数据通信的基本原理.ppt

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1、第三章 数据通信的基本原理,主要内容,3.1 数据通信的理论基础 3.1.1 傅立叶分析 3.1.2 有限带宽信号 3.1.3 信道的最大数据传输速率 3.2 数据通信技术 3.2.1 数据通信系统的基本结构 3.2.2 数据编码技术 3.2.3 多路复用技术 3.2.4 通信线路的通信方式 3.3 通信交换技术 3.3.1 电路交换 3.3.2 报文交换 3.3.3 分组交换 3.3.4 交换结构,3.1 数据通信的理论基础 ( 1 ),主要内容： 信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。 3.1.1 傅立叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 可分解为若干项（可能无限

2、多项）正弦和余弦函数之和： g(t) = c + + f = 1/T 基本频率 an, bn n次谐波项的正弦和余弦振幅值,3.1 数据通信的理论基础 (),已知 g(t)，求c, an, bn 1) 将等式两边从到积分可得c c = 2) 用sin(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得an an = 3) 用cos(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得bn bn =,3.1 数据通信的理论基础 ( 3 ),3.1.2 有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals) 对于二进制编码，其输出电压波形为： g(t) =,3.1 数据通信的理论基础 ( 4 ),其傅立叶分析

3、的系数为： an = cos(n/4) - cos(3 n/4) + cos(6 n/4) - cos(7 n/4) bn = sin(3n/4) - sin( n/4) + sin(7 n/4) - sin(6 n/4) c = 3/8 Fig. 2-1 信号在信道上传输时的特性： 对不同傅立叶分量的衰减不同，因此引起输出失真； 信道有截止频率fc, 0 fc的振幅不衰减， fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定， 0 fc称为信道的有效带宽； 实际使用时，可以接入滤波器，限制用户的带宽； 通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。,3.1 数据通信的理论基础 ( 5 ),波特率（ba

4、ud）和比特率（bit）的关系： 波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。 比特率：每秒钟传送的二进制位数。 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。 例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍； 每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。 对于比特率为bps的信道，发送位所需的时间为 8/B秒，若 位为一个周期，则一次谐波的频率是： f1 = B/8 Hz 能通过信道的最高次谐波数目为： N = fc / f1,3.1 数据通信的理论基础 ( 6 ),音频线路的截止频率为3000Hz N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B Fig. 2-2 结论：

5、即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。,3.1 数据通信的理论基础 ( 7 ),3.1.3 信道的最大数据传输速率 1924年，奈魁斯特（H. Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式： 最大数据传输率 = 2Hlog2V (bps) 任意信号通过一个带宽为的低通滤波器，则每秒采样次就能完整地重现该信号，信号电平分为级。 1948年，香农（C. Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。 热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。 ：信号功率， ：噪声功率 10log10S/N 单位：分贝（db）,3.1 数据通信

6、的理论基础 ( 8 ),香农的主要结论是： 带宽为 H 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为 最大数据传输率 = Hlog2(1 + S/N) (bps) 电话系统的典型信噪比为30db; 此式是利用信息论得出的，具有普遍意义； 与信号电平级数、采样速度无关； 此式仅是上限，难以达到。,3.2 数据通信技术 ( 1 ),主要内容： 数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。 3.2.1 数据通信系统的基本结构 基本结构 数据传输,计算机,信号变换器,计算机,信号变换器,信道,差错控制,3.2 数据通信技术 ( 2 ),数据表示和传输方式 数据表示 数据： 模拟数据 (Anal

7、og Data) 连续值 数字数据 (Digital Data) 离散值 数据传输方式 信号： 模拟信号 (Analog Signals) 数字信号 (Digital Signals) 信号发送方式： 模拟信号发送（模拟信道） 数字信号发送（数字信道）,3.2 数据通信技术 ( 3 ),模拟信号发送： 模拟数据（声音） 模拟信号 数字数据（二进制脉冲） 模拟信号 数字信号发送： 模拟数据 数字信号 数字数据（二进制脉冲） 数字信号 数字信号发送的优点是：价格便宜，对噪声不敏感； 缺点是：易受衰减，频率越高，衰减越厉害。,电话系统,调制解调器 MODEM,编码解码器 CODEC,数字 编码解码器

8、,3.2 数据通信技术 ( 4 ),3.2.2 数据编码技术 研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换） 数字数据的数字传输（基带传输） 基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固 有的频带。 基带传输：在传输时直接使用基带信号。 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。 适用范围：低速和高速的各种情况。 限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。,3.2 数据通信技术 ( 5 ),常用的几种编码方式： 1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1

9、”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。 缺点： a 难以分辨一位的结束和另一位的开始； b 发送方和接收方必须有时钟同步； c 若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将 累加。 结论：容易产生传播错误。 2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。,3.2 数据通信技术 ( 6 ),3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“

10、1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。 4）逢“1”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。 5）逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。,NRZ,曼彻斯特,差分曼彻斯特,逢“1”变化NRZ,逢“0”变化NRZ,3.2 数据通信技术 ( 7 ),数字数据的模拟传输（频带传输） 频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。 调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。

11、 解调（Demodulation）：调制的反变换。 调制解调器MODEM（modulation-demodulation) Figure,Caption: Modem showing RS-232 connector for serial connection to computer and RJ-11 jack for connection to phone line.,Caption: Computer system with modems, showing serial cable to modem and cable to phone jack.,Caption: Dialup mod

12、em for voice telephone lines.,Caption: Modems in a computer center for dial-up modem access to the organization network.,Caption: An Ascend Pipeline ISDN modem.,Caption: Two examples of PCMCIA fax/modem/Ethernet adapters.,3.2 数据通信技术 ( 8 ),根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术： 幅移键控法 Amplitude-sh

13、ift keying (ASK) 频移键控法 Frequency-shift keying (FSK) 相移键控法 Phase-shift keying (PSK),3.2 数据通信技术 ( 9 ),1）幅移键控法（调幅） 幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即： A(t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。 Fig. 2-18,3.2 数据通信技术 ( 10 ),2）频移键控法（调频） 频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”，

14、 2表示“1”。 Fig. 2-18,3.2 数据通信技术 ( 11 ),3）相移键控法（调相） 相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。 Fig. 2-18,3.2 数据通信技术 ( 12 ),模拟数据数字传输 解决模拟信号数字化问题，也称为脉冲代码调制PCM（Pulse Code Modulation）。 根据Nyquist原理进行采样。 1）常用的PCM技术 将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。 例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用

15、7位二进制数表示。 2）差分脉冲代码调制 原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字。 3） 调制 原理：根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。 缺点：编码速度跟不上变化太快的信号。,3.2 数据通信技术 ( 13 ),3.2.3 多路复用技术 由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。 常用的有三种方法： 时分复用 TDM（Time Division Multiplexing） 主要用于数字数据传输 T1载波，分成 24 个信道 Fig. 2-2

16、6 频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing） Fig. 2-24 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） Fig. 2-25,3.2 数据通信技术 ( 14 ),3.2.4 通信线路的通信方式 连接方式 为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接方式。 点 点方式 多点方式,A,B,A,B,C,D,3.2 数据通信技术 ( 15 ),通信方式 从信息传送方向和时间的关系角度研究。 单工通信方式 信息只能单向传输，监视信号可回送。 半双工通信方式 信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。,A,B,数据,监视

17、信号,A,B,数据,监视信号,3.2 数据通信技术 ( 16 ),全双工通信方式 信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。,A,B,数据,监视信号,3.2 数据通信技术 ( 17 ),1)同步方式 目的：接收方必须知道每一位信号的开始及其宽度，以便正确的采样接收。 以字符传输（字符为基本传输单位）为例，在基于字符的信息传送中，可以采用异步方式，也可以采用同步方式。 2）异步方式 信息是以字符为单位传送的； 每个字符由发送方异步产生，有随机性； 字符一般采用5，6，7或8位二进制编码； 需要辅助位，每个字符可能需要用10位或11位才能传送，例如： 起始位，1位； 字符编码，7位； 奇偶校验位，

18、1位； 终止位，1 2位。,3.2 数据通信技术 ( 18 ),特点： 传输效率低； 主要用于字符终端与计算机之间的通信。,0 1 0 1 0 11 00 1,起始位,字符编码,奇偶校验,终止位,3.2 数据通信技术 ( 19 ),2）同步方式 信息是以报文为单位传送的； 传输开始时，以同步字符使收发双方同步； 从传输信息中抽取同步信息，修正同步，保证正确采样。 特点： 可以不间断地传输信息，传输效率较高； 字符间减少了辅助信息； 传输的信息中不能有同步字符出现，透明性较差。,SYN SYN 信 息 SYN SYN,3.2 数据通信技术 ( 20 ),3）基于位的传送中，采用同步方式。 信息以

19、二进制位流为单位传送； 传输过程中收发双方以位为单位同步； 传输的开始和结束由特定的八位二进制位同步。 特点： 传输效率高； 通明性好。,标记 二进制位流 标记,Communication networks can be classified based on the way in which the nodes exchange information:,A Taxonomy of Communication Networks,Communication Network,Switched Communication Network,Broadcast Communication Networ

20、k,Circuit-Switched Communication Network,Packet-Switched Communication Network,Datagram Network,Virtual Circuit Network,3.3 通信交换方式（1）,在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路，称为“交换” 交换方式分类： 电路交换 报文交换 存储转发方式 分组交换（包交换） 存储转发方式 混合交换,3.3 通信交换方式（2）,3.3.1 电路交换（circuit switching） 原理 直接利用可切换的物理通

21、信线路，连接通信双方。 三个阶段 建立电路 传输数据 拆除电路 特点 在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路； 建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短。 例 Telephone networks ISDN (Integrated Services Digital Networks),3.3 通信交换方式（4）,A node (switch) in a circuit switching network,incoming links,outgoing links,Node,3.3 通信交换方式（5）,Multiplexing/Demultiplexing Time divided in fra

22、mes and frames divided in slots Relative slot position inside a frame determines which conversation the data belongs to Needs synchronization between sender and receiver In case of non-permanent conversations needs to dynamic bind a slot to a conservation,3.3 通信交换方式（6）,3.3.2 报文交换（message switching）

23、原理 信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。 Fig. 2-35 特点 线路利用率高； 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大； 延迟时间长。,3.3 通信交换方式（7）,3.3.3 分组交换（packet switching） 原理 信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。 分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。 Fig. 2-34 Fig. 2-35 特点 每个分组头包括目的地址，独立进行路由选择 网络结点设备中不预先分配资源 线路利用率高； 结点存储器利用率高； 易于重传，可靠性高；,3.3 通信交换方式（8）,易于

24、开始新的传输，让紧急信息优先通过； 额外信息增加。 分组交换分为 数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）,3.3 通信交换方式（9）,A node in a packet switching network,incoming links,outgoing links,Node,Memory,3.3 通信交换方式（10）,Data from any conversation can be transmitted at any given time How to tell them apart? use meta-data (header) to describe d

25、ata,3.3 通信交换方式（11）,数据报 每个分组均带有全称网络地址（源、目的），可走不同的路径。 例: IP networks 虚电路 电路交换和分组交换的结合 data is transmitted as packets all packets from one packet stream are sent along a pre-established path (=virtual circuit) Guarantees in-sequence delivery of packets However: Packets from different virtual circuits m

26、ay be interleaved,3.3 通信交换方式（12）,分三个阶段 建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路 传输：沿建立好的虚电路传输数据； 拆除：拆除虚电路。 Fig. 2-43 Note: packet headers dont need to contain the full destination address of the packet 例: ATM networks,3.3 通信交换方式（13）,电路交换与分组交换的比较 Most important advantage of packet-switching over circuit switching: Ab

27、ility to exploit statistical multiplexing: efficient bandwidth usage; ratio between peek and average rate is 3:1 for audio, and 15:1 for data traffic However, packet-switching needs to deal with congestion: more complex routers harder to provide good network services (e.g., delay and bandwidth guara

28、ntees) In practice they are combined: IP over SONET, IP over Frame Relay Fig. 2-36,3.3 通信交换方式（14）,结论： 电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济； 报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟大； 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较（最）好的一种交换技术。,3.3 通信交换方式（15）,3.3.3 交换结构（switch fabric） crossbar 交换 Fig. 2-38 空分交换 Fig. 2-39 时分交换 Fig. 2-40,