《数据通信系统》PPT课件.ppt

第三章 数据通信系统,教学目标,了解模拟传输与数字传输的基本原理。 掌握常用数据编码与多路复用技术 。 掌握信息交换技术。,3.1 数据通信的基本概念,3.1.1 信息、数据和信号,通信是为了交换信息（Information）。信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。 数据（Data）是信息的载体，可以理解为“信息的数字化形式”，可以是数字、文字、语音、图形和图像。“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机存储、处理和传输的二进制数字编码。 信号（Signal）是数据的电磁波表示形式。模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示。,3.1.1 信息、数据和信号,模拟信号与数字信号,模拟数据、数字数据和模拟信号、数字信号,3.1.2 数据通信系统的模型,源系统：也可以称为信源或发送端； 中间系统：即传输网络； 目的系统：也可以称为信宿或接收端。,通信系统的模型,3.1.3 数据通信中的主要性能指标,在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏，需要运用波特率和比特率等技术指标。波特率和比特率是用不同的方式描述系统传输质量的参量。 比特率S 比特率又称为信息速率，它反映一个数据通信系统每秒所传输的2进制数据位数（bit），单位是：比特/秒（bits/s）或bps。 波特率B 波特率是一种调制速率，又称波形速率。它是指数字信号经过调制后的速率，即经过调制后的模拟信号每秒钟变化的次数，也就是数据通信系统中线路上每秒传送的波形个数，其单位为波特。,3.1.3 数据通信中的主要性能指标,比特率和波特率之间的关系,3.1.3 数据通信中的主要性能指标, 误码率 误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数，它的定义为，二进制符号在传输系统中被传错的概率。近似的等于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比值，即： PeNeN 其中Ne 表示接收的错误比特数，N表示传输的总比特数。 带宽 带宽（bandwidth）本来是指某个信号具有的频带宽度。我们知道，一个特定的信号往往是由许多不同的频率组成的。因此，带宽即信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差，单位为赫（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）等。,3.1.4 数据通信过程中涉及的主要技术问题,计算机之间的通信结构图,3.2 数据通信方式,3.2.1并行传输,并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的。从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线。,3.2.2 串行传输,串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。因为计算机内部操作多采用并行传输方式，因此，在实际采用串行传输时，要使用转换设备进行并/串和串/并转换。,串行数据传输,3.2.2 串行传输,（1）单工通信 凡是利用一条物理信道只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。,单工通信,3.2.2 串行传输,（2）半双工通信 半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输。,半双工通信,3.2.2 串行传输,（3）全双工通信 全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，无任何限制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两条以上的物理信道（3线制或4线制)。,全双工通信,3.3 数据交换技术,3.3.1 电路交换,电路交换最典型的例子就是电话通信系统。一百多年来，经过了多次改革和更新，已经从电话交换机的人工转接，发展到了现代程控交换机的自动转接。,电路交换示意图,3.3.1 电路交换,特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。 优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。 缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费。在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况,3.3.2 报文交换,报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。 每个结点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个结点的地址，再把整个报文传送给下一个结点。 一个报文在每个结点的延迟时间，“等于接收报文所需的时间加上向下一个结点转发所需的排队延迟时间之和。,3.3.2 报文交换,优点： 电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个结点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。 在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 缺点： 不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。 有时结点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。,3.3.3 分组交换,分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个结点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。,分组交换网示意图,3.3.3 分组交换,优点： 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活：每个结点均有智能，为每一个分组独立地选择转发的路由。 迅速：以分组作为传送单位，通信之前可以不必先建立连接就能发送分组。 完善的网络协议：分布式多路由的通信子网。 缺点： 时延大：分组在结点交换机存储转发时因要排队造成时延。当网络通信量大时，这种时延可能会很大。 开销大：每个分组携带的控制信息造成了系统额外的开销。 分组交换在实际应用中有两种类型：虚电路方式（virtual circuit，VC）和数据报方式（data gram，DG），前者是面向连接的，后者是面向无连接的。,3.3.4 各种数据交换技术的性能比较,电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。 报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。 分组交换：分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于交换中等或大量数据的情况。,3.4 多路复用技术,3.4.1 时分多路复用技术(TDM),时分多路复用TDM是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，也称为时隙，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。,时分多路复用原理示意图,3.4.2频分多路复用技术(FDM),频分多路复用的基本原理是：由于各条逻辑信道占用的频率范围（即频带）是不同的，即各个信道所占用的频带不相互重叠，因此在进行多路数据传输时，需要将多路信号的每一路信号用不同的载波频率进行调制，并且相邻信道之间用“警戒频带”隔离。,3.4.3 波分多路复用技术(WDM),光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing），这是目前正在发展的一项新的技术。,波分多路复用原理示意图,3.4.4 多路复用的比较,频分多路复用：按频率分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路信号的频带不同。 时分多路复用：按时间分割，每一时隙内只有一路信号存在，多路信号分时轮换地在信道内传送。 光波分多路复用：按波长分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路信号的波长不同，其实质也是频分多路复用。,3.4.5 码分多路复用技术(CDMA), 适用于多目标遥测。 扩频后，信号功率分布在很宽的频带中，接收不易发生“阻塞”现象。 抗干扰能力强，保密性好，误码率低。 使用的载波频率不需要向有关部门申请。 它与目前广泛应用的“码分多址数字蜂窝移动通信系统”的主要区别是：后者传输的一般是单一的话音信号，需由庞大的无线网络支持，而前者传输的大都是编码的群信号，一般不需要庞大的网络支持。,3.5 差错控制与校验,3.5.1 差错产生的原因与差错类型,传输差错是指通过通信信道后接收数据与发送数据不一致的现象。当数据从信源出发，由于信道总是有一定的噪声存在，因此在到达信宿时，接收信号是信号与噪声的叠加。 信道噪声分为热噪声与冲击噪声两类。热噪声由传输介质导体的电子热运动产生。如噪声脉冲、衰减、延迟失真等引起的差错。热噪声的特点是：时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。 通信过程中产生的传输差错由随机差错与突发差错共同构成。计算机网络通信系统中对平均误码率的要求是低于10-6，若要达到此要求，必须解决好差错的自动检测和差错的自动校正问题。,3.5.2 差错检验与校正,（1）检错法:检错法的工作原理是发送方在发送数据时，增加一些用于检查差错的附加位，从而达到无差错传输的目的。常用的检错码有：奇偶校验法、方块码和循环冗余码等。 （2）纠错码:纠错法的工作原理是发送方在发送数据时，增加足够多的附加位，从而使得接收方能够准确地检测到差错，并且可以自动地纠正错误。这些足以使接收方发现错误的冗余信息称为纠错码。 （3）奇偶校验：奇偶校验也叫垂直冗余校验（VRC）,它是以字符为单位的校验方法一个字符由8位组成，低7位是信息字符的ASCII码，最高位叫奇偶校验位。,3.5.2 差错检验与校正,ASCII字符的“Y”的7位代码是1011001，有4个“1”，因此“偶校验”时，检验位应为“0”，以保证整个字符中的1的个数为偶数，因此整个被发送的字符为：01011001。而“奇校验”使，为保证整个字符中的1的个数为奇数，检验位应为“1”，整个被发送的字符为：11011001。,奇偶校验位的设置,3.5.2 差错检验与校正,如果采用奇校验，发送端发