數據通信與計算機網絡技術1第1頁，課件共90頁，創作于2023年2月第2章數據通信基礎

主要學習內容

：2.1數據通信系統組成2.2數據通信的基本概念2.3數據編碼技術2.4數據通信的基本方式2.5多路復用技術2.6數據交換方式2.7差錯檢驗和控制2第2頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念

2.1.1數據、信息

信息是人對現實世界事物存在方式或運動狀態的某種認識;數據是把事件的某些屬性規范化后的表現形式;信號是數據的具體的物理表現。3第3頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念雪六角形涼白色信息數據信號例子

4第4頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念信息：人對雪花和馬的認識數據：文字，二進制數，十進制數信號：電壓，光，磁場強度5第5頁，課件共90頁，創作于2023年2月數據通信系統的模型

傳輸系統輸入信息輸入數據發送的信號接收的信號輸出數據源點終點發送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號正文正文數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機6第6頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念兩種不同類型的量：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的的地方；信號僅取一些有限數目的值；2.1.2信號與信號傳輸

7第7頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念模擬：波動性；持續變化；反映事物的本質；在電信業已經被廣泛使用超過100年；數字：離散性；躍變性；設備性能先進，較為便宜；模擬與數字的特點8第8頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念（a）模擬信號

（b）數字信號

9第9頁，課件共90頁，創作于2023年2月模擬的和數字的數據、信號

模擬數據模擬信號放大器調制器模擬數據數字信號

PCM編碼器數字數據模擬信號調制器數字數據數字信號數字發送器10第10頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念2.1.3基本概念和術語

數據傳輸速率——bps(bitpersecond)

用C表示信號傳輸速率——波特（Baud）用B表示

兩者關系——C=B×log2n

n是調制電平數

11第11頁，課件共90頁，創作于2023年2月信道(Channel)：傳送信息的線路（或通路）。比特率(BitRate)：數據傳輸速率(bps，b/s)。碼元(CodeCell)：時間軸上的一個信號編碼單元t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同步脈沖同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元的開始12第12頁，課件共90頁，創作于2023年2月波特率(Baud)：每秒傳送的碼元數(即信號傳送速率)。

1Baud=（1/log2M）bps

其中M是信號的編碼級數。也可以寫成

Rbit=Rbaudlog2M

例如：4級編碼

一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特（bit）。13第13頁，課件共90頁，創作于2023年2月誤碼率(Biterrorrate)：信道傳輸可靠性指標

P=錯誤的位數/傳輸的總位數 信息編碼：將信息用二進制數表示的方法。數據編碼：將數據用物理量表示的規則。

例如：字母‘A’的ASCII編碼為01000001，其數據編碼可能為01000001t14第14頁，課件共90頁，創作于2023年2月基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號

基帶信號就是將數字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。寬帶信號則是將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。15第15頁，課件共90頁，創作于2023年2月數字信號通過實際的信道

失真不嚴重失真嚴重實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)16第16頁，課件共90頁，創作于2023年2月信道的極限信息傳輸速率

香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

17第17頁，課件共90頁，創作于2023年2月香農公式表明

信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。18第18頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.1數據通信的基本概念帶寬(Bandwidth)：信號或信道占據的頻率范圍信道容量(Channelcapacity)：信道的最大數據率19第19頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.2數據通信系統構成

噪聲

數據通信系統模型

20第20頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼技術1.數字信道和模擬信道數字信道：以數字脈沖形式（離散信號）傳輸數據的信道。模擬信道：以連續模擬信號形式傳輸數據的信道。21第21頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.模擬信號和數字信號模擬信號：時間上連續，包含無窮多個值，用幅度、相位和頻率等表示要傳送的信息。傳輸過程中會衰減。數字信號：時間上離散，僅包含有限數目的預定值tta)模擬信號b)數字信號22第22頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼數據：模擬數據、數字數據信號：模擬信號、數字信號信道：模擬信道、數字信道不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種組合，每一種相應地需要進行不同的編碼處理。23第23頁，課件共90頁，創作于2023年2月

模擬傳輸和數字傳輸話音模擬傳輸模擬數字模擬模擬CODEC數字數字數字編碼數字模擬數據，模擬信號數字數據，模擬信號數字數據，數字信號模擬數據，數字信號10101010Modem24第24頁，課件共90頁，創作于2023年2月EncoderDecoderModulatorDemodulator數字或模擬數字或模擬數字信號模擬信號g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)數字或模擬數字或模擬P—調制參數編碼調制編碼和調制用數字信號承載數字或模擬數據——編碼用模擬信號承載數字或模擬數據——調制25第25頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼技術

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）

2.3.1數字數據用數字信號表示

26第26頁，課件共90頁，創作于2023年2月1.數字數據的數字信號編碼

不歸零制(NRZ，Non-ReturntoZero)

二進制數字0、1分別用兩種電平來表示。 常用－5V表示1，＋5V表示0。

缺點：存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器；不具備自同步機制，必須使用外同步。曼徹斯特編碼(Manchestercode)

用電壓的變化表示0和1。27第27頁，課件共90頁，創作于2023年2月規定在每個碼元的中間發生跳變：高→低的跳變——0，低→高的跳變——1∵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，使接收端的時鐘與發送設備的時鐘保持一致。∴曼徹斯特編碼也稱為自同步碼（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步機制，無需外同步信號。

28第28頁，課件共90頁，創作于2023年2月差分曼徹斯特編碼(DifferentialManchestercode)

與曼徹斯特編碼相同，在每個碼元的中間，信號都會發生跳變；不同之處在于：

用在碼元開始處有無跳變來表示0和1

：

碼元開始處有跳變——0

碼元開始處無跳變——129第29頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼技術

01001100011時鐘NRZManchester差分Manchester30第30頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.數字數據用模擬信號表示

三種常用的調制技術：

1）幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)，調幅

2）頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)，調頻

3）相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)，調相

基本原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。

載波S(t)=Acos(t+)S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、相位調制就是要使這三個參量隨數字基帶信號的變化而變化31第31頁，課件共90頁，創作于2023年2月00110100010ASK調幅FSK調頻PSK調相PSK：用載波的兩個不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用載波的兩個不同頻率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用載波的起始相位的變化表示0(同相)和1(反相)32第32頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼技術

33第33頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼技術

2.3.1模擬數據用數字信號表示

脈沖編碼調制（PCM）34第34頁，課件共90頁，創作于2023年2月3.模擬數據的數字信號編碼奈奎斯特定理（采樣定理）：

如果連續變化的模擬信號最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。語音信號要在數字線路上傳輸，必須將語音信號轉換成數字信號。這需要經過三個步驟：

1）采樣——按一定間隔對語音信號進行采樣

2）量化——對每個樣本舍入到量化級別上

3）編碼——對每個舍入后的樣本進行編碼35第35頁，課件共90頁，創作于2023年2月模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和編碼數字化聲音--話音信道帶寬<4KHz--采樣時鐘頻率：8KHz(>2倍話音最大頻率)--量化級數：256級(8位二進制碼表示)--數據率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信號的速率=64000bps編碼后的信號稱為PCM（PulseCodedModulation）信號（脈碼調制信號）36第36頁，課件共90頁，創作于2023年2月PCM轉換過程舉例 3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信號

PAM脈沖

PCM脈沖（有量化誤差）011100011011001100

PCM輸出37第37頁，課件共90頁，創作于2023年2月PCM轉換波形圖BACDABCD模擬話音采樣時鐘PAM信號PCM信號采樣電路量化和編碼數字化聲音38第38頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.3數據編碼技術

增量調制（DM）39第39頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.4數據通信的基本方式

2.4.1數據通信的操作方式(傳輸模式或數據流動方向)

40第40頁，課件共90頁，創作于2023年2月?單工：數據單向傳輸（無線電廣播）?半雙工：數據可以雙向傳輸，但不能在同一時刻雙向傳輸（對講機）?全雙工：數據可同時雙向傳輸（電話）

兩個方向的信號共享鏈路帶寬：

1）鏈路具有兩條物理上獨立的傳輸線路，或

2）將帶寬一分為二，分別用于不同方向的信號傳輸41第41頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.4數據通信的基本方式

2.4.2同步和異步傳輸

（a）單同步格式（b）雙同步格式42第42頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.4數據通信的基本方式

異步通信格式：43第43頁，課件共90頁，創作于2023年2月通信系統的例子——電話系統公用電話交換網PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的數據傳輸率：104b/s-干線的數據傳輸率：1010b/s-總體誤碼率：<10-5

-通信干線采用光纖或微波數字傳輸系統。優點：出錯率低、可傳輸語音/數據/圖像、速率高、成本低、維護容易44第44頁，課件共90頁，創作于2023年2月構成：本地回路、交換局、干線端局端局長途局中心局長途局本地回路準長途干線高帶寬長途干線準長途干線本地回路光纖、微波、同軸雙絞線雙絞線45第45頁，課件共90頁，創作于2023年2月本地回路編碼解碼器Codec編碼解碼器Codec用戶設備用戶設備ModemModem端局端局長途局數字干線模擬線路（本地回路）模擬線路（本地回路）●絕大多數為模擬線路●計算機間傳輸：以模擬為主，所以信號要經過多次變換：數字→模擬→數字→模擬→數字46第46頁，課件共90頁，創作于2023年2月長途干線最初采用頻分復用FDM的傳輸方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)目前我國長途通信線路已實現了數字化，因而現在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機到市話交換機之間的這一段幾公里長的用戶線上。47第47頁，課件共90頁，創作于2023年2月調制解調器

數據經過模擬傳輸系統后可能會出現差錯。出現差錯010010100還原后的數據t接收到的失真信號010011100t發送的基帶信號t采樣時刻48第48頁，課件共90頁，創作于2023年2月調制解調器的作用調制解調器(modem)包括：調制器(MOdulator)：把要發送的數字信號轉換為頻率范圍在300~3400Hz之間的模擬信號，以便在電話用戶線上傳送。解調器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉換為數字信號。本書中的調制解調器是指使用在標準的二線模擬話路（3.1kHz的標準話路帶寬）上的調制解調器。49第49頁，課件共90頁，創作于2023年2月調制解調器的作用（續）調制器的主要作用就是個波形變換器，它把基帶數字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸的波形解調器的作用就是個波形識別器，它將經過調制器變換過的模擬信號恢復成原來的數字信號。若識別不正確，則產生誤碼。在調制解調器中還要有差錯檢測和糾正的設施。

50第50頁，課件共90頁，創作于2023年2月調制解調器的速率

目前調制解調器的信息傳輸速率已很接近于香農的信道容量極限了。要提高信息傳輸速率，只能設法提高信噪比。在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數字的模數轉換所帶來的量化噪聲。51第51頁，課件共90頁，創作于2023年2月產生量化噪聲的地方

（經過A/D變化的地方）

A2/4A/DA/DD/AD/A數字信號數字信號交換機1交換機2V.3433.6kb/s

調制解調器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s

調制解調器產生量化噪聲產生量化噪聲使用V.34調制解調器（33.6kb/s）

產生量化噪聲產生量化噪聲用戶環路模擬信號用戶環路模擬信號52第52頁，課件共90頁，創作于2023年2月調制解調器使用異步通信方式

數據通信可分為同步通信和異步通信兩大類：同步通信要求接收端時鐘頻率和發送端時鐘頻率一致。發送端發送連續的比特流。異步通信時不要求接收端時鐘和發送端時鐘同步。發送端發送完一個字節后，可經過任意長的時間間隔再發送下一個字節。

異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數據通信。53第53頁，課件共90頁，創作于2023年2月時分復用

為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的PCM信號用時分復用

TDM(TimeDivisionMultiplexing)的方法裝成時分復用幀，然后發送到線路上。中國采用歐洲體制，以E1為一次群。美國和日本等國采用北美體制，以T1為一次群。54第54頁，課件共90頁，創作于2023年2月E1的時分復用幀

2.048Mb/s傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………時分復用幀T

CH0

CH1

CH2…

CH15

CH16

CH17

CH30CH31CH0…8bitt時分復用幀時分復用幀T=125ms15個話路15個話路55第55頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.5多路復用技術多路復用技術:用一條高速線路傳送多條低速線路的數據分類：頻分多路復用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）時分多路復用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路復用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

56第56頁，課件共90頁，創作于2023年2月?復用——多個信息源共享一個公共信道

為何要復用？線路成本DEMUX復用器解復用器共享信道MUX2.5多路復用技術57第57頁，課件共90頁，創作于2023年2月復用類型FDM(頻分復用)WDM(波分復用)TDM(時分復用)58第58頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.5信道復用技術

2.5.1頻分復用、時分復用和統計時分復用頻分復用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。時分復用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

59第59頁，課件共90頁，創作于2023年2月頻分多路復用

頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率560第60頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.5多路復用技術頻分多路復用（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每個用戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護頻帶。61第61頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.5多路復用技術時分多路復用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）特點：多條低速線路輪流使用同一條高速線路進行數據傳遞應用：電話主干線路62第62頁，課件共90頁，創作于2023年2月時分多路復用

頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀63第63頁，課件共90頁，創作于2023年2月頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀64第64頁，課件共90頁，創作于2023年2月頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀65第65頁，課件共90頁，創作于2023年2月頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀66第66頁，課件共90頁，創作于2023年2月時分復用可能會造成

線路資源的浪費

ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶67第67頁，課件共90頁，創作于2023年2月統計時分復用

STDM

用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用68第68頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.5多路復用技術波分多路復用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

應用：光纜線路69第69頁，課件共90頁，創作于2023年2月

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復用WDM

波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km70第70頁，課件共90頁，創作于2023年2月碼分復用CDM

常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

71第71頁，課件共90頁，創作于2023年2月碼片序列(chipsequence)

每個站被指派一個惟一的mbit碼片序列。如發送比特1，則發送自己的mbit碼片序列。如發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發送比特1時，就發送序列00011011，發送比特0時，就發送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)72第72頁，課件共90頁，創作于2023年2月CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。73第73頁，課件共90頁，創作于2023年2月碼片序列的正交關系

令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積(innerproduct)都是0：(2-4)74第74頁，課件共90頁，創作于2023年2月碼片序列的正交關系舉例

令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。75第75頁，課件共90頁，創作于2023年2月任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是–1。正交關系的另一個重要特性76第76頁，課件共90頁，創作于2023年2月CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發送的信號SxT站發送的信號Tx總的發送信號Sx+Tx規格化內積S

Sx規格化內積S

Tx數據碼元比特發送端接收端77第77頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術2.6.1電路交換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78第78頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術2.6.1電路交換特點:1.有通話的建立過程2.通話建立以后源與目的間有一條專用的通路存在79第79頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術2.6.2報文交換ADCB發送報文傳輸等待-發送傳輸等待-發送傳輸80第80頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術傳輸延遲2.7.2報文交換

ABCD特點:1.無呼叫建立和專用通路

2.存儲-轉發

式的發送技術81第81頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術2.6.3分組交換82第82頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術2.6.3分組交換特點:1.無呼叫建立和專用通路

2.存儲-轉發式的發送技術

3.將數據分成有大小限制的分組后發送83第83頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換技術三種交換技術對比: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的特點外，在接收分組時可以發送下一個分組對線路的利用率84第84頁，課件共90頁，創作于2023年2月2.6交換