计算机网络 Net_03

1、数据通信基础数据通信基础数据通信的基本概念1数据传输模式2数据编码技术3多路复用技术4数据通信的传输媒体5v通信（Communication）就是信息通过传输媒体进行传递的过程。 在计算机网络中，数据通信是指计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码“0”和“1”的比特序列的过程。 在数据通信技术中，信息（Information）、数据（Data）与信号（Signal）是十分重要的概念。 数据通信的目的是为了交换信息，数据是信息的载体，而数据又是通过信号进行传输的。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v信息和数据 数据是信息的载体，涉及信息的表现形式；信息是数据的具体内容和解释，涉及

2、数据所表示的内涵。 信息的形式可以是数值、文字、语音、图形、图像及动画等，而数据是通信双方交换的具体内容。 数据又分为模拟数据（Analog Data）和数字数据（Digital Data）。 模拟数据的取值是连续的，比如我们说话的声音就是一个典型的例子； 数字数据的取值只在有限个离散的点上取值。计算机中使用数字数据，因为数字计算机的电路只有高、低两种电平状态，分别表示二进制数字“1”和“0”。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v信号是数据传输的载体，数据是通过信号进行传输的。 数据在发送前要把它转换成某种物理信号，用它的特征表示所传输的数据，比如电信号的电平，正弦电信号的幅值、频率和相位，

3、电脉冲的幅值、上升沿和下降沿，光脉冲信号的有和无等。 实质上，这些信号在媒体中都是通过电磁波（Electromagnetic Wave）进行传输的，因此，传输信号是数据在媒体中传输的电磁波的表现形式。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v传输信号可分为模拟信号和数字信号之分 模拟信号是指信号的幅度随时间作连续变化的信号； 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。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v数据通信系统的组成 通信系统一般由五个基本组件构成，即发送设备（信源）、发送器、信道、接收器和接收设备（信宿）。其中，发送器、信道和接收器三部分构成信息传

4、输系统。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v信源和信宿 信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的人或设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备。大部分信源和信宿都是指计算机或其他数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）。v发送器和接收器 发送器和接收器都是信号变化器，其作用就是进行信号转化。通常信源生成的数据要通过发送器编码后才能够在信道上进行传输；接收器主要是接收信道传送过来的信号，并将其转化为能够被目的设备处理的信息。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v信道 信道是通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道，它是建立在通信线路及其附属设备（如交换

5、设备）上的。 一条传输介质构成的线路上往往包含多个信道。 使用模拟信号传输数据的信道称为模拟信道，使用数字信号传输数据的信道称为数字信道。数字信道有更高的传输质量。数据通信的基本概念数据通信的基本概念v并行传输和串行传输 并行传输 指可以同时传输一组比特（多个比特位，比如8位或16位），每个比特使用单独的一条通信信道。数据传输模式数据传输模式并行传输因为能够同时传输多个比特位，传输速度快，主要用于短距离的设备之间的传输。 v并行传输和串行传输 串行传输 只需要在收发双方之间建立一条通信信道，逐个传输比特位，即同时只传输一个比特位。 与并行传输相比，串行传输的速度慢，但不存在同时传输的位不同时到

6、达的问题，并且只需要一条通信信道，造价低，可靠性好。长距离的传送一般都采用串行传输。数据传输模式数据传输模式v同步（Synchronization）问题 接收方要正确判断接收到的发送方的码元序列的状态（高电平或是低电平等），必须在合适的时刻去测试判断接收到的码元，测试的时刻不合适（不同步），比如偏移了1位的时间，整个判断就错误了。如何避免错误而方便的实现同步。 在计算机网络中，通常采用异步传输（Asynchronous Transmission）和同步传输（Synchronization Transmission）解决上述问题。 异同传输和同步传输都是基于串行传输的技术。数据传输模式数据传输模

7、式v异步传输和同步传输 异步传输 异步传输以字符为单位进行数据传输，字符之间的时间间隔可以是任意的。每个字符前后各加一个起始位和一个停止位，实现字符同步。起始位为1位“0”，停止位可以是1位、1.5位或2位“1”。 异步传输的效率比较低，一般用于慢速而又不固定频率的字符传输。比如在键盘与主机的传输中。数据传输模式数据传输模式v异步传输和同步传输 同步传输 同步传输方式中，数据不是以字符为单位，而是以称为帧（Frame）的数据块为单位进行传送。同步传输使用特殊的标志进行帧同步，界定一个帧的始末。这种特殊的标志一般是特殊模式的位组合（比如01111110）或同步字符SYN。 同步传输的特点是开销少

8、、效率高，适合以较高的速率传输数据，但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。数据传输模式数据传输模式v单工、半双工和全双工传输 单工传输单工传输（Simplex Transmission）又称为单向传输，是指信号只能向一个方向上传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。 比如无线电广播和电视广播都是典型的单工传输方式。 半双工传输半双工传输（Half-duplex Transmission）又称为双向分时传输，信号可以双向传送，但必须是交替进行，在任何一段时间内只能向一个方向传送。 比如对讲机就是工作在半双工传输模式。数据传输模式数据传输模式v单工、半双工和全双工传输 全双工传输

9、全双工传输（Full-duplex Transmission）又称为双工传输、双向同时传输。在这种传输方式中，信号可以同时双向传送。 比如电话就是工作在全双工传输模式。在计算机网络中，计算机的通信经常是全双工传输。数据传输模式数据传输模式v单工、半双工和全双工传输数据传输模式数据传输模式v基带传输和频带传输 基带传输 在数据通信中，表示计算机中二进制比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。这种矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带，简称基带，矩形脉冲信号就称为基带信号。 在数字通信信道上，计算机中的数据是以矩形脉冲信号直接传送的，这种传送方法称为基带传输。 由于基带信号频率很低，含有直流成分，

10、远距离传输过程中信号功率的衰减或干扰将造成信号减弱，使得接收方无法接收，因此基带传输不适合远距离传输。 基带传输技术简单，设备投资小，具有高速率和低误码率等优点，因此计算机局域网广泛采用基带传输方式。数据传输模式数据传输模式v基带传输和频带传输 频带传输 将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的频带信号，再将频带信号在信道中传输的过程就是频带传输。 由于频带信号也是一种模拟信号，频带传输实际上就是模拟传输。计算机网络的远距离通信通常都是频带传输。 频带传输的优点是可以利用现有的大量模拟信道（比如模拟电话交换网）通信，价格便宜，容易实现。家庭用户拨号上网就是利用电话线进

11、行频带传输。但它的缺点是速率低，误码率高。数据传输模式数据传输模式v基带传输和频带传输 基带信号与频带信号的变换是由调制解调技术完成的。 将数字信号（基带信号）转换为模拟信号（频带信号）称为调制（Modulation）； 把模拟信号（频带信号）转换为数字信号（基带信号）称为解调（Demodulation）。 在频带传输中，调制解调器（Modem，该设备同时具备调制与解调的功能）是最典型的通信设备，其作用是在发送端它进行调制、在接收端它进行解调。数据传输模式数据传输模式v三种数据编码 模拟数据模拟数据编码方法编码方法，即数字数据转换为模拟信号的编码方法，又称为调制(modulation)。 调幅

12、、调频、调相 数字数据编码方法数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号的编码方法，又称为编码(Coding)。 归零制、不归零制、曼彻斯特编码、差分曼侧斯特编码 脉冲编码调制方法脉冲编码调制方法，即模拟数据转换为数字信号的编码方法。 三步骤：采样、量化、编码数据编码技术数据编码技术v模拟数据编码方法 模拟数据编码方法，即数字数据转换为模拟信号的编码方法。使用频带传输数字数据，必须先将数字数据转换为模拟信号再进行传输。在调制过程中，可以使用一个正弦信号作为载波（Carrier），用被传输的数字数据去调制它，调制后作为传输信号。调制改变了载波的特征参数以便携带数字数据。 该正弦信号可以描述为 可

13、见，在载波 中有三个参数可以改变，即振幅 、频率 与相位 。可以通过改变这三个参数来实现模拟数据的编码，即调幅、调频和调相。数据编码技术数据编码技术)sin()(tutum)(tumuv模拟数据编码方法 调幅 调幅又称幅移键控（Amplitude Shift Keying, ASK）。该方法是通过改变载波信号振幅来表示数字信号“1”和“0”，可以用载波幅度为 表示数字“1”，用载波幅度0表示数字“0”。 其数学表达式为 在接收端，解调器根据载波信号的有和无，将其解调为“1”和“0”，复原为发送时的数字数据。ASK信号容易实现，技术简单，但抗干扰能力较差，不是一种十分理想的调制方法。数据编码技术

14、数据编码技术mu 0 0 1)sin()(”表示“”表示“tutumv模拟数据编码方法 调频 调频又称为频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）。该方法是通过改变载波信号的频率来表示数字信号“1”和“0”，可以用频率 表示数字“1”，用频率 表示数字“0”。 其数学表达式为 容易实现，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一，广泛用于频率不高的调制解调器上。数据编码技术数据编码技术12 0)sin( 1)sin()(21”表示“”表示“tututummv模拟数据编码方法 调相 调相又称为相移键控（Phase Shift Keying, PSK）。该方法是通

15、过改变载波信号的相位值来表示数字信号“1”和“0”。 PSK可分为绝对调相和相对调相。 用相位的绝对值来表示数字信号“1”和“0”称为绝对调相。绝对调相可以用载波相位为0来表示数字“1”，用载波相位为来表示数字“0”。 其数学表达式为 相对调相用载波在两位数字信号的交界处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：两位信号交接处遇0，载波信号相位不变；两位信号交接处遇1，载波信号相位偏移。数据编码技术数据编码技术 0)sin( 1)0sin()(”表示“”表示“tututummv模拟数据编码方法 调幅、调频和调相（绝对调相和相对调相）数据编码技术数据编码技术v数字数据编码

16、方法 数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号的编码方法。基带传输须将数字数据进行编码再进行传输。 数字数据已经有了“1”和“0”的码值区别，为什么不直接使用高、低电平加到物理信道上传输，而要按一定方式编码之后再进行传输呢？ 编码更有利于在接收端区分“0”和“1”值； 编码可以在传输信号中携带时钟，便于接收端提取定时时钟信号； 采用合理的编码方式，可以适用信道的传输特性，充分利用信道的传输能力。 在基带传输中，常见的数字数据编码方法有不归零制编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码三种。数据编码技术数据编码技术v数字数据编码方法 不归零制编码 用不同的电平信号表示数字“0”和“1”，比如可用5V

17、表示“1”，0V表示“0”（单极性NRZ码），或用5V表示“1”，-5V表示“0”（双极性NRZ码）。 不归零制编码存在一些严重的缺点： 当出现多个连续的“0”或连续的“1”时，难以判断何处是上一位结束和下一位的开始，不能给接收端提供足够的定时信息，定时时钟提取不方便。 这种编码的信号尤其是单极性码存在直流分量，双极性码的直流分量少，但数据序列中“1”和“0”的个数不等时，还会存在直流分量。电信号的直流分量会造成传输线路的电压漂移，导致信号的畸变，影响传输线路的正常工作。另外，由于有直流分量，难以在传输系统中使用交流耦合的器件与电路。数据编码技术数据编码技术v数字数据编码方法 曼彻斯特编码 对

18、应于每一数据位的中间位置都有一个跳变，用跳变的相位表示数字“0”和“1”，正跳变表示数字“0”，负跳变表示数字“1”，因此这种编码也称为相位编码。 曼彻斯特编码方式具有如下优点： 接收方容易利用每个数据位中间位置的跳变生成同步时钟信号，不需要单独传送时钟，即内同步方式，它又称为自带时钟码（Self-clocking Code）； 利用跳变的相位容易判断“0”和“1”； 因为每个数据位中间都有跳变，因此无直流分量。 曼彻斯特编码克服了不归零制编码存在的问题，得到了广泛的应用，以太网就采用了曼彻斯特编码方式。但曼彻斯特编码的传输效率减少了一半。数据编码技术数据编码技术v数字数据编码方法 差分曼彻斯

19、特编码 在每一数据位的中间也有一个跳变，但它只用来生成同步时钟信号，不用来表示数字“0”或“1”。差分曼彻斯特编码用每位开始是否有跳变（正/负跳变均可）来表示数字“0”或“1”，若每位开始有跳变表示“0”，无跳变则表示“1”。 在解码过程中，只要把前一位的后半位和本位的前半位进行“异或”即可判别出“0”或“1”的不同状态。两者相同，表示在码位之间无跳变发生，表示的是“1”；两者不同，表示在码位之间有跳变发生，表示的是“0”。 同曼彻斯特编码一样，差分曼彻斯特编码也自带同步时钟信号，也不存在直流分量。差分曼彻斯特编码主要是IEEE802.5令牌环协议中应用的编码方式。数据编码技术数据编码技术v数

20、字数据编码方法数据编码技术数据编码技术v脉冲编码调制方法 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。由于数字信号传输失真小、误码率低、速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字外，语音、图像信息的数字化已成为发展的必然趋势。 脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）是模拟数据数字化的主要方法。 PCM操作基本上包括采样、量化与编码三部分。数据编码技术数据编码技术v脉冲编码调制方法 采样 采样是每隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平瞬间幅度值取出作为样本，让其表示原来的信号。 研究结果表明，如果以大于或等于通信信道带宽2倍的速率定时对信号进行采样，其样本可以

21、包含足以重构原模拟信号的所有信息。 即 或数据编码技术数据编码技术Bf2max21fTfv脉冲编码调制方法 量化 量化是采样样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。 量化之前要规定将信号分为若干量化级，比如可以分为8级或16级，以及更多的量化级，这要根据精度要求决定。同时，要规定好每一级对应的幅度范围，然后将采样所得样本幅值与上述量化级幅值比较。比如，1.28要取值为1.3，1.52要取值为1.5，即通过取整来定级。数据编码技术数据编码技术v脉冲编码调制方法 编码 编码是相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。 如果有K个量化级，则二进制的位数

22、为 。 比如，如果量化级有16个，就需要4位编码。 在目前常用的语音数字化系统中，多采用128个量级，需要7位编码。经过编码后，每个样本都要用相应的编码脉冲表示。比如取样幅值为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制编码1111发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平幅度值为1.5。数据编码技术数据编码技术K2logv脉冲编码调制方法 PCM技术的典型应用是语音数字化。此外，PCM还可以用于计算机中的图形、图像数字化以及传输处理。PCM采用二进制编码的缺点是使用的二进制位数较多，编码效率较低。数据编码技术数据编码技术v三种数据编码方法总结数据编码技术

23、数据编码技术模拟数据数字数据模拟信号数字信号调制调制：调频、调幅、调相编码编码：不归零制、曼彻斯特、差分曼彻斯特脉冲脉冲编码调制：三步曲（采样、量化、编码）v当传输媒体的带宽超过了传输单个信号所需的带宽，那么在同一条传输媒体上同时携带多个传输信号的方法可以来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用（Multiplexing）。 多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，由多个用户使用而互不影响。其优点就是节省了传输媒体的成本、安装和维护费用，而且用户不需要进行任何实际的修改，多路复用系统对用户是透明的。 实现多路复用功能的设备叫多路复用器，简称多路器。多路复用技术通常有频分多路复

24、用、时分多路复用和波分多路复用技术等。多路复用技术多路复用技术v频分多路复用（FDM） 将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。 FDM实现的条件是信道的带宽远远大于每个子信道的带宽，被分开的各子信道的中心频率不相重合，且各信道之间留有一定的空闲频带（也叫保护频带），以保证数据在各子信道上的可靠传输。 采用FDM时，数据在各子信道上是并行传输的。由于各子信道相互独立，一个信道发生故障时不会影响其它信道。 调幅（AM）无线电广播是FDM的一个例子。调幅无线电广播的频带宽度大约是1MHz，从500kHz到1500kHz，不同的频段分配给不同的电台，比如中央一套是640kHz。此外，FDM还应用于载波电话、电视、数字数据传输等。多路复用技术多路复用技术v频分多路复用（FDM） 示例：把整个信道分为5个子信道，在这5个信道上可同时传输5种不同频率的信号。 频带越宽，则在此频带宽度内所能分割的子信道就越多。 主要用于模拟信道的复用。多路复用技术多路复用技术v时分多路复用（TDM） 将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流的给多个信号源使用，每个时间片被复用的一路信号占用。 TDM实现的条件是信道能达