项目2 认识数据通信系统

素质目标

1.树立科技强国和科技报国的爱国情怀:通过学习数据通信系统,引导学生认识到科技的重要性,树立科技强国和科技报国的理念。

2.培养探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感:数据通信系统是一个不断发展的领域,通过学习,引导学生积极探索、追求真理,勇攀科学高峰。

3.培养精益求精的大国工匠精神:数据通信系统是一个技术密集的领域,通过学习,引导学生追求卓越,培养大国工匠精神。

4.激发学生科技报国的家国情怀和使命担当:通过学习数据通信系统,引导学生认识到科技报国的重要性,激发他们的家国情怀和使命担当。体验感知“体验1”我们用ADSL上网时都会使用“猫”,用电话线接入,那么计算机内的数据在电话线上是如何传播的?我们可以观察一下电话线里的模拟信号。“感受”模拟信号类似于数学中的正弦曲线和余弦曲线。“体验2”我们在学习“数字电路”课程时会遇到脉冲信号,脉冲的周期和频率由什么决定,脉冲的外形像什么?

“感受”脉冲信号表现在平面坐标上就是一条有无数断点的曲线。探究学习实践活动总结提高探究学习2.1.1数据通信系统1.数据通信系统简介数据通信系统一般由数据终端设备(DataTerminalEquipment,DTE)、数据电路端接设备(DataCircuitTerminatingEquipment,DCE)和数据通信线路等组成。数据终端设备是指用于处理用户数据的设备,是数据通信系统的信源和信宿。因为这种设备代表通信链路的端点,所以叫作数据终端设备。数据电路端接设备又叫作数据通信设备(DataCommunicationEquipment),是介于DTE与传输介质之间的设备,用于将DTE发出的数字信号变换成适合于在传输介质上传输的信号形式,并将它送至传输介质上;或者将从传输介质上接收的远端信号变换为计算机能接收的数字信号形式,并送往计算机。调制解调器、编码解码器都属于DCE。2.1.1数据通信系统数据通信系统模型是完成通信任务所需要的技术设备和传输介质构成的总体,如图2-1所示。2.1.1数据通信系统图2-2是一个数据通信系统实例。2.1.2数据通信基本概念1.信息它是对客观事物的反映,可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述,也可以表示物质与外部的联系。信息有各种存在形式,如数字、文字、声音、图形和图像等。2.1.2数据通信基本概念2.数据信息可以用数字的形式来表示,数字化的信息称为数据。数据是信息的载体,信息则是数据的内在含义或解释。数据可分为模拟数据与数字数据。在数学形式上表现为连续函数的数据是模拟数据。例如声音大小是连续变化的,所以声波是模拟数据。(1)模拟数据计算机存储器中以0与1形式存储的数据是数字数据。计算机中的信息总是以数字数据形式存储。(2)数字数据2.1.2数据通信基本概念3.信号信号是数据在传输中的表现形式,是数据的电磁编码。信号分为模拟信号和数字信号。二者的区别如图2-3所示。(1)模拟信号模拟信号的信号电平是连续变化的。(2)数字信号数字信号则是一系列离散的电脉冲。2.1.2数据通信基本概念4.信息、数据和信号的关系数据是信息的载体,信息涉及数据的内容和解释,信号则是数据在传输过程中的电磁波表示形式。2.1.3数据编码1.数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码即将数字数据转换为模拟信号的编码方法。数字信号的频带都是从直流开始的某一低频范围直接在信道上传输,称为基带传输。但如果信道的传输频带是在某一高频范围内,就需要把数字信号的频谱搬移到传输频带的中心位置后再发送到信道,这叫调制。接收端从信道上收到信号后,需要把信号的频谱恢复到原来频谱位置,称为解调。根据载波Asin(ωt+φ)的三个特性:幅度、频率、相位。产生的常用调制技术:幅移键控法(Amplitude-shiftkeying,ASK)、频移键控法(Frequency-shiftkeying,FSK)、相移键控法(Phase-shiftkeying,PSK)。三种调制技术如图2-4所示。2.1.3数据编码2.1.3数据编码(1)幅移键控法(调幅)幅移就是把频率、相位作为常量,而把振幅作为变量,在ASK中,比特率等于波特率。2.1.3数据编码(2)频移键控法(调频)频移就是把振幅、相位作为常量,而把频率作为变量,即:2.1.3数据编码(1)幅移键控法(调幅)相移就是把振幅、频率作为常量,而把相位作为变量,即:2.1.3数据编码2.数字数据的数字信号编码数字信号一般不直接送到信道上进行传输,通常要进行编码才送到信道,这就是数字数据的数字信号编码。不直接使用高、低电平而加到物理信道上传输的原因:

(1)编码更有利于在接收端区分“0”和“1”值。

(2)编码可以在传输信号时携带时钟,而不必再加专用的同步信号线。

(3)采用合适的编码方式,可以充分利用信道的传输能力,达到更高的传输速度。2.1.3数据编码可用的通信编码方案很多,最常用的通信编码有如下几种:不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。(1)不归零编码(Non-ReturntoZero,NRZ)规则:以高电平表示逻辑“1”,低电平表示逻辑“0”。缺点:

①难判断一位的开始和结束,需另传同步时钟。②存在直流分量,难以在传输中使用交流耦合器件和变压器。2.1.3数据编码(2)曼彻斯特(Mancherster)编码规则:将每比特周期T分为前T/2和后T/2;高➝低变化表示“1”,低➝高电平的变化表示“0”。特点:每位中间有一次电平跳变,它有两个作用:一是作为同步方式的内带时钟,即“自含时钟编码”,不需要另外的同步信号;二是用于表

示数据。2.1.3数据编码(3)差分曼彻斯特(Mancherster)编码规则:在每个码元的中间,信号都会发生跳变,做同步之用;用在码元开始处有无跳变来表示0和1:码元开始处有跳变表示“0”,码元开始处无跳变表示“1”。2.1.3数据编码3.模拟数据的数字信号编码模拟-数字转换的常用方法:

(1)脉冲振幅调制(PulseAmplitudeModulation,PAM):就是对模拟信号采样,根据采样结果产生一系列脉冲。

(2)脉码调制(PulseCodeModulation,PCM):把PAM产生的系列脉冲完全修改成数字信号,包括三个步骤:

①量化:对采样结果用一个固定范围内的整数值表示。②二进制编码:对量化后的整数值进行二进制编码。③数字-数字编码:对二进制数字数据进行信息编码。2.1.4数据传输方式1.单工、半双工和全双工传输在单工传输方式中,信息只能在一个方向上传送。在进行通信的两个节点中,其中的一端只能作为发送端发送信息,另一端只能作为接收端接收信息,即发送方不能接收信息,接收方也不能发送信息。无线电广播和电视广播都是单工传输的例子。(1)单工传输2.1.4数据传输方式半双工信息的双方可交替地发送和接收信息,但不能同时发送和接收信息。在半双工信息方式中,通信双方都具有发送和接收功能,并具有双向传送信息的能力,但只需要一条传输线路,一端发送时,另一端只能接收。这种通信方式所需要的设备比单工传输方式复杂,但比全双工传输方式简单,在要求不高的场合,多采用这种方式。例如航空和航海的无线电台和对讲机以及多数的计算机网络中的数据传输等,都是采用这种方式的。(2)半双工信息2.1.4数据传输方式全双工传输的双方可以同时进行双向的信息传输。在全双工传输方式中,双方必须都具有同时发送和接收的能力,并且需要两个信道分别传送两个方向上的信号,每一端在发送信息的同时也可以接收信息。(3)全双工传输2.1.4数据传输方式2.基带传输和频带传输数据传输方式依其数据在传输线上原样不变地传输还是调制变样后再传输,可分为：基带传输频带传输宽带传输2.1.4数据传输方式3.并行传输和串行传输(1)并行传输计算机通过比特组来表示数据(通常8个比特表示1个字节)。可以一次发送一个字节(或更多)而不是一个比特,这称为并行传输,如图2-5所示。并行传输的特点是速度快,但费用高,一般仅在很短的距离内使用。2.1.4数据传输方式(2)串行传输在串行传输中,比特是一个一个发送的,两台设备之间只需要一条通道。如图2-6所示。2.1.4数据传输方式4.同步传输和异步传输根据信息是以字符还是数据块为单位进行传输,可分为异步传输和同步传输。信息是以字符为单位传送的,每个字符由发送方异步产生,有随机性,字符一般采用5、6、7或8位二进制编码,需要辅助位,每个字符可能需要用10位或11位才能传送。但其传输效率低,主要用于字符终端与计算机之间的通信。(1)异步传输同步传输中,比特流被组装成帧,一个帧包含许多字节。字节与字节之间没有间隙,需要接收方将比特流分割成重建信息所需要的一个个字节。(2)同步传输2.1.5多路复用技术多路复用是指在一条物理传输线路上建立多条通信信道的技术。多路复用使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号。可充分利用通信线路的传输容量。常用多路复用技术包括频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)、时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)、波分多路复用(Wave-lengthDivisionMultiplexing,WDM)、码分多路复用(CodeDivisionMultiplexing,CDM)。2.1.5多路复用技术(1)频分多路复用(FDM)2.1.5多路复用技术(2)时分多路复用(TDM)2.1.5多路复用技术(3)波分多路复用(WDM)

WDM是光纤上使用的复用技术,概念上和FDM是一致的,但作用范围是频率很高的光波。虽然技术上很复杂,但原理和三棱镜分解合成白光是一致的,即采用不同波长的光波复用成复合光,再分解成各个波长的波。2.1.5多路复用技术(4)码分多路复用(CDM)

CDM是另一种信道复用方法。更常用的名词是码分多址复用。每个用户都可以在相同时间使用相同的频带通信,各用户之间使用经过挑选的不同编码,不会造成干扰。这种技术抗干扰能力强,最初用于军事。随着技术进展,设备价格和体积都下降了,已经可以用于民用移动通信。2.1.6数据交换技术在计算机网络中,当通信用户较多而传输的距离较远时,通常采用交换技术,使通信传输线路为各个用户所共用,以提高传输设备的利用率,降低系统费用。通常使用四种交换技术:电路交换(也称线路交换)报文交换分组交换信元交换技术2.1.6数据交换技术1.电路交换(也称线路交换)在电路交换方式中,通过网络节点(交换设备)在工作站之间建立专用的通信通道,即在两个工作站之间建立实际的物理连接。一旦通信线路建立,这对端点就独占该条物理通道,直至通信线路被取消。电路交换必定是面向连接的,电话系统就是这种方式。电路交换的三个阶段:电路建立阶段、数据传输阶段、拆除电路阶段。2.1.6数据交换技术电路交换的特点:

(1)电路交换中的每个节点都是电子式或电子机械式的交换设备,它不对传输的信息进行任何处理。

(2)数据传输开始前必须建立两个工作站之间实际的物理连接,然后才能通信。

(3)通道在连接期间是专用的,线路利用率较低。

(4)除链路上的传输延时外,不再有其他的延时,在每个节点的延时是很小的。

(5)整个链路上有一致的数据传输速率,连接两端的计算机必须同时工作。电路交换的主要优点是实时性好,且由于信道专用,通信速率较高;缺点是线路利用率低,不能连接不同类型的线路组成链路,通信的双方必须同时工作。采用程控专用小交换机(ComputorizedBranchExchange,CBX)为核心组成的计算机网络就是采用电路交换方式的。2.1.6数据交换技术2.报文交换报文是一个带有目的端信息和控制信息的数据包。报文交换采取的是“存储-转发”(Store-and-Forward)方式,不需要在通信的两个节点之间建立专用的物理线路。报文交换的主要缺点是网络的延时较长且变化比较大,因而不宜用于实时通信或交互式的应用场合。2.1.6数据交换技术报文交换方式与电路交换相比,具有如下优点:

(1)线路利用率较高,因为一个“节点-节点”信道可被多个报文共享。

(2)接收方和发送方无须同时工作,在接收方“忙”时,网络节点可暂存报文。

(3)可同时向多个目的站发送同一报文,这在电路交换方式中是难以实现的。

(4)能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理。

(5)报文交换网络能进行速度和代码转换。报文交换的主要缺点是网络的延时较长且变化比较大,因而不宜用于实时通信或交互式的应用场合。2.1.6数据交换技术3.分组交换分组交换(PacketExchanging)也属于存储-转发交换方式,但它不是以报文为单位,而是以长度受到限制的报文分组(Packet)为单位进行传输交换的。分组的最大长度一般规定为1千到数千比特。进行分组交换时,发送节点先要对传送的信息分组,每个分组中的数据长度不一定相同,但都必须小于规定的最大长度。还要对各个分组编号,加上源地址和目的地址以及其他控制信息。在进行分组交换的时候,发送节点首先要对发送的信息进行分组,每个组给定一个编号,加上源地址和目的地址的信息,还有约定的头和尾等信息,这个分组的过程叫作信息打包。分组也叫作信息包,分组交换有时也称为包交换。分组在网络中传输,还可以分为两种不同的方式:数据报和虚电路。2.1.6数据交换技术分组交换的优点:可靠迅速灵活高效2.1.6数据交换技术以上三种交换技术的比较:

(1)对于交互式通信来说,报文交换是不合适的。

(2)对于较轻的和/或间歇式负载来说,电路交换是最合算的,因为可以通过电话拨号线路来使用公用电话系统。

(3)对于两个站之间很重的和持续的负载来说,使用租用的电路交换线是最合算的。

(4)当有一批中等数量数据必须交换到大量的数据设备时,宁可用分组交换方法,这种技术的线路利用率是最高的。

(5)数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文。

(6)虚电路分组交换适宜于长报文交换和减轻各站的处理负担。2.1.6数据交换技术4.信元交换技术异步传输模式(AsynchronousTransferMode,ATM)是一种面向连接的交换技术,它采用小的固定长度的信息交换单元(一个53Byte的信元),话音、视频和数据都可由信元的信息域传输。它综合吸取了分组交换高效率和电路交换高速率的优点,针对分组交换速率低的弱点,利用电路交换与协议处理几乎无关的特点,通过高性能的硬件设备来提高处理速度,以实现高速化。ATM是广域网主干线的较好选择。实