第3章 数据通信基础

计算机网络体系结构 第3章数据通信基础 第3章数据通信基础 3 1数据通信的基础知识3 2数据编码技术3 3信道复用技术3 4物理层下面的传输媒体 3 1数据通信的基础知识3 1 1数据通信系统的模型 调制解调器 PC机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 正文 正文 PC机 几个术语 数据 data 运送信息的实体 信号 signal 数据的电气的或电磁的表现 模拟的 analogous 连续变化的 数字的 digital 取值是离散数值 调制 把数字信号转换为模拟信号的过程 解调 把模拟信号转换为数字信号的过程 模拟的和数字的数据 信号 2 2 2有关信号的几个基本概念 单向通信 单工通信 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 双向交替通信 半双工通信 通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时发送 当然也就不能同时接收 双向同时通信 全双工通信 通信的双方可以同时发送和接收信息 基带 baseband 信号和宽带 broadband 信号 基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示 然后送到线路上去传输 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号 3 1 2数据传输方式 1 并行数据传输一次发送n个比特而不是一个比特 一次使用n条导线来传输n个比特 一组中的n个比特就可以在每个时钟脉冲从一个设备传输到另一个设备 3 1 2数据传输方式 2 串行数据传输一位一位地在通信线上传输 因为在设备内部的传输是并行的 所以在发送端和线路之间以及接收端和线路之间的接口上 都需要有转换器 3 1 2数据传输方式 3 串行通信的方向性结构单向通信 单工通信 双向交替通信 半双工通信 双向同时通信 全双工通信 3 1 3同步 异步传输的概念 1 异步传输每次传送一个字符 都在每个字符代码前加一起始位 表示该字符代码的开始 在字符和校验码后加一停止位 以示该代码的结束 在异步传输中不需要传输时钟脉冲 这种方式的字符发送是相互独立的 3 1 3同步 异步传输的概念 2 同步传输利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差 在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息 称为同步法 将定时信号包含在数据信号中发送 直接从数据波形本身中提取同步信号 称自同步法 如数字信号利用曼彻斯特编码 3 1 3同步 异步传输的概念 面向字符方式数据被当作字符 8位 序列 所有控制信息取字符形式 每帧以一个或多个同步字符开始 同步字符常记作SYN 面向比特 位 方式数据块被当作比特序列 数据或控制信息都不必如同面向字符传输那样以8位为单位 而是以8位的标志F开始 同样也以标志F作为后同步 3 1 4计算机网络的主要性能指标 1 数据传输速率指每秒钟传输的二进制信息的位数 又称为比特率 单位为比特 秒 带宽 bandwidth 本来是指信号具有的频带宽度 单位是赫 或千赫 兆赫 吉赫等 现在 带宽 是数字信道所能传送的 最高数据率 的同义语 单位是 比特每秒 或b s bit s 常用的数据传输速率单位 千比每秒 即kb s 103b s 兆比每秒 即Mb s 106b s 吉比每秒 即Gb s 109b s 太比每秒 即Tb s 1012b s 请注意 在计算机界 K 210 1024M 220 G 230 T 240 3 1 4计算机网络的主要性能指标 2 码元传输速率指每秒钟通过信道传输的码元的个数 单位为波特 记作Baud 码元传输速率又称为调制速率 要注意 波特 Baud 和比特 bit 是两个不同的概念 波特是码元传输的速率单位 每秒传多少个码元 码元传输速率也称为调制速率 波形速率或符号速率 比特是信息量的单位 要注意 信息的传输速率 比特 秒 与码元的传输速率 波特 在数量上却有一定的关系 若1个码元只携带1bit的信息量 则 比特 秒 和 波特 在数值上相等 若1个码元携带nbit的信息量 则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M nb s 3 1 4计算机网络的主要性能指标 3 信道的最高码元传输速率任何实际的信道都不是理想的 在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰 码元传输的速率越高 或信号传输的距离越远 在信道的输出端的波形的失真就越严重 数字信号通过实际的信道 失真不严重失真严重 实际的信道 带宽受限 有噪声 干扰和失真 输入信号波形 输出信号波形 失真不严重 奈氏 Nyquist 准则 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 Baud是波特 是码元传输速率的单位 1波特为每秒传送1个码元 理想低通信道的最高码元传输速率 2WBaud W是理想低通信道的带宽 单位为赫 Hz 不能通过 能通过 0 频率 Hz W Hz 另一种形式的奈氏准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元 理想带通特性信道的最高码元传输速率 WBaud W是理想带通信道的带宽 单位为赫 Hz 不能通过 能通过 0 频率 Hz W Hz 不能通过 3 1 4计算机网络的主要性能指标 4 信道的最高信息传输速率香农 Shannon 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限 无差错的信息传输速率 信道的极限信息传输速率C可表达为C Wlog2 1 S N b sW为信道的带宽 以Hz为单位 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大 则信息的极限传输速率就越高 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率 就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输 若信道带宽W或信噪比S N没有上限 当然实际信道不可能是这样的 则信道的极限信息传输速率C也就没有上限 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统 传输系统 目的系统 传输系统 源点 终点 发送器 接收器 输入信息 输出信息 3 2数据编码技术3 2 1数字数据的模拟信号编码 长途干线最初采用频分复用FDM的传输方式FDM FrequencyDivisionMultiplexing 目前我国长途通信线路已实现了数字化 因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上 调制解调器的作用 调制解调器 modem 包括 调制器 MOdulator 把要发送的数字信号转换为频率范围在300 3400Hz之间的模拟信号 以便在电话用户线上传送 解调器 DEModulator 把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号 本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路 3 1kHz的标准话路带宽 上的调制解调器 调制解调器的作用 续 调制器的主要作用就是个波形变换器 它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器 它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 若识别不正确 则产生误码 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施 几种最基本的调制方法 调制就是进行波形变换 频谱变换 最基本的二元制调制方法有以下几种 调幅 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 移幅键控法ASK AmplitudeShiftKeying 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 移频键控法FSK FrequencyShiftKeying 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 移相键控法PSK PhaseShiftKeying 对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相 一种正交调制QAM QAM QuadratureAmplitudeModulation r r 可供选择的相位有12种 而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择 由于4bit编码共有16种不同的组合 因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码 若每一个码元可表示的比特数越多 则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难 调制解调器的速率 目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了 要提高信息传输速率 只能设法提高信噪比 在电话的用户线上 最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声 产生量化噪声的地方 经过A D变化的地方 A 2 4 A D A D D A D A 交换机1 交换机2 V 3433 6kb s调制解调器 B D A A D 4 2 V 3433 6kb s调制解调器 使用V 34调制解调器 33 6kb s 产生量化噪声的地方 续 经过A D变化的地方 使用V 90调制解调器 56kb s A 2 4 A D A D 交换机 因特网服务提供者 V 9056kb s调制解调器 D A V 9056kb s调制解调器 调制解调器使用异步通信方式 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致 发送端发送连续的比特流 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步 发送端发送完一个字节后 可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节 异步通信的通信开销较大 但接收端可使用廉价的 具有一般精度的时钟来进行数据通信 3 2数据编码技术3 2 2模拟数据的数字信号编码 现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM PulseCodeModulation 体制 1 采样 以一定的采样频率周期性采样测量模拟信号的幅值 采样定理 对连续变化的模拟信号进行采样 采样频率不低于模拟信号最高频率的2倍 就可以从采样脉冲信号无失真地还原出原始的模拟信号 例如话音信号的最高频率为4KHZ 那么采样频率可以取为8KHZ 即采样周期为125 s 3 2数据编码技术3 2 2模拟数据的数字信号编码 脉码调制PCM PulseCodeModulation 2 量化 将采样测得的信号幅值分级取整 通过规定一定的量化级 对采样得到的值按此分级进行舍入取整 得到信号的具体离散值 例如电话系统中 将话音信号量化为256级 3 2数据编码技术3 2 2模拟数据的数字信号编码 脉码调制PCM PulseCodeModulation 3 编码 将量化后的值编码成一定位数的二进制值 通常 当量化级为N时 对应的二进制编码的位数为log2N 如话音信号量化为256级 对应的二进制编码的位数为8 脉码调制PCM 现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM PulseCodeModulation 体制 3 2数据编码技术3 2 3数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 3 3信道复用技术 3 3 1频分复用 时分复用和统计时分复用频分复用 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 时分复用 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度 频分复用 频率 时间 频率1 频率2 频率3 频率4 频率5 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D 时分复用 频率 时间 C D C D C D A A A A C D 时分复用 频率 时间 B D B D B D A A A A B D 时分复用 频率 时间 B C B C B C A A A A B C 时分复用可能会造成线路资源的浪费 A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4个时分复用帧 1 a c b c d 时分复用 2 3 4 用户 统计时分复用STDM 用户 A B C D a b c d t t t t t 3个STDM帧 1 a c b a b b c a c d 2 3 统计时分复用 时分复用 为了有效地利用传输线路 可将多个话路的PCM信号用时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 的方法装成时分复用帧 然后发送到线路上 中国采用欧洲体制 以E1为一次群 美国和日本等国采用北美体制 以T1为一次群 E1的时分复用帧 2 048Mb s 传输线路 CH0 CH16 CH17 CH15 CH15 CH16 CH17 CH31 CH31 CH0 CH1 CH1 时分复用帧 CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH0 8bit t 时分复用帧 时分复用帧 T 125ms 15个话路 15个话路 T1的时分复用帧结构 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 3 3 2波分复用WDM 波分复用就是光的频分复用 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 3 3 3码分复用CDM 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此彼此不会造成干扰 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力 其频谱类似于白噪声 不易被敌人发现 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 码片序列 chipsequence 每个站被指派一个惟一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列 如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码 例如 S站的8bit码片序列是00011011 发送比特1时 就发送序列00011011 发送比特0时 就发送序列11100100 S站的码片序列 1 1 1 1 1 1 1 1 CDMA的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 并且还必须互相正交 orthogonal 在实用的系统中是使用伪随机码序列 码片序列的正交关系 令向量S表示站S的码片向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积 innerproduct 都是0 2 4 码片序列的正交关系举例 令向量S为 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T为 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 4 式就可看出这两个码片序列是正交的 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1 正交关系的另一个重要特