第4章数据传输技术课件

数据通信与计算机网络第4章数据传输技术.1第 4 章 数据传输技术教学目的n掌握实现数据传输的各种基本技术，包括基带传输技术、频带传输技术、信道访问技术、信道复用技术、扩频技术、同步控制技术、数据交换技术和差错控制技术。学习内容基带传输技术频带传输与调制技术信道访问技术信道复用技术扩频技术同步控制技术数据交换技术差错控制技术.2第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.34.1 基带传输技术基带：基带：指的是指的是基本频带基本频带，也就是传输数据编码电信号所，也就是传输数据编码电信号所 固有的频带（包含直流分量和谐波分量），这种固有的频带（包含直流分量和谐波分量），这种 原始信号称为原始信号称为基带信号基带信号。基带传输基带传输：把基带信号直接加到信道上而不作任何处理，：把基带信号直接加到信道上而不作任何处理，直接进行传输。直接进行传输。注：由终端输出的原始数据，由于频率特性的不理想和注：由终端输出的原始数据，由于频率特性的不理想和噪声的影响，通常不适合直接在传输系统中使用，而需噪声的影响，通常不适合直接在传输系统中使用，而需要对其进行码型变换和波形处理。要对其进行码型变换和波形处理。.44.1.1 基带传输对信号的要求(续2)n基带传输对传输信号的要求：应有利于提高系统的频带利用率。应含有少量的直流、甚低频及高频分量。应含有可供提取定时信号的信号分量。其码型不应受信源统计特性的影响。其频谱能量要集中，所占带宽要窄。码型应具有较强的抵抗力和自检能力。变换电路应简单，成本低，性能好，易调整。.54.1.2 基带信号的波形及其传输码型1、基带信号的波形n基带信号的波形有多种，但矩形易于形成和变换，故最为常用。n常用的基带信号波形：n单极性不归零脉冲n单极性归零脉冲n双极性不归零脉冲n双极性归零脉冲n差分波形n多电平脉冲.64.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续1)“1”-E/0“0”-0/E“1”“0”或“0”“1”进行极性变化(a)单极性不归零脉冲(b)单极性归零脉冲(c)双 极 性不归零脉冲(d)双极性归零脉冲(e)(传号)差分脉冲(f)多 电平脉冲3E-3E0E11-E00101110110110“1”-E“0”-0“1”-E“0”-E“00”-3E“01”-E“11”-E“10”-3E10000101010100000010101111EE000-E-EEEE0.74.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续2)n按照上述基带信号波形的特征，可将其归纳为三种基本分类：(1)按照信号的极性不同，分为单极性和双极性信号。(2)按照每位信号的单一极性电位是否占满整个码元时间，分为归零信号与不归零信号。(3)按照信号幅度的取值不同，分为二电平信号和多电平信号。n因单极性信号含有较大的直流分量，且判决可靠性较差，所以使用双极性信号较为普遍。多电平信号所含的信息量是二电平信号的 n 倍，因此在相同信号速率的情况下，多电平信号的速率仅为二电平信号的1/n。.84.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续3)2、常用的基带传输码型双相码。又称分相码、裂相码或曼彻斯特(Manchester)码。它用一个周期的方波表示“1”，而用它的反相波形表示“0”。差分双相码。利用“差分”的概念，将双相码中用绝对电平表示的波形改为用电平的相对变化的波形。传号交替反转码。记作AMI码。其编码规则是：信息“0”变换为基带信号幅度取值为零，而“1”则交替地变换取值为+E和-E的归零码。三阶高密度双极性码HDB3。.94.1.2 基带信号的波形及其传输码型(续4)“1”-E/-E“0000”-000V/B00V“0”0(a)双相码(b)差分双相码(c)传 号 交替反转码00101110110110-EE“1”-EE“0”-E-EE00“1”-E/-E“0”-0“1”、“0”-EE E-E“1”“0”极性变化E0-E-E(d)三阶高密度码HDB3001000111000000E-E.10第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.114.2 频带传输与调制技术n在数据传输中基带传输并非占据主导地位。因为多数信道(尤其是无线电信道)并不能进行直接传输，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，这就是“调制”的概念。n“调制”是实现频谱搬移，将数字基带信号变换成适合于信道传输的频带信号。用载波调制进行传输的方式称为频带传输。n在数据通信系统中，对受调载波的波形，原理上并无特殊的要求，一般选用形式简单、便于生成和接收的正弦信号作为载波。.124.2频带传输与调制技术(续1)n数据通信一般采用数字调制，它是用载波信号参量的离散状态来表征所传输的数据信息，在解调时只需对载波信号的受调参量进行检测和判决。n数字调制就是利用数字信号键控载波的幅度、频率和相位，实现振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。n数字调制形式的选择往往是频带利用率、差错率、信噪比和设备实现复杂性等因素综合考虑的结果。.134.2.1 基本数字调制技术1、数字幅度调制(1)二进制幅度键控(2ASK)n基本思想：利用数字基带信号键控载波幅度的变化，即传送“1”信号输出正弦载波信号，传送“0”信号无载波输出。010011100基带信号调幅.144.2.1 基本数字调制技术(续1)n生成2ASK信号的原理框图及波形 n2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍，即2fs。.154.2.1 基本数字调制技术(续2)n2ASK信号的解调主要有包络检波法和相干解调法。n相干调解法的基本原理：将输入已调信号S(t)与相干载波信号C(t)在相乘器相乘后，再由低通滤波器过滤，即得所需的基带信号(图4-8)。n实现相干解调的关键：有一个与ASK信号的载波保持同相同频的的相干载波，否则会产生波形失真。.164.2.1 基本数字调制技术(续3)(2)多进制幅度键控(MASK)n基本思想：利用多电平的矩形基带脉冲去控制正弦载波信号幅度。.174.2.1 基本数字调制技术(续4)n多电平信号所包含的信息量是二电平信号的lb M倍(M为电平数)，所以多电平调制的频带利用率(指单位频带内的信息传输速率)比二电平调制高。MASK信号的带宽与2ASK相同，均为2fs。nMASK信号的解调方法与2ASK相同，也有包络检波法和相干解调法。.184.2.1 基本数字调制技术(续5)(3)正交幅度调制(QAM)n基本思想：利用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带幅度调制。n利用合成的已调信号在相同频带范围内频谱正交特性，从而实现了在同一频带内两路数据信息的并行传输。n基带波形为矩形脉冲的正交幅度调制，称为正交幅度键控(QASK)。基带波形为多电平时，则构成多电平正交幅度键控(MQASK)。.194.2.1 基本数字调制技术(续6)正交幅度调制的原理框图 正交幅度键控信号解调必须采用相干解调法。.204.2.1 基本数字调制技术(续7)2、数字频率调制n基本思想：利用数字基带信号控制载波频率的变化来传输数字信息“1”和“0”。nFSK的抗噪声、抗衰落优于ASK，设备不复杂、实现较容易，所以一直被广泛应用在中、低速数据通信系统中。但是，由于在功率和频率利用率方面，传统的2FSK不及PSK，在DPSK取得成功后，被逐渐取而代之。近年来，FSK有着很大进步，在卫星、无线电通信中得到应用。.214.2.1 基本数字调制技术(续8)(1)二进制频移键控(2FSK)n2FSK信号一般用频率选择法和载波调频法。频率选择法产生相位不连续的2FSK信号。载波调频法产生相位连续的2FSK信号(如下图所示)。010011100基带信号调频.224.2.1 基本数字调制技术(续9)用频率选择法生成2FSK信号的 原理框图及波形.234.2.1 基本数字调制技术(续10)n2FSK信号的解调有相干解调法和非相干解调法。目前常用非相干解调法(下图)，虽然它的抗干扰性能不及相干解调法优越，但解调时无需从FSK信号中提取相干载波，因而实现起来比较简单。n实现非相干解调的关键是匹配滤波器(图4-13)。.244.2.1 基本数字调制技术(续11)(2)多进制频移键控(MFSK)n基本思想：利用M个不同频率的信号波形(如正弦波)来代表M进制的M个码元符号。nMFSK信号的生成常采用频率选择法(图4-14)。.254.2.1 基本数字调制技术(续12)nMFSK信号的解调有相干解调法和非相干解调法(图4-15)。.264.2.1 基本数字调制技术(续13)3、数字相位调制n基本思想：利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”。调相010011100基带信号.274.2.1 基本数字调制技术(续14)n载波相位变化有“绝对移相”和“相对移相”两种。“绝对移相”是利用载波的不同相位直接去表示数字信息，而“相对移相”则利用载波的相对相位，即前后码元载波相位的相对变化来表示数字信息的。由于表征信息的载波相位只取有限个离散值，故又称相移键控(PSK)。n由于实际系统中接收端提供的相干载波往往存在“相位模糊”现象。因此，“绝对移相”虽提出很早，但实用的却是“相对移相”(DPSK)。n相移键控不仅在恒参信道上具有较优的抗噪声性能和频带利用率，而且在有衰落和多径现象的信道上也有较好的接收结果。与幅度键控、频移键控相比，是一种比较优越的调制形式。.284.2.1 基本数字调制技术(续15)(1)二进制相对相移键控(2DPSK)n由于相对移相是利用前后码元之间载波相位的相对变化来传送数字信息的，当保持前后码元载波相位差不变，解调后恢复的数字信息就不会出现极性相位，因此相对移相能够克服相位模糊现象。n2DPSK信号的典型波形如图4-16所示。每个码元中载波相位的变化是以前一码元载波相位作为参考的。若假定当传送的数字信号为“1”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位差为；当传送的数字信号为“0”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位不变。.294.2.1 基本数字调制技术(续16)n从分析数字信息与码元信号载波相位的关系可知：把数字信息码先变换成相对码，再用它去进行绝对移相，与将它直接进行相对移相的结果是一样的。这说明相对移相是变换成相对码后的数字信号序列的绝对移相。在用相对码表示传送信息之后，2DPSK信号的时域表达式和功率谱密度与2PSK信号是相同的。.304.2.1 基本数字调制技术(续17)n生成2DPSK信号的方法有：调相法和相位选择法。但都需要进行预处理(即先把输入的基带信号编码转换成相对码)，再进行绝对移相(见图4-17)。.314.2.1 基本数字调制技术(续18)n2DPSK信号的解调方法也有两种：极性比较法和相位比较法。图4-19表示用极性比较法解调2DPSK信号的原理框图及各点波形。.324.2.1 基本数字调制技术(续19)(2)多进制移相键控(MPSK)n多进制相移键控是利用载波的多个相位或相位差来表示数字信息的。n多相调制载波的每一相位或相位差与k比特码元的一个状态相对应，而k比特码元包含的信息量是二进制码元所含有信息量的k倍。随着k取值增大，信号之间的相位差也随之减小，传输可靠性降低。所以在实际使用中用得较多的是k=4、8。n在进制相移键控中，多相调制波形可看作对两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。因此，多相调制波的带宽与多电平双边带调制一样。.334.2.1 基本数字调制技术(续20)n四相调制也有绝对相移键控(4PSK)和相对相移键控(4DPSK)两种实现方式。n4PSK是利用载波的四种不同相位来表示数字信息的。因为4PSK存在相位模糊现象，所以在实际常采用4DPSK。4DPSK信号可以看成是两路正交的2DPSK信号的合成。生成4DPSK信号通常采用调相法和相位选择法。.344.2.1 基本数字调制技术(续21)n表示用调相法生成4DPSK信号的原理框图(图4-20)。.354.2.1 基本数字调制技术(续22)n4DPSK信号的解调方法有两种：极性比较法和相位比较法。图4-21表示用极性比较法解调4DPSK信号的原理框图。.364.2.1 基本数字调制技术(续23)4、基本数字调制的性能比较n表4-3列出了各种调制形式误码率Pe的计算公式。误码率Pe与输入信噪比r的关系曲线如图4-22所示。.374.2.1 基本数字调制技术(续24)结论(1)Pe 随r 增大而减小。对于同一种调制形式，相干解调的误码率低于非相干解调的误码率，但随着 r 的增大，两者间的差别会缩小。(2)从系统的频带利用率来看，在相同的误码率条件下，PSK、ASK占据的信道带宽比FSK窄得多。所以从抗噪声性能和提高频带利用率来看，PSK系统是最优的。(3)多进制数字调制系统的抗噪声性能通常低于二进制数字调制系统。.384.2.2 幅相混合调制n多进制调制技术提高了频带利用率，是以牺牲功率利用率为代价。在信号星座图中，当M值增加时，各信号之间的最小距离减小，相应的信号判决区域缩小，因而接收信号的误码率将随之提高。n1960年，C.R.Chen提出了幅相混合键控APK的设想。幅相混合键控是对载波信号的幅度和相位同时进行调制的一种调制形式。在M值较大的情况下，幅相混合键控不仅可以提高系统的频带利用率，而且还可以获得较好的功率利用率，而设备却比MPSK系统简单。.394.2.2 幅相混合调制(续1)n选择载波信号的不同幅度和不同相位，对其进行不同的组合时，就可得到多种不同类型的APK信号。nAPK信号的时域表达式为 n此式表明，APK信号可看作两个正交载波调制信号之和。.404.2.2 幅相混合调制(续2)n通常把APK信号矢量端点(An，Bn)在二唯空间内的分布图称为星座图。图4-23表示在功率相等或最大幅度相等的条件下，16QAM和16PSK信号的星座图。.414.2.2 幅相混合调制(续3)n生成16QAM信号有正交调幅法和复合相移法两种。正交调幅法是用两路正交的四电平幅度键控信号叠加而成；复合相移法是用两路独立的四相相移键控信号叠加而成。n对16QAM信号的解调可采用正交的相干解调法。.424.2.3 脉码调制1、脉码调制的基本原理n脉码调制的主要过程包括三个步骤：n采样将发送端输入的时间连续、振幅连续的模拟信号转换成离散时间、连续幅度的采样信号(PAM脉冲)。n量化把时间离散、振幅连续的采样信号转换成时间离散、振幅离散的信号(PCM脉冲)。n编码将量化后的数字信号进行编码形成二进制比特流的数字信号。PCM编码过程的实质是将模拟数据转换成为一个二进制脉冲序列(即模/数转换)。.434.2.3 脉码调制(续1)模拟信号数字信号时间离散、振幅连续的信号(PAM脉冲)时间离散、振幅离散的信号(PCM脉冲)(a)话音信号(c)模拟样本(d)PCM码1110010011010000011011000100010000100110(b)采样脉冲脉码调制框图.444.2.3 脉码调制(续2)n采样原理：对一个信号f(t)以固定的时间间隔并以高于信号最大主频率两倍的速率进行采样，那么这些样本就包含了原始信号中的所有信息,这些样本通过低通滤波器就可重建函数f(t)。n以4000Hz话音信号为例，通常择取8000个样本/秒就足以反映这个话音信号。需注意的是，这些样本是模拟样本(PAM样本)。欲想转换为数字，还需要为每个模拟样本赋予一个二进制码。常用8比特样本(即允许256个量化电平)，则经恢复后的话音信号就可达到模拟传输同样的效果。所以，传输一路话音信号所需要的传输速率是 8000个样本/秒8比特/样本=64kb/s .454.2.3 脉码调制(续3)2、影响PCM中继间隔的因素n码间串扰发送/接收端的滤波器和线路的线性失真，以及再生中继站均衡器的不理想，会引起信道传输的基带波形的展宽与较长的拖尾，这对后继波形将会造成干扰，这种干扰称为码间干扰。码间干扰难以避免，用均衡器可减少影响。n线路噪声指热噪声、脉冲噪声、系统间的串话噪声等噪声。.464.2.3 脉码调制(续4)n当PCM线路与话音线路设置在同一条电缆内，来自话音电路的冲击性噪声(主要是拨号脉冲噪声)也会对PCM中继设备产生串话干扰。.474.2.3 脉码调制(续5)3、利用PCM信道进行数据传输n利用PCM信道进行数据传输时，需进行码变换的工作。根据PCM信道终端设备与数据终端设备两者定时信号之间的关系，码变换有三种：(1)同步数据传输方式指由PCM信道的终端设备向数据终端设备发送统一的定时信号，达到同步。(2)非同步数据传输方式指数据终端设备在数据信号的时钟与PCM信道的时钟不同步而进行的数据传输方式。(3)同步时分多路复用数据传输方式指多路数据信号在同步时分复用器内，按照一定的格式进行组合后，再进入PCM信道。.48第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.494.3 信道访问技术n“访问”是指引起主、客体之间的信息相互交换或者系统状态改变的主、客体交互行为。n确保单一使用公用信道的技术称为信道访问技术。访问特征使用技术预约式静态频分多路复用（FDMA），时分多路复用（TDMA）码分多路复用（CDMA），空分多路复用（SDMA）动态集中统计时分多路复用（ATDMA）无冲突访问选择式菊花链式访问，轮叫轮询，传递轮询，单一选择争用式ALOHA纯 ALOHA（P-ALOHA），时 隙 ALOHA（S-ALOHA）CSMA非坚持CSMA，1坚持CSMA，P坚持CSMA，CSMA/CD环式权标（TOKEN），分时环，寄存器插入，开关转换混合式预约ALOHA，有限争用，争用环.504.3.1 轮询技术n轮询技术是一种。在由多个结点共享公用信道的线路中，主机依照一定的顺序探询各结点有无传送信息的要求，被探询的结点如有传送信息的要求就占用公用信道，将信息发送给主机。否则，主机继续探询下一结点。这是一种轮询式的受控接入信道访问技术。n按照探询控制权的转移与否，轮询可分为轮叫轮询和传递轮询。.514.3.1 轮询技术(续1)1、轮叫轮询n轮叫轮询的基本原理如图4-28所示。n轮叫轮询是由主机按事先确定的顺序向各个结点或者向指定结点轮流询问，并接收各结点发来的信息。因为主机一直持有探询各结点的控制权，各结点始终是被探询的对象，因此是一种集中控制的方法。.524.3.1 轮询技术(续2)2、传递轮询n传递轮询的基本工作原理如图4-29所示。n传递轮询允许被探询结点修改探询帧的接收地址，从而克服了轮叫轮询方式中主机一直掌握着发送探询帧的控制权，造成通信开销大、帧的传送时延长的缺点。.534.3.1 轮询技术(续3)传递轮询与轮叫轮询的比较n在同样条件下，传递轮询帧的时延比轮叫轮询的时延要小，而且结点间距离越大，其效果越明显。但是，实现传递轮询的技术较复杂，所以实际使用中还是以轮叫轮询为主。.544.3.2 争用技术n争用技术是一种随机接入(或访问)技术。所有用户都可以根据自己的需要向公用信道发送信息，这样就产生了争用信道使用权的问题。只有争用获胜者才取得了信道使用权可以发送信息，而争用的存在又必然会发生冲突(或碰撞)，这就要解决冲突所带来的问题。nALOHA是美国夏威夷大学20世纪70年代初期研制成功的一个集中控制式的随机接入系统。该系统允许地理上分散的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机。.554.3.2 争用技术(续1)1、ALOHA技术(1)纯ALOHAn夏威夷大学最初研制的ALOHA称为纯ALOHA。系统设有一个主站和若干个从站，从站到主站的频率是407.35MHz，主站到从站的频率是413.475MHz，带宽各为100KHz，数据传送速率为9600b/s。n每一站均可自由地发送帧，并利用应答技术来确保发送的成功。当从站发送一个帧之后，必须等待主站的应答帧予以确认，方能继续发送下一帧。如果未收到应答信号，就意味着发生了帧的冲突，必须进行重发。纯ALOHA采用让发生帧冲突的从站各自等待一段随机的时间后再进行重发的策略，直到发送成功为止。.564.3.2 争用技术(续2)n纯ALOHA系统的帧冲突 n纯ALOHA的吞吐量S与网络负载G之间的关系为（4-47）n当G0.5时，Smax0.5e-10.184，说明纯ALOHA最大的吞吐量只达18.4。.574.3.2 争用技术(续3)(2)时隙ALOHAn时隙ALOHA系统是使各站在同步状态下工作，并把时间划分为等长的时隙。同时规定无论帧何时到达，都只能在每个时隙的开始时刻才能发送出去。n时隙ALOHA的吞吐量公式为n当G1时，Smax0.368，表示该系统达到的最大吞吐量。（4-49）.584.3.2 争用技术(续4)n纯ALOHA与时隙ALOHA的S-G关系曲线 n基于前两种ALOHA信道利用率都比较低，因而有人提出把预约和争用技术结合起来，从而保证了所发送的帧不会与别的站发送的帧发生冲突。这就是预约ALOHA。n预约ALOHA的基本指导思想是当网络负载轻时，按ALOHA方式工作；当网络负载重时，网络按接近于时分复用方式工作。.594.3.2 争用技术(续5)2、CSMA技术nCSMA是对ALOHA系统用于有线信道的一种改进，它要求每个站都设置一硬件(即载波监听装置)，用来在发送数据之前监听同一信道上其他站是否也在发送数据。如果该站监听到有别的站正在发送，就暂不发送数据，从而减少发送冲突的可能性，也提高了整个系统的吞吐量和信道利用率。“载波”是指在公用信道上传输的信号。.604.3.2 争用技术(续6)n根据每个站所采用的载波监听策略，CSMA可分为以下几种类型：非坚持CSMA如果进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去；如果监听到信道忙，就不再继续坚持听下去，而根据协议的算法延迟一个随机时间再重新监听。1坚持CSMA当监听到信道空闲时，就立即发送帧；如果监听到信道为忙，则继续监听下去，一直坚持到信道变成空闲为止。P坚持CSMA当监听到信道为空闲时，以概率p立即发送帧，而以概率(1-p)延迟一段时间(端端传播时延)再重新监听信道；当监听到信道为忙时，则继续监听下去，一直坚持到信道空闲为止。nCSMA也可以采用时隙式，同样有上述三种类型。.614.3.2 争用技术(续7)3、环访问技术n最常用的三种是：令牌环、时隙环和寄存器插入环。(1)令牌环n令牌环是一种最早提出的环访问技术。利用令牌环技术构成的局域网有Newhall环网和IBM令牌环网。它们是制定IEEE802.5标准的基础。n令牌环技术的优点是易于调节通信量。缺点是令牌操作和管理复杂。.624.3.2 争用技术(续8)令牌环技术基本原理n利用在环路中流动的唯一的令牌帧。初始状态时，不含有数据的令牌帧称为“闲”令牌帧。要求传输数据的站必须等待令牌帧的到达，如检测是“闲”的，于是就通过改变其比特组合将令牌由“闲”改成“忙”，并在此令牌后面传输待发送的数据。此时环路上因没有“闲”令牌，其他希望发送数据的站必须等待。当包含数据的“忙”令牌帧沿环路传送到非目的站时，则转发该帧。只有当它传送到目的站时，目的站才复制该帧的有关信息，并继续转发该帧。这个“忙”令牌帧绕环一周后又返回到源站，则由源站对数据实施检查和回收，并将“忙”改为“闲”。.634.3.2 争用技术(续9)n由于令牌是唯一的，在任何情况下，令牌都保证一次仅有一个站在传输数据。只有当源站释放出一个新的“闲”令牌时，处于下游的有传输数据要求的站才能截获“闲”令牌并进行数据传输。n令牌环技术具有故障恢复机制。n令牌丢失 由令牌主动管理站采用超时机制来检测令牌的丢失情况。n恢复令牌 由管理站重新生成一个“闲”令牌。n一张令牌 由管理站检测持续循环的“忙”令牌，通过设置管理比特，自动地将“忙”令牌更改为“闲”令牌。n管理站有效 被管理站通过检测主动站是否故障，采用竞争算法产生新的主动站。.644.3.2 争用技术(续10)(2)时隙环n时隙环是J.R.Pierce于1972年首先研制成功的，因而有时也称为Pierce环。.654.3.2 争用技术(续11)时隙环技术的基本原理n把信息在环路上的传送时间划分为固定长度的时间段(简称时隙)。每一个时隙都含有一先导标志位，表示该时隙的现行状态：空或满。若干时隙在环路上绕环运行。初始时，所有的时隙都是空的。要求传送数据的站必须等待一个空时隙到达，将先导标志位改为满，同时在时隙中加入所要传送的数据。当载有数据的时隙到达目的站时，目的站将复制时隙中的数据，同时设置响应位，以表征接收的状态(接收、拒收和忙)。只有当时隙返回到源站时，才将时隙先导标志位重新改为空，以便该时隙供下游的结点继续使用。.664.3.2 争用技术(续12)n最著名的时隙环是剑桥环，于1974年由英国剑桥大学研制成功。n时隙环的主要优点是简单。其主要缺点是因时隙中含有较多的管理开销浪费了带宽；当环路上只有少数站要求传输数据时，就会造成许多空时隙在环路上作毫无意义的循环。.674.3.2 争用技术(续13)(3)寄存器插入环n寄存器插入环技术的基本原理(图4-61)。.684.3.2 争用技术(续14)n寄存器插入环的主要优点是通信效率高。n其主要缺点是可靠性低和清除机制复杂。n以上访问技术，既可单一使用，又可混合使用，以便取长补短，满足不同的应用需要。.69第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.704.4 信道复用技术n动机：信道的带宽往往要比所传送的信号的带宽宽得多，为了充分利用信道的容量，提高信道的传输效率，开发了信道复用技术。复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。n信道多路复用的理论依据是信号分割原理。实现信号分割是基于信号之间的差别，这种差别存在于信号的频率、时间参量以及码型结构。.714.4 信道复用技术(续1)n多路复用是一种将若干路彼此无关的信号合并成一路复合信号，并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的技术。该项技术包含信号复合，传输和分离三个方面的内容。.724.4.1 频分复用n频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)是按照频率参量的差别来分割信号的技术。n基本思路：把信道的可用频带分割为若干条较窄的子频带，用户自始至终使用分配到的子频带来传输信号。所有用户在同样的时间占用着不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。.734.4.1 频分复用(续1)n信道带宽与各子频带之间满足如下关系：n话音信号频分多路载波通信系统 (4-53).744.4.1 频分复用(续2)nFDM的主要优点：实现简单；技术成熟；能较充分地利用信道频带，因而系统效率较高。nFDM的主要缺点：保护频带的存在，大大地降低了FDM技术的效率；信道的非线性失真，改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰；所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化；频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。n在实际应用中，FDM正在被时分多路复用所替代。.754.4.2 波分复用n波分复用是传统的频分复用技术应用于光纤通信领域，即光的频分复用。n光频分复用习惯上是指光频细分。习惯上用波长而不用频率f来表示所使用的光载波。这就是波分复用的概念。.764.4.2 波分复用(续1)1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器密集波分复用原理图.774.4.3 时分复用1、传统时分复用n时分多路复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)是按照时间参量的差别来分割信号的技术。n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。因此，TDM信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。.784.4.3 时分复用(续1)时分多路复用的原理图频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧.794.4.3 时分复用(续2)时分多路复用的原理图(续1)频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧.804.4.3 时分复用(续3)时分多路复用的原理图(续2)频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧.814.4.3 时分复用(续4)时分多路复用的原理图(续3)频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧.824.4.3 时分复用(续5)传统TDM的特点通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的，而且这种时间关系是固定不变的；就某一瞬时来看，公用信道上仅传输某一对设备的信号，而不是多路复合信号，但就一段时间而言，公用信道上传送着按时间分隔的多路复合信号。只要时分多路复用器的扫描操作适当，以及采取必要的缓冲措施和合理地分配时隙，就能够保证多路通信的正常进行。.834.4.3 时分复用(续6)2、统计时分多路复用n使用传统时分多路复用来传输计算机数据，由于计算机数据的突发性，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。ABCDaabbcdb cattttt4个时分复用帧#1acbcd传统时分复用#2#3#4用户.844.4.3 时分复用(续7)n为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配(或动态分配)时隙，以避免每帧中出现闲置时隙的现象。这种动态分配时隙的TDM，称为统计时分多路复用STDM(StatisticTDM)。用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用.854.4.3 时分复用(续8)nSTDM所使用的帧结构对系统性能有一定的影响，应尽量减少用于管理的附加信息。图4-40给出了STDM子帧的两种格式。n当复用器连接的设备较多，又都处于工作状态,或者少数设备发送很长的数据块，将会出现与数据块和排队有关的时延问题。n当传输出现差错时造成一个或数个帧数据重发，将会导致时延的加剧。n如复用器输入的数据吞吐量超过了复用信道的容量，就必须采用相应的缓冲措施。n如果因缓冲区溢出造成数据丢失，应采取缓冲控制技术。n时分复用技术应用于光通信领域，称为光时分复用OTDM(OpticalTimeDivisionMultiplexing)。.864.4.4 码分复用n码分复用CDMA（CodeDivisionMultiplexingAccess）是按照码型结构的差别来分割信号的技术。n各用户使用了经过特殊挑选的不同码型，他们可以在同样的时间内使用同样的频带进行通信，而不会造成相互干扰。n码分多址系统发送的信号具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，因此不易被发现。.874.4.4 码分复用(续1)n每一个比特时间被划分为m个间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。n使用CDMA的每一个站被分派一个唯一的bit码片序列（chipsequence）。一个站如果要发送比特，则发送它自己的mbit码片序列。如果要发送比特，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，S站的8bit码片序列是00011011。n发送比特1时，就发送序列00011011，n发送比特0时，就发送序列11100100。n为了方便，我们以后将两码片中的写成-，将写为+。因此，S站的码片序列：(111+1+11+1+1).884.4.4 码分复用(续2)nCDMA系统采用的码片具有如下特性：令向量A表示A站的码片向量，再令B表示其他任何站的码片向量。分派给每一个站的码片不仅互不相同，并且必须互相正交(orthogonal)。向量A和B的内积都是0。（4-54）任何一个码片向量的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。（4-55）.894.4.4 码分复用(续3)CDMA工作原理举例S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积SSx规格化内积STx数据码元比特发送端接收端.90第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.914.5 扩频技术4.5.1 概述n扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication，简称扩频通信)是指发送端将待传送的数据利用扩频码调制实现频谱扩展后再进行宽带通信，接收端则采用相同的扩频码进行相关解扩及解调，恢复成原始的数据信号的一种通信方式。n扩频码具有近似于随机信号的性能(因为真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生)，我们用一种周期性的脉冲信号来模仿随机噪声的性能，因此扩频码又称伪随机码或PN(pseudorandomnumber)码。.924.5.1 概述(续1)n扩频通信的原理框图般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信号调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的射频解调、解扩和信号解调。与一般通信系统比较，扩频通信增加了扩频调制和解扩两个部分。.934.5.1 概述(续2)扩频通信的优点n抗干扰、抗噪音 n抗多径衰落 n具有保密性 n具有隐蔽性和低的截获概率 n可多址复用和任意选址 n便于高精度测量n安装简便，易于推广应用 .944.5.2 直接序列扩频n直接序列扩频DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，简称直扩)是指直接利用具有高速变化的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，在接收端则利用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的数据的一种通信方式。.954.5.2 直接序列扩频(续1)直扩系统的组成与原理框图接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理后，信号功率再集中通过滤波器，同时干扰信号功率扩散后被滤波器滤除，这就大大提高了输出端的信噪比。所以，直扩系统具有很强的抗干扰能力。.964.5.3 跳频扩频n跳频扩频FHSS(FrequencyHoppingSpreadSpectrum，简称跳频)是指用伪随机码序列进行选择性的多频率频移键控的一种通信方式。也就是说，跳频扩频使用扩频码序列进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。.974.5.3 跳频扩频(续1)跳频系统的组成与原理框图.984.5.4 跳时扩频n跳时扩频THSS(TimeHoppingSpreadSpectrum，简称跳时)，是指发射信号在时间轴上跳变的一种通信方式。它把时间轴分成许多时片，由扩频码序列控制一帧内究竟哪个时片发射信号。因此，跳时可理解为利用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。.994.5.4 跳时扩频(续1)跳时扩频的组成与原理框图跳时也可以看成是在扩频码序列控制下，在一帧中按一定规律跳变位置时片的一种时分系统。由于简单的跳时抗干扰性不强，通常它都与其他方式结合构成各种混合方式。.1004.5.5 混合扩频n混合扩频是指在上述几种基本的扩频方式的基础上，组合构成各种混合的扩频通信方式。如DS/FH、DS/TH、TH/FH、DS/FH/TH等。n混合扩频在技术上要复杂一些，实现起来也会困难一些。n混合扩频的主要优点是提高了系统的抗干扰能力。在需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径等问题时，可采用混合扩频通信方式。.1014.5.4 混合扩频(续1)混合扩频举例nDS/FH系统是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如下：.102第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.1034.6 同步控制技术n同步是指通信双方在发送和接收信号时建立起来的确定通信关系。是数据通信系统不可或缺的重要环节。n按照要求同步的对象不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。.1044.6.1 载波同步n在相干解调系统中，接收端必须提供一个与发送端同频同相的相干载波，这一过程称为载波同步。n载波同步的基本要求是：同步误差(确切地说是相位误差)小；建立同步的时间短；同步保持时间长；为同步所占用的功率小及频带窄。n实现载波同步的方法有两类：一类是如接收的已调信号频谱中已含有载波分量或载波导频分量，则直接提取；另一类是对于抑制载波而又没有插入导频的已调信号，则通过非线性变换或采用锁相环来获取载波。.1054.6.1 载波同步(续1)1、插入导频法n插入导频法(又称外同步法)可分为频域插入和时域插入。n频域插入的基本原理：发送端在发送有用信号频谱的同时，在其适当的位置插入一个低功率的线谱(其对应的正弦信号称为导频信号)，这样接收端就可以利用窄带滤波器把它提取出来，再经适当处理后形成相干载波。n注意：导频的频率应与载频有关；插入导频的位置应在信号频谱的零点处，且要求载频附近的信号分量尽量小。.1064.6.1 载波同步(续2)n时域插入的基本原理：在特定的时间片上插入导频信号，接收端用锁相环进行提取。n插入导频的方法有多种，其基本原理相似。n图4-47表示抑制载波双边带信号DSB的插入导频法。由于导频的相位与被调制载波正交，故称为“正交载波”。.1074.6.1 载波同步(续3)2、直接提取法n直接提取法(又称自同步法)用于接收信号中含有载波分量，或者对其进行某种非线性变换含有载波的谐波分量的场合。n常用的直接提取法有平方变换法、平方环法和同相正交法(科斯塔斯环)。n平方变换法和平方环法提取载波的原理图。.1084.6.2 位同步n在数据通信系统中，接收端必须有一个与发送端码元定时脉冲频率相同、相位与最佳取样时刻一致的码元定时脉冲序列。接收端产生这种码元定时信号的过程，称为位同步(或码元同步)。n对位同步的基本要求以及它的实现方法，与载波同步相类似。n实现位同步的常用方法有：插入导频法和直接提取法。.1094.6.2 位同步(续1)1、插入导频法n为了获取码元定时信号，必须确定接收到的信号中是否存在位定时的频率分量。如果有此频率分量，则用滤波器直接提取。如不存在位定时信息，则需在信号中插入位同步的导频信号，或者对其进行某种码型变换以获取位定时信息。n频域插入导频法是将导频信号插入基带信号频谱的零频处。.1104.6.2 位同步(续2)n位同步提取插入导频信号的原理框图 n时域插入导频法是发送端在每帧指定时间间隔内发送位定时信号，接收端用锁相电路提取并保持它，这样就可对后继的数据信号正确地进行取样判决。.1114.6.2 位同步(续3)2、直接提取法n直接提取法是由接收端直接从接收信号中提取位定时信息。n直接提取法有滤波法和锁相法两种。锁相法又有模拟锁相法和数字锁相法。n利用微分整流滤波法提取位定时信息的原理框图及各点波形。限幅放大器微分整流脉冲形成器窄带滤波器相移器基带信号位同步信号.1124.6.2 位同步(续4)n利用数字锁相环路生成位同步信号的原理框图。.1134.6.3 群同步n实现帧或信息包同步传输的过程，称为群同步。群同步一般是通过数据格式的特殊设计来达到的，亦即通过在数据码元序列中插入特定的同步码元或同步码组来实现群同步的。因此，实现群同步的关键在于如何识别插入的同步标志。n群同步的基本要求是：同步可靠性高，即漏同步率和假同步率低；同步平均建立时间短；为实现群同步而插入到数据码元序列中的群同步码元或群同步码组的冗余度小。n实现群同步的方法分两类：一类是在发送的码元序列中插入专门设计的群同步码元或群同步码组，称为外同步法；另一类是利用码元序列的本身特性来提取群同步信号，称为内同步法。.1144.6.3 群同步(续1)常用的几种外同步法1、起止位同步法 利用起止位实现异步传输的方法。此时，以一个字符为传输单位，并用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束，因此群是由起始位、字符位及停止位构成的。此法简单灵活，适用于速率不高的场合。.1154.6.3 群同步(续2)2、特定码组同步法 利用特定码组(特定的若干比特组合)来实现群同步的方法。群是由群数据块加上首尾特定码组构成。接收端通过识别该特定码组来实现群同步。例如，在HDLC规程中，这个特定码组为01111110。.1164.6.3 群同步(续3)3、特定字符同步法 利用特定字符作为同步标志来实现群同步的方法。数据块由包括控制字符和数据字符在内的字符序列构成，以两个或两个以上的特定字符作为数据块的开始标志。例如，传输控制字符SYN(0010110)就是专门设置的同步字符。.1174.6.4 网同步n为保证通信网内各点之间的可靠通信，就必须在网内建立一个统一的时间标准，称为网同步。网同步的任务就是使得整个通信网各复接点的时钟频率和相位相互协调一致。n实现网同步的方法主要有两类：一类是建立全网同步系统，使通信网内各站的时钟彼此同步，即各站时钟的频率和相位都保持一致。此法有主从同步法和相互同步法。另一类是建立准同步系统(又称独立时钟法或异步复接)。各站均单独设置高稳定性的时钟，且允许各支路的速率偏差在一定的许可范围内，复接时各支路输入速率被调整到本站的速率上，再传送出去。实现准同步的方法也有码速调整法和水库法。.1184.6.4 网同步(续1)网同步的方法1、主从同步法在网内设立一个备有一个高稳定的主时钟源的主站，主时钟源产生的时钟信号一般按照树状结构逐级送往各从站，使得各从站的时钟直接或间接地受到主时钟的控制。此法简单易行，适用于小型通信网。.1194.6.4 网同步(续2)2、相互同步法网内各站都设有时钟，并实现网络高度互联，使各站的频率被锁定在网内各站固有频率的平均值(称为网频率)上，实现全网同步。3、码速调整法有正码速调整、负码速调整和正/负码速调整三种。正码速调整法是采用填充脉冲方式来调整码速。码速调整法的优点在于各站工作在准同步状态，无需统一的时钟，适用于大型通信网。.1204.6.4 网同步(续3)正码速调整法原理框图及其波形.1214.6.4 网同步(续4)4、水库法依靠通信网的各交换站设置极高稳定度的时钟源和容量足够大的缓冲寄存器，并定期地检查缓存的状态，使得在很长时间间隔内不会发生“取空”或“溢出”现象，称为水库法。n水库法的基本计算公式式中，为数据流的速率；T为缓存相继发生“取空”或“溢出”的时间间隔；为缓存位数的一半；为相对速率稳定度()。（4-65）.122第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4.5扩频技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8 差错控制技术.1234.7 数据交换技术4.7.1电路交换n电路交换源于电话交换原理的一种交换方式。它根据一方的请求在一对站(或数据终端)之间建立的电气连接过程，在该连接被拆除之前，所建立起来的电路一直被占用着。属于电路资源的预分配。n电路交换进行数据通信要经历三个阶段：建立电路、传送数据和拆除电路。n电路交换的特点是接续路径采用物理连接。电路交换进行数据通信存在着两个限制：欲通信的两个站必须同时处于激活可用的状态；两个站之间的通信资源必须可用，而且必须专用。.1244.7.1电路交换(续1)n电路交换的主要优点：传输时延小。主要是传输时延和传播时延，各交换结点的处理时延可略；处理开销少。交换机对数据信息不进行存储、分析和处理，传输的用户数据也不必附加用于控制的专门信息，使得传输效率较高；对数据信息的格式和编码类型没有限制。n电路交换的主要缺点：电路的接续时间较长；电路利用率低；在速率、信息格式、编码类型、同步方式、通信规程等方面，通信双方必须完全兼容，这不利于用户终端之间实现互通；当一方用户终端设备忙或交换网负载过重时，可能会出现呼叫不通(即呼损)的现象。.1254.7.2报文交换报文交换的基本原理当用户欲向用户发送数据时，用户并不需要先接通至用户的整条电路，而只需与直接连接的交换机接通，并将需要发送的报文作为一个独立的实体，全部发送给该交换机。然后该交换机将存储着的报文根据报文中提供的目的地址，在交换网内确定其路由，并将报文送到输出线路的队列中去排队，一旦该输出线路空闲，就立即将报文传送给下一个交换机。依次类推，最后送到用户。.1264.7.2报文交换(续1)n报文交换的特点：交换机采取“存储转发”技术对报文进行存储和处理。适用于电报业务和电子信箱业务。n报文交换的主要优点：线路利用率较高；交换机以“存储转发”方式传输数据信息，可起到匹配速率、防止呼叫阻塞、平滑通信业务量峰值的作用；易于实现各种不同类型终端之间的互通；不需要发、收两端同时处于激活状态。便于实现多种服务功能等。n报文交换的主要缺点：数据信息通过交换网的时延较长，变化大，这不利于实时或交互型业务；交换机必须具有存储报文的大容量和高速分析处理报文的功能，从而增大了交换机的投资费用。.1274.7.3分组交换n分组交换(又称包交换)，是综合了电路交换和报文交换两者优点的一种交换方式。仍采用“存储-转发”技术。分组交换的特点同电路交换。分组交换将一份较长的报文分解成若干个定长的“分组”，并在每个分组前都加上报头和报尾。报头中含地址和分组序号等内容，报尾是该分组的校验码。分组作为一个独立的规定格式的实体，便于交换机存储、分析和处理。既可以断续地传送，也可以经历不同的传输路径。.1284.7.3分组交换(续1)n为了控制和管理通过交换网的“分组”流，目前分组交换主要采用两种方式：数据报方式和虚电路方式n分组交换的主要优点：传输时延较小，能较好地满足交互型实时通信的要求；易于实现统计时分多路复用，提高了线路的利用率；易建立灵活的通信环境，便于在不同类型的数据终端之间实现互通；可靠性好。分组作为独立的传输实体，便于实现差错控制，误码率，一般可达10-10以下；经济性好。n分组交换的主要缺点：由于网络附加的传输信息较多，影响了传输效率；实现技术复杂。.1294.7.4交换技术的选择与比较三种交换技术的通信过程ABCDABCDABCDABCD电路交换报文交换虚电路分组交换数据报分组交换呼叫请求呼叫应答报文释放请求释放应答报文分组2分组1分组3分组1分组1分组2分组2分组3分组3分组1分组2分组3分组1分组2分组3分组1分组2分组3报文报文连接请求连接应答数据传送连接建立连接释放t.1304.7.4交换技术的选择与比较(续1)交换方式项目电路交换报文交换分组交换接续时间较长，平均15s较短，只要接通交换机，即可发送数据较短，虚电路方式一般小于1s传输时延短，偏差较小，一般为毫秒级长，偏差很大，达1分或更长短，偏差很大，一般低于200ms传输可靠性较高，10-7较高，10-9高，10-11业务过载反应拒绝接受呼叫将报文存储于交换机中，结点时延增长可采用流控制技术异构终端互通性无有有同文报通信能力无有有传输带宽固定带宽动态使用带宽动态使用带宽线路利用率低高高实时性业务适用不适用适用交换机费用较低较高较高三种交换技术的性能比较.131第4章：内容提纲4.1基带传输技术4.2频带传输与调制技术4.3信道访问技术4.4信道复用技术4