第2章 数据通信基础知识.ppt

1 第2章数据通信基础知识 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 2 内容介绍 2 1数据通信的基本概念 2 2数据通信方式 2 3数据编码技术 2 4多路复用技术 2 5广域网中数据交换技术 2 6差错控制技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 3 数据 Data 是对客观事实进行描述和记载的物理符号 是传递 携带 信息的载体 信息 Information 是数据的含义或解释 信号 Signal 数据的物理量编码 通常为电磁编码 数据以信号的形式在介质中传播 2 1数据通信的基本概念 1 数据与信号 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 4 模拟信号模拟信号是指幅值可连续取值的连续信号 电视图像信号 语音信号 温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号 数字信号数字信号指幅度的取值被限制在有限个离散数值之内的连续信号 二进制码就是一种数字信号 计算机数据 数字电话和数字电视等都是数字信号 t 2 1数据通信的基本概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 5 2 数据通信系统基本结构 噪声任何信道都不完美 对传输的信号产生干扰外界 闪电 串扰 电气设备内部 介质特性 2 1数据通信的基本概念 信源产生和发送信息的设备 发送器根据传输介质特性 进行信号变换 接受器接受信号 还原成合适的信号 信宿接受和处理信息的设备 信道信源和信宿间的通信线路 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 6 数据传输系统传输线路有线介质 无线介质传输设备调制解调器 中继器 多路复用器 交换机等DCE数据处理系统 计算机 终端等 源系统 信源 发送器 发出数据的计算机目的系统 信宿 接收器 接收数据的计算机DTE 2 1数据通信的基本概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 7 码元与比特码元 Codecell 信号传输时 一个波形称为一个码元 信号编码单元 2 1数据通信的基本概念 3 数据通信的主要技术指标 比特 二进制数的一位 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 8 信号传输率与数据传输速率 信号传输率 波特率 B单位时间内传送的波形数 单位为波特 Baud 又称波形速率 线路上每秒钟传送的波形个数 又称码元速率 数据传输率 比特率 S即单位时间内所传送的二进制信息的位数 单位为位 秒 记作bps或b s 2 1数据通信的基本概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 9 2 1数据通信的基本概念 比特率S和波特率B的关系 S B log2N 上式中 N为一个码元所取的离散值个数 通常N 2K K为二进制信息的位数K log2N N 2时 S B 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 10 带宽物理信道频带宽度 即信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差 单位 Hz 信道容量信道容量表示一个信道的最大数据传输速率 是信道传输数据能力的极限 单位为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 而后者是实际的数据传输速率 2 1数据通信的基本概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 11 信道容量的计算无噪声的信道容量奈奎斯特公式 C 2H log2N b s 式中 H为信道的带宽 即信道传输上 下限频率的差值 单位为赫 Hz N为一个码元所取的离散值个数 例2 2 普通电话线路带宽约3kHz 若码元的离散值个数N 16 则最大数据传输速率是多少 2 1数据通信的基本概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 12 有噪声的信道容量香农公式 C H log2 1 S N b s 式中 S为信号功率 N为噪声功率 S N称为信噪比 通常把信噪比表示成10 lg S N 分贝 dB 例2 3 已知信噪比为30dB 带宽为3kHz 求最大数据传输速率是多少 2 1数据通信的基本概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 13 数据通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式 通常有如下分类方法 按信号的类型分模拟通信和数字通信 按数据代码传输的顺序分为串行传输和并行传输 按数据传输的同步方式分为同步传输和异步传输 按数据传输的流向和时间关系分为单工 半双工和双工传输 基带传输与频带传输 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 14 1 模拟通信与数字通信 2 2数据通信方式 模拟通信在线路上传输模拟信号的通信方式数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息 或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 15 2 2数据通信方式 数字通信的特点 抗噪声 干扰 能力强 可以控制差错 提高了传输质量 能适应各种通信业务 易于加密 保密性强 通信设备微型化 集成化缺点占用频带宽 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 16 调制 对信号源的信息进行处理 使其变为适合于信道传输形式的过程 解调 接受方将收到的已调制的信号还原成原信号 2 2数据通信方式 2 调制与解调 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 17 对模拟信号的调制对模拟信号调制的实质是频谱搬移 其作用和目的是 将调制信号转换成适合于信道传输的已调信号 实现信道的多路复用 提高信道利用率 减少干扰 提高系统抗干扰能力 实现传输带宽与信噪比之间的互换 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 18 相位 A 振幅 角频率 调制的基础是载波 载波有三要素 幅度 频率和相位 针对载波的不同要素对它进行调制 2 2数据通信方式 对数字信号的调制 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 19 振幅键控ASK 调幅 AM 用载波的两个不同振幅表示0和1移频键控FSK 调频 FM 用载波的两个不同频率表示0和1移相键控PSK 调相 PM 用载波的起始相位的变化表示0和1 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 20 绝对调相 相对调相 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 21 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 22 3 并 串行通信 并行通信定义将数据以成组方式在两条以上的并行信道上同时传输 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 23 适用情况通信距离较近的情况优点字符同步 速度快缺点需要传输信道多 设备复杂 成本高 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 24 串行通信定义数据流以串行方式在一条信道上传输 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 25 适用情况通信距离较远的情况优点该方法实现简单 采用较多缺点为解决收 发方码组或字符同步 需要外加同步措施 速度慢 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 26 4 单 双工通信 单工通信定义数据单向传输适用无线电广播 有线电广播 电视 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 27 半双工通信定义信息流可以在两个方向上传输 但同一时刻只限于在一个方向传输 适用对讲机优点节省传输线路缺点效率低 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 28 全双工通信定义数据能同时沿信道的两个方向传输 即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息 其收 发信道分开设置 适用计算机网络中数据通信特点效率高但结构复杂 成本高 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 29 5 异步传输和同步传输 同步技术在通信过程中 为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收 要求发送端和接收端动作的起始时间和频率保持一致的技术 需解决的问题同步脉冲频率数据从什么时候开始 什么时候结束 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 30 异步传输定义以字符为单位传输数据 数据低位在前 高位在后 每个字符前加1个起始位 表示一个字符开始 后加1到2个停止位 表示一个字符结束 优点频率的漂移不会积累 每两个字符之间的间隔时间不固定 实现简单 缺点传输效率低 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 31 同步传输定义以数据块为单位传输数据 在数据块的开头一般加1到2个字节的SYN 同步字符 而后以固定的时钟节拍来发送数据信号 优点效率高 缺点和异步的优点相对应 2 2数据通信方式 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 32 基带传输在信道上直接用基带信号 方波 传送数据 频带传输将数字信号调制成模拟信号后再发送和传输的方式 和基带传输的区别和传统模拟传输的区别 2 2数据通信方式 6 基带 频带 宽带传输 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 33 宽带传输将宽的频带划分成若干个子频带 分别用这些子频带来传输各类不同的信号 多用于广域网宽带接入技术 如ADSL 2 2数据通信方式 6 基带 频带 宽带传输 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 34 2 3数据编码技术 t 码元1 码元2 码元3 码元4 码元5 信号 数据编码是用两个不同的电平来表示两个不同的二进制数0和1 定义 分类 不归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 35 2 3数据编码技术 1 不归零制NRZ 用负电平表示0 正电平表示1 正负直接转换 中间不在无电平处停留 缺点 不具备自同步机制 传输时必须使用外同步 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 36 2 3数据编码技术 2 曼彻斯特编码 编码方法是将每个码元分成两个相等的间隔 码元 1 是由高至低电平转换 即其前半个码元的电平为高电平 后半个码元的电平为低电平 码元 0 是从低电平到高电平的变换 即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 00100111 1 0 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 37 2 3数据编码技术 3 差分曼彻斯特编码 码元1时 前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样 若码元为0 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 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 38 2 3数据编码技术 三种数字编码的波形图 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 39 2 3数据编码技术 编码与调制的区别 调制 用模拟信号承载数字或模拟数据 编码 用数字信号承载数字或模拟数据 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 40 2 3数据编码技术 4 模拟数据的数字信号编码 使模拟数据能在数字信道上传输 采样定理 如果模拟信号的最高频率为F 若以 2F的采样频率对其采样 则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号 采样 按一定间隔对语音信号进行采样 量化 编码 把每个样本舍入到最接近的量化级别上 对每个舍入后的样本转为二进制码 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 41 复用的基本思想当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时 多个信息源可共享一个公共信道 把公共信道划分成多个子信道 每个子信道传输一路数据 称为多路复用 2 4多路复用技术 1 概述 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 42 定义当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽足够多的情况下 可将该物理信道的总带宽划分成若干个与传输单个信号带宽相同 或略宽 的子频带 将多路原始信号的频谱移到物理信道频谱的不同频段上 以实现频谱上的不重叠 从而达到共用一个信道的目的 2 4多路复用技术 2 频分多路复用FDM 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 43 2 4多路复用技术 用途主要用于模拟信道的复用 举例 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 44 2 4多路复用技术 3 时分复用TDM 定义如果物理信道可支持的位传输速率超过单个原始信号要求的数据传输速率 就可以将信道传输时间划分成工作周期T 时间片 再将每个周期划分成若干时隙 轮流分配给n个信源来使用公共线路 这样 就可以在一条物理信道上传输多个数字信号 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 45 同步时分多路复用 STDM 原理 2 4多路复用技术 把时间分割成小的时间片 每个时间片分为若干个时隙 每路数据占用一个时隙进行传输 在通信网络中应用极为广泛 优点 控制简单 实现容易 缺点 容易造成信道浪费 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 46 异步时分多路复用 ATDM 原理 2 4多路复用技术 在异步时分复用中 时隙序号与信道号之间不再存在固定的对应关系 为此 各个信道发出的数据都需要附带双方地址 由通信线路两端的多路复用设备来识别地址 优点 提高了传输介质的利用率 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 47 原理整个波长频带被划分为若干个波长范围 每路信号占用一个波长范围来进行传输 在这种方法中 两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅 每根光纤里的光波处于不同的波段上 这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上 到达目的地后 再将两束光用光栅分解开来 2 4多路复用技术 4 波分复用 光的频分复用 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 48 原理 2 4多路复用技术 5 码分复用CDM 每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码 任意两个地址码序列相互正交 不同用户发送的信号在接收端被叠加 然后接收者用同样的地址码序列解码 由于地址码的正交性 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 在无线移动通信中应用广泛 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 49 频分复用FDM 2 4多路复用技术 6 各类复用方法的应用 按频率划分不同的信道 如CATV系统 按波长划分不同的信道 用于光纤传输 波分复用WDM 时分复用TDM 码分复用CDM 按时间划分不同的信道 目前应用最广泛 按地址码划分不同的信道 非常有发展前途 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 50 数据交换在通信子网中结点间的数据传输过程称为数据交换 为什么要采用交换技术 节省线路投资 提高线路利用率 分类 电路交换 存储转发交换 报文交换 分组交换 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 51 不关心被传输的数据内容 仅执行交换的动作 起数据交换的功能 将数据从一个端口交换到另一端口 继而传输到另一台中间结点 直至目的地 结点和站点 结点 用于数据交换的中间设备 站点 发送和接收数据的终端设备 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 52 通过网络中的结点在两个站点之间建立专用的通信线路进行数据传输的交换方式 原理 2 5广域网中的数据交换技术 1 电路交换 Circuitswitching 过程 建立线路占用线路进行数据传输释放线路 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 53 电路交换的特点 2 5广域网中的数据交换技术 独占性实时性好线路交换设备简单不具备差错控制能力线路利用率低 电路交换的应用场合 线路利用率低 持续通话和实时性要求强的场合 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 54 数据与目的地址 源地址 控制信息等组成一数据单元进入通信子网 通信子网的中间结点负责接收数据单元 暂存 差错校验 根据地址确定输出端口和线路 排队等待线路 转发给下一结点 直至终点 原理 2 5广域网中的数据交换技术 2 存储转发交换 分类 报文交换分组交换 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 55 报文交换 2 5广域网中的数据交换技术 原理 以报文为单位进行 存储 转发 交换 目的地址 源地址 控制信息等附加在报文上 交换过程中 交换设备将收到的报文先存储 待信道空闲时再转发出去 一级级中转 直到目的地 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 56 2 5广域网中的数据交换技术 特点 相邻结点仅在传输报文时建立结点间的连接 整个报文 Message 作为一个整体一起发送 没有建立和拆除连接所需的等待时间 线路利用率高 报文大小不一 造成存储管理复杂 且对存储容量要求较高 大报文造成存储转发的延时过长 出错后整个报文全部重发 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 57 分组交换 2 5广域网中的数据交换技术 原理 规定交换设备处理和传输的数据长度 将长报文分成若干个小分组进行传输 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 58 报文 分组交换的过程1 发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 59 数据 数据 分组交换的过程2 每一个数据段前加上首部构成分组 首部 请注意 现在左边是 前面 数据 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 60 数据 分组交换的过程3 每一个数据段前加上首部构成分组 首部 首部 数据 数据 2 5广域网中的数据交换技术 请注意 现在左边是 前面 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 61 分组交换的过程4 每一个数据段前加上首部构成分组 首部 首部 首部 数据 数据 数据 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 62 分组交换的过程5 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 63 分组交换的过程6 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 64 数据 数据 数据 分组交换的过程7 最后 把收到的数据恢复成为原报文 这里假定分组在传输过程中没出差错 转发时也没被丢弃 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 65 分组首部的重要性 每个分组首部都含有地址等控制信息 分组交换网中结点交换机根据收到的分组的首部中地址信息 把分组转发到下一结点交换机 如此存储转发 分组最后到达最终目的地 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 66 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 结点交换机 主机 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 67 注意分组的存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 结点交换机 主机 找到转发的端口 在结点交换机C暂存查找转发表 在结点交换机E暂存查找转发表 最后到达目的主机H5 在结点交换机A暂存查找转发表 找到转发的端口 找到转发的端口 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 68 提高线路利用率 各分组可通过不同路径传输 容错性好 对转发结点的存储要求较低 可用内存来缓冲分组 速度快 转发延时小 适于交互式通信 有强大的纠错机制 流量控制 拥塞控制和路由选择功能某个分组出错可以仅重发出错的分组 效率高 缺点需要分割报文和重组报文 增加了端站点的负担 分组交换的优点 2 5广域网中的数据交换技术 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 69 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 70 把通过通信信道接收到的数据与原来发送的数据不一致的现象称为 传输差错 简称为 差错 判断数据经传输后是否有错的手段和方法称为差错检测 差错控制 在通信过程中 发现 检测差错并进行纠正 什么是差错 2 6差错控制技术 1 差错控制的概念 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 71 指接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例Pe 接收码元中错误码元数 传输的总码元数 2 6差错控制技术 2 误码率 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 72 特点 时刻存在 幅度较小 强度与频率无关 但频谱很宽 是随机类噪声 称为 随机差错 热噪声差错 2 6差错控制技术 3 差错的分类与出现的可能原因 冲击噪声差错 特点 冲击噪声幅度大 持续时间长等 是产生差错的主要原因称为 突发差错 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 73 在发送的数据中增加一些用于检查差错的附加位 这些附加位被称为检错码 接收方根据收到的检错码检测到差错时 发出 否定应答 通知对方进行重发 特点 通过 重传机制 达到纠正差错的目的 易实现 编码和解码的速度较快 常用的检错码有 奇偶校验码和循环冗余码等 2 6差错控制技术 4 两种差错控制技术 检错 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 74 纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位 接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下发现错误 并自动地纠正错误 译码器设备较复杂 为了纠正差错 附加的冗余码较多 会降低传输效率 常见纠错编码 海明纠错码 正反纠错码等 适用场合 没有反向信道 线路传输时间长 要求重发不经济的场合 2 7差错控制与检错 纠错 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 75 奇校验是在二进制序列中 1 的个数为奇数 则校验位为0 若 1 的个数为偶数 则校验位为1 偶校验是在二进制序列中 1 的个数为偶数 则校验位为0 若 1 的个数为奇数 则校验位为1 2 7差错控制与检错 5 常用差错检验编码 奇偶校验 规则 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 76 2 7差错控制与检错 水平奇偶校验 又称横向奇偶校验 若字符序列相应位中 1 的个数为奇数 则奇校验的校验码字位0 偶校验的校验码为1 垂直奇偶校验 又称纵向向奇偶校验 若单个字符的各个位中 1 的个数为奇数 则奇校验的校验码字位0 偶校验的校验码为1 水平垂直奇偶校验 又称横纵奇偶校验或方块奇偶校验 既做水平校验也做垂直校验 检错能力可以明显提高 分类 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 77 2 7差错控制与检错 奇偶校验举例 计算机网络技术 沈阳理工大学应用技术学院 PPT2 78 2 7差错控制与检错 循环冗余校验 CRC 差错检测原理 收