[理学]MSE课件-数据通信ch.ppt

1、8.1 Many to oneone to manyMultiplexing vs.No Multiplexing。Categories of multiplexing允许同时通过一条数据链路传输多个信号的技术。允许同时通过一条数据链路传输多个信号的技术。指一条物理链路。指一条物理链路。指在给定的一对设备间传输信号的通路的那一部指在给定的一对设备间传输信号的通路的那一部分。分。(一条通路可以有多个信道一条通路可以有多个信道)8.2 FDMMultiplexing ProcessDemultiplexing ProcessThe Analog HierarchyOther Application

2、s of FDMImplementationFDM is an analog multiplexing technique that combines signals.FDM是一种模拟技术，在链路带宽大于要是一种模拟技术，在链路带宽大于要传输的所有信号带宽之和时采用，将链路的带宽划分传输的所有信号带宽之和时采用，将链路的带宽划分为若干个子频带，每个子频带传输一路信号。为若干个子频带，每个子频带传输一路信号。原始信号在接收方可正常恢复的三个必要条件：原始信号在接收方可正常恢复的三个必要条件：载波频率之间的频差能够容纳调制信号的带宽；载波频率之间的频差能够容纳调制信号的带宽；信道之间由信道之间由警

3、戒频带警戒频带分隔以防止信号交叉；分隔以防止信号交叉；载波频率不会影响原来的数据频率。载波频率不会影响原来的数据频率。FDM,Time Domain每个发送设备产生的信号用于调制每个发送设备产生的信号用于调制不同的载波频率，调制后的信号再被组合成一个可以不同的载波频率，调制后的信号再被组合成一个可以通过链路传输的复合信号通过链路传输的复合信号。在在FDM中采用调幅或调频技术将信号调制到独立载波中采用调幅或调频技术将信号调制到独立载波频率上频率上f1,f2,f3。Multiplexing,Frequency DomainDemultiplexing,Time Domain and Frequen

4、cy DomainAssume that a voice channel occupies a bandwidth of 4 KHz.We need to combine three voice channels into a link with a bandwidth of 12 KHz,from 20 to 32 KHz.Show the configuration using the frequency domain without the use of guard bands.Shift(modulate)each of the three voice channels to a di

5、fferent bandwidth,as shown in the following Figure.Example 1Five channels,each with a 100-KHz bandwidth,are to be multiplexed together.What is the minimum bandwidth of the link if there is a need for a guard band of 10 KHz between the channels to prevent interference?For five channels,we need at lea

6、st four guard bands.This means that the required bandwidth is at least 5 x 100+4 x 10=540 KHz,as shown in the following Figure.Example 2Four data channels(digital),each transmitting at 1 Mbps,use a satellite channel of 1 MHz.Design an appropriate configuration using FDMThe satellite channel is analo

7、g.We divide it into four channels,each channel having a 250-KHz bandwidth.Each digital channel of 1 Mbps is modulated such that each 4 bits are modulated to 1 Hz.One solution is 16-QAM modulation.The following Figure shows one possible configuration.Example 3The Advanced Mobile Phone System(AMPS)use

8、s two bands.The first band,824 to 849 MHz,is used for sending;and 869 to 894 MHz is used for receiving.Each user has a bandwidth of 30 KHz in each direction.The 3-KHz voice is modulated using FM,creating 30 KHz of modulated signal.How many people can use their cellular phones simultaneously?Each ban

9、d is 25 MHz.If we divide 25 MHz into 30 KHz,we get 833.33.In reality,the band is divided into 832 channels.8.3 WDMWave Division MultiplexingWDM is an analog multiplexing technique to combine optical signals.WDM与频分复用相似，也是一种模拟技术，与频分复用相似，也是一种模拟技术，只是复用与多路分解是通过光纤信道传输光信号，并只是复用与多路分解是通过光纤信道传输光信号，并且被组合的各种频率的

10、信号的频率较高。且被组合的各种频率的信号的频率较高。将采用不同源的窄带光组成一个宽带光，在接将采用不同源的窄带光组成一个宽带光，在接收器方，通过多路分解器将光信号分解。收器方，通过多路分解器将光信号分解。光源的组合与分解由棱镜完成，棱镜可基于光的入射光源的组合与分解由棱镜完成，棱镜可基于光的入射角与频率将几束输入光角与频率将几束输入光(窄带光窄带光)合成一道光合成一道光(宽带光宽带光)。Time Slots and FramesInterleavingSynchronizingBit PaddingDigital Signal(DS)ServiceT LinesInverse TDMMore

11、TDM ApplicationsTDM is a digital multiplexing technique to combine data.TDM是一个数字化过程，当传输介质的数是一个数字化过程，当传输介质的数据速率容量大于发送和接收设备所需要的数据速率时据速率容量大于发送和接收设备所需要的数据速率时就可以采用它。就可以采用它。多道传输流通过多道传输流通过细分链路细分链路和和交织过程交织过程来使用单来使用单条链路。条链路。链路分割是时间上的而不是频率上的。链路分割是时间上的而不是频率上的。TDM同步时分复用同步时分复用异步时分复用异步时分复用Synchronous TDM复用器在所有时间为

12、每个设备分配完复用器在所有时间为每个设备分配完全一样的时间片，不管该设备有没有数据要传送。全一样的时间片，不管该设备有没有数据要传送。时间片组成帧，一帧由时间片的一个完整循环组时间片组成帧，一帧由时间片的一个完整循环组成，包括分配给每个发送设备的一个或多个时间片。成，包括分配给每个发送设备的一个或多个时间片。分配给某设备的时间片在一帧中的位置是固定的。分配给某设备的时间片在一帧中的位置是固定的。Interleaving同步时分复用好像快速旋转开关，开关打开时同步时分复用好像快速旋转开关，开关打开时对应设备有机会向通路传输规定数目的数据，开关以对应设备有机会向通路传输规定数目的数据，开关以恒定速

13、率和固定顺序在设备间轮转的过程称为交织。恒定速率和固定顺序在设备间轮转的过程称为交织。交织可用比特、字节和任何其他数据单元来进行。交织可用比特、字节和任何其他数据单元来进行。在给定系统中在给定系统中交织的单元是大小相等的交织的单元是大小相等的。下例中是以下例中是以字符字符为单元的。为单元的。有空时间片出现。有空时间片出现。Four 1-Kbps connections are multiplexed together.A unit is 1 bit.Find(1)the duration of 1 bit before multiplexing,(2)the transmission rate

14、 of the link,(3)the duration of a time slot,and(4)the duration of a frame?We can answer the questions as follows:1.The duration of 1 bit is 1/1 Kbps,or 0.001 s(1 ms).2.The rate of the link is 4 Kbps.3.The duration of each time slot 1/4 ms or 250 m ms.4.The duration of a frame 1 ms.Four channels are

15、multiplexed using TDM.If each channel sends 100 bytes/s and we multiplex 1 byte per channel,show the frame traveling on the link,the size of the frame,the duration of a frame,the frame rate,and the bit rate for the link.The multiplexer is shown in the next Figure.A multiplexer combines four 100-Kbps

16、 channels using a time slot of 2 bits.Show the output with four arbitrary inputs.What is the frame rate?What is the frame duration?What is the bit rate?What is the bit duration?The next Figure shows the output for four arbitrary inputs.Framing Bits由于在同步时分复用中各帧内的时间片由于在同步时分复用中各帧内的时间片顺序不变，因而在帧头上只需要很少的额

17、外开销，一顺序不变，因而在帧头上只需要很少的额外开销，一个或若干各个同步比特，这些比特称为个或若干各个同步比特，这些比特称为帧定位比特帧定位比特。帧定位比特具有一定格式，并且每帧都有，以便于帧定位比特具有一定格式，并且每帧都有，以便于多路分解器根据输入流进行同步，从而可以精确地多路分解器根据输入流进行同步，从而可以精确地分离各时间片。分离各时间片。多数情况下由一比特构成，多数情况下由一比特构成，0、1交替出现交替出现。Data Rate一条同步时分复用链路上由四个输入信源，传输流安字一条同步时分复用链路上由四个输入信源，传输流安字符交织，每个信源每秒产生符交织，每个信源每秒产生250个字符，每

18、帧容纳每个信源的个字符，每帧容纳每个信源的一个字符，则传输通路每秒能容纳一个字符，则传输通路每秒能容纳250帧。帧。若每个字符有若每个字符有8个比特，则每帧有个比特，则每帧有33个比特。个比特。则每个设备的数据产生率为则每个设备的数据产生率为2000bps，线路上的负载是，线路上的负载是8250bps(8000比特数据，比特数据，250比特开销比特开销)。We have four sources,each creating 250 characters per second.If the interleaved unit is a character and 1 synchronizing b

19、it is added to each frame,find(1)the data rate of each source,(2)the duration of each character in each source,(3)the frame rate,(4)the duration of each frame,(5)the number of bits in each frame,and(6)the data rate of the link.1.The data rate of each source is 2000 bps=2 Kbps.2.The duration of a cha

20、racter is 1/250 s,or 4 ms.3.The link needs to send 250 frames per second.4.The duration of each frame is 1/250 s,or 4 ms.5.Each frame is 4 x 8+1=33 bits.6.The data rate of the link is 250 x 33,or 8250 bps.Two channels,one with a bit rate of 100 Kbps and another with a bit rate of 200 Kbps,are to be

21、multiplexed.How this can be achieved?What is the frame rate?What is the frame duration?What is the bit rate of the link?We can allocate one slot to the first channel and two slots to the second channel.Each frame carries 3 bits.The frame rate is 100,000 frames per second because it carries 1 bit fro

22、m the first channel.The frame duration is 1/100,000 s,or 10 ms.The bit rate is 100,000 frames/s x 3 bits/frame,or 300 Kbps.Bit filling可以把不同数据速率的设备接入一条同步时分复用链可以把不同数据速率的设备接入一条同步时分复用链路中，但由于一帧中的时间片个数和每个时间片对应路中，但由于一帧中的时间片个数和每个时间片对应的输入线路数在一个给定的系统是不变的，所以应该的输入线路数在一个给定的系统是不变的，所以应该使不同数据速率的设备控制不同数量的时间片使不同数据速率的

23、设备控制不同数量的时间片。要让这种技术可行，必须使不同数据速率之间是整要让这种技术可行，必须使不同数据速率之间是整数倍关系。数倍关系。当设备之间的速率不是整数倍时，通过比特填充技当设备之间的速率不是整数倍时，通过比特填充技术可以把它们变成好像是整数倍的。术可以把它们变成好像是整数倍的。复用器通过在设备的源数据流中插入附加复用器通过在设备的源数据流中插入附加的比特，来强制使各个设备之间地速度关系是整数倍的比特，来强制使各个设备之间地速度关系是整数倍的。的。附加的比特会被多路分解器丢弃。附加的比特会被多路分解器丢弃。Asynchronous TDM也允许将许多较低速也允许将许多较低速率的输入线路复

24、用到一条较高速率的线路上，但不同率的输入线路复用到一条较高速率的线路上，但不同的是其所有输入线路的速率之和可能比通路容量大。的是其所有输入线路的速率之和可能比通路容量大。在同步系统中在同步系统中，如果有，如果有n条输入线路，帧内就至少有固定的条输入线路，帧内就至少有固定的n个时间片；个时间片；在异步系统中在异步系统中，如果有如果有n n条输入线路，帧内就至多需要条输入线路，帧内就至多需要m m个时个时间片，其中间片，其中m m小于小于n n。Asynchronous TDM每一个时间片都可以被所连接的任何一个有数据发送每一个时间片都可以被所连接的任何一个有数据发送的输入线路所使用。的输入线路所

25、使用。如果没有足够数据将帧内所有时间片填满，该帧就以如果没有足够数据将帧内所有时间片填满，该帧就以半填充方式半填充方式传输传输。a.Only three lines sending datab.Only four lines sending datac.All five lines sending dataFrames and Addresses在第二、三种情况下，如果线路速度等于输入线路速在第二、三种情况下，如果线路速度等于输入线路速度的度的3倍，则倍，则数据到达的速率数据到达的速率可能会快于可能会快于复用器将数据复用器将数据发送到链路的速率发送到链路的速率，此时需要一个，此时需要一个缓冲区

26、缓冲区在复用器可在复用器可以发送之前缓存数据。以发送之前缓存数据。Asynchronous TDM寻址和额外开销寻址和额外开销异步时分复用中，每个时间片须携带异步时分复用中，每个时间片须携带一个地址来告诉多路分解器如何为其中的数据定向。一个地址来告诉多路分解器如何为其中的数据定向。地址由复用器添加，数据被读入后由多路分解器丢弃。地址由复用器添加，数据被读入后由多路分解器丢弃。地址通常只由少数比特组成，并可只在传输第一部分地址通常只由少数比特组成，并可只在传输第一部分附加完整的地址信息，随后部分采用缩略格式。附加完整的地址信息，随后部分采用缩略格式。管理变长字段要求在每个时间片开头增加管理变长字

27、段要求在每个时间片开头增加控制比特控制比特来来指明后续的数据部分的长度，这些额外比特同样增加指明后续的数据部分的长度，这些额外比特同样增加了系统的额外开销，仅在时间片较大时适用了系统的额外开销，仅在时间片较大时适用。Multiplexing and inverse multiplexing是复用的反过程，从一条较高数据速率的线路是复用的反过程，从一条较高数据速率的线路接收数据流并将它分成小部分，使之可以在几条速度相接收数据流并将它分成小部分，使之可以在几条速度相对较低的线路上同时传输，而不降低总数据速率。对较低的线路上同时传输，而不降低总数据速率。考虑一个组织，要传输数据、语音以及视频，每种考

28、虑一个组织，要传输数据、语音以及视频，每种数据都要求不同的数据速率，语音数据都要求不同的数据速率，语音64Kbps、数据、数据128Kbps、视频、视频1.544Mbps。两种选择方案：两种选择方案：Major ComponentsAnalog ServicesDigital ServicesTelephone Network包括为用户提供本地服务和长途业务包括为用户提供本地服务和长途业务的公用通信公司。的公用通信公司。为用户提供本地服务；为用户提供本地服务；为用户提供长途业务。为用户提供长途业务。把不同的通信公司看作是一个把不同的通信公司看作是一个连接用户和网络的线路。连接用户和网络的线路。

29、Voice communication used analog signals in the past,but is now moving to digital signals.On the other hand,dialing started with digital signals(rotary)and is now moving to analog signals(touch-tone).Analog services使用双线双绞线电缆通过交换台来连使用双线双绞线电缆通过交换台来连接用户的听筒和网络，这种连接也称为接用户的听筒和网络，这种连接也称为本地环路本地环路，其，其接入的网络有时称

30、为接入的网络有时称为公用电话交换网公用电话交换网PSTN。为用户提供了一个租用永久性连接到为用户提供了一个租用永久性连接到另一个用户的整条线路的可能，也称为另一个用户的整条线路的可能，也称为专用线路专用线路。通过降低衰减率、信号失真或延迟失真的通过降低衰减率、信号失真或延迟失真的方式来改进线路的质量。方式来改进线路的质量。Analog Hierarchy将较低带宽线路上的信号复用到较高带宽线路将较低带宽线路上的信号复用到较高带宽线路上，上，AT&T的分级系统由群组、超群组、主群组和巨群组组成。的分级系统由群组、超群组、主群组和巨群组组成。是它不像模拟业务那样容易受到噪声是它不像模拟业务那样容易

31、受到噪声和其他形式干扰的影响，并且具有较低的费用。和其他形式干扰的影响，并且具有较低的费用。Digital servicesSwitched/56 Service是模拟交换线路的数字化形式，是一种是模拟交换线路的数字化形式，是一种可以达到可以达到56Kbps数据速率的交换数字业务。数据速率的交换数字业务。是数是数字线路相对于同等的模拟线路具有更高的速度、更好的字线路相对于同等的模拟线路具有更高的速度、更好的质量以及更好的抗干扰性。质量以及更好的抗干扰性。允许用户使用多条线路来获得更高的带允许用户使用多条线路来获得更高的带宽。宽。DDS是模拟租用线路的数字化形式，是一是模拟租用线路的数字化形式，

32、是一种最大数据速率为种最大数据速率为64Kbps数字租用线路。数字租用线路。也需要使用也需要使用数字服务单元数字服务单元DSU，但比交换，但比交换/56业务业务的的DSU价格便宜，不需要拨号面板。价格便宜，不需要拨号面板。DS Hierarchy是数字是数字信号的一个分级体系下信号的一个分级体系下图显示了各级别支持的图显示了各级别支持的数据速率。数据速率。LineVoice ChannelsRate(Mbps)Service电话公司用来实现电话公司用来实现DS-0、DS-1等业务，等业务，T1线线路的容量完全与路的容量完全与DS-1到到DS-4业务的数据速率相等。业务的数据速率相等。DS-0实

33、际上并不以一项业务的形式出现，但是其实际上并不以一项业务的形式出现，但是其它各项引用的基础，电信公司想用它各项引用的基础，电信公司想用DS-0取代取代DDS业务。业务。T-1 Line是为传输数字数据、语音是为传输数字数据、语音和音频信号而设计的数字线路，但可以用在模拟传输和音频信号而设计的数字线路，但可以用在模拟传输上，只需先采样再时分复用即可，上，只需先采样再时分复用即可，北美使用北美使用。可以将多条语音信道复用到一条可以将多条语音信道复用到一条T-1线路上。线路上。T-1 FrameFractional T-1 Line允许多个用户通过复用来共享一条允许多个用户通过复用来共享一条T1线路

34、。线路。数字服务单元数字服务单元/信道服务单元信道服务单元(DSU/CSU)设备：设备：可以可以将一条将一条T1线路的容量被分割成四个交织的信道。线路的容量被分割成四个交织的信道。Rate(Mbps)VoiceChannelsE Line欧洲使用欧洲使用E线路，概念上与线路，概念上与T线路相同，只是线路相同，只是容量不同。容量不同。ADSLOther DSL TechnologiesDSL是一种较新的技术，使用已有电信是一种较新的技术，使用已有电信网络如本地回路的电话线去完成数据、语音、视频与网络如本地回路的电话线去完成数据、语音、视频与多媒体的高速传递。多媒体的高速传递。五种：五种：非对称数

35、字用户线非对称数字用户线ADSL速率自适应非对称数字用户线速率自适应非对称数字用户线RADSL高比特数字用户线高比特数字用户线HDSL对称数字用户线对称数字用户线VDSL甚高比特率数字用户线甚高比特率数字用户线SDSL非对称，下行比上行速率高。非对称，下行比上行速率高。ADSLADSL将双绞线电缆的带宽划分成三个频带：将双绞线电缆的带宽划分成三个频带：其中语音其中语音频带只占用频带只占用4KHz4KHz，余下的做警戒带宽。，余下的做警戒带宽。无载波振幅无载波振幅/相位相位CAP：与与QAM相似，但主要区别是相似，但主要区别是没有载波信号，比没有载波信号，比QAM更复杂。更复杂。离散多音调技术离

36、散多音调技术DMT：QAM与与FDM的结合，每个方的结合，每个方向划分为向划分为4KHz信道信道,每个信道都有自己的载波频率。每个信道都有自己的载波频率。ADSL0 25 25 200 250 1000 KHzDMT由源产生的比特经过由源产生的比特经过串并转换器串并转换器，将，将N比特组成的数据划分成比特组成的数据划分成N条并行通路，每条通路由条并行通路，每条通路由1比比特组成，产生特组成，产生QAM信号并复用自在一条线路上发送。信号并复用自在一条线路上发送。ANSI给每条给每条4KHz信道规定速率为信道规定速率为60Kbps。上行占上行占25个信道，个信道，比特率为比特率为2560Kbps或

37、或1.5Mbps，但由于噪声影响，这个方向的比特率在但由于噪声影响，这个方向的比特率在64Kbps 1Mbps之间。之间。下行占下行占200个信道个信道，比特率为比特率为20020060Kbps60Kbps或或12Mbps12Mbps，但由于噪声影响，这个方向的比特率在但由于噪声影响，这个方向的比特率在500Kbps500Kbps 8Mbps8Mbps之间之间。ADSL is an asymmetric communication technology designed for residential users;it is not suitable for businesses.The existing local loops can handle bandwidths up to 1.1 MHz.ADSL is an adaptive technology.The system uses a data rate based on the condition of the local loop line.ADSL modem