数据通信的基础知识.ppt

1、第1页,第二章 数据通信的基础知识,本章内容 信道 传输媒体 编码 多路复用 数据交换技术 差错控制,第2页,2.1 基本概念,数据及计算机通信术语 数据(Data)：传递(携带)信息的实体。 信息(Information)：是数据的内容或解释。 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(Base band)与宽带(Broad band) 信道(Channel)：传送信息的线路(或通路),第3页,比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。 比特率(bps):是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进

2、制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。 波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。 波特率：是一种调制速率，也称波形速率。它是针对模拟信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改变的次数。或者说，在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位是波特（baud）。从调制速率的意义来理解，它是脉冲信号经过调制后的传输速率，通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。又称为信号速率。,第4页,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,码元(Code Cell)：时间轴上的一个

3、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 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,第5页,误码率：信道传输可靠性指标，是概率值 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方法。 例如：字符A的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001，其数据编码可能为,第6页,带宽 带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。 在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/s 一个以太局域网理

4、论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。,第7页,语音信道带宽的由来,第8页,时延 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延 处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒） 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速,第9页,时延带宽乘积 某一链路所能容纳的比特数 时延带宽乘积=带宽传播时延 例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。,第10页,往返时延 (Round-Trip Time ，RT

5、T) 从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间 RTT2传播时延 传输可靠性 两个含义： 数据能正确送达 数据能有序送达(当采用分组交换时),第11页,通信系统模型,通信的三个要素：信源、信宿和信道,第12页,数据通信系统是由数据传输系统和数据处理系统两部分组成。 数字传输系统-通信子网的组成 传输线路：包括有线、无线 调制解调器：数字信号与模拟信号的转换 多路复用器：后面将要讲到为实现多路复用而采用的频分多路复用技术和时分多路复用技术。 交换器：种类也有很多如： 2、数据处理系统-资源子网的组成 数据处理系统是由主计算机系统、终端、I/O设备等硬件资源及各种软件资源和数据库构成。,

6、第13页,信息通过数据通信系统传输 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。 信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。 编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错 调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调：接收波形数字信号 解码：数字信号原始数据,第14页,数据通信基本过程,包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话的对比 建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份 数据传送 互相通话 断开逻辑连接 互相确认要结束通话 断开物理连接 双方挂机,第15页,数据通信的主要技术指标,也是衡量数据通信系统性能的主要技术指标，主要包括两方面：

7、1) 传输速率 传输速率是衡量数据通信系统有效性程度的指标。为了描述数据传输速率的大小，往往需要运用比特率、波特率等技术指标。 2)误码率 误码率是指信息在传输中的错误率。它是数据通信系统在正常工作状况下，传输可靠性的指标。在计算机网络中，误码率要求低于10-6。,第16页,2.2 信道及其主要特征,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。 模拟信号和数字信号 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值,第17页,模拟信号和数字信号 模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值

8、 数字信号 时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号,第18页,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）。,第19页,数字通信与模拟通信 数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 （注意课本上数字数据的两种传输方式的不同。） 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 计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电

9、话线拨号上网。,第20页,信道最大数据传输率,Nyquist 公式：用于理想低通信道 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 例如，话音级线路的 带宽为3100Hz，根据 上式计算的信道最大 数据率如右表所示,M 最大数据率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps 16 24800 bps 32 31000 bps,第21页,非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 延迟会使接收端的信号产生畸变。 噪声会破坏信号，产生误码。 持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56K

10、bit/s),第22页,Shannon公式：有限带宽高斯噪声干扰信道 例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则 C = 3100*log2(1+2000) 34Kbit/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s,S/N: 信噪比,C = W log2 (1+S/N),第23页,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C = 2W log2M 数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(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。,第24页,通信线路的连接方式

11、,点点连接方式 专线方式 交换方式 分支连接方式 集中控制式 分布式 集线连接方式,第25页,信道的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：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） 全双工：数据可以双向同时传输（电话） 或者具有两条物理上独立的传输线路 或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输,第26页,数字数据的传输方式,基带传输：不需调制，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：数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：通过电话模拟信道传输 宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到

12、几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调 例如：闭路电视的信号传输,第27页,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 帧同步,第28页,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 外同步发送端发送数据之前发送同步时钟信号，接收方用同步信号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信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,第29页,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。 分为异步式和同步式两种 异步式

13、每个字符的传输需要： 1个起始位 58个数据位 1，1.5，2个停止位 同步制以一组字符为单位进行发送,起始位,数据位,停止位,间隔, 不固定,第30页,字符同步的性能评估,频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步 每两个字符之间的间隔时间不固定 增加了辅助位，所以效率低 例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/1172,第31页,帧同步：识别一个帧的起始和结束。 帧(Frame)数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块 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 面向比特的以特殊位序列(7EH，即01111110)来

14、标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,第32页,2.3 传输媒体(介质),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 组装密度高、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 连接距离短,第33页,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,双绞线外无任何屏蔽层,常用的双绞线为3类(16Mbit/s) 和5类(155Mbit/s)两种,第34页,双绞线的标准做法,一、关于双绞线做法的两种国际标准 双绞线做法有两种国际标准，分别是EI

15、A/TIA568A和EIA/TIA568B。见下图：,第35页,实际上标准接法EIA/TIA568A和EIA/TIA568B二者并没有本质的区别，只是颜色上的区别 ，用户需要注意的只是在连接两个水晶头时必须保证： 1,2 线对是一个绕对；3,6 线对是一个绕对；4,5 线对是一个绕对；7,8 线对是一个绕对； 双绞线中4/5，7/8这四根线没有定义。,第36页,双绞线的两种常用的连接方法：直通线缆和交叉线缆,直通线缆： 水晶头两端都是遵循568A或568B标准，双绞线的每组绕线是一一对应的。颜色相同的为一组绕线。直通线缆适用场合： 交换机（或集线器）UPLINK口-交换机（或集线器）普通端口

16、交换机（或集线器）普通端口-计算机（终端）网卡,第37页,交叉线缆： 水晶头一端遵循568A，而另一端遵循568B标准。即两个水晶头的连线交叉连接，A水晶头的1，2对应B水晶头的3，6；而A水晶头的3，6对应B水晶头的1，2。颜色相同的为一组绕线。 交叉线缆适用场合： 交换机（或集线器）普通端口-交换机（或集线器）普通端口 计算机网卡（终端）-计算机网卡（终端）,第38页,第39页,单头网线也能“连网” 利用只有一个水晶头的网线模拟正常的网络连接，从而在单机上完成各种网络实验。这样的方法你试过吗？ 线路进行通断测试: 用RJ45测线仪测试时，绿灯都应依次闪烁。 软件调试最常用的办法，就是用Wi

17、ndows 95、Windows 98自带的Ping 命令。如果工作站得到服务器的响应则表明线路正常和网络协议安装正常。,第40页,同轴电缆 基带同轴电缆 阻抗50，用于数字传输 宽带同轴电缆 阻抗75 ，用于模拟传输，主要用于CATV,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,第41页,细同轴 D=1.02cm，10Mbit/s 每段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） 抗干扰能力较强 可靠性差 粗同轴 D=2.54cm，10Mbit/s 每段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

18、缆、Terminator） 抗干扰能力强 连接距离中等 可靠性好,第42页,光导纤维电缆 光纤通信是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，在发送端有光源（如发光二极管，来半导体激光器），产生光脉冲，在接收端利用光电二极管作光检测器，将光脉冲还原为电信号。,第43页,1).结构 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。,第44页,2).分类: 1. 多模光纤: 有多种不同角度入射光在一条光纤中传输. 纤芯62.5um, 2. 单模光纤: 只有一种入射光在光纤中直线传输. 纤芯8.3um,一根光缆少则只有一根光纤， 多则几百根，常用有4芯光缆。,第45页,3). 光纤

19、特点： 传输速度高带宽2500-3000GHz； 传输损耗小，中继距离长； 抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰，保密性好 体积小，重量轻； 缺点：连接常用专用设备，光电接口还比较贵。,第46页,第47页,无线传输,无线传输是指利用无线电波在自由空间的传播，实现无线电、微波、红外和激光等多种通信。以改进通信的灵活性和扩展传输距离为目的。 当前主要的无线接入技术的种类： 无线本地环路(WLL)终端固定的无线接入 蜂窝通信技术发展最迅速的无线接入技术 无绳通信最简单经济的慢速移动无线接入手段 卫星移动通信广域和国际性的无线通信手段，可以作为固定公用电信网的接入手段 个人通信网未来最理想的接入手段之一

20、,第48页,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 根据所利用的电磁波的频率又可将无线通信分为无线电通信、微波通信、红外通信和激光通信。,第49页,第50页,第51页,第52页,地面微波接力通信,1.距离: 一般传输距离 50Km 采用天线塔 100Km 2.频率范围：300MHz300GHz，可传输电话、电报、图像、数据等。 3.微波设备信道容量：960，1200，1800，2700 4.特点： 波段频率高，信道容量大，传输质量较高 与电缆载波比较，建设投资少，见效快。,第53页,无线通信的网络结构,第54页,第55页,第56页,红外线和毫米

21、波 用于短距离通信，如电视、录象机等的遥控 也可用于无线LAN 缺点：不能穿透固体 光波传输 应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN 缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响,第57页,第58页,常用传输媒体的比较,第59页,2.4 数据编码,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况,第60页,模拟传输和数字传输,第61页,编码与调制的区别 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,第62页,Modulator,Demodulator,数字或 模拟数据,模拟信号,m(t),s(t),m(t),数字或 模拟数据,载波,调制/解调,模拟信道,发送方,接收方,第63页,

22、1）数字数据的数字信号编码,把数字数据转换成某种数字脉冲信号 常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码 不归零码(NRZ，Non-Return to Zero) 二进制数字0、1分别用两种电平来表示。 常常用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，传输时必须使用外同步。,第64页,曼彻斯特编码(Manchester Code) 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变： 高低的跳变代表0，低高的跳变代表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。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Cod

23、e)。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。 差分曼彻斯特编码(Differential ) 每个码元的中间仍要发生跳变 用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1,第65页,三种数字编码的波形图,第66页,2）数字数据的调制编码,三种常用的调制技术： 幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying) 频移键控FSK (Frequency Shift Keying) 相移键控PSK (Phase Shift Keying) 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、

24、频率 、初相位 调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化,第67页,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0 和1,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,第68页,3）模拟数据的数字信号编码,采样定理： 如果模拟信号的最高频率为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。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号 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： 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：对每个样本舍入到量

25、化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为PCM信号 (脉码调制, Pulse Coded Modulation),第69页,话音信道带宽 2倍话音最大频率) 量化级数：256级 (用8位二进制码表示) 数据率：8000次/s*8bit = 64kbit/s 每路PCM信号的速率 = 64000bit/s,模拟话音,采样时钟,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,f4kHz,fs=8kHz,第70页,PCM转换过程举例,第71页,2.5 多路复用技术,复用：多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？提高线路利用率 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时

26、 类比：公共运输系统(铁路、海运、航空),第72页,复用类型 频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing) 波分复用WDM (Wave Division Multiplexing) 时分复用TDM (Time Division Multiplexing),第73页,频分复用 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。,第74页,时分复用 原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。,复用后的数据流,时隙号,1,2,3,1,D3,D2,D1,时间

27、片1,2,时间片2,D1,时隙,D2,复用器,第75页,由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。 时分复用的典型例子：PCM信号的传输 把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息) 每帧在一个时间片内发送 每个时隙承载一路PCM信号,第76页,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时隙，将会造成带宽浪费。 改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。,第77页,时分复用数字载波复用标准,T-标准 (北美、日本) E-标准 (欧洲、中国、南美) E1(一次群)标准 每12

28、5us为一个时间片，每时间片分为32个通道。 通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。 E1速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s 对E1进一步复用，还可构成E2、E3、E4和E5。 E5可承载7680个话路，数据率约为565Mbit/s 新的TDM标准是同步光网络(SONET)和ITU-T的同步数字系列(SDH)。常用的线路速率为(近似值) 155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。,第78页,E1-帧格式,E1线路也可以用于计算机通信,第79页,TDM与FDM TDM是通过在时间上交叉发送

29、每一路信号的一部分来实现一条线路传送多路信号。线路上的每一时刻只有一路信号存在，而FDM是同时传送若干路不同频率的信号。因为数字信号是有限个离散值，所以适合于采用TDM，而模拟信号的传输一般采用FDM。,第80页,波分复用光的频分复用 原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。,F2,F1,F3,光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,棱柱/衍射光栅,第81页,码分多路复用（CDMA） CDMA技术不是一项新技术，作为一种多址方案它已经成功地应用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。但是，由于卫星通信和移动通信中带宽的限制，所以CDMA

30、技术尚未充分发挥优点。光纤通信具有丰富的带宽，能够很好地弥补这个缺陷。近年来，OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。 OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。OCDMA通信系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端，对要传输的数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。,第82页,2.6 交换技术,什么是交换？ 交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源 例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。 为什么要采用交换技术？ 节省线路投资，提高线路

31、利用率 实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换,第83页,通信线路中的交换技术,B,D,C,A,E,F,第84页,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。 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的” 过程：建立连接通信释放连接 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。 不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。,第85页,第86页,报文交换 整个报文(Message)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

32、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。 传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。称为“无连接的” 缺点： 报文大小不一，造成存储管理复杂。 大报文造成存储转发的延时过长； 出错后整个报文全部重发。,第87页,分组交换（包交换） 将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet),每个分组为1024位进行存储转发。 数据传输前不需要建立一条端到端的通路也是“无连接的” 有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。,第88页,结点交换机处理分组的过程 将收到的分组先放入缓冲区存储; 再查找路由表，确定将该分组交给某个端口转发。,第8

33、9页,若A-C链路产生拥塞,则将分组转发到B; 一个分组交换网可以容许多个主机同时进行通信. (如:H2-H6主机),第90页,优点： 对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快； 转发延时小适用于交互式通信； 某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高； 各分组可通过不同路径传输，容错性好。 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。 3）在计算机网络中常用分组交换，偶尔用到电路交换，但绝不会使用报文交换的。,第91页,三种交换方式的事件顺序,第92页,异步传输模式ATM简介 ATM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，并在各数据块前加上地址、优先级等控制信息构成信元。 信元由5字节的信元头部和48字节的有效载荷构成：,第93页,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把信息插入到信元中发送。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。实际上就是统计时分复用。 ATM特点： 面向连接 (虚连接)，按序递交； 固定大小的信元，便于高速处理 (可用硬件实现)，