数据通信的基础知识.pps

*1 第第2 2章章 数据通信基础数据通信基础 2.1 数据通信的基本概念 2.2 信道及其主要特征 2.3 传输介质 2.4 数据编码技术 2.5 多路复用技术 2.6 数据交换技术 2.7 差错控制及检错 *2 第第2 2章章 数据通信基础数据通信基础 学习要求：学习要求： 1.掌握计算机通信中信息、数据与信号的基本概念，掌握数据 通信系统的基本结构，以及数据通信的基本过程； 2.掌握数据通信的主要技术指标：传输速率、误码率； 3.了解模拟通信、数字通信系统的结构和特点； 4.掌握信道的主要参数：带宽、信道容量； 5.掌握串行与并行通信，单工、半双工与全双工通信； 6.掌握基带传输、频带传输、了解宽带传输的概念 *3 第第2 2章章 数据通信基础数据通信基础 7.掌握数据同步方式，包括位同步、字符同步技术； 8.了解双绞线、同轴电缆、光缆、无线通信信道、卫星通信的特点； 9.掌握模拟数据编码方法与数字数据编码的基本原理与主要特点； 10. 掌握多路复用技术中TDM 、 FDM、WDM和CDMA的基本工作 原理； 11.了解数据交换技术的类型，掌握分组交换方法的基本工作原理； 12.了解数据通信中差错产生的原因与差错控制技术，掌握循环冗余 编码CRC的基本工作原理。 *4 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 2.1.1 2.1.1 数据通信的一般概念数据通信的一般概念 1. 通信的目的是传递信息信息(Information)(Information) - - 信息信息(Information)(Information)通常是数字、文字、语音、图形或图 像等的内容或解释（含义）；数字、文字、语音、图形 或图像等是传递（携带）信息的实体（载体）； - - 数据（数据（DataData）是用二进制代码表示的数字、文字、语音 、图形或图像等。 - - 信号信号(Signal)(Signal)是数据的物理量编码（通常为电磁波、电子 脉冲编码或光信号），也就是数据在传输过程中的电、 光信号表示形式 。 *5 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 2. 2. 信息转化过程信息转化过程 计算机产生的信息一般是字母、数字、符号、图形或图 像等的组合； 为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字、符号 或图形、图像等用二进制代码表示（目前常用的二进制 代码是美国信息交换标准编码 ASCII码）； 然后将二进制代码转换成信号，在信道（物理介质）上 传输。 *6 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 3. 3. 数据通信数据通信 指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图 像等的二进制代码0、1比特序列的过程。 数据通信的目的是传递信息，传输的对象是数据，传输的形 式是信号。 *7 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 4. 通信系统模型 通信的三个要素：信源、信宿和信道 信源：一次通信中产生和发送信息的一端 信宿：一次通信中接收信息的一端 信道：信源和信宿之间传送信息的通道，以通信线路为物质基础 *8 2.1.2 2.1.2 数据通信系统的主要构成数据通信系统的主要构成 现代数据通信系统组成：数据传输系统数据传输系统和数据处理系统数据处理系统 数据传输系统（通信子系统或通信子网）： 实现不同数据终端之间的数据传输。 数据处理系统（资源子系统或资源子网）： 由许多主机和终端设备（信息的源和宿）组成，其中的计算 机主要用于数据的收集和处理。 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 *9 1. 1. 数据传输系统（通信子网）的组成：数据传输系统（通信子网）的组成： 传输线路：信息的传输路径（包括传输介质和中继设备） 传输介质：有线的（如同轴电缆、光纤，双绞线等），无 线的（微波、无线电、红外线等） 中继设备：信号在传输过程中有衰减，每隔一定距离需要 对传输信号放大、恢复信号幅度和相位后继续传送 调制解调器 调制：数字信号序列适合传输的形式按频率、幅度 、相位 解调：接收的波形数字信号序列 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 *10 多路复用器： 多个终端设备共用一条物理信道来传输信息所用的设备 多路到一路的转换 一路到多路的转换 交换设备： 在许多（几百至几万）个终端相互通信时，实现暂时连接 、传输信息的设备 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 *11 2. 2. 数据处理系统（资源子网数据处理系统（资源子网: :计算机类设备）：计算机类设备）： 终端设备 用户与数据传输系统之间的接口，用户通过它来获取数据 通信系统的服务； 基本功能：向系统中的计算机系统发送信息及接收来自计 算机系统的信息。 计算机系统 主要职责：进行数据的收集、处理和计算任务，是数据处 理的核心； 兼顾某些数据通信任务和一些管理工作。 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 *12 3.3.数据通信基本过程：数据通信基本过程： 通信过程：数据从发送端发出到数据被接收端接收的整个过程 传输数据 通信控制：执行辅助操作（不交换数据） 典型通信过程的五个阶段（对比：打电话的过程）典型通信过程的五个阶段（对比：打电话的过程） ： 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 建立逻辑连接建立物理连接数据传送 断开逻辑连接 断开物理连接 *13 4. 4. 数据通信的技术指标数据通信的技术指标 数据通信速率（传输速率）：数据在信道中传输的速度 数据通信速率分为三种：码元速率、信息速率和消息速率码元速率、信息速率和消息速率 - 码元速率RB：每秒中传送的码元数，单位为波特（Baud） ，又称为波特率； - 信息速率Rb：每秒中传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s ），又称为比特率； - 消息速率Rm：单位时间内所传送消息的数量。 例如，在传送计算机信息时，其单位可以是字符/秒。 在不同设备中，随着编码方式和信号形式的不同，消息速率 也就不同。 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 对于一个用二进制表示 的信号（两级电平）， 每个码元包含1个比特信 息，其信息速率与码元 速率相等； 对于一个用四进制（两 位二进制）表示的信号 （四级电平），每个码 元包含了2个比特信息， 因此，它的信息速率应 该是码元速率的2倍。 码元：时间轴上的一个信号的编码单元（一定宽度的电平信号）。 *15 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 一般来说，对于采 用M进制电平（ log2M位二进制）传 输信号时，信息速 率和码元速率之间 的关系是： Rb=RBlog2M *16 2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 误码率 ：衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重 要参数 - 误码率Pe： 码元在数据传输系统中 被传错的概率； - 误比特率Pb（误位率）： 在传输中出错比特的概率； - 误字符率Pw： 在传输中出错的字符的概率。 *17 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.2.12.2.1数字信道和模拟信道数字信道和模拟信道 模拟信号（电磁波） 随时间连续变化的信号，信号的某 种参量（幅度、相位、频率等）可 以表示要传送的信息。 特征：时间上连续，包含无穷多个 值 数字信号（电压脉冲） 离散的信号，以其某一瞬间的状态 表示它们传送的信息 特征：时间上离散，包含有限多个 预定值，并且转换几乎是瞬时的 t a) 模拟信号 t b) 数字信号 *18 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 数字信道: 以数字脉冲形式传输数据的信道称为数字信道。 相应的通信系统称为数字通信系统。 计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。 模拟信道: 以连续模拟信号形式传输数据的信道称为模拟信道。 相应的通信系统称为模拟通信系统。 普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统。 *19 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 1.用模拟信道传输数字数据 数据在进入信道之前需要经过调制，变换成模拟的调制信号 （调制器）。 信号到达信宿时要解调，将模拟信号还原为数字数据（解调 器）。 调制器和解调器组合在一起称为调制解调器。 *20 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 模拟通信的优点： 调制信号的频谱窄，信道利用率高 模拟通信的缺点： 信道的传输衰减大 易受噪声干扰 *21 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.用数字信道传输数字数据 可以直接传输计算机所产生的数字数据，即二进制数据或经 过二进制编码的数据。 数字通信的优点： 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 数字设备集成度高，价格相对便宜 *22 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 数字通信的缺点： 频带要求宽，信道利用率低 计算机网络中仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用modem通过拨号线路传输数字信号。 *23 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.2.2 2.2.2 信道重要参数信道重要参数 1. 1.信道带宽信道带宽 信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通 常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。 信道带宽是由信道的物理特性所决定的，例如，电话线路的 频率范围在3003400Hz，则它的信道带宽3100Hz ； *24 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.2.信道容量（信道容量（信道最大数据传输速率信道最大数据传输速率 ）：）： 单位时间内信道上无差错所能传输的最大比特数，用每秒 比特数（bps）表示。 当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生 失真。 信道容量是衡量一个信道传输数字信号能力的重要参数。 “带宽”同“速率”之间关系如何？ 由于信道带宽总是有限的，以及信道干扰的存在，信道的 数据传输速率总会有一个上限，并且和带宽有相应关系。 *25 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 理想信道最大数据传输速率 Nyquist准则指出：通过理想通信信道传输窄脉冲信号，如 果脉冲信号间隔为 ，则前后 码元（信号）之间不产生相互串扰。 码元（信号）的最大传输速率RBmax与通信信道带宽W（单 位为Hz）的关系可以推导如下： *26 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 Nyquest准则描述了有限带宽、无噪声信道的最大码元传输 速率与信道带宽的关系： 数据传输速率（信息速率）同码元速率之间关系： Rb = RBlog2M 信道最大数据传输速率同信道带宽的关系为： Rbmax = RBmaxlog2M = 2Wlog2M *27 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 M 最大速率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps 16 24800 bps 32 31000 bps 64 37200 bps 例如： 话音级线路(3100 Hz) 的信道容量计算，如 右图所示。 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。 Nyquist 公式（用于理想信道）： 其中：C为信道容量（最大传输速率，bps）； W为信道带宽（Hz）；M为离散性信号或电平的级数 *28 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 非理想信道最大数据传输速率 实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。 a）衰减 信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/NS/N降低。 信（号）噪（声）比S/NS/N：在传输的某个特定点上有用信号 功率（能量）S与噪声功率（能量）N的比值。 信噪比(S/N)(S/N)dB dB （dB分贝）： *29 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 b）延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接 收端会产生信号畸变信号畸变。 c）噪声 - 热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。 - 串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线 - 脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干 扰造成（闪电、大功率电机启动等）。 噪声将破坏信号，产生错误码，破坏信号，产生错误码，导致信噪比信噪比S/NS/N降低降低。 *30 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 Shannel公式：在有高斯噪声（热噪声）的干扰信道上传输数 据信号时，数据最大传输速率C同信道带宽W、信号与噪声功 率比S/N的关系为： 例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，求数据最大传输速率。 C = 传输速率，单位bps W = 信道带宽，单位Hz S N = 信号与噪声功率比值 *31 Nyquist公式和Shannel公式的比较： 理想信道中数据最大传输速率C随信号编码级数增加而增加。 无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能 达到的最高传输速率。 信号编码级数不能无限增长的原因：真实信道存在损耗。 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 *32 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.2.3 2.2.3 通信线路连接方式通信线路连接方式 1. 点点连接方式 - 在发送端和接收端之间采用一条线路(交换线路)连接。 - 适用场合 l用户端是较为分散的数据终端设备，因地理分散，不 能和其他终端合用线路或被集中器集中； l用户端是传输信息量 很大的数据终端设备； l用户端是速率比较高 的批量数据终端设备 *33 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 - 交换方式：点到点之间的连接由交换设备实现，比如通过 公用电话交换网实现点-点的连接。 *34 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2. 分支连接方式（多点线路） - 各个站点通过一条公共通信线路连接。 - 集中式控制：在一条公 共通信线路上有控制转 接站，各站点直接通信 必须通过转接站转接。 - 分布式控制：没有控 制转接站，各站点可直 接进行通信。 *35 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享。 若所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共 享的，通常采用频分复用或波分复用技术传输数据； 若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间 上是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。 *36 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 3. 集线连接方式 - 用终端集中器将较远的多个终端集中起来，再用一条高速 线路同中心节点计算机相连。 - 终端集中器：线路汇集站 *37 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.2.4 2.2.4 数据的传输方式数据的传输方式 1.1.信道的通信方式信道的通信方式 信道的通信方式是指信号在信道上传输所采取的方式。 通常有如下两种分类方法 - 按信号编码传输的顺序分为：串行传输和并行传输 - 按信号传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工 传输 *38 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 并行传输和串行传输 1）并行传输 - 数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。 - 优点：速度快；不需要另外的措施就可实现收发双方的字符同 步。 - 缺点：需要传输信道多、设备复杂、成本高，仅适合于近距离 和高速率的通信 *39 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2）串行传输 - 数据流以串行方式在一条信道上传输（由于计算机内部都采用 并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行 并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符 结构，才能实现串行通信。） - 优点：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低， 适于远距离传送。 - 缺点：为解决收、发方 字符同步，需要外加同 步措施，速度比较低 *40 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 值得注意的是：串行和并行 的概念是指组成一个字符的 各位是依顺序逐位传输还是 并行地传输。至于数据字符 还是逐个依次发送。 *41 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 单工、半双工和全双工传输 1）单工： - 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，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 - 无线电广播和电视都属于单工通信 监视信号 *42 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2）半双工： - 数据信号可以沿两个方向传送，但同一时刻信道只允许单方向 传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。 - 通信的双方都具有发送器和接收器，当改变传输方向时，要通 过开关装置进行切换。 - 半双工方式在通信中频繁调换信道方向，效率低，但节省传输 线路，在局域网中取得广泛应用。 监视信号 A A B B *43 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 3）全双工： - 数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输（四线制） - 电话通话 监视信号 A A B B *44 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 2.2.数据的传输方式数据的传输方式 基带传输 基带信号：未经载波调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占 据的频带通常从直流和低频开始，因而把方波固有的频带称 为基带，方波信号称为基带信号。 基带传输：未经载波调制，编码后的数字脉冲信号直接在信 道上传送。例如：局域网。 发送端编码器负责完成将信源的数据转换为直接传输的数字 基带信号。接收端译码器负责将接收到的电信号进行解码， 恢复发送端原始的发送数据。 缺点：要求信道有从直流到高频的频率特性；信号易发生畸 变，传输距离近。 *45 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 频带传输： 利用模拟信道传送数字信号的方式。 将数字信号调制成模拟信号后再发送和传输，到达接收端时再 把模拟信号解调为数字信号。发送端需安装调制器，接收端需 安装解调器，例如：通过电话模拟信道传输数字信号。 宽带传输： - 早期：利用宽带同轴电缆在 0300MHz的频带上传输信息的 技术； - 目前：传输速率大于1Mb/s的广域网接入技术，例如ADSL、 DDN等。 *46 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 3. 3. 数据同步方式数据同步方式 同步： 接收端要严格按照发送端所发送的每个码元的重复频率以 及起止时间来接收数据，即在时间基准上取得一致，以便 能够正确地识别和接收发送方发来的数据。 同步分为： w 位同步 w 字符同步 w 帧同步 *47 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 位同步：使接收端接收的每一位数据信息都与发送端保持同步 外同步 发送端在发送数据之前，向接收端先发送一串同步时钟信号； 接收方按照这个时钟脉冲频率来调整接收时序，并把接收时的 时钟重复频率锁定在接收的同步频率上，以便接收数据信息。 *48 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 接收过程： 校准同步（用控制信号通知发送方时钟已同步） 用校准后产生的同步信号作为定时信号接收数据信息 接收端的时钟定时信号是由对方送来的，而不是从数据信号中 提取出来的。 *49 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 自同步 从数据信号波形的本身提取同步信号的方法。 通过特殊编码，使这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方 从编码信号码元中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 相位编码为典型代表： l每位二进制数据在位周期 中间必须改变相位； l假设规定数据“0”的编码 输出信号先负后正，而 “1”信息时是先正后负 l以太网中所用的曼彻斯特编码就是一种自同步 *50 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 字符同步 解决方法：通过字符的边界实现字符的同步接收 *51 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 异步制（字符的起止式）: - 每次传输一个字符代码（5-8bits） - 传输时在每一个字符的前后均加上一个特殊的标志，称为起 始位和终止位。 - 通常，起始位为一位，极性为0，终止位为1-2位，极性为1 -每个字符按照独立的整 体进行发送 -每一个字符的起始时刻 是随机的、任意的（这就 是异步的含义）,但在同 一字符内码元的长度是相 等的。 -接收端根据“线路空闲” （通常极性与终止位一致 ）到“起始位”的跳变（1 0）识别一个新的字符 ，从而区分一个个字符。 *53 2.2 2.2 信道及其主要特征信道及其主要特征 - 优点： l字符同步实现简单，收发双方的时钟信号