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(共120张PPT)数据通信是计算机网络的基础，本章将系统地介绍数据通信系统的相关概念，并详细讲解数据通信中涉及到的主要技术。第1节 数据通信中的基本概念数据通信的信号表示消息、信息和信号信号是消息的载体，一般表现为随时间变化的某种物理量，而消息是信号的具体内容。在消息中包含一定数量的信息。信息的传送一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号（如电信号、光信号等），才能传输和进行各种处理。模拟信号和数字信号模拟信号数字信号模拟信号和数字信号模拟信号是指幅度的取值是连续的。这里“连续”的含义是在某一取值范围内可以取无穷多个值。数字信号是指幅度取值是有限个数，为离散信号。它可以是二进制码，也可以是多进制码。数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散决定。在一定的条件下，模拟信号与数字信号可以通过转换器（如调制解调器）进行相互转换。数据传输模式单工、半双工和全双工（1）单工（2）半双工（3）全双工异步传输和同步传输（1）异步传输（2）同步传输异步传输实现简单但传输效率低；同步传输技术较复杂但传输效率高，常用于高速数据通信系统。数据传输速率调制速率调制速率用来表示信号电压和方向的变化过程，即每秒钟信号变化的次数。它是指在数据传输过程中，在信道上每秒传输信号码元（波形）的个数，又称符号速率、码元速率或波特率，记为NBd，其单位是波特（Baud）。假设一个信号码元持续时间为T，则调制速率为NBd为：波特比特率比特是信息论中定义信源发出信息量的度量单位。在数据通信中，用它来标识二进制代码的位，它也是计算机使用的最小数据单位。一个比特就是一个二进制数中的“1”或“0”。比特率是指信道上每秒钟传输比特的个数，记为Rb，其单位是比特/秒（bit/s或bps）。假设一个比特的持续时间为Tb，则比特率Rb为：bps例题在图（a）和图（b）所示的信号中，假设T=0.2s，那么它们的调制速率和比特率分别是多少？图（a）图（b）调制速率和比特率的关系比特率和调制速率的意义是不同的，它们是数据通信中非常重要的两个概念，但往往会将两者混淆。调制速率中的码元可以是二进制，也可以是多进制的，调制速率不管所传输的信号为多少进制，都表示每秒钟所传输波形的个数。但对于比特率，则必须折合为相应的二进制码元来计算。调制速率和比特率可以相互换算，换算公式如下：(其中，M为进制数)第2节 衡量数据通信系统的性能指标为了使数据通信系统能够更快速、准确的传递信息，必须对数据通信系统的传输性能进行衡量。了解和掌握这些指标对于数据通信系统的设计、维护和管理都是十分必要的。衡量数据通信系统的主要性能指标有带宽、时延、差错率等。带宽模拟信号的带宽一般来说，信道的带宽越大，模拟信号的传输质量就越高。模拟通信中的信号带宽指的是信号所具有的频带宽度，它的大小等于最高频率与最低频率之差，单位是“赫兹（Hz）”。ft0fHfL带宽W = fH – fL数字信号的带宽对于数字信号来说，信道的带宽越大，信号在时间轴上所占的宽度就越小。带宽为1 Mb/s时间每秒 4106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s在数字通信中，线路带宽又指数据终端的发送速率，也就是传输介质每秒所能传输的数据量，单位为bps。时间1 s每秒 106 个比特11001需要注意的两点：1. 现在人们通常用更简单但并不是很严格的记法来描述网络或链路的带宽，如“线路的带宽是10M”，而省略了后面的b/s，他的意思就表示带宽为10Mb/s。2. 在通信领域和计算机领域，对数量“千”、“兆”和“吉”等的英文缩写有些情况下意思略有不同。如计算机中的数据量往往用字节作为度量的单位。一个字节（byte）代表8个比特，它的缩写是大写B。“千字节”的“千”用大写“K”表示，他等于210，即1024，而不是1000。而在通信领域小写的“k”表示103，即准确的1000而不是1024。时延时延（delay或latency），是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。处理时延排队时延总时延发送时延传播时延为存储转发而进行必要处理及排队等待所需的时间，计算时常常忽略不计各种时延产生的地点1 0 1 1 0 0 1…发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延和排队时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路是否可以认为“在高速链路（或高带宽链路）上，比特应当跑的更快些”？ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快

在窄带线路上比特传播得慢

错误的概念思考宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车道变宽比喻：汽车运货宽带线路窄带线路思考收发端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2×108m/s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延，并分析结果：（1）数据长度为107bit，发送速率为100kb/s；（2）数据长度为103bit，发送速率为1Gb/s。在数据通信中，发送时延和传播时延哪个是占主要地位的？例题差错率差错率是衡量数据传输可靠性的一个重要指标，它反映了各种干扰、信道质量对通信可靠性的影响。误码率误比特率可靠性与有效性数据通信系统的可靠性通常用差错率来衡量，而有效性通常用带宽、时延等指标来衡量。可以想象，若一味地追求高带宽、低时延，必然会导致差错率的提升；若想降低差错率，则需增加一系列的差错校验机制，这又必然会导致传输效率的降低。因此，可靠性与有效性是相互矛盾的。在进行数据通信系统设计时，应在满足其可靠性的基础上，尽量地提高有效性。有效性可靠性第3节 数据编码数据编码是指把需要加工处理的数据库信息，用特写的数字来表示的一种技术，是根据一定数据结构和目标的定性特征，将数据转换为代码或编码字符，在数据传输中表示数据组成，并作为传送、接收和处理的一组规则和约定。数据编码概述数据模拟数据数字数据信号模拟信号数字信号数据与信号有四种组合方式：数字数据 —— 模拟信号编码数字数据 —— 数字信号编码模拟数据 —— 数字信号编码模拟数据 —— 模拟信号编码数字—数字编码数字—数字编码是用数字信号来表示数字信息。为了更好的理解该编码过程，必须要搞清楚以下基本概念：1. 单极性和双极性2. 如何判断高电平和低电平3. 收发端之间的信号必须保持严格的同步关系单极性不归零编码单极性不归零编码是最简单、最基本的编码，它只采用一个电压值（0和+E）表示数据信息。单极性归零编码单极性归零编码使数据“1”对应一个+E或-E脉冲，但该脉冲仅维持码元时间的一部分（如码元时间的一半）就变成0电平；对于数据“0”则不对应脉冲，仍按0电平传输。双极性不归零编码双极性不归零编码对于数据“1”，用+E或-E电平传输，对于数据“0”，用-E或+E电平传输，其特点基本上与单极性不归零编码相同。双极性归零编码双极性归零编码对于数据“1”，用+E或-E电平传输，对于数据“0”，用-E或+E电平传输，且相应的脉冲持续时间都小于码元持续时间。曼彻斯特编码曼彻斯特编码规律为：将未经编码的二进制基带数字信号用高电平和低电平不断交替的信号表示，至于用从高电平到低电平的跳变还是从低电平到高电平的跳变来表示“1”，原则上都可以。差分曼彻斯特编码在差分曼彻斯特编码中，每位中间的跳变并不用来表示数据，它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”。模拟—数字编码模拟—数字编码就是用数字信号表示模拟信息。从严格意义上讲，这一编码过程更准确的说法应该是把模拟数据变成数字数据，称为数字化（Digitization）。下图所示是一个典型的数字化传输系统。脉冲编码调制PCM的理论依据是奈奎斯特抽样定理，即若带限信号的频率上限为fH，用fS≥2fH的频率对其进行抽样，那么在接收端就可以通过低通滤波器将该信号完整的恢复出来。脉冲编码调制（PCM）PCM的编码过程包括采样、电平量化和编码三个步骤。脉冲编码调制（PCM）差错控制编码差错控制编码概述差错控制编码的实质就是通过增加冗余信息来保证数据传输的完整性和准确性。差错控制的基本方式差错控制中的基本概念（1）码重分组码的一个码组中“1”的个数，码重是没有单位的。（2）码距两个码组对应位上数字不同的位数称码组间的码距。（3）最小码距某种编码所产生的各个码组间距离的最小值。1. 码组“100111010”的码重是多少？2. 码组“10111”和“10101”的码距是多少？3. 码组“10111”和“101010”的码距是多少？4. 码组“10111”、“10000”和“01110”的最小码距是多少？5. 若有一组三位二进制码，需要在传输中能够检测出1位错误，则对最小码距d有何要求？练习奇偶校验奇偶校验是一种最简单的检错码，它在低速率通信设备中应用非常普遍。其编码规则是：首先将要传输的信息分组，然后在各组信息后边加一位校验位，校验位的取值使得整个码组（包含校验位）中“1”的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。奇偶校验的主要优点是简单，缺点是当出现偶数个错误的时候检测不能显示出错，因此奇偶校验只能检测出部分传输差错。为了增强奇偶校验的检错能力，人们在奇偶校验的基础上又开发出了二维奇偶校验的方法（又称水平垂直奇偶校验），其方法是对数据块进行水平和垂直两个方向进行校验，其在传输时按列顺序进行传输。采用二维奇偶校验以后，数据传输相对要可靠的多，但如果传输过程中出现差错，则必须在传输全部结束后才能检测出来。位 码字 偶校验位1 2 3 4 5 6 7 81 1 1 0 0 1 0 1 0 02 0 0 1 1 0 1 0 1 03 1 1 1 1 0 0 1 0 14 1 0 1 1 0 0 0 1 05 0 0 1 0 0 1 1 0 1偶校验位 1 0 0 1 1 0 1 0 0二维奇偶校验示例循环冗余校验（CRC）循环冗余校验（Cyclic Redundancy Code，CRC）是普兰奇（Prange）在1957年提出的。在其后的20多年里，随着循环码的代数结构、性能和编译方法的不断提高，极大的推动了循环冗余校验在实际差错控制系统中的应用。目前，循环冗余校验过程已由集成电路产品实现，由于其运算速度较快，因此在多种通信和网络设备中广泛应用。循环冗余校验是一种通过多项式除法运算检测错误的方法，因此首先需要了解多项式和二进制数之间的联系。【注】关于多项式和二进制数从数学的角度来讲，所有的数都可以用多项式来表示。例如，123可以表示为：123=1×102+2×101+3×100这里的1、2、3分别是多项式的系数。扩展开来，对于二进制数10111，可以表示为以x为基数的多项式：x4+x2+x+1当然，反过来用一串二进制数来表示一个多项式也是可以的。练习：多项式和二进制数的相互转换1011010，000001，x7+x5+x2+1CRC码的生成和校验（原理）①确定生成多项式G（x）；②在数据末尾加“0”，“0”的个数与生成多项式次数一致；③用加“0”后的多项式除以G（x）；④用得到的余数去替换第②步加上的“0”，发送数据；⑤接收端收到数据后，用数据除以G（x），若余数为“0”，则表示数据传输正确，否则表示传输错误。举例：多项式的除法计算一个数据通信系统采用CRC校验，假设要发送的数据为1010001101，生成多项式G(x)=x5+x4+x2+1，那么实际发送的比特串是多少？1101010110 ← Q 商除数 P → 110101 101000110100000 ← 2nM 被除数11010111101111010111101011010111111011010110110011010111001011010101110 ← R 余数因此，所发送的数据串为101000110101110。扩频编码扩频是扩展频谱（Spread Spectrum）的简称，它是一种专为无线通信量身定做的传输技术，现在也将其看作是一种编码。它的基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的频谱中，用以加大抗干扰和抗窃听能力。其具体做法是在发送端将数据利用扩频码调制实现频谱扩展后，再进行宽带通信；接收端则采用相同的扩频码进行解扩和解调，恢复成原始数据信号。扩频原理跳频（FH）直接序列扩频（DSSS）第4节 数据交换数据交换的概念数据交换的必要性多个用户之间进行数据通信，最简单的实现方法就是在任意两个用户之间建立直达线路，这种实现方式称为全连接，由全连接方式形成的通信网，叫做完全连接网。若有N部电话需要进行通信，则需要N（N-1）/2根线，也就是说，当需要通信的电话数量增大时，需要的电线数量与电话数的平方是成正比的，而这在现实中是不可能进行实现的。因此，当电话的数量增多时，就需要使用交换机或一个具备交换功能的网络把它们连接起来，使任何一个通过该交换机（或者接入到该交换网）的用户都能够实现通信操作。所谓交换，其实就是在多个数据终端设备（DTE）之间为通信双方建立临时互连通路的过程。数据通信与计算机网络中常见的交换方式有三种：电路交换、报文交换和分组交换。电路交换电路交换是在收发端之间建立电路连接，并将该连接保持到通信结束的一种交换方式。目前，电信网中所采用的就是这种交换方式。电路交换的原理为了更好的理解电路交换的基本原理，可以先来看一下电话通信的具体过程：在打电话之前，首先需要进行拨号，连接成功后就可以进行通话，通话完成后需要把电话挂掉。即经过了“拨号—通话—挂机”三个步骤。而在电路交换中，我们形象的把这三步分别称为：建立连接→通信→释放连接注意：这里需要指出一个概念，所有象这种必须通过“建立连接→通信→释放连接”三个步骤的连网方式我们称为是“面向连接的”连网方式。否则就可以称为是“无连接的”连网方式。因此可以看出，电路交换必定是面向连接的。若建立一个如下图所示的电路交换网络，其中A、B、C、D、E为网络通信站点，1、2、3、4、5、6、7为交换结点，站点A若要和站点D进行电路交换，需经过以下步骤：电路交换举例（电信网）DCA 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例（电信网）(((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA(C 和 D 的通话只经过一个本地交换机通话在 C 到 D 的连接上进行电路交换的特点（1）数据传输快速可靠，实时性好，且顺序不会发生错乱。（2）交换结点对传输的数据不分析、不存储、不处理，开销小，效率高。（3）提供“透明通路”，即对通信的内容与形式不加限制，只要通信双方可以理解即可。（4）由于通信中信道被通信双方独占，导致线路利用率低。（5）传输质量较多的依赖于线路性能，差错率较高。（6）安全性较差。电路交换的适用场合电路交换适用于传输信息量较大，通信对象比较确定且对安全性要求不太高的用户。电路交换并不适合于计算机之间的通信。报文交换由于电路交换的资源利用率低，不同类型的用户间不能直接开通，灵活性差，所以，又发展了报文交换。报文交换的原理报文交换的基本思想是“存储—转发”。网络中的交换结点收到数据后，将其存储到缓存中，查找该数据的目的地址及对应的路由，并逐步转发到目的站点。报文交换的特点（1）线路利用率高。（2）可以实现不同类型用户之间的通信。（3）报文通过交换结点的时延较大，不利于实时通信。（4）交换结点需要有较大的缓存和较强的处理功能，增加了网络成本。报文交换虽然解决了电路交换的部分缺点，但由于其高时延和高成本，因此在实际应用中并不多见。尤其是在分组交换产生之后，报文交换已经逐步退出历史舞台。分组交换分组交换产生的背景20世纪60年代，世界正处于美苏争霸的格局下。当时，采用电路交换的电信网已经非常完善，但战争期间，一旦正在通信的链路中有一个交换结点被摧毁，整个通信链路将中断，而要重新恢复通信必须再次建立连接，这几秒到十几秒的通信中断在战争中是无法容忍的。在这样的背景下，美国国防部领导的高级研究规划署ARPA（Advanced Research Project Agency）提出要研制一种新型的、适用于现代战争的网络，主要用于对付前苏联的核威胁。根据美国军方提出的要求，这种新型的网络必须满足以下的一些要求：1. 和传统的电信网不同，这种新型的网络不是为了打电话，而是用于计算机之间的数据传送。2. 新型的网络能够连接不同类型的计算机，而不局限于单一类型的计算机。3. 所有的网络节点都同等重要。因为网络必须经受的住敌人的核打击，所以在网络中不能有某些特别重要的节点，否则敌人将首先瞄准和摧毁这些重要的节点。4. 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。当网络中的某一节点或链路被破坏时，冗余的路由能够使正在进行的通信自动找到合适的路由，使通信维持畅通。5. 网络的结构应当尽可能的简单，但能够非常可靠的传送数据。根据这些要求，一批专家终于设计出了使用分组交换的网络。分组交换的原理分组交换仍然沿用报文交换的“存储—转发”方式。不同的是，分组交换不再以整段数据作为传输单位，而是将长报文划分为较短的、长度相等的数据段，在每一段数据前边加上一个首部（包含地址等控制信息）构成分组再进行发送。接收端收到这些分组后，根据首部中所含信息将其按序排列，并剥去首部，恢复成原来的长报文。报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输1. 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。数 据数 据数 据报文首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”2. 在每一个数据段前添加首部构成分组。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 33. 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。首部的重要性：（1）每一个分组的首部都含有地址等控制信息。（2）分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。（3）用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。数 据首部数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据4. 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据数 据数 据报文11010001101010101101010111000100110100105. 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机分组交换网示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5注意分组存储转发的过程ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机1234123412341 2341234需要说明的是，每个结点交换机都是有多个端口的。分组交换的特点（1）报文交换所有的优点。（2）一般情况下可满足实时性通信的要求。（3）可靠性高、经济性好。（4）网络中附加的信息较多，对长报文的传输效率低。（5）技术实现相对复杂。总体来说，分组交换集成了电路交换和报文交换的主要优点，且非常适合于传输数字信息，因此是目前使用最多的交换方式。P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B CDA B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放三种交换方式的比较第5节 数据通信的传输信道信道概述所谓信道，是指信息传输的通道。目前对于信道有两种理解：一种是指信号的传输介质，如双绞线、光纤等，称为狭义信道；另一种则是将传输媒体和完成各种形式的信号变换功能的设备包含在内，统称为广义信道。在论述通信原理时，信道一般是指广义信道；但在描述信号通路时，信道又指狭义信道。除了广义信道和狭义信道外，信道还有多种分类方法：可按传输介质分为有线信道和无线信道；按传输信号的类型分为模拟信道和数字信道；按使用方法分为专用信道和公用信道；还可按参数特性分为恒参信道和随参信道。传输介质双绞线双绞线（Twisted Pair）是由两根绝缘铜线相互绞在一起而构成的，并因此得名。将两根导线绞在一起的目的是为了减少干扰。双绞线是目前网络中最常用的传输介质。双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两种。相对于UTP，STP又在铜线外部加了一层金属层来屏蔽电磁干扰。虽然STP的抗干扰性能更强，但其价格比UTP要贵且安装困难，因此在实际工程中的用途远不如UTP广泛。屏蔽双绞线非屏蔽双绞线根据EIA/TIA制定的标准，UTP可分为1类线、2类线、3类线、4类线、5类线、超5类线、6类线、超6类线、7类线等几种类型。在这些类型中，类数越高，说明双绞线支持的传输速率越快，传输效果越好。将两根导线绞在一起的目的，是为了减少一根导线中电流发射的能量对另一根导线产生干扰，而且绞在一起有助于减少其他导线中的信号对这两根导线的干扰。因为，当两根导线靠的很近且相互平行时，一根导线中电流信号的变化将在另一根线上产生相似的电流变化；若两根导线靠得很近且相互垂直时，某根导线中电流信号的变化几乎不会在另一根导线上产生电流。5类线的排线标准：T568A：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。T568B：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。若一根网线的两端都采用T568B标准进行排列，称其为直连线，用于连接不同类型的设备（如计算机到交换机、交换机到路由器等）；若一根网线的一端采用T568A标准排列，另一端采用T568B标准排列，称其为交叉线，用于连接相同类型的设备（如计算机到计算机、交换机到交换机等）。（在100Mbps以下的网络中，只有橙白、橙、绿白、绿四根线有用）5类线的制作第一步：准备工具第二步：准备剥线5类线的制作第三步：抽出外套层5类线的制作第四步：露出四对电缆5类线的制作第五步：按序号排好5类线的制作第六步：排列整齐5类线的制作第七步：剪断5类线的制作第八步：剪断后5类线的制作第九步：放入插头5类线的制作第十步：准备压实5类线的制作第十一步：压紧（A）5类线的制作第十一步：压紧（B）5类线的制作第十二步：完成5类线的制作同轴电缆同轴电缆是由两根同轴心、相互绝缘的圆形金属导体（也称同轴对）构成，或是由这样的同轴对作为基本单元、多个同轴对所组成的电缆。最里边是内导体，外包一层绝缘材料，外边再套一个空心的圆柱形外导体，最外边则是起保护作用的塑料外皮。与双绞线相比，同轴电缆的价格贵，但带宽大、数据速率高、传输距离长、抗干扰性能强，因此在较长一段时间内被用于局域网中。随着双绞线技术的提高，同轴电缆已经逐步被高性能的双绞线所取代。光纤光纤由能传送光波的超细玻璃纤维（SiO2）制成，外包一层比玻璃折射率低的材料，使进入光纤中的光波在两种材料的界面上形成全反射，从而不断的向前传播。多模光纤和单模光纤h1多模输入电信号输出电信号单模波长: 1300,1550 nmh2波长 : 850,1300 nmh2h1芯/封套特性光纤的直径减小到一个光波波长光纤信道的特点传输频带极宽传输容量极大传输损耗小抗干扰能力强保密性能好传输质量高无线介质◆ 两个地面站之间传送◆ 距离：50 km 左右地球地面站之间的直视线路微波传送塔微波中继无线介质卫星通信地球地面站地面站22,300公里地球无线介质地球同步卫星信道容量为了提高信号的传输效率，人们总是希望在一定的时间内能够传输尽可能多的数据，并产生尽可能少的差错。但只要是数字信号通过实际的信道，必然会产生失真。实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)奈奎斯特第一准则低通与带通的概念0wf低通信道0w1w2 f带通信道奈奎斯特第一准则在带宽为W（Hz）的理想低通信道中，信息的极限码元传输速率为2W（Baud）；在带宽为W（Hz）的理想带通信道中，信息的极限码元传输速率为W（Baud）。注意：上面所说的具有理想特性的低通或带通信道是理想化的信道，它和实际上所使用的信道当然有相当大的差别。所以，一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显的低于奈奎斯特第一准则给出的这个上限数值。例题有一个带宽为3100Hz的理想低通信道，其最高码元传输速率是多少？若一个码元携带了4bit的信息量，其最高信息传输速率是多少？解：根据奈奎斯特第一准则，带宽为3100Hz的理想低通信道的极限码元速率为2×3100=6200Baud。再根据码元速率的定义得知，一个码元携带4bit的信息量表示1Baud=4bit/s。因此，该信道的最高信息传输速率为6200×4=24800bit/s。香农定理1948年，香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道所能达到的极限传输速率。香农定理指出：信息的极限传输速率C为：C = Blog2（1+S/N）bps式中，B为信道的带宽（单位是Hz），S为信道内所传信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率。S/N称为信噪比，它的单位是1，但实际描述中常用分贝（dB）表示，他们有如下转换关系：S/N（dB）=10log10（S/N）例题某信道带宽为3100Hz，信道上仅存在高斯白噪声，信噪比为30dB，求信道容量。解：当信噪比比30dB时，S/N=1000，代入香农公式，得C=Blog2（1+S/N）=3100log2（1+1000）≈30900 bit/s香农定理表明，信道的带宽或信噪比越大，在信道内的极限传输速率就越高。或者说，只要信道内仅存在高斯白噪声且传输速率低于极限传输值，就一定能够找到一种办法实现无差错的传输。但是，香农并没有指出具体的实现方法，因此香农定理所指出的信道容量，目前只是一个衡量实际数据通信系统性能的尺度。需要说明的是，香农定理所规定的极限传输速率C与信道带宽B并不是完全的正比关系，也就是说带宽的增加并不一定能够使极限传输速率提高。原因是当带宽增加时，由于频带的展宽，相应的高斯白噪声也会增多，对极限传输速率C的影响也会相应的增加。第6节 多路复用技术多路复用概述实际通信工程中，用于线路架设的费用往往非常高，且使用传输介质的传输容量往往大于单一信道传输的通信量。为了充分利用传输介质的带宽，需要在一条通信线路上建立多条通信信道进行同时通信，这就称为信道的多路复用。频分多路复用（FDM）FDM的原理CH2CH1CH3原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用fFDM的基本原理频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5保护频带FDM的特点（1）技术成熟，容易实现。（2）信道利用率较高。（3）信道的非线性失真改变了它的实际频率特性，易造成串音和互调噪声干扰。（4）保护频带占据了一定的带宽。（5）设备不宜小型化。（6）本身不提供差错控制功能，不便于性能监测。时分多路复用（TDM）TDM的原理TDM以时间片作为信号分隔的参量，即信号在时间位置上分开，在频率位置上重叠。利用每个信号在时间位置上的交叉来实现在一条信道上传输多路信号。通过这种技术，多路低速数字信号就可以复用到一条高速信道上。奈奎斯特抽样定理为时分多路复用提供了理论依据。因为抽样定理使得在时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能，这样当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了空隙。利用这些空隙可以传输其他信号的抽样值。TDM的原理TDM的原理频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧…TDM 帧TDM的特点（1）按固定的顺序传输信号，控制相对简单。（2）非常适合传输数字信号。（3）实际应用中空时间片较多，信道利用率低。信道利用率低是TDM一个非常严重的缺陷，它白白浪费了很多珍贵的信道资源。为了解决这个问题，人们研究出了另一种时分复用的方式——统计时分复用。统计时分复用（STDM）STDM的原理STDM的特点（1）信道利用率高，传输效率高。（2）由于增加了检测机制，因此控制相对复杂。（3）适合传输数字信号，尤其是突发性或断续性的数据。虽然STDM解决了TDM信道利用率低的问题，但由于其需要较复杂的机制来控制异步信号的提取，因此实际应用并不多。其他多路复用技术波分多路复用技术（WDM）波分多路复用实际上就是光的频分复用。其他多路复用技术码分多路复用技术（CDM）码分多路复用（Code Division Multiplexing，CDM）是按照码型结构的差别来分割信号的技术，它允许所有站在同一时间占用整个信道进行数据传输。CDM利用随机接入技术，简化了信道，允许用户在任意时刻随机接入任何信道，克服了不同用户必须根据固定安排（频率安排或时间安排）使用信道的局限，目前在无线通信系统中得到了广泛的应用。1. 衡量数据通信的性能指标2. 差错控制编码3. 数据交换技术4. 香农定理5. 多路复用技术

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