数据通信基础

1、数据通信基础数据通信基础西南林学院计科系董跃宇本章主要内容本章主要内容l数据通信的基本概念l数据通信方式l数据通信传输介质l数据编码技术l数据传输速率l传输介质l数据网简介数据通信的基本概念数据通信的基本概念l数据通信是指在不同计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。l按照在传输介质上传输的信号的类型，可以将数据通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统两种。通信系统通信系统l信息的传递是通过通信系统来实现的。l通信系统的基本模型，如下图所示：接收设备信道发送机接收机发送设备信息传输系统信息传输系统l数据通信系统中除去发送设备、接收设备的部分，也被称为信息传输系统

2、信道发送机接收机通信系统发展的四个阶段通信系统发展的四个阶段l第一阶段：以电话的广泛应用为标志，业务类型是语音，时间是19世纪80年代到20世纪50年代l第二阶段：以脉码调制为基础的数字传送和卫星通信使这一阶段的典型技术，业务类型是语音，时间是20世纪60年代通信系统发展的四个阶段通信系统发展的四个阶段l第三阶段：以数据网络和分组交换技术为特征，业务类型以数据为主，时间是20世纪70年代l第四阶段：以综合业务数字网络和移动通信为特征，业务类型覆盖语音、数据、视频、图像等领域，时间开始于1980年信息和数据信息和数据l信息可以是语音、图像、文字等各种形式，是人们通过通信系统传递的内容；同时，信息

3、总是与一定的形式相联系，这种形式实体就是数据l数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释模拟数据与数字数据模拟数据与数字数据l数据可分为模拟数据和数字数据l模拟数据的取值是连续的，数字数据只在有限个离散的点上取值l数字数据比较容易存储、处理和传输，模拟数据经过处理可以很容易变成数字数据l数字数据传输存在系统庞大、设备复杂的问题，在需要简化设备的情况下，还会采用模拟数据传输信号信号l在数据通信系统中，发送机的功能是将人或机器产生的信息转换为适合在通信信道上传输的电编码、电磁编码或光编码，这些在信道上传输的编码叫做信号。信号是数据在传输过程中的表示形式。模拟通信与数据通信模拟通信与数据通信l根

4、据信号的方式不同，通信可以分为模拟通信和数字通信l模拟通信以模拟信号作为载体传输信息，数字通信以数字信号作为载体传输信息模拟信号模拟信号l模拟信号是指信号的幅度随时间作连续变化的信号。普通电视的图像和语音信号是模拟信号。l模拟信号无论在时间上和幅值上均是连续变化的，它在一定范围内可能取任意值。数字信号数字信号l数字信号在时间上是不连续的、离散性的信号，一般由脉冲电压0和1两种状态组成。l数字脉冲在一个短时间内维持一个固定值，然后快速变换为另一个值。数字信号的每一个脉冲被称作一个二进制数或位。大多数计算机网络使用数字信号大多数计算机网络使用数字信号l由于模拟信号随时间的变化而平滑的发生变化，因此

5、模拟信号比数字信号容易出错。模拟信号容易受到噪音、静电和其他干扰源的干扰导致信号变形。同时随着传输距离的增加会产生衰减，在对信号进行放大和转发时噪声信号也被同时放大。l数字信号是以电平的高低来表示的，只要噪声值不超过数字信号的门槛值，就可以保证数字信号的可靠性。随着传输距离的增加数字信号也会产生衰减，但是它采用再生中继方式，再生的信号和原来的数字信号一样并且能够消除噪音，通信质量受传输距离的影响比模拟信号要小信道信道l在通信系统中，信道是传送信号的通路。l信道本身可以是模拟的或数字方式的，用以传输模拟信号的信道称为模拟信道，用以传输数字信号的信道叫做数字信道通信系统的分类通信系统的分类l根据信

6、号的不同，通信系统可以分为数字通信系统和模拟通信系统。l利用模拟信号传递信息的叫做模拟通信系统，利用数字信号传递信息的叫做数字通信系统l数字通信系统可分为数字电话通信系统和数字数据通信系统通信系统的分类通信系统的分类通信系统模拟通信系统数字通信系统数字数据通信系统数字电话通信系统数据通信系统与通信系统的关系数据通信系统与通信系统的关系l数字数据通信系统可简称为数据通信系统，它是通信系统的一个子集l数据通信系统的主要特征是其业务类型主要是提供数据服务，传送的主要是数据信息，以数字信息为主。而通信系统的业务类型除了数据外，还有语音、图像等数据传输系统数据传输系统l数据传输是数据通信系统的基础，如下

7、图所示：接收设备信道发送机接收机发送设备解码器信道调制器解调器编码器信息信息信息信息比特流比特流信号信号数据传输类型数据传输类型l数据在计算机中是以离散的二进制数字信号表示的，但在通信过程中，数据以何种方式表示，主要取决于选用的通信信道所允许传输的信号类型。l若选用的是模拟信道，它不能直接传输数字信号，需要在发送端将数字信号变换成模拟信号，在接收端再将模拟信号还原成数字信号，也就是所谓的调制和解调数据通信方式数据通信方式l讨论的主要问题：并行传输与串行传输异步传输与同步传输数据传输方向连接方式基带传输与频带传输并行传输与串行传输并行传输与串行传输l数据传输有并行和串行两种方式l串行传输将待发送

8、数据的各个比特位，按一定顺序依次发送l并行传输则将待发送数据的各个比特位使用多个信道同时发出串行传输示意图串行传输示意图发送端发送端b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0串行通信信道并行传输示意图并行传输示意图发送端b0b1b2b3b4b5b6b7接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道并行传输与串行传输并行传输与串行传输l串行通信方式只需要在收发双方之间建立一条通信信道，并行通信方式收发双方必须建立多条并行的通信信道l在同样的传输速率下，并行传输在单位时间内传送码元数是串行传输的n倍l由于需要建立多个通信信道，并行通信方式造价较高，因此远程通信中通常采用串行传输方式异步传输

9、与同步传输异步传输与同步传输l数据通信的一个基本要求是接收方必须知道他所接收的每一个比特位的开始时间和持续时间，这样才能正确的接收发送方发送来的数据。l满足上述要求有两类办法：异步传输和同步传输异步传输方式异步传输方式l异步传输方式的工作原理是：每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。但是为了标志这一字节的开始和结尾，在这一字节之前加上1个起始位，在结尾处加上1-2位停止位。异步传输示意图异步传输示意图起始位 数据0停止位数据1 数据2 数据3 数据4 数据5 数据6停止位校验位字符1字符1字符1任意间隔任意间隔异步传输的特点异步传输的特点l每个字符前后的起始和停止位标识字符的开

10、始和结束l起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额外的时钟l字符间间隔任意l速率较低，适合于误码率高但是数据速率要求低的线路同步传输同步传输l同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。l同步的方法不是加起始位和停止位，而是在数据块前加特殊模式的位组合，并通过位填充或字符填充技术，保证数据块中的数据不会与同步字符混淆 同步传输的特点同步传输的特点l开销小、效率高l适合较高的速率传输数据l整个数据块一旦有一位传错，就必须重传整个数据块的内容数据传输方向数据传输方向l数据通信按照信号传送方向与时间的关系，可分为三种：单工通信半双工通信全双工通信单工通信单工通信

11、l单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向发送接收单向通道半双工通信半双工通信l在半双工通信中，信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时刻只能向一个方向传送发送接收发送接收双向通道全双工通信全双工通信l在全双工通信方式中，信号可以同时双向传送发送接收发送接收双向通道连接方式连接方式l数据通信的连接方式有两种：点到点连接方式多点连接方式点到点连接方式点到点连接方式l典型代表：使用调制解调器拨号上网l一旦拨通后，这条线路就被通信双方占用，不会有第三方再插进来多点连接方式多点连接方式l典型代表：多个通信终端共用一条通信线路l此种方式利于节省线路，缺点是需要解决线路争用

12、问题频带、基带传输频带、基带传输l电信号也叫信号，信号的每秒钟变化的次数叫频率用赫兹（HZ）作单位，信号的频率有 高有低就象声音有高有低一样，低频到高频的范围叫频带，不同的信号有不同的频带 l基带是指由消息直接转换成的未经调制变换的信号所占的频带，理论上基带信号的频谱是从0到无穷大，所以有时候把最高频率和最低频率之比远远大于1的信号称为基带信号 宽带传输宽带传输l宽带（Broadband）传输：在讨论宽带传输前，先要解释一下什么是频带传输。当采用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的频带，对应基带传输将其称为频带传输。 通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同

13、的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。数据编码技术数据编码技术l在计算机中，数据是以离散的二进制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l计算机网络中常用的通信信道分为两类：模拟通信信道和数字通信信道，相应的用于数据通信的数据编码方式也分为两类：模拟数据编码和数字数据编码计算机网络中基本的数据编码方式计算机网络中基本的数据编码方式数据编码方法模拟数据编码数字数据编码调幅调频调相非归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码模拟数字编码方法模拟数字编码方法l模拟数据编码方法，即数字数据转换为模

14、拟信号的编码方法l电话通信信道是典型的模拟通信信道，但是因为传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适合传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号。为了利用电话交换网传输数字数据信号，必须先将数字信号转换成模拟信号调制（调制（Modulation）与解调（）与解调（Demodulation）l将发送端的数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，进行调制的设备成为调制器l将接收端的模拟数字信号还原成数字数据信号的过程称为解调，进行解调的设备称为解调器l同时具备调制与解调功能的设备，称为调制解调器 调制的原理调制的原理l首先选择一个音频范围内（以电话交换

15、网为例）的某一个角频率的正（余）弦信号作为载波，可记为u(t)=Umsin(t+0)l改变载波中的三个可变的电参量振幅Um、角频率、 相位0，来实现模拟数据信号的编码调幅调幅l调幅又称为振幅键控。该方法通过改变载波信号振幅来表示数字信号0、1l例如：可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度为0表示数字0l调幅信号容易实现，技术简单，但抗干扰能力较差调频调频l调频又称为移频键控。该方法通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0l调频信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法调相调相l调相又称为移相键控。该方法通过改变载波信号的相位值来表示数字0、1l调相方法的抗干扰能力强，但

16、实现技术较为复杂数字数据编码方法数字数据编码方法l数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号编码的方法。l在数据通信技术中，将利用模拟通信信道通过调制解调器传输模拟信号的方法称作频带传输，而利用数字通信信道来直接传输数字数据信号的方法称为基带传输l频带传输的优点是可以利用目前覆盖广泛、普遍应用的模拟语音通信信道，缺点是传输速率和系统效率较低。而基带传输在基本不改变数字数据信号频带的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的传输速率与系统效率，因此基带传输是目前迅速发展的数据通信方式数字数据编码方法数字数据编码方法l在基带传输中，常用的编码方式主要有以下几种：非归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码非

17、归零编码非归零编码l以低电平表示逻辑0，以高电平表示逻辑1。l低电平信号不能是0电平，以区分信道上是逻辑0，还是没有信号在传输l非归零编码的缺点是：需要额外传输同步时钟信号“0”和“1”的个数不等时，会有直流分量曼彻斯特编码曼彻斯特编码l此种方法在每个比特的中间有一次跳变，起到两个作用：作为位同步方式的内带时钟用于表示二进制数据信号l可以把“0”定义为由低电平到高电平的跳变，把“1”定义为由高电平到低电平的跳变l曼彻斯特编码的优点一是自带时钟信号；二是不含直流分量差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码l在曼彻斯特编码的基础上，将每比特中间的一次跳变只作为同步方式的内带时钟，不表示数字信号。l“0”和

18、“1”是根据两个比特间有没有跳变来区分的脉冲编码调制方法脉冲编码调制方法l脉冲编码调制方法，即模拟数据转换为数字信号的编码方法l由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输效率高，因此语音、图像信息的数字化已成发展的趋势l脉冲编码调制是模拟数据数字化的主要方法脉冲编码调制的基本过程脉冲编码调制的基本过程l采样l量化l编码采样采样l模拟信号是电平连续变化的信号。l采样是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅值取出作为样本，让其表示原来的信号l采样频率f、信道带宽B、采样周期T、信道允许的最高信号频率fmax之间存在如下关系：f2B 或 1/T2Bl相关研究表明，如果以大于或等于信道带宽2倍的速率定时

19、对信号进行采样，其样本基本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息量化量化l量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程。l经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值编码编码l编码就是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。l如果量化后有K个量化级，则二进制的位数为log2K数据传输速率数据传输速率l无论是何种信号、采用何种编码，信号必须在信道上进行传输，为了满足传输速度快和误码率低的要求，数据传输越来越多的采用基带传输，而信道带宽则是影响基带传输速率最主要的因素。l此处讨论的传输速率即指信道的基带传输速率信道宽度信道宽度l某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽数据传输

20、速率数据传输速率l数据传输速率是指信道每秒所能传输的二进制比特数信道最大传输速率信道最大传输速率l信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫做信道的最大传输速率（又叫信道容量）l理论分析表明，信道的最大传输速率是与信道宽度有直接联系的信道最大传输速率的分析信道最大传输速率的分析l傅里叶分析l奈奎斯特定理l香农定理傅里叶分析傅里叶分析l傅里叶分析指出，任何一个基频为f的周期函数，都可以表示为无数个正弦函数和余弦函数之和，这些正弦函数/余弦函数的频率分别为f,.,nf，n也被称为谐波数l在信道带宽一定的前提下，能通过的谐波数是有限的。通过的谐波数越多，信号失真越小l理论分析

21、证明，信道宽度一定的情况下，数据传输速率越高，基频f的值越大，信道能够通过的谐波数就会越少。所以信道的带宽限制了数据的传输速率奈奎斯特定理奈奎斯特定理l信道传输速率有上限，并且无噪声信道的最大传输速率满足如下关系：2Blog2V其中B为信道带宽，V是信号的有效状态数l采用特殊的编码方法，增大V的值，可以提高数据传输速率。但并不是可以无限增大V的值来提高数据传输的速率香农（香农（Shannon）定理）定理l信道容量定理：可以找到这样一种技术，当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过该信道可以以任意小的错误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什么编码技术，错误概率都

22、将无法忍受l香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系：C=Blog2(1+S/N)，其中C表示信道容量，B表示信道的带宽，S表示信号能量，N表示噪声能量影响信道质量的因素影响信道质量的因素l信道带宽和最大传输速率是影响信道质量的最主要因素l其他因素还有：利用率延迟抖动：延迟不是固定的，它的实时变化叫做抖动差错率传输介质传输介质l传输介质分为有线和无线两大类l有线介质包括：双绞线、同轴电缆和光缆l无线介质严格地可分为无线电、微波、移动通信等双绞线双绞线l无论对于数字信号还是模拟信号，无论对于广域网还是局域网，双绞线都是最常用的传输介质l屏蔽双绞线的最大传输距离可以达到十几千米，非屏蔽双绞线

23、的传输距离一般为100米l常用的非屏蔽双绞线是3类线和5类线同轴电缆同轴电缆l同轴电缆的两端需要有终结器（用电阻连接内外导体），根据所用电阻的不同，常见的同轴电缆分为50和75两种规格l根据带宽和用途不同，同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆光缆光缆l光纤是网络介质中目前性能最好、应用前途最广泛的一种l光波在光缆的纤芯上传播，纤芯是一种直径50100m的柔软光导介质，成份主要是二氧化硅l光纤分为单模和多模两种。单模光纤较细，光信号只能与光纤轴成单个可辨认角度传播。多模光纤较粗，光信号与光纤轴成多个可辨认角度传播。单模光纤性能较好，但成本较高无线传输介质无线传输介质l如果通信线路要通过一些

24、高山或岛屿，有时很难施工，这时使用无线传输介质进行通信就成为必然l无线传输介质包括红外线、无线电、微波、卫星、移动通信等，各种介质对应相应的电磁波谱范围移动通信移动通信l移动物体与固定物体、移动物体与移动物体之间的通信都属于移动通信l移动物体之间的通信只能依靠无线通信手段，主要有：无线通信系统微波通信系统蜂窝移动通信系统卫星移动通信系统数据通信网介绍数据通信网介绍l计算机网络有时需要借助电信部门的公用数据通信网络系统作为它的通信链路进行网络通信l通信网提供数据通信服务，它是由电信部门或公司向大众提供的公用服务，一般是有偿性的电话拨号网电话拨号网l使用公用交换电话网作为通信线路，借助调制解调器，可以实现计算机网络的远程连接公用分组交换网公用分组交换网(X.25)lX.25是国际电报和电话顾问委员会提出的关于公用分组交换网的建议，它往往是对X.25标准的数据通信服务的代称l总的来说，X.25是一种比较老式的数据通信服务，它主要应用在线路质量不可靠的模拟电话线路上。l中国的公用分