第2章數(shù)據(jù)通信基礎講義

1、第二講 數(shù)據(jù)通信基礎孫永科西南林學院計算機與信息科學系,Outline,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念　　2.2 信道特性2.3 傳輸介質(zhì)2.4 數(shù)據(jù)編碼　2.5 數(shù)字調(diào)制,網(wǎng)絡工程師的主要考核內(nèi)容,基本概念的理解例如: 信道、信道帶寬、信道容量、傳輸延遲和誤碼率幾個重要公式的理解與應用例如：香農(nóng)定理、奈奎斯特定理、數(shù)據(jù)傳輸速率與波特率,自從人類社會誕生以來,信息通信就伴隨著人類社會的發(fā)展, 如古人的烽火傳遞

2、近代通信模型，郵政系統(tǒng)，電話系統(tǒng)現(xiàn)代通信模型，移動通信，網(wǎng)絡通信,System,2.1　數(shù)據(jù)通信的基本概念,2.1　數(shù)據(jù)通信的基本概念,1. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 通信的目的就是傳遞信息。信息的傳遞是通過通信系統(tǒng)來實現(xiàn)的，通信系統(tǒng)的基本模型共有五個基本組件，即發(fā)送設備、接受設備、發(fā)送機、信道和接收機。,信源,變換,噪聲,信道,變換,信宿,,,,圖2-1 數(shù)據(jù)通信模型,,,2.1　數(shù)據(jù)通信的基本概念,(1) 信源和信宿通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息

3、的一端叫做信源,信源就是信息的發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的人或設備；接收信息的一端叫做信宿，是接收所傳送信息的人或設備。(2) 信道信源和信宿之間的通信線路稱為信道。,,(3) 信號變換 信號變換的作用是將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘枴?由于網(wǎng)絡中絕大多數(shù)信息都是雙向傳輸?shù)?，所以在大多?shù)情況下，信源也作信宿，信宿也作信源；編碼器也具有譯碼功能，譯碼器也應能編碼，因此合并通稱為編碼譯碼器；同樣調(diào)制器也能解

4、調(diào)，解調(diào)器也可調(diào)制，因此合并通稱為調(diào)制解調(diào)器。,,(4) 噪聲信息在傳輸?shù)倪^程中可能會受到外界的干擾，把這種干擾稱為噪聲。 客觀的講，噪聲是不可避免的內(nèi)部噪聲：來自通信系統(tǒng)內(nèi)部(隨機噪聲)外部噪聲：來自通信系統(tǒng)外部(突發(fā)噪聲)物理信道不同，噪聲也不同雙絞線上傳輸?shù)氖请娦盘?，則受外界電磁干擾光纖通信傳輸?shù)氖枪庑盘?，則不受外界電磁干擾,,(5)信號類型,信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能是模擬數(shù)據(jù)，也可能是數(shù)字數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)取連續(xù)值，而

5、數(shù)字數(shù)據(jù)取離散值數(shù)據(jù)在進入信道之前要轉(zhuǎn)變成適合傳輸?shù)男盘?。信號也分模擬信號和數(shù)字信號。,模擬信號與數(shù)字信號,模擬信號是隨時間連續(xù)變化的信號，這種信號的某些參量（如振幅、相位和頻率等）可以表示要傳送的信息。正弦信號是典型的模擬信號，普通電視里的圖像和語音信號，也是模擬信號。數(shù)字信號只取有限個離散值，以某一瞬間的狀態(tài)表示它們傳送的信息。,模擬信號,話音,語音和音樂的聲譜,電視掃描場,數(shù)字信號,數(shù)字信號,,,模擬與數(shù)字的特點模擬：

6、 波動性； 持續(xù)變化； 反映事物的本質(zhì)； 在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛； 使用超過100年；數(shù)字： 離散性； 躍變性； 設備性能先進； 較為便宜；,數(shù)據(jù)通信種類,模擬通信信源是模擬數(shù)據(jù)并以模擬信道傳輸數(shù)字通信 信源是模擬數(shù)據(jù)并以數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)通信信源是數(shù)字數(shù)據(jù)，

7、無論信道是數(shù)字還是模擬的，都叫數(shù)據(jù)通信,數(shù)據(jù)傳輸：,21,模擬數(shù)據(jù)通信舉例,模擬信道傳輸模擬數(shù)據(jù) 典型的例子是聲音在普通電話系統(tǒng)中的傳輸。模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù) 典型的例子是通過電話系統(tǒng)實現(xiàn)兩個計算機（數(shù)字設備）之間的通信。由于電話系統(tǒng)只能傳輸模擬信號，所以需通過調(diào)制解調(diào)器（Modem）進行數(shù)字信號與模擬信號的轉(zhuǎn)換。,22,數(shù)字數(shù)據(jù)通信舉例,數(shù)字信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù) 典型的例子是將兩個計算機通過接口直接相連。,請問，用光纖作為傳輸介質(zhì)

8、的通信屬于哪種通信？,數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù),由于模擬信號隨時間的變化而平滑的發(fā)生變化，因此模擬信號比數(shù)字信號容易出錯。模擬信號容易受到噪音、靜電和其他干擾源的干擾導致信號變形。同時隨著傳輸距離的增加會產(chǎn)生衰減，在對信號進行放大和轉(zhuǎn)發(fā)時噪聲信號也被同時放大。數(shù)字信號是以電平的高低來表示的，只要噪聲值不超過數(shù)字信號的門檻值，就可以保證數(shù)字信號的可靠性。隨著傳輸距離的增加數(shù)字信號也會產(chǎn)生衰減，但是它采用再生中繼方式，再生的信號和原來的數(shù)字信

9、號一樣并且能夠消除噪音，通信質(zhì)量受傳輸距離的影響比模擬信號要小,模擬傳輸與數(shù)字傳輸比較,2.2 信道特性,1．信道 信道是傳送信號的一條通道，可以分為物理信道和邏輯信道。 物理信道是指用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路，由傳輸及其附屬設備組成。 邏輯信道也是指傳輸信息的一條通路，但在信號的收、發(fā)節(jié)點之間并不一定存在與之對應的物理傳輸介質(zhì)，而是在物理信道基礎上，由節(jié)點設備內(nèi)部的連接來實

10、現(xiàn)。,2.2 信道特性,2.信道帶寬 信道帶寬是指信道所能傳送的信號頻率寬度，它的值為信道上可傳送信號的最高頻率減去最低頻率之差。W=f2-f1 f2—信道能通過的最高頻率 f1—信道能通過的最低頻率 帶寬越大，所能達到的傳輸速率就越大，所以通道的帶寬是衡量傳輸系統(tǒng)的一個重要指標。,3．信道容量,信道容量是指信道傳輸信息的最

11、大能力，通常用數(shù)據(jù)傳輸率來表示。即單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)越大，則信息的傳輸能力也就越大，表示信道容量大。,2.2 信道特性,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要技術指標(傳輸率、誤碼率、信道容量),1．數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率是指傳輸線路上傳輸信息的速度，有信號傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸速率兩種表示方法。信號傳輸速率又叫波特率或調(diào)制速率數(shù)據(jù)傳輸速率又叫比特率,波特率(信號傳輸速率),一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元碼元速率表示單位時間內(nèi)波形的變換次數(shù)，即單位時間

12、內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)信號傳輸速率又稱波特率或調(diào)制速率，指單位時間內(nèi)所傳送的信號的個數(shù)，即碼元速率單位為baud（波特） B = 1 / TB 波特率T 信號周期。 例：若f = 1200Hz的一連續(xù)信號，則 B = 1/T = 1200（波特）,30,比特率(數(shù)據(jù)傳輸速率),比特率：比特率是一種數(shù)字信號的傳輸速率，它表示單位時間內(nèi)所傳送的二進制代碼的有效位（bit）數(shù)，單位用比特每秒（ bps或b/

13、s ）或千比特每秒（Kbps）表示。 S — 表示比特率T — 表示脈沖寬度N — 表示一個脈沖所表示的有效狀態(tài)數(shù)，即調(diào)制電平數(shù)，通常為2的整數(shù)倍。,例,若一連續(xù)信號，f = 1200Hz，每個信號可表示4個不同的狀態(tài)，則波特率為1200數(shù)據(jù)傳輸速率（比特率）為2400bps。,波特率和比特率之間關系,比特率針對的是二進制位數(shù)傳輸，波特率針對信號波形的傳輸 N為 一個脈沖所表示的有效狀態(tài)數(shù)，即調(diào)制電平數(shù),2．誤

14、碼率 在有噪聲的信道中，數(shù)據(jù)速率的增加意味著傳輸中出現(xiàn)差錯的概率增加。誤碼率是用來表示傳輸二進制位時出現(xiàn)差錯的概率。誤碼率（ Pe ）可用下式表示： Pe = Ne / NPe 誤碼率Ne 出錯的位數(shù)N 傳輸?shù)目偽粩?shù)在計算機通信網(wǎng)絡中，誤碼率一般要求低于10-6，即平均每傳輸1兆位才允許錯1位。在誤碼率高于一定的數(shù)值時，可以用差錯控制的方法進行檢查和糾正。傳

15、輸聲音 Pe< 10-6傳輸圖象 Pe< 10-7傳輸數(shù)據(jù) Pe< 10-8光纖 Pe< 10-10,3．信道延遲 信號在信道中傳播，從信源到信宿需要一定的時間，這稱為信道延遲或傳播時延。 這個時間等于信源到信宿的距離與具體信道中的信號傳播速度之比。 常用的電信號一般以接近光速（300m/µs）的速度傳播，但隨傳

16、輸介質(zhì)的不同而略有差異。例如，電纜中的傳播速度一般為光速的77%，即200m/µs左右。通?？紤]網(wǎng)絡中相距最遠的站與站之間的傳播時延，例如，500m同軸電纜的傳播時延為2.5µs,衛(wèi)星信道傳播時延為270ms。,4 信道容量,信道容量指信道所能承受的最大數(shù)據(jù)傳輸速率（受信道的帶寬限制）單位為bps或b/s。兩種衡量的方法 有限帶寬無噪聲信道 （奈奎斯特公式）

17、 有限帶寬隨機噪聲信道 （香農(nóng)公式）,36,－奈奎斯特公式,其中：C 最大數(shù)據(jù)速率（信道容量） H 信道的帶寬（Hz） N 一個脈沖所表示的有效狀態(tài)數(shù)，即調(diào)制電平數(shù) 奈奎斯特公式表明，對某一有限帶寬無噪聲信道，帶寬固定，則調(diào)制速率也固定，但可以通過提高信號能表示的不同的狀態(tài)數(shù)，以提高信道容量。,37,例,若某信道帶寬為4kHz，任何時刻信號可取0、1、

18、2和3四種電平之一，則為:,38,－香農(nóng)公式,H 信道的帶寬（Hz）S 信道內(nèi)信號的功率 N 信道內(nèi)服從高斯分布的噪聲的功率 S/N是信噪比，通常用 表示單位： dB、分貝,例,信噪比為30dB，帶寬為4kHz的信道最大的數(shù)據(jù)速率為多少？ S/N=1000 表示無論采用何種調(diào)制技術，信噪比為30dB，帶寬為4kHz的信道最大的數(shù)據(jù)速率約為40kbps。,－

19、 例,在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，調(diào)制速率為1200波特，數(shù)據(jù)傳輸速率為3600bps，則每個信號可有幾種不同狀態(tài)？如要使調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率相等，則每個信號應有幾種不同狀態(tài)？,已知數(shù)據(jù)傳輸速率S=3600bps，調(diào)制速率B=1200波特，代入公式S=Blog2N中，求的N=8，即每個信號可有8種不同狀態(tài)。由公式S=Blog2N可知，要使S=B，N應為2，即每個信號應有2種不同狀態(tài)。,42,－例,在電話系統(tǒng)中，一路電話的帶寬是3KHz，典型的

20、信噪比是35dB，請計算電話線上可以取得的理論上最大的數(shù)據(jù)傳輸速率？ 先求解S/N：35dB=10log10S/N，所以S/N≈3162，利用香農(nóng)公式求解信道容量：C=Hlog2（1+S/N）=3KHz×log2（1+3162）≈34880bps，即35Kbps左右的比特率將是常規(guī)調(diào)制解調(diào)器的上限,2002年網(wǎng)絡工程師考試試題,在一個帶寬為 3KHZ、沒有噪聲的信道，傳輸二進制信號時能夠達到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為__(6)__。

21、一個帶寬為 3KHZ、信噪比為 30dB 的信道，能夠達到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為_(7)_。上述結(jié)果表明，_(8)__。 根據(jù)奈奎斯特第一定理，為了保證傳輸質(zhì)量，為達到 3KbpS 的數(shù)據(jù)傳輸車需要的帶寬為___(9)___。 在一個無限帶寬的無噪聲信道上，傳輸二進制信號，當信號的帶寬為 3KHz 時，能達到的極限數(shù)據(jù)傳輸率為__(10)__Kbps 。(6)：A．3Kbps 　　 B．6Kbps 　　 C．56Kbps 　　D．

22、10Mbps(7)：A．12Kbps 　　B．30Kbps 　　C．56Kbps 　　D．10Mbps(8)：A. 有噪聲信道比無噪聲信道具有更大的帶寬　　 B．有噪聲信道比無噪聲信道可達到更高的極限數(shù)據(jù)傳輸率　　 C．有噪聲信道與無噪聲信道沒有可比性　　 D．上述值都為極限值，條件不同，不能進行直接的比較(9)： A．3KHz 　　 B．6KHz 　　　C．2KHz 　　D．56KHz(10)：A．1.5 　　　B．3

23、　　　　 C．6 　　　　 D．3 log23,2004年網(wǎng)絡工程師考試試題26,設信道的碼元速率為300波特，采用4相DPSK調(diào)制，則信道的數(shù)據(jù)速率為 26 b/s。(26) A.300 B.600 C.800 D.1000 說明： DPSK表示差分相移鍵控調(diào)制,4DPSK說明每個碼元最多有4種不同的相位。,2005年11月網(wǎng)絡工程師考試試題,設信號的波特率為600Baud，采用幅度一相位復合調(diào)制技術，

24、由4種幅度和8種相位組成16種碼元，則信道的數(shù)據(jù)率為 （14）。 A.600b/s B.2400b/s C.4800b/s D.9600b/s,－三個指標之間的關系,數(shù)據(jù)速率是信道的實際數(shù)據(jù)傳輸速率信道容量是信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率誤碼率用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。,47,2.3 數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),2.3.1 傳輸介質(zhì)基本概念2.3.2 雙絞線2.3.3 同軸電纜2.3.4 光纖2.3.5 無線介質(zhì),48,

25、2.3.1 －傳輸介質(zhì)基本概念,傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。類型 雙絞線、同軸電纜、光纖、無線 信道、衛(wèi)星通信信道特性物理、傳輸、連通、地理范圍、抗干擾、相對價格,49,2.3.2 －雙絞線,雙絞線由螺旋狀扭在一起的兩根絕緣導線組成，把兩條導線按一定密度對扭在一起可以減少相互間的電磁干擾。雙絞線芯一般是銅質(zhì)的，能提供良好的傳導率。雙絞線一般分為非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（FTP

26、、STP、）。,屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair),銅線,銅線,聚氯乙烯 套層,聚氯乙烯套層,屏蔽層,絕緣層,絕緣層,無屏蔽雙絞線 UTP,屏蔽雙絞線 STP,,,,,,,,2.3.2 －非屏蔽雙絞線 UTP,UTP Unshielded Twisted Pair是 將一對或多對雙絞線線對（常用4對）放入一個絕緣套管，外面沒有

27、屏蔽層。,52,2.3.2 －屏蔽雙絞線 FTP、STP,屏蔽雙絞線是在一對或多對雙絞線線對的外面加上一個用金屬絲編織成的屏蔽層，然后再放入一個絕緣套管。按屏蔽層設置的不同分成外層屏蔽雙絞線（FTP，F(xiàn)loated Twisted Pair），全屏蔽雙絞線（STP，Shielded Twisted Pair） 屏蔽雙絞線的抗干擾性能（尤其是線對間抗干擾性能）要遠高于非屏蔽雙絞線（UTP），價格也比非屏蔽雙絞線高,53,2.3.2 －

28、 FTP STP,,2.3.2 雙絞線分類,下表是UTP電纜的常見類型,55,2.3.2 －雙絞線的特性,傳輸特性 用于傳輸模擬信號，也可用于傳輸數(shù)字信號。連通性 雙絞線可常用于點到點連接，也可用于多點連接。 地理范圍 雙絞線可以很容易地在15公里或更大范圍內(nèi)提供數(shù)據(jù)傳輸。 抗干擾性 在低頻傳輸時，抗干擾性高于同軸電纜；而在10～100KHz時，則低于同軸電纜。價格 雙絞線的相對價

29、格最便宜,雙絞網(wǎng)線制作標準,T568A的線序為：白綠，綠，白橙，藍，白藍，橙，白棕，棕T568B的線序為：白橙，橙，白綠，藍，白藍，綠，白棕，棕,,雙絞網(wǎng)線的制作分類,交叉線 ： （兩個頭中線的順序不同，即：一頭為T568A，一頭為T568B） 直通線： （兩個頭中線的順序相同，比如兩頭都為T568B標準）,交叉線,注意：當網(wǎng)線所連接的兩邊端口的性質(zhì)相同時，用交叉線,直通線,交換機的UPLINK口

30、??交換機的普通口,,60,2.3.3 －同軸電纜,內(nèi)芯  金屬導體，用于傳輸數(shù)據(jù)絕緣層 用于內(nèi)芯與屏蔽層間的絕緣屏蔽層 金屬導體，用于屏蔽外部的干擾塑料外套用于保護電纜,可用于點到點連接和多點連接 抗干擾性通常高于雙絞線 高于雙絞線，低于光纖,2.3.3 －同軸電纜,同軸電纜粗纜細纜,2.3.3 －同軸電纜,同軸電纜分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩類?；鶐S電纜：用來傳輸方波數(shù)字信號，其特性阻抗為5

31、0?，例如RG-8或RG-11粗纜和RG-58細纜寬帶同軸電纜:用來傳輸模擬數(shù)字信號，其特性阻抗為75?，例如CATV電纜(RG59),基帶同軸電纜,基帶同軸電纜特性: (1) 50歐姆電纜，用于數(shù)字傳輸，多用于基帶信號傳輸；(2) 同軸電纜傳輸無中繼距離一般是1km左右；(3) 傳輸速率在10Mbps左右或100Mbps；(4) 使用更長的電纜，使用中間放大器；(5) 實現(xiàn)簡單。,寬帶同軸電纜,寬帶同軸電纜特性: (1)

32、 75歐姆電纜，用于模擬傳輸；(2) 傳輸過程需要調(diào)制與解調(diào)。由于使用模擬信號，需要在接口處安放一個電子設備，用以把進入網(wǎng)絡的比特流轉(zhuǎn)換為模擬信號，并把網(wǎng)絡輸出的信號再轉(zhuǎn)換成比特流；(3) 寬帶系統(tǒng)可分為多個信道，電視信號和數(shù)據(jù)混合傳輸；(4) 傳輸距離遠，實現(xiàn)復雜，傳輸速率在100-150Mbps。,光纖（Fiber Optic Cable）又稱為光纜，是以光脈沖的形式完成信號的傳輸，材質(zhì)以玻璃和有機玻璃為主。它由纖維芯、包層

33、和保護套組成.光纖的纖芯很細，其直徑通常只有8～100微米，光波正是利用纖芯進行傳導。,,2.3.4 －光纖,光纖的組成,,,,,,,,,,,折射角,入射角,,,,,,,,,,,包層（低折射率的媒體）,,包層（低折射率的媒體）,纖芯（高折射率的媒體）,,,包層,,纖芯,,光纖的工作原理,,,,,,,高折射率(纖芯),低折射率(包層),,,光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?,2.3.4 －光纖,根據(jù)光在光纖中傳播方式的不同

34、，光纖可分為單模光纖和多模光纖。光纖表面的光線入射角只要大于臨界角便會產(chǎn)生全反射，如果由多條入射角不同的光線同時在一條光纖中傳播，則這種光纖就稱為多模光纖。如果光纖的纖芯細到只能讓一種光的波長通過，光在纖維芯中沒有反射而沿直線傳播，則這種光纖就稱為單模光纖。,,多模光纖與單模光纖,,,,,,,多模光纖,70,2.3.4 －光纖,71,2.3.4 －單模光纖與多模光纖,單模光纖 光纖上光信號單角度（軸線）、單光線傳輸 纖芯小、性能

35、好多模光纖 光纖上光信號多角度、多光線傳輸 纖芯大、性能不如單模光纖,光纖：光纖的部分連接頭如圖所示,,光纖接頭實物圖,光纖是目前網(wǎng)絡傳輸最快的介質(zhì)之一，但由于其價格較貴，目前光纖的主要應用是在大型的骨干網(wǎng)以及長距離通信中。,光纖轉(zhuǎn)發(fā)器實物圖,73,2.3.4 －光纖的特性,傳輸特性：要實現(xiàn)雙向通信就必須成對使用。連通性只用于點到點連接。地理范圍適用于長距離信號傳輸抗干擾性具有良好的抗干擾性，不受任何強電磁的影響，安

36、全性也好。價格價格比較昂貴。在有線介質(zhì)中，光纖的價格最高,74,2.3.5 －無線介質(zhì),常用的介質(zhì)有無線電波、微波、紅外線、激光。 WLAN無線局域網(wǎng)就是利用微波來傳輸信號。缺點：易受天氣等因素影響，信號幅度變化較大優(yōu)點：技術成熟、應用廣泛、發(fā)射功率要求小適用：長、中、短波，電視,2.3.5 －衛(wèi)星通信,特點：通信距離遠、覆蓋面積大、不受地理條件限制、費用與距離無關、信道帶寬寬、可多址通信和移動通信衛(wèi)星、地球站轉(zhuǎn)發(fā)

37、器使用不同頻率接受、放大和 發(fā)送信號上行鏈路 Uplink下行鏈路 Downlink,2004年11月網(wǎng)絡工程師試題,以太網(wǎng)100Base-TX標準規(guī)定的傳輸介質(zhì)是(61) 。 A. 3類UTP B. 5類UTP C. 單模光纖D.多模光纖將雙絞線制作成交叉線(一端ELA/TIA568A,另一端ELA/TIA568B)，該雙絞線連接的兩個設備可為(64) 。 A.網(wǎng)卡與網(wǎng)卡 B. 網(wǎng)卡與交

38、換機C.網(wǎng)卡與集線器D.交換機的以太口與下一級交換機的Uplink口,2006年網(wǎng)絡工程師考試試題,下列關于1000BaseT 的敘述中錯誤的是___(28)___。A. 可以使用超5 類UTP 作為網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)B. 最長有效距離可以達到100 米C. 支持8B/10B 編碼方案D. 不同廠商的超5 類系統(tǒng)之間可以互用,2006年網(wǎng)絡工程師上午考試試題,與多模光纖相比較，單模光纖具有__(29)__等特點。A. 較高的傳輸

39、率、較長的傳輸距離、較高的成本B. 較低的傳輸率、較短的傳輸距離、較高的成本C. 較高的傳輸率、較短的傳輸距離、較低的成本D. 較低的傳輸率、較長的傳輸距離、較低的成本,2007年網(wǎng)絡工程師上午考試試題,關于多模光纖，下面的描述中錯誤的是 （11） A 多模光纖的芯線由透明的玻璃或塑料制成B 多模光纖包層的折射率比芯線的折射率低C 光波在芯線中以多種反射路徑傳播D 多模光纖的數(shù)據(jù)速率比單模光纖的數(shù)據(jù)速率高,數(shù)字數(shù)據(jù)編碼:,

40、碼元(Code Cell)：時間軸上的一個信號編碼單元編碼(Coding): 用某種波形信號表示一個碼元,,(1)單極性編碼,在這種編碼方案中,只用單一極性的電壓表示數(shù)據(jù)(正或者負).例如:用+3V表示二進制數(shù)字0,而用0伏表示數(shù)字1.存在問題：當存在連續(xù)的0和1時，編碼成一條直線，碼間很難區(qū)分，需要額外的同步時鐘信號，抗噪聲特性也不好,(2)極性碼,在這種編碼方案中, 分別用正和負電壓表示二進制數(shù)的“0”和“1”例如:用+

41、3V表示二進制數(shù)字0,而用-3伏表示數(shù)字1.該編碼電平差比單極性碼大，抗干擾能力有所提高，但仍然需要額外的時鐘信號。,0,,1,0,1,1,0,0,1,(3)雙極性碼,在雙極性編碼方案中，信號在三個電平（正、負、零）之間變化。一種典型的雙極性碼就是信號交替反轉(zhuǎn)碼(Alternate Mark Inversion,AMI)在AMI信號中，遇到“1”時電平正負交替翻轉(zhuǎn)，而遇到“0”時，則保持零電平,2005年下半年網(wǎng)工考試試題,雙極型

42、AMI編碼經(jīng)過一個噪聲信道，接收的波形如圖所示，那么出錯的是第__(15)__位。,(4)歸零碼(Return to Zero,RZ),RZ碼中，碼元中間的信號回歸到零電平，因此任意兩個碼元之間被零電平隔開。碼元內(nèi)部有電平轉(zhuǎn)換，因此抗干擾能力強,,,,,,,,,,0,1,0,1,1,0,0,1,(5)不歸零碼(Not Return to Zero,NRZ),NRZ 碼可以規(guī)定用低電平表示邏輯“0”，用高電平表示邏輯“1”，這一電平信號

43、占滿整個碼元寬度，中間不歸零；NRZ可分為單極性NRZ和雙極性NRZ例如：可以用+1V表示“1”，0V表示“0”(單極性NRZ)也可用+1V表示“1”，-1V表示“0”(雙極性NRZ),,a)單極性不歸零碼與脈沖,b)雙極性不歸零碼與脈沖,不歸零反轉(zhuǎn)編碼NRZI,不歸零反轉(zhuǎn)編碼NRZI是對不歸零編碼的改進。即通過每位中間有無電平的跳變來表示二進制值。有跳變，則編碼為二進制“1”；無跳變，則編碼為二進制“0”。,(6)差分碼,當遇

44、到“1”時，電平翻轉(zhuǎn)，當遇到“0”時，電平不翻轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)“1”和“0”的區(qū)分不在于電平的高低，而在于電平是否轉(zhuǎn)換，這種代碼叫差分碼。,,,,,,,,,,,,,,,+E,0,-E,0,1,0,0,1,0,1,1,1,,,,,,,,,,,,(6)曼徹斯特編碼,將每個碼元再分成兩個相等的間隔，碼元0是由低至高電平轉(zhuǎn)換，即其前半個碼元的電平為低電平，后半個碼元的電平為高電平，碼元0剛好相反。用在以太網(wǎng)中。 1 1

45、 0 1 0 1 0 0,表示1,表示0,（7）差分曼徹斯特編碼,這種編碼在表示碼元1時，其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反，即用每位開始時有無電平的跳變來表示0的編碼。用在令牌環(huán)網(wǎng)中,1,課堂練習,已知比特流為101100,請畫出下面三種編碼圖：(1)不歸零編碼(2)曼徹斯

46、特編碼(3)差分曼徹斯特編碼,,常用數(shù)字信號編碼示例,網(wǎng)工2005年上半年考試試題,下圖中畫出曼徹斯特編碼合差分曼徹斯特編碼的波形圖，實際傳送的比特串為_____(28)____。,答案：,1 0 0 1 0 1 1 0 0,(8) 4B/5B編碼,4B/5B編碼方式在避免高、低信號持續(xù)的前提下，解決了曼徹斯特編碼的低效問題。4B/5B編碼的思想是在位流中插入額外的位，來分割一連串的“0”或“1”。確切地說，是首先將發(fā)送的數(shù)據(jù)流以

47、每4位一組，按表2-1所示的4B/5B編碼表，變?yōu)閷?位代碼。然后，得到的5位代碼使用不歸零反轉(zhuǎn)編碼NRZI進行編碼傳輸。,4B/5B編碼表,(8) 4B/5B編碼,5bit碼共有32種組合，但只采用其中的24種，16種對應4bit碼的16種，8種用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束、光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。在光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI，F(xiàn)iber Distributed Data Interface）中采用了獨特的4

48、B/5B編碼?，F(xiàn)用不歸零編碼畫出4bit碼和5bit碼的對應波形，5bit碼經(jīng)差分編碼后，轉(zhuǎn)換成光信號，如圖2-4所示。,兩種不同形式的4B/5B編碼對照表,,圖2-4 4B/5B編碼方式,2.5 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼,基本應用為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信，必須將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號，經(jīng)傳輸后再在接收端將音頻信號逆變換成對應的數(shù)字信號。,－交流信號三要素,載波信號f(

49、t)=Asin(ωt+φ)三要素其中幅度A、頻率ω和相位φ的變化均影響信號波形即載波的三大要素：幅度、頻率和相位模擬數(shù)據(jù)編碼基本思想用“0”“1”改變載波三要素（調(diào)制），經(jīng)信道傳輸后再還原（解調(diào)）。,通過改變這三個參數(shù)可實現(xiàn)對模擬信號的編碼。相應的調(diào)制方式分別稱為幅度調(diào)制ASK、頻率調(diào)制FSK和相位調(diào)制PSK。,數(shù)字調(diào)制的三種基本形式,①幅度調(diào)制幅度調(diào)制簡稱調(diào)幅，也稱為幅移鍵控（ASK amplitude-shift keyi

50、ng）調(diào)制原理：用兩個不同振幅的載波分別表示二進制值"0"和"1"。,圖2-3-5  幅度調(diào)制,,調(diào)幅（AM）調(diào)幅即載波的振幅隨著數(shù)字信號的變化而變化。例如二進制“1”用有載波輸出表示，即載波振幅為原始振幅；二進制“0”用無載波輸出來表示，即載波振幅為零。,②頻率調(diào)制頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻，也稱為頻移鍵控（FSK frequency-shift keying）調(diào)制原理：用兩個不同頻率

51、的載波分別表示二進制值"0"和"1"。,圖2-3-6  頻移鍵控,③相位調(diào)制絕對相移鍵控 絕對相移鍵控用兩個固定的不同相位表示數(shù)字“0”和“1”（見圖2-3-7），用公式可表示為：,圖2-3-7  絕對相移鍵控,相對相移鍵控法 相對相移鍵控用載波在兩位數(shù)字信號的交接處產(chǎn)生的相位偏移來表示載波所表示的數(shù)字信號。最簡單的相對調(diào)相方法是：與前一個信號同相表示數(shù)字“0”，相位偏移

52、180度表示“1”，如圖2-3-8所示。這種方法具有較好的抗干擾性。,圖2-3-8  相對相移鍵控,2.6 －模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼,數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼最常用的方法是脈沖編碼調(diào)制（PCM ，pulse code modulation）。 PCM技術的典型應用是語音數(shù)字化過程采樣量化編碼,－理論基礎（采樣定理）,若對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，只要采樣頻率大于等于有效信號最高頻率或其帶寬的兩倍，則

53、采樣值便可包含原始信號的全部信息，利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構造出原始信號。即采樣頻率：其中： T 為采樣周期 fmax為模擬信號的最高頻率分量,,－采樣,根據(jù)采樣頻率，隔一定的時間間隔采集模擬信號的值，得到一系列模擬值 。,－量化,將采樣得到的模擬值按一定的量化級（本例采用16級）進行"取整"，得到一系列離散值。,量化精度問題:量化： 取樣值（-?,+?）?有限個數(shù)（量化

54、值近似）若量化值有J個，若用二進制表示，需要R=log2(J) 位量化誤差：用有限的離散值表示無限多的連續(xù)值，必然存在誤差. 該誤差又稱為量化噪聲（與一般的噪聲不同）。,－編碼,將量化后的離散值數(shù)字化，得到一系列二進制值；然后將二進制值進行編碼，得到數(shù)字信號。,－模擬信號的PCM編碼,完整的PCM系統(tǒng),PCM編碼的數(shù)據(jù)率計算：數(shù)據(jù)率（bit/s）＝ 采樣頻率（Hz）×量化位數(shù) （bit）數(shù)據(jù)量（Byte）＝

55、 數(shù)據(jù)率（bit/s）×持續(xù)時間（s） / 8例：采樣率11.025KHz、量化位8位，采集1分鐘， 則：數(shù)據(jù)率＝11.025（KHz）×8（bit） ＝ 88.2 (Kbit/s) 數(shù)據(jù)量＝11.025（KHz）×8（bit） ×60（s）/8＝ 0.66 (MByte),各類聲音信號編碼參數(shù),PC

56、M編碼計算實例,兩人通過網(wǎng)絡進行語音聊天,要想兩人的講話聽起來比較流暢和清晰,則網(wǎng)絡的通信速率最低必須達到多少?分析:(1)人類日常講話的語音頻率范圍一般在300-3400Hz之間, 即最高語音頻率是3400Hz,所以取樣速率為2*3400Hz=6800Hz(2) 對話音樣本一般采用128個量化等級,因而每個樣本用7位二進制數(shù)字表示(3)數(shù)據(jù)傳輸率=采樣頻率（Hz）×量化位數(shù) （bit）=6800*7=47600bps

57、=47.6kbps,課堂練習:,若采用CD音質(zhì) (采樣頻率44.1kHz 樣本精度16位,立體聲)進行錄音,在不對數(shù)據(jù)進行任何壓縮的情況下,請問一張650M的光盤最多可以存儲多長時間的音樂.,計算如下:,1秒的數(shù)據(jù)量(單位為字節(jié)):1秒數(shù)據(jù)量=采樣頻率*精度位數(shù)*聲道數(shù)/8 =44100*16*2/8= 176400byte650M的光盤最多可以存儲:存儲時間=容量/1秒數(shù)據(jù)量=650*1024

58、*1024/176400≈3863.8秒=64.4分鐘,2.7 通信方式和交換方式,2.7.1 數(shù)據(jù)通信方式1. 單工通信單工通信指數(shù)據(jù)只能沿著一個固定的方向傳輸。信道的全部帶寬用于從發(fā)送方向接受方的數(shù)據(jù)傳送典型的例子是無線電廣播和電視廣播.,,單工通信,,2.半雙工通信 半雙工通信指數(shù)據(jù)可沿著兩個方向傳輸，但同時只能沿一個方向傳輸。如:對講機,半雙工通信,,3.全雙工通信 全雙工通信指數(shù)據(jù)可同時沿兩個

59、方向進行傳輸。如計算機網(wǎng)絡,電話網(wǎng)絡,,發(fā)送機,接收機,,接收機,發(fā)送機,,,,,全雙工通信,,2.7.2 數(shù)據(jù)傳輸方式1.并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時進行傳輸。常用的就是將組成一個字符的幾位二進制碼，分別在幾條并行信道上同時進行傳輸。例如，若字符采用8位二進制數(shù)進行編碼，則可用8條信道同時傳輸這8位碼。,,并行傳輸,,串行傳輸指的是數(shù)據(jù)流以串行方式，在一條信道上傳輸。例如，組成一個字符的

60、8位二進制碼，由高位到低位順序排列，再接下一個字符的8位二進制碼，這樣串接起來形成串行數(shù)據(jù)傳輸。,,串行傳輸,2. 數(shù)據(jù)通信中的同步方式,同步，就是要求通信的收發(fā)雙方在時間基準上保持一致。 兩種同步方式異步傳輸同步傳輸,－異步傳輸,在異步傳輸中 比特被劃分成小組（通常是字符）獨立進行傳輸異步傳輸中比特小組一般以字符為單位，具體組成如下： 起始位 、 數(shù)據(jù)位 、校驗位 、停止位,,－異步傳輸,無數(shù)據(jù)傳輸時，停止位（邏輯“0”

61、）有數(shù)據(jù)傳輸時，檢測起始位（邏輯“1”）按收、發(fā)雙方約定的時鐘頻率對約定的字符比特數(shù)（5～8bit）進行接收差錯控制，完成一個字符的傳輸。 特點：數(shù)據(jù)傳輸額外開銷大，主要用于低速設備，例如鍵盤、某些打印機等。,－同步傳輸,在同步傳輸方式下，比特被劃分成大組（通常是數(shù)據(jù)幀）獨立進行傳輸。同步傳輸比特組成 同步字符地址字段控制字段數(shù)據(jù)字段 檢驗字段幀結(jié)束字段,,－同步傳輸原理,在無數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送空閑信息有數(shù)據(jù)傳輸

62、時，檢測同步字符（SYN）按收、發(fā)雙方約定的時鐘頻率對約定的數(shù)據(jù)進行接收差錯控制，完成一個數(shù)據(jù)幀的傳輸。同步傳輸?shù)奶攸c是：數(shù)據(jù)傳輸額外開銷小，但實現(xiàn)復雜，常用于高速數(shù)據(jù)傳輸 。,,,2.7.3－數(shù)據(jù)交換技術,數(shù)據(jù)在各節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸過程稱為數(shù)據(jù)交換。 網(wǎng)絡中常用的數(shù)據(jù)交換技術可分為兩大類：電路交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換技術又可分為報文交換和分組交換。,1. 電路交換方式,Circuit Exchanging兩臺計算機通

63、過通信子網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換之前，必須在通信子網(wǎng)中建立一個實際物理線路連接。過程：線路建立、數(shù)據(jù)傳輸、線路釋放,－電路交換原理,,,,,,,,－線路交換特點,是物理連接，專用，實時。不適應突發(fā)性通信，效率低。無存儲功能（透明）。無傳輸糾錯能力。,2. 報文交換方式,所謂報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。 存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式 Store and Forward Exchanging將發(fā)送數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息

64、按照一定格式組成數(shù)據(jù)單元（報文或報文分組），由通信控制處理器完成數(shù)據(jù)接收、差錯校驗、存儲、路選和轉(zhuǎn)發(fā)。,－存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理,,,,,,,,,,,,－存儲轉(zhuǎn)發(fā)特點,共享信道，線路利用率高動態(tài)選擇，平滑交通量，系統(tǒng)效率高差錯檢驗和糾錯功能延遲時間長且不定，不適合對實時性要求強的傳輸 通信不可靠、失序。,－存儲轉(zhuǎn)發(fā)分類,按交換內(nèi)容分：報文交換 Message Exchanging報文分組交換 Packet Exchanging 按

65、傳輸技術分：數(shù)據(jù)報方式 DG Datagram虛電路方式 VC Virtual Circuit,－分組交換,數(shù)據(jù)交換新要求：能適應從很低到很高范圍內(nèi)的不同速率的交換，以滿足不同用戶的需；有盡量快的接續(xù)速度要適應用戶實時通信的要求，網(wǎng)絡延時要小有高的傳輸準確性適應多樣化數(shù)據(jù)業(yè)務,－分組交換原理,分組交換方式是吸取報文交換方式的優(yōu)點，仍然采用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”的方式把報文“裁成”若干比較短的、規(guī)格化的“分組”（或稱包Pack

66、et）進行交換和傳輸發(fā)送站將一個長報文分成多個報文分組，接收站再將多個報文分組按順序重新組織成一個長報文分組交換技術在實際應用中，可以分成數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式,－報文與報文分組結(jié)構,,－數(shù)據(jù)報方式,數(shù)據(jù)報是報文分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式。分組傳輸過程中，源主機與目的主機不需事先建立“線路連接”。每個分組獨立選擇路徑，從源主機達到目的主機。,－數(shù)據(jù)報方式工作原理,,－數(shù)據(jù)報方式特點,不同分組通信路徑不同分組傳輸可能亂序、重復、丟失數(shù)

67、據(jù)必須帶源、目的地址、分組編號傳輸延遲大適用突發(fā)通信，不適用會話、長報文,－虛電路方式,虛電路方式是將線路交換與數(shù)據(jù)報方式結(jié)合起來，發(fā)揮兩者的優(yōu)點。分組發(fā)送之前，需建立一條邏輯連接的虛電路。過程：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸、虛電路拆除,－虛電路方式工作原理,,－虛電路方式特點,分組發(fā)送前，需建立邏輯連接分組沿虛電路順序傳輸，不會亂序、重復、丟失結(jié)點只做差錯檢測，不選路徑每個結(jié)點可與任何結(jié)點建立多條虛電路（電路不是專用的）連接,2.

68、8 －基帶傳輸與頻帶傳輸,數(shù)字信號頻譜在數(shù)據(jù)通信中，由計算機或終端等數(shù)字設備直接發(fā)出的信號是二進制數(shù)字信號，是典型的矩形電脈沖信號，其頻譜包括直流、低頻和高頻等多種成份。在數(shù)字信號頻譜中，把直流（零頻）開始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡稱為基帶。,－基帶傳輸,數(shù)字信號被稱為數(shù)字基帶信號，在信道中直接傳輸這種基帶信號就稱為基帶傳輸。在基帶傳輸中，整個信道只傳輸一路信號，通信信道利用率低。由于在近距離范圍內(nèi)，基帶信號的功率