第02章 数据通信的基础知识2.ppt

21世纪全国高职高专 计算机系列实用规划教材 计算机网络技术基础 主编 杨瑞良李平副主编 邱涛李明龙 第2章数据通信的基础知识 本章主要内容 基本概念数据的传输数据传输的同步方式数据的编码和调制技术数据交换技术信道复用技术传输媒体的类型与特点差错控制技术 2 1数据通信的基本概念 2 1 1信息 数据与信号信息的载体可以包含语音 音乐 图形图像 文字和数据等多种媒体 计算机的终端产生的信息一般是字母 数字和符号的组合 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母 数字 符号的二进代码0和1比特序列的过程 信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式 分为模拟通信系统与数字通信系统两种 电话线上传送的为模拟信号 AnalogSignal 模拟信号的电平是连续变化的 其波形如图 a 所示 计算机中所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0 1比特序列的电压脉冲信号 这种电信号称为数字信号 DigitalSignal 数字信号的波形如图 b 所示 a b 2 1 2数据通信系统的基本结构 数据通信系统的基本结构可以用一个简单的通信模型来表示 产生和发送信息的一端叫信源 接收信息的一端叫信宿 信源与信宿通过通信线路进行通信 在数据通信系统中 也将通信线路称为信道 1 模拟通信系统 模拟通信系统的结构模型 普通的电话 广播 电视等都属于模拟通信系统 2 数字通信系统 在我们现实生活中的计算机通信 数字电话以及数字电视都属于数字通信系统 具体数字通信系统的工作过程如下图如示 数字通信系统的结构模型 2 1 3通信信道的分类 信道的分类方法 常用的有以下三种 1 有线信道与无线信道使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道 它包括电话线 双绞线 同轴电缆 光缆和电力线等 无线信道 以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道 它包括无线电 微波 红外线和卫星通信信道等 2 模拟信道与数字信道模拟信道 能传输模拟信号的信道称之为模拟信道 模拟信号的电平随时间连续变化 语音信号是典型的模拟信号 如果利用模拟信道传送数字信号 则必须经过数字与模拟信号之间的变换 A D变换器 调制解调器就是用于完成这种变换的 数字信道 能传输离散数字信号的信道称为数字信道 离散的数字信号在计算机中是指由 0 和 1 的二进制代码组成的数字序列 当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换 而通常需要进行数字编码 3 专用信道和公用信道 专用信道 专用信道是一种连接于用户设备之间的固定电路 它可以由用户自己架设和向电信部门租用 专用电路一般用于短距离与数据传输量比较大的网络公用信道 也称公共交换信道 它是一种通过交换机转接 为大量用户提供服务的信道 公共电话交换网就属于公共交换信道 2 1 4数据通信的技术指标 1 数据通信速率 传输速率 传输速率是指数据在信道中传输的速度 它分为两种 码元速率和信息速率 码元速率RB 每秒钟传送的码元数 单位为波特 秒 Baud s 又称为波特率 每一个离散值就是一个码元 信息速率Rb 每秒钟传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 又称为比特率 一般来说 对于采用M进制信号传输信号时 信息速率和码元速率之间的关系是 Rb RBlog2M 2 误码率和误比特率误码率是指码元在传输过程中 错误码元占总传输码元的概率 在二进制传输中 误码率也称为误比特率 误码率Pe 传输出错的码元数 传输的总码元率误比特率Pb 传输出错的比特数 传输的总比特数 3 信道带宽与信道容量 信道带宽是指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300 3400Hz 则它的带宽范围也在300 3400Hz 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数 信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数 用比特每秒 bit s 表示 当传输速率超过信道的最大信号速率时就会产生失真 通常 信道容量和信道带宽具有正比的关系 带宽越大 容量越高 所以要提高信号的传输率 信道就要有足够的带宽 从理论上看 增加信道带宽是可以增加信道容量的 但在实际上 信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加 其原因是在一些实际情况下 信道中存在噪声或干扰 制约了带宽的增加 2 2数据的通信方式 2 2 1并 串行通信并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 常用的方式是将构成1个字符代码的几位二进制比特分别通过几个并行的信道同时传输 比如 并行传输中一次传送8个比特 并行通信的优点是速度快 但发送端与接收端之间有若干条线路 费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 并行通信在计算机内部总线以及并行口通信中已经得到广泛应用 并行通信 串行通信是指数据以串行方式在一条信道上传输 如图2 7所示 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 这样才能实现串行通信 串行通信的优点是收 发双方只需要一条传输信道 易于实现 成本低 但速度比较低 串行通信通过计算机的串行口得到广泛的应用 而且在远程通信中一般采用串行通信方式 图2 7串行通信 2 2 2通信电路的连接方式 1 点对点的线路连接 点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接 使用的线路可以是专用线路 租用线路和交换线路 如图2 8所示 使用租用或交换线路的连接方式 适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据 比如 通过公用电话交换网实现点 点的连接 图2 8点到点的线路连接 2 多点线路连接 多点线路连接是指各个站点通过一条公用通信线路连接 如图2 9所示 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 多点线路的连接方式 2 2 3信道的通信方式 按照信号传送方向与时间的关系 信道的通信方式可以分为单工 半双工和全双工三种 1 单工通信单工方式指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 而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 如图2 10所示 例如 无线电广播和电视都属于单工通信 单工通信 2 半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送 但同一时刻一个信道只允许单方向传送 即两个方向的传输只能交替进行 当改变传输方向时 要通过开关装置进行切换 如图所示 半双工信道适合于会话式通信 例如 公安系统使用的 对讲机 和军队使用的 步话机 半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信 3 全双工通信 全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输 如图所示 例如 现实生活中的电话机通话就是一个全双工的通信过程 2 2 4信号的传输方式 1 基带传输就数字信号而言 它是一个离散的矩型波 0 代表低电平 1 代表高电平 这种矩形波固有的频带称为基带 矩形波信号称为基带信号 因此 基带实际上就是数字信号所占用的基本频带 2 频带传输在实现远距离通信时 经常需要借助于电话线路 此时应使用频带传输方式 所谓频带传输 在发送端就是将数字信号调制成音频信号后再进行发送和传输 当音频信号到达接收端时 再把音频信号解调成原来的数字信号 3 宽带传输宽带传输常采用75 的同轴电缆 CATV 或光纤作为传输媒体 宽带为300MHz 使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带 分别用这些子频带来传送音频信号 视频信号以及数字信号 因此 可利用宽带传输系统来实现声音 文字和图像的一体化传输 这也就是通常所说的 三网合一 三网是指语音网 数据网和电视网 另外 使用CableModem上网就是基于宽带传输系统实现的 宽带传输的优点 一是传输距离远 最远可达几十公里 二是可同时提供多个信道 但它的技术较复杂 其传输系统的成本也相对较高 2 3数据传输的同步方式 1 异步方式在异步传输方式中 每传送1个字符 7或8位 都要在每个字符码前加1个起始位 以表示字符代码的开始 在字符代码和校验码后面加1或两个停止位 表示字符结束 接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束 从而起到通信双方的同步作用 如图所示 异步方式的实现比较容易 但每传输一个字符都需要多使用2 3位 所以适合于低速通信 2 同步方式 通常 同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块 帧 对这些数据 不需要附加起始位和停止位 而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN 以01101000表示 或一个同步字节 01111110 用于接收方进行同步检测 从而使收发双方进入同步状态 在同步字符或字节之后 可以连续发送任意多个字符或数据块 发送数据完毕后 再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束 如图所示 2 4数据的编码和调制技术 在计算机中 数据是以离散的二进制 0 1 比特序列方式来表示的 数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制 如图所示 2 4 1数字数据的调制 典型的模拟通信信道是电话通信信道 它是当前世界上覆盖面最广 应用最普遍的通信信道之一 传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的 用于传输音频300 3400Hz的模拟信号 不能直接传输数字数据 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输 必须首先将数字信号转换成模拟信号 也就是要对数字数据进行调制 调制 在发送端将数字数据信号变换成模拟信号的过程称为调制 Modulation 调制设备就称为调制器 Modulator 解调 在接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调 Demodulation 解调设备就称为解调器 Demodulator 若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时 就需要一个同时具备调制和解调功能的设备 称为调制解调器 Modem 这一过程如图所示 由于模拟信号是具有一定频率的连续的载波波形 可以用Acos 2 ft 表示 其中A表示波形的幅度 f代表波形的频率 代表波形的相位 因此 根据这三个不同参数的变化 就可以表示特定的数字信号0或1 实现调制的过程 对数字数据调制的基本方法有 幅移键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK 三种 1 幅移键控 ASK AmplitudeShiftKeying ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号 1 0 的 以载波幅度A1表示数字信号 1 用载波幅度A2表示数字信号 0 通常A1取1 A2取0 而载波信号的参数f和 恒定 2 频移键控 FSK FrequencyShiftKeying FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字信号 1 0 的 用f1表示数字信号 1 用f2表示数字信号 0 而载波信号的A和 不变 3 相移键控 PSK PhaseShiftKeying PSK是通过改变载波信号的相位值 来表示数字信号 1 0 的 而载波信号的A和f不变 PSK包括绝对调相和相对调相两种类型 1 绝对调相绝对调相使用相位的绝对值 为0表示数字信号 1 为 表示数字信号 0 2 相对调相相对调相使用相位的偏移值 当数字数据为0时 相位不变化 而数字数据为1时 相位要偏移 下图中 显示了对数字数据 010110 进行不同调制方法的波形 2 4 2数字数据的编码 利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法 称作数字信号的基带传输 而数字数据在传输之前需要进行数字编码 在数字基带传输中 数据信号的编码方式主要有 不归零码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码三种 1 不归零编码 NRZ Non ReturntoZero NRZ编码可以用负电平表示逻辑 1 用正电平表示逻辑 0 反之亦然 NRZ编码的缺点是发送方和接收方不能保持同步 需采用其他方法才能保持收发同步 2 曼彻斯特编码 Manchester 曼彻斯特编码的原则是 前T 2取反码 后T 2取原码 曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号 以保持接收端和发送端之间的同步 3 差分曼彻斯特编码 DifferenceManchester 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进 其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收 发端之间的同步 但每位二进制数据的取值 必须要根据其开始边界是否发生跳变来决定 若一个比特开始处存在跳变则表示 0 无跳变则表示 1 数字数据011101001的3种编码方式 它的编码波形如图所示 数字数据信号的编码方法 2 4 3模拟数据的调制 在模拟数据通信系统中 信源的信息经过转换形成电信号 比如 人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号 这也是模拟数据的基带信号 一般来说 模拟数据的基带信号具有比较低的频率 不宜直接在信道中传输 需要对信号进行调制 将信号搬移到适合信道传输的频率范围内 接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内 恢复成原来的消息 比如无线电广播 2 4 4模拟数据的编码 脉冲编码调制 PulseCodeModulation PCM 是模拟数据数字化的主要方法 由于数字信号传输失真小 误码率低 数据传输速率高 因此 在网络中除计算机直接产生的数字信号外 语音 图像信息必须数字化才能经计算机处理PCM技术的典型应用是语音数字化 语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输 但是在网络中将语音与计算机产生的数字 文字 图形 图像同时传输 就必须首先将语音信号数字化 图右显示了PCM编码的典型应用 当进行常规的电话通信或者两台计算机之间通过Modem通信时 需要经过程控交换机进行传输 接续 该设备的一个概念就是对模拟信号进行PCM脉冲编码调制 PCM编码的典型应用 脉冲编码调制的工作过程包括3部分 抽样 量化和编码 在图右中 显示了脉冲编码调制的3个过程以及相对应的波形信号 脉冲编码调制的过程 1 抽样模拟信号是电平连续变化的信号 每隔一定的时间间隔 采集模拟信号的瞬时电平值作为样本表示模拟数据在某一区间随时间变化的值 抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据 如果以等于或高于通信信道带宽两倍的速率定时对信号进行抽样 就可以恢复原模拟信号的所有信息 对于电话通信系统 因为电话线路的传输带宽不超过4000Hz 所以抽样频率为8000次 s 2 量化量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程 经过量化后的样本幅度为离散的量化级值 根据量化之前规定好的量化级 将抽样所得样本的幅值比较 取整定级 量化级可以分为8级 16级或者更多的量化级 这取决于系统的精确度要求 3 编码编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级 如果有16个量化级 就需要使用4个比特进行编码 经过编码后 每个样本都使用相应的编码脉冲表示 PCM用于数字化语音系统 它将声音分为128个量化级 采用7位二进制编码表示 再使用1个比特进行差错控制 采样速率为8000次 s 因此 一路话音的数据传输速率为 8 8000bit s 64Kbit s 2 5数据交换技术 交换又称转换 数据交换技术在交换通信网中实现数据传输是必不可少的 数据通过通信子网的交换方式可以分为电路交换和存储交换两大类 常用的交换技术有 线路交换 报文交换和分组交换 包交换 三种 电路交换 CircuitSwitching 也称为线路交换 它是一种直接的交换方式 为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道 即提供一条专用的传输通道 既可以是物理通道又可以是逻辑通道 使用时分或频分复用技术 图1 5电路交换的工作模式 2 5 1电路交换 目前 公用电话交换网广泛使用的交换方式是电路交换 经由电路交换的通信包括 电路建立 数据传输和电路拆除三个阶段 如下图所示 2 5 2存储转发交换 存储转发交换 StoreandForwardSwitching 方式又可以分为报文存储转发交换与报文分组存储转发交换两种方式 其中 报文分组存储转发交换方式又可以分为数据报与虚电路方式 2 5 2存储转发技术采用存储转发的邮政通信工作模式 1 报文交换 MessageSwitching 对较为连续的数据流 如话音 电路交换是一种易于使用的技术 对于数字数据通信 广泛使用的是报文交换技术 在报文交换网中 网络节点通常为一台专用计算机 备有足够的外存 以便在报文进入时进行缓冲存储 节点接收一个报文之后 报文暂时存放在节点的存储设备之中 等输出电路空闲时 再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点 如此往复 直到报文到达目标数据终端为止 报文交换的特点如下 源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通道 与电路交换相比 报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延 电路利用率高 节点间可根据电路情况选择不同的速度传输 能高效地传输数据 要求节点具备足够地报文数据存放能力 一般节点由微机或小型机担当 数据传输地可靠性高 每个节点在存储转发中都进行差错控制 即检错和纠错 由于采用了对完整报文地存储 转发 而节点存储 转发的时延较大 不适用于交互式通信 如电话通信 由于每个节点都要把报文完整的接收 存储 检错 纠错 转发 产生了节点延迟 并且报文交换对报文长度没有限制 报文可以很长 专用就有可能使报文长时间占用某两节点之间地链路 不利于实时交互通信 分组交换即所谓的包交换正是针对报文交换的缺点而提出的一种改进方式 2 分组交换 PacketSwitching 交换网可采用两种方式 数据报文分组交换或虚电路分组交换 1 数据报文分组交换 数据报的工作方式 数据报分组交换的特点如下 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网 同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序 重复或丢失现象 每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址 使用数据报文方式时 数据报文传输延迟较大 适用于突发性通信 但不适用于长报文 会话式通信 2 虚电路分组交换 虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接 用户不需要在发送和接收数据时清除连接 虚电路的工作方式 虚电路工作方式更形象的图示 虚电路分组交换的特点如下 虚电路无专用电路 而是选定了特定路径进行传输 报文分组所途径的所有节点都对这些分组进行存储 转发 而电路交换无此功能 一次通信的所有报文分组都从这条逻辑连接的虚电路上通过 因此 报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 只需要携带虚电路标识号 报文分组到达目的节点不会出现丢失 重复与乱序的现象 节点只需要做差错检测 而不需要做路径选择 通信子网中的每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接 3 三种交换方式比较电路交换 报文交换 报文分组交换 2 6信道复用技术 通常采用多路复用技术 使多路数据信号共同使用一条电路进行传输 即利用一个物理信道同时传输多个信号 如图所示 信道的复用 目前主要有以下4种信道复用方式 频分复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 时分复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 波分复用 Wave lengthDivisionMultiplexing WDM 码分复用 2 6 1频分多路复用 频分多路复用的原理图 2 6 2时分多路复用 1 同步时分复用 同步时分多路复用的原理图 2 异步时分复用 异步时分多路复用的原理图 2 6 3波分多路复用 波分多路复用 2 6 4码分多路复用 码分多路复用又称为码分多址 CDMA CodingDivisionMultiplexingAccess 它也是一种共享信道的方法 每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信 但使用的是基于码型的分割信道的方法 即每个用户分配一个地址码 各个码型互不重叠 通信各方之间不会相互干扰 且抗干扰能力强 码分复用技术主要用于无线通信系统 特别是移动通信系统 2 7传输介质 1 传输介质传输信号经过的各种物理环境物理上将计算机相互连接起来的介质2 传输介质的种类同轴电缆非屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 光缆无线电 传输介质的种类 非屏蔽双绞线和RJ 45连接器 非屏蔽双绞线 优点 尺寸小 重量轻 容易弯曲价格便宜容易安装和维护RJ 45连接器牢固 可靠缺点 抗干扰能力较弱传输距离比较短UTP分为 3类线 4类线 5类线和超5类线UTP非常适合于楼宇内