第二章 数据通信基础

计算机网络 第二章数据通信基础 第二章数据通信基础 教学目的和要求 使学生掌握与计算机网络有关的数据通信知识 主要介绍信息 数据和信号 数据通信系统构成 传输编码及波形 通信信道及特性 调制与解调 多路复用 差错控制 信息交换方式 教学内容 2 1信息 数据和信号2 1 1信号的种类2 1 2数据的数字化2 1 3信号的数与模拟2 2基带传输与宽带传输2 3基带编码技术及波形2 4宽带调制技术2 5数据传输方式2 6多路复用2 7差错控制 2 1信息 数据和信号 2 1 1信号的种类1 模拟信号与数字信号信号依其数值大小变化的连续性与非连续性 可分为模拟 Analog 与数字 Digital 两种类型 2 1 1信号的种类 1 模拟信号 Analog 所谓的模拟信号 一般是指电压 或电流 与时间之间的关系 在此我们以将声音转换成电气模拟信号为例来说明 见图2 1 a 1 模拟信号 Analog 当对着麦克风说话时 随着声波振幅大小的变化 会对麦克风内的传导介质产生影响 因此对整个传输回路而言 其回路输出电压的大小同样地也会随着时间而变化 而电压大小对时间的关系图 如图2 l b 我们称其为模拟信号 1 模拟信号 Analog 模拟信号的波形 通常我们以正弦波为例 如图2 2 其包括了以下三个部分用来表达此波形 1 振幅 Amplitude 用来表示信号波形的大小变化 一般单位取伏特 V 是基准值0与波形最大值差的绝对值 1 模拟信号 Analog 2 频率 Frequency 用来表示每秒波形重复的次数 单位为HZ 周 秒 其刚好为周期 秒 周 每个波形所占的时间 的倒数 人类所能接收到的声音频率范围是300HZ至3400HZ之间 3 相位 Phase 用来表示波形在单一周期内的时间位置 在图2 2中 A B相位差为900 此外 还有几个相关的名词如下 3 相位 Phase 1 带宽信号的带宽是指传输的信号在传输的过程中 最高频率和最低频率的差值 例如 某种传输介质其传输信号的频率可接受范围在100HZ 5000HZ 则其带宽为5000 100 4900 Hz 2 频谱 电磁波是以某一固定速度在某种信道中传输 其频率与波长是成反比的关系 整个频率的范围即称为电磁波的频谱 而频带又可依不同的功能而分成数个频带 表2 1 为频谱名称与频率的对照表 2 频谱 频谱与传输介质及应用领域的对照图 如图2 3所示 模拟信号的特性 1 信号连续性地变化 2 振幅的大小可为任意值 一般常见的模拟信号 如车速 温度 声音等 2 数字信号 数字信号是由一连串的脉冲所组成 这些脉冲称为 位 也就是以 0 1 两个值来传送 其分别代表不同的电压值 目前大部分的电话网络多用模拟信号来传输 而计算机和其外围设备则是用数字信号传输 2 数字信号 图2 4 a 为单极性信号 其图形大小变化只有单极性的变化 其将 1 设为正电压 O 设为零电压 即表示 若电压为5伏特 则表示成 1 若电压为O伏特 则表示成 O 2 数字信号 图2 4 b 为双极性信号 其图形大小变化会出现在 两个极性区中 其以 1 表示正电压 O 表示负电压 而当在正电压和负电压转换期间 正 负 负 正 信号会以O表示并持续一段时间 直到转换完成 图2 4 c 为双极性非归零信号 它和双极性信号不同的是 其在正电压和负电压转换期间 信号不会在O电压处停留 而是直接依正电压 1 和负电压 0 来表示 数字信号词汇 位 bit 为二进制数值 其数值为 O 或 1 比特率 Bitspersecondbit s 即每秒可传送的二进制位数 波特率 Baudrate 即每秒可传送多少个独立的信号单元 信号单元可能是由2个或3个以上bit所组成 若已知其信号单元 1bit 则此时Baudrate bit s 带宽 bandwidth 对于数字信号而言 带宽表示传输的最高位速率 例如 某传输介质可以最高9600bit s的速率传输 则其带宽为9600bit s 2 周期信号与非周期信号 若将信号看成是时间的函数 可分成两种形式 信号没有中断或具连续性 称为连续信号 以f t 表示 另一种是信号只在固定数值中变化 则称为离散信号 以f n 表示 而所谓的周期性信号 简单来说 是指信号在相同的时间问隔后 会重复前一次的波形 以数学公式来描述 周期性信号必须满足下列的连续周期信号 2 周期信号与非周期信号 f t rT f t r为整数 T 0 T为取样周期离散周期信号f n rN f n r N为整数图2 5 a b 为周期性信号的例子 2 1 2数据的数字化 未量化的模拟数据 经过量化的 采样 Sampling 过程后 还是可以转换成数字数据 举例来说 两块石头 在只知一重一轻的情况下 我们只是掌握两者在重量上的对比信息 一旦将两者称重后 得知两者重分别为62 3Kg与45 9Kg后 我们便掌握了两者重量上的数字数据了 由于模拟数据经过采样过程后就变成了数字信息 所以这种取样过程也常被称为 数字化 digitize 过程 2 1 3信号的数字与模拟 在传统的电话系统之下 发话端利用声音的 模拟震动 直接改变传输电流大小 在铜质缆线上产生出 模拟电流变动 接收端则根据 模拟电流变动 还原出 模拟震动 的声音 在整套传输过程中没有对信号的电流变化状态进行量化分阶操作 所以是模拟信息通过模拟信号传递的典型例子 由于数字信号的信号状态有分阶 所以抗杂讯与失真的能力较佳 以 1V与 1V所组成的二阶基带信号为例 发送端与接收端只承认这两种电位状态 发送端若送出一个 1v信号 传输途中就算有一个O 1V的噪声混入 接收端依旧会将这个 O 9V的信号视为 lV信号 无形之中也就将噪声所造成的影响过滤掉了 2 2基带传输与宽带传输 信号的传输方式分为两大类 基带 BASEband 传输 与 宽带 Broadband 传输 其中基带传输是 直接控制信号状态 的传输方式 宽带传输则是 控制载波 Carrier 信号状态 的传输技术 2 2 1基带的信号发送与接收 基带 BASEband 传输是 直接控制信号状态 的传输方式 以铜质缆线上的电流信号为例 便是直接改变电位状态来传输数据 见图2 6 2 2 2载波信号的调制与解调 载波是指 可以用来载送数据的信号 在实作上 我们是以正弦波信号作为载波 并根据数据内容是0或1来变载波的特性 通常是改变频率 振幅或相位中的一种 接收端收到这个被修改过的载波后 将它与正常的载波 正弦波 比较 便叫得知哪些特性有变动 再从这变动部分推出原本的数据 这种传输方式便是宽带传输的重要特性 见图2 7 2 2 2载波信号的调制与解调 1 发送端的载波产生器输出正弦波信号给调制器 2 调制器根据数据内容改变正弦波信号的物理特性 送出信号 3 调制器收到信号后 拿它跟接收端载波产生器所输入正弦波信号相比较 过滤出物理特性上的变动 4 调制器根据信号物理特性上的变动 还原数据内容 2 2 3载波传输不等于模拟传输 由于早期的载波传输都应用在模拟传输上 例如 AM与FM无线电广播 模拟电话系统 模拟式无线电视系统 模拟式有线电视系统等 所以早期的教科书都喜欢将载波传输与模拟传输画上等号 而宽带传输也用到载波传输 于是宽带传输就被归类成模拟传输 其实这并不正确 随着载波在数字传输上的应用越来越频繁 通讯卫星的无线载波通讯早己数字化 未来将普及的 HDTV 高清析度电视 广播信号也采用数字载波信号传送电视节目 见图2 8 2 2 4载波传输不等于单向传输 早期教科书常用以太网络中采用同轴缆线的10BASE 2与10Broad 36当作基带传输与宽带传输的比较 10BASE 2的基带信号可以沿着同轴缆线上的两个方向传递出去 但10Broad 36的宽带信号却仅能沿着同轴缆线上一个固定方向传递过去 见图2 9和图2 10 当然 这也仅是10BASE 2与10Broad 36两者之间的差异 并非所有的基带传输与宽带都 必定 如此 2 2 5小结 传输信号可以区分出的信号状态越多阶 所能代表的信息也就越多 随着数字信号处理技术的进步 相信未来还会有可以区分出更多逻辑状态的传输控制技术 无论是基带传输或是宽带传输 呈现在世人面前 2 3基带编码技术及波形 为了方便解释各种基带 BASEband 传输控制技术如何将数据转换成信号 至于光纤与无线电磁波的基带传输 则套用相同原理即可 2 3 1二阶基带信号的编码方式 在基带传输的演进过程中 最早出现的是采用二阶信号的基带传输 所谓的二阶信号 是指信号上仅能区分出两种逻辑状态 以电流脉冲来说 便是两端电位的 高 与 低 见图2 11 这是最原始的基带传输方式 100VG AnyIAN网络便采用这种传输方式 Return To Zero RZ 归零 1 在位的前半段保持高电位 后半段则恢复到低电位状态0 低电位10Mb sARCNET网络采用这种传输方式 见图2 12 Nonreturn To Zero Inverted RZ 归零 1 变换电位状态0 不变换电位状态10BASE F网络采用这种传输方式 见图2 13和图2 14 Manchester 曼彻斯特 曼彻斯特 会固定在每位中变换电位状态 见图2 15 1 由低电位转变到高电位0 由高电位转变到低电位10BASE T网络采用这种传输方式 DifferentialManchester 微分式曼彻斯特 微分式曼彻斯特 沿袭了 曼彻斯特 固定在每位中变换电位状态的做法 电位状态的变化方式则有所不同 见图2 16 1 颠倒上一位的电位状态变化方式0 沿用上一位的电位状态变化方式TokenRing网络采用这种传输方式 2 3 2多阶基带信号的编码方式 就三阶的电流脉冲而言 信号通常区分成三种电位状态 分别为 正电位 零电位 负电位 三阶的基带传输方式有 BipolarAlternateMarkInversion Bipolar AMI 双极交替记号反转 早期T Carrier网络采用这种传输方式 Bipolar 8 ZeroSubstitution B8ZS 双极信号八零替换 新式T Carrier网络采用这种传输方式 2 3 2多阶基带信号的编码方式 Highdensitybipolar3 HDB3 高密度双极信号3 E Carrier网络采用这种传输方式 MultilevelTransmission3 MLT 3 多阶传输3 100BASE TX网络采用这种传输方式 后来可以区分出五种逻辑状态的 脉冲振幅调制5 PAM5 基带传输也问世了 100BASE T2与1000BASE T都采用这种五阶基带传输方式 2 3 2多阶基带信号的编码方式 在众多三阶基带传输技术中 让我们深入探讨100BASE TX网络所采用的MLT 3传输方式 这是CrescendoCommunications公司 在1993年被Cisco公司购并 所发明的基带传输技术 相传MarioMazzola LucaCafiero与TazioDeNicolo三人共同开发此技术的 也因此将其命名为 MLT 3 MLT 3 MLT 3的运作方式很简单 0 不变化电位状态1 按照正弦波电位顺序 0 0 变换电位状态 如图2 18所示 MLT 3 所以数据行 111000000001 将转变成下列四种信号状态变化方式 见图2 19 2 22 2 4宽带调制技术 前面我们曾经说过 通过载波的控制来传递数据的技术 便是宽带传输技术 发送端根据数据内容命令调制器 modulator 改变载波的物理特性 接收端则通过解调器 demodulator 从载波上读出这些物理特性的变换 将其还原成数据 调制 常通过改变载波的 振幅 频率 相位 三种物理特性来完成 控制载波振幅的技术称为 振幅调制 技术 控制载波频率的技术则为 频率调制 技术 控制载波相位的技术便是 相位调制 技术 2 4 1振幅调制技术 控制载波振幅的调制技术为 振幅调制 AmplitudeModulation AM 技术 数字振幅调制技术称为 振幅键控 AmplitudeshiftKeying ASK 调制技术 它以振振幅较弱的信号状态代表0 以振幅较强的信号状态代表1 见图2 23 2 4 2频率调制技术 控制载波频率的调制技术为 频率调制 FrequencyModulation FM 技术 数字频率调制技术称为 频移键控 FrequencyShiftKeying FSK 调制技术 它以频率较低低的信号状态代表0 以频率较高的信号状态代表1 见图2 24 2 4 3相位调制技术 控制载波相位的调制技术为 相位调制 PhaseModulation PM 技术 调制相位调制技术则称为 相移键控 PhaseShiftKeyingPSK 调变技术 它以信号相位状态的改变代表1 以信号相位状态不变代表0 见图2 25 2 4 4正交幅度调制技术 除了上述三种调制方式外 人们也着手研发新的载波调制技术 新的 正交幅度调制 QuadratureAmplitudeModulation QAM 技术就在工程师们的努力之下问世了 QAM是一种结合ASK与PSK的综合型调制技术 同时控制载波的 振幅强度 与 相位偏移量 让同一个载波信号得以呈现出更多的逻辑状态 2 5数据传输方式 2 5 1串行与并行传输依照传输线数目的多寡 通讯装置距离的远近 我们可将数据传送的方式 概分成两种 1 串行通讯 serialcommunication 当通讯距离在100英尺以上 多采用串行通讯 常用的串行通讯协议 protocol 如RS232C 优点 l 架设方便 容易维护 2 线路成本较低 缺点 1 传输速率较慢 见图2 6 2 并行通讯 parallelcommunication 当通讯距离在100英尺以内 多采用并行通讯 常见的并行通讯协议 如IEEE488 在并行通讯中 数据是在同一时间内 由多条数据线传送与接收 在此以图2 7为例在图2 7中 即是一次送出与接收8bit数据 优点 传输速率快 缺点 1 线路成本高2 维修不易3 易受干扰 串行通讯适用于长距离 低速率的通信 而并行通讯适用于短距离 高速率的通信 2 5 2单工 半双工与全双工 1 单工 simplex 如图2 8所示 在单工的模式下 数据传输的流向 仅允许单方向传输 日常生活中的应用实例如收音机 其只可单方向接受信息 2 半双工 Half DupIex HDX 如图2 9所示 在半双工的模式之下 数据传输的流向允许做双向的传输 但在同一时间 只有单一方向的数据可传输 也就是说 半双工无法在同一时间 做双向的数据传输 在日常生活中的应用实例 如 警用对讲机 其可双方通话 但一次只能单方面送出信息 3 全双工 Full Duplex FDX 如图2 10所示 和单工以及半双工模式最主要的差别在于 全双工模式可提供双向同时的数据传输 此种方式传输效率最高 在日常生活中的应用实例 如 电话 其双方可同时进行通讯 2 5 3同步与异步传输 1 异步传输 Asynchronous 在传输时 是一次传送一个字符 因此又称字符导向传输 见图2 11 1 异步传输 Asynchronous 在传输前 必须先传送一个起始位 startbit 再传数据 5bit为波特码 6bit为标准BCD码 7bit为ASCII码 8bit为EBCDIC码 最后再传送同位 分成奇同位与偶同位 与终止位 占1 l又1 2或2bit 故又称为起止式传输 在此 我们以传送ASCII码中的 A 为例 在ASCII码中 A 4l H1 1000001 b 其若以异步传输 我们设定为偶同位 停止位为1bit 则其传送的格式 如图2 12所示 1 异步传输 Asynchronous 从图2 12中 可以看出 传送了10bit 但其中只有8bit是真正用来定义所要表达的数据 所以其传送效率为80 2 同步传输 synchronous 在同步传输模式下 数据传送是以一个数据区块为单位 因此同步传输又称区块传输 在传送数据时 需先送出2个同步字符 然后再送出整批的数据 如图2 13所示 与异步传输比较起来 同步传输的效率较高 因为其数据的传输是整批的 比起异步传输一次一个字符 当然效率比较高了 2 6多路复用技术 在通信系统中 常可看到多路复用器 Multiplexer简称MUX 及多路分解器 Demultiplexer 简称DEMUX 它们为构成多路复用技术的主要组件多路复用技术的主要目的在于将多个低速的传输电路 经一高速的传输信道 再连接至其他的设备 如此 可提高整体的传输效率 如图2 14所示 1 时分多路复用 TDM 时分多路复用常用于数字信号的传送 其工作方式是在取样周期中 由每个连到TDM的电路各取样一次 然后依次收入时槽 TimeSlot 中 再传送 如图2 15所示 1 时分多路复用 TDM 其在高速信道中的传输速度为各传输设备传输速度的总和 在图2 15中 其高速信道的传输速度 2400 3600 2400 8400 bit s 事实上 时分多路复用和换向器的操作方式十分类似 如图2 16所示 时分多路复用器与计算机连接示意图 2 频分多路复用 FDM 频分多路复用常用于模拟信号的传输 如收音机 电视机 其工作原理是利用不同的载波频率来传送不同的输入信号 频分多路复用将每一信息经调制 Modulation 变成不同的载波频率 各个信号有自己的带宽 为了避免信号间彼此的干扰 因此各载波之间有适当的频率间距 如此一来 各载波之间便不会有信号互相重叠而干扰的现象产生 电话机传送语音模拟信号 2 频分多路复用 FDM 在