1、第第2章章 數據通信的基礎知識數據通信的基礎知識本章內容 數據通信系統數據通信系統 基本概念基本概念 傳輸介質傳輸介質 數據編碼數據編碼 多路復用技術多路復用技術 數據交換技術數據交換技術 差錯控制差錯控制 數據通信性能指標數據通信性能指標2.1數據通信系統數據通信系統源系統源系統 源點：源點設備產生通信網絡要傳輸的數據。 發送器：通常源點生成的數據要通過發送器編碼后才能夠在傳輸系統中進行傳輸。目的系統目的系統 接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，并將其轉換為能夠被目的設備處理的信息。 終點：終點設備從接收器獲取傳送來的信息。傳輸系統傳輸系統 可以是簡單的物理通信線路 也可以是連接源系統和目的

2、系統之間的復雜網絡設備噪聲噪聲源點源點發送器發送器信道信道接收器接收器終點終點源系統源系統目的系統目的系統數據通信過程數據通信過程5個階段個階段包含兩項內容：包含兩項內容：數據傳輸數據傳輸和和通信控制通信控制 過程過程 建立物理連接建立物理連接 建立數據傳輸鏈路建立數據傳輸鏈路 數據傳輸數據傳輸 雙方確認通信結束，斷開邏輯連接雙方確認通信結束，斷開邏輯連接 斷開物理連接斷開物理連接 2.2基本概念基本概念數據與信號數據與信號信道信道通信方式通信方式傳輸方式傳輸方式同步方式同步方式2.2.1數據與信號數據與信號信息（信息（Information）待傳輸的內容，如聲音、圖片。待傳輸的內容，如聲音、

3、圖片。數據（數據（Data）信息的表示形式，是傳遞（攜帶）信息的載體，有模擬數據信息的表示形式，是傳遞（攜帶）信息的載體，有模擬數據和數字數據之分。和數字數據之分。信號（信號（Signal）是數據傳輸的是數據傳輸的物理量物理量表示形式（通常為電編碼），數據通過表示形式（通常為電編碼），數據通過信號的形式在介質中傳播，有模擬信號和數字信號之分。信號的形式在介質中傳播，有模擬信號和數字信號之分。信息信息數據數據信號信號在信道上傳輸在信道上傳輸信號信號數據數據信息信息信道信道模擬信號模擬信號 表示數據的表示數據的特征參量特征參量連續，包含無窮多個信號值連續，包含無窮多個信號值數字信號數字信號 表示數

4、據的表示數據的特征參量特征參量離散，僅包含有限數目的信離散，僅包含有限數目的信號值。最常見的是二進制信號號值。最常見的是二進制信號ta） 模擬信號tb） 數字信號周期信號周期信號信號由不斷重復的固定模式組成（如正弦波）信號由不斷重復的固定模式組成（如正弦波）非周期信號非周期信號信號沒有固定的模式和波形循環（如語音信號）信號沒有固定的模式和波形循環（如語音信號）tTTTtTTT周周期期信信號號非非周周期期信信號號tt不同類型的不同類型的數據數據在不同類型的信道上傳輸在不同類型的信道上傳輸有有4種情況：種情況：數據數據：模擬數據：模擬數據 數字數據數字數據信號信號：模擬信號：模擬信號 數字信號數字

5、信號 信道信道：模擬信道：模擬信道 數字信道數字信道模擬傳輸和數字傳輸所使用的技術模擬傳輸和數字傳輸所使用的技術語音語音放大放大,調制調制模擬模擬數字數字模擬模擬模擬模擬PCM編碼編碼數字數字數字數字數字編碼數字編碼數字數字模擬數據，模擬信號模擬數據，模擬信號數字數據，模擬信號數字數據，模擬信號數字數據，數字信號數字數據，數字信號模擬數據，數字信號模擬數據，數字信號10101010調制調制數字或數字或模擬數據模擬數據ModulatorDemodulator數字或數字或模擬數據模擬數據g(t)s(t)g(t)載波發送方發送方接收方接收方調制調制解調制解調制調制調制：將將低頻低頻的數字或模擬數據變

6、換為的數字或模擬數據變換為高頻高頻已調信號，以已調信號，以適適合傳輸的形式，按頻率、幅度、相位調制。合傳輸的形式，按頻率、幅度、相位調制。解調解調：將將高頻高頻已調信號變換為已調信號變換為低頻低頻的數字或模擬數據。的數字或模擬數據。(b)uAM(t)f (t)tt(a)包絡未調制001011Tb001ttt模擬調制模擬調制數字調制數字調制tOg( )A2t t2t t_twG()wtAt2t2t4O低頻低頻數字信號頻譜數字信號頻譜高頻已調高頻已調信號頻譜信號頻譜fO)( fGcfcf-信源編碼信源編碼：將模擬數據用數字信號表示的方法。將模擬數據用數字信號表示的方法。例例如如 PCM編碼。編碼。

7、數字編碼（數字信號編碼或信道編碼）數字編碼（數字信號編碼或信道編碼）：將數字數：將數字數據用數字信號表示的方法，使信號適合信道的傳輸據用數字信號表示的方法，使信號適合信道的傳輸，便于同步識別、糾錯等。，便于同步識別、糾錯等。解碼解碼：編碼的逆過程。：編碼的逆過程。EncoderDecoder數字或數字或模擬數據模擬數據x(t)g(t)數字或數字或模擬數據模擬數據發送方發送方接收方接收方g(t)編碼編碼解碼解碼2.2.2 信道信道信道（信道（Channel）：傳送信息的通道。：傳送信息的通道。數字信道數字信道：以數字信號傳輸數據的信道。：以數字信號傳輸數據的信道。 計算機網絡中主要采用數字信道進

8、行數據傳輸計算機網絡中主要采用數字信道進行數據傳輸模擬信道模擬信道：以模擬信號傳輸數據的信道。：以模擬信號傳輸數據的信道。 模擬電視、無線電廣播、電話撥號線路模擬電視、無線電廣播、電話撥號線路數字通信與模擬通信數字通信與模擬通信 數字通信數字通信在數字信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸在數字信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸 模擬通信模擬通信在模擬信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸在模擬信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸數字通信的優點數字通信的優點 抗噪聲（干擾）能力強抗噪聲（干擾）能力強 可以控制差錯，提高了傳輸質量可以控制差錯，提高了傳輸質量 便于用計算機進行處理便于用計算機進行處理 易于

9、加密、保密性強易于加密、保密性強計算機通信僅在不得已的情況下，才會采計算機通信僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信，如通過電話線撥號上網。用模擬通信，如通過電話線撥號上網。2.2.3 通信方式通信方式單工單工數據單向傳輸數據單向傳輸（例：無線電廣播）（例：無線電廣播）半雙工半雙工數據可以雙向交替傳輸，但不能在同一時刻雙向數據可以雙向交替傳輸，但不能在同一時刻雙向傳輸傳輸（例：對講機）（例：對講機）全雙工全雙工數據可以雙向同時傳輸數據可以雙向同時傳輸（例：電話）（例：電話） 需要具有兩條物理上獨立的傳輸線路；需要具有兩條物理上獨立的傳輸線路； 或者需要具有一條物理線路上的兩個信道，一般采用或者需

10、要具有一條物理線路上的兩個信道，一般采用4線制，分別用于不同方向的信號傳輸。線制，分別用于不同方向的信號傳輸。發送器發送器接收器接收器發送器發送器/接收器接收器發送器發送器/接收器接收器發送器發送器/接收器接收器發送器發送器/接收器接收器單工方式：單工方式：半雙工方式：半雙工方式：全雙工方式：全雙工方式：A站站B站站可同時不可同時基帶傳輸：基帶傳輸：不需調制，編碼后的數字脈沖不需調制，編碼后的數字脈沖信號（基帶信號）直接在信道上傳送。信號（基帶信號）直接在信道上傳送。例如：以太網（局域網）例如：以太網（局域網）頻帶傳輸頻帶傳輸：數字數據調制成：數字數據調制成高高頻模擬信號頻模擬信號后再傳送，接

11、收方需要解調。后再傳送，接收方需要解調。例如：通過電話網絡傳輸數據例如：通過電話網絡傳輸數據寬帶傳輸：寬帶傳輸：把信號調制成頻帶為幾十把信號調制成頻帶為幾十MHZ到幾百到幾百MHZ的模擬信號后再傳送，接收方的模擬信號后再傳送，接收方需要解調。需要解調。例如：閉路電視的信號傳輸例如：閉路電視的信號傳輸2.2.4 傳輸方式傳輸方式tOg( )A2t t2t t_twG()wtAt2t2t4O數字信號頻譜（基帶）數字信號頻譜（基帶）數字語音信號頻帶為數字語音信號頻帶為64kHz數字調制數字調制1011Tb001ttt高頻已調高頻已調信號頻譜（頻帶）信號頻譜（頻帶）fO)( fGcfcf-寬帶傳輸寬帶

12、傳輸First-levelMUX1212-Second-levelMUX125-Third-levelMUX1210-BasicGroupSuperGroupMasterGroup(a)04 kHzf(b)12111098765432160 kHz108 kHz48 kHzBasic Group A(LSB)121110987654321196 kHz148 kHzBasic Group B(USB)(c)12121212121111112345Super Group 2(LSB)312 kHz552 kHz12121212121111112345Super Group 2(USB)300 k

13、Hz60 kHz(d )Voice Channel北美多路載波電話系統同步的目的：使接收端嚴格按發送端的同步的目的：使接收端嚴格按發送端的時間時間基準基準 (包括開始時間、位邊界、重復頻率等包括開始時間、位邊界、重復頻率等)接收數據。接收數據。數據通信中需要在三個層次上實現同步：數據通信中需要在三個層次上實現同步： 位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 幀幀(Frame)幀同步幀同步2.2.5 同步方式同步方式同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始 同步脈沖也可位于碼元的中部同步脈沖也可位于碼元的中部t碼元碼元1 1碼元碼元2碼元

14、碼元3碼元碼元4碼元碼元5信號信號同步脈沖同步脈沖t 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0ttttt 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0t目的：目的：使接收端與發送端的使接收端與發送端的每一位數據每一位數據保持同步，保持同步，識別碼位識別碼位 的邊界的邊界。 外同步外同步發送端發送數據之前發送同步脈沖信號，接收方用接收到發送端發送數據之前發送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來的同步信號來鎖定鎖定自己的時鐘脈沖頻率。自己的時鐘脈沖頻率。 發送站 同步信號數據接收的同步信號鎖定后的同步信號接收站接收站收到的數據數據位同步位同步 自同步自同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼）

15、，使數據編通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數據編碼信號中包含同步信號，接收方碼信號中包含同步信號，接收方從數據編碼信號中提取同從數據編碼信號中提取同步信號步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。 位同步位同步0 0 1 1 1 0 1 0 0目的：目的：找到正確的字符找到正確的字符邊界，邊界，識別完整的字符識別完整的字符。起止式（異步式）：每個字符按照起止式（異步式）：每個字符按照獨立的整體獨立的整體進行發送，進行發送，字符間隔時間可變。字符間隔時間可變。采用這種采用這種異步式異步式同步方式的通信也稱同步方式的通信也稱“異步通信異步通信”。 1個起始位，個起始位，58個數據

16、位，個數據位，1、1.5或或2個停止位。個停止位。起止式的優缺點：起止式的優缺點： 每個字符開始時都會重新獲得同步，頻率的漂移不會積累。每個字符開始時都會重新獲得同步，頻率的漂移不會積累。 增加了輔助位，且每兩個字符之間的間隔時間不固定，所以傳輸效增加了輔助位，且每兩個字符之間的間隔時間不固定，所以傳輸效率低。率低。起始位起始位數據位數據位停止位停止位字符間隔不固定字符間隔不固定1個字符時間個字符時間邏輯邏輯“0”邏輯邏輯“1”字符同步字符同步同步式：字符同步式：字符成組成組進行發送，字符間進行發送，字符間無間隔無間隔時間。發送時間。發送每每組字符前，先發送由一個或多個字符組成的同步字符，收組

17、字符前，先發送由一個或多個字符組成的同步字符，收到接收端的同步確認信號后，開始發送第一個字符，直到到接收端的同步確認信號后，開始發送第一個字符，直到結束字符。結束字符。傳輸效率高。傳輸效率高。字符同步字符同步目的目的：識別一個幀的起始和結束（：識別一個幀的起始和結束（邊界邊界）幀（幀（Frame）：數據鏈路中的傳輸單位：數據鏈路中的傳輸單位包含包含數據和控制信息的一定大小和格式的數據和控制信息的一定大小和格式的數據塊。數據塊。 面向字符的幀面向字符的幀以同步字符（以同步字符（SYN，16H）來標識）來標識一個幀的開始，適用于數據為字符類型的幀。一個幀的開始，適用于數據為字符類型的幀。 面向比特

18、的幀面向比特的幀以以特殊位序列特殊位序列（7EH，即，即01111110）來標識一個幀的開始，適用于任意數據類型的幀。）來標識一個幀的開始，適用于任意數據類型的幀。幀起始幀起始控制信息控制信息數據數據幀結束幀結束校驗和校驗和0 n bit8bit8bit832m7EH7EH幀同步幀同步2.3 傳輸介質傳輸介質l金屬導體金屬導體雙絞線、雙絞線、 同軸電纜同軸電纜(粗、細粗、細)l光纖光纖l無線介質無線介質微波、衛星、紅外線微波、衛星、紅外線同軸電纜同軸電纜（Coaxial Cable，CC） 計算機網絡中使用計算機網絡中使用基帶同軸電纜基帶同軸電纜阻抗50，應用于總線型局域網（以太網），應用于總

19、線型局域網（以太網），10Mb/s，1000m，以被雙絞線或光纖所替代。，以被雙絞線或光纖所替代。 寬帶寬帶同軸電纜：同軸電纜：阻抗75，屏蔽層用鋁箔纏繞而成，應用于有線電視， 500MHz，100km。抗電磁輻射能力強。銅芯銅芯絕緣層絕緣層外導體外導體屏蔽層屏蔽層保護套保護套雙絞線雙絞線（Twist Pair，TP）螺旋絞合的雙導線螺旋絞合的雙導線每根每根4對、對、25對、對、1800對對典型連接距離典型連接距離100m（LAN）RJ45插座、插頭插座、插頭優缺點：優缺點： 成本低成本低 組裝密度高、節省空間組裝密度高、節省空間 安裝容易安裝容易 連接距離短連接距離短應用領域：電話網絡（應用

20、領域：電話網絡（2對）、計算機局域網（對）、計算機局域網（2、4對）對）內導體芯線內導體芯線絕緣絕緣內屏蔽內屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線(STP) 非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，安裝困難雙絞線外無任何屏蔽層，應用廣泛光纖光纖（Optical Fiber，OF） 依靠光波承載數據，光脈沖在玻璃纖維中傳播依靠光波承載數據，光脈沖在玻璃纖維中傳播 優缺點：優缺點：傳輸帶寬高傳輸帶寬高：僅受光電轉換器件的限制（：僅受光電轉換器件的限制（100Gb/s）傳輸損耗小傳輸損耗小，適合長距離傳輸（幾十公里甚至上百公里），適合長距離傳輸（幾十公里甚至上百公里）抗干

21、擾性能極好、誤碼率低、保密性好抗干擾性能極好、誤碼率低、保密性好輕便輕便價格較高價格較高需要光電轉換需要光電轉換 纖芯材料：纖芯材料：石英玻璃石英玻璃 （高純玻璃）（高純玻璃）包層，折射率低纖芯，折射率高 纖芯纖芯8-100um石英玻璃絲石英玻璃絲 包層包層125um多層多層反射反射玻璃纖維玻璃纖維 纖芯加包層總直徑不到纖芯加包層總直徑不到0.2mm折射角大于入射角折射角入射角光纖傳輸原理光纖傳輸原理光的反射光的反射 光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時，光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時，折射角大于入射角。當入射角折射角大于入射角。當入射角臨界值時臨界值時產生全產生全反射反射，不會

22、泄漏。，不會泄漏。纖芯纖芯折射率高，玻璃包層折射率高，玻璃包層折射率低折射率低 亮度調制：有光脈沖為亮度調制：有光脈沖為1 1，無光脈沖為，無光脈沖為0 0。 單向傳輸，雙向需兩根光纖單向傳輸，雙向需兩根光纖 光源：波長光源：波長850nm/1300nm/1500nm衰減較小的衰減較小的3個波段。個波段。 應用領域：局域網主干、電信網絡、服務器連接應用領域：局域網主干、電信網絡、服務器連接多模光纖多模光纖(MMF)單模光纖單模光纖(SMF)：光纖的直徑接近一個光波波長光纖的直徑接近一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播多束光線以不同的反射角傳播激光器包層，折射率低纖芯，折射率高亮度調制光檢波器

23、激光器光檢波器單束光線沿直線傳播單束光線沿直線傳播不產生反射不產生反射單芯光纜單芯光纜多芯光纜多芯光纜玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃內芯玻璃內芯玻璃內芯玻璃內芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外殼外殼高密度多芯光纜高密度多芯光纜剖面結構剖面結構芯芯封套封套外套外套加強芯加強芯光纖光纖外鞘外鞘加強芯加強芯光纖束光纖束無線介質無線介質（信號在信號在大氣或外層空間大氣或外層空間自由傳播）自由傳播） 使用電磁波攜帶信息使用電磁波攜帶信息 優缺點：優缺點：無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾反射，為障礙物所阻隔微波通信微波通信 主要是主要是直線直線傳播傳播 通過地面站之間接力通過地面站

24、之間接力傳送傳送 接力站之間距離：接力站之間距離：50 100 km，100m高天線可達高天線可達100 km地面站之間的地面站之間的直視直視線路線路 微波傳送塔微波傳送塔采用地球同步衛星作為中繼器的微波通信采用地球同步衛星作為中繼器的微波通信 與地面站相對固定位置 使用三顆衛星即可覆蓋全球 傳輸延遲時間長（270ms） 應用領域：電視傳輸長途電話專用網絡廣域網35,784km地球地球電磁波波譜 無線電波105紅外線1010可見光紫外線1015X射線1020宇宙射線1025f/Hz/m3103310 2(3.87.8)10 7310 7310 12310 17= c/ f （ c為自由空間的光

25、速為自由空間的光速 c3108 ms）激光傳輸 將激光束調制成光脈沖傳輸數據 特點：激光的頻率更高，可獲得更高的帶寬激光束的方向性好，不受電磁干擾的影響，不怕竊聽 受天氣影響，如有霧時能見度低只能在短距離通信中使用 紅外線通信紅外線通信紅外線傳輸系統利用墻壁或屋頂反射紅外線從而形成整個房間內的廣播通信系統 ，信號不能穿越墻壁。特點： 紅外通信的設備相對便宜，可獲得較高的帶寬 傳輸距離有限，而且易受室內空氣狀態（例如有煙霧等）的影響 。短波通信短波通信 直線直線傳播傳播 頻率比微波低，通信距離和帶寬比微波小 基站與終端之間通信采用無線鏈路 應用領域：移動通信、無線局域網（WLAN）BS基站覆蓋的

26、無線電區域基站覆蓋的無線電區域BS基站基站 用戶計算機和終端用戶計算機和終端常用傳輸介質的比較常用傳輸介質的比較傳輸介質傳輸介質傳輸方式傳輸方式速率速率/工作頻帶工作頻帶傳輸距離傳輸距離性能性能價格價格應用應用雙絞線雙絞線寬帶寬帶基帶基帶1Gb/s模擬模擬: 10km數字數字: 500m較好較好低低模擬模擬/數字數字信號傳輸信號傳輸50同軸電纜同軸電纜基帶基帶10Mb/s3km較好較好較低較低基帶數字信基帶數字信號號75同軸電纜同軸電纜寬帶寬帶450MHz100km較好較好較低較低模擬電視、模擬電視、數據及音頻數據及音頻光纖光纖基帶基帶40Gb/s20km以上以上很好很好較高較高遠距離高速遠距

27、離高速數據傳輸數據傳輸微波微波寬帶寬帶46GHz幾百幾百km好好中等中等遠程通信遠程通信衛星衛星寬帶寬帶110GHz18000km很好很好高高遠程通信遠程通信2.4數據編碼數據編碼數字數據的數字信號編碼（數字數據的數字信號編碼（信道編碼信道編碼）使數字數據能在數字信道上傳輸使數字數據能在數字信道上傳輸數字數據的數字數據的調制調制編碼編碼使數字數據能在模擬信道上傳輸使數字數據能在模擬信道上傳輸模擬數據的數字信號編碼（模擬數據的數字信號編碼（信源編碼信源編碼）使模擬數據能在數字信道上傳輸使模擬數據能在數字信道上傳輸2.4.1 數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼不歸零碼（不歸零碼（Non-

28、Return to Zero， NRZ ） 二進制數字二進制數字0、1分別用兩種電平來表示；分別用兩種電平來表示；常用常用5V表示表示1，5V表示表示0； 缺點：缺點：單極性時單極性時存在直流分量，傳輸中不能有變壓器存在直流分量，傳輸中不能有變壓器或電容；或電容；不具備自同步機制不具備自同步機制，傳輸時必須使用外同步。，傳輸時必須使用外同步。2.4.1 數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼曼徹斯特編碼（曼徹斯特編碼（Manchester Coding） 用電壓的變化表示用電壓的變化表示0和和1。規定在規定在每個碼元的中間發生跳變每個碼元的中間發生跳變高高低的跳變代表低的跳變代表1，低，

29、低高的跳變代表高的跳變代表0 每個碼元中間都要發生跳變，接收端可將此變化每個碼元中間都要發生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號。這種提取出來作為同步信號。這種編碼也稱為編碼也稱為自同步自同步碼碼（Self-Synchronizing Code）。）。 缺點：需要缺點：需要雙倍的傳輸帶寬雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數據（即信號速率是數據速率的速率的2倍）。倍）。2.4.1 數字數據的數字信號編碼數字數據的數字信號編碼差分曼徹斯特編碼（差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Coding，DMC） 用用碼元開始處有無跳變來表示碼元開始處有無跳變來表示0和和1 ，有

30、跳變代表，有跳變代表0，無跳變代表，無跳變代表1。 每個碼元的中間仍要發生跳變每個碼元的中間仍要發生跳變。 既是接收的信號電平完全反向，也不影響正確接既是接收的信號電平完全反向，也不影響正確接收，收，抗干擾能力強抗干擾能力強。三種數字編碼的波形圖三種數字編碼的波形圖2.4.2 數字數據的調制編碼數字數據的調制編碼數字數字ModulatorDemodulator數字數字g(t)s(t)g(t)載波發送方發送方接收方接收方調制器調制器解調器解調器2.4.2 數字數據的調制編碼數字數據的調制編碼三種常用的三種常用的數字數字調制技術調制技術： 幅移鍵控ASK （Amplitude Shift Keyi

31、ng） 頻移鍵控FSK （Frequency Shift Keying） 相移鍵控PSK （Phase Shift Keying）原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。 載波信號載波信號 S(t) = Acos(w wt+ ) S(t)的參量包括：的參量包括： 幅度幅度A、頻率頻率w w 、初相位初相位 調制就是要使調制就是要使A、w w 或或 隨數字基帶信號的變化而變化隨數字基帶信號的變化而變化 ASK：用載波的兩個不同振幅表示：用載波的兩個不同振幅表示0和和1 FSK：用載波的兩個不同頻率表示：用載波的兩個不同頻率表示0和和1 PSK：用載波的

32、起始相位的變化表示：用載波的起始相位的變化表示0和和1幅移鍵控ASK2.4.3 模擬數據的數字信號編碼模擬數據的數字信號編碼模擬數據要在數字線路上傳輸，必須將其轉換成模擬數據要在數字線路上傳輸，必須將其轉換成數字信號。數字信號。PCM編碼：編碼： 采樣采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣，模擬信號經：按一定間隔對語音信號進行采樣，模擬信號經抽樣轉換為抽樣轉換為時間上離散的模擬信號時間上離散的模擬信號。 量化量化：用有限種類的電平來近似地表示模擬采樣值，：用有限種類的電平來近似地表示模擬采樣值，把每個樣本舍入到最接近的量化級別上，得到時間上把每個樣本舍入到最接近的量化級別上，得到時間上、幅度上都離

33、散的、幅度上都離散的數字信號數字信號。 編碼編碼：用一定位數的二進制碼組來表示量化值。編碼：用一定位數的二進制碼組來表示量化值。編碼后的信號稱為后的信號稱為PCM信號（信號（ Pulse Coded Modulation，脈碼調制）。，脈碼調制）。2.4.3 模擬數據的數字信號編碼模擬數據的數字信號編碼奈奎斯特采樣定理：奈奎斯特采樣定理： 如果模擬信號的如果模擬信號的最高頻率為最高頻率為F，若以，若以2F的采樣的采樣頻率對其采樣，則從采樣得到的離散信號序列頻率對其采樣，則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。就能完整地恢復出原始信號。PCM編碼過程PCM編碼采用非均勻量化：量化間隔

34、不相等的量化，使小信號時的量化誤差減小，提高小信號量化信噪比。0tX(t)ab0 x1x2x3x4x1m2m3m4m語音信號的數字化語音信號的數字化 語音帶寬語音帶寬f2倍語音最大頻率）倍語音最大頻率） 樣本量化級數：樣本量化級數：256級（級（8b/每樣本）每樣本） 數據率：數據率：8000次次/s8b = 64kb/s每路每路PCM信號的速率信號的速率 = 64kb/s采樣電路采樣電路量化和編碼量化和編碼2.5 多路復用技術多路復用技術多路復用多路復用：多個信息源共享一個公共信道，：多個信息源共享一個公共信道，提高線路利用率提高線路利用率DEMUX復用器復用器分用器分用器共享信道共享信道M

35、UX信信源源信信宿宿復用的基本思想：復用的基本思想： 把共享信道用某種方法劃分成多個子信道，每個把共享信道用某種方法劃分成多個子信道，每個子信道傳輸一路數據。子信道傳輸一路數據。復用方法復用方法 頻分復用頻分復用FDM （Frequency Division Multiplexing）按頻率劃分不同的信道，如按頻率劃分不同的信道，如CATV系統系統 時分復用時分復用TDM （Time Division Multiplexing）按時間劃分不同的信道，目前應用最廣泛按時間劃分不同的信道，目前應用最廣泛 波分復用波分復用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波長劃分不

36、同的信道，用于光纖傳輸按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸 碼分復用碼分復用CDM （Code Division Multiplexing）按地址碼劃分不同的信道，非常有發展前途按地址碼劃分不同的信道，非常有發展前途頻分復用頻分復用FDM 原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率，每路信號占用一個頻率通道進行傳輸。頻率通道之間留有通道之間留有防護頻帶防護頻帶以防相互干擾。以防相互干擾。CH2CH1CH3原帶寬原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬移頻后帶寬MUXCH1 CH2 CH3帶寬復用信號帶寬復用信號f復用器復用器

37、頻分復用(FDM ，即Frequency- Division Multiplexing)：信道的可用頻帶被分成若干互不重疊的頻段，每路信號占據其中一個頻段，接收端用適當的濾波器將它們分割開來，分別解調接收，在頻率上是各路信號是不重疊的；但在時間上是重疊在一起的。f01f02f03f頻分復用頻分復用FDM無主載波調制LPF1LPF1調制調制BPF1BPF1)(1tf1w信信道道LPFnLPFn調制調制BPFnBPFn)(tfnnw. . . .BPF1BPF1解調解調LPF1LPF1)(1tf1wBPFnBPFnLPFnLPFn)(tfnnw. . . .解調解調First-levelMUX12

38、12-Second-levelMUX125-Third-levelMUX1210-BasicGroupSuperGroupMasterGroup(a)04 kHzf(b)12111098765432160 kHz108 kHz48 kHzBasic Group A(LSB)121110987654321196 kHz148 kHzBasic Group B(USB)(c)12121212121111112345Super Group 1(LSB)312 kHz552 kHz12121212121111112345Super Group 2(USB)300 kHz60 kHz(d )Voice

39、Channel北美多路載波電話系統時分復用時分復用TDM 原理：把信號采樣周期分為若干個原理：把信號采樣周期分為若干個時隙，每路時隙，每路數據占用一個時隙數據占用一個時隙進行傳輸。各路信號進行傳輸。各路信號頻率重疊，時間不重疊。A2A1A3原始信號D2D1D3數字化信號MUX復用后的數據流復用后的數據流時隙號時隙號1231D3D2D1時間周時間周期期12時間周時間周期期2D1時隙時隙D2復用器復用器t由于每路用戶數據總是使用每個時間周期由于每路用戶數據總是使用每個時間周期的固定時隙，的固定時隙，用戶時隙與時間周期同步用戶時隙與時間周期同步，所以這種時分復用也稱為所以這種時分復用也稱為同步時分復

40、用同步時分復用。一個時間周期內傳輸的多路數據稱為一個時間周期內傳輸的多路數據稱為幀幀。時分復用的典型例子：時分復用的典型例子：PCM信號的傳輸信號的傳輸 把多個話路的把多個話路的PCM語音數據用語音數據用TDM的方法裝成的方法裝成幀（幀中還包括了幀同步信息和信令信息）幀（幀中還包括了幀同步信息和信令信息） 每幀在一個時間片內發送每幀在一個時間片內發送 每個時隙承載一路每個時隙承載一路PCM信號信號12340TS5678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10

41、F11F12F13F14F1516幀、2ms32時隙256bit、125s1 0 0 1 1 0 1 10 0 0 0 11 11 101011 1 1 1 1幀定位時隙復幀定位碼組保留給國際用(目前固定為1)保留給國內用奇幀識別碼幀對告碼奇幀TS0偶幀TS0第115話路話音信息時隙標志信號時隙第1629話路話音信息時隙x1x2x3x4x5x6x7x8第30話路話音信息時隙段內碼極性碼復幀定位碼組復幀對告和備用比特a b cd a b c d第1路第16路a b cd a b c d第2路第17路a b cd a b c d第15路第30路F15F2F1F0段落碼E1-幀格式0121631幀同

42、步幀同步信令信令30 路數字語音數據（路數字語音數據（PCM數據）數據）+2 路控制路控制用戶話路用戶話路用戶話路用戶話路1517時分復用標準時分復用標準T-標準標準 （北美、日本）（北美、日本）E-標準標準 （歐洲、（歐洲、中國中國、南美）、南美） E1（一次群）標準（一次群）標準每每125us為一個時間片，每時間片分為為一個時間片，每時間片分為32個通道（時個通道（時隙）。每個時隙可容納隙）。每個時隙可容納8b。通道通道0用于同步，通道用于同步，通道16用于信令，其他用于信令，其他30個通道用個通道用于傳輸于傳輸30個個PCM話音數據。話音數據。E1速率速率 = （32x8b）/125us

43、 = 2.048 Mb/s 對對E1進一步復用，還可構成進一步復用，還可構成E2到到E5等高次群。等高次群。 E5可承載可承載7680個話路，數據率約為個話路，數據率約為565Mb/s。統計（異步）統計（異步）TDMSTDM TDM的缺點：某用戶無數據發送，其他用戶也不能占的缺點：某用戶無數據發送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成用該時隙，將會造成帶寬浪費帶寬浪費。 STDM：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數據：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數據放入，放入，時隙數小于用戶數時隙數小于用戶數。 用戶占用的時隙不是周期地出現，所以這種時分復用用戶占用的時隙不是周期地出現，所以這種時分

44、復用也稱為也稱為異步時分復用異步時分復用 必須有用戶的地址信息。必須有用戶的地址信息。ABCD待發數據待發數據t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間周期時間周期1時間周期時間周期2同步同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間周期時間周期1時間周期時間周期2統計統計TDM可用帶寬C2波分復用波分復用光的頻分復用光的頻分復用 原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。F2F1F3光譜光譜F1F2F3共享光纖的光譜共享光纖的光譜光纖光纖2光纖光纖3光纖光纖1共享光纖共享光纖 棱柱

45、棱柱/衍射光柵衍射光柵碼分復用碼分復用CDM 又稱碼分多址訪問又稱碼分多址訪問CDMA 原理：原理：每個用戶把發送信號用接收方的地址碼序每個用戶把發送信號用接收方的地址碼序列進行調制列進行調制（任意兩個地址碼序列相互正交任意兩個地址碼序列相互正交），），接收者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的接收者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的正交性，只有與自己地址碼相關的信號才能被檢正交性，只有與自己地址碼相關的信號才能被檢出，由此恢復出原始數據。出，由此恢復出原始數據。 地址碼序列必須兩兩相互地址碼序列必須兩兩相互正交正交：內積為零：內積為零碼序列碼序列A、B，應滿足，應滿足 A B =0，A B

46、 =0，A A =1，A A =-1 其中其中 為內積運算，代碼為內積運算，代碼1由由+1表示，表示， 0由由-1表示。表示。 地址碼序列為偽隨機序列，一般取地址碼序列為偽隨機序列，一般取64或或128位位調制功放調制功放混頻解調判決d1s1dNsNw1wNf0f0fcwkRrk采樣TtT 0 d1假設發射的都是代碼假設發射的都是代碼“1”A+ B ， (A+ B ) A =1 ， (A+ B ) B =1假設發射的是代碼假設發射的是代碼“1”和代碼和代碼“0”A+ B， (A+ B ) A =1 ， (A+ B ) B =-1書上的圖錯誤擴頻調制：已調信號帶寬是數據信號帶寬的m倍dwc011

47、01111000100110101111000100110)(1HzBt2.6 數據交換技術數據交換技術什么是交換？什么是交換？ 兩個終端之間兩個終端之間沒有直接連接沒有直接連接線路，通過線路，通過中間節點中間節點的連的連接實現通信。動態（臨時）地分配傳輸線路資源。接實現通信。動態（臨時）地分配傳輸線路資源。例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行連接。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其他用行連接。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其他用戶。戶。最初的交換：人工轉接交換最初的交換：人工轉接交換為什么要采用交換技

48、術？為什么要采用交換技術？ 節省投資，提高線路利用率。節省投資，提高線路利用率。實現交換的方法主要有：實現交換的方法主要有：電路交換、報文交換和電路交換、報文交換和分組交換。分組交換。兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。 5 部電話機兩兩相連，需 10 對電線。N 部電話機兩兩相連，需 N(N 1)/2對電線。當電話機的數量很大時，這種連接方法需要的電線對的數量與電話機數的平方成正比。 當電話機的數量增多時，就要使用交換機來完成全網的交換任務。 交換機2.6.1 電路交換電路交換 在通信雙方之間建立一條在通信雙方之間建立一條臨時專用臨時專用線路線路的過程。的過程。可以是真正的可以是真

49、正的物理線路物理線路，也可以是一個，也可以是一個復用信道復用信道。 特點：數據傳輸前需要建立一條端到端的通路。特點：數據傳輸前需要建立一條端到端的通路。 稱為稱為“面向連接的面向連接的”交換（典型例子：電話）交換（典型例子：電話） 過程：過程：建立連接建立連接通信通信釋放連接釋放連接 優缺點：優缺點：建立連接的時間長建立連接的時間長；一旦建立連接就一旦建立連接就獨占線路獨占線路，線路利用率低；，線路利用率低；無糾錯機制；無糾錯機制；建立連接后，建立連接后，傳輸延遲小，實時性好。傳輸延遲小，實時性好。 不適用于計算機通信：因為計算機數據具有突發不適用于計算機通信：因為計算機數據具有突發性的特點，

50、真正傳輸數據的時間不到性的特點，真正傳輸數據的時間不到10%。電話網絡中的電路交換電路交換也能在多路復用信道上實現 在物理線路的某個信道上建立連接2.6.2 報文交換報文交換 報文：包含一個報文：包含一個完整數據文件完整數據文件的數據塊，而不是的數據塊，而不是數據的一部分，如一篇新聞稿。數據的一部分，如一篇新聞稿。 報文交換：以報文交換：以報文為單位報文為單位由中間節點進行由中間節點進行“存儲存儲-轉發轉發”的交換技術的交換技術在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲下來在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲下來，待，待信道空閑時再轉發出去信道空閑時再轉發出去，一級一級中轉，一級一級中轉

51、（每級都（每級都有路由選擇），有路由選擇）， 直到目的地。又稱為直到目的地。又稱為存儲轉發存儲轉發。 傳輸之前不需要建立端到端的連接傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰節，僅在相鄰節點傳輸報文時建立節點間的連接。點傳輸報文時建立節點間的連接。稱為稱為“無無連接的連接的”交換（典型例子：電報）交換（典型例子：電報）2.6.2 報文交換報文交換 優缺點：優缺點：沒有建立和拆除連接所需的等待時間沒有建立和拆除連接所需的等待時間；線路利用率高；線路利用率高；傳輸可靠性較高，有差錯控制和路由選擇；傳輸可靠性較高，有差錯控制和路由選擇；實時性差；實時性差；報文大小不一，造成存儲管理復雜；報文大小不一，

52、造成存儲管理復雜；大報文造成存儲轉發的延時過長，且對存儲容量要大報文造成存儲轉發的延時過長，且對存儲容量要求較高；求較高；出錯后整個報文全部重發，影響傳輸效率。出錯后整個報文全部重發，影響傳輸效率。 應用少，由分組交換所取代。應用少，由分組交換所取代。2.6.3分組交換（包交換）分組交換（包交換） 將報文分割成若干個較小的數據塊（將報文分割成若干個較小的數據塊（分組分組Packet）進行）進行存儲轉發存儲轉發。目的節點按分組編號。目的節點按分組編號重組重組報文報文。 優缺點：優缺點：對轉發節點的存儲要求較低對轉發節點的存儲要求較低；轉發延時小；轉發延時小；某個分組出錯可以僅重發出錯的分組，效率

53、高；某個分組出錯可以僅重發出錯的分組，效率高；需要分割報文和重組報文需要分割報文和重組報文，增加了端站點的負擔。，增加了端站點的負擔。 分組交換有兩種交換方式：分組交換有兩種交換方式：數據報方式和虛電路方式數據報方式和虛電路方式數據報方式（Datagram） 各分組獨立地確定路由獨立地確定路由（路徑），每個分組都必須包含目的站點地址。 不能保證分組按序到達不能保證分組按序到達，目的站點需要按分組編號重新排序重新排序和組裝報文。 是是“無連接的無連接的”的交換。的交換。數據報方式不能保證分組按序到達數據報方式不能保證分組按序到達分組可能通過多個路徑穿越網絡分組可能通過多個路徑穿越網絡虛電路方式（

54、Virtual Circuit） 虛電路交換：虛電路交換：通信前預先建立一條邏輯連接，發送的所有分組依次通過連接到達目的地。連接由若干條物理鏈路組成，通信的用戶不是自始至終占用該連接，而是與其它用戶共享該連接。 也需要三個過程：建立數據傳輸拆除 虛電路的路由在建立時確定，傳輸數據時則不再需要。數據傳輸時只需指定虛電路號，分組即可按虛電路的路由穿越網絡。 提供的是“面向連接”的交換但卻沒有像電路交換那樣始終占用一條端到端的物理通道，只是斷續地依次占用斷續地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段。傳輸路徑上各個鏈路段。可以看成是采用了電路交換思想的分組交換能夠保證分組按序到達分組通過預先建立好的虛電路穿越網

55、絡三種交換方式的事件順序三種交換方式的事件順序呼呼叫叫請請求求呼呼叫叫應應答答數數據據ABCD尋路延遲尋路延遲線路交換線路交換分組分組1分組分組2分組分組3ABCD分組交換分組交換分組分組4t t報文報文ABCD排隊延遲排隊延遲報文交換報文交換2.7 差錯控制差錯控制什么是差錯控制？什么是差錯控制？ 在通信過程中，發現、檢測差錯并進行糾正在通信過程中，發現、檢測差錯并進行糾正為何要進行差錯控制？為何要進行差錯控制？ 不存在理想的信道不存在理想的信道傳輸總會出錯傳輸總會出錯產生差錯的原因：產生差錯的原因： 信號衰減和熱噪聲；信號衰減和熱噪聲； 信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變；信道的

56、電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變； 信號反射，串擾；信號反射，串擾； 沖擊噪聲，閃電、大功率電動機的啟停等。沖擊噪聲，閃電、大功率電動機的啟停等。差錯控制的差錯控制的基本方法：基本方法： 在所傳送的數字信號（信息編碼）中按一定規律在所傳送的數字信號（信息編碼）中按一定規律人為地加入一定的人為地加入一定的多余碼元多余碼元（冗余碼元，對信息（冗余碼元，對信息來說是多余的，它不代表信息）來說是多余的，它不代表信息） ，稱為，稱為監督碼元監督碼元，監督碼和信息碼之間有一定的編碼監督關系。，監督碼和信息碼之間有一定的編碼監督關系。這樣，在接收端就可以利用這種監督關系來檢測這樣，在接收端就可以利用這

57、種監督關系來檢測、糾正錯誤。、糾正錯誤。2.7.2 差錯控制差錯控制方法方法實際采用的實際采用的3種差錯控制技術種差錯控制技術 自動請求重發（自動請求重發（ Automatic Repeat reQuest, ARQ）：也叫）：也叫檢錯反饋重發檢錯反饋重發，若發送端發出，若發送端發出能夠檢能夠檢查錯誤查錯誤的編碼，接收端收到信號后經檢驗如果發現的編碼，接收端收到信號后經檢驗如果發現傳輸中有錯誤，則通過反向信道把這一判斷結果傳輸中有錯誤，則通過反向信道把這一判斷結果反反饋給發送端饋給發送端；發送端把前面發出的信息重新傳送一；發送端把前面發出的信息重新傳送一次，直到接收端認為已正確地收到信息為止次

58、，直到接收端認為已正確地收到信息為止。2.7.2 差錯控制差錯控制方法方法實際采用的實際采用的3種差錯控制技術種差錯控制技術 前向糾錯（前向糾錯（ FEC-Forward Error Control,FEC）：發送端經編碼后發出：發送端經編碼后發出能夠糾正錯誤的碼能夠糾正錯誤的碼，接收端，接收端收到這些碼組后，通過譯碼能收到這些碼組后，通過譯碼能自動發現并糾正自動發現并糾正傳輸傳輸中的錯誤。中的錯誤。 前向糾錯方式不需要反饋信道，特別適合于只能提前向糾錯方式不需要反饋信道，特別適合于只能提供單向信道的場合（單工）。供單向信道的場合（單工）。 由于能自動糾錯，不要求檢錯重發，因而延時小、由于能自

59、動糾錯，不要求檢錯重發，因而延時小、實時性好。實時性好。2.7.2 差錯控制差錯控制方法方法實際采用的實際采用的3種差錯控制技術種差錯控制技術 混合方式混合方式Hybrid（FEC-ARQ） ：是自動請求重：是自動請求重發方式和前向糾錯方式的發方式和前向糾錯方式的結合結合。在這種系統中接。在這種系統中接收端不但有糾正錯誤的能力，而且對超出糾錯能收端不但有糾正錯誤的能力，而且對超出糾錯能力的錯誤有檢查錯誤的能力。遇到后一種情況時力的錯誤有檢查錯誤的能力。遇到后一種情況時，通過反饋信道要求發送端重發一次。，通過反饋信道要求發送端重發一次。2.7.2 差錯控制差錯控制方法方法發送端接收端能夠發現錯誤

60、的編碼應答信號發送端接收端能夠糾正錯誤的編碼發送端接收端能夠發現和糾正錯誤的編碼應答信號奇偶校驗奇偶校驗（Parity Checking） 在原始數據字節（信息編碼）的最高位（或在原始數據字節（信息編碼）的最高位（或最最低位低位）增加一個奇偶校驗位，使字節中）增加一個奇偶校驗位，使字節中1的個的個數為奇數數為奇數（奇校驗）或（奇校驗）或偶數偶數（偶校驗）。（偶校驗）。 只能檢測出奇數個位錯，偶數個位錯則不能檢只能檢測出奇數個位錯，偶數個位錯則不能檢出。出。2.7.3 常見的檢錯碼常見的檢錯碼對偶數監督碼，使整個碼組中“l”碼的個數為偶數。00121 aaaann對奇數監督碼，使整個碼組中“l”