《数据通信基础》PPT课件.ppt

1,2.4.1 数字数据编码 在计算机中数据是以离散的二进制0、1比特序列表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。 根据数据通信类型，网络中常用的通信信道分为两类：模拟信道和数字信道。相应的用于数据通信的数据编码方式也分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。在数据通信技术中，基带传输是指基带信号不经频率转换（调制）直接在信道上传输。频带传输（也称宽带传输）是指将基带信号进行调制后再传输。,2.4 数据传输技术,2,2.4.1 数字数据编码 频带传输的优点是可以利用目前覆盖面最广、普遍应用的模拟语音信道。由于信号可以被调制到不同的频率范围，故多个信号可以同时在一个信道中传输。缺点是数据传输速率与系统效率较低。 基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率和系统效率。缺点是基带系统一次仅能传输一个信号。基带系统造价低，而且安装简单，大多数局域网都采用基带传输。基带传输是目前迅速发展与广泛应用的数据通信方式。 基带传输中，数字数据信号编码方式有以下几种：,3,（1）不归零编码 不归零编码（NRN, non-return to zero），不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码元都占用全部码元宽度。 可以用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”；也可以无电压（无电流)表示“0”，用恒定的正电压表示“1” 。 NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。另外，当信号中“1”和“0”的个数不相等时，将存在直流分量，这是在数据传输中不希望存在的。,4,（2）曼彻斯特编码 曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。曼彻斯特编码的规则是：每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。,5,曼彻斯特编码的优点是： 每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T，利用电平跳变可以产生双方的同步信号。因此，曼彻斯特编码信号又称作“自含时钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需发送同步信号。 曼彻斯特编码信号不含直流分量。 曼彻斯特编码的缺点是效率较低，如果信号传输速率是10Mbps，那么发送时钟信号频率应为20Mbps。,6,（3）差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码的不同点是：在每个比特的中间，无论是“0”或“1”，都有电平的跳变，此跳变仅作为同步之用。如果是“1”时，与前一比特间隔开始时刻不发生跳变，是“0”时与前一比特间隔开始时刻有跳变。,0,1,0,0,1,1,1,0,7,2.4.2 数字调制技术 任何数字信号在模拟信道上传输时，都要将数字信号转换为模拟信号，这个过程称为调制。到达目的地后将该模拟信号转换为数字信号，该过程称为解调。 把调制前的频带信号叫做载波，调制编号后的信号叫做调制波。调制波就是利用基带脉冲信号对载波的模拟信号的某些参量进行控制，是这些参量随基带脉冲而变化的过程。 通常采用的调制方式有 3 种：振幅调制（ASK），频率调制（FSK），和相位调制（PSK）。,8,振幅调制（ASK）： 振幅调制简称为调幅（AM），也叫幅移键控。这种方式使用载波的两个不同振幅来表示二进制“0”和“1”。例如，以无载波代表“0”，有载波代表“1”，ASK易受突发干扰的影响，是一种不十分理想的调制方式。,9,频率调制（FSK）： 频率调制简称为调频（FM），也叫频移键控。这种方式使用载波频率附近的两个不同频率来表示二进制“0”和“1”。例如，基带脉冲为“0”时，调制波信号为f1，基带信号为“1”时，调制波信号为f2。FSK抗干扰能力优于ASK方式。,10,相位调制（PSK）-(绝对) 相位调制简称为调相（PM），也叫相移键控。相位调制又分为绝对相位调制和相对相位调制。在绝对相位调制中，用载波的两个不同起始相位角来表示 “0”和“1”；,11,相位调制（PSK）-（相对） 在相对相位调制中，载波不产生相移表示二进制“0”，载波发生1800相移表示二进制“1”。也可以采用四相相移、八相相移等相位调制。,12,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,13,2.4.3 脉冲编码调制： 脉码调制 (Pulse Code Modulation)。是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为 8 个位，总共 64 kbps。取样等级的编码有二种标准。北美洲及日本使用 T1 标准，而其它大多数国家使用 E1标准。 PCM主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。,14,2.4.3 数字传输系统,现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。,2.4.2 调制解调器,数据经过模拟传输系统后会出现差错。,若传送的码元速率越高，信号的失真越严重,16,在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。 同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。,2.5 数据同步技术,17,2.5.1 异步传输方式： 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。按照惯例，空闲（没有传送数据）的线路实际携带着一个代表二进制1的信号，异步传输的开始位使信号变成0，其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到下一个开始位到达。,18,2.5.2 同步传输方式： 同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，或简称为帧。 数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。 帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串，类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。,19,同步,同步 使接收方能够正确译码 位同步 使接收方能够知道每一位数据的起始和结束 时钟 群同步 使接收方能够知道每一段数据的起始和结束,20,同步,位同步 时钟信号 外同步：发送方传送过来 额外的时钟线 自同步：接收方从数据信号里提取,信号,时钟,译码,数据线,时钟线,21,同步,群同步 数据链路层的帧同步方法 面向字符 面向位 计数法 帧头部校验和法,010010100101101111110101010110101000100100100100010 01001001001001001010010010100100101010010010011111110 00000000000010100001001111100010010000000010001000100 0010001000000000,010010100101101111110101010110101000100100100100010 01001001001001001010010010100100101010010010011111110 00000000000010100001001111100010010000000010001000100 0010001000000000,22,同步传输与异步传输,异步传输 不是不进行同步的传输 一次只传输一个字符（8位），字符之间有不确定延时 用于信道质量较差的环境 同步传输 一次传输一个数据块（连续的一串字符） 用于信道质量好，高速数据传输,噪音,23,2.6 信道复用技术,在数据通信或计算机网络系统中，传输介质的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术。 采用多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，其方法是在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号，在信号的接收端还能将复合信号分离出与原来一样的若干个彼此无关的信号来。,24,多路复用技术的原理如图 所示，由多路复用器合并N个输入通道的信号(N取决于所用传输介质的限制因素）组成一路复合信号,经传输速率较高的线路传输后,由多路译码器将复合信号按通道号再分离出来，然后把它们送到相应的输出端。,25,2.6.1 频分多路复用： 频分多路复用电路常用于模拟信号的传输，其工作原理是:按照频率划分信号的方法，把传输频带分成若干个较窄的频带,每个窄频带构成一个子通道，独立地传输信息。 FDM将每一信息经调制变成不同的载波频率，各个信号都有自己的带宽。 为了避免信号彼此干扰，各载波之间留有适当的频率间距,各载波之间便不会有因信号的互相重叠而发生干扰的现象产生。,26,频分复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,用户在分配到一定的频带后，在通信的全部过程中自始自终都占用这个带宽，所有用户在同一时间占用不同的带宽资源。,27,2.6.2 时分多路复用： 所谓时分多路复用是将一条物理信道按时间分成若干个时间片（时隙）轮流分配给多个信号使用。每一时间片由要复用的一个信号占用，一个信号的时间片用完后，信道再分配给下一个信号。这样利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号了。如图所示。,28,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,每个用户所占用的时隙是周期性地出现。时分复用的所有用户是在不同时间占用相同的带宽。,29,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,30,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,31,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,32,时分复用可能会造成 线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,33,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,每一个STDM 帧中的时隙数一般小于连接在集线器上的用户数。,34,时分复用,为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。 中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。 PCM (32路） 32路*8kHz*8bit=2.048mb/s 美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。(24路) (24*8+1) *8bit=1.544mb/s 3.4KHZ 是电话信号的最高频率，为了能很好的恢复模拟信号，电话的采用频率8KHZ(根据采样原理不低于信号最高频率的两倍),35,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T = 125 ms,15 个话路,15 个话路,36,2.6.3 波分多路复用： 波分多路复用（WDM）是在光纤信道上使用频分多路复用的一个变种，其基本原理是: 利用波分多路复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用波分设备分离不同波长的光。主要用于光纤通信。它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号。,37,如图所示,这是一种在光纤上获得WDM的简单方法。在这种方法中，两根光纤连接到一个棱柱(或更可能是衍射光栅）上，每根光纤的能量处于不同的波段。两束光通过棱柱或光栅,合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，随后再将它们分解开来。,图 波分多路复用,38,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,