第二章數據通信基礎一、數據、信息

信息是人對現實世界事物存在方式或運動狀態某種認識;數據是把事件一些屬性規范化后表現形式;信號是數據詳細物理表現。2.1數據通信基本概念介質訪問與局域網第1頁雪六角形涼白色信息數據信號例子

2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第2頁信息：人對雪花和馬認識數據：文字，二進制數，十進制數信號：電壓，光，磁場強度2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第3頁兩種不一樣類型信號：A.時間、溫度、電波、聲音B.字符，二進制數，電脈沖信號中沒有斷開或不連續地方；信號僅取一些有限數目值；二、信號與信號傳輸

2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第4頁模擬量特點：波動性；連續改變；反應事物本質；在電信業已經被廣泛使用超出1；數字量特點：離散性；躍變性；設備性能先進，較為廉價；2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第5頁數據傳輸：2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第6頁信道：傳輸信號一條通路，有傳輸線和傳輸設備組成。一條傳輸線上能夠有多條信道帶寬（Bandwidth）(HZ)信號帶寬：信號頻率范圍.信道帶寬：信道上能夠傳輸信號最大頻率范圍300HZ3400HZ三、基本術語

2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第7頁數據傳輸速率——bps(bitpersecond)，單位時間內傳送二進制數據位數慣用數據傳輸速率單位有：Kbps、Mbps、Gbps與Tb/s，其中：

1Kbps=10^3bps

1Mbps=10^6bps

1Gbps=10^9bps

1Tbps=10^12bps

三、基本術語

2.1網絡數據通信概念介質訪問與局域網第8頁碼元——信號傳送基本單位，通常一個碼元包含一個或多個數據位。碼元傳輸速率——又稱為碼元速率或傳碼率。其定義為每秒鐘傳送碼元數目，單位為“波特”,慣用符號“Baud”表示，簡寫為“B”。數據傳輸速率與碼元傳輸速率Rb=RB㏒2NRb—數據傳輸速率RB——碼元傳輸速率N—每個碼元包含二進制位數介質訪問與局域網第9頁信道利用率指出某信道有百分之幾時間是被利用（有數據經過）。完全空閑信道利用率是零。差錯率差錯率是衡量傳輸質量主要指標之一。

介質訪問與局域網第10頁1.碼元差錯率指正在傳輸碼元總數中發生差錯碼元數所點百分比（平均值），簡稱誤碼率。

Pe=N/M(式中M為碼元傳輸總數，N為錯誤接收碼元數）

當統計碼元數很大時，它與理論上碼元差錯概率很靠近，故用同一符號Pe表示。

介質訪問與局域網第11頁2.比特差錯率

指在傳輸比特總數中發生差錯比特數所占百分比（平均值）。比如Peb=10^4，意味著平均傳送10000個比特，要發生一個比特差錯。在二進制傳輸中，碼元差錯率即是比特差錯率，而在多進制傳輸中可由碼元差錯率求出比特差錯率。

介質訪問與局域網第12頁2.2數據通信系統一、數據通信系統模型

介質訪問與局域網第13頁二、信道1、信道容量----指物理信道上能夠傳輸信息最大能力。單位時間內傳輸信息量越大，信道傳輸能力就越強，信道容量越大。提升信道傳輸能力方法之一，就是提升信道帶寬。2.2數據通信系統介質訪問與局域網第14頁“帶寬”(bandwidth)原來是指信號含有頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。頻帶寬度——信號所擁有頻率范圍現在“帶寬”是數字信道所能傳送“最高數據率”同義語，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。介質訪問與局域網第15頁二、信道2、線路連接方式點--點連接多點連接2.2數據通信系統介質訪問與局域網第16頁2、數據并行傳輸與串行傳輸并行傳輸串行傳輸并行傳輸：數據每一位分別用一根數據線傳輸。串行傳輸：數據全部位經過一根線傳輸。01010101010101012.2數據通信系統介質訪問與局域網第17頁網絡數據傳輸方式：

單工通信雙工通信半雙工通信全雙工通信單工通信2.3數據傳輸方式介質訪問與局域網第18頁半雙工通信2.3數據通信方式介質訪問與局域網第19頁全雙工通信2.3數據通信方式介質訪問與局域網第20頁2.4基帶傳輸與頻帶傳輸一、基帶傳輸直接以數字信號形式在信道上傳輸，稱為基帶傳輸。1、基帶傳輸系統組成：信源編碼器解碼器信宿0010110100101101介質訪問與局域網第21頁不歸零編碼NRZ(Non-Return-Zero)曼徹斯特編碼(ManchesterEncoding)差（微）分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）

2、基帶傳輸數據編碼：----數字數據用數字信號表示

2.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第22頁不歸零碼NR2（Non－Returntozero）NR2碼用直流電平“1”和“0”表示二進制“1”和“0”。例：正電平（比如+5V）表示“1”，用負電平（比如-5V）表示“0”在一個二進制位寬度內電平保持不變。介質訪問與局域網第23頁2.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第24頁優點：NRZ碼是最輕易實現，實際上是直接將計算機發出信號加到通信線路上，未作任何處理，代價也最低。缺點：接收方無法判斷一位開始和結束，即不具備同時特征；輕易受到干擾

介質訪問與局域網第25頁曼徹斯特（Manchester）編碼是當前應用最廣泛編碼方法之一。特點：在每個位時間內（普通在中間）有一次信號跳變，使接收端能夠利用這一跳變信號作為提取一位數據。比如，用正跳變表示0，用負跳變表示1

介質訪問與局域網第26頁曼徹斯特編碼優點是：①因為每一位中間都有一次電平跳變，所以提取電平跳變能夠作為收發雙方同時信號，發送曼徹斯特編碼時無需另發同時信號。這是自同時信號得到廣泛應用主要原因。②不受幅值干擾影響。曼徹斯特編碼缺點：傳輸效率低，因為每一位要占用兩個波形。

介質訪問與局域網第27頁差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼改進：（1）每一位中間跳變只作提取時鐘之用；（2）每一位數據值依據起始處有沒有跳變來決定。比如，每位開始時有跳變表示數據“0”，每位開始時無跳變表示數據“1”。

介質訪問與局域網第28頁模擬數據數據編碼

與模擬信號傳輸相比，數字信號傳輸失真小，誤碼率低，數據傳輸速率高。模擬數據數字化就是要把連續信號分別割成若干個離散信號，再將這些離散信號定量化，用數字數據表示。脈沖碼調制PCM是最慣用模擬數據數字化編碼方法。

PCM技術

模擬數據數字化包含三個步驟：即采樣、電平量化和編碼。采樣就是每隔一定時間對模擬數據進行取樣。采樣所得到值就代表采樣間隔內模擬信號值介質訪問與局域網第29頁采樣頻率越高（或者說采樣時間間隔越小），依據采樣值恢復原始模擬信號準確性就越高。理論研究指出，假如以等于或大于通信道帶寬2倍速率定時對信號進行采樣，就能夠足夠準確地重現原始信號。對采樣值進行取整、量化后，下一步就是進行編碼了編碼是用若干位二進制數來表示采樣并取整得到量化幅度介質訪問與局域網第30頁介質訪問與局域網第31頁PCM技術經典應用是語音數字化。實際編碼時，將聲音分為128個量化級，每個采樣值采取7位二進制編碼表示。因為采樣速率為8000次/秒，所以利用數字信道傳輸聲音時，要求信道傳輸速率要到達7×8000bit/s=5bkbps。介質訪問與局域網第32頁二、頻帶傳輸將數字信號轉換成模擬信號傳輸，則稱為頻帶傳輸。1、頻帶傳輸系統組成：信源調制器解調器信宿信道調制解調010100011001010001102.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第33頁2、頻帶傳輸調制方式：

載波信號：Asin(ft+Φ)AM:幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying-ASK）FM:頻移鍵控（FrequencyShiftKeying-FSK）PM:相移鍵控（PhaseShiftKeying-PSK2.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第34頁例：AM:幅移鍵控2.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第35頁FM:頻移鍵控2.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第36頁PM:相移鍵控2.4基帶傳輸與頻帶傳輸介質訪問與局域網第37頁通信系統組成小結1、數據通信系統模型

介質訪問與局域網第38頁2、基帶傳輸與頻帶傳輸：：

介質訪問與局域網第39頁一、異步傳輸2.5數據傳輸同時方式介質訪問與局域網第40頁同時傳輸

（a）單同時格式（b）雙同時格式2.5數據傳輸同時方式

介質訪問與局域網第41頁1.電路交換1）概念ABCD發送呼叫信號傳輸1.交換2.發送呼叫信號傳輸1.交換2.發送呼叫信號傳輸1.作出反應2.發送回應信號2.6交換技術介質訪問與局域網第42頁2）電路交換特點:1.有通話建立過程2.通話建立以后源與目標間有一條專用通路存在優點：實時性強管理簡單缺點：信道利用率低呼叫時間長可靠性差適合業務：實時交互式業務大數據量傳輸2.6交換技術介質訪問與局域網第43頁報文交換1）概念ADCB發送報文傳輸等候-發送傳輸等候-發送傳輸報文號目地址源地址數據校驗2.6交換技術介質訪問與局域網第44頁傳輸延遲 ABCD2）報文交換特點:1.無呼叫建立和專用通路2.存放-轉發式發送技術2.6交換技術介質訪問與局域網第45頁分組交換1）概念報文號報文分組號目地址源地址分組數據校驗2.6交換技術介質訪問與局域網第46頁2）分組交換特點:1.無呼叫建立和專用通路2.存放-轉發式發送技術3.將數據分成有大小限制分組后發送優點：無固定物理連接可靠性強（差錯控制、迂回路由）信道利用率高（共享物理信道）缺點：實時性差協議復雜適合業務：突發性業務可靠性要求高業務（如計算機通信）2.6交換技術介質訪問與局域網第47頁4、三種交換技術對比:A.存在呼叫建立；專有線路上不傳送數據時浪費資源B.沒有呼叫建立；只有發送數據時才占用線路C.除了B特點外，在發送分組時能夠分別選擇不一樣路徑提升了線路利用率和傳送速率1、對線路利用率2.6交換技術介質訪問與局域網第48頁12345H1H22.6交換技術介質訪問與局域網第49頁三種交換技術對比:A:固定傳輸速率、會有呼叫阻塞B,C:能夠使用優先級A:實時性強B,C:存在時延和額外開銷2.6交換技術介質訪問與局域網第50頁分組交換兩種方式（a）數據報（b）虛電路介質訪問與局域網第51頁回顧同時技術位同時---使用同時位同時內同時—從數據中提取同時信號外同時—外部時鐘電路提供同時時鐘字符同時—采取同時符同時同時符（如SNY01111110）透明傳輸（防止假同時）如0比特插入法。同時通信與異步通信異步通信—位同時同時傳輸—字符同時介質訪問與局域網第52頁介質訪問與局域網第53頁多路復用技術:用一條高速線路傳送多條低速線路數據分類：頻分多路復用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）時分多路復用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路復用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

2.7多路復用技術介質訪問與局域網第54頁一、頻分多路復用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）應用:無線電廣播,電視特點:信號被劃分成若干通道(頻道,波段),每個通道獨立進行數據傳遞2.7多路復用技術介質訪問與局域網第55頁二、時分多路復用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）

特點：多條低速線路輪番使用同一條高速線路進行數據傳遞應用：電話主干線路2.7多路復用技術介質訪問與局域網第56頁同時時分復用STDM，SynchronizationTime-DivisionMultiplexing）原理：依據信號路數分配時間片，時間片輪番分配給每路信號每路信號在時間片使用完成以后，把物理信道讓給下一路信號使用。TDM優點:是控制簡單，實現起來輕易。TDM缺點：某用戶無數據發送，其它用戶也不能占用該通道，將會造成帶寬浪費。介質訪問與局域網第57頁異步(統計)TDM——STDM

改進：每路信號用戶不固定占用某個時間片，有空槽就將數據放入。

介質訪問與局域網第58頁三、波分多路復用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

應用：光纜線路原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每個用戶占用一個波長范圍來進行傳輸。2.7多路復用技術介質訪問與局域網第59頁介質訪問與局域網第60頁三、碼分多路復用（CDMA）用戶可在同一時間使用一樣頻帶進行通信,但使用是基于碼型分割信道方法即每個用戶分配一個地址碼,各個碼型互不重又疊,通信各方之間不會相互干擾,且抗干攏能力強.

2.7多路復用技術介質訪問與局域網第61頁碼分多路復用技術應用用于無線通信系統,尤其是移動通信系統.它不但能夠提升通信話音質量和數據傳輸可靠性以及降低干擾對通信影響,而且增大了通信系統容量.筆記本電腦或個人數字助理(PersonalDataAssistant,PDA)以及掌上電腦(HandedPersonalCOmputer,HPC)等移動性計算機聯網通信就是使用了這種技術。介質訪問與局域網第62頁2.8差錯檢驗和控制1.差錯類型隨機差錯；突發差錯差錯產生原因：1、線路本身對信號影響2、信號在線路兩端反射3、相鄰線路之間產生干擾4、電磁干擾等外界干擾傳輸質量衡量------誤碼率2.差錯檢測碼奇偶校驗碼循環冗余校驗碼海明碼介質訪問與局域網第63頁一、水平奇偶校驗例子：字符ASCII水平奇校驗H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校驗011111012.8.1差錯檢測碼介質訪問與局域網第64頁二、循環冗余碼(CRC)前提:發送方和接收方必須事先約定一個二進制數G(x)(生成多項式),發送端:計算校驗和,將校驗和加在數據末尾,使這個帶校驗和數據能被G(x)除盡.接收端:收到帶校驗和數據后,用G(x)去除它,假如有余數,則傳輸犯錯實現:用簡單硬件(移位存放器電路)即可2.8.1差錯檢測碼介質訪問與局域網第65頁校驗碼計算方法：1、將信息碼擴展出冗余位（冗余位數=生成式位數-1）2、用生成式去除擴展后信息碼（按模二算法），余數即作為循環冗余校驗碼3、將校驗碼加到信息碼上形成傳輸碼元傳送出去。接收方用收到帶校驗和信息碼，與約定好生成式相除，余數為零正校驗正確。介質訪問與局域網第66頁數據=1101011011G(x)(生成多項式)=10011循環冗余碼(CRC)例子：傳輸碼元=數據（移位后）+余數

110101101111102.8.1差錯檢測碼介質訪問與局域網第67頁已知：信息碼:110011信息多項式:K(X)=X5+X4+X+1

生成多項式:G(X)=X4+X3+1求：循環冗余碼和碼字。解（1）生成碼:11001冗余位4位（2）(X5+X4+X+1)*X4積是X9+X8+X5+X4

對應碼是1100110000。

介質訪問與局域網第68頁按模二算法除以生成式

100001←Q(X)

G(x)→11001)1100110000←F(X)*Xr

11001，

10000

11001

1001←R(X)(冗余碼)則傳輸碼元=1100111001介質訪問與局域網第69頁例2.已知：接收碼字:1100111001多項式:T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1生成碼:11001生成多項式:G(X)=X4+X3+1求：碼字正確性。若正確，則指出冗余碼和信息碼。介質訪問與局域網第70頁解：1)用字碼除以生成碼

100001←Q(X)

G(x)→11001)1100111001←F(X)*Xr＋R(x)

11001，

11001

11001

0←S(X)(余數)余數為0，所以碼字正確。2)因r=4，所以冗余碼是：11001，信息碼是:110011介質訪問與局域網第71頁三、海明碼原理：加入足夠冗余位，將冗余位分別放置在2冪位置上，每個冗余位都是一組比特奇偶校驗位。詳細步驟：例：7位數1、加入冗余位滿足2r>=m+r+1r=42、將r放在r冪位置上，即1、2、4、8、位上3、r1是全部d0為1位偶校驗，r2是全部d1位偶校驗，依次類推即可得出校驗碼。2.8.1差錯檢測碼介質訪問與局域網第72頁比如：發送信息：1011，采取偶校驗，求海明碼（1）增加冗余位r滿足2r>=m+r+1

r=3（2）加入冗余位后信息碼為101r31r2r1（3）求r1，r2，r3r1=位置碼第1位為1各信息位校驗和（偶校驗）r2=位置碼第1位為1各信息位校驗和r3=位置碼第1位為1各信息位校驗和介質訪問與局域網第73頁信息碼為101r31r2r1r1=d1+d3+d5+d7偶校驗位r1=1+1+1同理r2=d2+d3+d6+d7偶校驗位r2=1+0+1=0r3=則信息碼為校驗方一樣將收到信息位進行求出r3r2r1值，若為零，則正確。不然r3r2r1值則為犯錯位編碼。d1001d2010d3011d4100d5101d6110d7111位置碼介質訪問與局域網第74頁網絡差錯控制網絡差錯控制通常采取重發機制，慣用協議有：停等協議連續ARQ協議滑動窗口協議2.9.2差錯檢驗和控制介質訪問與局域網第75頁一、停頓等候協議工作原理：

2.9.2網絡差錯控制介質訪問與局域網第76頁二、連續ARQ協議工作原理：連續ARQ協議，即采取連續自動請求重傳方案。發送方能夠連續發送一系列信息幀，即不用等候前一幀被確認便可發送下一幀。這就需要在發送方設置一個較大緩沖存放空間，用以存放若干待確認信息幀