第1章数据通信基础知识课件.ppt

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1、现代数据通信技术与应用,说 明本课件配套电子工业出版社现代数据通信技术与应用,内容安排,从宏观角度全景式介绍现代数据通信技术及其应用，共4章。第一章数据通信基础知识；第二章数据通信关键技术；第三章数据通信网基础；第四章数据通信技术应用。此外，每章安排7个兼顾知识性、实用性、前瞻性的阅读材料，作为正文补充、拓展。,课程概述,1.1 数据通信基本概念1.2 通信系统技术基础1.2.1 通信系统概述1.2.2 模拟通信系统1.2.3 数字通信系统1.3 数据通信系统概述1.4 数据通信传输介质1.5 数据通信传输方式,第1章 数据通信基础知识,第3章 数据通信网基础,第4章 数据通信技术应用,第2章

2、 数据通信关键技术,课程概述,2.1 数据通信传输技术2.2 数据通信复用技术2.3 数据通信交换技术2.4 数据通信同步技术2.5 数据通信复接技术2.6 数据通信差错控制,第1章 数据通信基础知识,第3章 数据通信网基础,第4章 数据通信技术应用,第2章 数据通信关键技术,课程概述,3.1 数据通信网概述 3.2 通信网拓扑结构 3.3 数据通信网协议 3.3.1 通信协议概述 3.3.2 OSI参考模型 3.3.3 TCP/IP协议 3.4 常用数据通信网 3.5 数据通信网互联,第1章 数据通信基础知识,第3章 数据通信网基础,第4章 数据通信技术应用,第2章 数据通信关键技术,课程概

3、述,4.1 物联网4.1.1 物联网基本概念4.1.2 物联网体系结构4.1.3 物联网系统组成4.1.4 物联网关键技术4.1.5 物联网应用领域4.2 三网融合4.3 多媒体通信4.4 下一代网络NGN,第1章 数据通信基础知识,第3章 数据通信网基础,第4章 数据通信技术应用,第2章 数据通信关键技术,对老师的建议,教材。从概念和定义出发，要系统、全面；教学。从问题出发，层层剖析、逐步深入。教学过程中。不必拘泥教材顺序组织内容，应从“以教为主”过渡到“教与学相结合”，着力培养学生自学能力。有些内容允许“知其然而不知其所以然”，将来结合工作实践进一步理解。,对同学的建议,自学能力的培养。大

4、学作为迈向工作岗位前最重要的知识积累和能力培养阶段，一定要培养自学能力。系统的角度理解。大学阶段，主要掌握基础性、原理性知识，特别从系统的、宏观的角度理解所学知识，更多内容工作时结合实践进一步充实、提高。,第1章数据通信基础知识,（1）正文主要介绍通信系统技术基础，数据通信的基本概念、系统构成、传输介质、传输方式等。（2）阅读材料介绍通信发展简史、信息技术基础、数据采集技术、数据存储技术、信息显示技术、国际电信联盟ITU、国际标准化组织ISO。,第1章数据通信基础知识1.1 数据通信基本概念,1.数据通信概述定义。数据通信作为以传输数据为业务的通信方式，是依照一定的通信协议，利用传输技术在两个

5、终端间传输数据信息的通信方式和通信业务。它是随着计算机技术和通信技术的迅速发展，特别是两者相互渗透与结合，于20世纪50年代出现的一种通信方式。,1.1 数据通信基本概念,主要特点。数据通信克服了时间上、空间上的限制，实现远程“计算机-终端”间相互通信，达到软硬件资源、信息资源及数据处理的共享。数据通信是继电报、电话业务之后第3种最大的通信业务，实现“人（通过终端）-机（计算机）”通信与“机-机”通信，也包括通过智能终端的“人-人”通信。主要特点如下：,1.1 数据通信基本概念,实现“人-机”、“机-机”、“人-人”间通信，计算机直接参与通信是数据通信重要特征；具有灵活的接口能力，满足各式各样

6、终端间的相互通信；突发度高，通信持续时间差异大，是一种阵发式通信；数据传输准确性要求高，需严格的通信协议；传输速率高，要求接续和传输响应时间快；对差错敏感，可靠性要求高。,1.1 数据通信基本概念,2.数据通信研究内容数据通信主要任务是完成计算机或数据终端间数据的传输、交换、存储和处理等。通常从数据通信系统各组成部分功能的角度，把数据通信研究的内容分为3个基本方面。数据传输。通信接口。通信处理。,1.1 数据通信基本概念,3.数据通信涉及的技术数据通信涉及的技术主要有信道特性、传输技术、多路复用技术、同步技术、交换技术、通信接口技术、差错控制技术、数据通信网技术、多媒体通信技术等。通信信道。研

7、究常用信道的特性及有线信道、无线信道的工作机理。数据传输技术。包括基带传输和频带传输。,1.1 数据通信基本概念,多路复用技术。多路复用是提高信道利用率的有效方法，包括FDMA、TDMA、CDMA等。同步技术。同步目的是使通信系统收、发两端在时间上保持步调一致。有载波同步、位同步、群同步及网同步等。交换技术。交换是实现一点对多点通信的基础，包括电路交换、分组交换、帧中继交换、异步交换（ATM）等。,1.1 数据通信基本概念,通信接口技术。通信接口技术包括接口的功能、过程、电气和机械。差错控制技术。主要研究检错、纠错码原理及实现方法。数据通信网技术。包括局域网、分组交换数据网、数字数据网、宽带I

8、P网、接入网等。多媒体通信技术。研究多媒体信息处理、多媒体通信网络、多媒体终端和通信同步等。,1.1 数据通信基本概念,4.数据通信的业务数据业务是计算机进行运算、处理和存储的数据为信息载体的业务，分以下两类。基础数据业务。主要指公共数据传送业务和移动数据业务。增值数据业务。指在原基础网络设施的基础上增加必要设备构成增值网后，向用户提供新的业务。,1.2 通信系统技术基础1.2.1 通信系统概述,1.通信系统构成利用传输信道或网络将具有收、发信息功能的终端设备有机连接起来的系统，包括终端设备、交换设备、传输信道。,图1-1通信系统构成,1.2.1 通信系统概述,终端设备。完成消息和信号转换，还

9、具有产生、识别、处理信令及信道适配等功能。交换设备。通信网络核心，汇集、转接、分配用户信号，实现用户间连接、通信。传输设备。是连接交换节点、提供传输信号通道的系统。,1.2.1 通信系统概述,2.通信系统分类按信号特征分类。根据信号幅度是否随时间连续变化，分模拟通信系统和数字通信系统。按传输介质分类。根据传输介质不同，分为有线通信，如双绞线、双平行线、同轴电缆、微带、波导、多芯铜线、光缆等；无线通信，如移动通信、微波通信、卫星通信、雷达、声呐、遥控遥测、无线定位、无线接入等。按调制方式分类。根据信号送到信道前是否进行调制，分基带传输和频带传输。,1.2.1 通信系统概述,表1-1 常用调制方式

10、及用途,1.2.2 模拟通信系统,1.模拟通信系统模型由调制信号m（t）分别以正比关系控制载波信号c（t）=A0cos（ct+）的幅度、频率、相位，实现调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等不同的调制方式。图1-2模拟通信系统模型,1.2.2 模拟通信系统,2.调制的目的调制是对信源信号进行处理，使其变为适合于信道传输的过程；相反称解调。模拟信号的调制、解调过程如下图。,1.2.2 模拟通信系统,调制的主要目的：频谱变换。为有效、可靠地传输信息，将低频信号基带频谱搬移到适当的或指定的频段。提高抗干扰能力。调制能改善系统的抗噪声性能，通过调制增强了信号抗干扰的能力。实现信道多路复用。实现同一

11、信道中多个信号互不干扰地同时传输。,1.2.2 模拟通信系统,3.常用调制方式载波的12个参量成比例地受控于调制信号的变化规律。根据m（t）和c（t）的不同类型和完成调制功能的调制器传输函数不同，调制主要有AM、FM、PM等。,1.2.2 模拟通信系统,表1-2 3种调制方式标比较,1.2.2 模拟通信系统,几种模拟调制系统的带宽、直流响应、调制与解调设备复杂性等比较如表1-3所示。表1-3模拟调制系统比较,1.2.3 数字通信系统,1.数字通信系统构成数字通信系统基本构成如下图所示。除信源编码、信宿解码外，还包括信道编码器、调制器、信道、解调器和信道解码器，以及数字同步系统等。,1.2.3

12、数字通信系统,信源编码。把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷信息量最大，同时又能无失真地恢复原来的符号序列。分无损编码、有损编码两种。信道编码。作用是提高数字信号传输可靠性。信道复用。指多种信息流共享同一信道，提高资源利用率。,1.2.3 数字通信系统,数字信号调制、解调过程如下图所示。,1.2.3 数字通信系统,2.模拟信号数字化模拟信号数字化需经过采样、量化和编码3个步骤。有脉冲编码调制、差值编码、自适应差值编码、增量调制等方法。最典型、最基础的数字化方式是PCM，通信系统组成如下图所示。,1.2.3 数字通信系统,采样。把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值

13、，变为时间轴离散的采样信号的过程。量化。用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把连续幅度的模拟信号变为有限数量的离散值。编码。采样、量化后的信号还不是数字信号，需转换成数字脉冲，该过程称为编码。,1.3 数据通信系统概述,1数据通信系统构成由计算机、远程终端、传输信道及有关通信设备组成，实现数据传输、交换、存储和处理。,1.3 数据通信系统概述,数据终端子系统。由DTE和传输控制器组成：前者将发送的信息变换为数字信号输出，或者把接收的数字信号还原为用户能理解的信息形式；后者用于数据传输的控制。数据传输子系统。由传输信道及两端的DCE构成。数据处理子系统。包括通信控制器和中央处理机。,1.3

14、数据通信系统概述,2.数据通信系统特点便于利用现代技术对信息进行加工处理。抗干扰能力强、无噪声积累。可靠性高。可通过各种纠错编码技术来控制，达到很高的可靠性。安全保密性能好。有多种加密/解密方法，具有良好的安全保密性。便于集成化、微型化。数据通信系统存在以下局限性：占用频带宽；系统复杂。,1.3 数据通信系统概述,3数据通信系统技术指标（1）数据传输速率数据传输速率指信道传输信息的速度，有数据传输速率和信号传输速率两种表示方法。数据传输速率。单位时间传输的二进制位的个数。可用如下公式表示：S=（1/T）log2N信号传输速率。单位时间内所传送的码元个数，单位为波特（Baud），可用如下公式表示

15、：B=1/T,1.3 数据通信系统概述,比特率与波特率的关系。比特率针对的是二进制位数传输；波特率针对信号波形的传输。两者关系如下：S=Blog2N比特率与波特率相互关系如下图所示。,1.3 数据通信系统概述,（2）误码率误码率Pe。指传输的码元总数中错误接收的码元数所占比例，Pe=Ne/N。误比特率Pb。指信息传输过程中，错误的比特数占总传输的比特数的概率（二进制系统）。Pb=传输出错的比特数/传输的总比特数（3）信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，受信道带宽限制，信道带宽越宽，单位时间传输的信息就越多。,1.3 数据通信系统概述,按信道频率范围不同，分窄带信道（0300Hz）、音频信

16、道（3003400Hz）和宽带信道（3400Hz）。信道容量有两种衡量方法：奈奎斯特公式和香农公式。二者在数据通信系统作用范围如下图。,1.4 数据通信传输介质1.4.1 传输介质概述,传输介质是安全防范系统信息传输的物理通路，分有线、无线两大类。有线介质。看得见、摸得着，信号沿导线传输，能量相对集中，传输效率较高。无线介质。传输信息的媒质为自由空间，信号分散，传输效率较低，安全性较差，分长波、中波、短波、超短波和微波等。,1.4.1 传输介质概述,表2 常用传输介质类型与特点,1.4.1 传输介质概述,（2）传输介质的特性物理特性。说明传输介质的特征。传输特性。包括信号形式、调制技术、传输速

17、率及频带宽度等。连通性。采用点-点或点-多点连接方式。地理范围。通信系统各点间最大距离。抗干扰性。防止噪声、电磁干扰对数据传输影响的能力等。,1.4.2 有线传输介质,有线传输媒质为看得见、摸得着的架空明线、双绞线、电缆、光纤等。优点。信号沿导线传输，能量相对集中，传输效率高；监控网络布线受外界因素影响小，传输质量较有保障。缺点。通信成本高，受地形影响较大，敷设时受地面因素影响，有些区域难以覆盖。,1.4.2 有线传输介质,1.双绞线由两根绝缘导线螺旋状扭在一起组成，分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。无屏蔽双绞线。将双绞线放入绝缘套管，用于近距离传输，易安装、价格低，但传输速度较慢、抗干扰能力差、

18、信号衰减明显；屏蔽双绞线。双绞线外加上金属丝编织的屏蔽层，容量大、保密性好、抗干扰能力强，但成本较高。,1.4.2 有线传输介质,表1-5 非屏蔽双绞线传输性能,1.4.2 有线传输介质,2.电缆一对导体按“同轴”形式构成，各层依次为：内导体。同轴电缆核心，用于信号传输。绝缘层。防止内导体与外导体短路。外导体。与内导体构成导体，屏蔽外部干扰并防止信息泄漏。外套。保护作用。,1.4.2 有线传输介质,3.光导纤维（1）光波基础知识电磁波波谱如图1-15所示，光波由紫外光（波长390nm）、可见光（波长390760nm）、红外光（波长760nm）构成。由于光波频率比常用的微波高，故光波通信容量很大

19、。,1.4.2 有线传输介质,图1-15电磁波波谱图,1.4.2 有线传输介质,（2）光纤的结构光导纤维典型结构是多层同轴圆柱体，如下图所示。纤芯由高度透明的材料制成，是光波的传输通道，光线在核心部分多次全反射，达到传导光波之目的。,1.4.2 有线传输介质,（3）光纤导光原理光在分层介质的传播如下图所示。,1.4.2 有线传输介质,（4）光纤的分类,表1-6实际使用的光缆分类,1.4.2 有线传输介质,（5）光纤通信波段光纤通信使用的波长有0.85m、1.31m、1.55m。根据波长、频率f和光速c（3108m/s）关系式f=c/，计算出光纤通信频率范围为（1.673.75）1014Hz。光

20、纤通信所用光波的频率非常高（约108MHz量级），传输带宽远大于其它传输介质，是最有前途的有线传输手段。,1.4.2 有线传输介质,图1-191.31m和1.55m窗口的带宽,1.4.2 有线传输介质,（6）光纤通信系统由光发射机、光接收机、光纤或光缆、中继器、光纤连接器或耦合器等组成。利用光发射机内的光源将调制好的光波脉冲导入光纤，光信号通过全反射经光纤传输到光接收机。,1.4.2 有线传输介质,（7）光纤通信特点优点。传输信号频带宽、通信容量大、传输损耗小、传输距离远、误码率低（10-9）、可靠性高、抗干扰能力强、保密性好。缺点。光纤弯曲半径不宜过小；光纤连接、切断复杂；分路、耦合麻烦；价

21、格较高、敷设困难。,1.4.3 无线传输介质,通过空间电磁波传输信号，重要基础是无线电波传播。由于各波段传播特性各异，故用于不同的通信系统，形成多种无线通信。按波长不同，分长波、中波、短波、超短波和微波等，整个频率范围称电磁波频谱。常用的有无线电波、微波、红外、激光等。,1.4.3 无线传输介质,表3 无线电波各波段相关参数及应用,1.4.3 无线传输介质,1.电磁波频谱分布及应用,1.4.3 无线传输介质,2.无线电波传播方式无线电波有表面波、自由空间波、天波、散射波和外层空间波5种传播方式，如下图。,1.4.3 无线传输介质,3.微波（1）微波通信概述定义。频率300MHz300GHz，能

22、量集中于一点并沿直线传播的电磁波称为微波。微波频率高、波长短，在空中的传播特性与光波相近直线前进，遇到阻挡会被反射或阻断，故微波通信主要是视距通信，超过视距需中继转发。,1.4.3 无线传输介质,微波通信。利用微波作为载波并采用中继方式进行的“点-点”无线通信，有地面微波接力通信和卫星通信两种，可传输音频、视频、数据等。假设天线高度h、视距传播距离d及地球半径r，应满足：d=sqr（2rh）。,1.4.3 无线传输介质,（2）数字微波通信系统由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成 。,1.4.3 无线传输介质,用户终端。是逻辑上最靠近用户的输入/输出设备，主要通过交换机集中在微波站。交

23、换机。作用是实现本地用户终端间的业务互通，交换机配置在微波终端站或微波分路站。终端复用设备。将交换机传输的多路信号或群路信号适当变换，送到微波站的发射机。微波站。传输来自终端复用设备的群路信号。,1.4.3 无线传输介质,（3）数字微波通信特点传输信息容量大。微波频段的频带约300GHz，频带宽、容量大。通信稳定且可靠。由于微波频段频率高，干扰对微波通信的影响极小。通信灵活性较大。微波通信采用中继方式实现远距离通信，比有线通信更具灵活性。投资少、建设快。通信容量、通信质量基本相同的情况下，微波通信建设费用低、周期短。,1.4.3 无线传输介质,（4）数字微波通信工作过程用户甲通过微波通信系统把

24、信号发给乙的过程 。,1.4.3 无线传输介质,4.卫星通信（1）卫星通信概述定义。卫星通信指利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电波，实现两个或多个地球站间的通信。按运行方式不同，分同步卫星和非同步卫星。同步卫星通信容量大、传输距离远、覆盖范围广，特别适合全球通信、电视广播及地理环境恶劣地区使用。目前，商用通信卫星多为同步卫星。,1.4.3 无线传输介质,图1-29同步卫星示意图,1.4.3 无线传输介质,（2）卫星通信系统将卫星作为中继站的特殊微波通信，由发端地球站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地球站等构成。,1.4.3 无线传输介质,（3）卫星通信特点通信距离远，通信成本与距离

25、无关。通信覆盖面积大，便于多址连接。传输容量大，适于传输音频、视频、数据等。通信线路稳定可靠，通信质量高。受天气、季节或人为干扰的影响小。通信灵活。通信不受地形、地貌等影响，沙漠、丛林、高空及海洋等都能进行卫星通信。但传输延迟大、卫星使用寿命短。,1.4.3 无线传输介质,5.红外传输红外通信利用红外线来传输数据。系统由红外发射和接收两部分组成：前者对红外辐射源进行调制后发射；后者用光学装置和红外探测器进行接收。红外通信能实现“点-点”直线传输，是传统设备间连接线缆的替代，通过数据电脉冲和红外光脉冲相互转换实现无线数据收发。,1.4.3 无线传输介质,红外通信特点：无须专门申请特定频率使用执照

26、；传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网中是最高的。但通信距离较短，通信过程中不能移动，遇障碍物通信中断。红外通信主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一、扩展性较差。,1.4.3 无线传输介质,6.激光传输（1）激光通信概述激光通信系统由两台或多台激光通信机构成。受调制的信号通过驱动电路使激光器发光，载有信号的激光通过光学天线发射；激光接收机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器，转换为电信号并处理，完成激光通信。（2）激光通信系统框图,1.4.3 无线传输介质,图1-32激光通信系统原理框图,1.4.3 无线传输介质,（3）激光通信优点通信容量大。激光的频率比微波高34个数量

27、级，作为通信的载波有更大的利用频带。功耗低。激光的发散角极小，能量高度集中，发射机功率可显著降低，功耗相对较低。体积小、重量轻。激光通信能量利用率高，减轻了发射机及供电系统的重量。灵活机动。很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。,1.5 数据通信传输方式1.5.1 按数据流向分,数据通信按数据传输的流向分为单工传输、半双工传输与全双工传输3种。,1.5.1 按数据流向分,单工数据传输。指两数据站间只能沿一个指定的方向传输，而不能进行相反方向的传输。半双工数据传输。数据可以在两个方向传输，但同一时刻只限于一个方向传输。全双工数据传输。该方式两个方向能同时传输数据。

28、,1.5.2 按传输顺序分,按照数据传输中码元的传输顺序，分并行传输和串行传输两种方式。并行传输。数据以组的方式在多条并行信道上同时传输，常用的是将构成一个字符代码的几位二进制码分别在几个并行信道上传输。,1.5.2 按传输顺序分,并行传输特点如下：传输速度快，一位时间内可传输一个字符；通信成本高，每位传输要求一个单独的信道支持，8b并行传输要求8个独立信道支持；不支持远距离传输。,1.5.2 按传输顺序分,串行传输。数据流以串行方式在一条信道传输。主要特点：传输速度较低，每次一位；通信成本较低，支持远距离传输。存在收、发双方如何保持码组或字符同步问题。,1.5.3 按同步方式分,异步传输。每次传输一个字符，都要在该字符代码前加一个起始位在字符代码和校验码后面加一个停止位以示该字符代码结束。起、止信号能区分串行传输的“字符”，也就是实现串行传输收、发双方码组或字符的同步。,1.5.3 按同步方式分,异步传输特点：同步实现简单，收发双方时钟信号不需要严格同步；但开销大、效率低、速度慢，常用于1200bps以下低速传输。同步传输。以数据块为传输单位，可以连续发送多个字符，每个字符不需添加附加位，接收方接收的每位数据都要与发送方保持同步。同步传输特点：传输开销小，传输效率高，多用于字符信息块的高速传输。缺点是实现较为复杂，常用于2400bps以上速率传输。,