数据通信基础(物理层).ppt

第2章 数据通信基础(物理层),2.1 通信发展的历史 社会的人与人交换思想 介质空气、书信、驿站 电报 1835，1837 莫尔斯电磁电报 1892，马可尼无线电报 电话 1876，贝尔电话机 1878，人工电话交换机 1892，史瑞乔自动电化交换机 电话电报开始了近代通信的历史，几百年；发挥了极其重要的作用； 20世纪30年代，信息论、调制论、 预测论、统计论 一系列的突破； 20世纪50年代，载波传输、电话、电报通信系统； 元件、光纤、收音机、电视机、计算机，广 播电视、数字通信业大 发展； 目前已形成数字传输、程控电话交换通信为主，其他非语音通信为 辅的综合电信通信系统；并且日益与计算机、电视等其他技术融合。 中国1880年，由丹麦人在上海创办第一个电话局。,2.2 数据通信的传输介质,信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 2.2.1 双绞线（twisted pair) 每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。 减少电磁干扰，提高传输质量。电话线就是双绞线。 双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。 计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair)： 抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高， 所以一直没有广泛使用。 非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)： 非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。 非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持 100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。,双绞线,最便宜的传输媒介,易受环境中电信号的干扰,通常用于较短距离的连接,2. 2. 2 同轴电缆(coaxial cable),同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的 套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。如图。 另外，同轴电缆的两端需要有终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体)，中间 连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。 同轴电缆基本结构示意图 同轴电缆支持点到点连接，也支持多点连接。分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。 基带同轴电缆一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网；宽带同轴电缆主要用于高带宽数据通信，支持多路复用。 基带同轴电缆又分为粗缆和细缆。粗缆多用于局域网主干，支持2500米的传输距离，可以连接数千台设备，但其价格较高；细缆多用于与用户桌面连接，级连使用可支持800米的传输距离，但一般不超过180米，可以连接数千台设备。 基带同轴电缆的最大优点是抗干扰性强，而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，在公用机房、教学楼等人员嘈杂的地方，极易出现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信，所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。,同轴电缆,比较便宜,绝缘层保护,外层绝缘层,外导体,2.2.3 光缆(optical fiber),光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信，只20/30年的历史。 1960年，美MAINMAN，红宝石激光器 1966年，英籍华人高锟（C。K。KAO）博士提出，Sio2 石英玻璃制成光纤，低消耗 1970年，美国康宁公司制出了损耗为20分贝的光纤。 1、 光纤通信的原理 见图，入射角逐渐增大，12是折射角，当入光纤通信的原理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到3时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。,光纤通信的原理,2. 室外光缆和室内光纤,光纤传输介质有室外光缆和室内光纤之分 室外光缆，主要用于室外环境，可以架空或走地下管道。由于室外光缆所处环境比较 恶劣，需要防水、防晒、防压、防化学侵蚀等，所以需要有很好保护，其结构如图所示。 室外光缆 室内光纤，主要用于室内，单根光纤加上稍许保护材料。光波在纤芯上传播。 纤芯是一种直径50到100微米的柔软的光导介质，成分主要是二氧化硅。在折射率 较高的纤芯外面，由折射率较低的包层包裹着，以保证在界面上光波可以发生全反射。 光纤(单根) 3、单模和多模两种 单模光纤指光纤做得极细，接近光波波长，光信号只能与光纤轴成单个可辨角度传 输。多模光纤的纤芯比单模的粗，光信号与光纤轴成多个可辨角度传输。单模光纤成本 较高，但性能很好，在几十公里内能以几千兆bps的速率传输数据。多模光纤成本较低， 但性能比单模光纤差一些。,光纤,昂贵的传输媒介 不受电信号的干扰 使用于长距离、高速率的信号传输,2.2.4 无线传输介质,无线电、微波、卫星、移动通信等，各种无线介质传输介质对应的电磁波谱范围如图所示。,各通信类型使用的电磁波谱范围,在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星。 微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。 特点是： 只能进行可视范围内的通信； 大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 微波通信主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点 到点的通信，速率也不高，一般为几百Kbps。 卫星通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。商用的通信卫星一 般被发射在赤道上方3.6万公里的同步轨道上，另外也有中低轨道的小卫星通信， 如Motorala公司的铱星系统。 特点是： 适合与很长距离的传输，如国际之间、洲际之间； 传输延时较大，一般为500ms左右； 费用较高。,2.2.5 几种传输介质的比较,下表列出了计算机通信中几种传输介质的比较。 我们在选择通信介质的时候，一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括： 拓扑结构：(如星形结构不适合选用同轴电缆，可选择双绞线方等方式) 容量：介质提供的传输速率应能够满足要求 可靠性(差错率)：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质 应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等 常用传输介质比较 非屏蔽双绞线 基带同轴电缆 光纤 卫星 分类 3类 5类粗缆细缆 单模多模 同步 低轨 传输速率 3类UTP最大16Mbps 因种类、距离不同， 几千Mbps 根据租用费用变化较大 5类UTP最大155Mbps 变化较大(但总要 高于UTP) 地理范围100米左右 细缆小于800米 几公里到几十公里 很大 粗缆小于2500米 差错率一般(1010) 中等(1010) 最低(10) 高 成本 低 中 较高 高,2.3 数据通信的基础知识,1、信息和数据 信息(Information)：从哲学的观点看，信息是一种带普遍性的关系属性，是物质存 在方式及其运动规律、特点的外在表现； 从通信的角度考虑，可以认为是生物体或具有一定功能的机器通过感觉器官或相应设 备同外界交换的内容的总称。信息的含义是信息科学、情报学等学科中广泛讨论的问题。 一般认为，信息是客观世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一。 香农：I=log2（1/P） I是消息的信息量 P是事件发生的概率 不可能发生事件信息量=无穷 信息总是与一定的形式相联系，这种形式可以是语音、图像、文字等；信息是人们要 通过通信系统传递的内容。 数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。可以说，数据是 传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释。 2、信号(Signal)：发送机将人或机器产生的信息转换为适合在通信信道上传输 的电编码、电磁编码或光编码。这种在信道上传输的电/光编码叫做信号。 信号可以是模拟信号或数字信号。模拟信号是指表示信息的信号及其振幅、频率、 相位等参数随着信息连续变化，幅度必须是连续的，但在时间上可以是连续的或离散的。 3、信道：在数据通信系统中，信道是传送信号的通路。信道本身可以是模拟的， 也可以是数字方式的。用以传输模拟信号的信道叫作模拟信道，用以传输数字信号的信道 叫作数字信道。信道：狭义（载波机）、广义（调制）、广义（编码）,4、信道带宽：信道上传输的是电磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有效频率 范围就是该信道的带宽。数据通信系统的信道传输的是电磁波(包括无线电、微波、光波 等)，带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。 5、信道容量：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有 一个上限，叫作信道的最大传输速率，即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有 直接联系的。 6、奈奎斯特定理：1924年，奈奎斯特(Nyquist)就发现了信道传输速率有上限， 并且给出了有限带宽、无噪声信道的最大传输速率公式： 无噪声信道最大传输速率=2Blog2V(bps) B代表信道的带宽。V是信号有效状态的数量。 对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表“0”和“1”，所以V=2，此 时，无噪声信道的最大传输速率=2B (bps)。如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号， 即使用话音级信道，带宽3000Hz，那么最大传输速率为6000bps。现在大多数电话拨号上 网用户采用的就是模拟电话系统，即利用3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际 上现在一般拨号上网的速率都在14000bps以上，这又是怎么会事呢？这是因为采用了特殊 的编码方法，将V的值增大，自然就提高了数据传输速率。那么，是不是可以无限增大V的 值，从而提高数据传输速率呢？当然不是，下面介绍的香农定理将会回答这个问题。,6、信道容量定理（香农（Shannon）定理） 香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的“信道容量定理”指出，可以找到这 样一种技术，当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意小的错 误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什么编码技术，错误概率都将无法忍受。 香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实际信道不可能没有噪声，所以香农定 理比奈奎斯特定理更进了一步。 C=Blog2(1+S/N) （B/s） C表示信道容量(最大传输速率），B代表信道的带宽。 S是信号能量，N是噪声能量 S/N是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。 （1）信道传输速率RC，一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道 进行传输；反之是不可能的； （2）对于给定的C，若减小B，则必须增大S/N，即提高信号强度；反之，若有较大的传 输带宽，则可用较小的信噪比。 宽带系统有较好的抗干扰性能。带宽替换功率法。实践中常用编码和调制技术来解决。 （3）设单位频带内噪声功率为n0时，则N=n0B，B，C=limBlog2（1+S/n0B）1.44S/n0 S和n0 一定时，随B增大，C也增大；但是，C不可能趋于无穷大。 （4）设C=I/T，I为传输的信息量，T为传输时间，B与T之间存在着某种互换关系。 则I=TBlog2（1+S/N） 信噪比也可以用10 log10S/N来表示，单位分贝(dB)。 10dB的信道S/N为10，20dB的信道S/N为100，30dB的信道S/N为1000。,7、并行传输(parallel)与串行传输(serial) 并行传输：局域网 距离近，至少有8位数据同时传输，如图(a)。计算机内部的数据多是并行传输。 串行传输：距离较远的情况，每次由源到目的传输的数据只有一位，如图(b)。成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术。,8、数据传输方向 (1) 单工(Simplex) 数据只能在一个方向上流动 (2) 半双工(Half-Duplex) 在一时刻向一个方向传输 它实质上是可切换方向的单工通信。 (3) 全双工(Full-Duplex) 通信允许数据在两个方向上同时传输 它在能力上相当于两个单工通信方式的结合。 单工好象是单行线，半双工就好比独木桥，全双工就是来回可对行的新干线 9基带传输与频带传输 基带和频带的概念最早是在电话界出现的，在电话界，人们将4KHz带宽以内的信道叫 做基带信道，而将任何高于4K带宽的信道叫做宽带信道。 计算机网络中采用如下概念： 基带传输(Baseband) 人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。 基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和 误码率低等优点，在计算机网络通信中被广泛采用。 频带传输(Broadband) 利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。 频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网)通信。价格便宜， 容易实现。家庭用户拨号上网就属于这一类通信。它的缺点是速率低，误码率高。,10、异步传输(asynchronous) 数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持 续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。 异步传输的工作原理是：每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间 隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节。如下图所示：,11、同步传输 (synchronous) 同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。,12、调制速率与数据信号速率 调制速率：波形变换次数/单位时间 数据信号速率：比特数/单位时间,二者关系：与调制相数有关，如： 波特率 1200 1200 1200 1200 调制相数 2 4 8 16 比特率 1200 2400 3600 4800,13、数据通信的主要技术指标,1. 带宽 ：信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。 有时，也把信号所占据的频率范围叫做信号的带宽。 2. 信号传播速度：信号在信道上每秒钟传送的距离，单位是米/秒。 信号传播速度接 近光在真空中的速度，基本上是20万公里/秒。 3. 数据传输速率：单位是比特/秒(bps)。如在100Mbps传输速率的情况下，每比特传 输时间为10ns；在10Mbps传输速率的情况下，每比特传输时间为100ns。 4. 最大传输速率：每个信道传输数据的速率有一个上限，叫做信道的最大传输速率。 5. 波特率(码元速率)：信号每秒钟变化的次数叫做波特率(Baud)。 6. 吞吐量：信道在单位时间内成功传输的信息量。单位一般为比特/秒。例如， 某信道在10分钟内成功传输了8.4M比特的数据，那么它的吞吐量就是8.4M比特/600秒=14Kbps。 7. 利用率：是吞吐量和最大数据传输速率之比。 8. 延迟：指从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功的收到最后一位数据为止， 所经历的时间。 9. 抖动(Jitter):延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动。 抖动往往与机器处理能力、信道拥挤程度等有关。延迟敏感，如电话；抖动敏 感，如实时图像传输。 10. 差错率(包括比特差错率、码元差错率、分组差错率)： 在计算机通信中最常用的是比特差错率和分组差错率。比特差错率是二进制比特错传的位数与传输总位数之比。码元差错率(对应于波特率)指码元被误传的概率。分组差错率是指数据分组被误传的概率。 我们通过一个对线路的描述来说明上述概念：有一条带宽3000Hz的信道，最大传输速率可以达到 30Kbps，实际使用的数据传输速率为28.8Kbps，传输信号的波特率为2400bps，它的吞吐量为14Kbps， 所以利用率约等于50%，延迟约为100ms，由于环境稳定，所以抖动很小，忽略不计。,2.4.1 局域通信 计算机网络技术中把数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。 基带传输中二进制数据信号的方法主要有以下三种： (1)非归零编码(NRZ) 非归零编码是用低电平表示逻辑“0”，用高电平表示逻辑“1”的编码方式。非归零编码的缺点是：为了保持收发双方的时钟同步，需要额外传输同步时钟信号。它的另一个缺点是当“0”和“1”的个数不等时，会有直流分量，这在数据传输中是不希望出现的。 (2)曼彻斯特编码(Manchester) 每比特的中间有一次跳变，它有两个作用：一是作为位同步方式的内带时钟；二是用于表示二进制数据信号，我们可以把“0”定义为由高电平到低电平的跳变，“1”定义为由低电平到高电平的跳变。曼彻斯特编码的优点：一是“自带时钟信号”，不必另发同步时钟信号，二是不含直流分量。 (3)差分曼彻斯特编码(Difference Manchester) 每比特的中间有一次跳变，它只有一个作用，即作为位同步方式的内带时钟，不论由高电平到低电平的跳变，还是由低电平到高电平的跳变都与数据信号无关。“0”和“1”是根据两比特之间有没有跳变来区分的。如果下一个数据是“0”的话，则在两比特中间有一次电平跳变；如果下一个数据是“1”的话，则在两比特中间没有电平跳变。 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的缺点都是效率较低，由于在每个比特中间都有一次跳变，所以时钟频率是信号速率的2倍。例如为了达到10Mbps的数据传输速率，要求时钟频率至少为20MHz。上述编码技术是在10M局域网中经常采用，近年发展起来的快速以太网使用的是不同的数字数据到数字信号的编码技术，如100M局域网采用8B6T或4B5B等编码技术.,2.4 数据传输技术,数字数据到数字信号的编码方法,数字数据到数字信号的编码方法,RS-232简介 机械特性指网络接口形状等。在RS-232C中，规定采用的连接器接 口有25根针，接口形状为D形接口。 电气特性包括信号电压、持续时间等。目前计算机的二进制信号多 数是用电信号表示的，当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转 换问题。RS-232C规定，对数据信号，以+12V或+8V表示“0”，-12V或-8V 表示“1”，对控制信号，“0”表示“开”，“1”表示“断”，数据速率0- 20Kbps(比特每秒)。 功能特性描述物理设备的功能，如RS-232-C的第二根针是用于发送 数据的，第三根针是用于接收数据的，第四根针表示请求发送，第五根 针表示允许发送。 规程特性指事件发生的合法顺序。例如，RS-232-C的一段规程为： 第四根针置位，请求发送第五根针置位，允许发送数据通过第二根 针发送。,2. 4.2远程通信 1 . 数字数据转换为模拟信号的编码 首先要选择某一频率的正弦(函数)作为载波，这一函数可以表示为： U(t) = A(t)sin(t+) 其中A、和，分别代表函数的幅度、频率和相位。 对这三个参量的调制产生了三 种调制技术： (1) 调幅(ASK) 调幅就是通过改变载波信号的振幅来表示数字信号0或1。 这种调制方式简单、容易实现，缺点是有直流分量，抗干扰能力差。 (2) 调频(FSK) 调频就是通过改变载波信号的频率来表示数字信号0或1。 这种调制方式简单、容易实现，抗干扰力较强。 (3) 调相(PSK) 调相就是通过改变载波信号的相位来表示数字信号0或1。 调相又分为绝对调相和相对调相。绝对调相是指用相位的绝对值来表示数字信号; 相对调相如图所示，是指用相位的相对值来表示数字信号。,模拟数据的编码方法,可以有四相调制，取值有：+0、+/2、+、+3/2 ；共四种状态，可以表示00、01、10、11四个值，这样就可以一次传输两位二进制数据。 在波特率不变的情况下，数据传输速率可以提高到二相调制的2倍。 除了4相调制外，还有8相调制、16相调制等等，每次分别可以传输3个、4个二进制数据。,2. 调制解调器(MODEM) (1)调制解调器定义 调制解调器是一种能将数字信号调制成模拟信号，又能将模拟信号解调成数字数 字信号的装置。(MODEM = MODulate-DEModulate) 调制解调器工作原理 (2)分类 按照功能分为：普通Modem，用于有线电视的Cable Modem 按照外形分为：外接式，插卡式(IDE、PCI)，PCMCIA，无线 按照通信线路分为：拨号(异步)，专线(同步) 按照调制方式分为：调频，调相，调幅，混合调制 (3)调制技术,3 多路复用技术,当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，人们通常用在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用(Multiplexing)。 多路复用分为两大类：频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。 A. 频分多路复用(FDM) 在介质上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率完全独立，即载波形成的信号不互相重叠，则各路信号可以成功地在介质上传输。 原始信号带宽为3KHz，后变成4KHz；因为每个信道的波形都不是直上直下的方波，复用后信道之间难免有信号重叠，信号重叠过多就会发生错误，所以在信道之间要保留1KHz左右的“警戒频带”。当然，在接收机一方，还要进行解复用(De-Multiplexing)，还原成原始信号才能被接收设备接收。 解复用就是去掉载波，将信号还原的过程。,B. 波分多路复用(WDM),有一类特殊的频分多路复用技术叫做波分多路复用(WDM)。波分多路复用是根据光波 波长的不同分隔复用的方法。 我们知道，不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，图表示了WDM的原理。 其中，光纤1和光纤1的波谱范围相同，光纤2和光纤2的波谱范围相同，而光纤1和2的 波谱范围不同且不重叠，共享光纤的波谱范围则是光纤1和2的总和，这样就达到了多路复 用的条件。 WDM示意图 光也是一种电磁波，光的波长是频率的倒数，所以说WDM本质上也是频分多路复用。随 着光纤应用的普及，WDM得到了较为广泛的应用。,C. 时分多路复用(TDM),时分多路复用(Time Division Multiplexing)是把时间分为若干个时间槽(Slot)， 每个用户分得一个时间槽，在其占用的时间槽内，该用户可以独享信道的全部带宽。时间 槽的划分有交替性和周期性。交替性是指不会有连续的时间槽被单个用户连续占用，而是 大家轮流占用各个时间槽；周期性是指时间槽的分配要有一定周期性地重复出现。 我们来看一下作为PCM传输标准之一的T1信道是如何复用多路话音信号的。 T1是在北美和日本广泛使用的标准，T1载波有24个信道组成，如图3.22。每帧数据 有193个比特，传输一帧数据的时间位传输125微秒。每帧的第一个比特是帧开始位，用于 帧同步目的。另外有24个8比特的信道，每个信道有7位数据位和一位校验位。 由于传输一路PCM编码的数字化语音信号需要每125微秒传输8个比特，所以T1的24个 信道正好可以满足24路PCM编码的数字化语音信号的传输要求，也就是说可以复用24路PCM 编码的数字化语音信号。 图3-22的下半部是一个例子： 信道一内容为ABCD ，信道二：abcd ，信道三：1234 ，信道四：!#$ 。 根据ASCII码的编码方式，每个字母/数字的编码为7个比特，再加上一个比特的校验位， 正好是8个比特。在第一帧数据里，信道一传输“A”， 信道二传输“a”， 信道三传输“1” ，经过125微秒后，在第二帧数据里，信道一传输“B”， 信道二传输“b”， 信道三传输 “2” ，依此类推，随着时间的流逝，每个信道的内容都将成功地传输到目的地。,D统计时分多路复用,在传统的时分多路复用系统中，每个低速信道固定地对应于高速信道(干线)的一个时 间槽(Slot)，高速信道速率等于各低速信道之和。不论每个低速信道是不是有数据要传输， 分给它的时间槽是固定不变的，当它没有数据通信时，高速信道分给它的时间槽就浪费掉 了。这就好比“大锅饭”一样，显然不利于提高通信干线的利用效率。 统计时分多路复用能动态地分配时间槽，只把确实要传送数据的终端接入链路，这样， 只有工作的终端才能够分到带宽，充分提高了总带宽的利用率。 E. 时分多路复用设备 (1)多路复用器 多路复用器是按照预先定义好的固定次序划分时间槽，每个用户终端都机会均等地、 固定地获得各自的时间槽的一种设备。被复用的信道速率等于各信道速率的总和，反过来 说就是，每条用户线路的数据传输速率最高不能超过总速率的1/N，N是使用复用线路的用 户总数。前面提到的T1、E1等都使用多路复用器。 (2)集中器(又叫统计多路复用器) 集中器是另一种多路复用器，它主要是针对统计多路复用技术而出现的，所以又叫统 计多路复用器。集中器按动态方式分配时间槽的，即有传输请求的用户终端才获得时间槽。 采用集中器的高速干线总容量可以小于各接入线路容量之和，它们的关系由统计平均值决 定。如果干线总容量相对过大，势必降低带宽利用率，反之会使个别用户因无法及时得到 信道而影响通信。不论如何，只要是统计多路复用，就以避免用户带宽需求超过干线总带 宽的情况发生。为了解决这一问题，在集中器里设置了先进先出的缓存器，来不及分配时 间槽的用户终端数据可以先在缓存器里过渡一下，这样就在很大程度上避免了数据丢失。,2.5 差错控制技术,人们总是希望数据在通信线路中正确无误地传输。但是，信道内外的干扰与噪声又是不可避免的。 传输出错 ： 外来干扰 随机错（信号前后无关） 突发错（出错位相关） 纠正方法： 电器性能，差错控制 差错控制： 检测，纠正，处理 方法： 时间冗余，设备冗余，数据冗余 差错控制技术： 奇偶校验、海明校验、循环码冗余校验等。 2.5.1 奇偶校验（垂直冗余校验VRC） 奇偶校验以字符为单位校验，一个字符由8位组成，低7位为信息字符的ASCII代码，最高位为“奇偶校验位”。 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 原理：接收端、发送端“字符”中“1”的个数；“奇”或“偶”,2.5.2 方块校验（水平垂直冗余校验LRC）,在垂直冗余校验VRC的基础上，在一批字符传输之后，另加一个称为“方块校验字符”的校验位字符。 奇偶校验位（VRC） 字符1 1 0 0 1 1 0 0 0 字符2 1 0 0 0 0 1 0 1 字符3 1 0 1 0 0 1 0 0 字符4 1 0 0 1 0 0 0 1 字符5 1 0 1 0 0 0 0 1 字符6 1 0 0 0 0 0 1 1 方块校验字符（LRC）1 1 1 1 0 1 0 1 上例是奇校验。 采用这种方法，若二进制传输错，不仅从横行中VRC反映出来，也可以从纵行中LRC） 得到反映。有较强的校错能力，不仅能发现一位、二位或三位错，且可以自动纠正，使 误码率降低2-4个数量级。 广泛应用于通信和计算机外设中。,2.5.3 循环冗余校验,1、线性码 由k个信息码元和r个校验码元构成的码组，其中每一个校验码元是该码组中某些信息码元的模2 和，具有这种结构格式的码组称为线性码。习惯上用（n，k）表示码长为n，信息码元为k的线性码。 线性码具有封闭性，即线性码的任何两个码组对应位按模2相加所得到的新码组仍然是该线性码 的一个码组。 （7，3） C3=C6 +C4 C2=C6+C5+C4 C1=C6+C5 C0= C5+C4 信息码元 码 组 C6 C5 C4 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0,2、循环码 对于码长为n、有k个信息码元的线性码，若它具有如下性质：任一码组的每一次循环右移或左移 所得到的是码中另一码组。即若 是（n,k）码的码组，则 或 也是（n，k）码的码组。我们把具有这种循环移位不变性的线形码称为 循环码。 用代数的方法研究，将码元对应多项式的系数。 这样，每个码组都与一个不大于（n-1）次的多项式对应。 左移一位， 仍然是一个（n-1）次多项式 （右移mod ） 多项式性质： 在一个（n,k）循环码中，有且仅有一个（n-k）次的生成多项式 此循环码中的每个码多项式C（X）都是g（X）的倍式。反之，能被G（X）除尽的次数不大于 （n-1）的多项式，也必定是码多项式。,3、 循环码原理 假设待编码k位信息的码组是 对应的多项式是 按模2运算规则（加与减相同）后可得： 其中，g（X）是生成多项式，Q（X）是商多项式 相应的码组是 4、常用的生成多项式有： CRC-12: g(x)= CRC-16: g(x)= CRC-CCITT: g(x)=,CRC-CCITTG(X) = X + X + X + 1,16 12 5,5、实例 步骤： （1）分析给定条件，一般给定信息码和生成多项式，确定N、K： k是信息码长度（位数） r=n-k是生成多项式的最高幂次 （2）用二进数表示m，g； m后补r位0（即左移n-k位） （3）做除法（左移n-k位的M除以生成多项式G），求余数。 （4）做除法时，按异或规则： 被除数相应位是1，则商1，否则商0； 被除数减去除数，按位相减或相加（异或）； 余数不超过r位。 （5）写出码组，即左移n-k位的M+R。 例如：g（x）=（11101）生成（7，3）码，信息码M（x）=（110） m/g=（110 0000）/（11101） r=（1001） 则码组为： 110 1001,2.6 数据通信, 数据通信任务是利用介质传输信息，与电报电话通信不同： - 通信控制过程是自动的，有差错自纠 - 当前仍未脱离目前的通信网基础 - 总是与数据处理相结合，随处理方式、内容不同，通信要求也不同 数据通信的研究内容 - 传输 解决通路问题 - 通信接口 将信号变成适合传输的形式，再转变成接收端认可形式 - 通信处理 编辑-差错、格式、安排、监控 转换-速度、代码 控制-网控、查询、路由选择,2.6.1 通信系统模型,d -源产生之待传输数据 d(t)-源产生之待传输信号 s(t)-适合传输的发送信号 N(t)-传输中产生的各种噪声源的干扰信号，引起畸变或失真 r(t)-接收机收到的信号， r(t) =?s(t) d(t)-收信机转换出的信号， d(t) =? d(t) d-受信者收到经收信机转换得到的数据， d =? d 模拟信号：电参量（电压、电流）模拟信息源消息 数字信号：振幅不随时间变化，只取离散数值 模拟通信：传输对象为模拟信号的传输方式 数字通信：传输对象为数字信号的传输方式,1 模拟通信系统模型,2 数字通信系统模型 对于数字通信系统，如果信息源输出的是模拟信号，可以通过取样、量化、编码等数字化处理后，以数字的形式通信。,信源编码器：将源处之模拟信号数字化，提高信号有效性；信源码满足传输要求，可省 信道编码器：将信源编码器输出码再加工，如加入码元，以便纠错，提高可靠性 调制解调器：只对模拟信号系统有用；数字-模拟-数字 信道译码器：发现和纠正传输信号之错，去掉加入之码元，恢复本来面貌 信源译码器：将数字信号转为模拟信号,2.6.2 数据通信系统,凡是将终端设备与计算机经由模拟或数字传输系统连接起来，并 将以收集、传输、分配和处理数据为目的的系统称为数据通信系统。,-终端设备-数据传输子系统-数据处理子系统- 子系统,终端设备,2.6.3 数据通信系统的质量标准, 传输速率 单位时间内传送的信息单元的数量。bit/s，baud/s；二者不同，但可互换 出错率 误码率=接收出现差错的比特数/传输全部的比特数 可靠性 （正常工作时间/总工作时间）*100%，或平均无故障时间 适应性 对外界环境变化的适应能力 可维护性 维护方便程度 标准化程度 衡量设计水准，共享，开放 经济性 性能价格比 通信建立时效 同步性能的指标,2.6.4 数据通信网,数据通信：信息源的数据 信道 按协议 形成数据流 送受信者 的过程 数据通信系统主要功能是传输数据、处理数据。在远距离、多终端情况下，通常是通 过数据通信网来完成。数据通信，再某种意义下，可以看作是数字通信的特例。,H,T,T,H,H,H,终端,计算机,交换结点,数据通信网是由一些处于不同地理位置的数据传输设备、数据交换设备、通信线路组成的线路所构成的系统；以能使网上两结点间可以正确、快速地传输与交换数据,数据通信网,思考与练习题 一、选择题（正确的选择可能不止一个） 1、数据传输速率最本质地是由_决定的。 A.信道长度 B.信道带宽 C.传输的数据类型 D.信道利用率 2、双绞线的特点是_。 A.可以传输模拟信号 B.可以传输数字信号 C.可以用于点到点传输 D.可以用于点到多点传输 3、交换技术分为_。 A.线路交换B.报文交换 C.虚电路交换D.数据包交换 4、常用的数据通信服务包括_。 A.InternetB.帧中继 C.教育科研网 D.DDN 5、_属于内含时钟的编码。 A.曼彻斯特编码B.差分曼彻斯特编码 C.PCM D.NRZ 6、利用模拟信道传输数字信号的方法叫做_。 A.基带传输B.调幅 C.调频D.频带传输 7、采用时分多路复用的是_。 A.T1B.E3 C.SONETD.ATM 8、RS-232C定义了有关物理链路的_。 A.机械特性B.电气特性 C.功能特性D.规程特性 9、Modem采用的调制技术有_。 A.调幅B.调频 C.调相 D.混合调制,二、判断对错（正确的划“V”，错误的划“X”） _通过改进编码技术，可以无限提高数据传输速率。 _信号在介质上的传播速度由信道带宽决定。 _无线电、移动通信、卫星通信都属于无线通信。 _单模光纤比多模光纤细，所以传输速率低 。 _同轴电缆既可用于计算机通信，又可用于传输有线电视信号。 _光纤通信采用的多路复用技术叫做WDM。 三、思考题 1、如何理解数字通信模型？ 2、从信道容量定理可以得出什麽结论？ 3、列出四种以上常用传输介质。 4、画图说明二进制数据10010110的NRZ、Manchester和差分Manchester编码。 5、波特率与数据传输速率的关系是什么？对于波特率2400的数据传输系统，调制解调器的多相调制系 数为8，那么它的最大数据传输速率是多少？ 6、求CRC码。设： M=（1100） G=（1011）,