第2章数据通信技术.ppt

计算机网络技术与应用 2 第2章数据通信技术 计算机网络技术与应用 3 本章内容 数据通信基本知识传输介质数据的编码和调制技术多路复用技术差错控制技术典型物理层标准应用案例 基于MODEM的电力网远程监控系统 第2章数据通信技术 4 2 1数据通信基本知识 通信的基本概念通信系统的模型与分类数据通信主要技术指标数据通信的方式 第2章数据通信技术 5 2 1 1通信的基本概念 通信技术的发展历史信息 数据和信号 第2章数据通信技术 6 1 通信技术的发展历史 1838年莫尔斯发明有线电报 1864年麦克斯韦提出电磁辐射方程 1876年贝尔发明电话 1896年马可尼发明无线电报 1906年真空管被发明 1918年调幅无线电广播问世 1936年调频无线电广播问世 1938年电视广播开始 第2章数据通信技术 7 1 通信技术的发展历史 1948年晶体管被发明 香农发表信息论 1950年时分多路复用技术被用于电话系统 1956年越洋通信电缆被铺设 1958年第一颗通信卫星被发射 1961年集成电路被发明 20世纪60年代 数字传输的理论及技术得到飞速发展 高速电子计算机出现 20世纪70年代 大规模集成电路 数字程控交换机 光纤通信等技术得到迅速发展 20世纪80年代中期开始 Internet得到迅速发展 第2章数据通信技术 8 2 信息 数据和信号 通信双方进行通信的目的是进行信息的交换 信息的载体可以是字符 语音 音乐 图形 图像 视频等多种形式 为了利用计算机处理信息 需要将信息用二进制位的形式表示 这种二进制比特码被称为数据 可以采用多种编码形式表示字符 数字和符号 如国标5号码 IA5 扩充的二 十进制交换码 EBCDIC 和ASCII等 第2章数据通信技术 9 2 信息 数据和信号 ASCII即美国信息交换标准代码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange ASCII 是一种用于表示字母 数字或符号的二进制编码 它使用7个比特表示128个字符 其中 33个是控制字符 95个是可显示字符 第2章数据通信技术 10 2 信息 数据和信号 信号是数据在传输过程中的表现形式 通常指的是电信号 信号可分成两种类型 模拟信号和数字信号 第2章数据通信技术 模拟信号 数字信号 11 2 1 2通信系统的模型与分类 通信系统的模型通信系统的分类 第2章数据通信技术 12 1 通信系统的模型 第2章数据通信技术 13 2 通信系统的分类 按传送信号的特征分类按照通信使用的传输介质分类按照调制方式分类 第2章数据通信技术 14 按照所传送信号的特征 可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统 模拟通信系统和数字通信系统 第2章数据通信技术 模拟通信系统 数字通信系统 15 有线通信系统和无线通信系统 按照所使用传输介质的类型 可将通信系统分为有线通信系统和无线通信系统 有线通信是指利用双绞线 同轴电缆 光纤等介质进行通信 无线通信则包括长波 中波 短波 微波 卫星 红外线等通信方式 第2章数据通信技术 16 基带传输系统和频带传输系统 按照传输时是否对信号进行调制 可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统 基带传输是指对数字信号不进行调制 直接传输 如计算机局域网中就采用了这种技术 频带传输是指首先对数字基带信号进行频域变换 即将其频谱变换到适合信道进行传输的频带上 然后再进行传输 调制解调器就是典型的频带传输设备 第2章数据通信技术 17 2 1 3数据通信主要技术指标 数据传输速率误码率与误信率 第2章数据通信技术 18 1 数据传输速率 码元速率信息速率 第2章数据通信技术 19 1 码元速率 在数字通信系统中 数字信号是用离散值表示的 每个离散值代表一个码元 码元与比特是两个不同的概念 如果码元采用0 1两元制 如2级电平 表示 则1个码元可携带1个比特的信息 如果码元采用16元制 如16级电平 表示 则1个码元可携带4个比特的信息 码元速率是指每秒传送多少个码元 码元速率也称为调制速率 波形速率或符号速率 码元速率的单位是波特 Baud 1波特为每秒传送1个码元 第2章数据通信技术 20 1 码元速率 1924年 奈奎斯特 Nyquist 推导出了具有理想低通矩形特性的信道的最高码元传输速率 理想低通信道的最高码元速率 2WBaud其中 W是理想低通信道的带宽 单位是Hz 对于具有理想带通矩形特性的信道 带宽为W 奈奎斯特准则变为 理想带通信道的最高码元速率 WBaud即每赫兹带宽的理想带通信道的最高码元速率为每秒1个码元 第2章数据通信技术 21 2 信息速率 信息速率是指每秒钟所传送的信息量 单位是比特 秒 bit s bps 码元速率与信息速率的概念是不同的 对于二元制表示的信号 如2级电平 每个码元含1个比特的信息 这时码元速率与信息速率相同 对于四元制表示的信号 如4级电平 每个码元含2个比特的信息 这时信息速率是码元速率的2倍 第2章数据通信技术 22 2 信息速率 对于采用M进制表示的信号 其信息速率与码元速率的关系是 Rb RBlog2M1948年 香农 Shannon 利用信息论的理论推导出了具有高斯白噪声干扰的带宽受限信道的极限信息传输速率 当使用低于或等于该速率的比特率进行传输时 传输过程不会出现差错 极限信息传输速率C可表示为C Wlog2 1 S N bit s其中 W为信道的带宽 单位是Hz S为信道内所传送信号的平均功率 N为信道内部高斯噪声的平均功率 上式即为著名的香农公式 香农公式表明 信道带宽越大或信道内的信噪比越高 则极限信息传输速率就越高 第2章数据通信技术 23 2 误码率与误信率 误码率是指码元在传输过程中 出现差错的码元占总传输码元数的比率 误码率Pe 错误接收的码元数 传输的总码元数误信率 也称误比特率 是指传输中出现差错的比特数占传输总比特数的比率 如果每个码元仅包含1个比特的信息 此时误码率等于误信率 误信率Pb 错误接收的比特数 传输的总比特数 第2章数据通信技术 24 2 1 4数据通信的方式 并行通信和串行通信单工 半双工和全双工通信数据通信的同步方式 第2章数据通信技术 25 1 并行通信和串行通信 第2章数据通信技术 并行通信与串行通信的例子 26 2 单工 半双工和全双工通信 第2章数据通信技术 单工通信 半双工通信 双工通信 27 3 数据通信的同步方式 异步方式同步方式 第2章数据通信技术 28 1 异步方式 在异步传输方式中 在每个传送的字符码 7或8位 前面 都要加上一个字符起始位 用以表示字符码的开始 在字符码或字符校验码之后加上1个 1 5个或2个终止位 用以表示该字符的结束 接收方根据起始位和终止位判断每个字符的开始和结束 从而保证通信双方的同步 第2章数据通信技术 29 1 异步方式 第2章数据通信技术 异步传输方式示意图 30 2 同步方式 同步传输方式是一次传输若干个字符码或若干个二进制位组成的数据块 在这组数据发送之前 先发送一个同步字符SYN 01101000 或一个同步字节 01111110 用于接收方进行同步检测 做好接收数据的准备 在同步字符或同步字节之后 可以连续发送任意长的字符或数据块 在数据发送完后 再利用同步字符或同步字节通知接收方整个发送过程结束 第2章数据通信技术 31 2 同步方式 第2章数据通信技术 同步传输方式示意图 32 2 同步方式 为了保证收发双方的严格同步 需要进一步采取位同步的方式 位同步的目的是使发送方所发送数据中相邻位的时间间隔能够被接收方所知悉 从而保证接收方数据采样时刻的准确性 这就需要接收方能够获得发送方的时钟信号 位同步有两种实现方式 第一种方式是采用一个额外的信道传送发送方的同步时钟 接收方根据该路同步时钟信号进行数据接收 从而保证数据接收的同步性 第二种方式是采用某种编码技术将时钟信号编码到所发送的数据中 通过接收方的解码处理 得到同步时钟信号 第2章数据通信技术 33 2 2传输介质 双绞线同轴电缆光纤 第2章数据通信技术 34 2 2 1双绞线 双绞线一般是由多对两两扭合在一起的带有绝缘层的铜线组成 被封装在一个绝缘套管中 每根铜导线的绝缘层上通常涂有不同的颜色 以示区分 通常 双绞线扭合的越密 其抗干扰能力就越强 传输性能也就越高 第2章数据通信技术 35 2 2 1双绞线 按性能分类 双绞线按照性能不同可分为1类线 2类线 3类线 4类线 5类线 超5类线和6类线 类别越高 传输性能越好 价格也越贵 目前在计算机网络布线中使用最多的是5类线 超5类线和6类线 按结构分类 双绞线按照是否带有屏蔽层 可分为非屏蔽双绞线 UnshieldedTwistedPair UTP 和屏蔽双绞线 ShieldedTwistedPair STP 两类 UTP由于不带屏蔽层 容易受到来自外部环境或邻近双绞线的电磁干扰 但它安装和使用方便 且成本低 因此被广泛地用于网络布线 STP抗干扰能力强 但成本较高 而且安装相对要复杂一些 第2章数据通信技术 36 双绞线的制作 第2章数据通信技术 RG 45连接器插头 37 双绞线的制作 EIA TIA568A双绞线制作标准EIA TIA568B双绞线制作标准 第2章数据通信技术 38 2 2 2同轴电缆 同轴电缆用于传递电信号的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体 铜芯 外面 两个导体之间使用绝缘材料进行隔离而设计的 其外层导体和内层导体在同一个轴心上 所以称为同轴电缆 第2章数据通信技术 39 2 2 2同轴电缆 按直径大小分类 按照直径大小划分 同轴电缆可分为粗缆和细缆 粗缆适用于较大型的局部网络 它的传输距离长 可靠性高 其最大传输距离可以达到500m 细缆的传输距离短 缆线总长不能超过185m 否则信号会被严重衰减 细缆在安装过程中通常使用T型连接器进行连接 这种连接方式容易产生故障 在计算机网络布线领域 粗缆和细缆已基本上被双绞线和光缆所取代 按电气特性和传输信号类型分类 特性阻抗为50欧姆为基带同轴电缆 传输数字信号 如局域网中使用的粗缆和细缆 特性阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆 传输模拟信号 宽带同轴电缆常用于传送有线电视信号 第2章数据通信技术 40 2 2 3光纤 光纤是光导纤维 FiberOptics 的简称 它是一种利用光的全反射原理在玻璃或塑料制成的非常细的纤维中传输光信号的传输介质 光纤由纤芯和包层构成 包层包在纤芯的外面 是一层具有较低折射率的物质 由于包层的作用 光信号在包层表面形成全反射 只能在纤芯中进行传播 不会通过包层折射出去 第2章数据通信技术 41 光信号的发送和接收 在光纤的一端使用发光二极管 LightEmittingDiode LED 或注入式激光二极管 InjectionLaserDiode ILD 将光脉冲传送至光纤 在光纤的另一端采用光敏元件进行接收 完成从光信号到电信号的转换 第2章数据通信技术 42 四芯光缆的剖面示意图 第2章数据通信技术 43 光纤的分类 按光的传输模式分类多模光纤 MultiModeFiber 多模光纤允许多个光束在同一条纤芯上传输 其纤芯直径范围从50 m到几百 m不等 对于100Mbps的传输速率 多模光纤的传输距离可达2km 对于1Gbps的传输速率 其传输距离可达500 600m 对于10Gbps的传输速率 其传输距离可达300m 单模光纤 SingleModeFiber 典型单模光纤的纤芯直径为8 10 m 包层外直径为125 m 在单模光纤中 光束能够以单一的模式无反射地沿纤芯轴心方向传播 单模光纤的模式色散很小 能够把光以很高的频率传输很长距离 单模光纤能够以10Gbps的速率将数据传送超过60km的距离 甚至更远 第2章数据通信技术 44 光纤的分类 按制造材料分类 按照制造材料划分 光纤可分为无机光导纤维和高分子光导纤维 其中 无机光导纤维在工业领域得到大量应用 第2章数据通信技术 45 光纤的主要特点 通信容量大 传输距离远 抗电磁干扰 传输可靠性高 无信号泄露 难于窃听 安全性好 光纤尺寸小且重量轻 易于运输和铺设 光纤对环境的适应性强 使用寿命长 第2章数据通信技术 46 2 3数据的编码和调制技术 基带传输和频带传输基带传输常见码型脉冲编码调制数字数据的调制调制解调器 第2章数据通信技术 47 2 3 1基带传输和频带传输 基带传输数字信号是用高 低电平表示比特 0 和比特 1 的矩形脉冲信号 这种矩形脉冲信号所固有的频带称为基本频带 基带 因此数字信号也称为基带信号 基带信号没有经过调制 它所占据的频带一般是从直流和低频开始 如果直接在信道中传送数字信号 则称为基带传输 频带传输利用模拟信道 如传统电话线路 传输调制后的数据信号的过程称为频带传输 频带传输中最典型的设备是调制解调器 第2章数据通信技术 48 2 3 2基带传输常见码型 不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 第2章数据通信技术 49 1 不归零编码 不归零 Non ReturntoZero NRZ 编码通常使用负电平表示比特 1 用正电平表示比特 0 也可以使用正电平表示比特 1 用负电平表示比特 0 例如在RS 232接口中 用 5V 15V的电平表示 1 用 5V 15V的电平表示 0 不归零编码的主要缺点是不含时钟信号 无法保证发送方和接收方的数据同步 需要通过其他方式进行解决 如再发送一路单独的同步时钟信号 第2章数据通信技术 50 2 曼彻斯特编码 曼彻斯特 Manchester 编码是目前使用非常广泛的一种编码 可用于10Mbps的以太网 曼彻斯特编码是一种自含时钟编码 它使用跳变来表示比特 0 和 1 跳变发生在每一位二进制信号的中间时刻 这个跳变可作为接收端的时钟信号 从而保证发收双方的同步 第2章数据通信技术 51 3 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特 DifferentialManchester 编码也是一种自含时钟编码 它是对曼彻斯特编码的改进 差分曼彻斯特编码在每位的中间仍然有一个跳变 用于提供同步时钟 另外 它通过在每位的开始处是否存在跳变来表示比特 0 或 1 第2章数据通信技术 52 数字数据的几种编码方法 第2章数据通信技术 53 2 3 3脉冲编码调制 脉冲编码调制 PulseCodeModulation PCM 是一种将模拟信号转换成数字信号的基本编码方法 它包括采样 量化和编码三个步骤 第2章数据通信技术 54 模拟信号的采样 第2章数据通信技术 55 模拟信号的数字化 第2章数据通信技术 56 脉冲编码调制技术用于声音的数字化 当PCM用于数字化语音系统时 它将声音幅值分成128个量化级 采用7个二进制位进行编码 再使用1个比特进行差错控制 由于语音信号的带宽通常限制在4000Hz以内 语音的采样频率通常为8000Hz 由此可知1路数字化语音的数据传输速率为8000 8bit s 64kbit s 第2章数据通信技术 57 2 3 4数字数据的调制 第2章数据通信技术 计算机之间利用Modem通过公共电话网通信 58 数字数据调制的方法 幅移键控 AmplitudeShiftKeying ASK 频移键控 FrequencyShiftKeying FSK 相移键控 PhaseShiftKeying PSK 多相调制和混合调制 第2章数据通信技术 59 数字数据的调制方法示例 第2章数据通信技术 60 2 3 5调制解调器 调制解调器 Modem modulator demodulator的简称 是在发送端将数字信号调制到模拟载波信号上进行传输 在接收端解调收到的模拟信号 从而还原出数字信号的设备 第2章数据通信技术 61 调制解调器的分类 按安装方式分类外置式Modem内置式ModemPCMCIA插卡式Modem机架式Modem按应用类型分类用于公共电话交换网 PSTN 的电话Modem基于ADSL技术的ADSLModem用于有线电视电缆的CableModem卫星Modem等 第2章数据通信技术 62 2 4多路复用技术 频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 波分多路复用 Wave lengthDivisionMultiplexing WDM 时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 码分多路复用 CodeDivisionMultiplexing CDM 第2章数据通信技术 63 2 4 1频分多路复用技术 频分多路复用 FDM 是将线路的可用频带划分成若干个在频率上互不重叠的频段 每路信号占用一个频段 第2章数据通信技术 电话信号的频分多路复用传输 64 2 4 2波分多路复用技术 波分多路复用 WDM 被应用于光纤通信领域 其本质上也属于频分多路复用技术 第2章数据通信技术 波分多路复用原理 65 2 4 3时分多路复用技术 时分多路复用 TDM 是将传输时间分成若干个时间片 slottime 又称时隙 每路信号占用一个时间片 在每路信号所占有的时间片内 其使用通信线路的全部带宽 时分多路复用又可分为同步时分复用 SynchronousTimeDivisionMultiplexing STDM 和异步时分复用 AsynchronousTimeDivisionMultiplexing ATDM 两种类型 第2章数据通信技术 66 同步时分复用 第2章数据通信技术 同步时分多路复用原理 67 异步时分复用 第2章数据通信技术 异步时分多路复用原理 68 2 4 4码分多路复用技术 码分多路复用 CDM 技术又称为码分多址 CodeDivisionMultipleAccess CDMA 技术 CDMA采用特殊的编码方法和扩频技术 被应用于无线通信领域 尤其是移动通信领域 在CDMA系统中 每个用户被分配一个唯一的m比特码片序列 发送的每个数据比特均被扩展成m位码片 当用户要发送数据比特 1 时 则发送它的m位码片序列 当发送数据比特 0 时 则发送该码片序列的二进制反码 例如 某用户的8位码片序列是10110011 当发送数据比特 1 时 就发送序列10110011 当发送数据比特 0 时 就发送序列01001100 为了保证接收方能够正确解码 不同用户的码片序列必须正交 第2章数据通信技术 69 三种复用技术的区别 可以用一个例子来说明时分多路复用 频分多路复用和码分多路复用的区别 在一个屋子里有许多人要彼此进行通话 为了避免相互干扰 可以采用以下的方法 讲话的人按照顺序进行发言 时分多路复用 讲话的人可以同时发言 但每个人说话的音调不同 频分多路复用 讲话的人采用不同的语言进行交流 只有懂得同一种语言的人才能够相互理解 码分多路复用 第2章数据通信技术 70 2 5差错控制技术 差错产生的原因检错码与纠错码差错控制机制 第2章数据通信技术 71 2 5 1差错产生的原因 第2章数据通信技术 72 噪声 通信信道中存在加性和乘性两大类噪声 加性噪声与被传送的信号相叠加 从而造成信号的失真 对通信质量有较大影响 加性噪声按照来源不同可分为通信系统内部噪声和外部噪声 内部噪声来源于通信系统内部 最典型的是热噪声 外部噪声来自于通信系统外部 可分为人为噪声和自然噪声 加性噪声按照性质进行分类 可分为单频噪声 脉冲噪声和起伏噪声 噪声引起的通信差错主要有两大类 随机错和突发错 随机错中的错误码元是孤立的 而突发错则表现为相邻多个数据位出错且呈突发性 第2章数据通信技术 73 2 5 2检错码与纠错码 差错控制的目的是检查数据传输过程中是否出现了差错以及对差错进行纠正 有两种处理差错的方法 1 在要发送的数据中加入足够的冗余信息 以使接收方能够推导出已发出的数据应该是什么 2 加入足够的冗余信息 使接收方能够检测出差错的发生 但无法进行纠错 接收方只能要求发送方重传出错的数据 对于第1种方法 采用纠错码 Error correctingcode 技术进行实现 对于第2种方法 采用检错码 Error detectingcode 技术进行实现 第2章数据通信技术 74 常见的检错码和纠错码 常见的检错码有奇偶校验码和循环冗余校验 CyclicRedundancyCheck CRC 码 常见的纠错码有海明码和卷积码 第2章数据通信技术 75 奇偶校验码 奇偶校验码又称为奇偶监督码 通过在信息码的后面添加一位校验位 使得整个码组中 1 的个数为奇数或偶数 如果是奇校验 则根据情况设置校验位为 1 或 0 使得整个码组中 1 的个数是奇数 如果是偶校验 则根据情况设置校验位为 1 或 0 使得整个码组中 1 的个数是偶数 例如 字母 A 的7位ASCII是1000001 如果采用奇校验进行编码 则变成10000011 如果采用偶校验进行编码 则变成10000010 第2章数据通信技术 76 循环冗余校验 CRC 码 CRC码又称为多项式码 是数据通信中使用最多的检错码 CRC码通过在信息位后附加若干位冗余比特来实现 其基本实现过程是 首先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据 生成多项式 进行除法运算 并根据余数得到一个校验码 然后将该校验码附加在信息位的后面发送出去 接收端在接收到数据后 将包括校验码在内的数据再与约定的数据 生成多项式 做除法运算 若余数为0 则认为接收到的数据正确 否则认为数据在传输过程中出现了差错 第2章数据通信技术 77 循环冗余校验 CRC 码 常使用以下生成多项式G x 来产生CRC校验码 CRC 16 G x x16 x15 x2 1CRC CCITT G x x16 x12 x5 1CRC 32 G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1CRC码的错误检测能力很强 例如 CRC 16和CRC CCITT能够 检测出全部单个错 检测出全部离散的二位错 检测出全部奇数个错 检测出全部长度小于等于16位的突发错 以99 997 的概率检查出长度为17位的突发错 第2章数据通信技术 78 2 5 3差错控制机制 通信过程中 接收端在收到数据后 首先要进行差错检测 以判断数据是否在传输过程中出现了差错 若数据采用了纠错编码 当检测到差错后 可利用纠错码进行差错纠正 当然 纠错码只能纠正部分差错 对于纠错码不能纠正的错误以及仅采用检错编码的数据 通常要求发送端对该数据进行重传 直到接收端获得正确的数据 第2章数据通信技术 79 2 5 3差错控制机制 通信双方关于重传的协议主要有三种类型 停止等待方式 选择重传方式和拉回方式 第2章数据通信技术 80 停止等待方式 第2章数据通信技术 81 选择重传方式 第2章数据通信技术 82 拉回方式 第2章数据通信技术 83 2 6典型物理层标准 在实际的通信过程中 通信设备之间需要通过相应的接口进行连接 为了实现连接的正确性和一致性 这些接口应遵循相同的标准 典型的物理层接口标准有RS 232 C RS 449 CCITTX 21 RS 485等 第2章数据通信技术 84 2 6 1RS 232 C标准 第2章数据通信技术 使用RS 232 C接口进行通信的系统结构 85 RS 232 C接口特性 RS 232 C使用25针或9针的D型连接器DB 25或DB 9 第2章数据通信技术 86 常用RS 232 C引线功能定义 第2章数据通信技术 87 RS 232 C接口的电气特性 RS 232 C采用负逻辑规定逻辑电平 使用NRZ编码 RS 232将 3V 15V规定为 1 将 3V 15V规定为 0 第2章数据通信技术 88 RS 232 C传输电缆长度和数据传输速率 RS 232 C标准规定 在码元畸变小于4 的情况下 DTE和DCE之间的最大传输距离约为15m 50英尺 RS 232 C规定的最大数据传输速率为19200bps 而且只能支持点对点的通信 第2章数据通信技术 89 RS 485标准 RS 485是工业控制领域常用的串行接口总线标准 它支持多点通信 RS 485接口采用平衡驱动器和差分接收器 抗共模干扰能力强 具有良好的抗噪声性能 适合信号的远距离传输 在RS 485标准中 当两线间的电压差为0 2V 6V时表示逻辑 1 当两线间的电压差为 6V 0 2V时表示逻辑 0 RS 485能够提供高的数据传输速率 在35Mbps的传输速率下 其最大传输距离为10m 在100kbps的传输速率下 其传输距离可达1200m RS 485总线一般可最大支持32个结点 如采用特制的RS 485芯片 可支持多达128个或256个结点 第2章数据通信技术 90 2 7应用案例 基于MODEM的电力