数据通信的基本知识.ppt

,计算机网络基础,北京联合大学自动化学院 陈旭升,课程内容： 通过本课程的学习，使学生掌握计算机网络技术 与通信技术的基本理论和基本原理，了解现代通信新技 术的应用，熟悉各种常用的网络与通信协议，重点是 TCP/IP协议。 掌握局域网的组建方法，熟悉局域网基本的设计与 管理的方法。,参考资料：,考核方式： 1. 44学时 / 3学分。 2. 考查课。 3. 平时成绩占60%，期末考试成绩（闭卷）占 40%。 4. 平时成绩包括作业、提问、测验、出勤情况。 5. 平时成绩加分因素。,第1章 数据通信的基本知识,主要内容： 1.1 数据通信的基本概念 1.2 数据传输与编码 1.3 数据通信方式 1.4 差错控制技术,1.1 数据通信的基本概念,1.1.1 通信系统的构成,图1-1 远程计算机之间通信,例：,将上面的计算机间传输文件的系统抽象化，就是数据通信系统的一般结构模型，如图1-2所示。,1.1.1 通信系统的构成,信息,数据,信号,图1-2 通信系统的结构模型,1.1.1 通信系统的构成,源系统一般包括以下两部分： 1.源站：输入设备 2.发送器： 目的系统一般包括以下两个部分： 1.接收器： 2.目的站：输出设备，目的站设备从接收器获取传送来的信息。,1.1.2 信息、数据和信号,1. 信息 不同领域对信息有各种不同的定义，一般认为信息是人对现 实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。 2. 数据和信号 数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电 气的或电磁的表现。,1.1.2 信息、数据和信号,图1-3 信息、数据和信号,1.1.2 信息、数据和信号,图1-4 模拟信号和数字信号,信道(channel)是数据信号传输的必经之路，由相应的传输线路和传输设备组成。信道的分类方法有很多: 1. 物理信道和逻辑信道 2. 有线信道和无线信道 3. 模拟信道和数字信道 4. 专用信道和公共交换信道,1.1.3 信道及信道的分类,1.1.4 码元和码字及数据单元,1. 码元和码字 在计算机网络中传送的每一位二进制数字被称为“码元”。 由7个码元组成的二进制序列被称为“码字”。 2. 数据包 大多数计算机网络都不能连续传输任意数量的数据，网络 系统把数据分成小块单独发送，这种小块称作包(packet)。,1.1.4 码元和码字及数据单元,3. 数据帧(frame) 尽管术语包指的是小数据块的一般概念，但在确切的包格式方面没有达成完全一致。 相反，每种硬件技术都定义了能在该硬件上传输的包的细节，并指明了包的位串是如何传输的。 为了帮助区分包传输的一般概念与特定硬件技术所使用的包，我们用术语帧(frame)来定义在特定网络类型中的包。,1.1.5 通信系统的主要技术指标,1. 数据传输速率S(比特率)和波形调制速率B(波特率) (1) 比特率S 比特率是一种数字信号的传输速率，它是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。 (2) 波特率B 波特率是一种调制速率，也称波形速率。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。 B=1/T(baud),1.1.5 通信系统的主要技术指标,比特率与波特率之间有下列关系： S=BlogN (b/s),注意：常在数字数据变化成模拟信号传输时用到波特率的概念，也称为 调制速率。,1.1.5 通信系统的主要技术指标,2. 带宽及与数据传输速率的关系 带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许传送信号的最高 频率和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。 在许多资料上也借用带宽这个词来描述数字信道的容量，比 如说某信道的带宽为56KHz，此时和说该信道的数据为56Kbit/s 含义是相同的。 注意： 任何信号都可以分解成多种不同频率信号的和。 信号的带宽是指最高频率与最低频率的差，即频率范围。 信号的带宽应取其主要频率范围。 传输系统的带宽要远远高于信号的带宽。 带宽的单位为hz。 数字传输系统中，带宽用数据传输率表示。 那系统带宽与数据传输率又如何的关系呢？,3. 信道容量和Shannon定理,信道容量是一个极限参数，它一般是指在传输系统的给定 带宽上能够传输的最大数据传输速率，信道容量C的单位是 bit/s，它依赖于所传送信号的能量和信道噪声特性。 Shannon把信道容量和带宽联系起来定义了著名通信定理香农定理：,（,（,）,式中S是信道中传送的信号功率，N是信道带宽内总的噪声功率，而S/N时信号和噪声能量毕，即信噪比。W为带宽。,香农定理指出： (1) 提高信噪比S/N能够增加信道容量C。 (2) 当噪声功率N0时，信道容量C，既无干扰信道的 容量为。 (3) 信道容量一定时，带宽W与信噪比S/N之间可以互换， 既提高信噪比与提高带宽具有等价意义。,3. 信道容量和Shannon定理,4. 误码率P(error rate),(1) 误码率P定义 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输 可靠性的指标，其定义是：二进制码元在传输系统中 被传错的概率。 Pe=Ne/N Ne其中出错的位数；N传输的数据总数。,(2) 误码率的性质、获取与实用意义 性质：误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传 输可靠性的指标。 获取：在实际数据传输系统中，人们通过对某种通信信 道进行大量重复测试，才能求出该信道的平均误 码率。,4. 误码率P(error rate),1.2.1 数据传输,1.2 数据传输与编码,数字数据 数字信号 模拟数据 模拟信号,1.2.2 基带传输与信号编码,使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占有整个频带， 也就是终端设备把数字信号转换成脉冲电信号时，这个原始的 电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。 在信道中直接传送基带信号(未作处理的原始信号)时，称为 基带传输。 基带传输也就是把数字数据变成数字信号传输。,1.2.2 基带传输与信号编码,在基带传输中，常采用以下3种编码方法。如下图所示。,1.2.2 基带传输与信号编码,1. 不归零NRZ编码(Non-Return to Zero) 编码规则：使用负电压表示0，正电压表示1。 优 点： 简单、容易实现。 缺 点： 难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现 一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到 的比特流中提取同步信号。所以为保证收发双方同 步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时 发送同步时钟信号。 应 用： 计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中 的不归零编码技术。,1.2.2 基带传输与信号编码,2. 曼彻斯特编码(Manchester) 编码规则：将每个码元再分成两个相等的间隔，在固定的每位 中间变换电位。即1是由低至高电平转换，其前半个 码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电 平。0正好相反，从高电平到低电平转换，即其前半 个码元为高电平，后半个码元为低电平。 优点：可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换， 同时由每位中间调变提供了同步时钟定时，这对接收端 提取同步信号非常有利，是一种“自含时钟”的编码方式。 缺点：效率较低。,3. 差分曼彻斯特编码(Differential Manchester) 编码规则：它与曼彻斯特编码有个共同点，即在每一个码元的 位中间有一次电平的变换，1表示前半个码元的电平 与上一个码元的后半个码元的电平一致；0则为其前 半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平 相反，即用每位开始时有无电平的跳变来表示0或1 的编码。 优点：是“自含时钟”的编码方式，可获得较好的抗干扰性能。 缺点：实现技术复杂。,1.2.2 基带传输与信号编码,1. 利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为频带传输。 2. 在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”， 相应的设备称为“调制器”。 在接收端将模拟信号还原成数字信号的过程称为“解调”， 相应的设备称为“解调器”。 同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”。 也就是把数字数据变成模拟信号传输。,1.2.3 频带传输与调制,1. 振幅调制(amplitude modulation) 振幅调制又叫振幅键控(Amplitude Shift Keying-ASK) 它的调制方法是保持角频率和相位不变，而只改变振 幅A。当传输的基带信号为1时，振幅调制信号对应于某个 振幅值A；当传输的基带信号为0时，振幅调制信号的振幅 为0。对应于基带信号0和1，在振幅调制中，相应的载波 信号可以表示为： U(t)=Asin(t+) 数字“1” U(t)=0sin(t+)=0 数字“0” 波形图如下图所示。,1.2.3 频带传输与调制,2. 频率调制(Frequency Shift Keying-FSK) 频率调制也叫频率键控，它使用数字基带信号控制载波信号的频率。在频率调制中，振幅和相位保持不变，角频率随基带信号而改变，对应于数字1，角频率为1 ，对应于数字0，角频率为2。相应的频率调制信号可以表示为： U(t)=Asin(1t+) 数字“1” U(t)=Asin(2t+) 数字“0” 波形图如下图所示。,1.2.3 频带传输与调制,1.2.3 频带传输与调制 3. 相位调制(Phase Shift Keying-PSK) 相位调制也叫相位键控，在相位调制中，振幅A和频率保持不变，初始相位为变量。相位调制又可分为绝对相位调制和相对相位调制。 (1) 绝对相位调制 在绝对相位调制中，用相位的绝对值表示数字信号“0”、“1”。例如用初始相位为0表示数字“1”，初始相位为表示数字“0”，相应的调制信号可以表达为： U(t)=Asin(t+0) 数字“1” U(t)=Asin(t+) 数字“0” 波形图如下图所示。 (2) 相对相位调制 在相对相位调制中，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初始相位的偏移值来表示数字信号“0”、“1”。例如，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初始相位的偏移值为0表示数字信号“0”；偏移值为表示数字信号“1”。其对应的相对相位调制波形图如下图所示。,1.2.3 频带传输与调制,模拟信号编码方法,补充 1.模拟数据变成数字信号传输: 常用方法如PCM技术（脉冲编码调制） （1）PCM技术分为三过程： 采样：每隔一段时间对信号进行取样 量化：对信号取整并分级 编码：用若干位二进制数表示量化级别,待传序列：001001010010010011101,补充 注意：采样定理。 f采2*信号的最高次频率 或 f采2*信道带宽 例题：某信道带宽为4kHZ，传输模拟数据。采用128级量化， 问编码后的数据传输率为多少？ 解：每采样一次得到7bit 8k*7bit=56kbps 2.模拟数据变成模拟信号传输: 使传输更有效：AM、FM 例如：把慢速的模拟信号叠加在快速的载波（正弦波）上。,1.3 数据通信方式 1.3.1 串行与并行通信 1. 并行通信 并行通信中，一般有8个数据位同时在两台设备之间传输， 如下图所示。图中，发送端和接收端有8条数据线相连，发送 端同时发送8个数据位，接收端同时接收8个数据位，其中1位 可以作为校验位。典型的并行通信的例子是计算机和并行打印 机之间的通信。 组成数据的各位被同时发送。,图 并行数据传输,1.3 数据通信方式 1.3.1 串行与并行通信 2. 串行通信 在串行通信中，收发端一次只能发送或接收1个数据位， 数据位依次串行的通过通信线路。,图 串行数据传输,1.3.2 同步与异步通信,1. 同步通信 (1) 什么是同步通信？ 在通信中，接收端要按发送端所发送的每个码元或数 据块的时钟频率以及起止时间来接收数据，这样才能保 证接收的数据与发送的数据一致，这就是所谓的“同 步”。 在通信时，接收端要校准自己的时间基准和时钟频率， 以便和发送端保持一致，这一过程称为“同步过程”。,首先是位同步，然后是字符同步，进而是帧（多个字符 组成）同步。 1.位同步 ：,1.3.2 同步与异步通信,首先是位同步，然后是字符同步，进而是帧（多个字符组 成）同步。 1.位同步 ： (1) 自同步法和外同步法 接收方收到数据后必须首先识别同步时钟，在近距离传输 中可另加一条数据线来实现同步，即除数据传输线外，还需 要专门的时钟传输线，这种方法被称为“外同步”。 在远距离传输过程中必须加入时钟同步信号来解决同步问 题，即从数据信息波形本身提取同步信号，也称之为“自同步 法”。 (2) 自同步传输的特点 同步传输有较高的传输效率，但实现起来较复杂，常用于高速 传输中。,1.3.2 同步与异步通信,1.3.2 同步与异步通信,2.字符同步：异步通信与同步通信 (1)什么是异步通信？ 所谓的异步同信指的是这样的一种传输方式：每个字符都 独立传输(字符/次)，在每个字符前加上起始位，在它的后 面加上结束位，以这种方式来确定一个字节的开始和结束， 如下图所示。,图 异步传输方式,(2) 异步传输的特点 字符与字符之间出现的时间间隔是任意的。一是每一个 字符都要加上辅助位造成传输效率降低；二是由于收发 双方的时钟差异决定了这种方式传输速率不能太高，常 用在低速传输中。 例如：传送8位数据位，1位起始位，1位停止位。传输效 率为8/10=80%。,1.3.2 同步与异步通信,(3) 同步通信的特点 先发1-2个同步字符，使发送、接收双方保持时钟同 步后，然后再发送数据位，而且只发送数据位。 适合大量数据传输。 例如：传送200个字符，每个字符8位，发送2个同步字 符，每个同步字符7位，则采用同步通信的传输 效率为 （200*8）/（200*8+2*7）=99.13%。 又例：而对于异步通信（1位起始位与1位停止位）： （200*8）/（200*10）=80%,1.3.2 同步与异步通信,单工通信 单工通信指的是数据流只向一个方向传递，发送方只负责发 送，接收方只负责接收，如下图所示。典型的例子如电视 机或发报机。 2. 双工通信 双工通信分为两种： 一种称为全双工通信：双向同时。 另一种称为半双工通信:双向不同时。 注意：单工、半双工和全双工通常是指串行通信的。,1.3.3 数据通信的方向,1.3.3 数据通信的方向,图 数据通信的方向,1.4 差错控制技术,信号在物理信道传输过程中由于各种因素的影响，都会造成 信号的失真，致使传输存在差错。 概括地说，传输中的差错都是由于噪声所引起的，信号在传 输过程中受到的噪声干扰有两种： 热噪声（不可避免）和冲击噪声。 为减少传输差错，提高传输质量，可以采取以下措施： 1) 改善通信线路的质量，降低误码率； 2) 采用差错控制技术检测错误，纠正错误，把差错限制在尽可能小的允许范围内。,1. 反馈重发技术 首先在发送端将信息进行检错编码，然后将检错码经信道 发送至接收端。接收端译码后判断是否有错，若有错，要求发 送端重传，直至传送正确；若无错，则发送无错确认信号给发 送端。,1.4 差错控制技术,1.4 差错控制技术,2. 前向纠错技术 首先在发送端将信息进行纠错编码，然后将纠错码经信 道发送至接收端，接收端译码后若发现错误则自动纠正错 误，而不需要重传信息，但是该方法比较复杂，实现比较 困难。,奇偶校验分为垂直奇偶、水平奇偶、垂直水平奇偶校验。 VRC是将数据分组，每一组数据后附加一个校 验位，使得该组数据(包括校验位)中1的个数为偶数(偶校验)或 奇数(奇校验)。 也可以说垂直奇偶校验是在一个字符内部进行校验。 水平奇偶校验是针对不同字符的相同位进行校验。,1.4.1 奇偶校验,1.4.1 奇偶校验,采用垂直奇校验时的情况如下表：能查出奇数位出错。,方块校验也称水平垂直冗余校验LRC。这种方法是对 行和列都进行奇偶校验，它是在VRC校验的基础上，进 一步加强校验的方法。 具体工作原理是在一批字符传送之后，另外增加一个称 为“方块校验字符”的校验字符。LRC字符在发送端产生 并传输，接收方也产生同样的校验字符，并与从发送端 收到的校验字符相比较。,1.4.2 方块校验,举例：,1.4.3 循环冗余校验CRC 循环冗余校验码(CRC，Cyclic Redundancy Code)是采用 多项式的编码方式，在要发送的数据位后面添加多位附加 位。这种方法把要发送的数据看成是一个多项式的系数， 数据为bn-1bn-2b1b0 (其中为0或1)，则 其对应的多项式为： bn-1Xn-1+bn-2