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第 3章 数据通信基础
3.1 基本通信理论
3.2 多路复用技术
3.3 调制技术
3.4 通信技术
3.5 交换技术
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3.1 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，模拟信号是连续变化的电压或电流波形，而数字信号是一系列表示数字,0”或,1”的电脉冲（又程码元）。同模拟传输相比，数字传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。
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3.1 基本通信理论
3.1.1 数据通信中的几个主要指标
1.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。
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2.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。
B=2H（ baud）
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3.数据传输率
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 b/s,Kb/s,Mb/s
，简写位 bps,Kbps,Mbps。
数据传输率和信号传输速率的关系：
S=Blog2N
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0 0
1 1
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00
01
10
11
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000
010
100
111
S=Blog2N
S 数据传输率,B信号传输速率
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4.信道容量
理想信道
Nyquist定理：
Cmax=2Hlog2N（ bps）
N 最大数据率 (C)
2 6000 bps
4 12000 bps
8 18000 bps
16 24000 bps
话音级线路的信道容量计算
(3000 Hz)
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，即信道所能支持的最大数据传输速率。
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4.信道容量
有噪声信道
Shannon定理：
C=Hlog2(1+S/N)（ bps）
S/N 信噪比（ dB分贝）
结论,
H一定，理想信道,N增加,S增加噪声信道,S/N 增加,C增加
计算理想信道和有噪声信道两种情况，取小值。
S/Ndb = 10 log10 S/N
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5,误码率传错的位数误码率 = --------------------
传送的总位数
Pe= Ne / N
误码率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，它定义为传输出错的码元数占传输总码元数的比例。
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3,2多路复用技术
FDM (频分复用 )
WDM (波分复用 )
TDM (时分复用 )
CDMA (码分多址 )
DEMUX
复用器 解复用器共享信道
MUX
复用：共享使用公共信道采用多路复用技术，可以将多路信号组合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。
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1.频分多路复用
CH2
CH1
CH3
原始带宽
CH1
CH2
CH3
频分后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用
f
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)。
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2.时分多路复用
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后数据时隙1 2 3 4
D3D2D1
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（ Time Division Multiplexing,TDM)。
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统计 TDM
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1 B1 C1 D1 C2 D2A2 B2
周期 1 周期 2
同步 TDM
带宽浪费
A1 B1 C2B2
周期 1 周期 2
统计 TDM
可用带宽
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棱柱 /衍射光栅
3.波分多路复用
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
采用无源设备，更可靠波分多路复用（ Wavelength Division Multiplexing，
WDM）是 FDM应用于光纤信道的一个变例。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。
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4.码分多址
（ Code Division Multiple Access,CDMA），在 CDMA
中，每个比特时间又再分成 m个码片，每个站分配一个唯一的 m比特码序列，当某个站欲发送,1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送,0”时，它就发送它的码序列的反码。
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模拟传输和数字传输话音 电话 模拟模拟数据,模拟信号数字 Modem 模拟数字数据，模拟信号数字 数字传输 数字数字数据，数字信号模拟 CODEC 数字模拟数据，数字信号
3.3 调制技术将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，这类技术统称为调制 /解调技术。
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1.连续波数字调制
0 0 1 1 0 1 00 0 1 0
ASK
FSK
PSK
调制的方法是，选取一个适合在线路上传输的正弦波作为载波，令载波的某些特征随基带信号的变化而变化。
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2.脉冲数字调制模拟话音采样时钟 PAM 信号 PCM 信号采样电路 量化和比较 数字化声音由于数字传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，常常需要把模拟数据转换成数字信号来传输。
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Nyquist理论在理想的无噪声信道，若 f 是传输媒体的最大传输频率,采样频率为 2*f时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号
Nyquist,1920
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PCM
采样信号：基于 nyquist理论
3.2 3.9 2.8 3.4
1.2
4.2
3 4 3 3
1
4
011 100 011 011 001 100
原始信号
PAM脉冲（ 采样 ）
PCM 脉冲（ 量化 ）
有量化差错
011100011011001100PCM 输出（ 编码 ）
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PCM 转化过程
BA C D
A
B
C
D
模拟话 音采样时钟
PAM 信号 PCM 信号采样电路 量化和比较 数字化声音
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3.数字数据的数字编码单极性码，是指在每一个码元时间间隔内，有电流
（电压）表示二进制,1”，无电流表示二进制,0”。
双极性码是指在一个码元时间间隔内，发正电流（
电压）表示二进制,1”，发负电流表示二进制,0”。
单极性码与双极性码
归零码与不归零码不归零码是指在一个码元的全部时间内，电压保持恒定，这种码又称全宽码。
归零码是指在一个码元的时间内，非零电压的持续时间小于一个码元的时间，即在一个码元的后半部分时间内，电压总是归于零的。
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3.数字数据的数字编码曼彻斯特编码的规律是：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示,0”，从低到高的跳变表示
,1”。
差分曼彻斯特编码的规律是：每位的中间也有一个电平跳变，但不用这个跳变来表示数据，而是利用每个码元开始时有无跳变来表示,0”或,1”，有跳变表示
,0”，无跳变表示,1”。
曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码
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3.数字数据的数字编码
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
时钟
NRZ
Manchester
差分Manchester
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3.4通信线路的通信方式
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3.4通信线路的通信方式在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式，称为单工通信。
1,单工通信数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间段传输，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息，
这种通信方式称为半双工通信。
2,半双工通信可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。
3,全双工通信
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3.5 交换技术
电路交换
存储交换报文交换分组交换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。
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电路交换要求再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。
1.电路交换电路交换的优点是数据传输可靠、迅速，而且保证顺序。缺点是电路建立和拆除的时间较长，而且在此期间，电路不能被共享，资源被浪费。适用于远程批处理信息传输和实时性要求高的场合。
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发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，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。
2.存储交换报文交换的优点是线路利用率高；不需要同时启动发送器和接收器来传输数据，网络可暂存；通信量大时仍可接收报文，但传输延迟会增加；一份报文可发往多个目的地；交换网络可对报文进行速度和代码等的转换。缺点：中间节点必须具备很大的存储空间；大报文的传输，增加小报文在网络种的延迟时间；当信道误码率高时，频繁重发。
缓冲存储信息处理和转发输入 输出
报文交换
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报文交换的缺点是由报文太长引起的，因此分组交换的思想是限制发送和转发的信息长度，将一个大报文分割成一定长度的信息单位，称为分组，并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。
2.存储交换
分组交换
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物理层协议举例数据链路层实体物理实体 物理实体 物理实体
P1 P1
接口
M FEC
物理媒体连接物理媒体连接与媒体接口数据链路层实体系统连接的实际环境系统连接的逻辑环境（物理层模型）
DTE DCE DCE DTE
公用电话交换网
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EIA RS-232-C
DTE（数据终端设备）,具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备，如计算机。
DCE（数据电路端接设备）：在 DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如
MODEM
机械特性,规定 DTE和 DCE之间的机械连接方法，
连接器的几何尺寸，引脚排列和锁定装置等,25针插座,DTE一侧采用孔式结构,DCE一侧采用针式结构
电气特性,规定电信号线的电气连接连接方式以及信号幅值、输入 /输出阻抗、波形参数。 DTE-DCE
间传输介质的最大数据传输率及最大传输距离等。
-15 V~ -5V伏表示,1”,+5 ~ +15V伏表示,0”,最大速率为 20Kbps,最大 电缆长度为 15
米。
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EIA RS-232-C
功能特性：引脚信号的含义，常用的 10条地线 数据线 控制线 定时线 辅助信道线针脚号 接口线类型 电路名称 功能说明 信号方向
1 地线 AA 保护地
2 数据线 BA 发送数据 → DCE
3 数据线 BB 接收数据 → DTE
4 控制线 CA 请求发送 → DCE
5 控制线 CB 清除发送 → DTE
6 控制线 CC 数据设备就绪 → DTE
7 地线 AB 信号地
8 控制线 CF 载波检测 → DTE
20 控制线 CD 数据终端就绪 → DCE
22 控制线 CE 振铃指示 → DTE
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RS-232-C的规程特性：
DTE DCE
CD
CC
CA
CB
CF
BA
BB
CB
CA
数据终端就绪数据设备就绪请求发送清除发送 OFF
载波检测发送数据接收数据请求发送 OFF,DCE停 CF
规程特性,动作的顺序
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1
2
3
4
5
6
7
8
20
1
2
3
4
5
6
7
8
20
保护地发送数据接收数据请求发送允许发送
DCE就绪信号地载波收到
DTE就绪
DTE DCE
1
2
3
4
5
6
7
8
20
1
2
3
4
5
6
7
8
20
AA
BA
BB
CA
CB
CC
AB
CF
CD
DTE DCE
零调制解调器：当两台计算机相距很近时，用 RS-232电缆直接连接两台计算机。
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X.21建议书数字信道接口标准，规定 DTE在建立和释放呼叫时与 DCE交换的信息，此时 DCE表示 DTE和网络接口的设备
机械特性,15根引脚
功能特性,8条信号线
DTE DCE
T（发送）
C（控制）
R（接收）
I（指示）
S（位定时）
B（字节定时，可选）
Ga（ DTE公共回线）
G（地）
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1,电视信道的带宽为 6MHz,如果全使用 4
个电平的数字信号,每秒钟能发送多少比特?
2,试比较 FDM与 TDM的异同点,
3.什么叫交换?分组交换有何优点?
作业
第 3章 数据通信基础
3.1 基本通信理论
3.2 多路复用技术
3.3 调制技术
3.4 通信技术
3.5 交换技术
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3.1 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，模拟信号是连续变化的电压或电流波形，而数字信号是一系列表示数字,0”或,1”的电脉冲（又程码元）。同模拟传输相比，数字传输的质量高，是今后数据通信的发展方向。
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3.1 基本通信理论
3.1.1 数据通信中的几个主要指标
1.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。
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2.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。
B=2H（ baud）
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3.数据传输率
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 b/s,Kb/s,Mb/s
，简写位 bps,Kbps,Mbps。
数据传输率和信号传输速率的关系：
S=Blog2N
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0 0
1 1
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00
01
10
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000
010
100
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S=Blog2N
S 数据传输率,B信号传输速率
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4.信道容量
理想信道
Nyquist定理：
Cmax=2Hlog2N（ bps）
N 最大数据率 (C)
2 6000 bps
4 12000 bps
8 18000 bps
16 24000 bps
话音级线路的信道容量计算
(3000 Hz)
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，即信道所能支持的最大数据传输速率。
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4.信道容量
有噪声信道
Shannon定理：
C=Hlog2(1+S/N)（ bps）
S/N 信噪比（ dB分贝）
结论,
H一定，理想信道,N增加,S增加噪声信道,S/N 增加,C增加
计算理想信道和有噪声信道两种情况，取小值。
S/Ndb = 10 log10 S/N
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5,误码率传错的位数误码率 = --------------------
传送的总位数
Pe= Ne / N
误码率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，它定义为传输出错的码元数占传输总码元数的比例。
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3,2多路复用技术
FDM (频分复用 )
WDM (波分复用 )
TDM (时分复用 )
CDMA (码分多址 )
DEMUX
复用器 解复用器共享信道
MUX
复用：共享使用公共信道采用多路复用技术，可以将多路信号组合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。
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1.频分多路复用
CH2
CH1
CH3
原始带宽
CH1
CH2
CH3
频分后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用
f
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)。
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2.时分多路复用
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后数据时隙1 2 3 4
D3D2D1
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（ Time Division Multiplexing,TDM)。
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统计 TDM
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1 B1 C1 D1 C2 D2A2 B2
周期 1 周期 2
同步 TDM
带宽浪费
A1 B1 C2B2
周期 1 周期 2
统计 TDM
可用带宽
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棱柱 /衍射光栅
3.波分多路复用
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
采用无源设备，更可靠波分多路复用（ Wavelength Division Multiplexing，
WDM）是 FDM应用于光纤信道的一个变例。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。
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4.码分多址
（ Code Division Multiple Access,CDMA），在 CDMA
中，每个比特时间又再分成 m个码片，每个站分配一个唯一的 m比特码序列，当某个站欲发送,1”时，它在信道中发送它的码序列，当欲发送,0”时，它就发送它的码序列的反码。
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模拟传输和数字传输话音 电话 模拟模拟数据,模拟信号数字 Modem 模拟数字数据，模拟信号数字 数字传输 数字数字数据，数字信号模拟 CODEC 数字模拟数据，数字信号
3.3 调制技术将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，这类技术统称为调制 /解调技术。
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1.连续波数字调制
0 0 1 1 0 1 00 0 1 0
ASK
FSK
PSK
调制的方法是，选取一个适合在线路上传输的正弦波作为载波，令载波的某些特征随基带信号的变化而变化。
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2.脉冲数字调制模拟话音采样时钟 PAM 信号 PCM 信号采样电路 量化和比较 数字化声音由于数字传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，常常需要把模拟数据转换成数字信号来传输。
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Nyquist理论在理想的无噪声信道，若 f 是传输媒体的最大传输频率,采样频率为 2*f时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号
Nyquist,1920
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PCM
采样信号：基于 nyquist理论
3.2 3.9 2.8 3.4
1.2
4.2
3 4 3 3
1
4
011 100 011 011 001 100
原始信号
PAM脉冲（ 采样 ）
PCM 脉冲（ 量化 ）
有量化差错
011100011011001100PCM 输出（ 编码 ）
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PCM 转化过程
BA C D
A
B
C
D
模拟话 音采样时钟
PAM 信号 PCM 信号采样电路 量化和比较 数字化声音
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3.数字数据的数字编码单极性码，是指在每一个码元时间间隔内，有电流
（电压）表示二进制,1”，无电流表示二进制,0”。
双极性码是指在一个码元时间间隔内，发正电流（
电压）表示二进制,1”，发负电流表示二进制,0”。
单极性码与双极性码
归零码与不归零码不归零码是指在一个码元的全部时间内，电压保持恒定，这种码又称全宽码。
归零码是指在一个码元的时间内，非零电压的持续时间小于一个码元的时间，即在一个码元的后半部分时间内，电压总是归于零的。
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3.数字数据的数字编码曼彻斯特编码的规律是：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示,0”，从低到高的跳变表示
,1”。
差分曼彻斯特编码的规律是：每位的中间也有一个电平跳变，但不用这个跳变来表示数据，而是利用每个码元开始时有无跳变来表示,0”或,1”，有跳变表示
,0”，无跳变表示,1”。
曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码
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3.数字数据的数字编码
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
时钟
NRZ
Manchester
差分Manchester
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3.4通信线路的通信方式
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3.4通信线路的通信方式在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式，称为单工通信。
1,单工通信数据可以双向传输，但不能同时进行，采用分时间段传输，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息，
这种通信方式称为半双工通信。
2,半双工通信可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信。
3,全双工通信
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3.5 交换技术
电路交换
存储交换报文交换分组交换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。
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电路交换要求再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。
1.电路交换电路交换的优点是数据传输可靠、迅速，而且保证顺序。缺点是电路建立和拆除的时间较长，而且在此期间，电路不能被共享，资源被浪费。适用于远程批处理信息传输和实时性要求高的场合。
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发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，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。
2.存储交换报文交换的优点是线路利用率高；不需要同时启动发送器和接收器来传输数据，网络可暂存；通信量大时仍可接收报文，但传输延迟会增加；一份报文可发往多个目的地；交换网络可对报文进行速度和代码等的转换。缺点：中间节点必须具备很大的存储空间；大报文的传输，增加小报文在网络种的延迟时间；当信道误码率高时，频繁重发。
缓冲存储信息处理和转发输入 输出
报文交换
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报文交换的缺点是由报文太长引起的，因此分组交换的思想是限制发送和转发的信息长度，将一个大报文分割成一定长度的信息单位，称为分组，并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。
2.存储交换
分组交换
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物理层协议举例数据链路层实体物理实体 物理实体 物理实体
P1 P1
接口
M FEC
物理媒体连接物理媒体连接与媒体接口数据链路层实体系统连接的实际环境系统连接的逻辑环境（物理层模型）
DTE DCE DCE DTE
公用电话交换网
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EIA RS-232-C
DTE（数据终端设备）,具有一定数据处理能力及收发数据能力的设备，如计算机。
DCE（数据电路端接设备）：在 DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如
MODEM
机械特性,规定 DTE和 DCE之间的机械连接方法，
连接器的几何尺寸，引脚排列和锁定装置等,25针插座,DTE一侧采用孔式结构,DCE一侧采用针式结构
电气特性,规定电信号线的电气连接连接方式以及信号幅值、输入 /输出阻抗、波形参数。 DTE-DCE
间传输介质的最大数据传输率及最大传输距离等。
-15 V~ -5V伏表示,1”,+5 ~ +15V伏表示,0”,最大速率为 20Kbps,最大 电缆长度为 15
米。
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EIA RS-232-C
功能特性：引脚信号的含义，常用的 10条地线 数据线 控制线 定时线 辅助信道线针脚号 接口线类型 电路名称 功能说明 信号方向
1 地线 AA 保护地
2 数据线 BA 发送数据 → DCE
3 数据线 BB 接收数据 → DTE
4 控制线 CA 请求发送 → DCE
5 控制线 CB 清除发送 → DTE
6 控制线 CC 数据设备就绪 → DTE
7 地线 AB 信号地
8 控制线 CF 载波检测 → DTE
20 控制线 CD 数据终端就绪 → DCE
22 控制线 CE 振铃指示 → DTE
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RS-232-C的规程特性：
DTE DCE
CD
CC
CA
CB
CF
BA
BB
CB
CA
数据终端就绪数据设备就绪请求发送清除发送 OFF
载波检测发送数据接收数据请求发送 OFF,DCE停 CF
规程特性,动作的顺序
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1
2
3
4
5
6
7
8
20
1
2
3
4
5
6
7
8
20
保护地发送数据接收数据请求发送允许发送
DCE就绪信号地载波收到
DTE就绪
DTE DCE
1
2
3
4
5
6
7
8
20
1
2
3
4
5
6
7
8
20
AA
BA
BB
CA
CB
CC
AB
CF
CD
DTE DCE
零调制解调器：当两台计算机相距很近时，用 RS-232电缆直接连接两台计算机。
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X.21建议书数字信道接口标准，规定 DTE在建立和释放呼叫时与 DCE交换的信息，此时 DCE表示 DTE和网络接口的设备
机械特性,15根引脚
功能特性,8条信号线
DTE DCE
T（发送）
C（控制）
R（接收）
I（指示）
S（位定时）
B（字节定时，可选）
Ga（ DTE公共回线）
G（地）
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1,电视信道的带宽为 6MHz,如果全使用 4
个电平的数字信号,每秒钟能发送多少比特?
2,试比较 FDM与 TDM的异同点,
3.什么叫交换?分组交换有何优点?
作业
