3)SMTP(SimpleMailTransferProtocol)：简单邮件传输协议，用于传输电子邮件。

(4)SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)简单网管协议，提供了监视和控制网安络设备以及管理诸如配置、

统计、性能和安全的手段。

(5)DNS(DomainNameService)：域名系统协议，提供网络设备名字到IP地址的转换。

第三章数据通信

传输术语

发送器：Transmitter

接收器：Receiver

传输媒体：TransmissionMedium

导向媒体(guidedmedia)：电磁砺导线引导下沿着某一物理路径前进：双绞线、同轴电缆和光纤

非导向媒体(unguidedmedia)：不引导电磁波的传播方向：空气、真空和海水

直连链路(directlink)：没有中间设备存在

点对点(point-to-point)：两设备之间的一条直连链路；仅被两设备共享

多点(multipoint)：两个以上的设备共享同一传输媒体

单工(simplex)：信号仅向一个方向传输egTelevision

半双工(half-duplex)：都可以发送信号，但同，-时间只一方发送e.g.policeradio

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全双工(full-duplex)：可同时发送接收信号egtelephone

信号的特性包括时间特性和频率特性

对信号时间特性的分析在时域(TimeDomain)上进行

振幅、频率、相位是在时域上描述信号的主要参数

在时域上表示信号的图象称为时域图

对信号频率特性的分析在频域(FrequencyDomain)上进行

任一信号都可看成由某个频率范围内的频谱成分组成

信号的频率特性对信号带宽和数据率等至关重要

在频域上表示信号的图象称为频域图

频域图有最大振幅-频率和相位-频率两种图象

在频域上进行信号分析通常比在时域上更重要

频率、频谱和带宽

时域(timedomain)概念：在分析研究问题时，以时间作基本变量的范围。(频域)

模拟信号：一段时间信号强度变化模式是平滑的

数字信号：一段时间内信号强度保持某个常量值

周期信号：一段时间内信号模式重复

非周期信号：一段时间内信号没有重复

在时域上表示信号的图象称为时域图

正弦波

峰值振幅：PeakAmplitude(A)

一段时间内信号值的最大值

单位伏一volts

频率一Frequency(f)

信号循环的速度

用Hertz(Hz)表示

信号周期：信号重复一周所花的时间

T=1/f

相位:Phase中(<p)

一个信号周期内信号在不同时间点的相对位置

波长

信号循环一个习期所占的空间长度

信号的两个连续周期上相位相同两点间的距离

波长一入

假设信号运动速度为一v

A=vT

入f=v

C«3*108m/s(自由空间的光速)

频域概念

一个电磁信号是山多种频率组成的

傅立叶分析的方法得出任何信号由不同正弦波的频率成分组成

任何一个信号存在时域函数，也存在频域函数

在频域上表小信号的图象称为频域图

频谱&带宽

频谱Spectrum：信号包含的频率范围

绝对带宽一Absolutebandwidth：频谱宽度

有效带宽一Effectivebandwidth：通常就叫带宽;信号的绝大部分能量都集中在相当窄的频带范围

9

直流成分一DCComponent：信号包含有频率为零的成分

数据率和带宽之间的关系

振幅为A的方波的频率表达式如下：

.v(/)-A*—*YsinC")

rrL

任何传输系统(transmitterplusmediumplusreceiver)都只能容纳有限频率范围

系统限制了数据在传输媒体上传送的数据率

方波有无限多个谐频成份和无限带宽，但是大部分能量集中在基频和开始几个谐频附近

有限传输带宽导致失真

数据率越高，所需的有效带宽越宽

1.数据率由基频决定

T-脉冲周期，f-基波频率

(二进制发送)R=2f=2/Tbps

(二进制脉冲持续时间为T/2)

2.如果一个数字信号的数据率是Wbps,那么当传输系统带宽为2WHz时候，就可以很好的传输此信号了

3.如果一个数字信号的数据率是Wbps,那么信号有效带宽大约WHz

模拟和数字数据

数据-Data：二传达某种意义或信息的实体

模拟数据(AnalogData)：一段时间内具有连续的值，一般采用模拟信号(AnalogSignal),e.g.声音，视频

数字数据(DigitalData)：值是离散的,采用数字信号(DighalSignal),e.g.正文，数字

信号-Signals

数据的电气或电磁表示方式

模拟信号

连续变化的电气信号或电磁波

不同类型的媒体上传播

双绞线，同轴电缆，光纤，大气或空间

话音频谱范围在100Hz到7kHz之间

电话系统的话音信号频谱范围在300Hz到3400Hz间

视频的带宽是4MHz左右

二数字信号

电压脉冲序列

采用两个恒定电压值(de)

传输-Transmission：用传播并处理信号的方式进行的数据通信的过程

数据和信号

模拟信号表示模拟数据

数字信号表示数字数据

数字数据可用模拟信号表示，如调制解调器一Modem

模拟数据可用数字信号表示，如编解码器一GompactDiscaudio

模拟传输

传输模拟信号的方法，传输信号不考虑信号的内容

信号可能是模拟数据或数字数据

传输一段距离后，信号会衰减

使用放大器增强信号能量，同时也增强了噪声(对语音，数字数据)

数字传输

考虑信号号的内容

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数据的完整性受到衰减、噪声或其他损伤的威胁

使用转发器，转发器接收信号恢复为1,0模式

重新传输新信号

克服了衰减

噪声也不累积

数字传输的优势

数字技术-Digitaltechnology：低价的LSI〜LSI技术

数据完整性.Dataintegrity：远距离传输，较低线路质量要求

容量利用率一Capacityutilization：经济的高带宽传输链路；数字技术的高级复用技术有效利用其容量

安全和保密-Securitr&Privacy：加密技术

综合性二Integration：能类似处理模拟数据和数字数据，因此能综合话音视频和数字数据

传输损伤

接收到的信号与传输信号有差异

模拟信号，损伤会降低信号质量

对数字信号则导致比特差错

重要的损伤：

衰减和衰减失真一Attenuationandattenuationdistortion

时延失真一Delaydistortion

噪声一Noise

衰减

标强度即:离增长而碱弱

衰减与传输媒体有关(guidedmediaandunguidedmedia)

传输过程需要注意到三点：

接收到的信号必须有足够的强度，接收电路才能检测到信号

信号电平必须保持高于噪声电平某个程度以接收无差错的数据：用放大器，转发器

衰减失真：频率越高，衰减越严重(即衰减是频率的递增函数)

利用加感线圈(均衡器)改变线路某些电气特性

对模拟信号影响大，对数字信号不是大问题

时延失真delaydistortion

时延失真(guidedmedia)

在导向媒体中，信号传播速度随频率不同变化

接收到的信号因其频率成分延迟的不同产生了失真

靠近111心频率传播速度最快，两侧较慢

________导致不同频率之间的相移，和码间串扰(intersymbolinterference)

对数字信号影响比较厂

均衡技术

何类信号对衰减与时延失真敏感？

数字信号受衰减失真影响较小

频率特定：绝大部分内容集中在基频附近

幅度特性：二值判定

数字信号受时延失真影响较大

产生比特序列混乱

模拟信号主要受衰减影响

幅值连续变化，信息分布在整个频带

噪声

途和接收之间的某个地方插入进来的无用信号为噪声

II

热噪声一Thermal：导体内电子热运动造成的；均匀分布.一白噪声

互调噪声一Intermodulationnoise

不同频率的信号共享同一传输媒体产牛的（器件的非线性因素）

串扰一rosstalk：在一条线路上获得其他线路的信号（电耦合）

冲激噪声一Impulsenoise

不规则脉冲或尖峰，持续时间短，振幅较大

外部电磁波干扰，eg雷电，系统本身的故障和缺陷

热噪声的计算

噪声分为随机噪声、冲激噪声或自然噪声（大气噪声）等

随机噪声包括热噪声、交调噪声和串扰等，普遍存在且有着持续时间不断的影响，是信号传输的基本研究对象

Thermal热噪声（WhitenoiseorGaussiannoise）

任何设备和导体中，1Hz带宽存在热噪声值都是No=kT（W/Hz）

No一噪声功率（谱）密度，

k一玻尔兹曼常数=1.38*10-23J/K（负23次方）

T-热力学温度（开尔文）

BHz带宽内的热噪声

N=N0*B=kTB（W）

信道容量

信道上最大数据传输数率

数据率一Datarate：比特每秒（bps）；数据能够通信的速率

带宽Bandwidth：用赫兹或每秒的周期会示；在发送器和传输媒体的特性限制下的带宽

误码率一Errorrate：差错发生率

奈奎斯特带宽（NyquistBandwidth）

前提一信道无噪舌~~

给定信道带宽为B,那么可承受的最大信号率就是2B.

ifthesignalrateis2B.thenthechannelcancarrysignalfrequenciesnogreaterthanB

ie.givenbandwidthB,highestsignalrateis2B

forbinarysignals,2BbpsneedsbandwidthBHz

可以通过M种信号单元来提高数据率（M进制调制）

奈奎斯特公式G=2Blog2M

soincreaseratebyincreasingsignallevels

atcostofreceivercomplexity

limitedbynoise8cotherimpairments

香农公式

在有噪声情况下，信噪比：SNR=S/N或SNRdb=101ogll0（S/N）S是信号功率（瓦），N是噪声功率（瓦）。

在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C由下述公式确定：C=B*log2（1+S/N）（b/s）

该式通常称为香农公式。B是信道带宽（赫）

香农定理指出，如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能

够以任意小的差错概率通过信道传输。

该定理还指出：如果R>G,则没有任何办法传递这样的信息。

公式及明，信道带宽限制了比籽率的增加，信.道容品还取决于系统信.噪比以及编征技术种冬

第四章传输媒体

内容概要

传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通道

数据通信的特点和通信质量取决于传输媒体的性质以及传输信号特点

导向媒体，主要取决媒体自身的性质

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非导向媒体，主要是发送天线生成的信号带宽

设计数据传输系统主要考虑数据率和传输距离

数据率越大，传输距离越远越好

传输媒体设计因素一决定数据率和传输距禹

带宽-Bandwidth：信号高带宽——高数据率

传输损伤一Transmissionimpairments：损伤限制传输距离

干扰interference

接收器数量一Numberofreceivers

导向媒体中，构成点对点或者多个设备相连的链路

多个设备相连共享中会有衰减和失真并限制传输距离和/或数据率

传输媒体种类

有线媒体Guided：双绞线TwistedPair；同轴电缆CoaxialCable；光纤OpticalFiber

无线媒体Unguided：无线电Radio：微波Microwave；卫星SatelliteMicrowave；红外Tnfrared

双绞线(Twisted-pair)

由两根互相绝缘的铜导线，用规则的方法扭绞起来构成(绞距5—15crn)

双绞线一应用

最常用的传输媒体

电话网：楼层与本地电话交换局连接形成“用户环路”

在一栋办公楼内：连接到专用小交换机(PBX)

对于局域网(LAN)：数据率达到10Mbps或100Mbps

双绞线一传输特性

传输距离受到限制：衰减随频率增高迅速增高；回波损耗和串扰影响

模拟传输：每5千米到6千米用•个放大器

数字传输：使用数字或模拟信号；每2千米到3千米用一个转发器

对模拟信号，专输带宽可达到1MHz

对数字信号，传输数据率可达到100Mbps(千兆以太网100m以内)

容易受到干扰和噪声的影响

无屏蔽和屏蔽双绞线

无屏蔽双绞线UnshieldedTwistedPair(UTP)

普通电话线；最便宜；使用方便，安装简单，受外部电磁场干扰

屏蔽双绞线-ShieldedTwistedPair(STP)

用金属罩或护皮以减少干扰；在高数据率的情况下性能更好；价格贵：使用不方便

无屏蔽双绞线种类(EIA-568-A)

Cat3：话音级电缆在大多数办公楼存在；传输特性可达16MHz；每绞长度有7.5cm到10cm

Cat4：传输特性可达20MHz

Cat5：数据级电缆通常在新建的办公楼都预先铺设；传输特性可达100MHz；每绞长度有0.6cm到0.85cm

UTP电缆的分类(EIA/TIA-568标准中定义了前五类)

类别用途

1语音或56kbps以下的低速数据，不用于局域网

2速率为1Mbps以下的数据传输和低速局域网

3数据率16Mbps,10BASE-T和4MbpsTokenRing

4数据率20Mbps,l0BASE-T和16MbpsTokenRing

5数据率100Mbps,100BASE-T和FDDI

Se数据率350Mbps,1000BASE-T和622MbpsATM

性能参数

插入损耗AdB：从发送系统到接收系统链路上的衰减

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近端串扰损耗NEXTdB：从一对导体到另一对导体的上的信号耦合

都是频率的递增函数

衰耗串扰比ACRdB：衡量接收信号强度与同一线对的串扰比值大小(正值)

ACRdB=NEXTdB-AdB

导向传输媒体一同轴电缆

比双绞线更不容易受到串扰和干扰

传输距离更长，数据率更高

由于不容易受干扰或串扰影响，所以性能受衰减，热噪声和互调噪声影响

100KHz500MHz

同轴电缆••传输特性

模拟信号：每隔几年米使用•个放大器；频率越高间隔越近；有效频谱可延伸至500MHz

数字信号：每一千米使用一个转发器；间隔越密数据率越高

同轴电缆一应用

用途最多的传输媒体

电视广播一Televisiondistribution：有线电视一CableTV,几十或上百频道

长途电话传输一Cancarry10000Voicecallssimultaneously：正在逐渐被光纤替代

计算机系统之间的短期连接

局域网

导向传输媒体•光纤

物理构成：三部分----纤芯(coreandcladding)覆层(Buffer)和防护罩(Outerjacket)

折射(Refraction)

在均匀物质中光以直线形式传播

当一束光线由某种密度的媒质传播到不同密度的另一种媒质时，光线会在两种媒质的界面处向垂直法线方向折射

折射光线发生的角度变化取决于媒质发生的密度变化的大小(如斯涅尔定律所描述)

光线从密度较低的媒质穿入较高密度的媒质中时，折射角小于入射角

光线从密度较高的媒质穿入较低密度的媒质中时，折射角大于入射角

全反射角(CriticalAngle)

从高密度媒质进入到低密度媒质的光线，随着入射角增大，折射角也增大，并逐渐远离垂直轴而靠近水平轴

入射角的变化使折射角增大到90度，折射光线完全沿媒质界面传播，此时的入射角称为临界角，或全反射角

反射(Reflection)

对于从高密度媒质到低密度媒质的光线，当入射角大于全反射角时，就产生了反射

光线不会再进入低密度媒质，反射光线与发现之间的夹角成为反射角，且总等于入射角

光纤的导光原理

光纤利用全反射将光线在信道内定向传输

光纤中心是密度较高的石英玻璃(二氧化硅)或塑料的纤芯，外面覆盖着密度较小的石英玻璃或塑料的包层

两种材料的密度差异必须保证能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入后氤-

光纤一优势

容量更大：以数百吉每秒的数据率传输传输几卜公里(对比：传输一公里，双绞线几兆，同轴电缆几百兆)

体积更小，重量更轻

衰减更小

隔绝电磁场：不怕冲激噪声和中，扰之类的干扰；安全，很难被人搭线窃听

转发器的间隔更远：更低的费用，相隔儿卜或者百千米用转发器

光纤一应用

长途线路：电话网，20k-60k话音信道，平均长度1500km

巾区中继电路：100k话音信道，平均长度12km

农用交换「线电路：5k话音信道，长度范围40-160km

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光纤用户环路：Voice,text,image,andvideodata

LANs:容量100Mbps-1Gbps

光纤一传输特性一

光纤系统的频率操作范围10Al4到1075Hz间

多模突变

多束光线从光源经山新蔡通过不同的光路传播，按折射率分布的不同分为两种类多个角度发射（ni>n2,都为常数）

光线以折线形状，多条传播路径，信号畸变大，用于短距离传输

多模渐变

渐变的折射率成螺旋状（n2为常数ll.nl随r增加而有规律减小）；光线经过较短路径，畸变较小；LAN

单模

阶跃模式，因纤芯直径很小，入射角与反射角很大，几乎沿轴线直线传播；一个度，一条传播路径，长距离传输

渐变型光纤纤芯的折射率nl是半径r函数，nl随r增加按一定规律减小，到达与包层的交界面为n2,而包层的折射率恒为

n2,这种光纤的导光原理与上述不同。由于nl随r的增加按一定规律减小，因此可根据nl（r）的不同，将纤芯分成若干一层。

波分复用（WavelenghDivisionMultiplexing）

不同频率的多路光线在同一光纤上一传输，即在一根光纤上采用频分复用技术，承载若干不同频率点的光信号。

FDM的一种形式。

每一种颜色（波长）的光承载一个数据信道。

无线传输

感兴趣的频率范围频率范围

微波频率：1GHz到40GHz,高方向性，点对点传输

无线电波区：30MHzt01GHz,全向应用（射频区）

红外线频谱：3*1071到2八*1074,在特定区域完成点对点及多点应用

非导向媒体通过天线发送和接收实现

天线中的概念：各向同性天线，抛物面反射天线，天线增益

抛物面反射天线（ParabolicReflectiveAntenna）

天线增益

天线是用来发射电磁能量或者收集电磁能量的电导体或者电导体系统（全向天线与定向天线）（电磁能量——电能量）

天线增益：特定方向上的输出功率与全向天线（各向同性天线）在任意方向上产生的功率之比

GdB=101g（P2/P1）

Pl定向天线发射功率，P2参考天线发射功率

天线增益不是指比输入功率更多的功率，而是方向性增加了。代价是其他方向功率减少。

地面微波

抛物面“碟状”天线：最常见微波天线；电磁波聚集成细波束

应用：长途电信服务，如话音和电视；视距内传输，所需放大器或转发器比同轴电缆少；

点对点建筑物间用于闭路电视和局域网；蜂窝系统

缺点：衰减大，易受天气影响，干扰多

频谱范围在1—40GHZ,频率越高，带宽越宽，数据率越高，天线越小

卫星微波

微波接力站

卫星从一个频段接收信号，放大或再生，再从另一个频段发送信号

卫星要求相对于地球的位置是恒定的：高度35,863km

应用：电视广播，长途电话传输，专用商业网络

频率范围为1到10GHz：低于1G,干扰多，高于10G,大气吸收降水影响强

卫星通信特点：

从地球站发送到接收有0.25秒的传输时延，影响语音通信和差错控制流量控制；天生就是广播工具；GPS

广播无线电

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全方向性的一Omnidirectional

应用：广播FM频段；UHF频段和VHF频段电视广播；数据网络应用

30MHz到1GHz广播通信的有效频段

电离层对高于30MHz电波透明，高于30MHz的传输范围局

限于视距范围，相距很远发送器不会相互干扰

低于1G不会受下雨影响

无线电损伤的主要来源是多径干扰：地面，水域自然界或人造物体的反射

红外线

发送/接收器调制不相干的红外线光实现通信

视距范围直接传输或反射

无法穿透墙体，比较安全，不受干扰

不存在频率分配问题

无线传播

无线信号传播三种路径

地波传播(K波)

Followscontourofearth

Upto2MHz

AMradio

天波传播(短波)

Amateurradio,BBCworldservice,VoiceofAmerica

Signalreflectedfromionospherelayerofupperatmosphere

(Actuallyrefracted)

视距传播(微波)

Above30Mhz

Maybefurtherthanopticallineofsightduetorefraction

Morelater.

视距传输(微波)

无线视距传输的损伤

自由空间损耗：离发送天线越远，接收到的信号功率越弱

大气吸收：主要来自水蒸气和氧气；雨和雾引起的散射导致衰减

多径：信号被障碍物反射沿多条路径传播，如通过水域时，风使水的反射面运动，导致多径传播

折射：大气层的折射，海拔高度变化或其他大气层状态变化

自由空间损耗(FreeSpaceLoss)

自由空间损耗随频率增高而增高；考虑天线增益，空间损耗随频率增高而降低

第五章信号编码技术

内容概要

数字数据，数字信号：为二进制分配电平，改变信号频谱，并提供同步能力

数字数据，模拟信号：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)以及相移键捽(PSK)

模拟数据，数字信号：脉码调制(PCM)

模拟数据，模拟信号：调幅(AM),调频(FM),调相(PM)

术语和概念

数字信号

离散的，非连续的电压脉律序列

一个脉冲就是一个信号元素

每个数据比特都编码成信号元素以传输二进制数据

单极性的(unipolar)：信号元素具有相同正负号

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双极性(bipolar)：信号传输中，一个逻辑状态由正电平表示，另一个负电平表示

数据信号传输数率(数据率)(datatransferrate)：数据传输的速率，比特每秒为单位

比特的持续时间或长度：发送器发送这个比特所需时间

调制速率(modulationrate)：

信号电平改变的速率，用波特表示指每秒出现多少个信号元素

D：R/L=R/log2M

D=调制速率，baud;1<=数据率，b/s;L=每个信号元素中的比特个数

M=不同信号元素的个数

接收数字信号的任务

需要知道

比特时序：timingofbits-whentheystartandend

采样和判别：signallevels

信号接收的相关因素

signaltonoiseratio(SNR增加，差错率减少)

datarateandBitErrorRatio(BER)(数据速率增加，BER增力口)

Bandwidth(增加带宽可使数据率增加)

encodingscheme(从数据比特到信号元素之间的映射，目的提高传输性能)

编码选用相关因素

信号频谱(SignalSpectrum)：带宽需求小(缺少高频成分)；不需要直流分量；信号能量集中在传输带宽中心

时钟同步(clocking)：提供独立的时钟同步机制；内嵌时钟信息

差错检测(errordetection)：提供物理差错检测能力，更快检测差错

信号干扰和抗噪声度(signalinterferenceandnoiseimmunity)：误码率(SER),误比特率(BER)

费用和复杂性(costandcomplexity)：适当调制速率获取高数据率

编码方式

不归零电平一NonreturntoZero-Level(NRZL)

负电平代表一个二进制数，正电平代表另一个二进制数：即为不归零电平NRZ-L

1为负电平，0为正电平

不归零1制—NonreturntoZeroInverted(NRZI)

比特的持续时间内电平保持恒定

数据的编码形式是在一个比特起始时刻看信号有无跳变：1代表有跳变，0代表没有

例子，差分编码：只需要比较相邻两个信号元素之间的正负极是否相同

NRZ的优势和局限性

Pros用于数字磁记录

最容易实现；有效利用带宽

Cons信号传输应用中没有利用价值

具有直流成分；缺乏同步能力

双极性AMI-Bipolar-AMI(交替信号反转)

伪三进制-一Pseudotemary

曼彻斯特——Manchester

差分曼彻斯特一Differentia]Manchester

双极性8零替换一B8ZS

高密度双极性3方-HDB3

多电平二进制(MultilevelBinary)

双极性一AMI(alternatemarkinversion)

使用多余2个电平

“0"没信号，表示正电平和负电平：记性交替

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伪三进制(Pseudotemary)

使用两个以上的电平

_____"1"表示信号电平的无absenceofalinesignal

“0”表示正负电平交替

多电平「：进制一Pros&Gons

Pros：出现长串“1”不会失去同步

没有直流成分

能提供•个简单的差错检测方法：检测脉冲

Cons：在AMI中出现长串“0”或在伪三进制Pseudotemary出现长串“1”的问题

插入额外比特强制跳变

使用扰码技术

编码效率不如NRZ高，需更高的信噪比

双相位

曼彻斯特一Manchester

每个比特周丽英存在一个跳变

跳变表示了数据和定时机制：荏到高表示1,高到低表示0

用于IEEE802.3

差分曼彻斯特一DifferentialManchester

中央的跳变只提供定时关系

0表示比特周期起始时存在跳变，1表示比特周期起始没仃跳变

注：这是一个差分编码技术

用于IEEE802.5

双相位的优势和局限性

Cons：比特周期内至少一次跳变，可能两次

所以最大调制率时NRZ的两倍

也需要更大的带宽

Pros：同步

无直流成分

差错检测：•个期待的跳变丢失用于检测差错

扰码技术

利用扰码机制替换可能导致线路上产生的恒定电平的比特序列

填入比特序列

必须产生足够多的跳变以保持同步

接收器必须能够识别填入的比特序列，并用原数据序列取而代之

与原比特序列的长度一样

数字数据，模拟数据

公用电话网

调制解调器(modulator-demodulator)

声音：300Hzto3400Hz

数据：600Hzt03000Hz(带宽2400Hz)

调制技术

幅移键控Amplitudeshiftkeying(ASK)

频移键控Frequencyshiftkeying(FSK)

相移键控Phaseshiftkeying(PK)

性能比较一

幅移键控

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不同的载波振幅所代表的值不同

通常，一个幅度为零iepresenceandabsenceofcarrierisused

易受突变的增益变化的影响

效率低

在话音级线路上，用于数据率不高于1200bps的情况下

使用在经光纤传输的数字数据

频移键控

不同的频率代表不同的值(载波附近)

比ASK的抗差错性稍强

在话音级线路上，典型的数据率为1200bps

高频无线电传输

在使用同轴电缆的局域网中，他甚至可用于更高的频率

正交相移键控(QuadraturePSK)

getmoreefficientuse