数据通信基础知识.ppt

第二章数据通信基础知识,本章讲授内容,1、基本概念 2、数据通信的特性 3、数据通信方式 4、传输介质 5、数据编码 6、多路复用技术 7、数据交换技术 8、差错控制与检测,一、基本概念,信号：数据的电磁或电子编码形式 信源：通信中产生和发送信息的一端 信宿：接收信息的一端 信道：信号传输的通道（传输介质和相关设备） 噪声：信号在传输的过程中受到的干扰,一、基本概念,信号分类：模拟信号和数字信号 模拟信号：随时间连续变化的电流、电压或电磁波。 例电话、电视和广播 数字信号：一系列离散的电脉冲，其值限制在有限的几个数字之内。例:用1表示恒定的正电压，0表示恒定的负电压。 波形图：,模拟信号,数字信号,一、基本概念,模拟信道：以连续模拟信号形式传输的信道 例：电话线路、有线电视线路 模拟信道传输的特点： 在传输一定距离后信号衰减，克服的办法是用放大器来增强 信号的能量，但噪音也会增强，会引起信号畸变。 数字信道：以数字脉冲形式传输数据的信道 例：双绞线、同轴电缆 数字信道传输特点： 长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信 号恢复为“0、1”的标准电平后继续传输。故数字信道在传输 时，信号质量要好。 注意：模拟信号不一定只在模拟信道上传输，数字信号也不 一定只在数字信道上传输。,二、数据通信的特性,1、数据通信的性能指标 衡量数据通信的性能的指标：传输速率和误码率 传输速率 传码率：每秒钟传送的码元数，称为传码率（RB），单位为波特。 码元：数字信号的编码。 注意：不一定是二进制，也可为其它进制。例1或0为1 个码元，A表示16进制的1个码元。 每个码元的时间宽度为TB，因此RB 1/TB,二、数据通信的特性,信息速率：每秒钟传输的比特数，单位bps，记为Rb 说明： 二进制的码元是0或1，一个码元携带的信息量为1b，故RB=Rb N进制的码元携带的信息量为I=Log2N，故Rb= RB*Log2N 常用的数据传输速率单位： 1Kbps=1103bps 1Mbps=1103Kbps 1Gbps=1103Mbps,二、数据通信的特性,思考题：在数字传输系统中,码元速率为1200波特,数据速率 为4800bps,则信号取几种不同的状态?若要使得码元速率与数 据速率相等,则信号取几种状态？,二、数据通信的特性,误码率 由于噪声的干扰，信号在传输过程中会出现差错，差错的多 少决定了数据通信的质量。 误码率Pe=发生差错的码元数/传输的总码元数 误比特率Pb=发生差错的比特数/传输的总比特数 说明： 在计算机网络中，一般要求误比特率低于10-6，若误比特率达 不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。,二、数据通信的特性,2、信道容量 表示一个信道的最大数据传输速率，单位：bps 信道容量与数据传输速率的区别：前者表示信道的最大数据 传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数 据传输速率。 在实际中，通常用带宽表示网络的传输速率。带宽与传输速 率的关系：奈奎斯特定律和香农定律,二、数据通信的特性,无噪声的信道容量（理想） 奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信 道带宽H的关系：B=2*H (波特) 奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式： C=2*H*log2N (bps) 说明：C为信道容量，H为信道的带宽，单位为Hz；N 为一个码元所取的离散值个数。 例：普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值： B=2*H=2*3k=6kBaud 若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率 C=2*3k*log216=24kbps。,二、数据通信的特性,带噪信道容量 香农公式（Shannon）： C=H*log2(1+S/N) (bps) 说明：S为信号功率，N为噪声功率。 在通信系统中，信噪比通常用分贝dB表示。 S/N(dB)=10lg(S/N) 例：已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输 速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=3klog2(1+1000)30k bps,二、数据通信的特性,例：带宽为4KHz的信道，若有8种不同的物理状态表示数据， 信噪比为30db，问按照奈奎斯特定理计算，其极限速率是多 少？按香农定理计算，其极限速率又为多少？ 解： （1）奈奎斯特定理：Cmax=2Hlog2N, H=4KHz Cmax= 2*4K*log28 = 24Kbps （2）香农定理：Cmax=Hlog2（1+S/N）,H=4KHz, 又10lgS/N=30 S/N=1000 Cmax=4K*log2（1+1000）40Kbps 思考：该题究竟该以哪个为准？,二、数据通信的特性,奈奎斯公式和香农公式的比较 奈奎斯公式：C=2Hlog2N 数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 香农公式：C=Hlog2(1+S/N) 无论信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输 速率。因为噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,二、数据通信的特性,思考题：要在带宽为4KHZ的信道上用4秒钟发送完20k字节的 数据块,按照香农公式,信道的信噪比最小应为多少分贝(取整 数值)?,三、数据通信方式,1、信道的通信方式 串行通信与并行通信 。,三、数据通信方式,串行通信与并行通信的特点： 串行通信采用一条信道进行通信，并行通信采用多条信道同时通信； 串行通信传输的数据从低位到高位依次进行，并行通信同时进行； 相同速率下，并行通信传输的码元数是串行通信的n倍； 在实际通信中，大都采用串行通信。,三、数据通信方式,单工、半双工和全双工 单工：信号只能向一个方向传输，不能改变信号的传输方向。例：电视机 半双工：信号可以双向传输，但是必须交替进行，一个时间只能向一个方向传输，它是一种切换方向的单工通信。例：对讲机,全双工：信号可以同时在两个方向上传输。例：电话,三、数据通信方式,2、数据的传输方式 基带传输 基带：计算机或终端的数字信号都是二进制序列，它是一 种矩形脉冲信号，这种矩形脉冲信号称为基带信号。 基带传输是指在通信介质上传输0或1数字信号。 特点： 基带传输传输的是数字信号，不需要调制解调器； 基带传输受距离和传输介质的限制，距离长，容易发生畸变，适合短距离的数据传输，用于局域网。,三、数据通信方式,基带传输适用于局域网传输，计算机的远程通信中，通常是 借助于电话交换网来实现，此时需要频带传输。 频带传输 将基带信号变换（调制）成能在模拟信道中传输的模拟信 号（频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。 特点： 计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输； 频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器，基带信号与频带信号的转换需要调制解调器完成。,三、数据通信方式,宽带传输 借助频带传输，将链路容量分解成多个信道，每个信道可 以携带不同的信号，这就是宽带传输。 宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。 例：CATV、ISDN等。 基带和宽带的区别： 数据传输速率不同。基带数据传输速率通常在1Mbs2.5Mbs；宽带数据传输速率通常在5Mbs10 Mb。 传输信号不同，基带传输数字信号，宽带传输模拟信号 宽带传输一定是采用频带传输技术。,三、数据通信方式,3、数据同步方式 同步的目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 ( 包括开始时间、位边界、重复频率等)。 在通信过程中必须解决同步问题。 数据通信的同步有： 位同步 字符同步 帧同步,三、数据通信方式,位同步 接收端根据发送端发送数据的时钟频率与数据的起始时刻， 校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻，这个过程叫做 位同步。实现位同步的方式有：外同步法和内同步法 外同步法 发送端在发送数据前，先向接收端发送一串同步时钟，接收 端根据此时钟频率来校正时钟频率，以便在接收数据的时始 终与发送端保持同步。 内同步法（自同步法） 通过特殊编码(曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码)，这些数 据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁 定自己的时钟脉冲频率。,三、数据通信方式,字符同步 以字符为边界实现字符的同步接收 异步制 在一个字符的前后加上起止符，字符内同步,字符之间异步。 字符传输时设置1个起始位、8个数据位和2个停止位，下一字 符的起始位在前一字符的停止位之后的任意时间出现。 异步制字符同步的性能: 字符起、止位用于同步时钟调整，每个字符开始时都会重新同步； 每两个字符之间的间隔时间不固定； 增加了辅助位，传输效率低。例：采用1个起始位、 8个数据位、2个停止位时，其效率为8/1172%。,三、数据通信方式,同步制 同步传榆是将多个字符组织成组，以组为单位连续传送。 原理 在每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的字符SYN，字 符之间不再添加任何附加的位。接收端收到同步控制字符SYN 后，确定字符的起始和终止，以实现同步传输的功能。 同步制字符同步的性能: 同步方式效率高，但一旦有错误，就要全部重传，在通信中 多普遍采用同步制字符传输。,三、数据通信方式,例1：信源以字节(8比特)为单位传输数据，对下列两种情况分 别计算有效数据传输速率： (1)异步串行传输，无校验位、1位停止位； (2)同步串行传输，每帧包含48位控制位和4096位数据位。 例2：某公司采用一条租用专线与在外地的分公司相连，使用 的Modem的数据传输率为2400bps,现有数据12106字节，若以 异步方式传送，不加校验位，1位停止位，则最少需要多少时 间（以秒为单位）才能传输完毕？（设数据信号在线路上的传 播延迟时间忽略不计）问1分钟能传多少汉字？,三、数据通信方式,帧同步 帧同步方式是以识别一个帧的开始和结束来同步的。分为“面 向字符的帧同步方式”和“面向比特的帧频同步方式”两种。 帧（Frame）是数据链路中的传输单位，由数据和控制信息部分组成的二进制序列。 面向字符的帧同步方式是以同步字符（SYN）来标识一个帧的开始，适用于字符类型的数据帧。例：BSC协议 面向比特的帧同步方式是以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。例HDLC协议、PPP协议、帧中继等。,四、传输介质,传输介质是连接网络上各个节点的物理通道，分为有 线介质和无线介质。 1、有线介质 同轴电缆,四、传输介质,型号： RG-8或RG-11 （阻抗50欧姆）粗缆 RG-58（50欧姆）细缆 RG-59（75欧姆）CATV细缆 RG-62（93欧姆）ARCnet网络及IBM3270系统专用 分类： 基带同轴电缆和宽带同轴电缆 特点： 基带同轴电缆一般只用于总线结构的局域网中。由于外 导电体具有屏蔽电磁作用，所以抗干扰性强，但价格较 贵，逐步淘汰。,四、传输介质,双绞线 由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。广泛用于局域网 和广域网中。通常由2根、4根和8根绝缘导线组成。,四、传输介质,分类: 屏蔽双绞线(STP) ：一般用于室外； 非屏蔽双绞线(UTP) ：用于室内 或按传输特性分为5类 常用3类和5类双绞线，计算机网络中最常用的是第5类非屏 蔽双绞线。 5类双绞线的带宽为100MHz，适用于语音和100Mbps的高速 数据传输。 特点： 价格便宜，布线方便，但传输距离较短，无中继器只能传 输100M。,四、传输介质,双绞线的标准接法 双绞线通过端口安装的RJ-45连接器（水晶头）与各种通信 设备连接。 T568A线序 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 T568B线序 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 直通线：两头都按T568B线序标准连接 交叉线：一头按T568A线序连接，一头按T568B线序连接,四、传输介质,光纤 光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离 远等优点，用于高速网中，但费用较高。 数据传输过程： 分为：单模光纤和多模光纤。 在计算机网络中均采用两根光纤(一来一去)组成传输系统 光纤特点：传输速率高，目前已达到2.4Gbps，10Gbps等 也在研发中。,四、传输介质,2、无线传输媒体 微波通信：电磁波中频率在100MHZ至10GHZ之间的信号为微波，波长在30mm3m。微波是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限，一般采用接力传输。,四、传输介质,卫星通信：利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。,四、传输介质,红外通信和激光通信：沿直线传播，但红外通信和激光通信要把传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号后才能直接在空间沿直线传播。 3、几种传输介质的比较 双绞线:价格最便宜，但传输距离较短，传输的误码率较高目前普遍使用。 同轴电缆：价格较贵，抗干扰性好，在有线电视上目前还普遍使用，局域网里已淘汰。 光纤：带宽高、速率快、抗干扰能力强、传输距离远，适合高速网络系统，目前主要应用在主干网上。 无线介质：目前无线技术网络的数据传输速率与有线网络相比有较大差距，主要用于移动通信和不便于布线的网络中。,五、数据编码,1、数字数据的编码（基带传输） 基带传输是利用数字信道直接传输数字信号，这种传输没有 改变数字信号的频带，所以传输效率高。 在基带传输中，数字信号的编码方式有： NRZ（Non-Return to Zero）不归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码,五、数据编码,不归零编码NRZ 用0表示低电平，1表示高电平，如下图所示： 特点： NRZ无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步 为了保持同步，在发送NRZ时用另一个信道同时传送同步信号。 当0或1占优势时，容易形成直流分量的累积。,五、数据编码,曼彻斯特编码 曼彻斯特编码的规则 每比特只占时钟周期T的一半；前T/2传送该比特的原码，后 T/2传送该比特的反码。（也可相反，只要有电平跳变即可） 特点 每个比特的中间有一次电平跳变，利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号，因此曼彻斯特编码也称为自含时钟编码； 曼彻斯特编码的效率低。其编码的时钟频率为发送频率的2倍。 问题：采用曼彻斯特编码的10Mbps局域网的波特率是多少？,五、数据编码,差分曼彻斯特编码 编码规则 第一位是0则从低到高跳变，第一位是1从高到低跳变； 第一位之后，若源码为1，则其编码的前半部分与前一个编码的电平相同，后半部分与其前半部分相反；若源码为0，则其编码的前半部分与前一个编码的电平相反，后半部分与其前半部分相反； 每个比特的值取决于其开始是否有跳变。,五、数据编码,2、数字数据的调制编码（频带传输） 将数字信号在模拟信道上传输，需要进行调制技术。 调制：将发送端数字信号变成模拟信号的过程 解调：将接收端模拟信号还原成数字信号的过程,五、数据编码,模拟信号传输的基础是载波：u(t)=Asin(t+) 载波三要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的 不同要素进行调制。 移幅键控法（ASK）： 移频键控法（FSK）： 移相键控法（PSK）：,五、数据编码,ASK：技术简单，抗干扰能力差，较少使用； FSK：技术简单，抗干扰能力强； PSK：使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传 输速率起到加倍的作用,五、数据编码,例：某调制解调器同时使用移幅键控和移相键控,采用0, 兀/2,兀和3/2兀四种相位,每种相位又都有两个不同的幅值, 问在波特率为1200的情况下数据速率是多少？,五、数据编码,3、模拟数据的数字编码 脉冲编码调制（PCM）是模拟数据数字化的主要方法，其操作 过程分三步:采样、量化和编码。 采样 由于模拟信号是连续变化的信号。采样是每隔一定的时间 对连续的模拟信号采样，使其变为离散的信号。 采样定理： f=2B 如果以= 2倍信道带宽的速率定时对信号进行采样，其样 本可以包含以重构模拟信号的所有信息。,五、数据编码,量化：将采样样本幅度按量化级决定取值的过程。 编码：用二进制编码表示量化后的采样样本的取值。 例：若某一时刻，采样样本的取值为N，则其二进制编码 为：Log2N位。 PCM缺点：采用二进制编码，位数较多，效率低。 PCM技术的典型应用为语音数字化，通过PCM编码器将语音 转换为数字信号，通过PCM解码器将数字信号还原为音频 信号。,五、数据编码,五、数据编码,例：对于带宽为4KHz的语音信号，采用量化级别为128的 PCM方法编码，问所产生的二进制位起码要用多大传输速 率的信道才能传输？,六、多路复用技术,1、为何采用多路复用技术 节省通信线路、提高利用率,六、多路复用技术,2、多路复用技术的分类 频分多路复用（FDM ） 每个通信线路都具有一定的带宽，将通信线路划分为多个通 信信道;每个信道为一个频段，分配给不同的用户。 频分多路复用适合于传输模拟信号。 例：CATV电缆的带宽为500MHz，每个子信道的带宽为6MHz故 可传输80多个频道。,六、多路复用技术,时分多路复用（TDM ） 将信道用于传输的时间分割成很小的时间片,每个时间片有若干时隙； 每路数据占用一个时时隙； 时分多路复用技术适合传输数字信号。,六、多路复用技术,波分多路复用（WDM） 波分多路复用是利用了光具有不同的波长的特征。是指在一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号。波分多路复用的原理：利用光栅，在发送端将多路不同波长的光信号组合复用，在接收端，又将组合的光信号分离出来送入不同的终端。,六、多路复用技术,码分多路复用（CDMA） 所有信号均在同一信道上广播传递。 发送的信号用接收端的地址码序列编码。不同用户发送的信号在接收端被叠加，接收端用同样的地址码序列解码，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。,七、数据交换技术,1、交换 当两个终端没有直连线路时，必须经过中间节点的转 接才能进行通信。 2、数据交换的分类 电路交换 两个用户进行通信时，建立一个临时的专用线路，在通信 时用户独占，直到通信一方释放。经历三个阶段： 建立连接 数据传输 拆除连接,七、数据交换技术,H1与H3通信： 电路建立： 建立一条专用电路ABC。 数据传输：数据传输从ABC或CB A 。在整个数 据传输过程中，电路必须始终保持连接状态。 电路拆除：数据传输结束，由某一方（A或C）发出拆除请求,七、数据交换技术,电路交换的特点： 数据传输前需要建立一条端到端的通路，为“面向连接的”的 交换方式。 过程：建立连接数据传输释放连接 优缺点： 电路建立连接的时间长； 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； 无纠错机制； 建立连接后，传输延迟小。 适用：不适用于计算机通信，广泛应用在电话系统中。,七、数据交换技术,报文交换 报文的含义：不管发送数据的长度多少，都把它当作一个逻 辑单元，并在该逻辑单元中加入源地址、目的地址和控制信 息，按一定格式打包，就是报文。格式如下： 报文交换原理： 报文交换无需建立线路连接，它是基于存储转发技术； 报文存放在交换机中，根据报文中目的地址选择合适的路由发送到下一结点，依次中转，直到目的地址。,七、数据交换技术,报文交换的特点： 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文 时建立结点间的连接，为“无连接的”交换方式。 整个报文作为一个整体一起发送。 优缺点： 没有建立和拆除连接所需的等待时间； 线路利用率高； 传输可靠性较高； 报文大小不一，造成存储管理复杂； 大报文的存储转发的延时过长，对存储容量要求较高； 出错后整个报文全部重发。 适用于电报传送，不适用于交互通信。,七、数据交换技术,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长度一 定的分组，减少每个结点存储能力,是计算机网络中广泛使用 的一种交换技术。 由于分组长度较短，检错容易，发生错误时重发花费的时间少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储能力与传输效率； 分组交换分为：数据报方式换和虚电路方式,七、数据交换技术,数据报方式,七、数据交换技术,过程： 主机A将报文分成多个分组P1、P2，然后依次发送给直接相连的通信控制处理机A上。（结点A） 结点A每收到一个分组就进行差错检测，以保证收到的数据正确，若正确，为每一个分组选择路由。由于网络是动态变化的，p1分组下一节点可能是C，p2结点下一结点可能是D，报文的不同分组通过网络的路径可能不同。 结点A向结点C发送p1分组，结点C对p1进行差错检测。若正确，结点C向A发送确认信息ACK，结点A收到C的ACK信息后，确认p1已正确发送，此时丢弃p1的副本，p1通过多个结点的存储转发，最终到达目的结点（主机B）,七、数据交换技术,数据报工作方式的特点 数据报属于分组存储转发； 每一个分组在传输时都必须带有目的地址与源地址； 在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”； 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过网络； 同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象。,七、数据交换技术,虚电路方式 虚电路方式类似“电路交换”，两个用户在通信时必须建立一 条逻辑链接的虚电路。过程为：虚电路建立阶段、数据传输 阶段和虚电路拆除阶段。,七、数据交换技术,虚电路工作方式的特点 在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测而不需要做路径选择。 虚电路方式与电路交换方式的区别： 虚电路是在传输分组时临时建立的逻辑连接，因为这种虚电 路不是专用的或实际存在的。每个结点到其他结点间可能有 无数条虚电路存在。,七、数据交换技术,快速分组交换：帧中继和ATM（异步传输模式） 报文交换：工作于网络层，交换单位是报文 分组交换：工作于网络层，交换单位是分组 帧中继：工作于数据链路层，交换单位是帧 ATM：工作于数据链路层，交换单位是信元（固定长度为53B 的分组）,八、差错控制与检测,1、差错产生的原因 数据传输产生的差错是由噪声引起。 2、检错码与纠错码 检错码：让分组带上一定的冗余信息，接收端根据这些冗 余信息发现传输差错，但不能确定错误位置和纠正错误