数据通信的基础知识1

2020/5/3,page1,第二章数据通信的基础知识,本章重点基本概念多路复用信道数据交换技术传输媒体差错控制编码,2020/5/3,page2,2.1基本概念,数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。-模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。-模拟信号与数字信号-基带(Baseband)与宽带(Broadband)信号,一些术语,2020/5/3,page3,信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始,2020/5/3,page4,波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率)。1Baud=（log2M）bps其中M是信号的编码级数。也可以写成Rbit=Rbaudlog2M例如：4级编码（p23图2.3b）一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。,2020/5/3,page5,带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信道容量(Channelcapacity)：信道的最大数据率误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标P=错误的位数/传输的总位数,信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的规则。例如：字母A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,2020/5/3,page6,通信系统模型,通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：,噪声,信源,编码,调制,信道,解调,解码,信宿,编码器：数据适合传输的信号便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解码器：传输信号原始数据解调器：接收波形数字信号序列,2020/5/3,page7,信息通过通信系统传输,把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。,2020/5/3,page8,通信系统的构成,数据传输系统：1）传输线路（包括传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等数据处理系统：主要是指计算机。,通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制,建立物理连接建立逻辑连接数据传送断开逻辑连接断开物理连接（对比：打电话的过程）,2020/5/3,page9,2.2信道及其主要特征,1.数字信道和模拟信道,数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。,2020/5/3,page10,2.模拟信号和数字信号,模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值,t,t,a)模拟信号,b)数字信号,2020/5/3,page11,3.周期信号和非周期信号,周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。,t,t,T,T,T,T,T,T,周期信号,2020/5/3,page12,2020/5/3,page13,数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。,2020/5/3,page14,4.传输模式(通信方式)数据流动的方向,单工：数据单向传输（无线电广播）半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输,2020/5/3,page15,5.数字数据的传输方式,基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调例如：通过电话模拟信道传输,2020/5/3,page16,6.数据同步方式,目的是使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。有三种同步方法：位同步字符同步（异步传输）帧同步（同步传输）,2020/5/3,page17,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步外同步发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,2020/5/3,page18,字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制每两个字符之间的间隔时间不固定。每个字符的传输需要：（p30图2-11）1个起始位5，6，7，8个数据位1，1.5，2个停止位频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步增加了辅助位，所以效率低例如，1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其效率为8/1172,2020/5/3,page19,帧（Frame）包含数据和控制信息的数据块（包）,帧起始,控制信息,数据,帧结束,校验和,0-n,8bit,8bit,8-32,m,面向比特的以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。,面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。,帧同步：识别一个帧的起始和结束。,2020/5/3,page20,信道最大数据传输率,M最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bps,C=,2Wlog2M,C=传输率，单位b/s或bpsW=带宽，单位HzM=信号电平级数,例如：话音级线路(3000Hz)的信道容量计算，如右图所示。,Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。,Nyquist公式：用于理想低通信道,2020/5/3,page21,非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。b）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。,2020/5/3,page22,Shannel公式：高斯噪声干扰信道,S/NdB信噪比（dB分贝）的定义,C=,Wlog2(1+,SN,),S/NdB=10log10S/N,例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000)30Kbps,C=传输率，单位b/sW=带宽，单位Hz,即：,2020/5/3,page23,Nyquist公式和Shannel公式的比较,C=2Wlog2M此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。C=Wlog2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,2020/5/3,page24,2.3传输媒体(介质),磁介质高带宽、低费用、高延时（小时）例：7GB/8mm，1000盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波,2020/5/3,page25,双绞线,-螺旋绞合的双导线，1mm-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头-优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短,2020/5/3,page26,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽,2020/5/3,page27,同轴电缆,基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,2020/5/3,page28,细同轴-50，D=1.02cm，10Mbps-185m、4中继、5段（925m）-优缺点：价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强距离短可靠性差粗同轴-50，D=2.54cm，10Mbps-500m、4中继、5段（2500m）-优缺点：价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强距离中等可靠性好,2020/5/3,page29,光纤,依靠光波承载信息速率高，通信容量大仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便,2020/5/3,page30,光纤传输原理利用了光的反射光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测器光源:850nm/1300nm/1500nm发光二极管/激光二极管介质:光纤光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤,2020/5/3,page31,光纤传送模式：MMF、SMF,输出电信号,波长:1300,1550nm,波长:850,1300nm,多束光线以不同的反射角传播,单束光线沿直线传播,2020/5/3,page32,典型的光缆,常见规格：玻璃内芯50um缓变型MMF62.5um缓变/增强型MMF8.3um突变型SMF玻璃包层125um,2020/5/3,page33,高密度多芯光缆剖面结构,2020/5/3,page34,无线介质,使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰,2020/5/3,page35,无线电,固定终端点（基站）和终端之间是无线链路,基站,用户计算机和终端,基站覆盖的无线电区域,F1,F2,F3=使用的频率,2020/5/3,page36,地面微波接力,两个地面站之间传送距离：50-100km,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,2020/5/3,page37,地球同步卫星,与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长,2020/5/3,page38,常用传输媒体的比较,2020/5/3,page39,2.4数据编码,数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。,2020/5/3,page40,模拟传输和数字传输,Modem,2020/5/3,page41,Encoder,Decoder,Modulator,Demodulator,数字或模拟,数字或模拟,数字信号,模拟信号,g(t),m(t),p,x(t),s(t),g(t),m(t),数字或模拟,数字或模拟,P调制参数,编码,调制,编码和调制,用数字信号承载数字或模拟数据编码用模拟信号承载数字或模拟数据调制,2020/5/3,page42,1.数字数据的数字信号编码,不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用5V表示1，5V表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码(Manchestercode)用电压的变化表示0和1。,2020/5/3,page43,规定在每个码元的中间发生跳变：高低的跳变0，低高的跳变1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。,2020/5/3,page44,差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：码元开始处有跳变0码元开始处无跳变1,2020/5/3,page45,三种数字编码的波形图,2020/5/3,page46,2.数字数据的调制编码,三种常用的调制技术：1）幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅2）频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频3）相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。,载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化,2020/5/3,page47,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相),2020/5/3,page48,多级调制方法1-单参量多级调制,01,10,00,0,+90,+180,+270,11,数据率=信号速率xlog2MM：调制级数,+90001,0000,+270011,+180010,4-PSK,2020/5/3,page49,多级调制方法2多参量多级调制,16-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位的16种组合,2020/5/3,page50,高速(56Kbps)MODEM,D/A,A/D,A/D,D/A,D/A,A/D,V.34(28.8-33.6kbps),最大的噪声来源于模数转换的量化噪声，信道容量极限值约35kbps,D/A,A/D,D/A,V.90(56kbps),交换机1,交换机2,ISP,V.34(28.8-33.6kbps),模拟,模拟,数字,数字,数字,数字,模拟,上行仍需模数(A/D)转换，速率最高为35kbps；下行则可达56Kbps,2020/5/3,page51,3.模拟数据的数字信号编码,奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样按一定间隔对语音信号进行采样2）量化对每个样本舍入到量化级别上3）编码对每个舍入后的样本进行编码,2020/5/3,page52,模拟话音,采样时钟,PAM信号,PCM信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,-话音信道带宽2倍话音最大频率)-量化级数：256级(8位二进制码表示)-数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s每路PCM信号的速率=64000bps,编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）,2020/5/3,page53,PCM转换过程举例,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM脉冲,PCM脉冲（有量化误差）,011100011011001100,PCM输出,2020/5/3,page54,PCM转换波形图,B,A,C,D,模拟话音,采样时钟,PAM信号,PCM信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,2020/5/3,page55,通信系统的例子电话系统,公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的数据传输率：104b/s-干线的数据传输率：1010b/s-总体误码率：10-5-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易,2020/5/3,page56,构成：本地回路、交换局、干线,2020/5/3,page57,本地回路,编码解码器Codec,编码解码器Codec,Modem,Modem,端局,端局,长途局,数字干线,模拟线路（本地回路）,模拟线路（本地回路）,绝大多数为模拟线路计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字模拟数字模拟数字,2020/5/3,page58,复用多个信息源共享一个公共信道为何要复用？线路成本,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,2.5多路复用技术,2020/5/3,page59,复用类型,FDM(频分复用),WDM(波分复用),TDM(时分复用),2020/5/3,page60,1.频分复用FrequencyDivisionMultiplexing,原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。,适用于模拟信号传输,2020/5/3,page61,2.波分复用WaveDivisionMultiplexing,F2,F1,F3,光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,采用无源设备，更可靠,棱柱/衍射光栅,原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。,2020/5/3,page62,3.时分复用TimeDivisionMultiplexing,原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。,2020/5/3,page63,统计(异步)TDMSTDM,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。,2020/5/3,page64,数字载波标准,T-标准北美、日本E-标准欧洲、中国、南美,用数字信号传输语音和数据的时分复用标准。,2020/5/3,page65,每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（供32个用户轮流使用）。每通道占用125us/32=3.90625us每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制位占用0.48828125us，所以E1速率=1/0.48828125=2.048Mb/s,E1标准,也可以这样计算E1速率E1速率=(32x8bit)/125ms=2.048Mb/s,2020/5/3,page66,E1-帧格式,125ms=32时隙=2.048Mbps,帧同步,信令信道,30路话音数据信道+2路控制信道,2020/5/3,page67,2.6交换技术,为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。,实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。,2020/5/3,page68,电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。)特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。呼叫建立连接传输挂断优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。,2020/5/3,page69,报文交换整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。,2020/5/3,page70,分组交换（包交换）将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。优点：1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组速度快；2）转发延时小适用于交互式通信；3）某个分组出错仅重发该分组效率高；4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。,特点：1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。,2020/5/3,page71,三种交换方式的事件顺序,呼叫请求,呼叫应答,数据,A,B,C,D,分组1,分组2,分组3,报文,A,B,C,D,A,B,C,D,寻路延迟,排队延迟,线路交换,报文交换,分组交换,2020/5/3,page72,异步传输模式ATMATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元（cell）为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前装配地址、优先级等控制信息构成信元。信元由信元头部和有效载荷构成：,2020/5/3,page73,在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可插入信息发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。,ATM特点：1)面向连接（虚连接），按序递交；2)固定大小的信元，便于高速处理（可用硬件实现），传输速率622Mb/s；3)QoS特性保证了ATM可以实时地传送语音和活动图像。,1,2,3,4,5,6,数据块,信元流,2020/5/3,page74,2.7差错控制,产生差错的原因：1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；2）信号反射；3）串扰；4）闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减