《计算机网络与通信》PPT课件.ppt

第二章数据通信基础,本章主要介绍数据通信的基本概念、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术及差错控制技术,2.1 数据通信的基本概念,数据通信系统的基本组成数据通信的几个基本概念模拟传输和数字传输数据通信系统的质量指标,2.1.1 数据通信系统的基本组成,1、通信系统的基本模型,信息源和输入转换器,发送设备,接收设备,信道,输出转换器和受信者,噪声,2.1.1 数据通信系统的基本组成,2、数据通信系统的组成,数据输入输出设备,传输信道,主机,数据终端设备DTE,传输控制器,数据电路终接设备,数据电路终接设备,传输控制器,计算机系统,接口,接口,数据电路,数据链路,DCE,DCE,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（1）周期信号信号的周期就是信号完成一个循环所需要的时间。信号周期=p信号的频率=f 信号每秒振荡的周期数。其量度单位是周期每秒，即赫兹(Hz)。频率和周期的关系式是：f=1/p,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（2）周期性非正弦信号的傅氏级数及频谱特性,现在给出一个数学描述。假设s(t)是一个周期为P的周期函数。依据傅立叶变换的其中一种形式：,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（2）周期性非正弦信号的傅氏级数及频谱特性,（还有其他的形式，但这种更适合我们这里的需要。）其中的系数ai和bi被定义为:,2.1.2 数据通信的几个基本概念,傅立叶变换:能解释各种不同的通信媒体的局限性。每一个周期信号都是具有不同的频率和振幅的模拟信号的叠加。由傅立叶变换得出一个结论：媒体发送和分解一个模拟信号的能力取决于它能够处理的频率的范围（带宽）。,我们来看一个列子，令s(t)为:,这是一个周期为2的方波。,t,s(t),1,-1,2p,3p,4p,p,6p,5p,7p,8p,2.4.2 模拟信号,1.傅立叶变换,因为它是一个周期函数（周期为2p），所以可以把它写成一个傅立叶级数。在这里，所有的常量ai(i0)都为0。常量bi定义为,我们用微积分算出这些结果。由它可以把周期函数写成,右图分别给出了具有1、3、5、11和21个项的近似值的曲线图。如图所示，只有几个项的近似值与原函数相差很远。但随着项的个数的增多，每个时间间隔内的曲线将更加平滑，在1和-1之间的跳变也更加快速。,傅立叶变换是学习通信的基础。在一个带宽有限的媒体上传送一个复杂的模拟信号就和用傅立叶级数来近似一个函数一样。,高保真音响30Hz到2000030000Hz,普通电话机300Hz3300Hz,30Hz300Hz,3300Hz30000Hz,傅立叶变换的应用,傅立叶变换也可以应用于硬件的设计。比如，一个滤波器（Filter）可以挡住某一频率，而让其他的频率通过。它有非常广泛的应用。,1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K 8K 9K 10K 11K 12K 13K 14K 15K 16K 17K,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（3）非周期性信号的频谱特性,非周期性信号可以看成是P周期信号：频谱无限密集，其频谱变为连续频谱。,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（4）信号的频带,由于谐波振幅具有收敛性，所以次数过高的谐波分量非常小，对于一个信号并没有什么意义。对于一个信号，从零频开始到需要考虑的最高频率分量之间的频率范围称为信号的带宽。,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（5）二进制数字信号的频谱特性,信号带宽=1/信号代码宽度,2.1.2 数据通信的几个基本概念,1、信号频带及频谱分析（6）信号时间特性和频率特性间的关系,信号周期T减小，谱线间隔就会变大，谱线占有频率范围变大，信号频带就会增加，反之亦然。,2.1.2 数据通信的几个基本概念,2、数据信号（1）模拟数据与数字数据,模拟数据：数据的状态是连续变化和不可数的。数字数据：数据的状态是离散和可数的。,2.1.2 数据通信的几个基本概念,2、数据信号（2）模拟信号与数字信号,模拟信号：电信号的参量对应于模拟数据而取连续值。数字信号：电信号的参量对应于数字数据而取离散值。,2.1.2 数据通信的几个基本概念,2、数据信号（3）模拟通信与数字通信,模拟信号：传输模拟信号的通信方式。数字信号：传输数字信号的通信方式。数字通信相对于模拟通信有如下优点：抗干扰能力强、差错可以控制、易于实现保密通信。,2.1.3 模拟传输和数字传输,在将数据从信源送到信宿的过程中，必须对数据的性质和用来传输数据的信号进行区分。,数据的性质,模拟数据,数字数据,信号的传播方式,数字信号,模拟信号,2.1.3 模拟传输和数字传输,1、模拟数据的模拟信号传输 一般使用基带传输或调制后用频带传输的方式。例子：普通电话。,2.1.3 模拟传输和数字传输,2、数字数据的模拟信号传输 调制后传输。通常有三种基本的模式：移幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK）移频键控（Frequency Shift Keying,FSK）移相键控（Phase Shift Keying,PSK）,移幅键控（Amplitude Shift Keying,ASK），也叫调幅（Amplitude Modulation,AM）。正如你可能猜到的一样，区别只在于这里的每一个比特组对应于一个给定大小的模拟信号。和FSK一样，每个比特组可以包含一个或多个比特位，这将决定比特率和波特率之间的关系。,调幅调制,为了说明问题，假设设定四个大小级别：A1，A2，A3和A4。这些大小级别和两个比特位的对应关系如表所示。右图给出了比特串00110110所对应的模拟信号。在这里，比特率是波特率的两倍。两个比特位的每一个组合（从左向右）对应一个适当大小的信号。同频移键控一样，每个信号的持续周期是固定不变的。,第一种方法称为频移键控（Frequency Shift Keying,FSK），也叫频率调制（Frequency Modulation,FM），它给数字0和1分别分配一个模拟信号频率。比如，假设0对应一个较高的频率，而1对应一个较低的频率，那么比特串0 1 0 0 1所对应的模拟信号如图所示。调制解调器在一个指定的时间周期内传输一个适当频率的信号。只使用两个频率意味着信号每变化一次，就发送一个比特位的数据。这是波特率（信号改变的频率）和比特率相等的一个特例。频率调制也可以使用更多的频率。比如说，因为两个比特位就有四个可能的组合，所以可以为这四个组合分别分配一个频率。这样，每个频率变化将传送两个比特位的数据；也就是说，比特率将是波特率的两倍。一般而言，n个比特位可以有2n 个组合，每一个组合可以对应2n个频率中的一个。这样的话，比特率就是波特率的n倍。,频率调制,频移键控(两种频率)，每波特一比特,相移键控（Phase Shift Keying,PSK），也叫相位调制（Phase Modulation,PM），也是和前面类似的一种技术。信号的差异在于相移，而不是频率或振幅。通常，一个信号的相移是相对于前一个信号而言的。因此，它也经常被人们称为差分相移键控（Differential Phase Shift Keying,DPSK）。如前所述，n个比特位的每一个组合可以对应于2n个相移中的一个，从而使比特率n倍于波特率。,相位调制,为了说明问题，假设设定四个大小级别的相移：K1，K2，K3和K4。这些大小级别和两个比特位的对应关系如表所示。,2.1.3 模拟传输和数字传输,3、数字数据的数字信号传输 单极性编码 双极性编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码,2.1.3 模拟传输和数字传输,3、数字数据的数字信号传输（1）、单极性编码 0电平=0 高电平=1 a)单极性不归零：b)单极性归零：每一个1之后用零电平来分隔,2.1.3 模拟传输和数字传输,3、数字数据的数字信号传输（2）、双极性编码 负电平=1 高电平=0 a)双极性不归零：非负即正，不会出现0电平。b)双极性归零：正电平和负电平之间用零电平来分隔。,2.1.3 模拟传输和数字传输,3、数字数据的数字信号传输（3）曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码,曼彻斯特编码（Manchester Code）用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步。也有人称之为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它用电压的变化来分辨0和1。它明确规定，从高电平到低电平的跳变代表0，而从低电平到高电平的跳变代表1。,曼彻斯特编码,0 1 0 1 1 0 0 1,差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）。和曼彻斯特编码一样，在每个比特时间间隔的中间，信号都会发生跳变。区别在于每个时间间隔的开始处。,差分曼彻斯特编码,1 0 1 0 0 1 1 0,传输开始时的电平信号,T：1比特的持续时间,T：1比特的持续时间,高电平,低电平,时间,2.1.3 模拟传输和数字传输,4、模拟信号的数字信号传输脉冲幅度调制:Pulse Amplitude Modulation,PAM脉码调制:Pulse Code Modulation,PCM,使脉冲真正数字化的一种方法是为采样信号分配一个预先确定的振幅。这种处理方法称为脉码调制（Pulse Code Modulation,PCM）。举例来说，假设将整个振幅范围划分成2n个振幅，并让每一个振幅对应一个n比特的二进制数。下图给出了划分成八个值时的结果（n=3）,脉码调制PCM,2.1.3,一项应用是光盘（CD）技术。CD上的音乐是应用PCM光学编码成数字格式的。然而，为了保留高品质的音响效果，PCM编码必须采用较高的频率，并为每个脉冲分配较多的比特位。实际的数值随具体的设备而定。比如，翻阅一台CD播放器的用户手册，可以找到下面的技术参数：采样频率：44.1kHz D-A转换：16比特线性正如你可能想到的一样，所谓的D-A即数字到模拟。16个比特允许大约216=65536=64K个采样振幅。每秒采样44000次左右，是2Hz到22000Hz的频率响应范围的两倍多一点。术语线性指脉冲振幅是均匀分布的。（某些情况下，振幅并不是均匀分布的。脉冲的振幅集中分布在取值出现的可能性较大的区域。这种称为压缩扩展的不均匀分布能够在不增加每个采样的比特位的情况下提高语音质量。）,脉码调制PCM的应用,2.1.4 数据通信系统的质量指标,有效性：消息的传输速度；可靠性：消息的传输质量；适应性：环境使用条件；标准性：通信元件的标准互换性；经济性：成本高低；使用维修：是否方便。,2.1.4 数据通信系统的质量指标,1、有效性指标（1）码元速率：每单位时间秒内信号码元变化的次数。单位：波特率,2.1.4 数据通信系统的质量指标,1、有效性指标（2）信息速率：每单位时间秒内传输的数据信号量。单位：比特率（bit/s)信息速率=码元速率*log2N(bit/s)其中：N为码元个数。,2.1.4 数据通信系统的质量指标,1、有效性指标（3）功率利用率：在保证系统传输质量的条件下，系统所需要的最低归一化信噪比定义为系统的功率利用率。,2.1.4 数据通信系统的质量指标,2、可靠性指标（1）误码率：Pe=lim ne/n nn:系统在一定时间内传输的总的码元数；ne:在相同时间内产生的差错码元数。,2.1.4 数据通信系统的质量指标,2、可靠性指标（2）误比特率：Pb=lim nb/n nn:系统在一定时间内传输的总的比特数；nb:在相同时间内产生的差错比特数。,2.2 数据传输技术,传输介质与信道容量数据信号的传输方式数据信号的通信方式,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质共有三种类型的传输媒体，每一种类型都有许多品种。第一种媒体是铜、铁等金属导体。我们将介绍如何利用导线电流传输数据。第二种媒体是透明玻璃或塑胶绳，它们可以通过光波实现数据传送。第三种类型的媒体根本不需要物理连接，而是依靠电磁波，正如无线电视和无线电广播一样。,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（1）双绞线:按传输质量分：1、2、3、4、5、6类按对数：2对到 1800对之间；传送距离：语音：1.5公里 数字：100米速度：日前在100M左右，超五类和六类双绞线可达1000M,2.2.1 传输介质与信道容量,双绞线通常用于传输平衡信号。也就是说，每条导线都带有电流，但它们分别携带的信号的相位相差180度。,V,t,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（2）同轴电缆:按型号分：RG-8或RG-11（50欧）-粗缆RG-58-59/U或C/U（50欧）-细缆RG-59（75欧）-CATV 电缆RG-62（93欧）-ARCnet与IBM3279系统使用传送距离：细缆：无中继180m，有中继925m 粗缆：无中继承500m，有中继2500m速度：标准10M，理论上可达600M。,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（3）光纤:一、用光线来传传输信号 二、光纤不受电子噪音的干扰，并具有巨大的信息传输容量。三、光纤很细（0.85um,1.3um,1.55um),2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（3）光纤:（一）按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。（二）按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。（三）按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（3）光纤:（四）按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。（五）按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤是指0.80.9m的光纤；长波长光纤是指1.01.7m的光纤；而超长波长光纤则是指2m以上的光纤。,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（4）微波:无线电波：频率在1GHz 到20GHz之间无中继传输距离：30KM到50KM之间速度：标准10M，理论上可达600M。,2.2.1 传输介质与信道容量,1、传输介质（4）卫星:同步卫星：赤道上空36000公里。低轨道卫星：地球上空400公里以上。远距离传输较微波传输有优势。,2.2.1 传输介质与信道容量,2、信道噪声（1）噪声分类:（按来源分）自然噪声：雷电、宇宙中的星体幅射人为噪声：各邻近的电气设备的干扰电路噪声：半导体器件内部的散弹噪声和电阻内 的热噪声等。,2.2.1 传输介质与信道容量,2、信道噪声（1）噪声分类:（按噪声的持续时间长短分）脉冲型噪声：如雷电的瞬间干扰；连续型噪声：如电阻内的热噪声。,2.2.1 传输介质与信道容量,2、信道噪声（1）噪声分类:（按噪声功率谱密度分）白噪声：功率谱密度在无穷的频谱范围内为常数有色噪声：功率的谱密度不为常数。,2.2.1 传输介质与信道容量,2、信道噪声（1）噪声分类:（按噪声对信号的作用方式分）加性噪声：噪声效果=S(t)+N(t)乘性噪声：噪声效果=S(t)*N(t),2.2.1 传输介质与信道容量,2、信道噪声（1）噪声分类:（按噪声瞬时幅度值的概率分布分）高斯噪声：噪声瞬时幅度值服从高斯概率分布；瑞利噪声：噪声瞬时幅度值服从瑞利概率分布；,2.2.1 传输介质与信道容量,2、信道噪声（2）起伏噪声起伏噪声有散弹噪声、热噪声和宇宙噪声。,2.2.1 传输介质与信道容量,3、信道容量 信道容量是一个理想的极限值，它指对一个给定的信道，在传输差错率趋于零情况下，信道在单位时间内可能传输的最大信息量。,2.2.1 传输介质与信道容量,3、信道容量（1）奈奎斯特定理,C=2W（波特率）=2Wlog2N(bit/s)W:信道带宽；N:码元个数。,2.2.1 传输介质与信道容量,3、信道容量（2）香农公式,20世纪40年代，Claude Shannon超越了尼奎斯特的理论，对噪声通道作了深入的研究。他把最大的数据速率和频率，以及信噪比联系在一起。他明确地指出:比特率（理论上的最大数据传送率）=带宽log2（1S/N）bps这一公式表明带宽和信噪比越大，比特率就越高。但如果噪声的功率增大的话，允许的比特率将下降。这一关系式意味着如果信噪比太小的话，噪声将导致两个不同的信号无法被分辨出来。,信噪比,电子工程学用一个称为信噪比（Signal-to-Noise Ratio）的参数来量化信号中存在的噪声。我们把它定义为S/N，这里的S代表信号能量，而N则代表噪声能量。信噪比大意味着信号清楚；而信噪比小则意味着畸变比较严重。在高保真设备中，高信噪比意味着音质的提高。由于S通常要比N大得多，所以信噪比一般采用较大的单位，它表示为：B=log10(S/N）贝尔(这里，贝尔是量度单位。)因此，如果S为N的十倍（S=10N），则B=log10(10N/N)=1贝尔。类似地，S=100N时为2贝尔，S=1000N时为3贝尔，依此类推。,香农定理的应用,再举一个例子来说明在电话线上传送数据的实际上限。电话系统的带宽将近3000Hz，信噪比大约为35dB，即3.5贝尔。由此可得3.5=log10(S/N)，即S=103.5N3162N。将这些值代入香农定理：比特率=带宽log2(1+S/N)=3000log2(1+3162)bps 300011.63bps34880bps作为最后的注释，必须强调一点：这并不是一个对网络用户和消费者意义不大的纯理论的定理。特别是对于使用调制解调器的用户，它有着实际的意义。在上世纪80年代，2400bps和9600bps的调制解调器被广泛地使用，更高速率的调制解调器不是没有，但价格昂贵。到了上世纪90年代，调制解调器的速率达到了28.8 kbps和33.6kbps。但根据香农定理，35000bps左右的比特率将是常规调制解调器的上限。,2.2.2 数据信号的传输方式,传输方式（Transmission Mode）定义了比特组合从一个设备传到另一个设备的方式。串行传输和并行传输异步传输和同步传输基带传输和频带传输,2.2.2 数据信号的传输方式,1、串行传输和并行传输(1):串行传输,设备1,设备2,0,0,1,1,0,1,1,0,2.2.2 数据信号的传输方式,1、串行传输和并行传输(2):并行传输 局限性1：成本因素2：工程因素3：同步因素,设备1,设备2,2.2.2 数据信号的传输方式,2、异步传输和同步传输 有两种提供串行通信的方法：异步传输和同步传输。,2.2.2 数据信号的传输方式,2、异步传输和同步传输（1）异步传输（Asynchronous Transmission)：指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。,2.2.2 数据信号的传输方式,2、异步传输和同步传输（1）异步传输（Asynchronous Transmission)：指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。,设备1,设备2,异步传输,1100011000,1010011000,1110011000,停止位,停止位,停止位,开始位,开始位,开始位,数字1,数字2,数字3,两次传输的时间间隔,00110001对应数字100110010对应数字200110011对应数字3,异步传输被设计用于低速设备，比如键盘和某些打印机等。另外，它的开销也比较多。在上面的例子中，每个比特就多传送两个比特。这样，总的传输负载就增加25%。,异步传输,1100011000,1010011000,1110011000,停止位,停止位,停止位,开始位,开始位,开始位,数字1,数字2,数字3,两次传输的时间间隔,2.2.2 数据信号的传输方式,2、异步传输和同步传输（2）同步传输（Synchronous Transmission）的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，而是把它们组合起来一起发送。我们称这些组合为数据帧，或简称为帧。数据帧的具体组织形式随协议而定，后面我们将进一步介绍。数据帧有许多公共的特征。下图显示了一个数据帧的一般组织形式。方向是从右向左,同步传输,syn=同步位control=控制位data=数据位error=错误检测位end=帧结束位,数据帧,2.2.2 数据信号的传输方式,2、异步传输和同步传输（2）同步传输,同步字符（SYN Character）:它是一个独特的比特组合，用于通知接收方一个帧已经到达。控制位，可能包含下列这些元素：源地址，指出数据帧从哪里来。目标地址，指出数据帧到哪里去。数据的实际字节数。序列号。它用于有很多帧被传送出去，但由于某种原因无法按顺序到 达目的地的情况。接收方使用序列号对帧进行重组。帧类型，随协议而定。后面将对某些帧类型作详细的讨论。数据位:定义了要发送的信息。错误检查位:被用来检测或校正传输错误。帧结束标记。和SYN字符一样，它是一个独特的比特串，用于表示没有别的即将到达的比特了（至少在下一帧开始之前）,syn=同步位control=控制位data=数据位error=错误检测位end=帧结束位,2.2.2 数据信号的传输方式,2、基带传输和频带传输（1）基带传输 基带传输是指在信道上直接传输基带信号的方式。所谓基带信号是指由数据或消息直接转换成的原始电信号，基带传输主要用于短距离或有线电系统中。,基带信号输入,信道信号形成器,滤波器,信道,抽样判决器,噪声源,基带信号输出,2.2.2 数据信号的传输方式,2、基带传输和频带传输（1）频带传输 频带传输是包括调制解调过程的传输系统。有时也把用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。它主要用于长距离或无线电系统中。,基带信号输入,调制器,解调器,信道,噪声源,基带信号输出,2.2.3 数据信号的通信方式,（1）单工通信在单工方式中，通信是单向进行的，就象是单行道。一条链路的两个站点中只有一个可以进行传输，另一个只能接收。,单工通信,设备1,设备2,通信只在一个方向上进行,2.2.3 数据信号的通信方式,（2）半双工通信在半双工方式下，每个站点都可以发送和接收，但是不能同时发送和接收。当其中一个设备在发送时，另一个只能接收，反之亦然。,设备1,设备2,这样的设备可以发送和接收，但必须轮流进行,2.2.3 数据信号的通信方式,（3）全双工通信 在全双工方式中(也叫双工方式)，两个站点同时都可以进行发送和接收。,全双工通信,设备1,设备2,2.3 多路复用技术,多路复用（MUX）这一术语来源于拉丁词multi（许多）和plex（混合）。多路复用指的是复用信道，即是利用一个物理信道同时传输多个信号，以提高信道利用率，使得一条线路能同时由多个用户使用而互不影响。多路复用器连接许多条低速线路，并将它们各自所需的传输容量组合在一起后，在一条速度较高的线路上传输。也即低速线路在其远端合并，仅由一条较高速度的线路传输所有信息，而不是在一个发送端和接收端之间连接着许多低速线路。,2.3.1 频分复用技术(FDM),频分复用的典型例子有许多，如无线电广播、无线电视中将多个电台或电视台的多组节目对应的声音、图像信号分别载在不同频率的无线电波上，同时在同一无线空间中传播，接收者根据需要接收特定的某种频率的信号收听或收看。,2.3.1 频分复用技术(FDM),要实现频分复用，必须先为每个信道定义一个载波信号（Carrier Signal）。与信道对应的输入信号使载波信号发生改变（调制），从而产生另一个信号（调制信号）。有几种实现的方法。下图中显示了其中的振幅调制技术。,载波信号有一个固定的频率，通常是位于信道带宽的中间。其振幅发生改变，在数值之间交替变换，具体取决于另一个信号的最大值和最小值。,调制器,被调制信号,载波信号,调制结果,2.3.1 频分复用技术(FDM),在频分多路复用的最后一步，所有输入的调制信号被结合成一个更加复杂的单一模拟信号。它的频率位于所有信道的范围之内。各信道本身被保护频带（Guard Band）（未使用的频率范围）隔离开来，以防止相邻信道的相互干涉。这样产生的信号被传送出去，并由另一个多路复用器接收。它使用一个带通滤波器把各个独立的调制信号分离开来。最后，信号被解调，并恢复成原始信号。在电视和无线电广播等应用中，通过信道或频率选择器指定哪一个原始信号被转换成声音和图像。,2.3.2 时分复用技术(TDM),时分多路复用是将传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙、时间片等，slot time）。TDM分为:同步时分复用（Synchronous Time Division Multiplexing STDM）异步时分复用（Aynchronous Time Division Multiplexing ATDM）,2.3.2 时分复用技术(TDM),同步时分复用（Synchronous Time Division Multiplexing STDM）同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段，再将每一时间段划分成等长度的多个时隙（时间片），每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。,公共信道,第一路信号,第二路信号,第三路信号,第四路信号,MUX,MUX,A1 B1 C1 D1,A1B1 C1 D1,A1B1 C1 D1,A2B2 C2 D2,A2 B2 C2 D2,A2B2 C2 D2,A3B3 C3 D3,A3 B3 C3 D3,A3B3 C3 D3,A4B4 C4 D4,A4 B4 C4 D4,A4B4 C4 D4,2.3.2 时分复用技术(TDM),同步时分复用（Synchronous Time Division Multiplexing STDM）STDM有时会出现低效性，如下图：,MUX,MUX,A3B3D3,A2B2D2,A1B1D1,A4A3A2A1,B4B3B2B1,D4D3D2D1,A4A3A2A1,B4B3B2B1,D4D3D2D1,等长帧,2.3.2 时分复用技术(TDM),异步时分复用（Aynchronous Time Division Multiplexing ATDM）异步时分复用技术又被称为统计时分复用（statistical time division multiplexing）或智能时分复用（ITDM），它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。,MUX,B3D2,A3B2D2,A1C1,A3A2A1,B4B3B2B1,C3C2C1,D3D2D1,变长帧,A2B1C2,B4C3D3,A3A2A1,B4B3B2B1,C3C2C1,D3D2D1,MUX,2.3.3 码分复用技术(CDMA),码分复用（CDMA）码分复用允许所有站点同时在整个频段上进行传输，多路的同时传输采用编码原理加以区分。码分复用假定多重信号是线性叠加的。与前面介绍的信道分配方法完全不同。前面所介绍的方法中，有些是将信道分成频率段，对它们进行静态分配（FDM），另外的方法则是根据帧来分配信道，将整个信道静态地（具有固定时隙的TDM）。,2.3.3 码分复用技术(CDMA),TDM FDM CDMA三种复用技术的类比：鸡尾酒会原理,(轮流发言),F(分组发言),CA,2.3.3 码分复用技术(CDMA),在CDMA中，每比特时间被分成m个短的时间段，称为芯片（chip）。通常情况下，每比特有64个或128个芯片。但在下面的例子中，为了简化问题，假定每比特有8个芯片。每个站点被指定一个唯一的m位的代码或芯片序列（chip sequence）。当发送比特1时，站点就发送其芯片序列，想发送比特0时，站点就发送其芯片序列的反码。除此之外，没有其他任何格式。因此，假如站点A的芯片序列被指定为00011011，发送00011011就表示发送比特1，发送11100100就表示发送比特0。,2.3.3 码分复用技术(CDMA),2.3.3 码分复用技术(CDMA),2.3.3 码分复用技术(CDMA),用EXCLE计算,2.3.4 波分复用技术(WDM),在光纤信道上使用的是频分多路复用的一个变种，即波分多路复用WDM（wavelength division multiplexing）。,2.3.4 波分复用技术(WDM),这里没有使用什么新的技术。由于每个信道有自己的频率范围，而且所有的范围都是分隔的，所以它们可以被多路复用到长距离的光纤上。与电子的FDM不同的唯一的区别是：光纤系统使用的衍射光栅是完全无源的，因此极其可靠。应该注意到，WDM很流行的原因是一根光纤上的能量常常仅仅有几GHz宽，因为现在不可能在光电介质间作更快的转换。而一根光纤的带宽大约是25000GHz，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上，当然前提条件是所有的输入信道都应使用不同的频率。,2.3.5 空分复用技术(SDM),空分复用(SDM，Space Division Multiplexing)即多对电线或光纤共用1条缆的复用方式。比如5类线就是4对双绞线共用1条缆，还有市话电缆(几十对)也是如此。能够实现空分复用的前提条件是光纤或电线的直径很小，可以将多条光纤或多对电线做在一条缆内，既节省外护套的材料又便于使用。例如，在光纤通信中，空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，即将多根光纤组合成束；二是在一根光纤中的光“束”沿空间分割的一种多维通信方式。可以引入多维相干度调制与解调的新概念来实现多路空分复用通信。传象束是一种特殊的空分复用方式。它是将图像采用空分复用方式传输，使其传输速度成数量级地提高。几十万个象素的多芯传象光纤己相当成熟。其色保持特性和透光性已相当令人满意，是空分复用的一个发展方向。,2.4 数据交换技术,交换即转接，是在交换通信网中实现数据传输必不可少的技术。常用的交换技术有三种：电路交换（线路交换）报文交换分组交换（包交换）,2.4.1 电路交换技术,电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置（站）之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可是物理通道又可是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。,2.4.1 电路交换技术,目前公用电话网广泛使用的交换方式是电路交换，经由电路交换的通信包括三个阶段：(1)电路建立(2)数据传输(3)电路拆除,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,2.4.1 电路交换技术,电路交换具有下列特点：(1)呼叫建立时间长且存在呼损。在电路建立阶段，在两站间建立一条专用通路需要花费一段时间，这段时间称为呼叫建立时间。在电路建立过程中由于交换网繁忙等原因而使建立失败，对于交换网则要拆除已建立的部分电路，用户需要挂断重拨，这称为呼损。(2)电路连通后提供给用户的是透明通路，即交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加以限制，但对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式、传输控制等一致才能完成通信。(3)一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传播延迟以外，没有别的延迟，在每个节点的延迟是可以忽略的，适用于实时大批量连续的数据传输。(4)线路（信道）利用率低。电路建立，进行数据传输，直至通信链路拆除为止，信道是专用的，再加上通信建立时问、拆除时间和呼损，其利用率较低。,2.4.2 报文交换技术,在数据交换是相对较为连续的数据流时（如话音），电路交换是一种适宜的、易于使用的技术。日前数字数据通信广泛使用报文交换。在报文交换网中，网络节点通常为一台专用计算机，带有足够的外存，以便在报文进入时，进行缓冲存储。节点接收一个报文之后，报文暂存放在节点的存储设备之中，等输出线路空闲时，再根据报文中所附的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端。所以报文交换也称为存储转发（store and forward）。,2.4.2 报文交换技术,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,A-F,2.4.2 报文交换技术,报文交换具有下列特征：(1)源站A和目标站F在通信时不需要建立一条专用的通路，因此就不需要节点4、5、6或4、7、6同时空闲。(2)与电路交换相比，报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和时延。(3)线路利用率高，节点间可根据线路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据。(4)要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当。(5)数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错、纠错。(6)缺点：由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信，如电话通信；由于每个节点都要把报文完整地接收、存储、检错、纠错、转发，产生了节点延迟，并且报文交换对报文长度没有限制，报文可以很长，这样就有可能使报文长时间占用某两节点之间的链路，不利于实时交互通信。分组交换即所谓的包交换正是针对报文交换的缺点而提出的一种改进方式。,2.4.3 分组交换技术,分组交换属于存储/转发交换方式，但它不像报文交换那样以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的报文分组（packet）为单位进行交换传输。分组是一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数，把它作为一个整体加以转接，这些数据、呼叫控制信号以及可能附加的差错控制信息是按规定的格式排列的。,2.4.3 分组交换技术,交换网可采用两种方式：数据报传输分组交换或虚电路传输分组交换进行交换。(1)数据报传输分组交换(2)虚电路传输分组交换,2.4.3 分组交换技术,(1)数据报传输分组交换交换网把进网的任一个分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样,2.4.3 分组交换技术,(1)数据报传输分组交换,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,1,2,3,2.4.3 分组交换技术,(1)数据报传输分组交换,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,1,2,3,2.4.3 分组交换技术,(2)虚电路传输分组交换所谓虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，一旦这种连接建立，直至用户不需要发送和接收数据时清除这种连接。其主要的特点是：所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，存在一个虚呼叫建立阶段和拆除阶段（清除阶段）。与电路交换相比，并不意味着实体间存在象电路交换方式那样的专用线路，而是选定了特定路径进行传输，分组所途经的所有节点都对这些分组进行存储/转发，这是与电路交换的实质上的区别。,2.4.3 分组交换技术,(2)虚电路传输分组交换,F,D,B,A,E,C,G,1,4,2,7,5,6,3,1,2,3,2.4.3 分组交换技术,总之，分组经过通信网络到达终点有两种方法：虚电路（Virtual Circuit）数据报（datagram）。,2.4.4高速交换技术,传统的交换技术不能满足多媒体业务应用，目前提高交换速度的方案有帧中继和ATM等。最有发展前途的交换技术是ATM（异步传输模式），他是线路交换与分组交换技术的结合，能最大限度地发挥线路交换与分组交换技术的 优点，具有从实时的话音信号到高清晰度电视图像等各种高速综合业务传输能力。,2.5 差错控制技术,按照差错控制编码的不同功能，可以将其分为检错码、纠错码和纠删码。检错码仅能检测误码；纠错码则兼有纠错和检错能力，当发现不可纠正的错误时可以发出错误指示。按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系，又可分为线性码和非线性码。若信息码元与监督码元之间的关系为线性关系，即满足一组线性方程式，则称为线性码。反之，则称为非线性码。常用的差错控制编码一般均为线性码，其中包含分组码和卷积码。,2.5.1 差错产生的原因及其控制,原因:电气噪声、静电干扰、电气信号反射等。,基带信号输入,调制器,解调器,信道,噪声源,基带信号输出,信息源和输入转换器,发送