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1、11/25/202211/25/2022计算机网络-第二章11/25/202211/25/2022数据通信的基本过程数据通信的基本过程5个阶段个阶段包含两项内容：包含两项内容：数据传输数据传输和和通信控制通信控制 过程过程 与打电话比较与打电话比较建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份数据传输数据传输 互相通话互相通话断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。211/25/202211/25/20222.2基本概念基本
2、概念数据与信号数据与信号信道信道通信方式通信方式传输方式传输方式同步方式同步方式311/25/202211/25/20222.2.1数据与信号数据与信号数据（数据（Data）传递（携带）信息的实体。传递（携带）信息的实体。信息（信息（Information）数据的内容或解释。数据的内容或解释。信号（信号（Signal）数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播介质中传播411/25/202211/25/2022模拟信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号数字信号时间上离散，仅包含有限
3、数目的信号值。最常时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号见的是二值信号ta）模拟信号tb）数字信号511/25/202211/25/2022周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。号）。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt611/25/202211/25/2022信息编码信息编码：将信息用二进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法例如：例如：ASCII编码、编码、BCD编码等编码等数据编码
4、数据编码：将数据用物理量表示的方法：将数据用物理量表示的方法例如：字符例如：字符“A”的的ASCII编码为编码为01000001，其，其数据编码可能为数据编码可能为01000001t711/25/202211/25/2022信息通过数据通信系统进行传输的过程信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通过信道传送到目的地形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输编码编码：数据：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错调制调制：数字信号：数字信号
5、适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解调解调：接收波形：接收波形数字信号数字信号解码解码：数字信号：数字信号原始数据原始数据信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001“A”01000001“A”信道信道信息编码信息编码信息解码信息解码811/25/202211/25/2022不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输有有4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字信号 信道信道：模拟
6、信道：模拟信道 数字信道数字信道911/25/202211/25/2022模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术语音语音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制1011/25/202211/25/2022编码与调制的区别编码与调制的区别编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载数字或模拟数据调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用
7、模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字信号数字信号x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据编码与解码编码与解码数字信道数字信道数字信道数字信道发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码1111/25/202211/25/2022调制与解调调制与解调数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道模拟信道模拟信道模拟信道发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制1211/25/202211/25/20222
8、.2.2 信道信道信道（信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）：传送信息的线路（或通路）数字信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道输数据的信道计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网、局域网模拟信道模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的：以连续模拟信号形式传输数据的信道信道CATV、无线电广播、电话拨号线路、无线电广播、电话拨号线路1311/25/202211/25/2022数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信数字通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信
9、息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理易于加密、保密性强易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。通信，如通过电话线拨号上网。1411/25/202211/25/2022
10、2.2.3 通信方式通信方式单工单工数据单向传输数据单向传输（例：无线电广播）（例：无线电广播）半双工半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输传输（例：对讲机）（例：对讲机）全双工全双工数据可以双向同时传输数据可以双向同时传输（例：电话）（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。不同方向的信号传输。1511/25/202211/25/2022发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发
11、送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式：单工方式：半双工方式：半双工方式：全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时不可同时1611/25/202211/25/2022基带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）例如：以太网（局域网）频带传输频带传输：数字信号调制成音频模拟信号：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据例如：通过电话网络传输数据宽带传输宽带传输：把信号调制成频带为几十：把信号调
12、制成频带为几十MHZ到到几百几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要的模拟信号后再传送，接收方需要解调。解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输2.2.4 传输方式传输方式1711/25/202211/25/2022同步的因素：同步的因素：同步脉冲频率同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束数据从什么时候开始，什么时候结束位边界位边界数据块边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位位同步位同步字符字符字符同步字符同步帧帧(Frame)帧同步帧同步2.2.5 同步方式同步方式1811/25/202211/25/2022同步脉冲：用
13、于码元的同步定时，识别码元从何时开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元码元1 1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲t1911/25/202211/25/2022目的：目的：使接收端与发送端在时间基准上一致使接收端与发送端在时间基准上一致外同步外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步自同
14、步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。己的时钟脉冲频率。位同步位同步2011/25/202211/25/2022目的：目的：找到正确的字符边界找到正确的字符边界常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：传输需要：1个起始位、个起始位、58个数据位、个数据位、1、1.5或或2个停止位个停止位采用这种同步方式的通信也称采用这种同步方式的通信也称“异
15、步通信异步通信”起止式的优缺点：起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步每两个字符之间的间隔时间不固定每两个字符之间的间隔时间不固定增加了辅助位，所以传输效率低增加了辅助位，所以传输效率低例如，采用例如，采用1个起始位、个起始位、8个数据位、个数据位、2个停止位时，其传输效率为个停止位时，其传输效率为8/1173起始位起始位数据位数据位停止位停止位字符间隔不固定字符间隔不固定1个字符时间个字符时间逻辑逻辑“0”逻辑逻辑“1”字符同步字符同步2111/25/202211/25/2022目的目的：识别一个帧的起始和结束：识
16、别一个帧的起始和结束帧（帧（Frame）：数据链路中的传输单位：数据链路中的传输单位包含包含数据和控制信息的数据块数据和控制信息的数据块面向字符的面向字符的以同步字符（以同步字符（SYN，16H）来标识一个）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH，即，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和0 n bit8bit8bit832m7EH7EH帧同步帧同步2211/25/202211
17、/25/20222.3 传输介质传输介质l磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延时（小时）高延时（小时）在通信中很少使用在通信中很少使用 例：例：7GB/8mm磁带，磁带，1000盘盘/505050cm3，24h可送到任何地方。可送到任何地方。总容量总容量=710008Gb，总时间，总时间=246060s=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若让刘翔来传送若让刘翔来传送1盘盘10GB的磁带，在的磁带，在110m（12.91s）内其传输速率是多少？）内其传输速率是多少？l金属导体金属导体双绞线、双绞线、同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤
18、l无线介质无线介质无线电、微波、卫星、红外线无线电、微波、卫星、红外线2311/25/202211/25/2022同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable，CC）计算机网络中使用基带同轴电缆计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）应用：总线局域网（以太网）性能：性能：10Mb/s，500m/185m铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套2411/25/202211/25/2022双绞线双绞线（Twist Pair，TP）螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线每根每根4对、对、25对、对、1800对对典型连接距离典型连接距离100m（L
19、AN）RJ45插座、插头插座、插头优缺点：优缺点：成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）平衡传输（高速率）抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套2511/25/202211/25/2022屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：常用的双绞线：3类（类（16Mb/s）和和5类（类（
20、155Mb/s）两种）两种2611/25/202211/25/2022双绞线的连接标准色彩标记和连接方法：交叉线：交换机交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)直连线：PC/路由器交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线交叉线EIA-568B直连线直连线EIA-568A2711/25/202211/25/2022光纤光纤（Optical Fiber，OF）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：优缺点：传输带宽高：传输带
21、宽高：仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低、保密性好抗干扰性能极好、误码率低、保密性好轻便轻便价格较高价格较高需要光电转换需要光电转换纤芯材料：纤芯材料：塑料塑料二氧化硅二氧化硅 （高纯玻璃）（高纯玻璃）2811/25/202211/25/2022光纤传输原理光纤传输原理光的反射光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角入射角临界值时产生全反射，不会泄漏
22、。临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯纤芯折射率高，玻璃包层折射率高，玻璃包层折射率低折射率低亮度调制：有光脉冲亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光传输系统：光源、介质、光检测光源：光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管，发光二极管/激光激光二极管二极管光检测器：光电二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接2911/25/202211/25/2022多模光纤多模光纤(MMF)单模光纤单模
23、光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播3011/25/202211/25/2022典型的光缆单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格：纤芯常见规格：纤芯50um缓变型缓变型-MMF 62.5um缓变型缓变型/增强型增强型-MMF 8.3um突变型突变型-SMF 包层包层125um3111/25/202211/25
24、/2022高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套外套加强芯加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束3211/25/202211/25/2022无线介质无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）信号在大气或外层空间自由传播）使用电磁波或光波携带信息使用电磁波或光波携带信息优缺点：优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型主要类型：无线电、地面微波通信卫星红外线3311/25/202211/25/2022微波通信微波通信通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送接力站之间距离：接力站之间距离：50 100 km速率：每信道速率：
25、每信道 45 Mb/s地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔3411/25/202211/25/2022地球同步卫星地球同步卫星与地面站相对固定位置使用三颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784km地球地球3511/25/202211/25/2022激光传输将激光束调制成光脉冲传输数据 特点：激光的频率更高，可获得更高的带宽激光束的方向性好，不受电磁干扰的影响，不怕偷听 受天气影响只能在短距离通信中使用 3611/25/202211/25/2022红无线通信红无线通信红外传输系统利用墙壁
26、或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统 特点：红外通信的设备相对便宜，可获得较高的带宽传输距离有限，而且易受室内空气状态（例如有烟雾等）的影响 3711/25/202211/25/2022短波通信短波通信基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端3811/25/202211/25/2022常用传输介质的比较常用传输介质的比较传输介质传输介质传输方式传输方式速率速率/工作频带工作频带传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用双绞线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s模拟模拟
27、:10km数字数字:500m较好较好低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆基带基带10Mb/s3km较好较好较低较低基带数字信基带数字信号号75同轴电缆同轴电缆宽带宽带450MHz100km较好较好较低较低模拟电视、模拟电视、数据及音频数据及音频光纤光纤基带基带40Gb/s20km以上以上很好很好较高较高远距离高速远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带46GHz几百几百km好好中等中等远程通信远程通信卫星卫星宽带宽带110GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信3911/25/202211/25/20222.4数据编码数据编码数字数据的数字信号编码数字数据的数字
28、信号编码使数字数据能在数字信道上传输使数字数据能在数字信道上传输数字数据的调制编码数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输4011/25/202211/25/20221.数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码不归零码（不归零码（Non-Return to Zero，NRZ）二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示；分别用两种电平来表示；常用常用5V表示表示1，5V表示表示0；缺点：缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；存在直流分量，传输中不能有变压器
29、或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间发生跳变每个码元的中间发生跳变高高低的跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种步信号。这种编码也称为自同步码（编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的缺点：需
30、要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。倍）。差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC）每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变。仍要发生跳变。用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1，有跳变代表，有跳变代表0，无跳变代表，无跳变代表1。4111/25/202211/25/2022三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester差分差分差分差分ManchesterManches
31、ter4211/25/202211/25/20222.数字数据的调制数字数据的调制三种常用的调制技术三种常用的调制技术：幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）频移键控FSK（Frequency Shift Keying）相移键控PSK（Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号载波信号 S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：的参量包括：幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 调制就是要使调制就是要使A、或或 随数字基带信号的变化而变化随数字基带信号的变化而变化4311/25/2
32、02211/25/2022ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0和和1FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0和和10 00 01 11 10 01 10 00 00 01 10 0ASKASKFSKFSKPSKPSK4411/25/202211/25/20223.模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码采样定理：采样定理：如果模拟信号的最高频率为如果模拟信号的最高频率为F，若以，若以2F的采样频率对的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢其采样，则从采样得到的
33、离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数要转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。号。PCM编码：编码：采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码编码：对每个舍入后的样本进行编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号（信号（Pulse Coded Modulation，脉码调制）。，脉码调制）。4511/25/20
34、2211/25/2022语音信号的数字化语音信号的数字化语音带宽语音带宽f2倍语音最大频率）倍语音最大频率）样本量化级数：样本量化级数：256级（级（8b/每样本）每样本）数据率：数据率：8000次次/s8b=64kb/s每路每路PCM信号的速率信号的速率=64kb/s模拟模拟模拟模拟语音信号语音信号语音信号语音信号采样时钟采样时钟采样时钟采样时钟PCM PCM 信号信号信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码 数字化数字化数字化数字化语音信号语音信号语音信号语音信号f f4kHz4kHzf fs s=8kHz=8kHz4611/25/202211/25/2022PCM编码过程举例 语音信
35、号语音信号语音信号语音信号011 100 011 011 001 100011 100 011 011 001 100 PCM PCM 输出输出输出输出3 34 43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 PCM PCM 信号信号信号信号 （有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.2 PAMPAM信号信号信号信号4711/25/202211/25/20222.5 多路复用技术多路复用技术多路复用多路复用：多个信息源共享一个公共信道：多个信息源共享一个公共信
36、道为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时平均传输需求时类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿4811/25/202211/25/2022复用的基本思想：复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据每个子信道传输一路数据。复用方法复用方法频分复用频分复用FDM（Frequency Division M
37、ultiplexing）按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统时分复用时分复用TDM（Time Division Multiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛波分复用波分复用WDM（Wave Division Multiplexing）按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输码分复用码分复用CDM（Code Division Multiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途按地址码划分不同的信道，非常有发展前途4911/25/202211/25/2022频分复用频分复用F
38、DM原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。道之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器5011/25/202211/25/2022时分复用时分复用TDM原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在
39、通信网络中应用极为广泛。传输。在通信网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t5111/25/202211/25/2022由于每路数据总是使用每个时间片的固定由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为时隙，所以这种时分复用也称为同步时分同步时分复用复用。一个时间片内传输的多路数据称为一个时间片内传输的多路数据称为帧帧。时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输把多个话路的把多个话路的PCM语音数据用语音数
40、据用TDM的方法装成的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）每帧在一个时间片内发送每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号5211/25/202211/25/2022统计（异步）统计（异步）TDMSTDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2
41、时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C25311/25/202211/25/2022时分复用时分复用数字载波复用标准数字载波复用标准T-标准标准（北美、日本）（北美、日本）E-标准标准（欧洲、（欧洲、中国中国、南美）、南美）E1（一次群）标准（一次群）标准每每125us为一个时间片，每时间片分为为一个时间片，每时间片分为32个通道（时隙）。每个通道（时隙）。每个时隙可容纳个时隙可容纳8b。通道通道0用于同步，通道用于同步，通道16用于信令，其他用于信令，其他30个通道用于传输个通道用于传输30个个PCM话音数据。话音数
42、据。E1速率速率=（32x8b）/125us=2.048 Mb/s对对E1进一步复用，还可构成进一步复用，还可构成E2到到E5等高次群。等高次群。E5可承载可承载7680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mb/s。新的新的TDM标准是同步光网络（标准是同步光网络（SONET）和）和ITU-T的同步数字系列（的同步数字系列（SDH）。常用的线路速率为）。常用的线路速率为（近似值）（近似值）155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s和和10Gb/s。5411/25/202211/25/2022E1-帧格式E1线路也可以用于计算机通信线路也可以用于计算机通信0121631时间片时间片时间
43、片时间片125 125 m m m ms=32 s=32 时隙，时隙，时隙，时隙，2.048 Mb/s2.048 Mb/s帧同步帧同步信令信令30 路数字语音数据（路数字语音数据（PCM数据）数据）+2 路控制路控制用户话路用户话路用户话路用户话路15175511/25/202211/25/2022波分复用波分复用光的频分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光
44、纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅5611/25/202211/25/2022码分复用码分复用CDM原理：原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码列进行编码（任意两个地址码序列相互正交）。（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被迭加，然后接收不同用户发送的信号在接收端被迭加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。由此恢复出原始数据。地址码序列必须两两相互地址码序列必须两两相互
45、正交正交：码序列码序列A、B，应满足，应满足 A B=0，A B=0，A A=1，A A=-1 其中其中 为内积运算。为内积运算。在无线移动通信中应用广泛。在无线移动通信中应用广泛。5711/25/202211/25/20222.6 数据交换技术数据交换技术什么是交换？什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源按某种方式动态地分配传输线路资源。例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其他用户。线路又可分配给其他用户。最初的交换：人工转接交换最初
46、的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有：电路交换电路交换、报文报文交换交换和和分组交换分组交换。5811/25/202211/25/2022电路交换电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为称为“面向连接的面向连接的”（典型例子：电话）（典型例子
47、：电话）过程：过程：建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接优缺点：优缺点：建立连接的时间长；建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为例如：建立连接的时间为0.5s，计算机以，计算机以1Mb/s的速率发送的速率发送10KB。线路利用率？。线路利用率？5911/25/202211/25/2022电
48、话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接6011/25/202211/25/2022报文交换报文交换以报文为单位进行以报文为单位进行“存储存储-转发转发”交换的技术。交换的技术。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为输技术称为存储存储-转发转发。传输之前不需要建立端到端的连接传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻节点传，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。输报文时
49、建立节点间的连接。称为称为“无连接的无连接的”（典型例子：电报）（典型例子：电报）整个报文（整个报文（Message）作为一个整体一起发送。）作为一个整体一起发送。优缺点：优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间；没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；线路利用率高；传输可靠性较高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。类比：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？类比：下载时若无断点续传功
50、能，一旦出错你会怎样做？6111/25/202211/25/2022分组交换（包交换）分组交换（包交换）将报文分割成若干个大小相等的分组（将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行）进行存储转发。存储转发。数据传输前不需要建立一条数据传输前不需要建立一条端到端端到端的通路的通路也是也是“无连接的无连接的”。有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。功能。优缺点：优缺点：对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度速度快；快；转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信