数据通信的基础知识(1).ppt

数据通信的基础知识,本章主要内容:,基本概念 数据的传输 数据传输的同步方式 数据的编码和调制技术 数据交换技术 信道复用技术 传输媒体的类型与特点,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1 信息、数据与信号 信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等多种媒体。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进代码0和1比特序列的过程。,信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式：分为模拟通信系统与数字通信系统两种。 电话线上传送的为模拟信号（Analog Signal）。模拟信号的电平是连续变化的，其波形如图（a）所示。 计算机中所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号（Digital Signal）。数字信号的波形如图（b）所示。,(a),(b),2.1.3 通信信道的分类,信道的分类方法，常用的有以下三种： 1、有线信道与无线信道 使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信 道。它包括电话线、双绞线、同轴电缆、光缆和电力线 等。 无线信道：以电磁波在空间传播方式传送信息的信 道称之为无线信道。它包括无线电、微波、红外线和卫 星通信信道等。,2、模拟信道与数字信道 模拟信道：能传输模拟信号的信道称之为模拟信道。模拟 信号的电平随时间连续变化。语音信号是典型的模拟信号。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）。调制解调器就是用于完成这种变换的。 数字信道：能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离 散的数字信号在计算机中是指由“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，而通 常需要进行数字编码。,信道容量,信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特每秒（bit/s）表示。当传输速率超过信道的最大信号速率时就会产生失真。,2.2.3 信道的通信方式,按照信号传送方向与时间的关系，信道的通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种。 1. 单工通信 单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，而接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向，如图210所示。例如，无线电广播和电视都属于单工通信。,单工通信,2. 半双工通信,半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换，如图所示。 半双工信道适合于会话式通信。例如，公安系统使用的“对 讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。,3. 全双工通信,全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如图所示。 例如，现实生活中的电话机通话就是一个全双工的通信过程。,2.2.4 信号的传输方式,1.基带传输 就数字信号而言，它是一个离散的矩型波，“0”代表低电 平，“1”代表高电平。这种矩形波固有的频带称为基带，矩形 波信号称为基带信号。因此，基带实际上就是数字信号所占用 的基本频带。 2. 频带传输 在实现远距离通信时，经常需要借助于电话线路，此时 应使用频带传输方式。所谓频带传输，在发送端就是将数字信 号调制成音频信号后再进行发送和传输，当音频信号到达接收 端时，再把音频信号解调成原来的数字信号。,2.3 数据传输的同步方式,1、异步方式 在异步传输方式中，每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起 始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示 字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到 通信双方的同步作用，如图所示。 异步方式的实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用23 位，所以适合于低速通信。,2. 同步方式,通常，同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN(以01101000表示)或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图所示。,2.4.1 数字数据的调制,典型的模拟通信信道是电话通信信道。它是当前世界上覆盖面最广、应用最普遍的通信信道之一。传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频3003400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。,调制：在发送端将数字数据信号变换成模拟信号的过程称为调 制（Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator). 解调：在接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称 为解调(Demodulation),解调设备就称为解调器(Demodulator). 若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需 要一个同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem）， 这一过程如图所示。,2.4.2 数字数据的编码,利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法，称作数字信号的基带传输。而数字数据在传输之前需要进行数字编码。 在数字基带传输中，数据信号的编码方式主要有：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码三种。,1. 不归零编码（NRZ,NonReturn to Zero） NRZ编码可以用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。 NRZ编码的缺点是发送方和接收方不能保持同步，需采用其他方法才能保持收发同步。 2. 曼彻斯特编码（Manchester） 曼彻斯特编码的原则是：前T/2取反码，后T/2取原码。曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步。 3. 差分曼彻斯特编码（Difference Manchester） 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收、发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，必须要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。,数字数据011101001的3种编码方式，它的编码波形如图所示。,数字数据信号的编码方法,2.4.4 模拟数据的编码,脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是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技术的典型应用是语音数字化。语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是在网络中将语音与计算机产生的数字、文字、图形、图像同时传输，就必须首先将语音信号数字化。,脉冲编码调制的工作过程包括3部分：抽样、量化和编码。在图右中，显示了脉冲编码调制的3个过程以及相对应的波形信号。,脉冲编码调制的过程,1. 抽样 模拟信号是电平连续变化的信号。每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值作为样本表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据，如果以等于或高于通信信道带宽两倍的速率定时对信号进行抽样，就可以恢复原模拟信号的所有信息。 对于电话通信系统，因为电话线路的传输带宽不超过4000Hz，所以抽样频率为8000次/s。,2. 量化 量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量化级值，根据量化之前规定好的量化级，将抽样所得样本的幅值比较，取整定级。 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。 3. 编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有16个量化级，就需要使用4个比特进行编码。经过编码后，每个样本都使用相应的编码脉冲表示。 PCM用于数字化语音系统，它将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率为8000次/s，因此，一路话音的数据传输速率为: 88000bit/s64Kbit/s。,2.5 数据交换技术,交换又称转换，数据交换技术在交换通信网中实现数据传输是必不可少的。数据通过通信子网的交换方式可以分为电路交换和存储交换两大类。常用的交换技术有：电路交换、报文交换和分组交换三种。,电路交换（Circuit Switching），也称为线路交换，它是 一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条 临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通 道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。 图1- 5 电路交换的工作模式,2.5.1 电路交换,目前，公用电话交换网广泛使用的交换方式是 电路交换，经由电路交换的通信包括：电路建立、 数据传输和电路拆除三个阶段，如下图所示 。,报文交换,报文交换（message switching）技术是一种存储转发技术，它没有在通信两端设备间建立一条物理线路。发送设备将发送的信息作为一个整体（又被称为报文），并附加上目的地地址，交给交换设备。交换设备接收该报文，暂时存储该报文，等到有合适的输出线路时把该报文转发给下一个交换设备。经过若干个交换设备的存储、转发后，该报文到达目的地。,2.5.2 存储转发技术 采用存储转发的邮政通信工作模式,报文交换的特点如下： 源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通道。 与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等 待和时延。 电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输， 能高效地传输数据。 要求节点具备足够地报文数据存放能力，一般节点由微机或小 型机担当。 数据传输地可靠性高，每个节点在存储转发中都进行差错控 制，即检错和纠错。,由于采用了对完整报文地存储/转发，而节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信，如电话通信。由于每个节点都要把报文完整的接收、存储、检错、纠错、转发，产生了节点延迟，并且报文交换对报文长度没有限制，报文可以很长，专用就有可能使报文长时间占用某两节点之间地链路，不利于实时交互通信。分组交换即所谓的包交换正是针对报文交换的缺点而提出的一种改进方式。,分组交换,分组交换（Packet Switching）又称报文分组交换，或包交换，也是一种存储转发技术。在报文交换中，报文的长度不确定，交换设备的存储器容量大小如果按最长的报文计算，显然不经济。如果利用交换设备的外存容量，则内外存间交换数据会增加报文处理的时间。分组交换中，将报文分解成若干段，每一段报文加上交换时所需的地址、控制和差错校验信息，按规定的格式构成一个数据单位，通常被称为“报文分组”或“包”。 在分组交换网中，控制和管理通过网络的交换分组流，有两种方式：数据报（data gram）和虚电路（virtual circuit）。,3三种交换方式比较 电路交换、报文交换（存储转发）、分组交换（存储转发）,2.6 信道复用技术,通常采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条电路进行传输，即利用一个物理信道同时传输多个信号，如图所示。,信道的复用,目前主要有以下4种信道复用方式： 频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM） 时分复用（Time Division Multiplexing，TDM） 波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM） 码分复用（CDMA, Coding Division Multiplexing Access）,2.6.1 频分多路复用,频分多路复用的原理图,2.6.2 时分多路复用,1、同步时分复用,同步时分多路复用的原理图,2、 异步时分复用,异步时分多路复用的原理图,2.6.3 波分多路复用,波分多路复用,2.6.4 码分多路复用,码分多路复用又称为码分多址（CDMA, Coding Division Multiplexing Access）。它也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。 码分复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。,2.7 传输介质,1.传输介质 传输信号经过的各种物理环境 物理上将计算机相互连接起来的介质 2.传输介质的种类 同轴电缆 非屏蔽双绞线（UTP） 屏蔽双绞线（STP） 光缆 无线电,传输介质的种类,非屏蔽双绞线和RJ-45连接器,双绞线,非屏蔽双绞线,优点： 尺寸小、重量轻、容易弯曲 价格便宜 容易安装和维护 RJ-45连接器牢固、可靠 缺点： 抗干扰能力较弱 传输距离比较短 UTP分为：3类线、4类线、5类线和超5类线 UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线,屏蔽双绞线,优点： 传输质量较高 电缆尺寸和重量与UTP相当 缺点： 安装不合适有可能引入外界干扰,同轴电缆,同轴电缆的特点,1.优点 传输距离较远，覆盖的地域范围较大 技术非常成熟 2.缺点 电缆硬，折曲困难，重量重 3.局域网常用同轴电缆 粗同轴电缆：特征阻抗50 ，直径1cm 细同轴电缆：特征阻抗50，直径0.5cm 4.同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线,光缆,光线在光纤中的折射,光纤的工作原理,光纤是用极细的玻璃纤维或极细的石英玻璃做传输媒体，在使用时利用了光的全反射原理，光纤传输是利用激光二极管或发光二极管在通电后产生光脉冲信号，这些光脉冲信号经检测器在光纤中传输。,光纤的分类,单模光纤：光源是一个激光二极管，产生的单色的光，这时光纤应是足够的细，光在光纤以直线传播 多模光纤：光源是一个发光的二极管，产生的是复色光，光在光纤中以全反射的原理。,单模与多模光纤对比,光纤