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第2章数据通信技术的基础知识 辽宁工程技术大学职业技术学院包剑2006年9月 计算机网络基础 2 第2章数据通信技术的基础知识 学习目标 新课讲授 本章小结 本章习题 返回 主要内容 计算机网络基础 3 本章主要内容 数据通信的基本概念数据传输方式数据传输的同步技术数据的编码技术多路复用技术数据交换技术传输介质差错控制技术 目录页 计算机网络基础 4 目录页 计算机网络基础 5 本章学习目标 了解计算机通信中信息 数据与信号的基本概念 以及数据通信系统的基本结构 掌握模拟数据编码方法与数字数据编码的基本原理与主要特点 了解基带传输的定义与主要特点 了解频带传输的定义 掌握数据传输速率的定义 掌握串行与并行通信 单工 半双工与全双工通信 模拟通信 数字通信的特点 计算机网络基础 6 本章学习目标 解多路复用技术的分类 掌握FDM WDM TDM的基本工作原理 掌握异步传输与同步传输方式的主要特点 掌握双绞线 同轴电缆 光缆 无线通信信道 卫星通信的特点 了解广域网中数据交换方式的类型 掌握分组交换方法的基本工作原理 了解数据通信中差错产生的原因与差错类型 掌握误码率的定义与循环冗余编码CRC的基本工作原理 目录页 计算机网络基础 7 第2章数据通信技术的基础知识 2 1基本概念2 2数据的传输2 3数据传输的同步技术2 4数据的编码和调制技术2 5数据交换技术2 6信道复用技术2 7传输媒体的类型与特点2 8通信接口及设备2 9差错控制技术 目录页 计算机网络基础 8 2 1基本概念 2 1 1信息 数据和信号2 1 2数据通信系统的基本结构2 1 3通信信道的分类2 1 4数据通信的技术指标 计算机网络基础 9 数据通信基础 通信 计算机 计算机网络 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物 计算机网络基础 10 自古以来 信息的交换一直在进行 诸如通信 交换意见 交流思想等 这些都是广义上的通信 最简单的通信方式就是交谈 声音通过空气媒质把要交换的信息带到了对方 完成了通信过程 这种通信方式的固有缺点就是通信距离短 只能以米 m 为单位 古时候远距离通信有书信和烽火台 但它们的信息量有限 这些都不是现代意义上的通信 现代意义上的通信以电报和电话的产生为标志 电报方面 1835年莫尔斯发明了电报 1837年发明了莫尔斯电码 同年 出现了电磁式有线电报机 1896年马可尼发明了无线电报机 电话方面 1876年贝尔发明了电话机 1878年人工交换局出现 1892年自动交换局出现 在此后的近100年间 人类主要的通信方式就是这两种形式 它们为人类社会的快速发展发挥了积极的作用 数据通信基础 通信的历史 计算机网络基础 11 20世纪30年代开始 随着各种通信方面的理论的形成 如调制理论 信息论 噪声理论 预测理论和统计理论等 使得通信技术取得了一系列的突破 50年代形成了以电话为主电报为辅的通信体系 在此后的50年间 随着电子技术的发展 器件方面出现了重大突破 由最初的电子管发展为晶体管 集成电路 可编程逻辑器件 超大规模集成电路 人类发明了更多的电器设备 如 收音机 电视机 雷达 卫星 计算机等 使人类的通信进入了一个全新的阶段 数据通信基础 通信的历史 计算机网络基础 12 2 1 1信息 数据和信号 通信的目的是交换信息 信息的载体可以是多媒体 包含语音 音乐 图形图像 文字和数据等 计算机的终端产生的信息一般是字母 数字和符号的组合 为了传送这些信息 首先要将每一个字母 数字或括号用二进制代码表示 目前常用的二进制代码有国际5号码 IA5 扩充的二 十进制交换码EBCDIC码信息交换用标准代码ASCII码等 计算机网络基础 13 2 1 1信息 数据和信号 国际5号码 IA5 国际5号码是一种7单位代码 以7位二进制码来表示一个字母 数字或符号 最早是美国国家标准化协会在1963年提出的 称为美国信息交换用标准代码 ASCII AmericanStandardCodeforInformationInterchange 后被ISO和ITU T采纳并发展成为国际通用的信息交换用标准代码 7位二进制共有128个代码 可表示128个不同的字母 符号和数字 32个作为控制字符使用 它们只产生控制功能 不可被显示或打印 其余均为显示或打印用的图形字符 包括大 小写英文字母各26个 数字10个 以及其他图形符号33个 计算机网络基础 14 2 1 1信息 数据和信号 表2 1列出了国际5号码编码表 计算机网络基础 15 2 1 1信息 数据和信号 扩充的二 十进制交换码EBCDIC码EBCDIC码是扩充的二 十进制码的简称 是由IBM公司提出的一种8单位代码 由于第8位用于扩充功能 不能作奇偶校验 故这种码一般作为计算机的内部码使用 信息交换用汉字代码信息交换用汉字代码是汉字信息交换用的标准代码 它适用于一般的汉字处理 汉字通信等系统之间的信息交换 汉字用两个字节表示 每个字节均采用国家标准GB1988 80 信息处理交换用的七位编码字符集 的7单位代码 计算机网络基础 16 2 1 1信息 数据和信号 被传输的二进制代码称为数据 Data 信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式 主要形式有 模拟信号 连续变换的电信号 它的取值可以是无限个 数字信号 是一种离散信号 它的取值是有限的 计算机网络基础 17 2 1 1信息 数据和信号 模拟与数字的特点 计算机网络基础 18 2 1 1信息 数据和信号 模拟与数字的特点 雪六角形凉白色 信息 数据 信号 计算机网络基础 19 2 1 1信息 数据和信号 计算机网络基础 20 2 1 1信息 数据和信号 模拟数据是指在某个区间内的连续值 例如 声音或视频都是强度连续变化的波形 用传感器采集到的数据 温度压力数字数据泛指离散值 例如 文字整数 计算机网络基础 21 2 1 1信息 数据和信号 1 信息 Information 一般认为信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识 表示信息的形式可以是数值 文字 图形 声音 图像以及动画等 2 数据 Data 数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式 它能被识别 也可以被描述 例如十进制数 二进制数 字符等 3 信号 Signal 信号是数据的具体物理表现 具有确定的物理描述 例如电压 磁场强度等 在数据通信系统中 人们关注得更多的是数据和信号 4 模拟和数字 信号可以是模拟的也可以是数字的 与信号的分类相对应 信道也分为传输模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类 数据可以是模拟的也可以是数字的 计算机网络基础 22 2 1 1信息 数据和信号 从通信的信号形式上看 信号 Signal 是数据的电磁 或电子 编码 是传递消息的载体 通信系统中所使用的信号是指电 磁信号 即随时间变化的电压 电流或磁场 从数学角度看 信号通常是时间的函数 在时域上可划分为连续函数和离散函数 信号可分为以下两种 模拟信号 指连续变化的电信号 例如语音信号 当前的电视信号等 数字信号 指离散的一系列电脉冲 如计算机所用的二进制代码 1 和 0 表示的信号 计算机网络基础 23 2 1 2数据通信系统基本结构 数据通信系统的基本通信模型 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 在数据通信系统中 传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 而传输数字信号的系统称为数字通信系统 计算机网络基础 24 数据传输质量参数 传输损耗由于传输存在损耗 任何通信系统接收到的信号和发送的信号均会有所不同 对于模拟信号 传输损耗导致了各种随机的改变而降低了信号的质量 对于数字信号 传输损耗则会引起位串错误 影响传输损耗的主要参数有 衰减衰减失真延迟变形噪声 计算机网络基础 25 数据传输质量参数 影响传输损耗的主要参数有 衰减 又称衰耗 Attenuation 在任何传输介质上 信号强度都将随距离延伸而减弱 对有线类介质 信号衰减具有对数函数性 对无线类介质 信号衰减则是距离和大气组成所构成的复合函数 计算机网络基础 26 数据传输质量参数 影响传输损耗的主要参数有 衰减由图2 2所示的衰减与频率的特性关系图可见 输入信号经传输系统后变小了 即形成了衰减 随着频率的不同 衰减值是不一样的 低频和高频段的衰减大 中频段衰减小 图中的实曲线称为衰减 频率特性 计算机网络基础 27 数据传输质量参数 影响传输损耗的主要参数有 衰减失真模拟传输系统为了实现长距离传送 采用放大器等来解决传输损耗问题 但噪声也会随之放大 尤其在多次放大后会产生噪声累加 这将会引起数据出错 另外 长距离传送对放大器的增益 频率特性提出了很高的要求 在理想情况下 放大器应能使信号在整个工作频率范围得到均匀补偿 但这种技术非常复杂 不利于规模化处理 对数字传输系统来说 由于数字传输与数字信号的内容有关 衰减会影响数据的完整性 为了延长传输距离 常选用中继器 或称再生器 再生信号 数字传输不会产生噪声累加 计算机网络基础 28 数据传输质量参数 影响传输损耗的主要参数有 时延失真在数据传输系统中 一个有限频带的传输介质不仅会影响信号的幅度特性 而且会影响其相位特性 由于相位 频率特性是非线性的 致使不同频率成分的信号到达接收端的相位不同 而造成时间有先后 通常是中心频率附近的信号传输速率最高 而频带两侧的信号传输速率较低 产生时延失真 时延失真对数字数据传输的影响很大 会引起信号内部的相互串扰 这是限制其最高传输速率值的主要原因 计算机网络基础 29 数据传输质量参数 影响传输损耗的主要参数有 噪声噪声干扰是影响数据传输质量的一个重要因素 在传输过程中 不可避免地会引入噪声 噪声来源很多 就其性质和影响来说 可分为两大类 随机噪声脉冲噪声 计算机网络基础 30 数据传输质量参数 1 随机噪声随机噪声的特点是在时间上分布比较平稳 常称之为白噪声 WhiteNoise 造成这类噪声干扰的原因较多 热噪声 通信传输介质和电子器件热运动所引入的噪声 它是温度的函数 不可能完全消除 内调制杂音 系统的非线性因素造成的交调干扰 串扰 系统电磁耦合所致 有近端串扰 远端串扰两种 如图2 3所示 计算机网络基础 31 数据传输质量参数 2 脉冲噪声脉冲噪声是非连续的 不规则的电磁干扰 如闪电 脉冲噪声对模拟数据的影响至多只是造成话音传输中加入了短暂的劈啪声 但在数字数据传输过程中 脉冲噪声是导致信号出错的主要原因 计算机网络基础 32 2 1 2 1模拟通信系统 模拟通信系统通常由信源 调制器 信道 解调器 信宿以及噪声源组成 信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输 到达信宿后 通过解调器将信号解调出来 普通的电话 广播 电视等都属于模拟通信系统 计算机网络基础 33 2 1 2 2数字通信系统 数字通信系统由信源 信源编码器 信道编码器 调制器 信道 解调器 信道译码器 信源译码器 信宿 噪声源以及发送端和接收端时钟同步组成 计算机通信 数字电话以及数字电视都属于数字通信系统 计算机网络基础 34 2 1 3通信信道的分类 信道是信号传输的通道 包括传输媒体通信设备传输媒体可以是有形媒体 如电缆 光纤等 也可以是无形媒体 如传输电磁波的空间 信道可以按不同的方法分类 有线信道与无线信道模拟信道与数字信道专用信道和公用信道 计算机网络基础 35 有线信道与无线信道 信道按所使用的传输介质分类 可以分为有线信道与无线信道 有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 包括电话线 双绞线 同轴电缆和光缆等 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 包括无线电 微波 红外线和卫星通信信道等 计算机网络基础 36 模拟信道与数字信道 按传输信号的类型分类 信道可以分为模拟信道与数字信道 模拟信道能传输模拟信号的信道称为模拟信道 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 通常需要进行数字编码 计算机网络基础 37 专用信道和公用信道 信道按使用方式可以分为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或向电信部门租用 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 计算机网络基础 38 2 1 4数据通信的技术指标 数据通信速率 传输速率 传输率是指数据在信道中传输的速度 数据通信速率分为两种 码元速率和信息速率 码元速率RB 每秒中传送的码元数 单位为波特 秒 Baud s 又称为波特率 信息速率Rb 每秒中传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 又称为比特率 对于一个用二进制表示的信号 两级电平 每个码元包含1个比特信息 其信息速率与码元速率相等 对于一个用四进制表示的信号 四级电平 每个码元包含了2个比特信息 因此 它的信息速率应该是码元速率的2倍 计算机网络基础 39 码元速率和信息速率 一般来说 对于采用M进制电平传输信号时 信息速率Rb和码元速率RB之间的关系是 Rb RBlog2M 计算机网络基础 40 2 1 4 2误码率和误比特率 误码率和误比特率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率 误比特率是指在传输中出错比特的概率 在实际的数据传输系统中 电话线路在300 2400bps传输速率时 平均误码率在10 2 10 6之间 在4800 9600bps传输速率时平均误码率在10 2 10 4之间 而计算机通信的平均误码率要求低于10 9 计算机网络基础 41 小结 什么是信号 其主要形式有几种 各是什么 信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式 主要形式有两种 模拟信号 连续变换的电信号 它的取值可以是无限个 数字信号 是一种离散信号 它的取值是有限的 计算机网络基础 42 小结 什么是数据 模拟数据与数字数据的区别是什么 数据是被传输的二进制代码 模拟数据是指在某个区间内的连续值 例如 声音或视频都是强度连续变化的波形 用传感器采集到的数据 温度 压力 数字数据泛指离散值 例如 文字 整数 计算机网络基础 43 小结 简述模拟通信系统的组成 举例说明 模拟通信系统通常由信源 调制器 信道 解调器 信宿以及噪声源组成 信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输 到达信宿后 通过解调器将信号解调出来 普通的电话 广播 电视等都属于模拟通信系统 计算机网络基础 44 小结 简述数字通信系统的组成 举例说明 数字通信系统由信源 信源编码器 信道编码器 调制器 信道 解调器 信道译码器 信源译码器 信宿 噪声源以及发送端和接收端时钟同步组成 计算机通信 数字电话以及数字电视都属于数字通信系统 计算机网络基础 45 小结 什么是信道 其分类方式 信道是信号传输的通道 通信信道可以按不同的方法分类 按使用的传输介质分类 可以分为有线信道与无线信道 按传输信号的类型分类 信道可以分为模拟信道与数字信道 按使用方式可以分为专用信道和公用信道 计算机网络基础 46 小结 什么是数据通信速率 包括哪两种 各是什么 二者如何转化 数据通信速率 传输速率 是指数据在信道中传输的速度 数据通信速率分为两种 码元速率和信息速率 码元速率RB 每秒中传送的码元数 单位为波特 秒 Baud s 又称为波特率 信息速率Rb 每秒中传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 又称为比特率 信息速率Rb和码元速率RB之间的关系是 Rb RBlog2M 计算机网络基础 47 小结 什么是误码率和误比特率 计算机通信的平均误码率是多少 误码率和误比特率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率 误比特率是指在传输中出错比特的概率 在实际的数据传输系统中 电话线路在300 2400bps传输速率时 平均误码率在10 2 10 6之间 在4800 9600bps传输速率时平均误码率在10 2 10 4之间 而计算机通信的平均误码率要求低于10 9 计算机网络基础 48 2 1 4 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 用每秒比特数 bps 表示 当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时 就会产生失真 计算机网络基础 49 2 1 4 3信道带宽与信道容量 通信系统基础设施的投资费用很大 传输线路的投资比例通常占总投资额的80 如何高效地使用带宽 提高信道的利用率 一直是人们研究的重要课题 任何实用的传输通道都有限定的带宽 信道容量是指在给定条件下 给定通信路径 或信道上 的数据传输速率 与其关联的因素参看图2 4 计算机网络基础 50 2 1 4 3信道带宽与信道容量 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 无噪声信道和有噪声信道的最大传输速率与信道带宽的关系 有两个重要的准则 即奈奎斯特定理和香农定理 计算机网络基础 51 2 1 4 3信道带宽与信道容量 奈奎斯特 Nyquist 定理1942年 H Nyquist证明 如果一个任意信号通过带宽为W的理想低通滤波器 若每秒取样2W次 就可完整地重现该滤波信号 在理想的条件下 即无噪声 有限带宽为W的信道 其最大的数据传输速率C 信道容量 为C 2Wlog2N b s 2 1 式中N是离散性信号或电平的个数 这就是著名的奈奎斯特 Nyquist 公式 也称奈奎斯特 Nyquist 定理或取样定理 即 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元 例如 一个无噪声带宽为2000Hz的信道不能传送速率超过4000b s的二进制数字信号 计算机网络基础 52 2 1 4 3信道带宽与信道容量 奈奎斯特 Nyquist 定理例1对一个无噪声的3000Hz信道 若传送二进制信号 试问可允许的数据传输速率是多少 解由于传送的二进制信号是 1 0 两个电平 所以N 2 又因为W 3000Hz 则信道容量 即数据传输速率C 2Wlog2N 6000b s 例2一个无噪声的话音带宽为4000Hz 采用8相调制解调器传送二进制信号 试问信道容量是多少 解由于8相调制解调器传送二进制信号的离散信号数为8 即N 8 则信道容量 即数据传输速率C 2 4000lb8 24kb s 计算机网络基础 53 2 1 4 3信道带宽与信道容量 香农 C Shannon 定理1948年 香农 C Shannon 把奈奎斯特的定理进一步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况 即香农定理 ClaudeShannon认为 在有噪声的环境中 信道容量将与信噪功率比有关 由香农定律可知 在信道容量不变时增加带宽就允许降低信噪比 根据香农 Shannon 定理 在给定带宽为W 信噪功率比为S N的信道中 最大数据传输速率C为式中 S N常用分贝形式来表示 为信噪功率比 其计算公式如下 计算机网络基础 54 2 1 4 3信道带宽与信道容量 香农 C Shannon 定理由香农定律可知 在信道容量不变时增加带宽就允许降低信噪比 如果通信系统扩展到宽带上 就可以在保持误码率性能以及保证信道容量达到预期水平的情况下降低信噪比 返回 计算机网络基础 55 2 1 4 3信道带宽与信道容量 例 一个数字信号通过两种物理状态 经信噪比为20dB的3kHz带宽信道传送 其数据率不会超过多少 解按Shannon定理 在信噪比为20dB的信道上 信道最大容量为已知信噪比电平为20dB 信噪功率比S N用分贝表示 其计算公式如下 则信噪功率比S N 100 由此得C 3000 log2 1 100 3000 6 66 19 98kb s即数据率不会超过19 98kb s 返回 计算机网络基础 56 2 2数据的传输 数据的传输又称通信方式 是指数据在信道上传输所采取的方式 通常有三种分类方法按数据代码传输的顺序分为 串行传输并行传输按数据传输的同步方式分为 同步传输异步传输按数据传输的流向和时间关系分为 单工半双工全双工传输 计算机网络基础 57 2 2 1数据的串 并行传输 并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 并行通信的优点是速度快 但发端与收端之间有若干条线路 导致费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 计算机网络基础 58 2 2 1数据的串 并行传输 并行通信例如 一个采用8单位二进制码构成一个字符进行并行传输的系统 需采用8个信道并行传输 一次传送8位 即一个字符 因此收 发双方不存在字符同步的问题 不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步 这是并行传输的主要优点 在实用中 需另外加一条控制信号 即 选通 脉冲 它在数据信号发出之后传送 用以通知接收设备所有的位已经发送完毕 可对各条信道上的信号进行取样了 并行传输常用于计算机内部数据总线或PC微机与打印机接口 计算机网络基础 59 数据的串 并行传输 串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输 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 才能实现串行通信 计算机网络基础 60 数据的串 并行传输 串行通信通常串行传输顺序为由低位到高位 传完这个字符再传下一个字符 因此收 发双方必须保持字符同步 以使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的字符 这是串行传输必须解决的问题 串行传输的优点是收 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 是目前远程通信主要采用的一种传输方式 计算机网络基础 61 2 2 2通信线路的连接方式 点对点 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 租用线路或交换线路 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 计算机网络基础 62 通信线路的连接方式 多点线路 多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接 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 通常采用频分复用或波分复用技术传输数据 若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时 那么它在时间上是共享的 通常采用时分复用技术传输数据 计算机网络基础 63 2 2 3信道的通信方式 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 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 无线电广播和电视都属于单工通信 计算机网络基础 64 信道的通信方式 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 而不能同时进行 当改变传输方向时 要通过开关装置进行切换 半双工信道适合于会话式通信 比如公安系统使用的 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 计算机网络基础 65 信道的通信方式 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作双向传输 比如 电话通话 计算机网络基础 66 信道的通信方式 数据传输的三种方式 计算机网络基础 67 2 2 4信号的传输方式 基带传输 基带传输就数字信号而言 它是一个离散的方波 0 代表低电平 1 代表高电平 这种方波固有的频带称为基带 方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 基带传输是在信道中直接传输数字信号 且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用 双向地传输信息 计算机网络基础 68 信号的传输方式 频带传输 频带传输所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输 到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号 可见 在采用频带传输方式时 要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器 在实现远距离通信时 经常借助于电话线路 此时就需要利用频带传输方式 利用频带传输 不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题 而且可以实现多路复用 以提高传输信道的利用率 计算机网络基础 69 信号的传输方式 宽带传输 宽带传输宽带传输采用75 的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体 带宽为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 宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的 当用它来传输数字信号时 需要利用电缆调制解调器 CableModem 把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号 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 这也是通常所说的 三网合一 即语音网 数据网和电视网合一 另外 使用CableModem上网就是基于宽带传输系统实现的 返回 计算机网络基础 70 2 3数据传输的同步技术 在通信中 接收端要按发送端所发送的每个码元或数据块的重复频率以及起止时间来接收数据 这样才能保证接收的数据与发送的数据一致 这就是所谓的 同步 在通信时 接收端要校准自己的时间和重复频率 以便和发送端保持一致 这一过程称为 同步过程 并行传输中同步问题的解决方法为增加几条交互信号线 由发送方控制这几条线 这样就使得接收方可以保证接收时的准确性 目前常用的并行设备往往有比较多的控制信号 如写允许 接收完毕 数据准备好等 这些信号线共同用来保证数据同步 在串行通信中 为了节省信道或者适应现有的信道 通常不能另外加入控制信号线 这样就无法在硬件上保证同步了 只能通过严密的通信协议来保证同步 计算机网络基础 71 2 3数据传输的同步技术 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 实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一 通常使用的同步技术有两种 异步方式同步方式 计算机网络基础 72 异步传输方式 在异步传输方式中 每传送1个字符 7位或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2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 从而起到通信双方的同步作用 异步方式实现比较容易 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 计算机网络基础 73 异步传输方式 异步传输的每个字符都独立传输 字符 次 在每个字符前加上起始位 在它的后面加上结束位 以这种方式来确定一个字节的开始和结束双方以约定的速率传送字符 接收时 接收方以接收到的起始位确认接收开始 在这种工作方式下起始位和结束位是用来实现字符的同步 每两个字符之间的时间间隔是任意长的 但每个字符所占用的时间固定 也就是发送每一位的时间固定 图2 5异步串行通信的字符 计算机网络基础 74 异步传输方式 异步传输通过约定传输速率来实现位同步 通过起始位和结束位来实现字符同步 通过特殊字符来保证帧同步异步传输方式实现简单 不需要修改硬件设计 异步传输的缺点 因为每个字符需多占用2 3位的开销 每一个字符都要加上辅助位造成传输效率降低 由于收发双方的时钟差异决定了这种方式传输速率不能太高 常用在低速传输中 计算机网络基础 75 异步传输方式 异步传输每次传输一个字符代码 5 8b 传输时 在一个字符的前后均加上一个特殊的标志 称为起始位和终止位 以标记字符的开始和结束 另外还要附加一位奇偶校验位 以实施简单的差错控制 异步传输的基本特点是 在通信的数据流中 字符内部各位间是同步的 而字符间是异步的 异步实现简单 收发双方的时钟信号不需要精确的同步 但由于每个字符出现在数据流中的相对时间是随机的 接收端预先并不知道 所以 在每个字符的首尾端都附加有起始位和停止位以作为字符的开始与结束标志 由此 也降低了传输效率 适合1 2kb s以下的数据传输 计算机网络基础 76 同步传输方式 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 在同步传送时 由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送 且附加位又非常少 从而提高了数据传输的效率 所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中 比如计算机之间的数据通信 计算机网络基础 77 同步传输方式 同步传输方式下以固定的时钟节拍来发送数据信号 字符间顺序相连 既无间隙也无插入字符 以数据帧为传送单位 数据帧 次 收发双方的时钟与传输的每一位严格对应 以达到位同步 在开始发送一帧数据之前先发送固定长度的帧同步字符 再发送数据帧 最后发送帧终止字符 这样来保证字符同步和帧同步 每两帧之间发送空白字符 接收方收到数据后必须首先识别同步时钟 在近距离传输中可另加一条数据线来实现同步 在远距离传输过程中必须加入时钟同步信号来解决同步问题 同步传输有较高的传输效率 但实现起来较复杂 常用于高速传输中 计算机网络基础 78 同步传输中的位同步 在同步通信中 要求收发双方之间的时钟严格的同步 而使用同步字符或同步字节 只是用于同步接收数据帧 只有保证了接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致 接收方才能正确的接收数据 这就要使用位同步的方法 对于位同步 可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟保持双方同步 也可以使用编码技术将时钟编码到数据中 接收端接收数据的同时就获取到同步时钟 两种方法相比 后者的效率最高 使用的最为广泛 返回 计算机网络基础 79 小结 本节主要内容有那些 各是什么 计算机网络基础 80 小结 什么是数据的传输 有几种分类方法 数据的传输又称通信方式 是指数据在信道上传输所采取的方式 通常有三种分类方法按数据代码传输的顺序分为 串行传输并行传输按数据传输的同步方式分为 同步传输异步传输按数据传输的流向和时间关系分为 单工半双工全双工传输 计算机网络基础 81 小结 什么是数据的串 并行传输 其特点是什么 并行通信 数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 数据流以串行方式在一条信道上传输 串行传输的优点是收 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 是目前远程通信主要采用的一种传输方式 并行通信的优点是速度快 但发端与收端之间有若干条线路 导致费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 计算机网络基础 82 小结 通信线路的连接方式有哪些 各是什么 点对点的连接 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 租用线路或交换线路 多点线路连接 各个站点通过一条公共通信线路连接 计算机网络基础 83 小结 信道的通信方式有哪些 单工通信半双工通信全双工通信 计算机网络基础 84 小结 什么是数据传输的同步技术 在通信中 接收端要按发送端所发送的每个码元或数据块的重复频率以及起止时间来接收数据 这样才能保证接收的数据与发送的数据一致 这就是所谓的 同步 在通信时 接收端要校准自己的时间和重复频率 以便和发送端保持一致 这一过程称为 同步过程 计算机网络基础 85 小结 什么是异步传输方式 什么是同步传输方式 在异步传输方式中 每传送1个字符 7位或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2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 从而起到通信双方的同步作用 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 计算机网络基础 86 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 数据传输是实现数据通信的基础 源站的数据通过调制或编码变成信号 沿传输介质传播到目的地 模拟数据和数字数据都可用模拟信号或数字信号来表示 图1表示了模拟数据 数字数据与模拟信号 数字信号的对应关系 图1模拟数据 数字数据与模拟信号 数字信号的对应关系 计算机网络基础 87 2 4数据的编码和调制技术 通信信道分为模拟信道和数字信道 而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据 因此 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 计算机网络基础 88 2 4 1数字数据的调制 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300Hz 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 发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制 Modulation 调制设备就称为调制器 Modulator 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 就需要同时具备调制和解调功能的设备 称为调制解调器 Modem 对数字数据调制的基本方法有三种 幅移键控 频移键控和相移键控 计算机网络基础 89 幅移键控 频移键控和相移键控 幅移键控ASK AmplitudeShiftKeying ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号 1 0 以幅度A1表示数字信号的 1 用载波幅度A2表示数字信号的 0 通常A1取1 A2取0 而载波信号的参数f和 恒定 计算机网络基础 90 幅移键控 频移键控和相移键控 频移键控FSK FrequencyShiftKeying FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号 1 0 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 计算机网络基础 91 幅移键控 频移键控和相移键控 相移键控PSK PhaseShiftKeying PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号 1 0 而载波信号的A和f不变 PSK包括两种类型 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 相对调相相对调相使用相位的相对偏移值 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 计算机网络基础 92 数字数据的调制示例 计算机网络基础 93 幅移键控 频移键控和相移键控 在这三种基本调制技术中 ASK方式易受增益变化的影响 是一种效率较低的调制技术 在音频电话线路上 通常只能达到1200b s的传输速率 FSK方式不易受干扰的影响 比ASK方式的编码效率高 在音频电话线路上 其传输速率为1200b s或更高 PSK方式具有较强的抗干扰能力 而且比FSK方式编码效率更高 在音频线路上 传输速率可达9600b s 另外 PSK方式也可以用于多相的调制 如在四相调制中可把每个信号串编码为两位 这些基本调制技术也可以组合起来使用 常见的组合是PSK和FSK方式的组合及PSK和ASK方式的组合 计算机网络基础 94 多相调制 ASK FSK和PSK都是最基本的调制技术 实现容易 技术简单 抗干扰能力差 调制速率不高 为了提高数据传输速率 也可以采用多相调制的方法 例如 将待发送的数字信号按2个比特一组的方式组织 因为2个比特可以有4种组合方式 即 00 01 10 11 四个码元 所以用4个不同的相位值就可以表示出这4组组合 在调相信号传输过程中 相位每改变一次 传送两个二进制比特 这种调制方法称为四相相移键控 计算机网络基础 95 混合调相 为了达到更高的信息传输速率 采用多元制的振幅相位混合调制技术 比如正交振幅调制QAM QuadratureAmplitudeModulation 它不但使用相位 而且还使用幅度 8 QAM使用了幅度与相位的8种组合 由于使用3个比特可以表示8种组合 因此 每一种组合代表一个码元 每个码元3个比特 16 QAM的幅度和相位有16种组合 每个组合代表一个码元 每个码元4个比特 计算机网络基础 96 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 图2 4数字数据的数字信号编码 计算机网络基础 97 2 4 2数字数据的编码 对于传输数字信号来说 最普通且最容易的方法是用两个不同的电压值来表示两个二进制值 例如 用无电压来表示0 用恒定的正电压表示1 也有用正电压表示1 而用负电压表示0 常用的数字化编码有 不归零NRZ Non ReturntoZero 编码曼彻斯特 Manchester 编码差分曼彻斯特 DifferentialManchester 编码 这种编码技术的主要目的是实现通信双方数据传输的同步 计算机网络基础 98 2 4 2数字数据的编码 数字数据的编码方式有三种 不归零码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ NRZ编码规定可用负电平表示逻辑 1 用正电平表示逻辑 0 反之亦然 曼彻斯特编码 Manchester 曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一 其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变 若从低电平跳变到高电平 就表示数字信号 1 若从高电平跳变到低电平 就表示数字信号 0 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 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 计算机网络基础 99 数字数据编码的示例 计算机网络基础 100 2 4 2数字数据的编码 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ 在NRZ编码中 用正电压表示1 用负电压表示0 并且在表示一个码元时 电压均无需回到零 故称不归零码 NRZ编码的特点是一种全宽码 即一位码元占一个单位脉冲的宽度 全宽码的优点是 每个脉冲宽度越大 发送信号的能量就越大 这对于提高接收端的信噪比有利 脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系 即全宽码在信道上占用较窄的频带 并且在频谱中包含了码位的速度 计算机网络基础 101 2 4 2数字数据的编码 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ NRZ编码的主要缺点是 当出现连续0或连续1时 首先是难以分辨一位的结束和另一位的开始 这需要通过另外的途径在发送端和接收端提供同步或定时 其次是会产生直流分量的积累问题 这将导致信号的失真与畸变 使传输的可靠性降低 并且由于直流分量的存在 使得无法使用一些交流耦合的线路和设备 因此 过去大多数数据传输系统都不采用这种编码方式 计算机网络基础 102 2 4 2数字数据的编码 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ 至于出现连续0或1时所产生的直流分量积累问题 是通过加一级预编码器来解决的 即NRZ并非单独应用 而是采用两级编码方案 第1级采用4B 5B或5B 6B等预编码器对数据流进行编码 编码后的数据流不会出现连续0或1 然后再进行第二级的NRZ编码 实现物理信号的传输 这种两级编码方案 可使编码效率达到80 以上 计算机网络基础 103 2 4 2数字数据的编码 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ 4B 5B所谓4B 5B编码是将欲发送的数据流每4b作为一组 按照4B 5B编码规则 转换成相对应的5比特码 该编码是用于内同步的编码 为了保证接收端能提取同步时钟 编码规则能保证传输的电信号 或光信号 码至少有两次跳变 即无论4比特的数据码为何种组合 包括全部为0或全1 所转换成的5比特码中 至少有2个 1 或2个 0 5比特编码共有25 32种组合 但只采用其中的24种 其中 16种对应4比特码的16种 24 16 组合 8种用作控制码 以表示帧的开始和结束 传输线路 如光纤 的状态 静止 空闲 暂停 等 各种4比特码与5比特码的对照表如表2 1所示 计算机网络基础 104 2 4 2数字数据的编码 4B 5B 表2 14比特码与5比特码的对照表 计算机网络基础 105 2 4 2数字数据的编码 4B 5B 表2 14比特码与5比特码的对照表 计算机网络基础 106 2 4 2数字数据的编码 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ 近年来 随着高速网络技术的发展 NRZ编码受到人们的关注 并成为主流编码技术 在FDDI 100BASE T及100VG AnyLAN等高速网络中都采用了NRZ编码 其原因是在高速网络中要尽量降低信号的传输带宽 以利于提高数据传输的可靠性 降低对传输介质带宽的要求 NRZ编码中的码元速率与编码速率始终相一致 具有很高的编码效率 符合高速网络对信号编码的要求 计算机网络基础 107 2 4 2数字数据的编码 曼彻斯特编码 Manchester 在曼彻斯特编码中 用电压跳变的相位不同来区分1和0 即用正的电压跳变表示0 用负的电压跳变表示1 因此 这种编码也称为相位编码 由于跳变都发生在每一个码元的中间 接收端可以方便地利用它提取位同步时钟 因此 也称为自同步编码 通信双方利用每位中间的跳变来区分0和1的取值 并作为同步时钟信号 在以太 Ethernet 局域网中采用的就是这种编码技术 计算机网络基础 108 2 4 2数字数据的编码 差分曼彻斯特编码 DifferenceManchester 差分曼彻斯特编码是在曼彻斯特编码基础上进行修改而得到的编码 其不同之处在于 每位中间的跳变只用作通