第三章數(shù)據(jù)傳輸基本觀念

1、1,第三章 數(shù)據(jù)傳輸基本概念,2,本章綱要,3-1 連線與傳輸 ?3-2 傳輸訊號：類比、數(shù)位 ?3-3 調(diào)變處理 ?3-4 編碼處理 ?3-5 傳輸模式：單工、半雙工、全雙工 ?3-6 傳輸方式：序列、並列 ?3-7 傳輸技術(shù)：同步、非同步 ?3-8 多工處理：TDM、TDMA、FDM、WDM ? 3-9 多工器與集訊器 ?,3,3-1 連線與傳輸,數(shù)據(jù)的傳輸主要包含五個部份 資

2、料來源 (Data source)資料發(fā)送者 (Transmitter)通訊通道 (Communication channel)資料接收者 (Receiver)資料目的 (Data sink),4,3-1 連線與傳輸,數(shù)據(jù)通訊設(shè)備 (DCE :Data Communication Equipment)「資料發(fā)送者」與「資料接收者」 透過通訊通道建立傳訊雙方的實體網(wǎng)路連結(jié) 數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE :Data Terminal

3、 Equipment) 「資料來源」與「資料目的」 負責資料的連結(jié),5,3-1 連線與傳輸,電腦的連線主要有三種方式專屬(dedicated) 建立公司內(nèi)部電腦間的固定連線 租用專線(leased / private) 向電信公司租用傳輸線，建立電腦的連線 撥接(switched / dial-up) 透過電話撥接與電信公司連線，再經(jīng)由電信公司與其他電 腦連線,6,3-1 連線與傳輸,訊號傳輸訊號在

4、傳輸媒介中傳遞時，會有部份被吸收或散射，傳輸距離太長?訊號強度會衰減解決方式:在通訊雙方間加上「訊號加強器」(data regenerator)或「中繼器」(repeater),7,3-1 連線與傳輸,訊號衰減,,8,3-2 傳輸訊號：類比、數(shù)位,類比訊號 連續(xù)變化的電磁波，可透過多種傳輸媒介進行傳送,9,3-2 傳輸訊號：類比、數(shù)位,數(shù)位訊號 不連續(xù)的電壓脈波，主要是以不同的電位狀態(tài)來表示,10,3-2 傳輸訊號：類比

5、、數(shù)位,電腦通訊過程電腦發(fā)出二進位的數(shù)位訊號傳輸媒介傳送的訊號為類比訊號必須透過「數(shù)據(jù)機」將數(shù)位訊號轉(zhuǎn)換成類比訊號,11,資料必須轉(zhuǎn)換為電磁訊號才能被傳送,12,3-2 傳輸訊號：類比、數(shù)位,類比訊號和數(shù)位訊號的比較,13,3-3 調(diào)變處理,類比訊號具有三個重要的特性 振幅 (amplitude) 訊號的強度或波形的大小 頻率 (frequency) 單位時間內(nèi)的週期數(shù) 相位 (phase) 代表不同的

6、電波在時序上的相對狀態(tài),14,15,ms=millisecondμs=microsecondns=nanosecondps = picosecond,Hz= =hertzKHz=Kilo-hertzMHz=Mega-hertzGHz =Giga-hertzTHz=Tera-hertz,16,以μs表示週期100 ms，並以KHz表示其相對應(yīng)的頻率。,範例,17,頻率是訊號對時間的改變速率。短時間內(nèi)的改變代表高頻，長時

7、間內(nèi)的改變代表低頻。,如果訊號一直不改變，它的頻率是零。如果訊號在瞬間改變，那麼它的頻率是無限大。,相位的意思指波形相對於時間0當時的位置。,18,19,不同相位之間的關(guān)係,,,,,,,,相位(Phase)的計算單位：度(Degree)或弧度(Rad)360? = Rad → 1? = 2π/360 弧度,20,一正弦波在時間0時偏離1/6循環(huán)。其相位為何？以度和弧度表示。,範例,21,調(diào)變技術(shù),為什麼需要調(diào)變技術(shù)？

8、調(diào)變技術(shù)把基帶信號轉(zhuǎn)換成適合在傳播媒介傳送的格式,在接受器再把收到的信號轉(zhuǎn)換成基帶信號.比如説人與人對話的時候是一種通訊。說話的人把知訊透過空氣(傳播媒介)傳達到聽話人的耳朵.人說話的聲音不適合在空氣中，所以說話聲音傳播得不遠。要把人聲傳播得得遠，我們先把人聲轉(zhuǎn)換成電流，調(diào)變技術(shù)能把電流與高頻率的載波信號結(jié)合，結(jié)合的信號能在空氣(傳播媒介)中傳送得更遠。,22,3-3 調(diào)變處理,類比訊號的調(diào)變處理 將類比訊號以二進位值表

9、示來進行編碼 「振幅調(diào)變」(ASK；Amplitude Shift Keying)「頻率調(diào)變」(FSK；Frequency Shift Keying) 「相位調(diào)變」(PSK；Phase Shift Keying),23,3-3 調(diào)變處理,「振幅調(diào)變」(ASK；Amplitude Shift Keying) 以不同的波幅來表示不同的二進位值,24,振幅（AM）調(diào)變,載波信號,輸入信號,輸出信號,振幅調(diào)變技術(shù)：輸出信號頻率和

10、載波信號相同輸出信號的振幅與輸入信號振幅是相對的。輸入信號振幅越高，輸出信號振幅也越高,25,3-3 調(diào)變處理,「頻率調(diào)變」(FSK；Frequency Shift Keying) 以不同的頻率來表示不同的二進位值,26,頻率（FM）調(diào)變,頻率調(diào)變技術(shù)：輸出信號瞬時頻率與輸入信號振幅是相對的。輸入信號振幅越高，輸出信號頻率也越高,載波信號,輸入信號,輸出信號,27,3-3 調(diào)變處理,「相位調(diào)變」(PSK；Phase S

11、hift Keying) 利用觀察相位的不同來代表二進位值,28,相位（PSK）調(diào)變,相位調(diào)變技術(shù)：輸出信號頻率和載波信號相同輸出信號的相位會受到輸入信號振幅的影響而改變。,29,,,,,,,,30,QPSK(4-PSK),,,,,,,,31,一類比訊號的每個訊號單位是四個位元。如果每秒傳送1000個訊號單位，其鮑率和位元速率各為何？,範例,32,某訊號的位元速率是3000。 如果每個訊號單位負載6個位元，其鮑率為何？,

12、範例,33,某8-PSK(每個訊號元素攜帶3個位元)訊號的頻寬為5000 Hz， 它的鮑率和位元速率各為何？(假設(shè)：鮑率 = 頻寬),範例,34,35,QAM是ASK與PSK的組合，使得每個訊號元素（位元、雙位元、三位元等）之間可得到最大的對照。,,附註:,36,4-QAM 和 8-QAM 星宿,,,,,,,,37,8-QAM訊號的時域圖,,,,,,,,38,16-QAM 星宿,,,,,,,,39,40,一個星宿圖圓圈上含有八個等距

13、的點。如果位元速率是4800 bps， 其鮑率為何？,範例,41,計算1000鮑率之16-QAM訊號的位元速率。,範例,42,計算72,000位元速率64-QAM訊號的鮑率。,範例,43,3-4 編碼處理,44,3-4 編碼處理,同步處理(Synchronization) 在訊號傳送端與接收端間做時脈的調(diào)整 非同步處理的傳輸錯誤若接收速率為傳送速率的二倍 傳送”0110” ? 接收到 “00111100”,45,缺乏

14、同步,,46,在數(shù)位傳輸中，接收端的時鐘比傳送端的快千分之1。如果資料速率是1 Kbps時，接收端每秒多收到多少位元？ 如果是 1 Mbps的話呢？,範例,47,非同步傳輸(針對位元組為單位)中，每個位元組的前面增加一個起始位元(0)，後面增加一個以上的停止位元(1)。每個位元組之間可能有一個時間間隔,,附註:,48,非同步在這裡的意思是「在位元組的層次上非同步」，但在位元仍然是同步的；它們的持續(xù)時間是一樣的,,附註:,49,同步傳輸中

15、，位元相繼傳送並不需要起始/停止位元或間隔。將位元組合起來是接收者的責任,,附註:,50,3-4 編碼處理,自調(diào)時脈 (Self-Clocking) 數(shù)位編碼方式將有關(guān)時脈(Clocking)的訊息包含在訊號中，可隨時進行時脈的調(diào)整,51,訊號階層 vs. 資料階層,V,0,V,0,-V,Signal Level: V、0,Data Level: 0、1,Signal Level: V、0、-V,Data Level:

16、0、1,2個訊號階層、2個資料階層,3個訊號階層、2個資料階層,52,2B1Q Encoding,,,每一脈衝可表示兩個位元,範例：電壓 3：代表10電壓 1：代表11電壓 -1：代表01電壓 -3：代表00,訊號階層 vs. 資料階層,Signal Level: 3、1、-1、-3,Data Level: 00、01、10、11,4個訊號階層、4個資料階層,53,3-4 編碼處理,常見的數(shù)位編碼方式 RZ ( R

17、eturn to Zero ) 歸零編碼 NRZ-L ( Non Return to Zero Level ) 不歸零編碼NRZ-I (Non Return to Zero Inverted) 反向不歸零編碼 Manchester 曼徹斯特編碼 Differential Manchester 差動式曼徹斯特編碼MLT-3 編碼,54,在NRZ-L中，訊號的水平與位元的狀態(tài)有關(guān),,附註:,NRZ-L : Nonreturn t

18、o Zero - Level,通常正電壓代表0，負電壓代表1,55,在NRZ-I中，當遇到 1 時訊號變?yōu)榉聪?,附註:,NRZ-L : Nonreturn to Zero - Invert,電位的反相變化代表1，沒有改變代表0,56,NRZ-L 和 NRZ-I 編碼,57,RZ 編碼,RZ : Return to Zero,58,一個好的數(shù)位編碼應(yīng)提供同步的機制,,附註:,59,曼徹斯特編碼,Manchester Encoding,6

19、0,曼徹斯特編碼中，位元中間的轉(zhuǎn)變用來做同步及位元表示,,附註:,61,差動式曼徹斯特編碼,Differential Manchester Encoding,62,在差動式曼徹斯特編碼中，位元中間的反相是用來同步。位元的值由位元開始時是否有反相來定。,,附註:,63,MLT-3 訊號,多線傳輸三電位MLT-3：Multiline Transmission, 3 Level,電位有轉(zhuǎn)換代表1，電位沒變代表0,64,3-4 編碼處理,各種數(shù)

20、位編碼方式示意圖,65,3-4 編碼處理,各種數(shù)位編碼方式之比較,66,3-5 傳輸模式：單工/半雙工/全雙工,傳輸模式有三種 (訊號傳輸方向性):單工 ( Simplex ) 通訊雙方只能進行單向的數(shù)據(jù)傳輸 ex:收音機半雙工 ( Half-duplex ) 通訊雙方能進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，但在同一時間只允許其中一個方向傳輸 ex:無線對講機全雙工 ( Full-duplex ) 通訊雙方能同時進行雙向

21、的數(shù)據(jù)傳輸 ex:電話,67,單工,,68,半雙工,,69,全雙工,,70,3-6 傳輸方式：序列/平行,傳輸模式有三種 (訊號傳輸方向性):序列傳輸 ( Serial ) 將位元組中一個一個位元依序送出，當然接收端也會依序收到各位元 平行傳輸 ( Parallel ) 將位元組中之各位元同時發(fā)出，在理想狀況下接收端會同時收到各位元,71,平行傳輸,,72,序列傳輸,,73,3-6 傳輸方式：序列/平行,序列傳

22、送與並列傳送方式之比較,74,3-7 傳輸技術(shù)：同步/非同步,非同步傳輸 ( Asynchronous ) 又稱做「起止傳輸」( Start-Stop ) ，通訊雙方靠起始碼[0]與結(jié)束碼[1]進行通訊上的溝通，故可使用不一致的速率來傳送字元,75,3-7 傳輸技術(shù)：同步/非同步,同步傳輸 ( Synchronous ) 通訊雙方的時脈必須一致 建立同步關(guān)係的方式 雙方具有同步的計時器，使用時脈線傳送時脈訊

23、息 將時脈的訊息和訊號一同傳送,76,3-8 多工處理: FDM/TDM/WDM,分頻多工 ( FDM;Frequency Division Multiplexing )多個使用者在相同時間使用不同的頻率來傳送訊息 分時多工 ( TDM;Time Division Multiplexing ) 多個使用者在不同時間使用相同的頻寬來傳送訊號 在相鄰時槽間加上一小段的保護時間 ( Guard Time )，可防止相鄰時槽間訊號傳輸

24、的干擾分波長多工( WDM;Wave-length Division Multiplexing )透過光進行訊號傳輸，可傳遞大容量的訊號,77,FDM,78,FDM是一種組合訊號的類比多工技術(shù)。,,附註:,79,FDM 程序,80,FDM 解多工範例,81,TDM,82,TDM是一種組合資料的數(shù)位多工技術(shù)。,,附註:,83,TDM 訊框,84,四條1 Kbps線路多工起來。一個單元是1位元。找出 (1) 多工前1個位元的持續(xù)時間；

25、(2) 鏈結(jié)傳輸速率； (3) 時槽的持續(xù)時間； (4) 一個訊框的持續(xù)時間？,範例 5,85,,,,,,,,,,1Kbps=每秒1000個位元,,每個位元所花時間=1/1000秒=0.001秒,多工後的線路速率=多工前所有線路速度總和 = 4 Kbps,,,,,,,,,每個時槽的時間是每個位元多工前的1/4,,,每個訊框的時間是四個時槽的時間總和,1Kbps,1Kbps,1Kbps,1Kbps,86,在TDM中，鏈結(jié)的資料速率快了

26、n倍，且每個單元的持續(xù)時間縮短了n倍。,,附註:,87,有四個利用TDM多工的頻道，假設(shè)每個頻道每秒傳送100 個位元組，而每個頻道多工一個位元組，請圖示訊框在鏈結(jié)上的流動、訊框的大小、訊框的持續(xù)時間、訊框速率，以及鏈結(jié)的位元速率。,範例 6,88,範例,,89,一個多工器使用2位元的時槽組合4個100 Kbps的頻道。展示這四個輸入的輸出。其訊框速率為何？ 訊框持續(xù)時間為何？ 位元速率呢？ 以及位元持續(xù)時間？,範例 7,90,範例,9

27、1,訊框同步位元,同步範例：每個訊框前面有一個訊框同步位元(Frame bit)，0和1交替。,92,我們有4個來源，每個每秒產(chǎn)生250個字元。如果交插單元是一個字元，且每個訊框前面有一個同步位元。找出 (1) 每個來源的資料速率， (2) 每個來源中的每個字元持續(xù)時間， (3) 訊框速率， (4) 每個訊框持續(xù)時間， (5) 每個訊框的位元數(shù)，以及 (6) 鏈結(jié)的資料速率。,參見下一張投影片。,範例 8,解答,93,各題的答案如下:

28、1. 每個來源的資料速率是 250 x 8 = 2000 bps = 2 Kbps。[註：每個字元佔8 bits]2. 每個字元的持續(xù)時間是 1/250 秒，即 4 ms。 3. 鏈結(jié)必須每秒傳送250個訊框 。4. 每個訊框持續(xù)時間是 1/250 秒，或 4ms。 5. 每個訊框是 4 x 8 + 1 = 33 位元。6. 鏈結(jié)的資料速率是 250 x 33, or 8250 bps.,解答 (續(xù)),94,有兩個頻道要多

29、工，一個位元速率是100 Kbps，另一個是200 Kbps。應(yīng)該如何才能達成？ 其訊框速率為何？ 訊框持續(xù)時間為何？ 鏈結(jié)的位元速率為何？,範例 9,95,分波長多工( WDM;Wave-length Division Multiplexing ),,96,WDM,97,WDM是組合光訊號的類比多工技術(shù)。,,附註:,98,多工器和解多工器裡的棱鏡,99,3-9多工器與集訊器,多工器 ( Multiplexer ) 需成對存在，分

30、別與電腦主機及終端機連接負責處理主機對終端機或終端機對主機的訊號傳輸 成對的多工器間則是使用通訊電路進行訊號傳輸,100,3-9多工器與集訊器,集訊器 ( Concentrator ) 透過微電腦控制的通訊設(shè)備 可儲存各個終端機低速傳送過來的資料 使用高速傳輸?shù)耐ㄓ嶋娐穼①Y料送給電腦主機處理,101,3-9多工器與集訊器,多工器與集訊器之比較,102,3-10 處理資料傳輸錯誤的方法,錯誤檢測碼 錯誤檢測碼僅能偵測是否有

31、錯誤發(fā)生 自動重傳要求(Automatic repeat request, ARQ)協(xié)定檢測到錯誤時將資料區(qū)塊丟棄 要求發(fā)射機重送此資料區(qū)塊 錯誤更正碼，也稱為直接錯誤更正(Forward error correction, FEC)碼 偵測錯誤還能更正錯誤,103,錯誤檢測技術(shù),傳送器 傳送器於給定位元的訊框附加上一個錯誤檢測位元 接收機 依照訊框進行資料檢查從接收資料位元計算檢查位元錯誤檢測計算並且將計算的值和接

32、收到的錯誤檢測碼做比較 不同則表示發(fā)生錯誤,104,錯誤檢測程序,(a) 發(fā)送器,(b) 接收器,錯誤檢測程序,105,同位元查核,一個同位元附加於資料區(qū)塊 偶同位 傳輸字元有偶數(shù)個1 (偶同位) 奇同位 傳輸字元有奇數(shù)個1 (奇同位) 例如 , 7-bit 描述 [1110001]偶同位 [11100010]奇同位 [11100011],106,偶數(shù)同位概念,107,在同位檢查中，1個同位元增加到每個資料單元，使得位

33、元1的總個數(shù)變成偶數(shù)（如果是奇數(shù)同位檢查時為奇數(shù)）。,,附註:,108,偶數(shù)同位元的概念,(冗餘位元稱為同位元，加在每個資料單元的後面，使整個單元(包括同位元) 1的個數(shù)是偶數(shù)),偶同位檢查能夠偵測所有單位元錯誤。也可以偵測連串錯誤，但位元改變的個數(shù)須為奇數(shù)，故偶同位檢查無法偵測偶數(shù)個錯誤的資料。,109,假設(shè)傳送者要傳world這個字。在ASCII中， 這五個字是編為 1110111 1101111 1110010

34、 1101100 1100100下列展示真正傳送的位元。 11101110 11011110 11100100 11011000 11001001,範例 1,110,上題中接收者收到的world沒有任何毀損。 11101110 11011110 11100100 11011000 11001001接收者計算每個字元中1的個數(shù)為(6,6,4,4,4)，皆為偶數(shù)。接收者接受資料。,範例 2,11

35、1,現(xiàn)在假設(shè)world於傳輸中有毀損。 11111110 11011110 11101100 11011000 11001001接收者計算每個字元中1的個數(shù)為(7,6,5,4,4)。接收者知道資料已受損，丟棄並要求重送。,範例 3,112,錯誤控制技術(shù),錯誤檢測 (Error detection) 接收器檢測到錯誤時丟棄錯誤的PDU 正回覆信號 (Positive acknowledgment) 目地端成功接收

36、到無誤的PDU時回傳一個正確回覆信號 超時重送(Retransmission after timeout) 發(fā)送端在預(yù)定時間內(nèi)沒有收到回覆信號則重送PDU 負回覆信號並重送(Negative acknowledgment and retransmission) 目地端檢測到錯誤時，回傳此有誤PDU的一個負回覆信號，來源端將重送此PDU,113,訊號修正,接收端偵測錯誤還能自動更正錯誤,114,資料和冗餘位元,錯誤校正之關(guān)鍵就是如

37、何找到錯誤位元的位置。r 必須能指出至少　m + r + 1 個不同狀態(tài) (m + r 個狀態(tài)分別指出每一個m + r 位置的錯誤，還有 1 個狀態(tài)是沒有錯誤)2r ≧ m + r + 1,,,115,資料和冗餘位元（單位元錯誤修正）,2r >= m + r + 1m+r：個位元總共可能的單位元錯誤狀態(tài)有m+r個1：還有一個正確的狀態(tài)要表示,116,冗餘位元在漢明碼中的位置,,,,,,,,,冗餘位元是放置在2的指數(shù)次方

38、之位置,r8：為第8,9,10,11位元組合的偶同位檢查位元,r4：為第4,5,6,7位元組合的偶同位檢查位元,r2：為第2,3,6,7,10,11位元組合的偶同位檢查位元,r1：為第1,3,5,7,9,11位元組合的偶同位檢查位元,,,,,117,冗餘位元計算,118,冗餘位元計算例子,rx :其值為其所對應(yīng)位元組合的偶同位元值,119,單位元錯誤,假設(shè)上面例子所傳送的資料單元收到後，其中第7個位元已經(jīng)由1改變?yōu)?,,120,漢明碼