数据通信技术基础.ppt
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1、第2章 数据通信技术基础,2.1 数据通信的基本概念2.2 数据通信的主要技术指标2.3 模拟传输2.4 数字传输2.5 多路复用技术2.6 数据交换方式2.7 差错控制,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1数据、信息和信号2.1.2通信系统模型2.1.3数据传输方式2.1.4基带传输、频带传输和宽带传输2.1.5数据通信方式,2.1.1 数据、信息和信号,1.数据数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。它是信息的载体,可以是数字、文字、语言、图形和图像等。2.信息信息是数据的集合、含义与解释。数据与信息的比较:数据相对具体,信息相对抽象概括;两者相对存在,有时可以将二者等同起来。3.信号
2、信号是数据的物理表示形式,即数据的电气的或电磁的表现。在数据通信系统中,传输媒体以适当形式传输的数据都是信号。无论是数据还是信号,都可以分为模拟的与数字 两种。模拟信号是随时间连续变化的信号;数字信号是离散信号。如图2.1所示。,2.1.1 数据、信息和信号,模拟数据与数字数据,一般说来,模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数字信号,因此有以下四种情况:(1)模拟数据、模拟信号:最早的电话系统即如此;(2)模拟数据、数字信号:将模拟数据转换成数字形式后,就可以利用先进的数字传输和交换设备;(3)数字数据、模拟信号:有些传输媒体只适合传输模拟信号,因此必须把数字数据经调制变换为模拟信号才能传
3、输,这个过程叫做调制(传输后再把模拟信号转换为数字信号进入接收端的计算机的过程,叫做解调);(4)数字数据、数字信号:把数字数据编码成数字信号的设备比从数字到模拟的调制设备更简单、更廉价。,2.1.2 通信系统模型,通信:是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。用来实现通信过程的系统称为通信系统。通信系统的基本要素:信源、传输媒体和信宿。,数据通信系统的模型,2.1.2 通信系统模型,源点是产生和发送信息的一端,终点是接受信息的一端。发送器源点发出的信息要经过发送器编码后才可以在传输信道中传输。接收器接收传输系统传送过来的信号,并把它转化为能够被目的设备处理的信息。在实际的通信系统中有各种具
4、体的名称,如源点发出的是数字信号而要以模拟信号传输,则用调制解调器;源点发出的是模拟信号而要以数字信号传输,则用编码解码器。噪声是通信系统中存在的并叠加在有用信号之上的无用成分,它对系统中的信号传输与处理起扰乱作用,又不能完全控制。噪声可以从系统的各部分侵入,按其来源可分为通信系统外部噪声和系统内部噪声。无论是模拟信号还是数字信号,在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式,在模拟信道中传输的是模拟信号,在数字信道中传输的是数字信号。,2.1.3数据传输方式,1.模拟传输 模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时,可以直接进行传输。当传输的是数字信号时,进入信道前要经过调制解调器
5、调制,变换为模拟信号。如图2.3所示,(a)为当信源为模拟数据时的模拟传输,(b)为当信源为数字数据时的模拟传输。其主要优点在于信道的利用率较高,但是其在传输过程中信号会衰减,会受到噪声干扰,且信号放大时噪声也会放大。,2.1.3数据传输方式,图2.3 模拟传输(a)信源为模拟数据(b)信源为数字数据,2.1.3数据传输方式,2.数字传输 数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时,可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时,进入信道前要经过编码解码器编码,变换为数字信号。如图2.4所示,(a)为当信源为数字数据时的数字传输,(b)为当信源为模拟数据时的数字传输。其主要优点是信号传
6、输不失真,误码率低,能被复用和有效地利用设备,但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多,因此数字传输的信道利用率较低。,2.1.3数据传输方式,图2.4 数字传输(a)信源为数字数据(b)信源为模拟数据,1、基带传输数字设备中,二进制数字序列最方便的电信号形式为方波,即“1”或“0”分别用高(或低)电平或低(或高)电平表示。未经调制的电脉冲信号呈现方波形式,所占据的频带通常从直流和低频开始,因而称为基带信号。所谓基带指的是基本频带,也就是数据编码电信号所固有的频带,这种信号可称为基带信号。所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输,它将占用线路的全部带宽,也可称为数字基
7、带传输。,2.1.4 基带传输、频带传输和宽带传输,2、频带传输传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的,它只适用于传输音频范围(300Hz-3400Hz)的模拟信号,不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用电话交换网来传输计算机之间的数字信号,就必须将数字信号转换成模拟信号。为此,需要在发送端选取音频范围的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波,用它运载所要传输的数字信号,通过电话信道将其进行传送;在接收端再将数字信号从载波上取出来,恢复为原来的数字信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。,*宽带传输在宽带局域网中采用了宽带传输,它是以电视电缆(CATV)技术
8、为基础,采用频率调制等把带宽为400 MHz的电视电缆分割成多个子频带,这些子频带可用于模拟或数字信号的单向或双向传送。每个子频带都有各自的调制解调装置。因此,宽带传输就是在单根电缆(有时用双根电缆,一根用于发送,另一根用于接收)上采用多路调制解调过程的传输。频带传输,较基带传输最突出的优点是传输距离长。它的载波频率虽然很高,但信道传输的速率却是有限的。在宽带传输时,它不但能传输数据信息,而且也能传输语音、图形和图像信息。,2.1.5 数据通信方式,并行传输和串行传输单工、半双工与全双工通信异步传输和同步传输,1.并行传输和串行传输(1)并行数据传输:是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的
9、传输。也就是说同时传送一个编了码的字符。如ASCII码是用八位表示一个字符,所以传输ASCII码的并行传输过程如下:,(2)串行数据传输:串行数据传输是在传输中只有一个数据位在设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制数表示的字符,串行传输都是用一个传输信道,按位有序地对字符进行传输。传输ASCII码的串行传输过程如下:,(3)并行传输和串行传输比较并行传输使两个进行通信的设备直接相连,传输速度非常高,但这种连接方法的费用非常高,在进行通信的设备之间相距比较近的情况下是可以的,但是如果进行通信的设备之间相距比较远,则这种通信的高费用无法容忍。所以一般的时候并行传输常用于计算机系统的内部及计算
10、机和各种外部设备的连接。串行传输的速度比并行传输要慢的多,但费用也低的多。计算机网络中各结点间的传输均采用串行传输方式。,2、单工、半双工和全双工通信,根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式:单工、半双工与全双工。(1)单工(Simplex)方式(单向通信):通信双方设备中发送器与接收器分工明确,只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。,单工通信中为了保证通信质量需要进行差错控制。采用的具体方法是:在接收端确认信息正确或错误后通过反向信道发送检测信号,也就是说,单工通信存在两个信道:主信道和检测信道。,(2)半双工(Half Duplex)方式(双方交替通信):通信双方设
11、备既是发送器,也是接收器,两台设备可以相互传送数据,但某一时刻则只能向一个方向传送数据。,半双工通信,在半双工通信中,信息流是轮流使用发送和接收装置的,传输检测信号可有两种方式,一种方式是在应答时转换传输信道,另一种方式是把主信道和检测信道分开设立,另设一个信道,供检测信号使用。,(3)全双工(Full Duplex)方式(双向同时通信):通信双方设备既是发送器,也是接收器,两台设备可以同时在两个方向上传送数据。,全双工通信的线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进行检测的信道,这样通信两端就可以同时发送和接收信息。在计算机网络中主要采用双工方式,其中:局域网采用半双工方式,城域网和广域网采
12、用全双工方式。,3.异步传输和同步传输,同步(Synchronous)问题的重要性 当以数据帧传输数据信号时,为了保证传输信号的完整性和准确性,除了要求接收器应能识别每个字符(或数据帧)对应信号的起止,以保证在正确的时刻开始和结束读取信号,也即保持传输信号的完整性外;还要求使其时钟与发送器保持相同的频率,以保证单位时间读取的信号单元数相同,也即保证传输信号的准确性。因此当以数据帧传输数据信号时,要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施:在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号;在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号,以控制接收器的时钟同步。异步传输与同步传输均存
13、在上述基本同步问题:一般采用字符同步或帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。,异步传输(Asynchronous Transmission)以字符为单位传输数据,采用位形式的字符同步信号,发送器和接收器具有相互独立的时钟(频率相差不能太多),并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调:发送器可以在任何时刻发送数据,而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。,同步传输(Synchronous Transmission)以数据帧为单位传输数据,可采用字符形式
14、或位组合形式的帧同步信号(后者的传输效率和可靠性高),由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。在短距离的高速传输中,该时钟信号可由专门的时钟线路传输(称之为外同步);计算机网络采用同步传输方式时,常将时钟同步信号植入数据信号帧中,以实现接收器与发送器的时钟同步(称之为自同步)。,2.2.1 数据的代码、编码和码元代码:是利用数字的一种组合来表示某一种基本数据的单元。在通信系统通信和计算机数据处理中,数据用代码表示。例如:由7位二进制组成的ASCII码,字母“B”的编码为1000010。编码1000010就是字母“B”的代码。编码:用代码表示的基本数据单元被称为“码字”,形成代码的过程被称做“
15、编码”。码元:在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元,而这个间隔被称为码元长度,码元就是一个数字脉冲。,2.2 数据通信的主要技术指标,带宽本来指某个信号具有的频带宽度,信号是由特定的电磁波来传输的,而电磁波都有一定的频率范围。信号的带宽是指信号含有的频带宽度,在实际应用中指信号能量比较集中的频率范围。在过去很长一段时间,通信的主干线路都传输模拟信号,因此表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽,它的值为可传送信号的最高频率和最低频率之差,单位是赫兹(Hz)。当通信线路用来传输数字信号时,数据传输速率(b/s或bps)就应当成为
16、数字信道最重要的指标,但习惯上,人们将“带宽”作为数字信道所能传送的最高数据率的同义语,尽管这种叫法并不太严格。带宽作为目前计算机网络通信的一个重要指标,主要采用信道每秒钟可以传送二进制的“位”多少来表示,单位为位/秒,简记为b/s。,2.2.2 带宽,比特(bit):计算机中的数据的最小单元,也是信息量的度量单位。来源于binary digit,意为一个“二进制数字”。网络的带宽的单位就是“比特每秒”,记为b/s(或bit/s),而更常用的带宽单位是千比每秒(kb/s)、兆比每秒(Mb/s)、吉比每秒(Gb/s)或太比每秒(Tb/s)。,注意:在通信领域和计算机领域,对数量单位“千”、“兆”
17、和“吉”等的英文缩写在有些情况下表示的数量略有不同。在计算机中的数据量往往用字节作为度量的单位。一个字节(byte)代表8个比特,它的缩写是。“千字节”的“千”用来表示,210,即1024,而非1000。同样,在计算机中,1MB或1GB也并非表示106或109个字节,而是表示220(1048576)或230(1073741824)个字节。在通信领域,小写的k表示103,即准确的1000而不是1024。M:mega G:giga T:tera,计算机中的数据存储单位,1 kB=1024 B(kB-kilobyte)千 1 MB=1024 kB(MB-megabyte)兆 1 GB=1024 MB
18、(GB-gigabyte)吉 1 TB=1024 GB(TB-terabyte)太 1 PB=1024 TB(PB-petabyte)拍 1 EB=1024 PB(EB-eksabyte)艾 1 ZB=1024 EB(ZB-zettabyte)皆 1 YB=1024 ZB(YB-jottabyte)佑 1 BB=1024 YB(BB-brontobyte),2.2.3数据传输速率:指单位时间内传输的信息量。单位:比特/秒,用公式表示如下:S=(1/T)log2N其中T是每码元的脉冲时间(即一个码元信号的周期),N是调制电平数(码元状态个数)。只有码元取0和1两种离散状态值的时候(即N2时),脉
19、冲频率才等于数据传输速率。log2N表示一个码元携带的信息量,如当N=4时,log2N2,一个码元携带的信息量为2比特,此时S2/T,数据传输速率就相应成倍地提高。所以,每秒发送的单位脉冲数一定的情况下,我们可以用一个码元表示更多的比特数(也就是提高码元携带的信息量)来提高传输率。,2.2.3数据传输速率:奈魁斯特定理指出:在有限带宽无噪声低通信道传输数据,其波特率是有极限的。它的最大码元率为:B=2W其中:W为信道的带宽。而香农关于噪声的研究表明,如果有噪声时:M=Wlog2(1+S/N)bpsM:最大传输速率;W:信道带宽;S:信号平均功率;N:噪声平均功率,2.2.4 时延(delay
20、or latency):指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间,由如下三个不同的部分组成:(1)发送时延:是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间,也可称为传输时延。发送时延数据块长度/信道带宽 注:信道带宽就是数据在信道上的发送速率,也常称为数据在信道上的传输速率,提高链路的带宽只是减小了数据的发送时延。,带宽为1Mb/s的链路,带宽为4Mb/s的链路,如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化,那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。,(2)传播时延:指电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。传播时延信道长度/电磁波在信道上的传播速率
21、 注:信号传输速率(即发送速率,单位是b/s)和电磁波在信道上的传播速率是两个完全不同的概念。通常所说的“光纤信道的传输速率高”是指光纤信道的发送数据的速率可以很高,而光纤信道的传播速率实际上比铜线的还要略低一点。(3)处理时延:指数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。,总时延=发送时延+传播时延+处理时延,三种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,时延带宽积和往返时延,(传播)时延,链路,带宽,时延带宽积=传播时延 带宽,链路的时延带宽积又称
22、为以比特为单位的链路长度。,时延带宽积,往返时延 RTT,往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认),总共经历的时延。,2.2.5 误码率(BER:Bit Error Rate):误码率是在通信系统中衡量系统传输可靠性的指标。它是指二进制码元在传输系统中被传错的概率。PeNe/NPe:误码率;N:传输的二进制码元总数;Ne表示被传错的码元数。注:误码率与信噪比有很大的关系,如果设法提高信噪比,就可以使误码率减小。信噪比为信号功率与噪声功率之比。,2.3 模拟传输,2.3.1 模拟传输系统2.3.2 调
23、制解调器,2.3.1 模拟传输系统,电话通信系统是典型的模拟传输系统。目前全世界的电话机早以上十亿部。如此多的电话要互连成网,唯一可行的办法就是分级交换。我国的电话网络原来分5级,上面4级是长途电话网,最低一级是市话网。4级长途交换中心从上到下分别是:一级中心,又称大区中心或省间中心。二级中心,又称省中心。三级中心,又称地区中心或县间中心。四级中心,又称县中心。每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。在这以下就是市话交换局,又称为端局,直接与其管辖范围内的各电话用户相连。,现在为动态无级选路DNHR(Dynamic NonHierarchical Routing)体制,只分两级
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