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第二章 数据通信的基础知识
本章内容
– 信道
– 传输媒体
– 编码
– 多路复用
– 数据交换技术
– 差错控制
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2.1 基本概念
数据及计算机通信术语
– 数据 (Data),传递 (携带 )信息的实体。
– 信息 (Information),是数据的内容或解释。
– 信号 (Signal),数据的物理量编码 (通常为电编
码 )，数据以信号的形式传播。
模拟信号与数字信号
基带 (Base band)与宽带 (Broad band)
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– 信道 (Channel),传送信息的线路 (或通路 )
– 比特 (bit),信息量的单位。比特率为每秒传输
的二进制位个数。
– 码元 (Code Cell),时间轴上的一个信号编码单
元
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t
码元 1 码元 2 码元 3 码元 4 码元 5
信号
同步脉冲
同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始
▲ 同步脉冲也可位于码元的中部
▲ 一个码元也可有多个同步脉冲相对应
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– 波特 (Baud),码元传输的速率单位。波特率为
每秒传送的码元数 (即信号传送速率 )。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中 M是信号的编码级数。也可以写成
Rbit = Rbaud log2M
上式中,Rbit-比特率,Rbaud-波特率
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以
在固定的信息传输速率下，比特率往往大于
波特率。
换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如,M=16，波特率为 9600时，数据传输
率为 38.4kbit/s
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– 误码率,信道传输可靠性指标，是概率值
– 信息编码,将信息用二进制数表示的方法。
– 数据编码,将数据用物理量表示的方法。
例如：字符‘ A’的 ASCII编码 (是信息编码的一种 )为
01000001，其数据编码可能为
0 1 0 0 0 0 0 1
t
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– 带宽
带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与
下界之间之差，是介质传输能力的度量，在
传统的通信工程中通常以赫兹（ Hz）为单位
计量。
在计算机网络中，一般使用每秒位数 (b/s 或
bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：
Kb/s,Mb/s,Gb/s
一个以太局域网理论上每秒可以传输 1千万
比特，它的带宽相应为 10Mb/s。
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语音信道带宽的由来
第 9页
–时延
信息从网络的一端传送到另一端所需的时间
时延之和 =处理时延 +排队时延 +发送时延 +
传播时延
–处理时延 =分组首部和错误校验等处理（微秒）
–排队时延 =数据在中间结点等待转发的延迟时间
–发送时延 =数据位数 /信道带宽
–传播时延 =d/s（毫秒） d:距离 s:传播速度 ≈ 光
速
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– 时延带宽乘积
某一链路所能容纳的比特数
时延带宽乘积 =带宽 × 传播时延
例如，某链路的 时延带宽乘积为 100万比特，
这意味着第一个比特到达目的端时，源端已
发送了 100万比特。
链路
带宽
传播时延
体积 =时延带宽乘积
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– 往返时延 (Round-Trip Time, RTT)
从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认
所经历的时间
RTT≈2 × 传播时延
– 传输可靠性
两个含义：
–数据能正确送达
–数据能有序送达 (当采用分组交换时 )
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通信系统模型
通信的三个要素,信源, 信宿 和 信道
噪声
信源 发送器 信道 接收器 信宿
源系统 目的系统
数据通信系统的构成：
? 传输系统 (传输线路和传输设备 )
? 源系统 (信源 +发送器 )和目的系统 (信宿 +接收
器 )
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信息通过数据通信系统传输
– 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。
– 信息和数据 (0,1比特 )一般不能直接在介质上传输。
– 编码：数据 ?适合传输的数字信号 —— 便于同步、识别、纠错
– 调制：数字信号 ?适合传输的形式 —— 按频率、幅度、相位
– 解调：接收波形 ?数字信号
– 解码：数字信号 ?原始数据
信息 → 数据 → 信号 → 在信道上传输 → 信号 → 数据 → 信息
数据编码 调制 解调 数据解码
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数据通信基本过程
包含两项内容：数据传输和通信控制
过程 与打电话的对比
– 建立物理连接 拨号，拨通对方
– 建立逻辑连接 互相确认身份
– 数据传送 互相通话
– 断开逻辑连接 互相确认要结束通话
– 断开物理连接 双方挂机
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2.2 信道及其主要特征
数字信道和模拟信道
– 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输
数据的信道。
– 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信
道。
模拟信号和数字信号
– 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值
– 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信
号值
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模拟信号和数字信号
– 模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值
– 数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的
是二值信号
t
a) 模拟信号
t
b) 数字信号
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周期信号和非周期信号
– 周期信号
信号由不断重复的固定模式组成 （如正弦波）
– 非周期信号
信号没有固定的模式和波形循环 （如语音的音波信
号） 。
t t
T T TT T T
周期信号
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数字通信与模拟通信
– 数字通信
在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输
– 模拟通信
在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输
数字通信的优点
– 抗噪声（干扰）能力强
– 可以控制差错，提高了传输质量
– 便于用计算机进行处理
– 易于加密、保密性强
– 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活
– 计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，
如通过电话线拨号上网。
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通信方式 — 数据流动的方向
单工,数据单向传输 （无线电广播）
半双工,数据可以双向交替传输，但不能
在同一时刻双向传输 （对讲机）
全双工,数据可以双向同时传输 （电话）
– 或者具有两条物理上独立的传输线路
– 或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用
于不同方向的信号传输
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数字数据的传输方式
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲
信号直接在信道上传送。
– 例如：以太网
频带传输：数字信号需调制成音频模拟信
号后再传送，接收方需要解调。
– 例如：通过电话模拟信道传输
宽带传输：数字信号需调制成频带为几十
MHZ到几百 MHZ的模拟信号后再传送，接
收方需要解调
– 例如：闭路电视的信号传输
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数据同步方式
目的是使接收端与发送端在时间基准上一
致 (包括开始时间、位边界、重复频率等 )。
有三种同步方法：
– 位同步
– 字符同步
– 帧同步
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位同步：目的是使接收端接收的每一位信
息都与发送端保持同步
– 外同步 —— 发送端发送数据之前发送同步时钟
信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉
冲频率。
– 自同步 —— 通过特殊编码 (如曼彻斯特编码 )，
这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从
中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
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字符同步：以字符为边界实现字符的同步
接收，也称为起止式或异步制。
– 每个字符的传输需要：
1个起始位
5～ 8个数据位
1,1.5,2个停止位
起始位 数据位 停止位
间隔,不固定
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字符同步的性能评估
– 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重
新同步
– 每两个字符之间的间隔时间不固定
– 增加了辅助位，所以效率低
例如，采用 1个起始位,8个数据位,2个停止位时，
其效率为 8/11＜ 72％
第 25页
帧同步：识别一个帧的起始和结束。
帧 (Frame)数据链路中的传输单位 —— 包含数据和控制信
息的数据块
– 面向字符的 —— 以同步字符 (SYN,16H)来标识一个帧
的开始，适用于数据为字符类型的帧
– 面向比特的 —— 以特殊位序列 (7EH，即 01111110)来
标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧
帧起始 控制信息 数据 帧结束校验和
0 – n bit8bit 8bit8-32m
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信道最大数据传输率
Nyquist 公式,用于理想低通信道
Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数
据传输速率提供了依据。
– 例如，话音级线路的
带宽为 3100Hz，根据
上式计算的信道最大
数据率如右表所示
C = 2W log2 M C = 数据传输率，单位 bit/s W = 带宽，单位 Hz
M = 信号编码级数
M 最大数据率 (C)
2 6200 bps
4 12400 bps
8 18600 bps
16 24800 bps
32 31000 bps
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非理想信道
– 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。
– 损耗 引起信号强度减弱，导致 信噪比 S/N降低 。
– 延迟 会使接收端的 信号产生畸变 。
– 噪声 会 破坏信号，产生误码 。
持续时间 0.01s的干扰会破坏约 560个比特 (56Kbit/s)
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Shannon公式,有限带宽高斯噪声干扰信道
例：信道带宽 W=3.1KHz,S/N=2000，则
C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s
即该信道上的最大数据传输率不会大于 34Kbit/s
S/N,信噪比C = W log2 (1+S/N)
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Nyquist公式和 Shannon公式的比较
C = 2W log2M
– 数据传输率 C随信号编码级数增加而增加。
C = W log2(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。
– 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增
加。
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2.3 传输媒体 (介质 )
双绞线
内导体芯线
绝缘
内屏蔽
外屏蔽
外套
--螺旋绞合的双导线,?≈1mm
--每根 4对,25对,1800对
--典型连接距离 100m（ LAN）
--RJ45插座、插头
--优缺点：
成本低
组装密度高、节省空间
安装容易（综合布线系统）
平衡传输（高速率）
抗干扰性一般
连接距离短
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屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)
以铝箔屏蔽以减少
干扰和串音
双绞线外无任何屏
蔽层
常用的双绞线为 3类 (16Mbit/s) 和 5类 (155Mbit/s)两种
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同轴电缆
– 基带同轴电缆
阻抗 50?，用于数字传输
– 宽带同轴电缆
阻抗 75 ?，用于模拟传输，主要用于 CATV
铜芯
绝缘层
外导体
屏蔽层
保护套
第 33页
细同轴
– D=1.02cm,10Mbit/s
– 每段 185m,4中继,5段（ 925m）
– 优缺点：
价格低
安装方便（ T型连接器,BNC接头,Terminator）
抗干扰能力较强
可靠性差
粗 同轴
– D=2.54cm,10Mbit/s
– 每段 500m,4中继,5段（ 2500m）
– 优缺点：价格稍高
安装方便（收发器、收发器电缆,Terminator）
抗干扰能力强
连接距离中等
可靠性好
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2.4 数据编码
不同类型的信号在不同类型的信道上传输
有 4种情况
数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
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模拟传输和数字传输
话音 移频,调制 模拟
数字 模拟
模拟
PCM编码
数字
数字 数字编码 数字
模拟数据，模拟信号
数字数据，模拟信号 数字数据，数字信号
模拟数据，数字信号
10101010 调制
第 36页
编码与调制的区别
– 用数字信号承载数字或模拟数据 —— 编码
– 用模拟信号承载数字或模拟数据 —— 调制
Encoder Decoder数字或
模拟数据
数字信号
g(t)
x(t)
g(t)
数字或
模拟数据
编码 /解码
数字信道
发送方 接收方
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Modulator Demodulator
数字或
模拟数据
模拟信号
m(t)
s(t)
m(t)
数字或
模拟数据
载波
调制 /解调
模拟信道
发送方 接收方
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1）数字数据的数字信号编码
把数字数据转换成某种数字脉冲信号
– 常见的有两类,不归零码和曼彻斯特编码
不归零码 (NRZ,Non-Return to Zero)
– 二进制数字 0,1分别用两种电平来表示。
– 常常用－ 5V表示 1，＋ 5V表示 0。
– 缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；
– 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
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曼彻斯特编码 (Manchester Code)
– 用电压的变化表示 0和 1。
规定在 每个码元的中间 发生跳变：
高 → 低的跳变代表 0，低 → 高的跳变代表 1
– 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变
化提取出来作为同步信号。这种 编码也称为自
同步码 (Self-Synchronizing Code)。
– 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数
据速率的 2倍）。
差分曼彻斯特编码 (Differential ～ )
– 每个码元的中间 仍要发生跳变
– 用 码元开始处 有无跳变来表示 0和 1, 有跳变代
表 0，无跳变代表 1
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三种数字编码的波形图
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
时钟
NRZ
Manchester
差分
Manchester
第 41页
2）数字数据的调制编码
三种常用的调制技术,
– 幅移键控 ASK (Amplitude Shift Keying)
– 频移键控 FSK (Frequency Shift Keying)
– 相移键控 PSK (Phase Shift Keying)
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调
制 。
载波 S(t) = Acos(?t+?)
S(t)的参量包括,幅度 A,频率 ?,初相位 ?
– 调制就是要使 A,?或 ?随数字基带信号的变化而变化
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– ASK：用载波的两个不同振幅表示 0和 1
– FSK：用载波的两个不同频率表示 0和 1
– PSK：用载波的起始相位的变化表示 0 和 1
0 0 1 1 0 1 00 0 1 0
ASK
FSK
PSK
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3）模拟数据的数字信号编码
采样定理：
– 如果模拟信号的最高频率为 F，若以 2F的采样频率对其
采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出
原始信号。
要转换的模拟数据主要是 电话语音信号
语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号
转换成数字信号。这需要经过三个步骤：
– 采样：按一定间隔对语音信号进行采样
– 量化：对每个样本舍入到量化级别上
– 编码：对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为 PCM信号 (脉码调制,Pulse
Coded Modulation)
第 44页
– 话音信道带宽 <4kHz
– 采样时钟频率,8kHz (> 2倍话音最大频率 )
– 量化级数,256级 (用 8位二进制码表示 )
– 数据率,8000次 /s*8bit = 64kbit/s
每路 PCM信号的速率 = 64000bit/s
模拟话音
采样时钟 PCM 信号
采样电路 量化和编码 数字化声音
f<4kHz
fs=8kHz
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PCM转换过程举例
语音信号
011 100 011 011 001 100PCM 输出
3 4 3 3
1
4
011 100 011 011 001 100
PCM 脉冲
（有量化误差）
3.2 3.9 2.8 3.4
1.2
4.2
PAM脉冲
第 46页
2.5 多路复用技术
复用：多个信息源共享一个公共信道
为何要复用？ —— 提高线路利用率
– 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的
平均传输需求时
类比：公共运输系统 (铁路、海运、航空 )
DEMUX
复用器 解复用器
共享信道MUX信
源
信
宿
第 47页
复用类型
– 频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
– 波分复用 WDM (Wave Division Multiplexing)
– 时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)
第 48页
频分复用
– 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，
每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通
道之间留有防护频带以防相互干扰。
CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用信号
f
复用器
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波分复用 —— 光的频分复用
– 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，
每路信号占用一个波长范围来进行传输。
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
第 50页
时分复用
– 原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片
分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行
传输。
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后的数据流
时隙号1 2 3 1
D3D2D1
时间片 1
2
时间片 2
D1
时隙
D2
复用器
第 51页
由于每路数据总是使用每个时间片的固定
时隙，所以这种时分复用也称为 同步时分
复用。
时分复用的典型例子,PCM信号的传输
– 把多个话路的 PCM话音数据用 TDM的方法装成
帧 (帧中还包括了帧同步信息和信令信息 )
– 每帧在一个时间片内发送
– 每个时隙承载一路 PCM信号
第 52页
统计 (异步 )TDM—— STDM
– TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也
不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。
– 改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就
将数据放入。
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1 B1 C1 D1 C2 D2A2 B2
时间片 1 时间片 2
同步 TDM 带宽浪费
A1 B1 B2
时间片 1 时间片 2
统计 TDM
可用带宽
C2
第 53页
时分复用 ——数字载波复用标准
T-标准 (北美、日本 )
E-标准 (欧洲、中国、南美 )
– E1(一次群 )标准
每 125us为一个时间片，每时间片分为 32个通道。
通道 0用于同步，通道 16用于信令，其他 30个通道用于传输 30
个 PCM话音数据。
E1速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s
– 对 E1进一步复用，还可构成 E2,E3,E4和 E5。
– E5可承载 7680个话路，数据率约为 565Mbit/s
新的 TDM标准是同步光网络 (SONET)和 ITU-T的
同步数字系列 (SDH)。常用的线路速率为 (近似值 )
155Mbit/s,622Mbit/s,2.5Gbit/s和 10Gbit/s。
第 54页
E1-帧格式
0 1 2 16 31
时间片 125 ms = 32 时隙 = 2.048 Mbps
帧同步 信令
30 路话音数据 (PCM数据 ) + 2 路控制
用户话路 用户话路
E1线路也可以用于计算机通信
第 55页
2.6 交换技术
什么是交 换？
– 交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源
– 例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一
条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该
线路，该线路又可分配给其它用户。
为什么要采用交换技术？
– 节省线路投资，提高线路利用率
实现交换的方法主要有,电路交换, 报文
交换, 分组交换
第 56页
通信线路中的交换技术
B D
C
A
E
F
第 57页
电路交换
– 交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路
的过程。
– 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通
路。 —— 称为“面向连接的”
– 过程：建立连接 → 通信 → 释放连接
– 优缺点：
建立连接的时间长；
一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；
无纠错机制；
建立连接后，传输延迟小。
不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性
的特点，真正传输数据的时间不到 10%。
第 58页
报文交换
– 整个报文 (Message)作为一个整体一起发送。
– 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存
储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，
直到目的地。这种数据传输技术称为 存储 -转发 。
– 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻
结点传输报文时建立结点间的连接。 —— 称为
“无连接的”
– 缺点：
报文大小不一，造成存储管理复杂。
大报文造成存储转发的延时过长；
出错后整个报文全部重发。
第 59页
分组交换（包交换）
– 将报文划分为若干个大小相等的分组 (Packet)
进行存储转发。
– 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 ——
也是“无连接的”
– 有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。
– 优点：
对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分
组 —— 速度快；
转发延时小 —— 适用于交互式通信；
某个分组出错可以仅重发出错的分组 —— 效率高；
各分组可通过不同路径传输，容错性好。
第 60页
三种交换方式的事件顺序
报文
A B C D
排队延迟
报文交换
呼
叫
请
求
呼
叫
应
答数
据
A B C D
寻路延迟
线路交换
分组 1
分组 2
分组 3
A B C D
分组交换
分组 4
t
第 61页
异步传输模式 ATM简介
– ATM是一种高速分组交换技术，采用了以 信元
(Cell)为单位的存储转发方式，故又称为信元
交换。
– ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固
定的数据块，并在各数据块前加上地址、优先
级等控制信息构成信元。
– 信元由 5字节的 信元头部 和 48字节的 有效载荷
构成：
信元头部 有效载荷
5Byte 48Byte
信元
第 62页
在 ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送
站只要获得空信元即可把信息插入到信元中发送。
因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为 异
步传输模式 。实际上就是统计时分复用。
ATM特点：
– 面向连接 (虚连接 )，按序递交；
– 固定大小的信元，便于高速处理 (可用硬件实现 )，传输
速率 ≥622Mbit/s；
– 可以实时地传送语音和活动图像。
1 2 3 4 5 6 数据块
信元流
第 63页
2.7 差错控制
与语音、图像传输不同，计算机通信要求
极低的差错率。
产生差错的原因：
– 信号衰减和热噪声
– 信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的
畸变；
– 信号反射，串扰；
– 冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。
第 64页
差错控制的 基本方法是：接收方进行差错
检测，并向发送方应答，告知是否正确接
收。
差错检测主要有两种方法：
– 奇偶校验（ Parity Checking）
在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使
结果中 1的个数为奇数 (奇校验 )或偶数 (偶校验 )。
例如 1100010增加偶校验位后为 11100010
若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以
知道传输中发生了错误。
只能用于面向字符的通信协议中。
只能检测出奇数个比特位错。
第 65页
循环冗余校验 (CRC,Cyclic Redundancy
Check)
– 差错检测原理：
将传输的位串看成系数为 0或 1的多项式。收发
双方约定一个生成多项式 G(x)，发送方在帧的末
尾加上 校验和,使带校验和的帧的多项式能被
G(x)整除。接收方收到后，用 G(x)除多项式，若
有余数，则传输有错。
– 校验和是 16位或 32位的位串。
– CRC校验的关键是如何计算校验和。
第 66页
差错控制技术
– 自动请求重传 Automatic Repeat Request (ARQ)
停等 ARQ
Go-back-N ARQ
选择重传 ARQ
第 67页
本章小结
– 信道 （ 数字 /模拟信号，数字模拟信道，调制 /
编码，带宽，最大传输能力，数字通信基本过
程 ）
– 传输媒体（ 有线 /无线，基带 /宽带 ）
– 编码（ 移频调制，脉码调制 -PCM，频带调制，
数字编码 ）
– 多路复用（ FDM,TDM,WDM）
– 数据交换技术 (线路交换，报文交换，分组交换 )
– 差错控制（ 差错检测，差错控制 ）
第二章 数据通信的基础知识
本章内容
– 信道
– 传输媒体
– 编码
– 多路复用
– 数据交换技术
– 差错控制
第 2页
2.1 基本概念
数据及计算机通信术语
– 数据 (Data),传递 (携带 )信息的实体。
– 信息 (Information),是数据的内容或解释。
– 信号 (Signal),数据的物理量编码 (通常为电编
码 )，数据以信号的形式传播。
模拟信号与数字信号
基带 (Base band)与宽带 (Broad band)
第 3页
– 信道 (Channel),传送信息的线路 (或通路 )
– 比特 (bit),信息量的单位。比特率为每秒传输
的二进制位个数。
– 码元 (Code Cell),时间轴上的一个信号编码单
元
第 4页
t
码元 1 码元 2 码元 3 码元 4 码元 5
信号
同步脉冲
同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始
▲ 同步脉冲也可位于码元的中部
▲ 一个码元也可有多个同步脉冲相对应
第 5页
– 波特 (Baud),码元传输的速率单位。波特率为
每秒传送的码元数 (即信号传送速率 )。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中 M是信号的编码级数。也可以写成
Rbit = Rbaud log2M
上式中,Rbit-比特率,Rbaud-波特率
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以
在固定的信息传输速率下，比特率往往大于
波特率。
换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如,M=16，波特率为 9600时，数据传输
率为 38.4kbit/s
第 6页
– 误码率,信道传输可靠性指标，是概率值
– 信息编码,将信息用二进制数表示的方法。
– 数据编码,将数据用物理量表示的方法。
例如：字符‘ A’的 ASCII编码 (是信息编码的一种 )为
01000001，其数据编码可能为
0 1 0 0 0 0 0 1
t
第 7页
– 带宽
带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与
下界之间之差，是介质传输能力的度量，在
传统的通信工程中通常以赫兹（ Hz）为单位
计量。
在计算机网络中，一般使用每秒位数 (b/s 或
bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：
Kb/s,Mb/s,Gb/s
一个以太局域网理论上每秒可以传输 1千万
比特，它的带宽相应为 10Mb/s。
第 8页
语音信道带宽的由来
第 9页
–时延
信息从网络的一端传送到另一端所需的时间
时延之和 =处理时延 +排队时延 +发送时延 +
传播时延
–处理时延 =分组首部和错误校验等处理（微秒）
–排队时延 =数据在中间结点等待转发的延迟时间
–发送时延 =数据位数 /信道带宽
–传播时延 =d/s（毫秒） d:距离 s:传播速度 ≈ 光
速
第 10页
– 时延带宽乘积
某一链路所能容纳的比特数
时延带宽乘积 =带宽 × 传播时延
例如，某链路的 时延带宽乘积为 100万比特，
这意味着第一个比特到达目的端时，源端已
发送了 100万比特。
链路
带宽
传播时延
体积 =时延带宽乘积
第 11页
– 往返时延 (Round-Trip Time, RTT)
从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认
所经历的时间
RTT≈2 × 传播时延
– 传输可靠性
两个含义：
–数据能正确送达
–数据能有序送达 (当采用分组交换时 )
第 12页
通信系统模型
通信的三个要素,信源, 信宿 和 信道
噪声
信源 发送器 信道 接收器 信宿
源系统 目的系统
数据通信系统的构成：
? 传输系统 (传输线路和传输设备 )
? 源系统 (信源 +发送器 )和目的系统 (信宿 +接收
器 )
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信息通过数据通信系统传输
– 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。
– 信息和数据 (0,1比特 )一般不能直接在介质上传输。
– 编码：数据 ?适合传输的数字信号 —— 便于同步、识别、纠错
– 调制：数字信号 ?适合传输的形式 —— 按频率、幅度、相位
– 解调：接收波形 ?数字信号
– 解码：数字信号 ?原始数据
信息 → 数据 → 信号 → 在信道上传输 → 信号 → 数据 → 信息
数据编码 调制 解调 数据解码
第 14页
数据通信基本过程
包含两项内容：数据传输和通信控制
过程 与打电话的对比
– 建立物理连接 拨号，拨通对方
– 建立逻辑连接 互相确认身份
– 数据传送 互相通话
– 断开逻辑连接 互相确认要结束通话
– 断开物理连接 双方挂机
第 15页
2.2 信道及其主要特征
数字信道和模拟信道
– 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输
数据的信道。
– 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信
道。
模拟信号和数字信号
– 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值
– 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信
号值
第 16页
模拟信号和数字信号
– 模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值
– 数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的
是二值信号
t
a) 模拟信号
t
b) 数字信号
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周期信号和非周期信号
– 周期信号
信号由不断重复的固定模式组成 （如正弦波）
– 非周期信号
信号没有固定的模式和波形循环 （如语音的音波信
号） 。
t t
T T TT T T
周期信号
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数字通信与模拟通信
– 数字通信
在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输
– 模拟通信
在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输
数字通信的优点
– 抗噪声（干扰）能力强
– 可以控制差错，提高了传输质量
– 便于用计算机进行处理
– 易于加密、保密性强
– 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活
– 计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，
如通过电话线拨号上网。
第 19页
通信方式 — 数据流动的方向
单工,数据单向传输 （无线电广播）
半双工,数据可以双向交替传输，但不能
在同一时刻双向传输 （对讲机）
全双工,数据可以双向同时传输 （电话）
– 或者具有两条物理上独立的传输线路
– 或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用
于不同方向的信号传输
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数字数据的传输方式
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲
信号直接在信道上传送。
– 例如：以太网
频带传输：数字信号需调制成音频模拟信
号后再传送，接收方需要解调。
– 例如：通过电话模拟信道传输
宽带传输：数字信号需调制成频带为几十
MHZ到几百 MHZ的模拟信号后再传送，接
收方需要解调
– 例如：闭路电视的信号传输
第 21页
数据同步方式
目的是使接收端与发送端在时间基准上一
致 (包括开始时间、位边界、重复频率等 )。
有三种同步方法：
– 位同步
– 字符同步
– 帧同步
第 22页
位同步：目的是使接收端接收的每一位信
息都与发送端保持同步
– 外同步 —— 发送端发送数据之前发送同步时钟
信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉
冲频率。
– 自同步 —— 通过特殊编码 (如曼彻斯特编码 )，
这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从
中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
第 23页
字符同步：以字符为边界实现字符的同步
接收，也称为起止式或异步制。
– 每个字符的传输需要：
1个起始位
5～ 8个数据位
1,1.5,2个停止位
起始位 数据位 停止位
间隔,不固定
第 24页
字符同步的性能评估
– 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重
新同步
– 每两个字符之间的间隔时间不固定
– 增加了辅助位，所以效率低
例如，采用 1个起始位,8个数据位,2个停止位时，
其效率为 8/11＜ 72％
第 25页
帧同步：识别一个帧的起始和结束。
帧 (Frame)数据链路中的传输单位 —— 包含数据和控制信
息的数据块
– 面向字符的 —— 以同步字符 (SYN,16H)来标识一个帧
的开始，适用于数据为字符类型的帧
– 面向比特的 —— 以特殊位序列 (7EH，即 01111110)来
标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧
帧起始 控制信息 数据 帧结束校验和
0 – n bit8bit 8bit8-32m
第 26页
信道最大数据传输率
Nyquist 公式,用于理想低通信道
Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数
据传输速率提供了依据。
– 例如，话音级线路的
带宽为 3100Hz，根据
上式计算的信道最大
数据率如右表所示
C = 2W log2 M C = 数据传输率，单位 bit/s W = 带宽，单位 Hz
M = 信号编码级数
M 最大数据率 (C)
2 6200 bps
4 12400 bps
8 18600 bps
16 24800 bps
32 31000 bps
第 27页
非理想信道
– 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。
– 损耗 引起信号强度减弱，导致 信噪比 S/N降低 。
– 延迟 会使接收端的 信号产生畸变 。
– 噪声 会 破坏信号，产生误码 。
持续时间 0.01s的干扰会破坏约 560个比特 (56Kbit/s)
第 28页
Shannon公式,有限带宽高斯噪声干扰信道
例：信道带宽 W=3.1KHz,S/N=2000，则
C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s
即该信道上的最大数据传输率不会大于 34Kbit/s
S/N,信噪比C = W log2 (1+S/N)
第 29页
Nyquist公式和 Shannon公式的比较
C = 2W log2M
– 数据传输率 C随信号编码级数增加而增加。
C = W log2(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。
– 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增
加。
第 30页
2.3 传输媒体 (介质 )
双绞线
内导体芯线
绝缘
内屏蔽
外屏蔽
外套
--螺旋绞合的双导线,?≈1mm
--每根 4对,25对,1800对
--典型连接距离 100m（ LAN）
--RJ45插座、插头
--优缺点：
成本低
组装密度高、节省空间
安装容易（综合布线系统）
平衡传输（高速率）
抗干扰性一般
连接距离短
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屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)
以铝箔屏蔽以减少
干扰和串音
双绞线外无任何屏
蔽层
常用的双绞线为 3类 (16Mbit/s) 和 5类 (155Mbit/s)两种
第 32页
同轴电缆
– 基带同轴电缆
阻抗 50?，用于数字传输
– 宽带同轴电缆
阻抗 75 ?，用于模拟传输，主要用于 CATV
铜芯
绝缘层
外导体
屏蔽层
保护套
第 33页
细同轴
– D=1.02cm,10Mbit/s
– 每段 185m,4中继,5段（ 925m）
– 优缺点：
价格低
安装方便（ T型连接器,BNC接头,Terminator）
抗干扰能力较强
可靠性差
粗 同轴
– D=2.54cm,10Mbit/s
– 每段 500m,4中继,5段（ 2500m）
– 优缺点：价格稍高
安装方便（收发器、收发器电缆,Terminator）
抗干扰能力强
连接距离中等
可靠性好
第 34页
2.4 数据编码
不同类型的信号在不同类型的信道上传输
有 4种情况
数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
第 35页
模拟传输和数字传输
话音 移频,调制 模拟
数字 模拟
模拟
PCM编码
数字
数字 数字编码 数字
模拟数据，模拟信号
数字数据，模拟信号 数字数据，数字信号
模拟数据，数字信号
10101010 调制
第 36页
编码与调制的区别
– 用数字信号承载数字或模拟数据 —— 编码
– 用模拟信号承载数字或模拟数据 —— 调制
Encoder Decoder数字或
模拟数据
数字信号
g(t)
x(t)
g(t)
数字或
模拟数据
编码 /解码
数字信道
发送方 接收方
第 37页
Modulator Demodulator
数字或
模拟数据
模拟信号
m(t)
s(t)
m(t)
数字或
模拟数据
载波
调制 /解调
模拟信道
发送方 接收方
第 38页
1）数字数据的数字信号编码
把数字数据转换成某种数字脉冲信号
– 常见的有两类,不归零码和曼彻斯特编码
不归零码 (NRZ,Non-Return to Zero)
– 二进制数字 0,1分别用两种电平来表示。
– 常常用－ 5V表示 1，＋ 5V表示 0。
– 缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；
– 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
第 39页
曼彻斯特编码 (Manchester Code)
– 用电压的变化表示 0和 1。
规定在 每个码元的中间 发生跳变：
高 → 低的跳变代表 0，低 → 高的跳变代表 1
– 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变
化提取出来作为同步信号。这种 编码也称为自
同步码 (Self-Synchronizing Code)。
– 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数
据速率的 2倍）。
差分曼彻斯特编码 (Differential ～ )
– 每个码元的中间 仍要发生跳变
– 用 码元开始处 有无跳变来表示 0和 1, 有跳变代
表 0，无跳变代表 1
第 40页
三种数字编码的波形图
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
时钟
NRZ
Manchester
差分
Manchester
第 41页
2）数字数据的调制编码
三种常用的调制技术,
– 幅移键控 ASK (Amplitude Shift Keying)
– 频移键控 FSK (Frequency Shift Keying)
– 相移键控 PSK (Phase Shift Keying)
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调
制 。
载波 S(t) = Acos(?t+?)
S(t)的参量包括,幅度 A,频率 ?,初相位 ?
– 调制就是要使 A,?或 ?随数字基带信号的变化而变化
第 42页
– ASK：用载波的两个不同振幅表示 0和 1
– FSK：用载波的两个不同频率表示 0和 1
– PSK：用载波的起始相位的变化表示 0 和 1
0 0 1 1 0 1 00 0 1 0
ASK
FSK
PSK
第 43页
3）模拟数据的数字信号编码
采样定理：
– 如果模拟信号的最高频率为 F，若以 2F的采样频率对其
采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出
原始信号。
要转换的模拟数据主要是 电话语音信号
语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号
转换成数字信号。这需要经过三个步骤：
– 采样：按一定间隔对语音信号进行采样
– 量化：对每个样本舍入到量化级别上
– 编码：对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为 PCM信号 (脉码调制,Pulse
Coded Modulation)
第 44页
– 话音信道带宽 <4kHz
– 采样时钟频率,8kHz (> 2倍话音最大频率 )
– 量化级数,256级 (用 8位二进制码表示 )
– 数据率,8000次 /s*8bit = 64kbit/s
每路 PCM信号的速率 = 64000bit/s
模拟话音
采样时钟 PCM 信号
采样电路 量化和编码 数字化声音
f<4kHz
fs=8kHz
第 45页
PCM转换过程举例
语音信号
011 100 011 011 001 100PCM 输出
3 4 3 3
1
4
011 100 011 011 001 100
PCM 脉冲
（有量化误差）
3.2 3.9 2.8 3.4
1.2
4.2
PAM脉冲
第 46页
2.5 多路复用技术
复用：多个信息源共享一个公共信道
为何要复用？ —— 提高线路利用率
– 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的
平均传输需求时
类比：公共运输系统 (铁路、海运、航空 )
DEMUX
复用器 解复用器
共享信道MUX信
源
信
宿
第 47页
复用类型
– 频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
– 波分复用 WDM (Wave Division Multiplexing)
– 时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)
第 48页
频分复用
– 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，
每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通
道之间留有防护频带以防相互干扰。
CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用信号
f
复用器
第 49页
波分复用 —— 光的频分复用
– 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，
每路信号占用一个波长范围来进行传输。
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
第 50页
时分复用
– 原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片
分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行
传输。
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后的数据流
时隙号1 2 3 1
D3D2D1
时间片 1
2
时间片 2
D1
时隙
D2
复用器
第 51页
由于每路数据总是使用每个时间片的固定
时隙，所以这种时分复用也称为 同步时分
复用。
时分复用的典型例子,PCM信号的传输
– 把多个话路的 PCM话音数据用 TDM的方法装成
帧 (帧中还包括了帧同步信息和信令信息 )
– 每帧在一个时间片内发送
– 每个时隙承载一路 PCM信号
第 52页
统计 (异步 )TDM—— STDM
– TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也
不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。
– 改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就
将数据放入。
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1 B1 C1 D1 C2 D2A2 B2
时间片 1 时间片 2
同步 TDM 带宽浪费
A1 B1 B2
时间片 1 时间片 2
统计 TDM
可用带宽
C2
第 53页
时分复用 ——数字载波复用标准
T-标准 (北美、日本 )
E-标准 (欧洲、中国、南美 )
– E1(一次群 )标准
每 125us为一个时间片，每时间片分为 32个通道。
通道 0用于同步，通道 16用于信令，其他 30个通道用于传输 30
个 PCM话音数据。
E1速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s
– 对 E1进一步复用，还可构成 E2,E3,E4和 E5。
– E5可承载 7680个话路，数据率约为 565Mbit/s
新的 TDM标准是同步光网络 (SONET)和 ITU-T的
同步数字系列 (SDH)。常用的线路速率为 (近似值 )
155Mbit/s,622Mbit/s,2.5Gbit/s和 10Gbit/s。
第 54页
E1-帧格式
0 1 2 16 31
时间片 125 ms = 32 时隙 = 2.048 Mbps
帧同步 信令
30 路话音数据 (PCM数据 ) + 2 路控制
用户话路 用户话路
E1线路也可以用于计算机通信
第 55页
2.6 交换技术
什么是交 换？
– 交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源
– 例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一
条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该
线路，该线路又可分配给其它用户。
为什么要采用交换技术？
– 节省线路投资，提高线路利用率
实现交换的方法主要有,电路交换, 报文
交换, 分组交换
第 56页
通信线路中的交换技术
B D
C
A
E
F
第 57页
电路交换
– 交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路
的过程。
– 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通
路。 —— 称为“面向连接的”
– 过程：建立连接 → 通信 → 释放连接
– 优缺点：
建立连接的时间长；
一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；
无纠错机制；
建立连接后，传输延迟小。
不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性
的特点，真正传输数据的时间不到 10%。
第 58页
报文交换
– 整个报文 (Message)作为一个整体一起发送。
– 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存
储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，
直到目的地。这种数据传输技术称为 存储 -转发 。
– 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻
结点传输报文时建立结点间的连接。 —— 称为
“无连接的”
– 缺点：
报文大小不一，造成存储管理复杂。
大报文造成存储转发的延时过长；
出错后整个报文全部重发。
第 59页
分组交换（包交换）
– 将报文划分为若干个大小相等的分组 (Packet)
进行存储转发。
– 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 ——
也是“无连接的”
– 有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。
– 优点：
对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分
组 —— 速度快；
转发延时小 —— 适用于交互式通信；
某个分组出错可以仅重发出错的分组 —— 效率高；
各分组可通过不同路径传输，容错性好。
第 60页
三种交换方式的事件顺序
报文
A B C D
排队延迟
报文交换
呼
叫
请
求
呼
叫
应
答数
据
A B C D
寻路延迟
线路交换
分组 1
分组 2
分组 3
A B C D
分组交换
分组 4
t
第 61页
异步传输模式 ATM简介
– ATM是一种高速分组交换技术，采用了以 信元
(Cell)为单位的存储转发方式，故又称为信元
交换。
– ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固
定的数据块，并在各数据块前加上地址、优先
级等控制信息构成信元。
– 信元由 5字节的 信元头部 和 48字节的 有效载荷
构成：
信元头部 有效载荷
5Byte 48Byte
信元
第 62页
在 ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送
站只要获得空信元即可把信息插入到信元中发送。
因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为 异
步传输模式 。实际上就是统计时分复用。
ATM特点：
– 面向连接 (虚连接 )，按序递交；
– 固定大小的信元，便于高速处理 (可用硬件实现 )，传输
速率 ≥622Mbit/s；
– 可以实时地传送语音和活动图像。
1 2 3 4 5 6 数据块
信元流
第 63页
2.7 差错控制
与语音、图像传输不同，计算机通信要求
极低的差错率。
产生差错的原因：
– 信号衰减和热噪声
– 信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的
畸变；
– 信号反射，串扰；
– 冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。
第 64页
差错控制的 基本方法是：接收方进行差错
检测，并向发送方应答，告知是否正确接
收。
差错检测主要有两种方法：
– 奇偶校验（ Parity Checking）
在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使
结果中 1的个数为奇数 (奇校验 )或偶数 (偶校验 )。
例如 1100010增加偶校验位后为 11100010
若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以
知道传输中发生了错误。
只能用于面向字符的通信协议中。
只能检测出奇数个比特位错。
第 65页
循环冗余校验 (CRC,Cyclic Redundancy
Check)
– 差错检测原理：
将传输的位串看成系数为 0或 1的多项式。收发
双方约定一个生成多项式 G(x)，发送方在帧的末
尾加上 校验和,使带校验和的帧的多项式能被
G(x)整除。接收方收到后，用 G(x)除多项式，若
有余数，则传输有错。
– 校验和是 16位或 32位的位串。
– CRC校验的关键是如何计算校验和。
第 66页
差错控制技术
– 自动请求重传 Automatic Repeat Request (ARQ)
停等 ARQ
Go-back-N ARQ
选择重传 ARQ
第 67页
本章小结
– 信道 （ 数字 /模拟信号，数字模拟信道，调制 /
编码，带宽，最大传输能力，数字通信基本过
程 ）
– 传输媒体（ 有线 /无线，基带 /宽带 ）
– 编码（ 移频调制，脉码调制 -PCM，频带调制，
数字编码 ）
– 多路复用（ FDM,TDM,WDM）
– 数据交换技术 (线路交换，报文交换，分组交换 )
– 差错控制（ 差错检测，差错控制 ）
