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1、第3章数据通信基础知识2学习目标学习目标1.信号分类：模拟信号和数字信号2.通信分类：模拟通信和数字通信3.数据传输率及其表示4.多路复用技术：频分、时分、波分5.数据交换技术：电路、报文、分组6.调制解调器（modem）3本讲主要内容本讲主要内容基本概念基本概念数据通信理论数据通信理论多路复用多路复用数据交换技术数据交换技术传输介质传输介质调制解调器调制解调器4基本通信理论基本通信理论数据在信道中是以电信号的形式传送的，电信号分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号模拟信号是连续变化的电压或电流波形数字信号数字信号是一系列表示数字“0”或“1”的电脉冲（又程码元）。数字信号与模拟信号传输相比，其
2、传输的质量高，数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。是今后数据通信的发展方向。5数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标1.1.带宽带宽信号占据的频率范围，称为信号的带宽。信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围2.2.信号传输速率信号传输速率信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特（baud）。注意：带宽为注意：带宽为B B的信道，要输出数字信号，其采样速度的信道，要输出数字信号，其采样速度最高为最高为2B2B即可（高于此则无意义）即可（高于此则无意义）6数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标3.3.数据传输率数据传输
3、率 数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的位数，单位位数，单位b/sb/s、Kb/sKb/s、Mb/sMb/s，简写为，简写为bpsbps、KbpsKbps、MbpsMbps。数据传输率和信号传输速率的关系：数据传输率和信号传输速率的关系：S=2BlogS=2Blog2 2N NS 数据传输率，B 信号传输速率，N 电平个数7电平变化电平变化00110001101100001010011184.4.信道容量信道容量 信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力，它信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能
4、支持的最大数据以数据传输速率作为指标，即信道所能支持的最大数据传输速率。传输速率。理想信道的容量（理想信道的容量（NyquistNyquist定理）定理）Rmax=2BlogRmax=2Blog2 2N N（bpsbps）N N 最大数据率最大数据率 (C)(C)2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps话音级线路的信道话音级线路的信道容量计算容量计算(3000 Hz)数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标9 1942年，Nyquist证明：如果一个任意信号通过带宽为B的理想低通滤波器，若每秒取样2B次，就可完整地重现该滤波信号。在理
5、想的条件下(即无噪声),有限带宽为B的信道，其最大的数据传输速率C(信道容量)为 Cmax=2Blog2N（bps）也称奈奎斯特(Nyquist)定理或取样定理。式中N是离散性信号或电平的个数。奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)定理定理10 例1 对一个无噪声的3000Hz信道，若传送二进制信号，试问可允许的数据传输速率是多少？解 由于传送的二进制信号是“1”、“0”两个电平，所以N=2;又因为B=3000Hz，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=6000(b/s)。举例举例11例2 一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？解 由于8
6、相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为8，即N=8，则信道容量，即数据传输速率R=2Blog2N=24000log28=24k（bps）。举例举例12有噪声信道容量有噪声信道容量（ShannonShannon定理）定理）R Rmaxmax=Blog=Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（bpsbps）S/N S/N（信号功率信号功率/噪声功率噪声功率）信噪比（）信噪比（dBdB分贝）分贝）信噪比通常不用绝对值表示，而是信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10log1010S/NS/N表示，表示，单位是分贝（单位是分贝（dBdB）。）。对于对于S/NS/N1010的信道，的信道，称其
7、称其信噪比为信噪比为10 dB10 dB；同理，同理，S/NS/N100100的信道，的信道，称其称其信噪比为信噪比为20 dB20 dB；Shannon定理定理135.5.误码率误码率 传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数传输出错的码元数占传输总码元数的比例，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标误码率误码率=传错的位数传错的位数/传送的总位数传送的总位数Pe=Ne/NPe=Ne/N 数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标14多路复用技术多路复用技术定义复用就是共享使用公共信道 作用采用多路复用技术，可以将多路信号组合
8、在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。15多路复用的基本概念多路复用的基本概念16lFDM(频分复用)lWDM(波分复用)lTDM(时分复用)lCDMA(码分多址)DEMUX共享信道MUX复用技术主要有以下四类复用技术主要有以下四类复用技术的分类复用技术的分类17频分多路复用频分多路复用当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（Frequency Division Multiplexing,FDM)。CH2CH1CH3原始带宽原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽频分
9、后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f18频分多路复用电话系统频分多路复用电话系统CH1CH2CH3f80848892每一路电话信号占用每一路电话信号占用4KHz带宽带宽CCITT建议：每12路电话构成一个基群(Group)，占用60-108 KHz每5个基群（Group），构成一个60路的超群(Super Group)，占用312552 KHz的频带；每5个超群，构成一个300路的主群（Master Group），占用8122044 KHz的频带；每3个主群，构成一个900路的超主群(Super-Master-Group)，占用851612388KHz的频带；每4个超主群，构成
10、一个3600路的巨群（Giant-Group），占用4261259684KHz的频带（56K）；19时分多路复用时分多路复用当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，这就是时分多路复用（TDM）。（Time Division Multiplexing)20A2A1A3原始信号原始信号D2D1D3数字化信号数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1时分多路复用时分多路复用21统计统计TDM与同步与同步TDM比较比较ABCD待发数据待发数
11、据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽22数字载波标准数字载波标准北美、日本欧洲、中国、南美带宽4kHz的电话信号，每秒采样为8000次不失真地恢复话音信息脉冲编码调制（Pulse Code Modulation PCM）若每个采样点用8位，则1路电话所需数据传输率：8800064Kbps24路电话则要24个采样值23DS-1 帧帧channel#1channel#2.channel#24 每个信道称为每个信道称为 DS0DS024路电话复用一条路电话复用一条1.544 M
12、bps主干线主干线路，路，称为称为T1标准标准24T1 载波系统载波系统PCMPCMPCMPCMPCMPCMMUXDEMUXDS-1 frame25复用到更高级线路复用到更高级线路012332104:14个个T1(1.544Mbps)复用到一个复用到一个T2（6.312Mbps）6个个T2复用到一个复用到一个T3（44.736Mbps）7个个T3复用到一个复用到一个T4（274.176Mbps）注意：每次向上一次复用会有帧定界及时钟同步的开销26E1-帧帧0 1 21631帧同步信令信道30 话音信道+2 控制信道E1中，每3030路电话复用1条2.048Mbps的E1线路基群基群4个基群组成
13、二次群E2（120路，8.448Mbps）4个二次群组成三次群E3（480路，34.368Mbps）4个三次群组成四次群E4（1920路，139.246Mbps）27波分多路复用波分多路复用F128数字传输系统高次群的话路数和数据率数字传输系统高次群的话路数和数据率系统类型一次群二次群三次群四次群欧洲体制符号话路数数据率E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264北美体制符号话路数数据率T1241.544T2966.312T357644.736T44032274.17629棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅F2F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的
14、光谱光纤光纤2 2光纤光纤3 3光纤光纤1 1共享光纤共享光纤 F1光纤波分复用示意图光纤波分复用示意图采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠波分多路复用波分多路复用30码分多址（码分多址（CDMA）31l电路交换电路交换：电路交换是在通信的双方之间建立一条实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。数据交换技术数据交换技术 通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直至到信宿，这个过程称为交换。32数据交换技术数据交换技术 l报文交换报文交换：发送方先把待传送的信息分为多个报文正文
15、，在报文正文上附加发、收站地址及其他控制信息，形成一分完整的报文，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。l分组交换分组交换：将一个大报文分割成一定长度的分组，以分组为单位存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文33电路交换的基本框架电路交换的基本框架 话机 AA终端设备Modem调制解调器电话网或CSPDNModem调制解调器传输系统交换机交换机话机 BB34包括呼叫建立呼叫建立、信息传送信息传送、连接释放连接释放三个阶段 电路交换的过程电路交换的过程 1)呼叫建立阶段呼叫建立阶段主叫(Calling Party)用户取机，听拨号音，拨被叫(Called Party)号码。若被叫用
16、户不在同一个交换局，则A局(本地局)向B局(中转局)发送占用信号，转接被叫号码，再由B局转发到C局(远端局)。最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。352)通信阶段通信阶段 此时始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。3)连接释放阶段连接释放阶段 当主叫或被叫任一方挂机，局间互送正向或反向拆线信号，经证实后释放连接。电路交换的过程电路交换的过程 36电路交换的基本处理过程电路交换的基本处理过程 主叫用户A局B局C局被叫用户拨号音拨号占用信号占用信号振铃取机通话(信息传送)被叫挂机反向拆线信号主叫挂机正向拆线信号挂机正向证实信号呼叫建立连接释放回铃音挂机37优点：优点：1、电路交换是一种实时交换，传输延迟小2、主、被叫用户间建立端-端连接，共享信道电路交换的主要特点电路交换的主要特点缺点：缺点：1、建立物理线路时间比较长，不适合的传输；2、预分配带宽，即使无信息传送也虚占电路，带宽不能为其它用户占用38报文交换报文交换(Message Switch)不事先建立连接，当发送方有数据发送时，它将数据做为一个整体交给中间交换设备，中间
