1、第三章 数据通信技术,主要内容 数据通信理论基础 传输介质 数据编码 信道复用技术 数据交换技术 物理层规程,研究给定信道上传输数据的特性、各种传输方式及其所采用的技术。比如最大速度的限制，传输数据的速率与传输介质属性，比如带宽的关系等,本章重点是数据通信技术和交换技术,3.2 数据通信的理论基础,主要内容：信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。借助于电压或电流的变化，可以在线路上传输信息（数据）；如何用电压或电流的变化来表示信息？ 由于非线性负载的影响，电压（电流）波形失真，如何表示？ 不同的信道，带宽不同，对于数据的传输有什么影响；,3.2.1 傅立叶分析 （1）,傅立叶分析：
2、任何一个周期为T的周期函数 g(t) 可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和：其中： f = 1/T 基本频率，即一次谐波频率an, bn n次谐波项的正弦和余弦振幅值任何一个周期为T的周期信号都是由一个基波信号和各种不同频率信号（谐波信号）合成的；信号可以用时域函数和频域函数表述！,3.2.1 傅立叶分析 （2）,已知 g(t)，求c, an, bn 1) 将等式两边从到积分可得c2) 用sin(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得an3) 用cos(2kft)乘等式两边，并从到积分，可得bn,时域函数和频域函数,问题：从这张图可以得出什么结论？,信号频谱与信道带宽,信号频谱 是
3、指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图。 信号带宽 谐波的最高频率与与最低频率之差。 对于脉冲宽度为 矩形脉冲信号，信号带宽B=f=1/ 信道带宽 是指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的根号2分之一倍的两个频率之间的区间宽度。 为了降低信号在传输过程中的失真，信道必须要求足够的带宽。,信号的信道传输特性,信道对信号的不同傅立叶分量（谐波分量）的衰减不同，导致输出失真； 通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。 为了降低信号在传输过程中的失真，信道必须要求足够的带宽。,3.3 数据通信系统模型,主要内容：数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术。,3.3.1 数据通信系统的基本结构
4、,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC 机,3.3.2 数据与信号,信息： 数据：传递信息的实体（模拟数据与数字数据）信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。 信号：数据的物理量编码（数据的电气的或电磁的表现电编码)，数据以信号的形式传播,信道：传送信息的通路(或线路）,通信系统的任务：把携带信息的数据用物理信号形式通过介质（信道）传送到目的地。 信息数据信号在介质上传输信号数据信息 模拟信号只能在模拟信道上传输，数据信号只能在数据信道上传输。,数据表示和信号方式组合,模拟传输和数字传输比较,模拟传输的目标是是波形无失
5、真地传输；数字传输则要求无差错地恢复代码。 数字信号比模拟信号容易衰减，传输距离没有模拟传输系统距离长；因此数字信号只适宜在有限的距离传输。但是无论从价格和传输质量，数字传输都优于模拟传输。 模拟信号可以使用放大器来增强信号能量以增加传输距离，使用放大器的缺点是使干扰信号分量也增加；,3.3.4 数据传输方式,信息交互方式 单工通信、半双工通信、全双工通信 传送的信号 基带传输、宽带传输 同时传送的比特位 并行传输、串行传输 信号同步的方式 异步传输、同步传输,单工通信、半双工通信、全双工通信,信道：往某一方向传送信息的媒介，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道；,并行传输、串行传输
6、,3.3.4 数据传输方式,基带传输 方波固有的频带称为基带，在信道上直接传送数据的基带信号（编码器、译码器）称为基带传输； 基带信号含有从直流到高频的频率特性 ，对信道要求高，传输距离受到一定的限制。 频带传输（数字数据在模拟信道上传输，调制/解调) 为克服基带信号通过电话通信系统后产生严重畸变的缺陷； 将基带数字信号调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输方式 ； 频带传输更适宜传输更远的距离,但信道的速率有限; 宽带传输 是指将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，不仅能够传输频带信号，还可以提高传输线路信道的利用率； 宽带传输在不同的时期
7、含义略有不同,3.3.5 数据同步方式,同步 是指接收端严格地按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据，也就是要在时间基准上必须取得一致。 (包括开始时间、位边界、重复频率等) 。 在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程； 位同步 字符同步 帧同步,图 37 位同步机制,（1）位同步,定义 接收端根据发送端发送数据的时钟频率与比特流的起始时刻，来校正自己的时钟频率与接收数据的时钟时刻，这个过程就是位同步。 外同步 接收端的时钟信号是由对方送来的，而不是从数据信号中提取出来的 自同步 直接从数据信号波形中提取同步信号的方法。,（1
8、）位同步,（2）字符同步,有异步制和同步制两种方式。,（3） 帧同步,通信双方进行信息传送时，在字符正确同步的基础上，还必须将线路上的字符流（实际上字节流）划分成一定大小的数据段，如HDLC规程的帧。HDLC帧标志为7FH（01111110）， 当检测出该帧标志时，认为帧开始或结束。帧同步除使用帧同步信号外，还可在帧间加入定位码，这些定位码有着特定的码型，以便能够与正常的信号编码相区别。,传输介质,一、传输介质的分类 有线介质如：同轴电缆、双绞线、光纤等。特点：需布线，抗干扰性好 无线介质 通过大气进行各种形式的传播，如：微波、红外线、卫星等。特点：无需布线，抗干扰性差,电磁频谱分布,频段计算
9、,通过求微分，就可以根据波段的宽度计算相应的频段f,电磁波的频率f、波长和在真空中传播速度c的基本关系,有线介质： 双绞线,由按螺旋结构排列的两根绝缘线构成。 适用于较短距离的信息传输。 带宽取决于铜线的粗细、传输的距离和采用的技术。 包括两种类型：STP、UTP。 多采用点到点的连接方式。 抗干扰性取决于适当的屏蔽和线对的扭曲程度，在低频传输时接近于同轴电缆，高频传输时劣于其他有线介质。 价格在有线介质中最低。 传输距离取决于具体采用的技术，如在模拟传输时很容易到达15km或更大的距离，对100BaseT点到点最大距离为100m。,STP：以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,UTP：3类、5类、6类
10、 （16M、155M、200M） 双绞线外没有任何附加屏蔽,双绞线,双绞线,CAT-1：目前未被TIA/EIA承认。以往用在传统电话网络（POTS）、ISDN 及门钟的线路. CAT-2：目前未被TIA/EIA承认。以往常用在 4 Mbit/s 的令牌环网络。 CAT-3：目前以TIA/EIA-568-B所界定及承认。并提供16MHz的带宽。曾经常用在10Mbps以太网络。 CAT-4：目前未被TIA/EIA承认。提供20MHz的带宽。以往常用在 16 Mbit/s 的令牌环网络。 CAT-5：目前以TIA/EIA-568-A所界定及承认。并提供100MHz的带宽。目前常用在快速以太网（100
11、 Mbit/s）中。 CAT-5e：目前以TIA/EIA-568-B所界定及承认。并提供100MHz的带宽。目前常用在快速以太网及千兆以太网（1Gbit/s）中。 CAT-6：目前以TIA/EIA-568-B所界定及承认。提供250MHz的带宽，比CAT-5与CAT-5e高出一倍半。 CAT-6A：将来使用在万兆以太网（10 Gbit/s）中。,与,标准：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕 标准：橙白，橙，绿白 ，蓝，蓝白， 绿，棕白，棕 为了保持最佳的兼容性，普遍采用 标准来制作网线。 以太网的网线使用 、编号的芯线传递数据，而 网卡需要使用四对线。由于网卡能够使用按 方式制作的网线；而
12、且双绞线又提供有四对线，因而即使使用 网卡，一般也按 方式制作网线。 标准中要求、线必须是双绞。这是因为，在数据的传输中，为了减少和抑制外界的干扰，发送和接收的数据均以差分方式传输，即每一对线互相扭在一起传输一路差分信,与,主要品牌,国外品牌网线: 1）安普(AMP) 2) 康普(AVAYA) 3）西蒙 4）朗讯 5）丽特 6）IBM 国内品牌网线: 1) IBMNET 2) TCL 3) 一舟(SHOP) 4) 清华同方 5) 兆龙 6) 绿色硅谷,水晶头,剥线钳,网线模块,双绞线器件,测试仪器,2、同轴电缆,同轴电缆在20世纪80年代初的局域网中使用最为广泛，其结构是一个空心外部导体围裹着
13、一个内部导体。 同轴电缆按阻抗可分为： 75同轴电缆：即CATV电缆。宽带宽（300400MHz），适于传输模拟信号，传输距离可达几十公里。 50同轴电缆：仅用户传输数字信号，传输距离可达几公里，又可分为：细缆（10Base2, 1.02mm）和粗缆 (10Base5, 2.54mm）。 一般采用多点连接方式。 抗干扰性和价格介于双绞线和光纤之间。,3、光纤,由三个同心部分组成：纤芯、包层和护套。 光纤可由塑料、玻璃或超高纯石英玻璃组成，不同的材料构成的光线的损耗、传输距离和价格也不同。 光纤通过光信号的有无来表示二进制信号0和1。在发送方需要电光转换设备，在接收方有光电转换设备。 布线中直接
14、使用的是光缆，一根光缆由多根光纤组成,多采用数字传输技术 常用的波长窗口（光纤波段） 850m：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜； 1310nm：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）； 1550nm：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况） 组网方式 点到点：四根线（两根用于保护倒换） 环：两根线（一根用于保护倒换） 特征：不受电磁干扰；价格昂贵。 目前，在试验室中光纤带宽超过50Tbps； 8 2.5 Gbps，8 10 Gbps ，32 10 Gbps的光纤传输已经实用；,3、光纤,输
15、出电信号,波长: 1300,1550 nm,波长 : 850,1300 nm,多束光线以不同的反射角传播,单束光线沿直线传播,光纤传送模式,美国JDSU MTS-6000 光时域反射仪,日本住友TYPE-39光纤熔接机,光源 OLP光功率计,光话机,光纤溶解、测试设备,三、 无线介质,描述以下无线通信的基本原理：电磁频谱无线电传输微波传输红外线和毫米波光波传输卫星通信,无线电,地面微波接力,地球同步卫星,传输介质的选择,费用 材料和设备的安装费用； 运营维护费用； 提供的最大带宽 信号衰减程度 抗电磁干扰能力 安全性,3.5 数据通信性能指标,一、时延与时延带宽积 二、误码率与误比特率 三、信
16、息传输速率与码元传输速率,一、时延与时延带宽积,时延（delay）:计算机网络中,一个数据块（帧、分组、报文段等）从网络的一端传送到另一端所需要的时间。由以下3个部分组成： 发送时延（transmission delay） 发送时延数据块长度/信息传输速率 传播时延（propagation delay） 发送时延信道长度/电磁波在信道上的传输速率 转发时延（relay delay）数据块在中间结点转发数据引起的的时延 总时延发送时延传播时延转发时延 往返时间：TCPRRT）报文发出时刻到确认返回时刻 这 一段时间，TCP的重传策略依据。,时延带宽积:传播时延和带宽的乘积：时延带宽积传播时延带宽
17、(bit/s)管道的体积；表示这一链路上可以容纳多少比特；（用一个圆柱形管道表示一条传输链路） 时延带宽积又称为比特长度，即以比特为单位的链路长度。TCP的往返时延带宽积,一、时延与时延带宽积,误码率Pc: 传输的码元被传错的概率，当传输的码元总数很大时，Pc可以近似定义为：Pc 传错的码元数 传输的码元总数,二、误码率与误比特率,误比特率:是指传输的比特被传错的概率，又称比特误码率（BER-bit error rate），当传输的总比特数很大时，Pb误比特率可以近似为： Pb 传错的比特数 传输的比特总数计算机网络传输差错使用比特误码率，有时简称为误码率。,二、误码率与误比特率,3.5.3
18、信息传输速率与码元传输速率,信息传输速率:每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数，单位是比特/秒，即b/s(bit/second)或 bps。称为比特率。 1Kbps=1000bps,1Mbps=1000kbps计算机网络中，和信息传输速率具有同样含义的另一个术语称为带宽(bandwidth)、吞吐量。,3.5.3 信息传输速率与码元传输速率,码元传输速率:数字数据经编码后的传输信号在信道上的传输速率，它是指每秒传输的码元数，即每秒钟传输信号变化的次数，单位是波特，波特每秒（Bps）。又称为波特率。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特
19、信息。每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。波特率是传输通道频宽的指标。,码元状态数,一个码元就是一个传输信号,不同波形的的传输信号就是不同的码元(码元状态) 波特率与比特率的关系是比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。,波特率（baud）和比特率（bit）的关系,波特率：信号每秒钟变化的次数。 比特率：每秒钟传送的二进制位数。一个信号往往可以携带多个二进制位(一个码元中可以传送多个比特（bit）。所以在固定的信号传输速率下，比特率往往大于波特率。 例：每个信号值可表示位，则比特率是波特率的倍；每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同。Rb= RB log2 V (V为
20、电平的级数)(码元的状态数)编码效率=Rb /RB 取决于编码方法和信号频率,早在1924年，尼奎斯特就认识到这一根本性限制，并推导出一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式； 1948年，香农进一步把尼奎斯特的结论扩展到随机（动态）噪声影响的信道。,3.5.4 信道最大数据传输速率,V 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps8 18000 bps 16 24000 bps 32 30000 bps 64 36000 bps,CMAX = 最大数据传输率，单位b/s或bps H = 带宽，单位Hz V = 信号电平级数,例如： 话音级线路(3000 Hz) 的
21、信道容量计算，如右图所示。 P80例2,Nyquist公式为估算已知带宽无噪声信道的最高速率提供了依据。 结论：P86,适用于理想低通信道（有限带宽无噪声信道）,Nyquist 公式,CMAX2Hlog2V,Rb= RB log2 V RBmax 2H CMAX2Hlog2V,Nyquist 公式推导,S/NdB 信噪比（dB分贝）的定义,CMAX =H log2 V(1+ S/N),S/NdB = 10 log10 S/N,例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB（S/N=1000），则 C=3000*log2(1+1000) 30Kbps,C = 传输率，单位b/s H = 带宽，单位H
22、z,S = 信号功率 N = 噪声功率,Shannel公式：高斯噪声干扰信道,CMAX =H log2 V(1+ S/N),CMAX =H log2 (1+ S/N),Shannel公式：高斯噪声干扰信道,香农定理:如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输；如果RC，则没有任何办法传递这样的信息，或者说传递这样的二进制信息的差错率为1/2。 Shannel公式:在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C由下述公式确定： CMAX =Hlog2(1+ S/N)B是信道带宽（赫），S是信号功率（瓦），N是噪声功
23、率（瓦）。 信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类, CMAX = 2Hlog2V此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 CMAX = Hlog2 (1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。即噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。对于一条带宽为3.1kHz的标准电话信道，若信噪比为30dB，不管用多少码元状态编码。信息传输速率不能超过其极限速率31Kb/s.,Nyquist公式和Shannel公式的比较,3.6 数据编码,数据转换为信号才能在信道上传输； 模拟数据模拟信号 数字数据数字信号 数字数据模拟信号
24、 模拟数据数字信号,3.6.1 信号编码（数字信号编码）,不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 曼彻斯特码（Manchester） 差分曼彻斯特码（Differential Manchester,1.不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）,原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”,低电平表示“0”,高电平表示“1”,缺点： 难以分辨一位的结束和另一位的开始； 送方和接收方必须有时钟同步； 若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。 结论：容易产生传播错误。,1.不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）,逢“1”
25、变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。 逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。,2、曼彻斯特码（Manchester)（英国曼彻斯特大学）,曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。,优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。,3.差分曼彻斯特码（Differential Manchester）,原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前
26、跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。信号反向不影响编码。IEEE802.5 令牌环协议,差分曼彻斯特编码波形图,第一个是0的从低到高，第一个是1的从高到低，后面的就看有没有跳变来决定了（差分曼彻斯特编码) 1代表没有跳变（也就是说上一个波形图在高现在继续在高开始，上一波形图在低继续在低开始）0代表有跳变（也就是说上一个波形图在高位现在必须改在低开始，上一波形图在高位必须改在从低开始）,比特流101100101的以下两个波形,曼彻斯特编码用于以太网中；差分曼彻斯特编码用于令牌环网。,3、差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 原理：每一位中间都有一个跳变，每
27、位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。信号反向不影响编码。4、逢“1”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。5、逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。,信号编码（续）,mB/nB编码,mB/nB编码（m out of n,mn)把m比特的二进制数据块（block）用n比特的二进制代码块来表示； FDDI和100BaseT以太网采用4B/5B编码方式，千兆以太网使用8B/10B编码，万兆以太网使用8B/10B和64B/66B两种编码；,NR
28、Z,曼彻斯特,差分曼彻斯特,逢“1”变化NRZ,逢“0”变化NRZ,信号编码练习,信号编码（图例）,NRZ,曼彻斯特,差分曼彻斯特,逢“1”变化NRZ,逢“0”变化NRZ,3.6.2 调制编码（调制）,利用频带传输方式传输数字数据必须先将数字数据转化为模拟信号再进行传输 调制：将数字数据寄生在正弦载波的某个参数上（用数字数据去调制载波，改变载波的特征参数以便携带数字数据），把数字数据转换成连续的模拟信号 根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK) 频移键控法 Frequency-shi
29、ft keying (FSK) 相移键控法 Phase-shift keying (PSK),调制编码（图例）,四相调制,在多级调制中，调制信号的级数越多，表示的二进制位数就越多，数字数据的传输速率就越大，但相邻级别之间的差别就越小，传输中抗干扰能力就越低，在接收端进行解调的难度也越大。为了进一步提高调制的效率，在同样级别下得到更多的信号状态数，可以对2个参数进行复合多极调制，一般常用幅相键控（APK）(P83图3-20）,3.6.3 模拟数据数字编码（解调）,模拟数据数字编码是解决模拟信号数字化问题，也称脉冲调制(PCM)； 为了将模拟的电话信号转化为数字信号，必须对电话信号进行取样，即每隔
30、一定时间间隔取模拟信号的当前值作为样本，该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬间值，一系列连续的样本就可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值，取样频率根据Nyquist原理确定 尼奎斯特证明：只要取样频率大于等于模拟信号频率的2倍，则可以用得到的样本恢复原来的模拟信号，即 f1=2f2max 过程：采样( 取样）、量化（标准量级取值）、编码（用二进制吗表示采样序列量化后的量化幅度）；,采样,量化、编码,采样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化。 抽样、量化后的信号还不是数字信
31、号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。 最简单的编码方式是二进制编码。具体说来，就是用n比特二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，得到由二进制值脉冲组成的数字信息流 例如，一个模拟信号的4个采样值分别为0.9、3.1、8.6和13.2，量化后分别为1、3、9、和13，如果量化的值用简单的4比特二进制编码，分别可表示为001、0011、1001、1101。编码一般采用810比特，可达2561026个量级,PCM例程,PCM 转换波形变换,B,A,C,D,采样时钟,PAM 信号,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,标准电话语音编码速率,
32、标准电话信号的最高频率3.4kHz，取采样频率为8kHz，即采样周期为125微秒，量化后每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号在编为8为二进制码元，一个标准电话信号的PCM信号速率就是8000次/s 8bit/s=64Kbps,常用的PCM技术,1）振幅调制技术 将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。 例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。2）差分脉冲代码调制 原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字。3） 调制 原理：根据每个采样值与前一个值之间差“+1”或“-1”来决定输出二进制“1”或“0”。 缺
33、点：编码速度跟不上变化太快的信号。,调制解调器,调制器的主要作用就是个波形变换器，它将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形(注意：这并不改变数据的内容)。 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确，则要产生误码。 ITU-T V.34和V.90,调制解调器图例,3.7 信道复用技术,引入：由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。例如：P80例2,常用技术信道复用技术,时分复用 TDM（Time Division Multiplexing） 频分复用 FDM
34、（Frequency Division Multiplexing） 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 码分复用CDM（ Code Division Multiplexing ）,3.6.1 时分多路复用技术 TDM、STDM,定义：当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用。 TDM的实现 传输时将时间分成等长的时间片（时分复用帧TDM帧）每个TDM帧划分为若干个时隙； 通过时隙轮转方式将时隙依次分配
35、给指定的信号； 在接收方也通过时隙轮转方式在指定的时隙依次接收指定的信号。 TDM的分类 同步TDM 特点：时隙固定分配，适合固定速率传输 异步TDM 特点：时隙按需分配，适合可变速率传输,同步与异步TDM,时分多路复用 (续),TDM多适用于数字信号传输,理解TDM,时分多路复用 (续),统计(异步)TDM STDM,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。 改进： 使用统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空时间片就将数据放入。,各数据之前要附有该路地址， 以便接收方能分出各路信号,TDM 和 STDM 的比较,T1/E1,现在的数字传
36、输系统都是采用脉冲调制PCM体制，PCM目前有两个互补兼容的国际标准； 北美的24路PCM（T1，速率是1.544Mbps) 欧洲的30路PCM（E1，速率是2.048Mbps）原理：为了有效的利用传输线路，将多路语音的PCM信号用时分复用的方法装成帧，然后再送往线路上，完成传输。,时分多路复用的应用,T1 信道广泛用于北美和日本的电话系统中。每秒 8000 次采样(帧)，一共24路信号，每路信号8位(含1比特控制),每帧还有1同步比特。 数据传输率：193 * 8000 = 1.544 Mbps,T1 信道传输速率1.544 Mbps,T1 信道复用24路电话,TDM 分层多路复用 (T1,
37、T2,T3,T4),T1,T2,T3,T4,见P95页表3-2,T1 Carrier,24路PCM信号的每一路，轮流将一个字节插入帧中，每个字节长度为8，其中7位是数据位，1位用于校验位。再加上附加1位作为帧的开始标识位，所以共193位。193/（12510-6)1.544Mbps。（每个TDM帧长125微秒，占用带宽（bps）1.544Mbps,或者说24路电话（T1）占用1.544Mbps）,时分多路复用 (续),E1信道 用于北美和日本以外地区，包括中国。每秒8000次采样(帧)，一共32路信号(其中2路作信令同步)，每路信号8位,每帧还有1同步比特。速率为：8 * 32 * 8000
38、= 2.048 Mbps,30 路话音数据信道 + 2 路控制信道,E1 的时分复用帧,帧同步,信令信道,3.6.2 频分多路复用技术 FDM,定义：当传输介质的可用带宽（频率带宽）超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用。 FDM的实现 通过调制将不同信号的频率调制到不同的频率范围； 将多路信号合成为一路频率范围更大的信号进行发送； 在接收方再通过解调将信号重新还原成多路信号。,频分复用,话音频率为3003400hz，大概带宽限制在3000左右,FDM图例,FDM 分层多路复用,问题,时分复用和频分复用各
39、自适合数字信号还是模拟信号？,波分多路复用WDM,波分多路复用（WDM）:是光的频分复用。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。这样复用后，可以使光纤的传输能力成几倍几十倍的提高。,F2,F1,F3,光谱,F1,F2,F3,共享光纤的光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,棱柱/衍射光栅,原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。,波分复用WDM,波分多路复用 (WDM),目前一根单模光纤的传输速率可达到 2.5Gb/s，如能采用色散补偿技术解决光纤传输中
40、的色散问题 (指光脉冲中由于不同频率分量传输速率不同导致信号失真产生误码的现象)，则一根单模光纤的传输速率可达到10Gb/s，这已是当前单个光载波信号传输的极限值。,波分多路复用 (续),密集波分复用(DWDM)在1.55微米波长区同时用4、8、16或n个波长，在一对光纤（少数系统采用单光纤）构成的光通信系统。,DWDM 传输（常用在干线上传输）,DWDM 传输 （续）,前图中，8 路 2.5Gb/s 的光载波(波长1310nm)，经光的调制后，分别将波长变换到15501557nm，经光复用器后在一根光纤中传输，传输总速率可达20Gb/s， 经一段距离传输后光信号衰减，使用掺铒光纤放大器EDF
41、A放大(这种光放大器不需光电转换，能直接对光信号放大)，两放大器间距120km，复用器分用器间无光电转换距离可600km。若光缆中有几十根这样的光纤，总数据率可达 Tb/s 级。,3.7.4 码分复用CDMA工作原理,比特时间进一步划分为m（或64或128）个短的时间段，称为码片(chip)。 每个站被指派一个惟一的m bit码片序列 发送比特1，则发送m bit码片序列 发送比特0，则发送码片序列的二进制反码 任意两个码片序列（S，T）必须满足正交关系 ST0，SS1 ，SS-1 ，ST0 CDMA例程：教材p92.,码片序列,例如，S 站的 8 位码片序列是 00011011。 发送比特
42、1 时，就发送序列 00011011 发送比特 0 时，就发送序列 11100100为数学运算方便，将S 站的码片序列表示成(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),设向量 S 表示站 S 的码片向量， T 表示站T的码片向量。两个不同站的码片序列正交，必须向量 S 和T 的归一化内积(inner product)为 0：,码片序列间要相互正交,公式的含义：在时间片序列S和T的向量中，对应分量相等的数目和不相等的数目是一样的。,例如：设 S(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),T= (1 1 +1 1 +1 +1 +1 1),则,码片序列间要相互正交,假定所有站在时间上是同步的，它们的
43、时间片序列都是在一个时刻开始，当两个或多个站并发传输时它们的双极信号是线性叠加的，因此不存在侦的冲突问题。,推 论,由可推知：,CDMA 接收,CDMA接收时，接收器必须预先知道这个站的时间片序列，它只要计算出接受的时间片序列与该站的时间片序列的归一化内积，就可以恢复此站的该站发送的数据。例如：接收器收到收到的码片序列和为S，接收站要听码片序列为C的站发出的数据，并设站A发送1，站B发送0，站C发送1，则接收站计算C站发出的数据为：,CDMA 举例 1,CDMA 举例 2 发送,CDMA 举例 2 接收,目前的数字传输复用速率存在着诸多缺点，其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一和不是同步
44、传输； 为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)。整个同步网络的各级时钟同步，最好的铯原子钟达到500万年才相差 1 秒。 为光钎传输系统定义了同步传输的线路等级结构; OC光载波；STS同步传输信号,7.3.5 SONET与SDH,SONET与SDH,ITU-T以美国的SONET标准为基础，制订出了国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy)，即1988年通过的G.707G.709等三个建议书。 与SONET的主要不同在于SDH的基本速率为1
45、55.52Mbps，称为第一级同步传递模块，STM-1.,3.7.5 SONET与SDH的速率等级对应表,3.8 数据交换技术,交换的定义 在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，动态地接通或断开通信线路。交换方式分类： 电路交换 存储转发方式 报文交换 分组交换（包交换）,3.8.1 电路交换（circuit switching）,原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通 信双方。 三个阶段： 建立电路 传输数据 拆除电路 特点： 在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路； 建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短。例： Telephone networksISDN (Integrat
46、ed Services Digital Networks),3.8.2 报文交换（message switching）,原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。特点： 线路利用率高 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大 延迟时间长,3.8.3 分组交换（packet switching）,原理： 信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。 分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。,特点： 网络结点设备中不预先分配资源； 线路利用率高； 结点存储器利用率高； 易于重传，可靠性高； 易于开始新的传输，让紧急信息优先通过； 额
47、外信息增加。 分组交换类型 数据报（datagram） 虚电路（virtual circuit）,数据报和虚电路,数据报 每个分组独立路由； 适于传送少量分组，省去呼叫建立过程，速度快； 可以较好处理拥塞； 比较可靠。 虚电路 所有分组只作一次路由； 发送分组前需要建立虚电路； 相对数据报，网络在处理拥塞时困难，不可靠。,交换方式比较,电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济； 报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟大； 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较（最）好的一种交换技术。,3
48、.9 物理层规程,一、DTE与DCE DTE(Data Terminal Equipment)是指具有一定的数据处理能力以及收发能力的数据输入/输出设备、终端设备或计算机等终端装置。 数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)，是指自动呼叫应答设备、交换机以及其它一些中间装置的集合,其作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路连接。,DTE通信连接,3.9.2 物理层接口标准,ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 物理层的功能：在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 研究内容：物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。,机械特性 (mechanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 规程特性 (procedural characteristics),
