第2章 数据通信基础知识

1、第2章数据通信基础知识 2 学习目标学习目标 信号分类：模拟信号和数字信号 通信分类：模拟通信和数字通信 数据传输率及其表示 多路复用技术：频分、时分、波分 数据交换技术：电路、报文、分组 调制解调器:（modem） 3 本讲主要内容本讲主要内容 基本概念基本概念 数据通信理论数据通信理论 多路复用多路复用 数据交换技术数据交换技术 传输介质传输介质 调制解调器调制解调器 4 基本通信理论基本通信理论 信号：携带信息的传输介质。信号：携带信息的传输介质。 信道信道：传输信息的通道，分为物理信道和逻辑通道。 数据在信道中是以电信号的形式传送的，电信号分为模拟信 号和数字信号两种。 模拟信号模拟信

2、号是连续变化的电压或电流波形,如语音。 数字信号数字信号是离散的，在幅值上经过量化的一系列表示数字 “0”或“1”的电脉冲（码元）。 数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后数字信号与模拟信号传输相比，其传输的质量高，是今后 数据通信的发展方向，通过调制解调器两者可以相互转化。数据通信的发展方向，通过调制解调器两者可以相互转化。 l码元：信号的编码单元简称码元。当码元长度为一个字节时， 码元是对传输的每一位的统称，常称作位或比特。 l数据：模拟数据和数字数据。 l模拟数据：在时间和幅度取值上都是连续的，其电平随时间连 续变化。如语音等。 l数字数据：时间上是离散的，幅值是经过量化的，

3、是由0,1的二 进制代码组成的数字序列。 l调制：将数字信号转化为模拟信号的过程； l解调：将模拟信号还原为数字信号的过程； l调制解调器：完成上述调制和解调工作的设备。 5 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 完整的数据通信系统，分为以下几个部分：数据终端 设备，通信控制器，通信信道，信号变换器等。 通信信号：分为模拟信号和数字信号。 模拟信号：语音或计算机数字数据为模拟信号。 数据通信分为模拟数据通信和数字数据通信两种。 模拟数据通信：用于传输模拟数据或数字数据对应的模拟信号； 数字数据通信：直接利用数字传输技术在数字设备间传输数字数 据或模拟数据对应的数字信号。如计算机与其外设间，计算

4、机 网络间，以及北美欧洲和我过的电话系统都是数字数据通信。 6 接收器 信源终 端设备 发送器 通信信通信信 道道 信宿终 端设备 7 数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标 1.1.带宽带宽 信号占据的频率范围(Hz)，称为信号的带宽。 信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信 号的频率范围。 2.2.信号传输速率信号传输速率 信号速率：单位时间里传送信号波形的个数，单 位为波特（baud） 。 注意：带宽为注意：带宽为B B的信道，要输出数字信号，其采的信道，要输出数字信号，其采 样速度最高为样速度最高为2B2B即可（高于此则无意义）。即可（高于此则无意义）。 8 数据通信中的

5、几个主要指标数据通信中的几个主要指标 3.3.数据传输率数据传输率 数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制 数据的位数，单位数据的位数，单位b/sb/s、Kb/sKb/s、Mb/sMb/s，简写为，简写为 bpsbps、KbpsKbps、MbpsMbps。 数据传输率和信号传输速率的关系：数据传输率和信号传输速率的关系： S=2BlogS=2Blog2 2N N S :S :数据传输率，数据传输率， B :B :信号传输速率，信号传输速率，N :N :电平个数电平个数. . 9 电平变化电平变化 00 1 1 00 01 10 11 000 010 1

6、00 111 10 4.4.信道容量信道容量 信道容量用来表征一个信道传输数字信号的信道容量用来表征一个信道传输数字信号的 能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能 支持的最大数据传输速率。支持的最大数据传输速率。NyquistNyquist定理指出理定理指出理 想信道的容量为：想信道的容量为： Rmax=2BlogRmax=2Blog2 2N N（bpsbps） N N 最大数据率最大数据率 (C) (C) 2 6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps 16 24000 bps 话音级线路的信道容话音级线路的信道容 量计算量

7、计算 (3000 Hz) 数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标 11 1942年，Nyquist证明：如果一个任意信 号通过带宽为B的理想低通滤波器，若每秒取样 2B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B的信道，其最大 的数据传输速率C(信道容量)为: Cmax=2Blog2N（bps） 也称奈奎斯特(Nyquist)定理或取样定理，其中N 是离散性信号或电平的个数。 奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)定理定理 12 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

8、” 两个电平，所以N=2;又因为B=3000Hz，则 信 道 容 量 ， 即 数 据 传 输 速 率 为 R=2Blog2N=6000(b/s)。 举例举例 13 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R=2Blog2N=24000log28=24k （bps）。 举例举例 14 有噪声信道容量有噪声信道容量（ShannonShannon定理）定理） R Rmax max=Blog =Blog2 2(1+S/N)(1+S/N)（bpsbp

9、s） S/N S/N （信号功率信号功率/ /噪声功率噪声功率）信噪比（）信噪比（dBdB分贝）分贝） 信噪比通常不用绝对值表示，而是信噪比通常不用绝对值表示，而是10log10log10 10S/N S/N表示，表示， 单位是分贝（单位是分贝（dBdB）。）。 对于对于S/NS/N1010的信道，的信道，称其称其信噪比为信噪比为10 dB10 dB； 同理，同理， S/NS/N100100的信道，的信道，称其称其信噪比为信噪比为20 dB20 dB； Shannon定理定理 15 5.5.误码率误码率 传输出错的码元数占传输总码元数的比例，传输出错的码元数占传输总码元数的比例， 是衡量数据通

10、信系统在正常工作情况下传输可靠是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠 性的指标。性的指标。 误码率误码率= =传错的位数传错的位数/ /传送的总位数传送的总位数 Pe= Ne / NPe= Ne / N 数据通信中的几个主要指标数据通信中的几个主要指标 数据信息的调制与编码数据信息的调制与编码 调制作用：使得无线传输时高频调制信号易于辐射 ，便于频分多路传输，提高线路利用率。 调制：用基带信号对载波波形的某些参量进行控制 ，使得这些参量随基带信号变换。 载波信号的3个特征：振幅，频率和相位。 调制技术分为：振幅调制，频率调制，相位调制和 多重调制。 16 l编码：将模拟数据或数字数据转换成

11、数字信 号，以便通过数字通信介质传输后，在接收 端数字信号通过译码能变成原来形式。 l编码分为3种形式：信源编码；信道编码和保 密编码。 17 18 调制技术调制技术 19 三种调制方式三种调制方式 (1)幅度调制幅度调制(AM，Amplitude Modulation)：简称 调幅；使载波幅度随原始的模拟数据(即调制信号)的幅 度变化，而载波的频率不变 (3)相位调制相位调制(PM，Phase Modulation)：简称调相； 使载波相位随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的 幅度不变。 (2)频率调制频率调制( (FM，Frequency Modulation)：简称 调频；使载波频率随原

12、始的模拟数据的幅度变化，而 载波的幅度不变。 ASK-Amplitude-Shift Keying(幅移键控幅移键控) 20 模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输 话音话音 电话电话 模拟模拟 模拟数据模拟数据,模拟信号模拟信号 数字数字 Modem 模拟模拟 数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号 数字数字 数字传输数字传输 数字数字 数字数据，数字信号数字数据，数字信号 模拟模拟 CODEC 数字数字 模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号 21 脉冲数字调制脉冲数字调制 采样电路采样电路量化和比较量化和比较 22 l采样信号：基于采样信号：基于nyquistnyquist理论理论 脉冲编码调

13、制（脉冲编码调制（PCM） 23 PCM 转化过程转化过程 BA C D 采样电路采样电路量化和比较量化和比较 24 网络通信系统设计的几个基本问题网络通信系统设计的几个基本问题 l数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 和和 数字通信数字通信 l数据通信方式数据通信方式 串行通信、并行通信串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信单工通信、半双工或全双工通信 l同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信 25 并行通信用于距离较近、串行通信用于距离较远时并行通信用于距离较近、串行通信用于距离较远时 并行通信与串行通信并行通信与串行通信 并行传输并行传输：至少同时传送8个数

14、据位。接收设备在收到这 些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。计算机内 部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。 串行传输串行传输：每次由源地传到目的地的数据只有一位，串行 数据传输的传输速度要比并行传输慢，但实际应用中往往 选择串行数据传输，这是因为实现串行数据传输的硬件具 有经济性和实用性。 26 串行通信与并行通信串行通信与并行通信 发送端接收端 串行通信信道 (a) 发送端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b7b6b5b4b3b2b1b0 接收端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 并 行 通 信 信 道 (b) 27 通信线路的通信方式通信线路的

15、通信方式 1. 1. 单工通信单工通信 2. 2. 半双工通信半双工通信 3. 3. 全双工通信全双工通信 28 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道 双向通道 双向通道 (a) (b) (c) 发送 接收 发送 接收 接收 发送 接收 发送 29 同步通信与异步通信同步通信与异步通信 同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时 间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟 以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。 数据传输的同步方式一般分为位同步位同步(识别每一 位的开始和结束)、字符同步字符同步(识别每一个字符或一帧 数据的开始和结束)、帧同步帧同步(数据

16、和控制信息按一定 的帧结构传输) 30 同步通信与异步通信同步通信与异步通信 异步通信中，发送端可以在任意时刻发送字符，字 符之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符 看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后前后各加 入13位信息作为字符的开始和结束标志位，以便 在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次，从 而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。 31 同步通信与异步通信同步通信与异步通信 SYNSYN. 一个或多个 SYN字符 控制字符数据字符控制字符 终止位 (逻辑 “0”) 起始位 (逻辑 “1”) t b0b1b2b3b4b5b6 字节5字节4字节3 字节2字节1 32 数据的同步

17、技术数据的同步技术 同步定义 通信中，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的过程。 同步方式分为：异步式和同步式。 异步式（起止同步）：把各个字符分开传输，字符之间插 入同步信息，在传输的字符起始设置起始位，在结束位设 置终止位； 同步式：采用同步字符保证收发两端始终保持同步，中间 无间断时间，不传送数据时线路上为全1或特定代码，传 输开始时用同步字符 SYN是双方进入同步，当搜索到两个 以上SYN字符时，接收端开始接收信息 33 多路复用技术多路复用技术 定义 复用就是共享使用公共信道； 作用 采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一 条物理信道上进行传输，到接收端再用专

18、门的 设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信 线路的利用率。 34 多路复用的基本概念多路复用的基本概念 多 路 译 码 器 35 lFDM (频分复用) lWDM (波分复用) lTDM (时分复用) lCDMA (码分多址) DEMUX 共享信道 MUX 复用技术主要有以下四类复用技术主要有以下四类 复用技术的分类复用技术的分类 36 频分多路复用频分多路复用 当信道带宽大于各路信号的总带宽时，把传输频带分成若干 窄的频带，每个窄频带构成一个子信道，每个子信道用来传 输一路信号，这就是频分多路复用（Frequency Division Multiplexing,FDM)。 频分多路复用适

19、用于模拟信号，例如将其用于电话系统， 同一对双绞线可用频分多路复用技术传输24路电话信号。 CH2 CH1 CH3 原始带宽原始带宽 CH1 CH2 CH3 频分后带宽频分后带宽 MUX CH1 CH2 CH3 带宽复用带宽复用 f 37 时分多路复用时分多路复用 当信道能达到的数据传输率大于各路信号的 数据传输率总和时，将物理信道按时间分成时 间片，轮流分配给多个信源使用，每一路信号 只能在自己的时间片内独占信道进行传输，这 就 是 时 分 多 路 复 用 ( T i m e D i v i s i o n Multiplexing, TDM)。 在目的端通过采用定时脉冲分别对各路时隙序 列

20、定时扫描电路，即可将各路数据分离开来。 38 A2 A1 A3 原始信号原始信号 D2 D1 D3 数字化信号数字化信号 MUX 复用后数据复用后数据 时隙时隙 1234 D3D2D1 时分多路复用时分多路复用 39 统计统计TDM与同步与同步TDM比较比较 A B C D 待发数据待发数据 t1 t2 t3 A1B1C1D1C2D2A2B2 周期周期1 周期周期2 同步同步 TDM 带宽浪费带宽浪费 A1B1C2B2 周期周期1周期周期2 统计统计TDM 可用带宽 40 数字载波标准数字载波标准 北美、日本 欧洲、中国、南美 带宽4kHz的电话信号，每秒采样为8000次不 失真地恢复话音信息

21、脉冲编码调制（Pulse Code Modulation PCM） 若每个采样点用8位，则1路电话所需数据传输 率：8800064Kbps 24路电话则要24个采样值； 41 波分多路复用波分多路复用 F1 42 棱柱棱柱/ /衍射光栅衍射光栅 F2 F3 光谱光谱 F1F2F3 共享光纤的光谱共享光纤的光谱 光纤光纤2 2 光纤光纤3 3 光纤光纤1 1 共享光纤共享光纤 F1 光纤波分复用示意图光纤波分复用示意图 采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠 波分多路复用波分多路复用 43 码分多址（码分多址（ CDMA） 44 网络传输介质网络传输介质 45 网络传输介质网络传输介质 46

22、网络传输介质网络传输介质 47 网络传输介质网络传输介质 48 网络传输介质网络传输介质 49 l电路交换电路交换：电路交换是在通信的双方之间建 立一条实际的物理通路，并且在整个通信过 程中，这条通路被独占。 数据交换技术数据交换技术 通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源 和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先 到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下 一个中间节点，直至到信宿，这个过程称为交换交换。 交换分为三种：电路交换、分组交换和报文交换。 50 数据交换技术数据交换技术 l报文交换报文交换：发送方先把待传送的信息分为多 个报文正文，在报文正文上附加发、收站地 址及其他控制

23、信息，形成一分完整的报文， 以报文为单位在交换网络的各节点间传送。 l分组交换分组交换：将一个大报文分割成一定长度的 分组，以分组为单位存储转发，在接收端再 将各分组重新组装成一个完整的报文 51 电路交换的基本框架电路交换的基本框架 话机 A A 终端设备 Modem 调制解调器 电话网 或 CSPDN Modem 调制解调器传输系统 交换机交换机 话机 B B 52 包括呼叫建立呼叫建立、信息传送信息传送、连接释放连接释放三个阶段 电路交换的过程电路交换的过程 1) 呼叫建立阶段呼叫建立阶段 主叫(Calling Party)用户取机，听拨号音，拨 被叫(Called Party)号码。若

24、被叫用户不在同一个交 换局，则A局(本地局)向B局(中转局)发送占用信号， 转接被叫号码，再由B局转发到C局(远端局)。最终 C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取 机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。 53 2)通信阶段通信阶段 此时始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。 3) 连接释放阶段连接释放阶段 当主叫或被叫任一方挂机，局间互送正向或 反向拆线信号，经证实后释放连接。 电路交换的过程电路交换的过程 54 电路交换的基本处理过程电路交换的基本处理过程 主叫用户 A局 B局 C局 被叫用户 拨号音 拨号 占用信号 占用信号 振铃 取机 通话(信息传送) 被叫挂机 反

25、向拆线信号 主叫挂机 正向拆线信号 挂机 正向证实信号 呼叫建立 连接释放 回铃音 挂机 55 优点：优点： 1、电路交换是一种实时交换，传输延迟小 2、主、被叫用户间建立端-端连接，共享信道 电路交换的主要特点电路交换的主要特点 缺点：缺点： 1、建立物理线路时间比较长，不适合的 传输； 2、预分配带宽，即使无信息传送也虚占电路，带 宽不能为其它用户占用 56 报文交换报文交换(Message Switch) 不事先建立连接， 当发送方有数据发送时，它将数据做为一个整体交 给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储存储起来， 然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发转发给下一 交换设备，循环往复

26、直，到数据到达目的地。 专业说法专业说法：在报文交换节点接收一份份报文，予以 存储存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等) 进行转发转发。 报文交换报文交换 57 报文交换的基本处理过程报文交换的基本处理过程 58 报文交换的优缺点报文交换的优缺点 优点： 线路利用率高；不需要同时启动发送器 和接收器来传输数据，网络可暂存；通信量大时 仍可接收报文，但传输延迟会增加；一份报文可 发往多个目的地；交换网络可对报文进行速度和 代码等的转换。 缺点：中间节点必须具备很大的存储空间；大报 文的传输，增加小报文在网络种的延迟时间；当信 道误码率高时，频繁重发。 59 报文和报文分组结构报文和报文分组结构 l由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且 重传花费的时间较少； l限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点 的存储