單元2網絡數據通信基礎主講：姚遠耀【知識目標】1.理解數據通信的基本概念和技術指標2.理解異步通信和同步通信的過程3.理解數字（模擬）數據到數字（模擬）信號的編碼過程4.了解常用的數據交換技術和多路復用技術5.理解多路復用技術6.理解網絡噪聲干擾與差錯控制技術【能力目標】1.能夠配置網絡終端的基本通信參數。2.能夠測試網絡終端的網速狀況。教學目標2.1數據通信基礎虛擬儀器采集到的信號

3信息、數據和信號（信息與信號是否是同一概念？）信息：是人們對現實世界事物存在方式或運動狀態的某種認識，是客觀事物屬性和相關特征的表征。“對人們有用的知識”數據：是把事件的某些屬性規范化后的表現形式，一般可以理解為“信息的數字化形式”。它總是以某種媒體作為載體進行存儲和傳遞。信號：是數據的具體物理表現，具有確定的物理描述。例如電信號、電磁信號、光信號、載波信號、脈沖信號等。“信號是以某種特性參數的變化來代表信息的”，可以是模擬的，也可以是數字的。信息的傳遞依據信號的變化進行。1.數據通信的基本概念4根據信號使用的特性參數的不同，分為：數字信號：當通信中的數據用離散的電信號表示時，就稱為數字信號。模擬信號：當通信中的數據用連續載波表示時，就稱為模擬信號。52.數據在網絡通信中的形式頻帶傳輸：也稱作模擬傳輸。

放大器

噪聲

傳輸距離受限

例如：電話線、廣播基帶傳輸：也叫做數字傳輸，即傳輸信道上傳輸的是數字信號。

轉發器

多級轉發不會積累噪聲引起的失真

長距離傳輸計算機網絡重點解決數字數據的基帶傳輸。6從數據到信號的編碼在數據通信中，由計算機產生的數字數據要經過編碼成數字信號(而不是直接)才送入數字傳輸信道。為什么進行編碼呢？未經編碼的二進制基帶數字信號就是高電平和低電平不斷交替的信號。至于是用高電平還是用低電平代表1或0則都是可以的。使用這種基帶信號的最大問題是當出現一長串的連續1或連續0時，在接收端中無法從收到的比特流中提取位同步信號。7數據到數字信號的編碼例如表示10110001的矩形波，若把比特持續時間縮短一半，就會讀成1100111100000011，也就是接收方與發送方之間無法做到位同步。8解決方案在網絡傳輸中通常使用自同步的編碼方法，所謂自同步就是接收方能夠從傳輸的數據流中提取同步時鐘，以達到與發送方同步的目的。經常使用的自同步技術：曼徹斯特編碼技術（以太網）：在每個比特間隙中間引入跳變來代表不同比特和同步信息：負電平到正電平的跳變代表比特1；正電平到負電平的跳變則代表比特0；相反也是可以的。差分曼徹斯特編碼技術（令牌環網）：比特間隙中間的跳變用于攜帶同步信息，但是在比特間隙開始位置有一個附加的跳變用來表示不同比特；即：開始位置有跳變代表比特0，沒有則代表比特1；9曼徹斯特編碼：0：正到負；1：負到正；相反也是可以的差分曼徹斯特編碼：0：比特之間有跳變；1：比特之間沒有跳變；曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼方式的缺點是在每比特的持續時間內將可能出現多達兩次跳變，意味著若要達到10Mbps的數據速率會使線路上信號狀態每秒變化20M次1011數字數據到模擬信號編碼基本知識：數字/模擬信號的轉換是通過調制/解調技術實現的；調制：將數字信號轉換為模擬信號的過程；解調：將從模擬信道獲得的載波信號還原為數字信息；調制器：以位串為輸入，以調制后的載波為輸出的硬件線路；解調器：以載波為輸入，以重建的二進制位串為輸出的硬件線路；調制解調器（modem）：調制器和解調器的組合；支持雙工通信。12數字數據－>模擬信號的編碼數字信號是通過調制振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的組合轉換成模擬信號。最基本的調制方式有三種：ASK、FSK、PSK；調幅（ASK）：載波振幅隨基帶數字信號而變化；“0”對應于無載波輸出；“1”對應于有載波輸出；調頻（FSK）：載波頻率隨基帶數字信號而變化；“0”：頻率較低的信號；“1”：頻率較高的信號；調相（PSK）：載波初始相位隨基帶數字信號而變化。“0”：相位0o；“1”：相位180o；13數字數據－>模擬信號的編碼141.通信系統模型變換信源信宿反變換噪聲信道由發送器完成變換具體指的是什么？舉例說明接收器噪聲會導致信號出現什么問題？通信系統三要素2.1.3數據通信的傳輸過程152.數據通信方式數據通信中，按信號在傳輸介質中的傳輸方向，可分三種方式：單工、半雙工、全雙工。163.異步與同步通信數據通信的工作方式分為并行通信和串行通信兩種。并行通信：利用多條數據傳輸線將一個數據的各位同時傳送；特點：速度快，適用短距離通信；串行通信：利用一條傳輸線將數據一位位地順序傳送；特點：線路簡單（電話或電報線路），降低成本，遠距離通信，傳輸速度慢；17異步與同步通信數據通信的一個基本要求是接收方必須知道它所接收的每一位或每個字符的起始時間。數據通信的同步方式分為兩種：異步傳輸和同步傳輸。串行通信方式：在曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼中，我們已經了解如何識別信息流中每一位的方法，但是有一個假定的前提條件，就是我們知道整個信息流的起始位置，例如，下圖所示是接收端收到的曼徹斯特編碼后的信號，如何識別是一串0還是一串1呢？18異步與同步通信同步：接收端按發送端發送地每個碼元的起止時間及重復頻率來接收數據，并且校對自己的時間，以便與發送端的發送取得一致，實現同步接收。異步傳輸：每個字節作為一個單元獨立傳輸，字節之間的傳輸間隔任意；為了標志字節的開始和結尾，在每個字節的開始加一位起始位，結尾加1位或2位停止位，構成一個個的“字符”。這里的“字符”指異步傳輸的數據單元，不同于“字節”，一般略大于一個字節。19異步傳輸下圖為字母A的代碼（1000001）在異步方式時的傳輸結構20同步傳輸同步傳輸不是對每個字符單獨進行同步，而是對一個數據塊進行同步；同步的方法不是加一位起始/停止位，而是在數據塊前面加特殊模式的位組合(如01111110，稱為位同步)或同步字符(SYN，代碼為0010110，稱為字符同步)，并且通過位填充或字符填充技術保證數據塊中的數據不會與同步字符混淆。21同步傳輸同步通信規程有以下兩種：面向比特規程：以二進制位作為信息單位，現代計算機網絡大多采用此類型規程，最典型的是高級數據鏈路控制規程HDLC以二進制作為信息單位，以8位的標志F開始，也以標志F作后同步面向比特（bit）型規程（HDLC）22同步傳輸面向字符型規程：以字符作為信息單位。字符是EBCD碼或ASCII碼，典型代表是IBM公司的二進制同步控制規程BSC規程。在使用面向比特的同步規程時，若在數字位串中出現了01111110時將使用比特填充的方法予以識別，例如要發送的數據位串是01101111110010111110100，進行位填充后為0110111110100101111100100面向字符型規程（BSC）23同步傳輸同步通信的優缺點：優點：取消了每個字符的同步位，提高了效率，實現與大型機的通信；缺點：軟硬件費用太高；242.2數據通信的性能指標調制速率與信息傳輸速率：調制速率（信號傳輸速率或者波特率）：定義：數字信號經過調制以后的傳輸速率，或者說是信號在調制過程中每秒鐘其狀態變化的次數，即單位時間內傳輸的波形數（或稱每秒鐘發送的碼元數），單位為baud。B=1/T其中T表示單位脈沖寬度。我們可假定一個波形持續時間為833×10-6s，

則1秒鐘可輸出的波形數為1/(833×10-6)=1200個25信息傳輸速率：又稱比特率，指每秒能傳輸多少構成數據的位數；S=(log2N)/T，以位/秒為單位，簡稱bps，N表示碼元有效狀態個數；若碼元狀態數=2（狀態0和1），即1碼元=1bit，比特率S=波特率B（僅值相等）；若碼元狀態數=4（00、01、10、11），即1碼元=2bit，則比特率＝2×波特率；例子：一臺四相調制解調器，單位脈沖T=833*10-6S，求調制速率和數據傳輸速率；調制速率B=1/T=1/(833*10-6)s=1200Baud數據傳輸速率S=1/T(log2N)=1200*log24=2400bps26主要技術指標碼元與信息量：數字信號由碼元組成，碼元是承載信息的基本信號單位。比如用脈沖信號表示數據時，一個單位脈沖就是一碼元。一碼元的信息量是由碼元所能表示的數據有效狀態值個數決定的，若一碼元有00、01、10、11四個有效狀態值，則一碼元能攜帶2bit的信息。如圖：27帶寬和信道容量帶寬和信道容量：帶寬是指任何實際的模擬信道所能傳輸的信號范圍。信道容量即最大數據速率是受信道帶寬制約的。例如一路電話話頻線路的帶寬常為4kHz。對于這個問題，奈奎斯特和香農先后展開了研究，并從不同角度在不同情況下分別給出了兩個著名公式：奈奎斯特公式和香農公式。奈奎斯特公式給出了無熱噪聲（由分子熱運動引起的噪聲）時信道帶寬對最大數據速率的限制，具體為

最大數據傳輸速率C=2Hlog2L(bps)H為信道帶寬，單位Hz，L表示某給定時刻數字信號可能取的離散值的個數。例如某信道帶寬為4kHz任何時刻數字信號可取0、1、2、3四種電平之一，其最大數據速率是多少？28帶寬和信道容量香農則進一步研究了受噪聲干擾的信道情況，熱噪聲以信號功率與噪聲功率之比來度量，這個比值叫作信噪比。如果用S表示信號功率，N表示噪聲功率，則信噪比為S/N。通常人們并不使用信噪比本身，而是使用10log10（S/N），其單位為分貝（dB）。香農關于噪聲信道的主要結論是：任何帶寬為H（Hz），信噪比為S/N的信道，其最大數據傳輸率為：C=Hlog2（1+S/N）b/s

例如：信噪比為30dB，帶寬為4000Hz的信道最大數據速率是多少？29誤碼率和誤比特率誤碼率：誤碼率是在通信系統中衡量系統傳輸可靠性的指標，它的定義是二進制碼元在傳輸系統中被傳錯的概率。從統計的理論講，當所傳送的數字序列無限長時，誤碼率為：

Pe=Ne/N其中N表示傳輸的二進制碼元總數；Ne表示被傳錯的碼元數。誤比特率：Pb=錯誤的比特數/傳輸的總比特數302.2.2信道復用技術

引入：由于一條傳輸線路的某方面的能力遠遠超過傳輸一個用戶信號所需的能力，為了提高線路利用率，經常讓多個信號同時共用一條物理線路。 常用的有三種方法：時分復用TDM

頻分復用FDM波分復用WDM碼分復用CDM

3132共享信道復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術33頻分多路復用（FDM）

頻分多路復用（Frequency-divisionmultiplexing，FDM），是一種將多路基帶信號調制到不同頻率載波上再進行疊加形成一個復合信號的多路復用技術。在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬的情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同（或略寬）的子信道，每個子信道傳輸一種信號，這就是頻分多路復用（如下圖所示）。頻分多路復用34用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。

頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5舉例：一路模擬電視信號需要帶寬6MHz（該帶寬并不是完全被信號所占用，其中會包含保護帶——保證各路信號的頻帶間不發生重疊，不會相互干擾），一根75Ω同軸電纜提供的帶寬在400MHz左右400MHz0~6MHZ頻段由低到高6~12MHZ12~18MHZ……….頻分復用舉例復用器頻率信號能量6M0頻率信號能量6M0頻率信號能量6M0分用器頻率信號能量18M12M6M頻率信號能量6M0頻率信號能量6M0頻率信號能量6M0先由復用器將兩路信號的頻段分別調至6MHz~12MHz和12MHz~18MHz，即完成頻譜搬移過程，然后將三路位于三個不同頻段的信號復合在一起進行傳輸，在接收端由分用器將信號還原為0~6MHz，并根據信號和頻段間的固定對應關系確定每一路信號3637時分多路復用（TDM）

時分多路復用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），即把一個傳輸通道進行時間分割以傳送若干話路的信息，如下圖所示。把N個話路設備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流的給各個設備分配一段使用通道的時間。當輪到某個設備時，這個設備與通道接通，執行操作。與此同時，其它設備與通道的聯系均被切斷。待指定的使用時間間隔一到，則通過時分多路轉換開關把通道聯接到下一個要連接的設備上去。時分制通信也稱時間分割通信，它是數字電話多路通信的主要方法38時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。39時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀40時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀41時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀42時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀4路64kbps信號共用傳輸速率為256kbps的信道時分復用舉例44波分多路復用（WDM）

波分復用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）是指在一根光纖上使用不同的波長同時傳送多路光波信號的一種技術。WDM應用于光纖信道。波分復用原理

:WDM和FDM基本上都基于相同原理，所不同的是WDM應用于光纖信道上的光波傳輸過程，如下圖所示，而FDM應用于電模擬傳輸。包含衍射光柵（DiffractionGrating）的WDM光纖系統完全不活躍，這一點與電FDM不同，因此它具有高度可靠性能。而且每個WDM光纖信道的載波頻率是FDM載波頻率的百萬倍。波分復用原理波分復用舉例46碼分多路復用（CDMA）CDMA是碼分多址的英文縮寫(CodeDivisionMultipleAccess)，它是在擴頻（SpreadSpectrum）通信技術上發展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。CDMA也是一種共享信道的方法，使用基于碼型的信道分割方法，為每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強。CDMA可以在一個信道上同時傳輸多個用戶的信息，也就是說，允許用戶之間的相互干擾，因此每個用戶能在同一時間使用同樣的頻帶進行通信。碼分多路復用技術主要用于無線通信系統，主要是移動通信系統。它不僅可以提高通信的話音質量和數據傳輸的可靠性以及減少干擾對通信的影響，而且增大了通信系統的容量。筆記本電腦及掌上電腦等移動性計算機的聯網通信就是使用了這種技術。CDMA技術也是第三代移動通信（3rd-generation，3G）的技術基礎，目前3G技術的標準有美國的CDMA2000，歐洲和日本的WCDMA，我國的TD-SCDMA和WiMAX。在中國，WCDMA是中國聯通采用的3G技術標準，TD-SCDMA是中國移動采用的3G技術標準，CDMA2000是中國電信采用的3G技術標準。3G和4G標準總結3G標準有：TD-SCDMA（移動3g，屬于國產，其他國家沒有這個.缺點：支持的手機少，網速最慢，資費高.）；

WCDMA（聯通3g，是世界主流.只要開通3g的國家都有聯通3g.網速最快,缺點為3g信號最弱）、

CDMA2000（電信3g，美國，日本，東南亞都以這個為主流.抗干擾，所以信號不用擔心.世界各國的領導人都用這個CDMA.國內的政府機關一律強制電信卡.）

剩下還有一個3g標準就是WIMAX。這個世界沒有幾個運營商在用，忽略不計.4G標準分為：TDD-LTE（移動4g.全球只有中國有）

FDD-LTE：聯通和電信以FDD為主（全球主流.全球除了國內，其他國家都走的這個.聯通和電信是TDD-FDD融合）

WIMAX：忽略不計47482.2.3差錯控制技術差錯產生的原因：

所謂差錯，就是在通信接收端收到的數據與發送端實際發出的數據出現不一致的現象。這種差錯是由通信信道的噪聲產生的。一般而言，通信信道的噪聲分為熱噪聲和沖擊噪聲兩種。熱噪聲是由傳輸介質導體的電子熱運動產生的，它的特點是：時刻存在，幅度較小且強度與頻率無關，但頻譜很寬，是一類隨機噪聲。由熱噪聲引起的差錯稱隨機差錯。此類差錯的特點是：差錯是孤立的，在計算機網絡應用中是極個別的。與熱噪聲相比，沖擊噪聲幅度較大，是引起傳輸差錯的主要原因。沖擊噪聲的持續時間要比數據傳輸中的每比特發送時間要長（如外界磁場的變換、電源開關的跳變等），因而沖擊噪聲會引起相鄰多個數據位出錯。沖擊噪聲引起的傳輸差錯稱為突發差錯，它的特點是：差錯呈突發狀，影響一批連續的數據位。計算機網絡中的差錯主要是突發差錯。492.7.2差錯控制方法

差錯控制是指在數據通信過程中能發現或糾正差錯，將差錯限制在盡可能小的允許范圍內。常用的差錯控制方法有反饋檢測、自動請求重發（ARQ）和前向糾錯（FEC）。1.反饋檢測反饋檢測方法又稱回送校驗法。雙方在進行數據傳輸時，接收方將接收到的數據重新發回發送方，由發送方檢查是否與原始數據完全相符。如不相符，則發送方發送一個控制信息通知接收方刪去出錯的數據。并重新發送該數據；如相符，則發送下一個數據。其原理如下圖所示，特點：原理簡單、實現容易、可靠性強，但開銷大，信道利用率低。反饋檢測原理50ARQ的原理是：發送方將要發送的數據附加上一定的冗余檢錯碼一并發送，接收方則根據檢錯碼對數據進行差錯檢測，如發現差錯，則接收方返回請求重發的信息，發送方在收到請求重發的信息后，重新傳送數據；如沒有發現差錯，則發送下一個數據，如下圖所示。為保證通信正常進行，還需引入計時器（防止整個數據幀或反饋信息丟失）和幀編號（以防止接收方多次收到同一幀并遞交給網絡層）。特點：使用檢錯碼（常用的有奇偶校驗碼和CRC碼等）、必須是雙向信道、發送方需設置緩沖器。ARQ原理2.自動請求重發（ARQ）自動請求重發簡稱ARQ(AutomaticRepeatreQuest)，是計算機網絡中較常采用的差錯控制方法。513.前向糾錯（FEC）

前向糾錯簡稱FEC(ForwardErrorCorrection)，其原理是：發送方將要發送的數據附加上一定的冗余糾錯碼一并發送，接收方則根據糾錯碼對數據進行差錯檢測，如發現差錯，由接收方進行糾正。特點：使用糾錯碼（糾錯碼編碼效率低且設備復雜）、單向信道、發送方無需設置緩沖器。52差錯控制編碼

差錯控制編碼的原理是：發送方對準備傳輸的數據進行抗干擾編碼，即按某種算法附加上一定的冗余位，構成一個碼字后再發送。接收方收到數據后進行校驗，即檢查信息位和附加的冗余位之間的關系，以檢查傳輸過程中是否有差錯發生。差錯控制編碼分檢錯碼和糾錯碼兩種，檢錯碼是能自動發現差錯的編碼，糾錯碼是不僅能發現差錯而且能自動糾正差錯的編碼。計算機網絡中常用的差錯控制編碼是奇偶校驗碼、循環冗余碼和海明校驗碼。

53奇偶校驗碼奇偶校驗碼是一種最簡單的檢錯碼。其原理是:通過增加冗余位（校驗位）來使得碼字中“l”的個數保持為奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。它分為垂直奇（偶）校驗、水平奇（偶）校驗與水平垂直奇偶校驗（方陣碼）。

54（1）水平奇（偶）校驗是指在面向字符的數據傳輸中，在每個字符的7位信息碼后附加一個校驗位0或1，使整個字符中二進制位1的個數為奇（偶）數。如果使編碼中“1”的個數成為奇數則叫做奇校驗，反之，則叫做偶校驗。例如：字符R的ASCII編碼為1010010

后面增加一位進行奇校驗10100100

（使“1”的個數為奇數）傳送時，其中一位出差錯10110100（奇校驗檢查出錯）傳送時有兩位出差錯10111100（奇校驗不能檢錯）缺點：只能發現字符傳輸中的奇數位錯，而不能發現偶數位錯。55（2）垂直奇（偶）校驗垂直奇偶校驗也稱為組校驗，是將所發送的若干個字符組成字符組或字符塊，形式上看相當于是一個矩陣，每行為一個字符，每列為所有字符對應的相同位。方法：在每列的信息碼后附加一個校驗位0或1，使每列中二進制位1的個數為奇（偶）數。缺點：只能發現每列中的奇數位錯，而不能發現偶數位錯。56垂直奇校驗的例子1000101字符1b1b2b3b4b5b6b71100101字符21101101字符31010101字符410001011000111字符61000101字符71110101字符8

1010101

校驗字符字符557（3）水平垂直奇（偶）校驗同時采用了水平奇偶校驗和垂直奇偶校驗，即既對每個字符做水平校驗，同時也對整個字符塊做垂直校驗，則奇偶校驗碼的檢錯能力可以明顯提高。方法：在每個字符的末尾附加一個校驗位0或1，使每個字符二進制位1的個數為奇（偶）數，同時在每列的末尾附加一個校驗位0或1，使每列中二進制位1的個數也為奇（偶）數。優點：采用這種校驗之后，如果其中有一個二進位出錯，不僅從一橫行中的校驗位中反映出來，同時從一縱列的校驗位中也反映出來，概括垂直和水平兩個校驗位的反映，可以確知出錯的位置，從而加以校正。采用這種辦法之后，不僅可以檢驗出一位出錯，而且可以自動糾正一位差錯，使誤碼率能降低2～4個數量級，糾錯效果十分顯著。58水平垂直奇校驗的例子10001010字符1b1

b2b3b4b5b6b7校驗位11001011字符211011010字符310101011字符41000101010001111字符610001010字符711101010字符81010101

0校驗位字符559循環冗余校驗碼(CRC）循環冗余碼又稱CRC碼(CyclicRedundancyCode)，簡稱循環碼。CRC碼檢錯能力強，且容易實現，是目前最廣泛的檢錯碼編碼方法之一。CRC也是一種檢錯碼，其編碼過程涉及多項式及多項式除法運算知識。如比特串B7B6B5B4B3B2B1BO可表示為多項式形式：B7×X7+B6×X6+B5×X5+B4×X4+B3×X3+B2×X2+B1×X1+BO×X0，若比特串取值為10101110，則該比特串可被表示成二進制多項式x7+x5+x3+x2+x1。60循環冗余校驗碼(CRC）工作原理：是將所傳輸的數據除以一個預先設定的除數，所得的余數作為