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第2讲 数据通信技术 1 教学内容 概要介绍本章学习内容 2 教学要求 阐明本章要求掌握的内容 1 2 4 5 数据通信的基本知识 数据传输 数据交换技术 信道的多路复用技术 7 差错控制技术 6 传输介质 3 数据编码与调制技术 1 3 掌握 数据通信基本知识 数据交换技术 信道的多路复用技术 理解 数据的传输和数据的编码与调制技术 差错控制技术的应用 了解 传输介质种类及性能 2 2 1数据通信和数据通信系统 2 1 1信息 数据和信号 2 1 3通信信道的分类 2 1 2数据通信系统的基本组成 2 1 4数据通信的技术指标 1 信息 数据及信号的概念 信息与数据数据是信息的载体 它是信息的表示形式 可以是数字 字符 符号等 单独的数据没有实际的含义 数据和信息既有区别又有联系 数据是独立的 虽然数据本身并没有含义 但把数据按一定规则 形式组织起来时 就可以传达某种意义 这种具有某种意义的数据集合就是信息 信号信号是数据在传输过程中的具体物理表示形式 具有确定的物理描述 如电压 磁场强度等 信号一般有模拟信号和数字信号两种表示方式 2 数据通信系统的基本组成 数据终端设备 DTE 可以是计算机 数据输入 输出设备及数据终端 通信控制器负责和通信线路的连接 并完成数据缓冲 流量控制 差错检验等功能 计算机网络中使用的网卡就是通信控制器 数据通信设备 DCE 数据通信设备 DCE 的功能是把通信控制器发出的信号转换为适合于在通信信道传输的信号 传输信道 传输信道是传输数据的通道 包括传输媒体和通信设备 3 通信信道的分类通信信道就是传输数据的通道 有线信道和无线信道 模拟信道与数字信道 专用信道与公共信道 4 数据通信的技术指标 信道带宽 信道带宽是描述信道传输能力的技术指标 它的大小是由信道的物理特性决定的 信道上传输的是电磁波信号 信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽 带宽的单位为赫兹 Hz 数据传输速率 数据传输速率也称为比特率 是指信道每秒所传输的二进制比特数 记为bps 信道的容量 信道传输数据速率的上限 称为信道的容量 信道容量一般表示为单位时间内最多可传输的二进制数据的位数 香农 shannon 定理用下列公式表示 C Wlog2 1 S N bps 式中C为信道容量 W为信道带宽 N为噪声功率S为信号功率 2 2数据的传输 2 2 1串 并行通信 2 2 3信道的通信方式 2 2 2数据传输的同步技术 2 2 4信号的传输方式 2 2 5通信线路的连接方式 1 串 并行通信 串行通信 并行通信 2 数据传输的同步技术收 发双方在时间基准上保持一致 这种协调一致的通信过程称为同步 异步传输异步传输的特点是 1 每个字符作为一个独立的整体进行传送 2 字符之间的时间间隔是任意的 3 为了进行字符同步 每个字符的第一位前加1位起始位 字符的最后加上1 1 5或2位的终止位 在需要的情况下 再加一个校验位 同步传输同步传输不是以字符为单位而是以数据块 帧 一组字符或比特流 为单位进行传输的 同步传输不再为数据块内的每个字符添加起始位和停止位 而是在数据块之前加上一个或多个同步字符SYN 接收端接收到SYN字符 并根据SYN来实现二进制位的同步和确定数据块的起始位 3 信道的通信方式按照信号传送方向和时间的关系 信道的通信方式可以分为三种 单工 半双工和全双工通信 单工通信 半双工通信 全双工通信 4 通信的传输方式 基带传输在数据通信中 表示计算机二进制比特序列0和1的数字信号是典型的矩形脉冲信号 该矩形脉冲信号的固有频带称为基带 矩形脉冲信号称为基带信号 频带传输利用模拟信号进行数据传输是一种比较普遍的通信方式 即频带传输方式 5 通信线路的连接方式 点到点连接方式 多点连接方式 2 3数据的编码和调制技术 2 3 1数字数据的数字信号传输 2 3 2数字数据的模拟信号传输 2 3 3模拟数据的数字信号传输 1 数字数据的数字信号传输基带信号在基带传输方式中虽然不需要调制 但却要经过一定的编码才能传输 经过编码的数字信号一般具有便于识别 自带时钟同步 传输效率更高等特点 最常用的数字信号编码方法有不归零编码 NRZ 曼彻斯特 Manchester 编码等 曼彻斯特 Manchester 编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一 曼彻斯特编码的特点是 1 每比特的周期T分为前T 2和后T 2两部分 2 前T 2传送该比特的反码 后T 2传送该比特的原码 2 数字数据的模拟信号传输数字数据的模拟信号传输是借助于载波信号实现的 载波是频率和幅值固定的周期信号 通常是正 余 弦周期信号 载波的正 余 弦信号可用下列公式表示 u t umsin t 载波u t 中有三个参量 振幅um 角频率 t及相位 可以通过改变三个参量的方法实现模拟数据信号编码 振幅键控 AmplitudeShiftKeying ASK 频移键控 FrequencyShiftKeying FSK 移相键控 PhaseShiftKeying PSK 3 模拟数据的数字信号传输模拟数据的数字化主要通过脉冲码调制技术 PulseCodeModulation PCM 来实现 PCM工作包括采样 量化及编码三部分操作 采样 采样是在一定的时间间隔内 将模拟信号的电平幅值取出作为样本 代表这一区间原信号的幅值 量化 量化就是把采样所得的信号幅值按转换器的量级分级取整 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 2 4数据交换技术 2 4 1电路交换 2 4 2存储转发交换 1 电路交换1 建立电路 电路交换在数据传输之前 必需先建立一条点到点的电路 2 传输数据 在站点A与站点B通过通信子网的物理线路建立连接以后 站点A与站点B就可以通过该连接实时 双向地交换信息 3 电路拆除 数据传输完毕 就要终止电路连接 2 存储转发交换 报文交换 报文交换方式是以报文为单位发送信息 报文包括三部分内容 报头 报文正文和报尾 报头由发信站地址 收信站地址及其他辅助信息组成 报文分组交换 报文分组交换方式与报文交换方式相比 它采用了较短的格式化信息单位 称为报文分组 报文分组交换又分为数据报交换和虚电路交换 1 数据报交换 2 虚电路分组交换虚电路分组交换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建立逻辑上的路径 虚电路不是一条专用线路 它可以与其他连接共享 2 5 2时分多路复用 2 5 3波分多路复用 2 5 4码分多路复用 1 多路复用技术在广域网和局域网的通信中 一些高容量的传输介质如同轴电缆 光缆 地面微波及卫星通信等可传输的频带很宽 为了高效合理地利用资源 通常采用多路复用技术 即在一条物理线路上建立多条通信信道 使多路数据信号共用一条电路进行传输 按照使用技术的不同有分为 频分多路复用 时分多路复用及波分多路复用 2 频分多路复用频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 是将具有一定带宽的线路划分为多条占有较小带宽的信道 各条信道中心频率不重和 每个信道之间相距一定的间隔 每条信道供一个用户使用 3 时分多路复用时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 是将线路用于传输的时间划分成若干个时间片 时隙 每个用户分得一个时间片 在其占有的时间片内 用户使用通信线路的全部带宽 4 波分多路复用波分多路复用 WaveDivisionMultiplexing WDM 技术主要用于全光纤网组成的通信系统中 波分多路复用是指在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波的复用技术 如图所示 2 6 2无线传输介质 1 有线传输介质 1 双绞线1 屏蔽双绞线2 非屏蔽双绞线 同轴电缆 光纤 2 无线传输 微波通信 微波通信就是利用地面微波进行通信 微波是一种频率很高的电磁波 其频率范围为300MHz 300GHz 微波通信主要使用的是2 40GHz的频率范围 微波的重要特点是在空间沿直线传播 不能绕射 因而微波在地面的传输距离有限 一般为40 60km 红外通信 红外通信使用波长约为750nm 10 m的红外线传送数据 有较强的方向性 受太阳光的干扰大 红外通信是一种廉价 近距离 无连线 低功耗和保密性较强的通信方案 卫星通信 卫星通信是利用地球同步卫星作为中继 来转发微波信号的一种远距离的特殊微波通信方式 当地球同步卫星位于36000km高空时 其发射角可以覆盖地球上的1 3的区域 只要在赤道上空的同步轨道上等距离地放置三颗间隔120o卫星 就能实现全球的通信 2 7 2差错的控制方法 1 差错的产生传输差错是指通过通信信道传输后接收的数据与发送的数据不一致的现象 由于任何通信信道总是不可避免地存在一定程度的噪声干扰 这些噪声的干扰可能导致传输差错的产生 如图所示 通信信道的噪声分为两类 一类是热噪声 另一类是冲击噪声 2 差错的控制方法 差错检测1 前向纠错方式 前向纠错 ForwardErrorCorrection FEC 方式的基本原理是 发送端将信息编成具有检错和纠错能力的码字并发送出去 接收端检测到接收信息有错后 通过一定的运算 确定差错的具体位置 并自动加以纠正 然后把纠错后的数据送到接收端 如图2 34所示 2 自动请求重发方式 自动请求重发 AutomaticRepeatrequest ARQ 方式的基本原理是 发送端对所发送的序列进行差错编码 接收端根据检验序列的编码规则判决有无误码 若发现有误码 则利用反馈信道要求发送端将有错的信息重发一次或多次 直至接收端检测认为无误为止 从而达到纠正差错的目的 如图所示 差错编码常用的差错检测编码有奇偶校验码 水平垂直奇偶校验码 循环冗余校验码CRC等 1 奇偶校验码采用奇偶校验码时 在每个字符代码传输之前 先检测并计算出数据位中 1 的个数 奇数或偶数 并根据使用的是奇校验还是偶校验来确定奇偶校验位的值 然后将其附加在数据位之后进行传输 2 循环冗余校验码 CyclicRedundancyCheck CRC 循环冗余校验码是一种比较复杂的校验方法 它是先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算 并由余数得出一个校验码序列也称为冗余码 然后将这个校验码序列附加在信息数据之后发送出去 接收端接收数据之后 将包括校验码序列在内的数据帧与约定的数据进行除法运算 若余数为 0 则表示接收的数据正确 若余数不为 0 则表明数据在传输的过程中出错 实训1网络线缆的制作 必做 实训目