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罗少彬 编著
计算机网络技术教程
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第 2章 数据通信与广域网技术
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本章学习要求,
掌握,数据通信的基本概念
了解：传输介质类型及主要特性
了解：无线与卫星通信技术的基本概念
掌握：数据编码的类型和基本方法
了解：基带传输的基本概念
掌握：频带传输的基本概念
掌握：多路复用的分类与特点
掌握：广域网中的数据交换技术的类型与工作原理
掌握：差错控制方法
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2.1 数据通信的基本概念
2.1.1 信息、数据与信号
通信的目的是交换信息,信息的载体可以是数字、文
字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字
母、数字、语音、图形或图像的组合；
为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图
形或图像用二进制代码的数据来表示；
为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数
字信号编码的方式表示；
数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、
符号的二进制代码 0,1比特序列的模拟或数字信号的
过程。
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信息编码标准
ASCII 码被国际标准化组织 ISO接受，成为国际标准
ISO 646，又称为国际 5号码 ;
它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准 ;
ASCII码采用 7位二进制比特编码，可以表示 128个字
符 ;
字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数
字、字母、运算符号、商用符号等。
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多媒体网络应用
随着计算机技术的发展，多媒体技术得到了广泛应用；
利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重
要内容之一；
与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通
信系统具有高速率与低延时的特性；
如果每帧图像由 1024× 768个点阵组成，图像颜色有 256种，每个
点阵用 1字节二进制数表示，每秒钟传送 30帧图像，那么每秒钟
需要传送 235,929,601字节；
如果传送数字化的语音信号，每秒钟对语音信号进行 22,050次取
样，每次取样值用 1字节表示，那么单声道每秒钟需要传送
22,050字节；双声道立体声每秒钟需要传送 44,100字节；
多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求 。
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信号的概念
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；
模拟信号（ analog signal）的信号电平是连续变化的；
数字信号（ digital signal）是用两种不同的电平去表示
0,1比特序列的电压脉冲信号表示；
按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模
拟通信系统与数字通信系统两种。
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模拟信号与数字信号波形
(a)
v(t)
v(t)
t
t
(b)
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2.1.2 数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机的通信过程
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CCP
B
CCP
D
CCP
C
CCP
E
CCP
A
CCP
F
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A B
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网络通信系统设计中要解决的几个基本问题,
数据传输类型
模拟通信
数字通信
数据通信方式
串行通信、并行通信
单工通信、半双工或全双工通信
同步方式
同步通信
异步通信
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串行通信与并行通信
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(a)
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(b)
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单工、半双工与全双工通信
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(a)
(b)
(c)
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同步通信与异步通信
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2.2 传输介质及其主要特性
2.2.1 传输介质的主要类型
双绞线
同轴电缆
光纤电缆
无线与卫星通信信道
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传输介质的特性,
物理特性：传输介质物理结构的描述；
传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及
调制技术、传输容量、传输的频率范围；
连通特性：允许点 -点或多点连接；
地理范围：传输介质最大传输距离；
抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据
影响的能力；
相对价格：器件、安装与维护费用。
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2.2.2 双绞线的主要特性
屏蔽双绞线 STP
非屏蔽双绞线 UTP
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2.2.3 同轴电缆的主要特性
粗同轴电缆
细同轴电缆
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2.2.4 光纤的主要特性
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LED
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PIN
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(b)
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2.3 无线与卫星通信技术
2.3.1 电磁波谱与移动通信
10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10
10
10
12
10
14
10
16
10
18
10
20
10
22
10
24
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X-è a ?? ￥? -è a ??
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4
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5
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6
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7
10
8
10
9
10
10
10
11
10
12
10
13
10
14
10
15
10
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f(Hz)
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?μ ?í LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
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2.3.2 无线通信
视距传播
电离层反射
地球表面
地球表面
电离层
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2.3.3 微波通信
微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情
况下才能正常接收；
大气对微波信号的吸收与散射影响较大。
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2.3.4 蜂窝无线通信
多址接入方法,
频分多址接入（ FDMA）
时分多址接入（ TDMA）
码分多址接入（ CDMA）
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2.3.5 卫星通信
卫星
地球表面
卫星
发送
多点接收
多点接收
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2.4 数据编码技术
2.4.1 数据编码类型
数据编码方法
模拟数据编码
数字数据编码
振幅键控A S K
移频键控F S K
移相键控P S K
非归零码N R Z
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
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2.4.2 模拟数据编码方法
0 1 0 0 1 0
ω
ω
π 0 π π π0
+0 + π +0 +0 +0
ω
2
ω
1
ω
2
+ π
数据
( a ) A S K
( b ) F S K
( c ) P S K ( 绝对)
( d ) P S K ( 相对)
ω
1
ω
2
ω
1
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2.4.3 数字数据编码方法
0 1 0 0 1 0 1 1数据
( a ) 非归零码
同步时钟
( b ) 曼彻斯特编码
( c ) 差分曼彻斯特编码
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2.4.4 脉冲编码
调制方法
D
8
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
0
0, 5
1, 0
1, 5
A
t
0, 2 7 ≈0, 3
0, 6 2 ≈0, 6
1, 2 8 ≈1, 3
1, 5 2 ≈1, 5
1, 2 6 ≈1, 3
0, 7 3 ≈0, 7
0, 4 1 ≈0, 4
0, 1 2 ≈0, 1
( a )
样本 量化级 二进制编码 编码信号
0 0 0 1
0 1 0 0
0 1 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
1 1 0 1
0 1 1 0
0 0 1 13
6
13
15
13
7
4
1D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
D
8
( b )
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PCM用于数字语音系统,
声音分为 128个量化级；
每个量化级采用 7位二进制编码表示；
采样速率为 8000样本 /秒；
数据传输速率应达到 7位 × 8000/秒 =56Kbps；
如果每个量化级采用 7+1=8位二进制编码表示 ;
数据传输速率应达到 8位 × 8000 /秒 = 64Kbps。
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2.5 基带传输技术
2.5.1 基带传输的定义
在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数
据信号是典型的矩形脉冲信号 ;
矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩
形脉冲信号就叫做基带信号 ;
在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带
传输 ;
在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传
输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码
信号 ;
在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号 ;
基带传输是一种最基本的数据传输方式。
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2.5.2 通信信道带宽对基带传输的影响
E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t ) E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t )
0
0
0
0
0
0
t
t
t
t
t
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1 1 0 0 0 1 0
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
0 1
0 1 2
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
t
t
t
t
t
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2.5.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限
数据传输速率的定义
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标；
数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代
码的二进制比特数，单位为比特 /秒，记做 bps；
常用的数据传输速率单位有,Kbps,Mbps,Gbps与
Tb/s，其中,
1Kbps = 1× 103 bps
1Mbps = 1× 106 bps
1Gbps = 1× 109 bps
1Tbps = 1× 1012 bps
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信道速率的极限值
奈奎斯特准则,二进制数据信号的最大数据传输速率
Rmax与通信信道带宽 B（ B=f，单位 Hz）
的关系为 Rmax=2·f（ bps）；
香农定理,在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,
数据传输速率 Rmax与信道带宽 B，信噪比 S/N
的关系为 Rmax = B·log2（ 1+S/N）
S/N为信噪比；
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2.6 频带传输技术
2.6.1 频带传输的定义
利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；
调制解调器（ modem）是频带传输中最典型的通信设
备。
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2.6.2 调制解调器的基本工作原理
在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上
传输的模拟信号；
在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数
字信号。
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μ? o?? ?
μ? o?o ò
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Modem
Modem
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FSK方式 Modem的工作原理
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OSC
OSC
1270Hz
1070Hz
1 0 0 1
1270Hz
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1070Hz
′? ì¨á ê 2¨? e
1 0 0
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μ? o?o ò
μ? o?o ò
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Modem实现全双工通信的工作原理
0 1
107 0Hz 127 0Hz
0 1
202 5Hz 222 5Hz
上频带下频带
f ol =11 70H z f oh =21 25H z
电话交换网通频带
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2.6.3 调制解调器的分类与应用
外置 Modem与计算机的连接
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μ? o?o ò
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2.7 多路复用技术
多路复用的工作原理
·? ê× ì¨? ? ?? á?
?- á?
·′ ò? ?e
?- á?
·′ ò? ?e
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2.7.1 多路复用技术的分类
频分多路复用 FDM
波分多路复用 WDM
时分多路复用 TDM
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2.7.2 频分多路复用
在一条通信线路设计多路通信信道 ;
每路信道的信号以不同的载波频率进行调制 ;
各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输
多路信号。 1
300 3100
?? μ? 1
60 64 68 72
60 64 68 72
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￡¨ c ￡|
?μ áé (kH z)
￡¨ b ￡|
?μ áé (Hz )
￡¨ a ￡|
?? μ? 2
?? μ? 3
1
1
?? μ? 1 ?? μ? 2 ?? μ? 3
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2.7.3 波分多路复用
光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用
WDM;
在一根光纤上复用 80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用
DWDM；
目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到 20Gbps 。
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?à ?¤ ?à ?¤
?￥
áé
2¨3 ¤
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2¨3 ¤
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μ? 2¨? ?
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?à ?ê 4
?￥
áé
2¨3 ¤
?à ?ê 3
μ? 2¨? ?
?￥
áé
2¨3 ¤
?à ?ê 4
μ? 2¨? ?
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2.7.4 时分多路复用
时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
每个用户分得一个时间片；
在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。
?? μ? 24?? μ? 1 ?? μ? 2 ?? μ? 3 ?? μ? 4
0
1
193 a? ?? ?? ￡¨125 í￠ ?? ￡|
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7í o éy ?Y ío
?￡ Dé ío
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时分多路复用的分类
同步时分多路复用
统计时分多路复用
1 2 4,..,n 1 3,..,n,....,1 2 3 4,..,n
时间片1 时间片2 时间片n
1 2 5,..,m4 1 2 5 7,..,m,....,1 2 3 4,..,m
时间片1 时间片2 时间片n
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2.8 数据交换方法
数据通过通信子网的传输过程可以分为,
报文与报文分组交换
线路交换与存储转发交换
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2.8.1 线路交换方式
线路交换是面向连接的服务；
两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要
在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；
线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传
输与释放连接的三个阶段；
线路交换方式的优点：通信实时性强，适用于交互式
会话类通信；
线路交换方式的缺点：对突发性通信不适应，系统效
率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。
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线路交换方式的工作原理
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A
B
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2.8.2 存储转发交换方式
存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别,
发送的数据与目的地址, 源地址, 控制信息按照一定
格式组成一个数据单元 （ 报文或报文分组 ） 进入通信
子网；
通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数
据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。
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存储转发交换方式分类,
数据通过通信子网传输时可以有报文（ message）与报
文分组（ packet）两种方式；
报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作
一个逻辑单元发送；
报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果
传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成
多个报文分组发送。
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报文和报文分组结构
由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重
发花费的时间较少；
限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的
存储空间利用率与传输效率；
公用数据网采用的是分组交换技术。
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存储转发方式的优点
由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组, 多
个分组可以共享通信信道, 线路利用率高；
通信子网中通信控制处理机具有路选功能, 可以动态
选择报文分组通过通信子网的最佳路径；
可以平滑通信量, 提高系统效率；
分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时, 均
要进行差错检查与纠错处理, 因此可以减少传输错误,
提高系统可靠性；
通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行
转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。
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2.8.3 数据报方式
数据报是分组存储转发的一种形式；
在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机
与目的主机之间建立“线路连接”；
源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传
输路径；
每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到
达目的主机。
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数据报方式的工作原理
?? μá A
?? μá F
?? μá C ?? μá E
?? μá D
?? μá G
?? μá B
p
2
p
1
p
1
p
1
p
1
p
2
p
2
p
2
p
1
p
2
ACK
ACK
ACK
ACK
ACK
ACK
?eo ò H ?eo ò H
A B
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数据报方式的特点
同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信
子网；
同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序,
重复与丢失现象；
每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；
数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，
不适用于长报文、会话式通信。
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2.8.4 虚电路方式
虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起
来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交
换效果 ;
数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不
需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需
要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路 ;
虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为
以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放
阶段。
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虚电路方式
的工作原理
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á?
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p
1
p
1
p
1
p
2
p
2
p
2
ACK
ACK
ACK
1
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?? μá E ?? μá F
?? μá B ?? μá G
?? μá D
?? μá C
?eo ò H?eo ò H
A B
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56
罗少彬 编著
虚电路方式的特点
在每次分组发送之前, 必须在发送方与接收方之间建立
一条逻辑连接 。 这是因为不需要真正去建立一条物理链
路, 连接发送方与接收方的物理链路已经存在；
一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送, 因此
报文分组不必带目的地址, 源地址等辅助信息 。 分组到
达目的结点时不会出现丢失, 重复与乱序的现象；
分组通过虚电路上的每个结点时, 结点只需要做差错检
测, 而不需要做路径选择；
每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。
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57
罗少彬 编著
2.8.5 ATM交换方式
ATM的基本数据传输单元是信元；
信元长度固定为 53字节；
信元包括 5字节的信元头与 48字节的用户数据。
53? ? ??
?? ó§ ì? ò? o§ éy ?Y
48? ? ??5?? ??
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58
罗少彬 编著
物理链路、虚通路与虚通道的关系
物理链路（ Physical Link）
虚通路（ VP,Virtual Path）
虚通道（ VC,Virtual Channel） íè ?í à′ á? ?é ì¨á ? ?é ì¨μ ?
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59
罗少彬 编著
支持远程教学的 ATM网
AT M? ê ò? o§
AT M? o o oò
AT M? o o oò
AT M? o o oò
AT M? o o oò
A T M ì? á?
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AT M? ê ò? o§
AT M? ê ò? o§
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60
罗少彬 编著
2.9 差错控制方法
2.9.1 差错产生的原因与差错类型
传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据
不一致的现象 ;
差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；
通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；
由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；
冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；
在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发
差错共同构成的。
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61
罗少彬 编著
传输差错
产生过程
信源 通信信道 信宿
数据 噪声 数据+噪声
(a)
0
0
1
1
0
0
1 1
1 1
0
0 0
1
1
1
1
1 0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0 1 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0传输数据
数据信号波形
噪声
数据信号
与噪声信号
叠加后的波形
采样时间
接收数据
原始数据
出错的位
(b)
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62
罗少彬 编著
2.9.2 误码率的定义
误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数
值上近似等于,Pe=Ne/N，其中 N为传输的二进制码元总数,Ne
为被传错的码元数；
误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参
数之一；
对于一个实际的数据传输系统, 不能笼统地说误码率越低越好,
要根据实际传输要求提出误码率要求；
对于实际数据传输系统, 如果传输的不是二进制比特, 要折合成
二进制比特来计算；
差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有
被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。
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63
罗少彬 编著
2.9.3 检错码与纠错码
纠错码,
每个传输的分组带上足够的冗余信息；
接收端能发现并自动纠正传输差错 。
检错码,
分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；
接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且
自己不能纠正传输差错。
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64
罗少彬 编著
2.9.4 循环冗余编码工作原理
?￠ êì ?? ?ò é? ??
?￠ êì éy ?Y f (x )
èò 3è ?- ?? é? G (x )
f(x) x
k
.
G(x)
=Q(x)+
R(x)
G(x)
éμ ?é ?￠ êì, f( x) x
k.
+R(x)
éy ?Y ?? ?í ?￡ Dé ?? ?í
f(x) x
k
,R(x)
?￠ êì éy ?Y f ' (x )
èò 3è ?- ?? é? G (x )
R'(x)=R(x) ? ò é? ?y ??
R'(x)=R(x) ? ò é? 3? ′í
?￠ êì
f'(x) x
k
.
G(x)
=Q(x)+
R'(x)
G(x)
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65
罗少彬 编著
CRC检错
方法举例
1 1 0 0 1 1
发送数据
比特序列
CR C校 验码
比特序列
1 0 0 1
带CR C校 验码的
发送数据比特序列
1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 1
1 1 0 0 1
1 1 0 0 1
1 1 0 0 1
0
1 0 0 0 0 1
1 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)
1 1 0 0 1
1 0 0 0 0
1 1 0 0 1
1 0 0 1 R(x)
1 0 0 0 0 1 Q(x)
f(x), x
k
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66
罗少彬 编著
标准 CRC生成多项式 G（ x）
CRC-12 G（ x） = x12+x11+x3+x2+x+1
CRC-16 G（ x） = x16+x15+x2+1
CRC-CCITT G（ x） = x16+x12+x5+1
CRC-32 G（ x） = x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10
+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1
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67
罗少彬 编著
CRC校验码的检错能力
CRC校验码能检查出全部单个错；
CRC校验码能检查出全部离散的二位错；
CRC校验码能检查出全部奇数个错；
CRC校验码能检查出全部长度小于等于 K位的突发错；
CRC校验码能以 [1-（ 1/2） K-1]的概率检查出长度为
（ K+1） 位的突发错；
如果 K=16，则该 CRC校验码能全部检查出小于或等于
16 位的所有的突发差错，并能以 1-（ 1/2） 16-1=99.997％
的概率检查出长度为 17位的突发错，,漏检概率为
0.003%。
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68
罗少彬 编著
2.9.5 差错控制机制
反馈重发纠错实现机制
信源
校验码
编码器
存储器
发送装置
传
输
信
道
接收装置
发送端
校验码
译码器
接收端
信宿
反馈信号
控制器
反馈信号
控制器
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69
罗少彬 编著
反馈重发机制的分类
接收端
发送端
ACK NAK ACK
1 2 2 3
1 2 2 3
停止等待方式
连续工作方式
停止等待方式,
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罗少彬 编著
连续工作方式,
拉回方式
选择重发方式
发送端
接收端
ACK0
ACK1
NAK ACK2
ACK3
(a)
ACK0
ACK1
NAK ACK2
ACK6
(b)
ACK3
ACK4
ACK5
丢弃
重传
重传
0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9
0 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9
发送端
接收端
丢弃
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71
罗少彬 编著
2.10 小结
数据通信技术是网络技术发展的基础。数据通信是指在
不同计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二
进制代码 0,1比特序列的过程；目前数据通信中应用最
广泛的编码标准是 ASCII码；
信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。按照在
传输介质上传输的信号类型，可以分为模拟信号和数字
信号两类；
传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信
中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：双
绞线、同轴电缆、光纤电缆、无线与卫星通信信道；
在数据通信技术中，利用模拟通信信道通过调制解调器
传输模拟数据信号的方法称做频带传输；而利用数字通
信信道直接传输数字数据信号的方法称做基带传输；
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72
罗少彬 编著
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之
一。数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据
代码的二进制比特数，单位为比特 /秒，记做 bps；
多路复用技术是解决在单一的物理通信线路上如何建
立多条并行通信信道的问题。多路复用可以分为：频
分多路复用、波分多路复用与时分多路复用；
网络中计算机之间的数据交换主要采用分组交换技术。
在采用存储转发方式的广域网中，分组交换可以采用
数据报方式或虚电路方式；
误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概
率，是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性
的参数；
循环冗余编码 CRC 码是目前应用最广、检错能力很强
的一种检错码编码方法。
1
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2
罗少彬 编著
第 2章 数据通信与广域网技术
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3
罗少彬 编著
本章学习要求,
掌握,数据通信的基本概念
了解：传输介质类型及主要特性
了解：无线与卫星通信技术的基本概念
掌握：数据编码的类型和基本方法
了解：基带传输的基本概念
掌握：频带传输的基本概念
掌握：多路复用的分类与特点
掌握：广域网中的数据交换技术的类型与工作原理
掌握：差错控制方法
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4
罗少彬 编著
2.1 数据通信的基本概念
2.1.1 信息、数据与信号
通信的目的是交换信息,信息的载体可以是数字、文
字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字
母、数字、语音、图形或图像的组合；
为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图
形或图像用二进制代码的数据来表示；
为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数
字信号编码的方式表示；
数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、
符号的二进制代码 0,1比特序列的模拟或数字信号的
过程。
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5
罗少彬 编著
信息编码标准
ASCII 码被国际标准化组织 ISO接受，成为国际标准
ISO 646，又称为国际 5号码 ;
它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准 ;
ASCII码采用 7位二进制比特编码，可以表示 128个字
符 ;
字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数
字、字母、运算符号、商用符号等。
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6
罗少彬 编著
多媒体网络应用
随着计算机技术的发展，多媒体技术得到了广泛应用；
利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重
要内容之一；
与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通
信系统具有高速率与低延时的特性；
如果每帧图像由 1024× 768个点阵组成，图像颜色有 256种，每个
点阵用 1字节二进制数表示，每秒钟传送 30帧图像，那么每秒钟
需要传送 235,929,601字节；
如果传送数字化的语音信号，每秒钟对语音信号进行 22,050次取
样，每次取样值用 1字节表示，那么单声道每秒钟需要传送
22,050字节；双声道立体声每秒钟需要传送 44,100字节；
多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统提出更高的要求 。
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7
罗少彬 编著
信号的概念
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；
模拟信号（ analog signal）的信号电平是连续变化的；
数字信号（ digital signal）是用两种不同的电平去表示
0,1比特序列的电压脉冲信号表示；
按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模
拟通信系统与数字通信系统两种。
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模拟信号与数字信号波形
(a)
v(t)
v(t)
t
t
(b)
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2.1.2 数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机的通信过程
ì¨ ?? ?ò ì?
?é ó′ ?ò ì?
CCP
B
CCP
D
CCP
C
CCP
E
CCP
A
CCP
F
?eo ò H ?eo ò H
A B
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10
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网络通信系统设计中要解决的几个基本问题,
数据传输类型
模拟通信
数字通信
数据通信方式
串行通信、并行通信
单工通信、半双工或全双工通信
同步方式
同步通信
异步通信
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串行通信与并行通信
?￠ êì ?ê ?ò é? ?ê
′? ? ì¨ ?? ?? μ?
(a)
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b
0
b
1
b
2
b
3
b
4
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5
b
6
b
7
b
7
b
6
b
5
b
4
b
3
b
2
b
1
b
0
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b
0
b
1
b
2
b
3
b
4
b
5
b
6
b
7
2￠
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??
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μ?
(b)
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单工、半双工与全双工通信
?￠ êì ?ò é?μ¤ ?? ì¨ μ?
ê¨ ?? ì¨ μ?
ê¨ ?? ì¨ μ?
(a)
(b)
(c)
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?ò é?
?ò é?
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?ò é?
?ò é?
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同步通信与异步通信
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S Y N ?? ??
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SYN SYN
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t
?? ?? 5 ?? ?? 4 ?? ?? 3 ?? ?? 2 ?? ?? 1
b b b b b b b
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(á ? ?a "0" )
?é é? ío
(á ? ?a "1" )
6 5 4 3 2 1 0
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2.2 传输介质及其主要特性
2.2.1 传输介质的主要类型
双绞线
同轴电缆
光纤电缆
无线与卫星通信信道
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传输介质的特性,
物理特性：传输介质物理结构的描述；
传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及
调制技术、传输容量、传输的频率范围；
连通特性：允许点 -点或多点连接；
地理范围：传输介质最大传输距离；
抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据
影响的能力；
相对价格：器件、安装与维护费用。
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2.2.2 双绞线的主要特性
屏蔽双绞线 STP
非屏蔽双绞线 UTP
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2.2.3 同轴电缆的主要特性
粗同轴电缆
细同轴电缆
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2.2.4 光纤的主要特性
?à μ? ?§ o
LED
?￠ êì ?ê
éa ??
PIN
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(a)
a￡ o¤2 á
?ó 2á
?à ?ê
(b)
?ó 2á
a￡ o¤2 á
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2.3 无线与卫星通信技术
2.3.1 电磁波谱与移动通信
10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10
10
10
12
10
14
10
16
10
18
10
20
10
22
10
24
íT ?? μ? í￠ 2¨ 1ì ìà
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X-è a ?? ￥? -è a ??
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
10
11
10
12
10
13
10
14
10
15
10
16
f(Hz)
f(Hz)
ê¨ ?é ??
ì? ?? μ? ?á
íT ?? μ? (AM ) íT ?? μ? (FM )
μ? éò ?μ μ?
í? ?? ì¨? ?
μ? ?? í￠ 2¨ì ¨? ?
?à ?ê
?μ ?í LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
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2.3.2 无线通信
视距传播
电离层反射
地球表面
地球表面
电离层
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2.3.3 微波通信
微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情
况下才能正常接收；
大气对微波信号的吸收与散射影响较大。
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2.3.4 蜂窝无线通信
多址接入方法,
频分多址接入（ FDMA）
时分多址接入（ TDMA）
码分多址接入（ CDMA）
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2.3.5 卫星通信
卫星
地球表面
卫星
发送
多点接收
多点接收
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2.4 数据编码技术
2.4.1 数据编码类型
数据编码方法
模拟数据编码
数字数据编码
振幅键控A S K
移频键控F S K
移相键控P S K
非归零码N R Z
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
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2.4.2 模拟数据编码方法
0 1 0 0 1 0
ω
ω
π 0 π π π0
+0 + π +0 +0 +0
ω
2
ω
1
ω
2
+ π
数据
( a ) A S K
( b ) F S K
( c ) P S K ( 绝对)
( d ) P S K ( 相对)
ω
1
ω
2
ω
1
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2.4.3 数字数据编码方法
0 1 0 0 1 0 1 1数据
( a ) 非归零码
同步时钟
( b ) 曼彻斯特编码
( c ) 差分曼彻斯特编码
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2.4.4 脉冲编码
调制方法
D
8
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
0
0, 5
1, 0
1, 5
A
t
0, 2 7 ≈0, 3
0, 6 2 ≈0, 6
1, 2 8 ≈1, 3
1, 5 2 ≈1, 5
1, 2 6 ≈1, 3
0, 7 3 ≈0, 7
0, 4 1 ≈0, 4
0, 1 2 ≈0, 1
( a )
样本 量化级 二进制编码 编码信号
0 0 0 1
0 1 0 0
0 1 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
1 1 0 1
0 1 1 0
0 0 1 13
6
13
15
13
7
4
1D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
D
8
( b )
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PCM用于数字语音系统,
声音分为 128个量化级；
每个量化级采用 7位二进制编码表示；
采样速率为 8000样本 /秒；
数据传输速率应达到 7位 × 8000/秒 =56Kbps；
如果每个量化级采用 7+1=8位二进制编码表示 ;
数据传输速率应达到 8位 × 8000 /秒 = 64Kbps。
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罗少彬 编著
2.5 基带传输技术
2.5.1 基带传输的定义
在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数
据信号是典型的矩形脉冲信号 ;
矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩
形脉冲信号就叫做基带信号 ;
在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带
传输 ;
在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传
输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码
信号 ;
在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号 ;
基带传输是一种最基本的数据传输方式。
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30
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2.5.2 通信信道带宽对基带传输的影响
E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t ) E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t )
E ( t )
0
0
0
0
0
0
t
t
t
t
t
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1 1 0 0 0 1 0
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
0 1
0 1 2
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
t
t
t
t
t
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2.5.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限
数据传输速率的定义
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标；
数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代
码的二进制比特数，单位为比特 /秒，记做 bps；
常用的数据传输速率单位有,Kbps,Mbps,Gbps与
Tb/s，其中,
1Kbps = 1× 103 bps
1Mbps = 1× 106 bps
1Gbps = 1× 109 bps
1Tbps = 1× 1012 bps
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信道速率的极限值
奈奎斯特准则,二进制数据信号的最大数据传输速率
Rmax与通信信道带宽 B（ B=f，单位 Hz）
的关系为 Rmax=2·f（ bps）；
香农定理,在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,
数据传输速率 Rmax与信道带宽 B，信噪比 S/N
的关系为 Rmax = B·log2（ 1+S/N）
S/N为信噪比；
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33
罗少彬 编著
2.6 频带传输技术
2.6.1 频带传输的定义
利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；
调制解调器（ modem）是频带传输中最典型的通信设
备。
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34
罗少彬 编著
2.6.2 调制解调器的基本工作原理
在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上
传输的模拟信号；
在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数
字信号。
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μ? o?o ò
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Modem
Modem
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35
罗少彬 编著
FSK方式 Modem的工作原理
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OSC
OSC
1270Hz
1070Hz
1 0 0 1
1270Hz
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1070Hz
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36
罗少彬 编著
Modem实现全双工通信的工作原理
0 1
107 0Hz 127 0Hz
0 1
202 5Hz 222 5Hz
上频带下频带
f ol =11 70H z f oh =21 25H z
电话交换网通频带
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37
罗少彬 编著
2.6.3 调制解调器的分类与应用
外置 Modem与计算机的连接
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μ? o?o ò
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38
罗少彬 编著
2.7 多路复用技术
多路复用的工作原理
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39
罗少彬 编著
2.7.1 多路复用技术的分类
频分多路复用 FDM
波分多路复用 WDM
时分多路复用 TDM
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40
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2.7.2 频分多路复用
在一条通信线路设计多路通信信道 ;
每路信道的信号以不同的载波频率进行调制 ;
各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输
多路信号。 1
300 3100
?? μ? 1
60 64 68 72
60 64 68 72
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￡¨ c ￡|
?μ áé (kH z)
￡¨ b ￡|
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￡¨ a ￡|
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1
1
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41
罗少彬 编著
2.7.3 波分多路复用
光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用
WDM;
在一根光纤上复用 80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用
DWDM；
目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到 20Gbps 。
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2¨3 ¤
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μ? 2¨? ?
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2¨3 ¤
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42
罗少彬 编著
2.7.4 时分多路复用
时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
每个用户分得一个时间片；
在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。
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0
1
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43
罗少彬 编著
时分多路复用的分类
同步时分多路复用
统计时分多路复用
1 2 4,..,n 1 3,..,n,....,1 2 3 4,..,n
时间片1 时间片2 时间片n
1 2 5,..,m4 1 2 5 7,..,m,....,1 2 3 4,..,m
时间片1 时间片2 时间片n
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44
罗少彬 编著
2.8 数据交换方法
数据通过通信子网的传输过程可以分为,
报文与报文分组交换
线路交换与存储转发交换
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45
罗少彬 编著
2.8.1 线路交换方式
线路交换是面向连接的服务；
两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要
在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；
线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传
输与释放连接的三个阶段；
线路交换方式的优点：通信实时性强，适用于交互式
会话类通信；
线路交换方式的缺点：对突发性通信不适应，系统效
率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。
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46
罗少彬 编著
线路交换方式的工作原理
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A
B
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47
罗少彬 编著
2.8.2 存储转发交换方式
存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别,
发送的数据与目的地址, 源地址, 控制信息按照一定
格式组成一个数据单元 （ 报文或报文分组 ） 进入通信
子网；
通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数
据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。
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48
罗少彬 编著
存储转发交换方式分类,
数据通过通信子网传输时可以有报文（ message）与报
文分组（ packet）两种方式；
报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作
一个逻辑单元发送；
报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果
传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成
多个报文分组发送。
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49
罗少彬 编著
报文和报文分组结构
由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重
发花费的时间较少；
限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的
存储空间利用率与传输效率；
公用数据网采用的是分组交换技术。
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50
罗少彬 编著
存储转发方式的优点
由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组, 多
个分组可以共享通信信道, 线路利用率高；
通信子网中通信控制处理机具有路选功能, 可以动态
选择报文分组通过通信子网的最佳路径；
可以平滑通信量, 提高系统效率；
分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时, 均
要进行差错检查与纠错处理, 因此可以减少传输错误,
提高系统可靠性；
通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行
转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。
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51
罗少彬 编著
2.8.3 数据报方式
数据报是分组存储转发的一种形式；
在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机
与目的主机之间建立“线路连接”；
源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传
输路径；
每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到
达目的主机。
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52
罗少彬 编著
数据报方式的工作原理
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p
2
p
1
p
1
p
1
p
1
p
2
p
2
p
2
p
1
p
2
ACK
ACK
ACK
ACK
ACK
ACK
?eo ò H ?eo ò H
A B
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53
罗少彬 编著
数据报方式的特点
同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信
子网；
同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序,
重复与丢失现象；
每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；
数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，
不适用于长报文、会话式通信。
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54
罗少彬 编著
2.8.4 虚电路方式
虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起
来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交
换效果 ;
数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不
需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需
要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路 ;
虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为
以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放
阶段。
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55
罗少彬 编著
虚电路方式
的工作原理
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2
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ACK
ACK
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A B
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56
罗少彬 编著
虚电路方式的特点
在每次分组发送之前, 必须在发送方与接收方之间建立
一条逻辑连接 。 这是因为不需要真正去建立一条物理链
路, 连接发送方与接收方的物理链路已经存在；
一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送, 因此
报文分组不必带目的地址, 源地址等辅助信息 。 分组到
达目的结点时不会出现丢失, 重复与乱序的现象；
分组通过虚电路上的每个结点时, 结点只需要做差错检
测, 而不需要做路径选择；
每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。
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57
罗少彬 编著
2.8.5 ATM交换方式
ATM的基本数据传输单元是信元；
信元长度固定为 53字节；
信元包括 5字节的信元头与 48字节的用户数据。
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罗少彬 编著
物理链路、虚通路与虚通道的关系
物理链路（ Physical Link）
虚通路（ VP,Virtual Path）
虚通道（ VC,Virtual Channel） íè ?í à′ á? ?é ì¨á ? ?é ì¨μ ?
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支持远程教学的 ATM网
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AT M? o o oò
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A T M ì? á?
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AT M? ê ò? o§
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罗少彬 编著
2.9 差错控制方法
2.9.1 差错产生的原因与差错类型
传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据
不一致的现象 ;
差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；
通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；
由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；
冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；
在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发
差错共同构成的。
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罗少彬 编著
传输差错
产生过程
信源 通信信道 信宿
数据 噪声 数据+噪声
(a)
0
0
1
1
0
0
1 1
1 1
0
0 0
1
1
1
1
1 0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0 1 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0传输数据
数据信号波形
噪声
数据信号
与噪声信号
叠加后的波形
采样时间
接收数据
原始数据
出错的位
(b)
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2.9.2 误码率的定义
误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数
值上近似等于,Pe=Ne/N，其中 N为传输的二进制码元总数,Ne
为被传错的码元数；
误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参
数之一；
对于一个实际的数据传输系统, 不能笼统地说误码率越低越好,
要根据实际传输要求提出误码率要求；
对于实际数据传输系统, 如果传输的不是二进制比特, 要折合成
二进制比特来计算；
差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有
被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。
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63
罗少彬 编著
2.9.3 检错码与纠错码
纠错码,
每个传输的分组带上足够的冗余信息；
接收端能发现并自动纠正传输差错 。
检错码,
分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；
接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且
自己不能纠正传输差错。
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64
罗少彬 编著
2.9.4 循环冗余编码工作原理
?￠ êì ?? ?ò é? ??
?￠ êì éy ?Y f (x )
èò 3è ?- ?? é? G (x )
f(x) x
k
.
G(x)
=Q(x)+
R(x)
G(x)
éμ ?é ?￠ êì, f( x) x
k.
+R(x)
éy ?Y ?? ?í ?￡ Dé ?? ?í
f(x) x
k
,R(x)
?￠ êì éy ?Y f ' (x )
èò 3è ?- ?? é? G (x )
R'(x)=R(x) ? ò é? ?y ??
R'(x)=R(x) ? ò é? 3? ′í
?￠ êì
f'(x) x
k
.
G(x)
=Q(x)+
R'(x)
G(x)
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罗少彬 编著
CRC检错
方法举例
1 1 0 0 1 1
发送数据
比特序列
CR C校 验码
比特序列
1 0 0 1
带CR C校 验码的
发送数据比特序列
1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 1
1 1 0 0 1
1 1 0 0 1
1 1 0 0 1
0
1 0 0 0 0 1
1 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)
1 1 0 0 1
1 0 0 0 0
1 1 0 0 1
1 0 0 1 R(x)
1 0 0 0 0 1 Q(x)
f(x), x
k
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罗少彬 编著
标准 CRC生成多项式 G（ x）
CRC-12 G（ x） = x12+x11+x3+x2+x+1
CRC-16 G（ x） = x16+x15+x2+1
CRC-CCITT G（ x） = x16+x12+x5+1
CRC-32 G（ x） = x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10
+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1
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罗少彬 编著
CRC校验码的检错能力
CRC校验码能检查出全部单个错；
CRC校验码能检查出全部离散的二位错；
CRC校验码能检查出全部奇数个错；
CRC校验码能检查出全部长度小于等于 K位的突发错；
CRC校验码能以 [1-（ 1/2） K-1]的概率检查出长度为
（ K+1） 位的突发错；
如果 K=16，则该 CRC校验码能全部检查出小于或等于
16 位的所有的突发差错，并能以 1-（ 1/2） 16-1=99.997％
的概率检查出长度为 17位的突发错，,漏检概率为
0.003%。
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罗少彬 编著
2.9.5 差错控制机制
反馈重发纠错实现机制
信源
校验码
编码器
存储器
发送装置
传
输
信
道
接收装置
发送端
校验码
译码器
接收端
信宿
反馈信号
控制器
反馈信号
控制器
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反馈重发机制的分类
接收端
发送端
ACK NAK ACK
1 2 2 3
1 2 2 3
停止等待方式
连续工作方式
停止等待方式,
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连续工作方式,
拉回方式
选择重发方式
发送端
接收端
ACK0
ACK1
NAK ACK2
ACK3
(a)
ACK0
ACK1
NAK ACK2
ACK6
(b)
ACK3
ACK4
ACK5
丢弃
重传
重传
0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9
0 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9
发送端
接收端
丢弃
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71
罗少彬 编著
2.10 小结
数据通信技术是网络技术发展的基础。数据通信是指在
不同计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二
进制代码 0,1比特序列的过程；目前数据通信中应用最
广泛的编码标准是 ASCII码；
信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。按照在
传输介质上传输的信号类型，可以分为模拟信号和数字
信号两类；
传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信
中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：双
绞线、同轴电缆、光纤电缆、无线与卫星通信信道；
在数据通信技术中，利用模拟通信信道通过调制解调器
传输模拟数据信号的方法称做频带传输；而利用数字通
信信道直接传输数字数据信号的方法称做基带传输；
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72
罗少彬 编著
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之
一。数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据
代码的二进制比特数，单位为比特 /秒，记做 bps；
多路复用技术是解决在单一的物理通信线路上如何建
立多条并行通信信道的问题。多路复用可以分为：频
分多路复用、波分多路复用与时分多路复用；
网络中计算机之间的数据交换主要采用分组交换技术。
在采用存储转发方式的广域网中，分组交换可以采用
数据报方式或虚电路方式；
误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概
率，是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性
的参数；
循环冗余编码 CRC 码是目前应用最广、检错能力很强
的一种检错码编码方法。
