第2章数据通信.ppt
第2章 数据通信,2005年8月计算机系网络教研室田华,计算机网络是计算机技术和通信技术的结合。,本章内容,.2 数据通信基础.2.1 数据通信基本概念.2.1.1 数据与信息.2.1.2 信号与信号传输.2.1.3 数据通信的有关技术指标.2.2 数据通信系统构成.2.3 数据编码技术.2.3.1 数字数据数字信号表示.2.3.2 数字数据模拟信号表示.2.3.3 模拟数据数字信号表示,.2.4 数据通信数据传输方式.2.4.1 数据通信的数据传输方式.2.4.2 同步与异步.2.5 复用技术.2.6 交换技术.2.7 差错检验和控制.2.7.1 差错类型.2.7.2 差错控制.2.7.3 常用检错纠错码,数据通信,数据通信基本概念,数据数字、字母、符号的集合。数据被用来表示一定的信息例如:010 数据，表示2这个信息数据的形式模拟数据连续的物理量数字数据离散的物理量,信号,信号将数据转换成电信号的形式。模拟信号表示模拟数据的信号。在时间和幅度上连续数字信号表示数字数据的信号。在时间、幅度上离散模拟信号、数字信号可以相互转化,模拟信号和数字信号的对比,数字信号的离散性，使具有较模拟信号更强的抗干扰性。,信道,信道信号传输的通道模拟信道传输模拟信号的通道数字信道传输数字信号的通道,信道,信道信号传输的通道按是否存在物理上的传输介质分类物理信道：两个节点间有物理通路逻辑信道：两个节点间没有物理上的通路,信号传输,根据是否进行调制，信号传输分为：基带传输Base band数据信息被转换成电信号时，使用信号固有频率和波形传输。例如：ADSL接入方式使用基带MODEM。又如：局域网中组网标准10baseT，其中base，即指遵循该标准组建的局域网，其数据信号的传输是基带传输方式。频带传输（宽带传输）将数据信息变换成便于通信线路传输的交流信号，再进行传输。例如：普通拨号使用频带MODEM,信号传输,频带传输调制让数字信号控制一个基本的电磁波（载波），使得电磁波的特性随数字信号的变化而变化。解调从调制过的电磁波中去掉载波，取得数字信号。,2.1.3 数据通信的有关技术指标,信号速率（传码率、调制速率）每秒发送的信号个数单位：baud（波特）数据传输速率（比特率、传输率）每秒传输的二进制位数单位：bps（bit/s）,2.1.3 数据通信的有关技术指标,信号传输速率波特（Baud）用B表示,数据传输速率 bps(bit per second)用C表示,C=Blog2n n是调制电平数,0,1,2,3,00,01,10,11,2.1.3 数据通信的有关技术指标,误码率二进制位在传输系统中被传错的概率数据通信的误码率应10-6,Pe=,Ne,N,数据通信系统模型,带宽和信道容量,带宽（Bandwidth）(Hz)信道容量（C）信道的最大数据传输速率信道容量的计算理想无噪声信道的信道容量奈奎斯特公式 C=2Hlog2n(bps)理想有噪声信道的信道容量香农公式 C=Hlog2（1S/N）(bps)信噪比（dB）=10lg（S/N）例如：电话拨号线路，信道带宽4000Hz，以信噪比30dB计算，信道容量C=4000*log2（1103）=40Kbps,数字信号的频带特性,数字信号方波频带从0因此当这样的信号通过带限信道时，会发生变形。当数字信号传输速度越快，由于变形所造成的相互干扰越严重。,数字信号通过带限信道,因此信道容量和频带宽度呈一定比例关系。,影响信道容量的因素-1,香农公式 C=Hlog2（1S/N）(bps)带宽信噪比（信号功率/噪声功率）,影响信道容量的因素-2,信道容量不仅由传输介质决定，还受到信道上网络设备处理速度的影响。带宽就像水管的粗细网络设备就像水管的阀门、连接器等数据就像水管中的水,信道容量,带宽就像道路的宽窄数据就像要跑在道路上的车,.2.3 数据编码技术,.2.3.1 数字数据数字信号表示.2.3.2 数字数据模拟信号表示.2.3.3 模拟数据数字信号表示,.2.3.1 数字数据数字信号表示,不归零编码NRZ(Non-Return-Zero)以电平表示0/1整个码元时间内保持有效电平曼彻斯特编码(Manchester Encoding)每位码元中间有一个电平跳变 表示1，表示0例如：局域网10base标准中定义使用此类编码差（微）分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）每位码元中间有一个电平跳变每位码元开始时有跳变，0；无跳变，1,.2.3.1 数字数据数字信号表示,.2.3.2 数字数据模拟信号表示,载波信号调制解调AM:幅移键控（Amplitude Shift Keying-ASK）FM:频移键控（Frequency Shift Keying-FSK）PM:相移键控（Phase Shift Keying-PSK）,.2.3.2 数字数据模拟信号表示,调制解调器的分类,音频MODEM调制信号到信道频带内基带MODEM数字信号编码无线MODEM,.2.3.3 模拟数据数字信号表示,脉冲编码调制PCM模拟信号-采样-量化-编码-数字信号将时间、幅度均连续的模拟信号转换成时间、幅度都离散的数字信号。,PCM,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM脉冲,PCM 脉冲（有量化误差）,011100011011001100,PCM 输出,采样、量化,采样定理如果采样频率2倍信号最高有效频率，则可以用采样信息恢复原信号。例如声音采样频率为：4000Hz*2=8000Hz,脉冲编码调制（PCM）,编码,PCM编码每路声音信号有128个量化级，需要7位二进制编码表示。国际标准PCM编码：8位编码传输一路声音信息所需传输速率=采样频率*编码长度=8000*8=64000bit/s,数据信号的传输方式,并行传输、串行传输同步、异步通信方式：单工、半双工、全双工,并行传输、串行传输,0123:n-1信号地,0123:n-1信号地,源DTE,目的DTE,1,1,1,0,0,0,1,信号地,1 0 0 1 0 0 1 1,并行,串行,成本低，远程通信中常用需解决位同步问题,传输的同步问题,同步问题：正确区分信号中的每个比特-位同步区分每个单元（字符或字节）的开始和结束位-字符同步区分每个完整的信号块或帧（报文）的开始和结束位-帧同步同步传输、异步传输,单工、半双工、全双工,同步、异步,（a）单同步格式,（b）双同步格式,（a）异步格式,多路复用技术,多路复用技术用一条高速线路传送多条低速线路的数据分类：频分多路复用（FDM-Frequency Division Multiplexing）时分多路复用（TDM-Time Division Multiplexing）波分多路复用（WDM-Wavelength Division Multiplexing）码分多址多路复用（CDMA-Code Division Multiple Access）空分多路复用（SDMA-Space Division Mutiple Access）,频分复用,3400,300,3400,300,3400,300,复用器,4600,7700,8600,11700,12600,15700,t,t,t,t,空闲时间,f,未复用,频分复用,频分多路复用,主要应用：传统电话通信系统ADSL将双绞线划分出3个频段04KHz 传统语音信号2050KHz 计算机上传的信号150500KHz计算机下载的信号1401100KHz,频分复用,如果每路信号以不同的载波频率进行调制每个载波频率是完全独立的，即各个信道所占用的频率不相互重叠。相邻信道之间用“警戒频带”隔离那么每个信道就能独立的传输一路信号。,频分复用,信道被划分成若干通道，每个通道互不重叠，独立进行数据传递。,时分多路复用技术,时分多路复用（TDM-Time Division Multiplexing）特点：多条低速线路轮流使用同一条高速线路进行数据传递应用：电话主干线路种类同步时分复用、异步时分复用,时分复用,以信道传输时间为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用。将传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片。,数字载波标准,用数字信号传输语音和数据的时分复用标准。T-标准北美、日本E-标准欧洲、中国、南美,T1和E1,T1载波系统将24路电话信号复用在一条通信线路上。24*8*8000+8000=1544000bit/s=1.544MbpsE1将32路电话信号复用在一条通信线路上32*8*8000=2048000bit/s=2.048Mbps,1,2,3,帧头,24,1,帧头,2,3,24,1,帧头,2,3,24,8000个/s,每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（供32个用户轮流使用）。每通道占用125 us/32=3.90625 us 每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制位占用0.48828125 us，所以 E1速率=1/0.48828125=2.048Mb/s,E1标准,也可以这样计算E1速率 E1速率=(32x8bit)/125 ms=2.048 Mb/s,E1-帧格式,125 ms=32 时隙=2.048 Mbps,帧同步,信令信道,30 路话音数据信道+2 路控制信道,波分复用,光谱,波分复用,在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。,码分多址,每个用户具有特定的地址码,空分多址（SDMA）,将空间分割构成不同的信道，从而实现频率的重复使用。一颗卫星使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域、地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。,交换技术,远程传输网络，不可能铺设用户到用户的线路，因此产生了交换技术。交换技术是指数据被从设备的一个端口送到另一个端口所采用的技术。电路交换报文交换分组交换高速交换技术帧中继信元交换（ATM）光交换,电路交换,A,B,C,D,发送呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.作出反应 2.发送回应 信号,电路交换,特点:1.有通话的建立过程2.通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在,报文交换,A,D,C,B,发送报文,传输,等待-发送,传输,等待-发送,传输,报文交换,特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术,传输延迟,A B C D,分组交换,分组交换,特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术3.将数据分成有大小限制的分组后发送,数据报方式,1,2,3,4,5,6,7,B,A,C,D,E,a1,a2,a3,a1,a2,a3,a1,a2,a3,a1,a2,a3,a1,a2,a3,虚电路方式,1,2,3,4,5,6,7,B,A,C,D,E,a1,a2,a3,a1,a2,a3,a1,a2,a3,a1,a2,a3,a1,a2,a3,三种交换技术对比,三种交换技术对比,高速交换技术,帧中继ATM光交换,帧中继,减少网络层的处理，只在链路层进行处理。将差错处理交由通信两端的计算机设备进行。产生原因：传输网络线路条件改善通信两端用户设备（计算机）处理能力的提高,信元交换（ATM）,异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode）建立虚电路固定长度的信元作为数据传输的基本单位信元长度53字节信源头5字节数据48字节,差错控制方法,差错控制的基础：抗干扰编码使得原来彼此独立、没有相关性的信息码元序列，经过编码变换后，产生某种规律性（相关性），从而在接收端能根据这种规律性来进行检查，进而纠正错误。差错控制方法：检错重发（ARQ）：发现错误，要求发送端重新发送前向纠错（FEC）：从接收的码元中能够检错并能纠错。混合纠错（HEC）：前向纠错+检错重发信息反馈（IRQ）：将接收的码元原封不动发回发送端，发送端发现错误则重发。,抗干扰编码,奇偶校验附加校验位，使得码元中“1”的个数始终为“奇数”或“偶数”循环庸余校验码（CRC）海明码,数字信号传输衰减,4B/5B编码,将欲发送的数据流每bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。5bit码共有32种组合，但只采用其中的16种对应4bit码的16种，其他的16种或者未用或者用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。应用实例：FDDI、100BASETX、100BASEFX,
