第 2 章 数 据 通 信 基 础 与 物 理 层 本 章 要 点 : 1. 数 据 通 信 的 概 念 2. 数 据 通 信 系 统 3. 数 据 调 制 与 编 码 4. 多 路 复 用 技 术 5. 数 据 交 换 方 式 6. 传 输 介 质 7. 差 错 控 制 1
第 2 章 数 据 通 信 基 础 与 物 理 层 2.1 数 据 通 信 的 概 念 2.1.1 基 本 概 念 与 术 语 1. 数 据 信 息 信 号 码 元 数 据 (Data): 原 始 事 实 的 集 合, 涉 及 事 物 的 形 式 分 模 拟 数 据 和 数 字 数 据 静 态 信 息 (Information): 按 特 定 方 式 组 织 在 一 起 的 事 实 的 集 合, 是 数 据 所 代 表 的 内 容 及 其 解 释, 包 括 实 体 属 性 数 值 三 部 分 更 高 层 的 抽 象 概 念 信 号 (Signal): 数 据 的 电 磁 编 码, 是 数 据 在 传 输 过 程 中 的 存 在 形 式 动 态 码 元 (Code): 在 使 用 时 间 域 ( 时 域 ) 的 波 形 表 示 数 字 信 号 时, 代 表 不 同 离 散 数 值 的 基 本 波 形 2
2. 数 字 信 号 模 拟 信 号 数 字 信 号 : 离 散 变 化 的 电 压 脉 冲 序 列 ( 通 常 在 有 线 介 质 上 传 输 ) 模 拟 信 号 : 在 各 种 介 质 上 传 输 的 连 续 变 化 的 电 磁 波 3. 信 道 能 传 送 信 号 的 一 条 通 路, 由 线 路 及 附 属 设 备 组 成 单 工 半 双 工 全 双 工 3
4. 传 输 速 率 码 元 传 输 速 率 : 单 位 时 间 内 所 传 输 的 码 元 个 数 ( 信 号 个 数 ), 单 位 是 波 特, 无 单 位 数 据 传 输 速 率 ( 数 据 率 信 息 速 率 等 ): 单 位 时 间 内 传 输 的 二 进 制 位 数, 单 位 是 位 / 秒 (bps) 5. 信 道 容 量 : 信 道 的 最 大 数 据 率 ( 极 限 参 数 ) 6. 带 宽 信 号 带 宽 : 信 号 所 占 据 的 频 率 范 围 如 声 音 : 300~3400Hz 信 道 带 宽 : 允 许 通 过 的 频 率 范 围 4
8. 抖 动 有 效 瞬 间 相 对 于 应 生 成 理 想 时 间 位 置 的 短 时 偏 离, 是 数 字 通 信 系 统 中 数 字 信 号 传 输 的 一 种 不 稳 定 现 象 5
9. 误 码 率 : 二 进 位 被 传 错 的 概 率 p=n e /N 10. 延 迟 ( 时 延 ) 从 发 送 第 一 位 起 到 最 后 一 位 被 收 到 为 止 的 时 间 长 度 包 括 发 送 延 迟 传 播 延 迟 排 队 延 迟 处 理 延 迟 发 送 延 迟 = 数 据 块 长 度 ( 比 特 ) 数 据 率 ( 比 特 / 秒 ) 6
延 迟 传 播 延 迟 = 信 道 长 度 ( 米 ) 信 号 在 信 道 上 的 传 播 速 率 ( 米 / 秒 ) 影 响 因 素 : 数 据 率 传 播 速 度 介 质 长 度 数 据 量 硬 件 处 理 速 度 等 11. 吞 吐 量 : 网 络 或 信 道 在 单 位 时 间 内 成 功 传 送 的 总 信 息 量 7
12. 时 域 信 号 是 时 间 的 函 数 连 续 或 离 散 特 例 : 周 期 信 号 s(t+t)=s(t),t 为 常 量 ( 周 期 ) 例 : 正 弦 波 s(t)=asin(2 π ft+φ) 13. 频 域 : 信 号 是 频 率 的 函 数 信 号 由 多 个 频 率 组 成 其 它 频 率 都 为 某 个 频 率 的 整 数 倍 时, 最 小 的 频 率 称 为 基 频 整 个 信 号 的 周 期 ( 频 率 ) 等 于 基 频 的 周 期 ( 频 率 ) 任 何 信 号 都 可 看 成 是 由 各 种 频 率 成 分 组 成 的, 每 个 频 率 成 分 都 是 正 弦 波 8 14. 频 谱 : 信 号 的 频 率 组 成 ( 分 布 )
正 弦 波 合 成 9
正 弦 波 合 成 10
15. 信 号 强 度 通 常 用 对 数 形 式 表 示, 分 贝 db 在 级 联 的 信 道 上, 增 益 或 损 耗 可 以 直 接 加 减 P1 N db =10log P2 P 1 P 2 为 功 率 值 例 如 :10mW 的 信 号 到 达 目 的 地 时 为 5mW, 损 耗 为 N db =10log(5/10)=-3dB 电 压 值 表 示 :N db =10log(V1 2 /V2 2 ) =20log(V1/V2) 绝 对 强 度 dbw 定 义 1W 为 参 考 值, 其 值 为 0dBW P(dBW)=10log(P) 11
绝 对 强 度 dbmv 定 义 1mV=0dBmV 为 参 考 值 V(dBmV)=20log(V(mV)) 12
2.1.2 传 输 指 标 ( 代 表 性 指 标 ) 带 宽 延 迟 数 据 率 误 码 率 13
2.1.3 数 字 传 输 模 拟 传 输 数 字 传 输 : 传 输 数 字 信 号 的 方 法, 与 数 字 信 号 所 代 表 的 数 据 形 式 无 关 模 拟 传 输 : 传 输 模 拟 信 号 的 方 法, 与 模 拟 信 号 所 代 表 的 数 据 形 式 无 关 数 字 数 据 ( 二 进 制 序 列 ) 编 码 为 数 字 信 号 数 字 传 输 数 字 数 据 ( 二 进 制 序 列 ) 调 制 为 模 拟 信 号 (MODEM) 模 拟 传 输 模 拟 数 据 ( 连 续 值 ) 编 码 为 数 字 信 号 (CODEC) 数 字 传 输 模 拟 数 据 ( 二 进 制 序 列 ) 调 制 为 模 拟 信 号 模 拟 传 输 14
增 大 传 输 距 离 的 方 法 数 字 传 输 : 中 继 方 式 ( 中 继 器 ) 模 拟 传 输 : 放 大 方 式 ( 放 大 器 ) 数 字 传 输 的 优 点 : 1 设 备 简 单 : 只 需 处 理 0 1, 优 化 信 道 设 计 2 传 输 质 量 高, 出 错 率 低 3 增 大 通 信 能 力 4 便 于 统 一 多 种 网 络 数 字 传 输 现 在 还 不 能 用 于 远 距 离 卫 星 通 信 15
2.1.4 基 带 传 输 与 频 带 传 输 1. 基 带 传 输 基 带 : 未 经 调 制 变 换 的 信 号 所 占 的 频 带 基 带 信 号 : 高 限 频 率 与 低 限 频 率 之 比 远 大 于 1 的 信 号 基 带 传 输 : 不 搬 移 基 带 信 号 频 谱 的 传 输 方 式 基 带 数 字 信 号 的 频 谱 从 0 开 始 为 了 经 济 地 利 用 频 带, 通 常 需 要 作 一 些 码 型 变 换 16
2. 频 带 传 输 改 变 原 始 信 号 的 频 带, 使 其 在 适 合 的 通 频 带 上 传 输 的 传 输 方 式 频 带 传 输 系 统 基 本 结 构 : 17
解 释 2 7 完 成 基 带 信 号 的 频 谱 搬 移 和 恢 复 对 调 相 和 调 频 系 统, 一 般 没 有 1, 将 其 合 并 到 3 中 18
2.15 传 输 损 害 (Transmission Impairments) 1. 衰 减 信 号 强 度 随 传 输 距 离 的 增 长 而 逐 渐 减 弱 结 论 1: 衰 减 量 是 距 离 的 函 数 有 线 介 质 : 通 常 可 用 对 数 表 示, 分 贝 / 单 位 长 度 无 线 介 质 : 非 常 复 杂 ( 距 离 大 气 环 境 ) 结 论 2: 衰 减 与 频 率 有 关 : 频 率 越 高, 衰 减 越 严 重 克 服 衰 减 影 响 的 措 施 : 1 加 大 信 号 功 率, 保 证 收 到 的 信 号 有 足 够 的 强 度 2 保 持 高 信 躁 比 3 高 频 补 偿 19
2. 延 迟 失 真 有 线 介 质 上 的 特 有 现 象 原 因 : 信 号 传 播 速 度 随 频 率 改 变, 中 心 频 率 传 播 速 度 快, 两 端 频 率 传 播 慢 对 高 速 数 字 信 号 影 响 更 大 20
3. 噪 声 无 用 的 信 号, 影 响 传 输 系 统 性 能 的 最 主 要 因 素 噪 声 种 类 : 热 噪 声 电 子 的 热 运 动 产 生 的, 所 有 电 子 设 备 和 传 输 介 质 上 都 存 在 均 匀 分 布 在 整 个 频 率 范 围 内 噪 声 值 为 温 度 的 函 数 :N=kTW 其 中 k 为 常 数 (1.3803*10-23 J/ o K) T 为 温 度 W 为 带 宽 21
调 制 噪 声 不 同 频 率 的 信 号 共 享 介 质 时 产 生 的 频 率 为 原 信 号 频 率 和 或 频 率 差 的 信 号 原 因 : 非 线 性 设 备 产 生 串 扰 : 多 路 信 号 ( 信 道 ) 耦 合 产 生 的 信 号 冲 激 ( 脉 冲 ) 噪 声 : 不 规 则 的 脉 冲 或 噪 声 尖 峰 ( 突 发 性 ) 危 害 : 难 以 预 测, 主 要 影 响 数 字 信 号 22
2.2 数 据 通 信 系 统 2.2.1 数 据 通 信 系 统 模 型 1. 定 义 凡 是 将 计 算 机 或 终 端 与 数 据 传 输 线 路 连 接 起 来, 达 到 数 据 传 输 收 集 分 配 存 储 处 理 目 的 的 系 统 数 据 通 信 系 统 2. 模 型 23
数 据 通 信 系 统 的 模 型 输 入 汉 字 PC 机 数 字 比 特 流 调 制 解 调 器 源 系 统 模 拟 信 号 数 据 通 信 系 统 公 用 电 话 网 传 输 系 统 模 拟 信 号 调 制 解 调 器 数 字 比 特 流 目 的 系 统 PC 机 显 示 汉 字 输 入 信 息 源 站 输 入 数 据 发 送 器 发 送 的 信 号 传 输 系 统 接 收 的 信 号 接 收 器 输 出 数 据 目 的 站 24 输 出 信 息
模 型 功 能 源 站 : 产 生 待 传 输 的 数 据 发 送 器 : 格 式 转 换 编 码 成 适 合 传 输 的 信 号 传 输 系 统 : 传 输 线 路 ( 可 能 是 一 条 线 路, 也 可 能 是 一 个 网 络 系 统 ) 接 收 器 : 接 收 信 号 并 转 换 为 目 的 设 备 可 识 别 的 数 据 格 式 目 的 站 : 接 收 数 据 并 对 其 进 行 所 需 要 的 处 理 25
2.2.2 数 据 传 输 速 率 1.Nyquist 准 则 在 带 宽 为 W(Hz) 的 无 噪 声 信 道 上 传 输 信 号, 假 定 每 个 信 号 取 V 个 离 散 电 平 值, 则 信 道 的 极 限 数 据 率 ( 比 特 率 ) 为 2W*log 2 V(bps) 另 一 种 情 况 : 无 噪 声 信 道 具 有 无 限 带 宽, 信 号 带 宽 为 W, 假 定 每 个 信 号 取 V 个 离 散 电 平 值, 则 传 输 该 信 号 的 极 限 数 据 率 为 2W*log 2 V(bps) 波 特 率 单 位 时 间 内 传 送 的 信 号 数, 值 为 2W (Nyquist 信 号 速 率 ) 二 者 关 系 :log 2 V 倍 26
2.Shannon 定 理 在 带 宽 为 W(Hz) 的 有 噪 声 信 道 上 传 输 信 号, 假 定 信 躁 比 为 S/N( 功 率 比 ), 则 信 道 的 极 限 数 据 率 为 W*log 2 (1+S/N)(bps) 另 一 种 情 况 : 信 道 具 有 无 限 带 宽, 信 号 带 宽 为 W, 则 传 输 该 信 号 的 极 限 数 据 率 为 W*log 2 (1+S/N)(bps) 27
数 据 率 例 子 带 宽 为 3KHz 的 信 道, 无 噪 声, 传 输 二 进 制 信 号, 极 限 数 据 率 为 6Kbps 信 躁 比 为 30dB, 即 10lg(S/N)=30,S/N=1000, 极 限 数 据 率 为 3K log 2 (1+1000) 30Kbps 原 因 :1 都 是 极 限 数 据 率, 不 能 达 到 2 无 噪 声 时 只 考 虑 二 进 制, 有 噪 声 时 考 虑 最 大 可 能 情 况 28
3. 数 据 率 带 宽 与 信 号 质 量 29
结 论 没 有 足 够 的 带 宽 就 不 可 能 保 证 所 需 要 的 信 号 质 量 如 果 数 字 信 号 的 数 据 率 要 求 为 W bps, 则 带 宽 为 2W Hz 时 可 以 完 全 满 足 信 号 质 量 要 求 (Nyquist 第 一 定 理 ) 30
2.2.3 同 步 控 制 方 式 目 的 : 使 发 收 双 方 确 切 知 道 每 位 的 起 始 时 刻 和 持 续 时 间 主 要 方 式 : 异 步 方 式 同 步 方 式 异 步 方 式 : 接 收 方 和 发 送 方 各 自 有 时 钟 发 生 器, 但 频 率 必 须 一 致 同 步 方 式 : 以 某 种 方 式 将 发 送 方 的 时 钟 信 号 也 发 送 到 接 收 方 31
2.2.3 同 步 控 制 方 式 1. 位 同 步 : 编 码 实 现 ( 如 曼 彻 斯 特 ) 2. 字 符 同 步 ( 异 步 方 式, 异 步 起 止 方 式 ) 方 法 : 每 次 传 送 一 个 字 符, 在 字 符 的 前 面 加 一 个 起 始 位, 在 字 符 的 后 面 加 1 个 或 不 加 校 验 位, 加 1 1.5 或 2 个 停 止 位, 每 个 字 符 用 5~8 位 表 示 过 程 : 不 发 数 据 时 发 送 停 止 位 ( 高 ), 发 数 据 时 首 先 发 起 始 位 ( 低 ), 再 发 数 据 接 收 方 判 断 起 始 位 ( 高 低 ) 后, 开 始 接 收 适 用 : 面 向 字 符 传 输 优 点 : 简 单, 实 现 成 本 低 缺 点 : 开 销 大, 效 率 低 32
异 步 方 式 问 题 : 存 在 时 间 漂 移 ( 计 时 不 准 ) 33
3. 帧 同 步 (1) 字 符 计 数 法 : 特 殊 的 开 始 字 符, 计 数 字 段 (2) 字 符 界 定 法 (3) 位 填 充 法 前 加 起 始 位 串, 后 加 结 束 位 串 ( 通 常 与 起 始 位 串 相 同 ) 统 称 为 同 步 位 串 34
同 步 位 串 常 用 :01111110 避 免 与 数 据 冲 突 的 方 法 : 位 填 充 技 术 发 送 方 在 发 数 据 时, 连 续 5 个 1 之 后 无 条 件 插 入 1 个 0 接 收 方 收 到 5 个 1 后 判 断 下 一 位?0 去 掉,1 结 束 35
2.3 数 据 调 制 与 编 码 数 据 元 素 比 特 / 位 信 号 元 素 脉 冲 / 波 形 结 论 : 数 据 率 增 加, 则 误 码 率 增 加 S/N 增 加, 则 误 码 率 减 小 带 宽 增 加, 则 数 据 率 增 加 一 数 字 数 据 编 码 为 数 字 信 号 1. 非 归 零 码 (NRZ) 编 码 规 则 : 用 一 种 电 平 表 示 1, 另 一 种 电 平 表 示 0, 在 一 位 的 周 期 内 维 持 电 平 不 变 缺 点 : 同 步 能 力 差 36
2. 非 归 零 1 码 (NRZI) 编 码 规 则 : 在 一 位 期 间 电 平 恒 定 不 变, 其 取 值 看 前 沿 有 无 跳 变 有 跳 变 表 示 1, 无 跳 变 表 示 0 3. 双 极 AMI 编 码 规 则 : 没 有 信 号 时 表 示 二 进 制 0, 交 替 的 正 负 脉 冲 表 示 二 进 制 1( 一 个 正 脉 冲 或 一 个 负 脉 冲 各 表 示 一 个 1) 37
4. 曼 彻 斯 特 编 码 编 码 规 则 : 每 位 中 间 必 有 跳 变, 既 作 为 信 号 取 值, 又 作 为 时 钟 信 号 规 定 : 从 低 高 跳 变 表 示 1, 从 高 低 跳 变 表 示 0 38
5. 微 分 曼 彻 斯 特 编 码 编 码 规 则 : 每 位 中 间 必 有 跳 变, 只 作 为 时 钟 信 号 每 位 前 沿 的 跳 变 作 为 信 号 的 取 值 规 定 : 前 沿 无 跳 变 表 示 1, 前 沿 有 跳 变 表 示 0 曼 彻 斯 特 / 微 分 曼 彻 斯 特 编 码 的 优 点 自 同 步 没 有 直 流 成 分 可 用 于 信 号 级 差 错 检 测 缺 点 : 效 率 较 低, 适 于 近 距 离 通 信 39
编 码 图 例 40
6.B8ZS( 北 美 采 用 的 远 程 通 信 编 码 体 制 ) 编 码 规 则 : 以 双 极 AMI 为 基 础 ; 对 连 续 的 8 个 0, 如 果 之 前 脉 冲 为 正, 则 8 个 0 的 编 码 为 000+ -0-+; 如 果 之 前 脉 冲 为 负, 则 8 个 0 的 编 码 为 000- +0+-( 使 用 违 例 编 码 ) 7.HDB3( 日 欧 采 用 的 远 程 通 信 编 码 ) 编 码 规 则 : 以 双 极 AMI 为 基 础 ; 用 1~2 个 违 例 脉 冲 代 替 连 续 的 4 个 0 自 上 次 替 换 后 1 的 数 目 为 正 在 处 理 脉 冲 的 极 性 奇 数 偶 数 - 000- +00+ + 000+ -00-41
B8ZS 与 HDB3 图 例 42
8. nb/mb 规 则 : 用 m 位 的 NRZI 编 码 表 示 n 位, 效 率 为 n/m 特 例 : 4B/5B: 用 32 种 编 码 中 的 16 种 分 别 表 示 0000~1111 ( 每 个 编 码 中 至 少 有 两 次 跳 变, 不 超 过 3 个 0) (100BaseX FDDI) 5B/6B(100VG-AnyLAN) 8B/10B( 光 纤,1G 以 太 网 ) 64B/66B( 万 兆 以 太 网 ) 43
2.3.2 数 字 数 据 调 制 为 模 拟 信 号 思 想 : 选 取 某 一 频 率 的 正 弦 信 号 作 为 载 波 用 以 运 载 所 要 传 送 的 数 字 数 据 用 待 传 送 的 数 字 数 据 改 变 载 波 的 幅 值 频 率 或 相 位, 到 达 目 的 地 后 进 行 分 离 调 制 把 数 字 数 据 加 到 载 波 上 去 的 过 程 解 调 从 载 波 上 取 出 数 字 数 据 的 过 程 1. 幅 移 键 控 (ASK) 用 待 传 数 据 改 变 载 波 的 幅 值 特 点 : 简 单, 抗 干 扰 性 能 差 44
ASK 例 基 带 信 号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 ASK 45
2. 频 移 键 控 (FSK) 用 待 传 数 据 改 变 载 波 的 频 率 特 点 : 抗 干 扰 性 能 较 好 常 用 方 法 设 载 波 频 率 为 fc, 调 制 后 频 率 为 f1,f2, 一 般 要 求 f2-fc=fc-f1 例 : 电 话 线 上 全 双 工 传 输 声 音 信 号, 频 率 分 别 为 1170±100Hz,2125±100Hz 46
FSK 例 基 带 信 号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 FSK 47
3. 相 位 键 控 用 待 传 数 据 改 变 载 波 的 相 位 绝 对 移 相 : 用 两 个 绝 对 相 位 分 别 表 示 0,1 例 如 :0 表 示 0,180 表 示 1 相 对 移 相 : 用 相 位 的 变 化 表 示 0,1 例 如 : 有 相 位 变 化 表 示 1, 无 相 位 变 化 表 示 0 正 交 移 相 键 控 (QPSK): 每 90 表 示 一 种 状 态 45 : 11 135 :10 225 :00 315 :01 结 果 : 一 个 信 号 表 示 2 位 48
PSK 基 带 信 号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 PSK 49
对 基 带 数 字 信 号 的 几 种 调 制 方 法 基 带 信 号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 ASK FSK PSK 50
4. 相 位 键 控 + 幅 值 键 控 相 位 键 控 与 幅 值 键 控 相 结 合, 一 个 信 号 表 示 多 个 二 进 位 (30 两 种 幅 值 ) 51
5.QAM( 正 交 幅 度 调 制 ) 音 频 MODEM 普 遍 采 用 的 方 式 原 理 : 发 送 数 据 在 比 特 / 符 号 编 码 器 内 被 分 成 两 路 ( 速 率 各 为 原 来 的 1/2), 分 别 与 一 对 正 交 调 制 分 量 相 乘, 求 和 后 输 出 通 常 有 二 进 制 QAM, 四 进 制 QAM(16QAM), 八 进 制 QAM (64QAM), 等, 对 应 的 空 间 信 号 矢 量 端 点 图 ( 也 称 为 星 座 图 ) 特 点 :QAM 编 码 具 有 能 充 分 利 用 带 宽 抗 噪 声 能 力 强 52
QAM 星 座 图 (16QAM) 53
6. 性 能 ( 调 制 信 号 的 带 宽 ) 1ASK PSK 传 输 带 宽 B T =(1+r)R/log 2 L 其 中 R 为 数 据 率,r 为 系 数 (0<r<1),L 为 离 散 电 平 数 量 2FSK 传 输 带 宽 B T =2 F+(1+r)R /log 2 L F=f2-fc=fc-f1 54
2.3.3 模 拟 数 据 编 码 为 数 字 信 号 1.PCM 1 采 样 结 论 : 采 样 频 率 高 于 信 号 最 大 主 频 率 的 两 倍, 则 样 本 包 含 原 始 信 号 的 所 有 信 息 ( 可 恢 复 原 始 信 号 ) 实 际 系 统 取 采 样 频 率 f=2f sample 2 量 化 : 最 大 级 数 为 N 量 化 为 整 数 时 存 在 量 化 噪 声 ( 误 差 ) 量 化 噪 声 为 S/N=6n-a (0<a<1, 取 1.8dB) 3 编 码 : 用 n=log 2 N 位 编 码 55
PCM 例 子 56
2. DM( 增 量 调 制,Delta 调 制 ) 只 用 一 位 表 示 增 量 ( 相 对 于 前 次 采 样 ):1 表 示 增 加,0 表 示 减 少 缺 点 : 不 准 确, 平 坦 的 信 号 有 误 差 3. DPCM( 差 分 PCM ) 用 多 位 表 示 与 前 次 采 样 的 差 值 57
2.3.4 模 拟 数 据 调 制 为 模 拟 信 号 原 因 : 有 效 传 输 充 分 利 用 带 宽 (FDM) 原 理 : 输 入 信 号 m(t) 与 频 率 为 fc 的 载 波 信 号 合 并 产 生 合 成 信 号 s(t), 其 带 宽 以 fc 为 中 心 1.AM S(t)=[1+n a m(t)]cos2πf c t n a =m(t) 的 幅 值 / 载 波 的 幅 值 2. 角 度 调 制 (FM PM) S(t)=A c cos[2πf c t+φ(t)] 58
FM PM 对 FM:φ (t)=n f m(t), n f 为 调 频 指 数 对 PM:φ(t)=n p m(t), n p 为 调 相 指 数 59
2.3.5 扩 频 通 信 适 用 : 无 线 通 信 ; 模 拟 传 输 ( 数 字 数 据 或 模 拟 数 据 ) 原 理 : 将 信 号 扩 散 到 较 宽 的 频 带 中, 加 大 干 扰 和 窃 听 的 难 度 方 法 : 1. 跳 频 : 随 机 地 选 用 频 率 发 送 和 接 收, 并 在 一 个 时 隙 后 改 变 所 用 频 率 2. 直 接 序 列 : 一 个 位 变 为 多 个 位 传 输 60
扩 频 例 子 ( 直 接 序 列 ) 61
2.4 多 路 复 用 技 术 2.4.1 时 分 多 路 复 用 (TDM) 1. 原 理 : 把 时 间 划 分 为 若 干 时 间 片, 各 路 信 号 轮 流 使 用 分 配 的 时 间 片, 在 规 定 的 时 间 片 内 使 用 全 部 带 宽 2. 适 用 : 数 字 传 输, 也 可 用 于 模 拟 传 输 3. 要 求 : 时 间 片 预 先 分 配, 即 使 无 数 据 发 送, 也 空 闲 4. 例 子 T1 载 波 ( 线 路 ):24 路 信 号, 每 个 时 间 片 8 位 (7 位 数 据,1 位 控 制 ),24 路 ( 共 192 位 ) 加 1 位 标 识 位 组 成 一 帧, 每 秒 8000 帧 数 据 率 为 193b 8000 帧 /s=1.544mbps 62
T2 由 4 个 T1 组 成,6.312Mbps T3: 由 6 个 T2 组 成,44.736Mbps T4: 由 7 个 T3 组 成,274.176Mbps E1:32 路, 每 路 8 位,30 路 数 据,2 路 控 制, 数 据 率 为 32 8 8000=2.048Mbps E2(128 路 ):8.848Mbps E3(512 路 ):34.304Mbps E4(2048 路 ):139.264Mbps E5(8192 路 ):565.148Mbps 63
时 分 复 用 频 率 A 在 TDM 帧 中 的 位 置 不 变 A B C D A B C D A B C D A B C D TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时 间 64
2.4.2 频 分 多 路 复 用 (FDM) 1. 原 理 : 将 不 同 的 信 号 调 制 为 不 同 的 频 率, 这 些 不 同 频 率 的 信 号 同 时 在 一 条 线 路 上 传 输 各 路 信 号 可 一 直 使 用 分 配 的 频 段 2. 适 用 : 模 拟 传 输 3. 要 求 : 各 频 段 不 交 叉 不 连 续 频 率 频 率 5 频 率 4 频 率 3 频 率 2 频 率 1 时 间 65
2.4.2 频 分 多 路 复 用 (FDM) 4. 例 子 : 电 话 系 统 12 路 4KHz/ 路 60~108KHz, 基 群 5 个 基 群 超 群 5 个 超 群 主 群 (CCITT,300 路 ) 10 个 超 群 主 群 (Bell,600 路 ) 66
2.4.2 频 分 多 路 复 用 (FDM) 特 殊 形 式 :OFDM 选 择 相 互 之 间 正 交 的 载 波 频 率 作 子 载 波 单 个 用 户 的 信 息 流 被 串 / 并 变 换 为 多 个 低 速 率 码 流, 每 个 码 流 都 用 一 个 子 载 波 发 送 不 用 带 通 滤 波 器 来 分 隔 子 载 波, 而 是 通 过 快 速 傅 立 叶 变 换 (FFT) 67
比 较 FDM 与 TDM FDM: 占 用 部 分 资 源 全 部 时 间 TDM: 占 用 全 部 资 源 部 分 时 间 哪 个 更 好? 68
2.4.3 波 分 多 路 复 用 (WDM) 1. 原 理 : 不 同 的 信 号 使 用 不 同 的 波 长 同 时 在 光 纤 上 传 输 2. 适 用 : 光 纤 通 信 3. 问 题 : 波 长 分 配 光 调 制 器 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 复 用 器 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 120 km EDFA 分 用 器 光 解 调 器 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 69
2.4.4 统 计 时 分 多 路 (STDM) 也 叫 异 步 时 分 多 路 复 用 (ATDM) 原 理 : 按 需 分 配 时 间 片 要 求 : 数 据 中 包 含 源 目 的 地 址 信 息 用 户 统 计 时 分 复 用 A a a t 1 B b b t 2 C c c t 3 a b b c c d #1 #2 #3 a t D d t 4 3 个 STDM 帧 70
2.4.5 码 分 多 址 多 路 复 用 (CDMA) 1. 原 理 : 使 用 相 同 的 频 率 但 不 同 的 码 址, 得 到 不 同 的 正 交 分 量, 合 成 后 传 输 2. 适 用 : 无 线 通 信 3. 问 题 : 容 量 问 题 71
码 片 序 列 (chip sequence) 每 一 个 比 特 时 间 划 分 为 m 个 短 的 间 隔, 称 为 码 片 (chip) 每 个 站 被 指 派 一 个 唯 一 的 m bit 码 片 序 列 如 发 送 比 特 1, 则 发 送 自 己 的 m bit 码 片 序 列 如 发 送 比 特 0, 则 发 送 该 码 片 序 列 的 二 进 制 反 码 例 如,S 站 的 8 bit 码 片 序 列 是 00011011 发 送 比 特 1 时, 就 发 送 序 列 00011011, 发 送 比 特 0 时, 就 发 送 序 列 11100100 S 站 的 码 片 序 列 :( 1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 72
CDMA 的 重 要 特 点 每 个 站 分 配 的 码 片 序 列 不 仅 必 须 各 不 相 同, 并 且 还 必 须 互 相 正 交 (orthogonal) 在 实 用 的 系 统 中 是 使 用 伪 随 机 码 序 列 73
2.5 数 据 交 换 方 式 交 换 : 转 接 ( 计 算 机 与 计 算 机 之 间 计 算 机 与 终 端 之 间 或 终 端 与 终 端 之 间 为 交 换 信 息 所 用 数 据 格 式 和 交 换 装 置 的 方 式 ) 一 电 路 交 换 原 理 : 在 源 节 点 和 目 的 节 点 之 间 建 立 专 用 的 通 路 过 程 : 建 立 连 接 传 输 数 据 断 开 连 接 特 点 : 连 接 是 专 用 的 数 据 直 接 传 送 电 话 网 络 例 子 : 74
两 部 电 话 两 部 电 话 机 只 需 要 用 一 对 电 线 就 能 够 互 相 连 接 起 来 75
更 多 的 电 话 机 互 相 连 通 5 部 电 话 机 两 两 相 连, 需 10 对 电 线 N 部 电 话 机 两 两 相 连, 需 N(N 1)/2 对 电 线 当 电 话 机 的 数 量 很 大 时, 这 种 连 接 方 法 需 要 的 电 线 对 的 数 量 与 电 话 机 数 的 平 方 成 正 比 76
使 用 交 换 机 当 电 话 机 的 数 量 增 多 时, 就 要 使 用 交 换 机 来 完 成 全 网 的 交 换 任 务 交 换 机 77
电 路 交 换 举 例 A 和 B 通 话 经 过 四 个 交 换 机 通 话 在 A 到 B 的 连 接 上 进 行 C D A 交 换 机 中 继 线 用 户 线 中 继 线 交 换 机 交 换 机 交 换 机 B 用 户 线 78
电 路 交 换 举 例 C 和 D 通 话 只 经 过 一 个 本 地 交 换 机 通 话 在 C 到 D 的 连 接 上 进 行 C D A 交 换 机 中 继 线 用 户 线 中 继 线 交 换 机 交 换 机 交 换 机 B 用 户 线 79
电 路 交 换 的 实 现 方 法 1 空 分 交 换 : 资 源 重 复 使 得 同 时 建 立 多 个 连 接 2 时 分 交 换 :TDM 技 术 电 路 交 换 的 优 点 : 延 迟 小 ; 面 向 连 接 电 路 交 换 的 缺 点 : 线 路 利 用 率 低 ; 不 能 充 分 利 用 线 路 容 量 ; 不 便 于 差 错 控 制 80
2.5.2 报 文 交 换 原 理 : 将 用 户 数 据 加 上 源 地 址 目 的 地 址 长 度 校 验 码 等 辅 助 信 息 封 装 成 报 文, 发 送 给 下 个 节 点 下 个 节 点 收 到 后 先 暂 存 报 文, 待 输 出 线 路 空 闲 时 再 转 发 给 下 个 节 点, 直 到 到 达 目 的 节 点 每 个 报 文 可 单 独 选 择 到 达 目 的 节 点 的 路 径 ( 存 储 转 发 方 式 ) 81
优 点 1 可 以 充 分 利 用 线 路 容 量 ( 复 用 利 用 空 闲 ) 2 可 以 实 现 不 同 数 据 率 的 转 换 3 可 以 实 现 一 对 多 多 对 一 的 访 问 4 可 以 实 现 差 错 控 制 5 可 以 实 现 格 式 转 换 缺 点 : 1 增 加 资 源 开 销 : 辅 助 信 息 导 致 时 间 和 存 储 资 源 开 销 2 增 加 缓 冲 延 迟 3 多 个 报 文 的 顺 序 可 能 发 生 错 误 4 缓 冲 区 难 于 管 理 82
2.5.3 包 交 换 ( 分 组 交 换 ) 原 理 : 将 数 据 分 成 较 短 的 固 定 长 度 的 数 据 块, 在 每 个 数 据 块 中 加 上 目 的 地 址 源 地 址 等 辅 助 信 息, 按 存 储 转 发 方 式 传 输 报 文 1101000110101010110101011100010011010010 假 定 这 个 报 文 较 长 不 便 于 传 输 83
添 加 首 部 构 成 分 组 每 一 个 数 据 段 前 面 添 加 上 首 部 构 成 分 组 报 文 分 数 组 1 据 数 据 数 据 首 部 分 组 2 首 部 分 组 3 首 部 84
分 组 交 换 的 传 输 单 元 分 组 交 换 网 以 分 组 作 为 数 据 传 输 单 元 依 次 把 各 分 组 发 送 到 接 收 端 分 组 1 首 部 数 据 分 组 2 首 部 数 据 分 组 3 首 部 数 据 85
收 到 分 组 后 剥 去 首 部 接 收 端 收 到 分 组 后 剥 去 首 部 还 原 成 报 文 分 组 1 首 部 数 据 分 组 2 首 部 数 据 分 组 3 首 部 数 据 收 到 的 数 据 86
分 组 的 存 储 转 发 过 程 主 机 路 由 器 H2 H 4 在 路 最 在 由 后 路 器 到 由 达 A 器 C 暂 目 E 存 的 暂 主 存 机 H 5 D 查 找 查 转 找 发 转 表 发 表 找 到 找 转 B到 发 转 的 发 端 的 口 端 口 H 1 向 H 5 发 送 分 组 H 6 H 1 A E C H 5 H 3 互 联 网 87
分 组 交 换 优 点 1 缓 冲 区 易 于 管 理 2 平 均 延 迟 更 小, 平 均 缓 冲 区 更 少 3 更 易 标 准 化 4 更 适 合 应 用 88
分 组 交 换 实 现 方 式 : 1 数 据 报 包 交 换 : 每 个 包 作 为 一 个 独 立 的 单 位 单 独 选 择 路 径 并 传 送 2 虚 电 路 包 交 换 : 第 一 个 包 申 请 路 径, 其 余 的 包 经 相 同 的 路 径 到 达 目 的 地 89
交 换 方 式 的 比 较 电 路 交 换 报 文 交 换 数 据 报 包 交 换 虚 电 路 包 交 换 信 道 信 道 专 用 无 专 用 无 专 用 无 专 用 连 续 性 连 续 传 送 报 文 包 包 延 迟 延 迟 小 延 迟 大 延 迟 较 小 延 迟 较 小 建 立 路 径 为 通 信 建 立 路 径 为 报 文 建 立 路 径 为 包 建 立 路 径 为 通 信 建 立 路 径 频 带 固 定 频 带 可 变 可 变 可 变 可 靠 性 用 户 负 责 网 络 网 络 网 络 适 用 实 时 非 实 时 可 以 实 时 可 以 实 时 90
2.5.4 信 元 交 换 原 理 : 以 信 元 作 为 交 换 单 位 以 ATDM 作 为 复 用 方 式 的 直 通 式 存 储 转 发 方 式 信 元 :53 字 节 (5 字 节 信 元 头 +48 字 节 用 户 数 据 ) 适 用 :ATM 网 络 2.5.5 广 播 一 个 节 点 发 送 其 余 节 点 接 收 (single-hop 共 享 介 质 ) 91
2.6 传 输 介 质 f (Hz) 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 22 10 24 无 线 电 微 波 红 外 线 X 射 线 γ 射 线 可 见 光 紫 外 线 f (Hz) 波 段 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 双 绞 线 海 事 无 线 电 调 幅 无 线 电 同 轴 电 缆 调 频 无 线 电 电 视 卫 星 移 动 无 线 电 地 面 微 波 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 光 纤 92
2.6.1 双 绞 线 1 物 理 结 构 () 两 根 绝 缘 导 线 绞 合 而 成,Φ0.015~0.056 英 寸 2 特 性 适 于 短 距 离 传 输 模 拟 和 数 字 信 号 3 连 接 方 式 : 多 用 于 点 点 连 接 93
4 双 绞 线 电 缆 (1)UTP( 非 屏 蔽 式 双 绞 线 ) 结 构 :4 对 双 绞 线 组 成 的 电 缆 常 用 UTP: 类 别 带 宽 数 据 率 3 类 16MHz 10Mbps 4 类 20MHz 16Mbps 5 类 100MHz 100Mbps 超 5 类 200MHz 155Mbps 6 类 250MHz >=155Mbps 94
(2)STP( 屏 蔽 式 双 绞 线 ) 增 加 屏 蔽 层 和 保 护 地 线 STP 和 UTP 的 使 用 : 主 要 用 于 星 型 网 络, 每 段 <=100 米, 最 多 四 级 级 联 95
2.6.2 同 轴 电 缆 1 物 理 结 构 2 传 输 特 性 : 频 带 宽, 适 合 传 输 模 拟 和 数 字 信 号 3 连 接 方 式 : 点 点 多 点 96
4 同 轴 电 缆 分 类 (1) 基 带 同 轴 电 缆 (50Ω) 细 电 缆 : 直 径 0.2 英 寸 (RG-58), 传 输 数 字 信 号,10Mbps, 理 论 长 度 ( 单 段 )<300 米, 实 际 <185 米, 最 多 5 段 粗 电 缆 : 直 径 0.4 英 寸 (RG-8), 传 输 数 字 信 号,10Mbps, 理 论 长 度 ( 单 段 )<500 米, 最 多 5 段 (2)CATV 电 缆 RG-59 (75Ω) : 用 户 端 RG-62 (93Ω) : 干 线 97
2.6. 3 光 纤 光 纤 的 极 限 容 量 : 2*(10 15-10 14 )=1800Tbps 98
3. 光 纤 1 物 理 结 构 由 两 层 折 射 率 不 同 的 材 料 及 保 护 层 组 成 99
光 纤 的 工 作 原 理 低 折 射 率 ( 包 层 ) 高 折 射 率 ( 纤 芯 ) 光 线 在 纤 芯 中 传 输 的 方 式 是 不 断 地 全 反 射 100
2 光 纤 适 用 波 长 101
3 传 输 特 性 利 用 光 的 全 反 射 传 输 光 信 号 发 送 端 :LED ILD 接 收 端 :PIN PAD 4 连 接 方 式 : 点 点 5 分 类 单 模 : 速 度 快 多 模 : 速 度 慢 纤 芯 直 径 单 模 多 模 外 直 径 5.0 8.1μm 85 125 μm 50 62.5 100μm 125 140 μm 波 长 :0.85 μm 1.3 μm 1.55 μm 102
多 模 光 纤 与 单 模 光 纤 输 入 脉 冲 多 模 光 纤 输 出 脉 冲 输 入 脉 冲 单 模 光 纤 输 出 脉 冲 103
光 纤 速 率 表 示 SONET SDH 速 率 (Mbps) STS-1/OC-1 51.84 STS-3/OC-3 STM-1 155.52 STS-12/OC-12 STM-4 622.08 STS-24/OC-24 1240.16 STS-48/OC-48 STM-16 2488.32 STS-192/OC-192 STM-64 9953.28 104
2.6.4 陆 地 微 波 物 理 性 质 : 方 向 性 频 率 :0.3~300GHz, 容 量 大 传 输 距 离 小 105
2.6.5 卫 星 1 物 理 性 质 : 方 向 性, 频 率 1~30G( 最 佳 10GHZ) 2 工 作 方 式 : 上 行 下 行 频 率 不 同 4/6 波 段 : 上 行 5.925~6.425GHz, 下 行 3.7~4.2GHz 12/14 波 段 : 上 行 14~14.5G, 下 行 11.7~12.2G 19/29 波 段 : 上 行 27.5~31G, 下 行 17.7~21.2G 3 特 点 干 扰 : 如 日 凌 延 迟 大 受 天 气 影 响 4 低 轨 道 卫 星 : 铱 星 106
2.6.6 无 线 电 1 物 理 性 质 : 无 方 向 性 频 率 :30MHz~1GHz 2 传 输 距 离 :d=7.14 SQRT(Kh)(km) K 为 系 数 (4/3),h 为 天 线 高 度 (m) 3 损 耗 :10log(4πd/λ) 2~6 (db) 107
2.6.7 红 外 线 传 输 方 式 直 传 反 射 特 点 安 全 108
2.7 差 错 控 制 2.7.1 差 错 检 测 1.CRC 原 理 M(x): 信 息 多 项 式 P(x): 生 成 多 项 式 ( 最 高 幂 =n) R(x): 余 多 项 式 X n *M(x)/P(x)::Q(x)~R(x) 2. 检 错 能 力 所 有 单 个 位 错 所 有 双 位 错, 只 要 P(x) 含 有 至 少 3 个 1 任 意 奇 数 个 错, 只 要 P(x) 含 有 (x+1) <=n 位 的 任 意 突 发 错 n+1 位 突 发 错 :1-2 -(n-1) >n+1 位 突 发 错 : 1-2 -n 109
3.CRC 生 成 多 项 式 CRC-12: x 12 +x 11 +x 3 +x+1 CRC-16: x 16 +x 15 +x 2 +1 CCITT-CRC-16:x 16 +x 12 +x 5 +1 CRC-32: x 32 +x 26 +x 23 +x 22 +x 16 +x 12 +x 11 +x 10 +x 8 +x 7 +x 5 +x 4 +x 2 +x+1 4. 实 现 方 法 1 电 路 法 110
CRC 实 现 电 路 111
2 直 接 除 法 信 息 M=1010001101,P=110101,R 为 5 位 112
二 纠 正 错 误 ARQ( 自 动 重 传 ) 113
作 业 1,3,4,5,6,7,9 114