2-第二章 数据通信基础.ppt

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1、第二章第二章 数据通信基础数据通信基础p数据通信的基本概念数据通信的基本概念p数据传输方式数据传输方式p数据的同步技术数据的同步技术p数据编码和调制技术数据编码和调制技术p多路复用技术多路复用技术p数据交换技术数据交换技术p差错控制技术差错控制技术2.1 数据通信的基本概念 1.信息、数据与信号信息、数据与信号信息信息(Information)：人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。数据数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。信号信号(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。通信的目的是交换信息。通信

2、的目的是交换信息。模拟信号：模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值。数字信号：数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值。tta)模拟信号b)数字信号2.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 3.基带信号与宽带信号基带信号与宽带信号 基带信号基带信号：将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后，直接送到通信线路上传输的信号。宽带信号宽带信号：基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。4.信道、数字信道与模拟信道信道、数字信道与模拟信道 信道信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。按传输信号的类型分类，信道可以分为数字信道与模拟信道；数字信道数字信道:用来传输离散数字信

3、号的。离散的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列，当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。模拟信道模拟信道:用来传输模拟信号的。模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号就是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。调制解调器就是完成这种变换的。有形：有形：双绞线、同轴电缆和光缆等，双绞线、同轴电缆和光缆等，无形：无形：无线电、微波、无线电、微波、红外线和卫星通信信道等红外线和卫星通信信道等。5.数据通信系统基本结构数据通信系统基本结构l数据通信系统的基本通信模型：产生和发送信息的一端叫信源

4、信源，接收信息的一端叫信宿信宿。信源与信宿通过信道信道进行通信。l在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系模拟通信系统统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统数字通信系统。传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机6.传输速率传输速率 传输速率传输速率是指通信线路上传输信息的速度,它是描述数据传输系统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率信号速率和调制速率调制速率。l 信号速率信号速率是指单位时间内所传

5、送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为比特/秒（bit/s），即BPS。数字信号的传输速率通常用“比特”来表示。l 调制速率调制速率是指每秒传送的脉冲数，单位为波特（Baud），是指信号在调制过程中，调制状态每秒钟转换的次数。模拟信号的速率通常用“波特”来表示。注意：注意：“波特”与“比特”的意义是不同的，每一“波特”，即模拟信号的一个状态不仅仅表示一位数据，而是代表了多位数据。对基带数字信号的几种调制方法 2.2 数据传输方式1.并行传输与串行传输并行传输与串行传输v并行传输并行传输：一个时钟节拍可同时传送一个或多个字节的数据。多条数据线，可以进行多位数据（至少8位）同时传输，

6、传输速率比较快，主要应用于短距离通信。典型应用：计算机的并行口常用于连接打印机，每次并行输出8位数据，局域网内部的近距离数据传送。v串行传输串行传输：一个时钟节拍仅传送二进制1位(bit)的数据。一对电缆线分时传送多位数据，主要应用于长距离通信。计算机网络主要采用这种传输方式。适用于广域网的远程传送。并行传输方式并行传输方式串行传输方式串行传输方式 2.数据传输方向数据传输方向单单工工：数据只能在一个方向上进行传输（无线电广播）半双工半双工：传输方向有两个，但任一时刻的数据传输至多只能在单个方向上进行（对讲机）全双工全双工：允许数据传输在两个方向上同时进行（电话）2.3 数据的同步技术同步同步

7、:接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。根据在数据传输过程中，通信双方是否进行时钟同步，可将通信分为异步传输及同步传输。（1）异步传输）异步传输（平时不同步）先发起始位，然后发送数据（有时还有校验位或标志位），结束时发结束位。（2）同步传输）同步传输（平时也同步）同步通信在不传送有用的数据时，仍在线路上传送0101或全1的位信息，并要求每位在收、发两端均保持同步。当需要传送有用的数据时，可在数据前插入两个以上的同步字符SYN(代码为01101000)。接收方检测到这些同步字符后，

8、即开始接收信息。同步通信常用于高速传输系统，异步通信一般适用于低速同步通信常用于高速传输系统，异步通信一般适用于低速传输系统。传输系统。2.4 数据编码和调制技术1.数据编码的类型数据编码的类型l在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。l通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此，数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。数字编码(NRZ、曼彻斯特等)数字数据数字信号(数字信道)调制(ASK、FSK、PSK等)数字数据模拟信

9、号(模拟信道)脉冲编码调制PCM模拟数据数字信号(数字信号)调制（AM、FM、PM等）模拟数据模拟信号(模拟信道)模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器2.数字数据的调制数字数据的调制 要进行远程数据传输，常常要利用廉价的公共电话交换网。因此必须首先利用Modem将发送端的数字信号调制成能够在公共电话网上传输的模拟信号，经传输后再在接收端利用Modem将模拟信号解调成对应的数字信号。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度V、频率和相位。载波可表示为：u(t)=V*sin(t+)ASK方式就是通过改变载波的振幅V来表

10、示数字1，0。例如保持频率和相位不变，让V不等于零时表示1，让V等于零时表示0。1)振幅振幅键键控法（控法（ASK）2)移频键控法（移频键控法（FSK）FSK方式就是通过改变载波的角频率来表示数字1，0。例如保持振幅V和相位不变，让等于某值时表示1，让等于另一个值时表示0。对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。3)移相键控法（移相键控法（PSK）PSK方式就是通过改变载波的相位的值来表示数字1，0。PSK包括两种类型：l 绝对调相：用相位的绝对值表示数字1、0；l 相对调相：用相位的相对偏移值表示数字1、0。

11、数字数据的调制示例数字数据的调制示例数字数据的调制示例数字数据的调制示例3.数字数据的编码数字数据的编码 数字信号可以利用数字信道来直接传输（即基带传输），此时需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。在基带传输中，数字数据的数字信号编码主要有以下三种方式：l 非归零码 l 曼彻斯特编码 l 差分曼彻斯特编码 1)不归零编码（不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）编码规则：用低电平表示“0”，用高电平表示“1”。2)曼彻斯特（曼彻斯特（Manchester）编码编码 编码规则：每比特的周期T分为前T/2与后T/2。前T/2传送该比特的反码，后T

12、/2传送该比特的原码。（跳变）（跳变）3)差分曼彻斯特（差分曼彻斯特（Difference Manchester）编码编码 编码规则：每比特的值根据其开始边界是否发生电平跳变来决定。一个比特开始处出现电平跳变表示“0”，不出现跳变表示“1”。4.模拟数据的编码模拟数据的编码(脉冲编码调制脉冲编码调制)脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是将模拟数据数字化的主要方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信息必须数字化才能经计算机处理。PCM最大的特点是把连续输入的模拟数据变换为在时域和振幅上都离散的量

13、，然后将其转化为代码形式传输。脉冲编码调制包括以下三个步骤：l 采样采样 每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。l 量化量化 量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。为便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，这样有利于采用二进制编码表示。l 编码编码 编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的采样样本的级别，比如，量化级是64，则需要8位编码。经过编码后，每个样本就由相应的编码脉冲表示。PCM编码的典型应用 PCM的工作过程5.模拟数据的调制模拟数据的调

14、制 l模拟数据的基带信号：模拟数据的基带信号：在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换，形成电信号，比如人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号。l基带信号的调制：基带信号的调制：模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。2.5 多路复用技术多路复用的原理多路复用的原理:在发送端，多路复用器合并N个输入信号，在接收端，多路复用器通过译码，从复合信号中分离出原始信号。1.频分多路复用频分多路复用（FDM）多路数字信号被同时输入到频分多路复用

15、编码器中，经过调制后，每一路数字信号的频率分别被调制到不同的频带，这样就可以将多路信号合起来放在一条信道上传输。接收方的频分多路复用解码器再将接收到的信号恢复成调制前的信号。u主要用于模拟信号中。（长途干线传输）2.时分多路复用（时分多路复用（TDM）TDM的基本原理：将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，给每个用户分配一个或几个时间片，使不同信号在不同时间段内传送。在用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽来传输数据。3.波分多路复用（波分多路复用（WDM）WDM的基本原理：不同的信号使用不同波长的光波来传送数据，在传送端，两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波

16、段上，这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将两束光分解开来。2.6 数据交换技术为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，网络通信也是借助交换（switching)来实现的。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换电路交换、报文交换、分组交换。1.电路交换（电路交换（circuit switching）交换设备在通信双方之间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。呼叫建立连

17、接传输释放连接优缺点：不需要缓冲存储，传输延迟小；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。(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA2.报文交换（报文交换（message switching）存储-转发技术:在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储在缓冲区中，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。优点：1）不需要独占一条链路，信道利用率提高；2）同一数据可发给多个接收节点。缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。报文报文 报文报文 报文报文数 据数 据数 据3.分组交换F

18、 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块F 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）F 依次把各分组发送到接收端F 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文数 据分组11010011101 11010011101 00101001110 00101001110报文发送端首部分组数 据首部分组首部数 据发送发送发送在前发送接收端数 据首部数 据首部数 据首部11010011101 11010011101 00101001110 00101001110分组从 A 传送到 B 的过程网络网络网络网络网络网络网络路由器路由器路由器路由器路由器路由器AB查找路由表目 的 地 下一跳路由器查找路由表目

19、 的 地 下一跳路由器查找路由表目 的 地 下一跳路由器这就是基于存储转发的分组交换这就是基于存储转发的分组交换优点：1）速度快存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组；2）转发延时小适用于交互式通信；3）效率高某个分组出错仅重发该分组；4）可靠性高各分组可通过不同路径传输。分组交换（包交换）（分组交换（包交换）（Packet switching）:将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数数据据ABCD分组分组1分组分组2分组分组3报文报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换线路交换报文交换报文交换分组交换分组

20、交换2.7 差错控制技术1差错控制编码的概念差错控制编码的概念香农（Shannon）于1934年在“通信的数学理论”一文中提出了关于在噪声信道中传输信息的重要定理：只要对信息进行适当的编码即提供足够的冗余，就可以在不牺牲信息传输率的前提下把噪声信道引起的差错减少到希望的程度。2.差错控制的方式：差错控制的方式：差错控制方法是使构成传输数据的编码或编码组具有一定的逻辑性，接收端根据接收编码所发生的逻辑性错误来识别和纠正差错。3检错码检错码在发送每一组信息时发送一些附加位，通过这些附加位，接收端可以判断所接收的数据是否正确。4纠错码纠错码在发送每一组信息时发送足够的附加位，借助于这些附加信息，接收端在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动纠正错误。5.常用的检纠错码常用的检纠错码 等重码、奇偶码、方阵检验码、循环冗余检验码。奇偶校验奇偶校验奇偶校验是用于数据通信系统的最简单的检错方法。奇偶校验是用于数据通信系统的最简单的检错方法。例如，在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，使该字符中“1”的个数为偶数。在奇校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，使该字符中“1”的个数为奇数。接收端检测该校验位以确定是否有差错发生。奇偶校验的主要优点是简单，缺点是只能检测出部分奇偶校验的主要优点是简单，缺点是只能检测出部分传输差错。传输差错。