数据通信

第2章数据通信2.1.1基本概念•信号与通信–信号：以时间为自变量，以表示消息(或数据)的某个参量(振幅、频率或相位)为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号–模拟信号：信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的–数字信号：表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号–通信：将表示消息的信号从发送方(信源)传递到接收方(信宿)。既然信号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信tƒ(t)nTx(nT)10011011a)模拟信号b)数字信号数据通信系统模型数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。信号转换器通信信道发送信号接收信号信道带宽系统噪声信源信号转换器信宿信源、信宿和信道信源与信宿：通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备。信道：在信源和信宿之间所建立的用于传送信号的物理通道，被称为物理信道，简称信道。按传输介质的类型来划分，信道被分为有线信道和无线信道；按信道中所传输的信号类型来划分，信道可被分为模拟信道和数字信道。数字通信系统和模拟通信系统在数字通信系统中，信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码；在模拟通信系统中，信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数/模（D/A)和模/数(A/D)转换功能。计算机模拟信道计算机发送模拟信号接收模拟信号信道带宽D/A转换A/D转换计算机数字信道计算机发送数字信号接收数字信号信道带宽编/解码器编/解码器2.1.2数据通信基础理论•信号的频谱与带宽–信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性–时域特性反映信号随时间变化的情况。信号的时域特性表示出信号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为：f(t)=ASin(2лft+θ)其中：A：振幅f：频率θ：初始相位–幅度、频率以及相位是周期信号f(t)的3个重要特性•信号的频谱与带宽–傅立叶变换：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦函数和余弦函数合成：其中：矩形脉冲信号的傅里叶分析(图示)数据通信基础理论•信号的频谱与带宽–频谱：f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形–绝对带宽：信号频谱所覆盖的频率范围–有效带宽(简称带宽)：信号的大部分能量都集中在一个较小的范围之内，这段频带称为带宽–信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也越大–常见信号的频谱和带宽：声音信号的频谱大致在20Hz～20kHz的范围(低于20Hz的信号为次声波，高于20KHz的信号为超声波)，但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频谱为300Hz～3400Hz，其带宽为3kHz。电视信号的频谱为0～4MHz，因此其带宽为4MHz2.1.3数据编码技术•不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据数字数据信号：模拟信号数字信号信道：模拟信道数字信道•模拟传输和数字传输所使用的技术话音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制三种基本调制方法根据调制过程中所采用的载波的特性不同，分为三种基本调制方法：y=Asin(ωt+φ)幅移键控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）频移键控（FSK,Frequency-ShiftKeying）相移键控（PSK,Phase-ShiftKeying）三种基本调制方法（续）幅移键控ASK：通过载波信号的振幅变化来表示二进制“0”与“1”；又称调幅(amplitudemodulation)幅移键控FSK改变载波信号的频率来表示二进制“0”与“1”；又称调频(frequencymodulation)相移键控PSK通过改变载波信号的相位值表示二进制“0”和“1”。，又称调相(phasemodulation)按照使用相位的绝对值或相位的相对偏移两大表示分为绝对调相和相对调相；三种调制方式的比较幅移键控：技术简单，抗干扰能力差频移键控：技术简单，抗干扰能力强相移键控：技术较复杂，抗干扰能力强，编码效率高目前在网络中广为使用的调制方式是上述三种基本方式的变种。基带传输基带：基本频带，调制前信号所占有的频带。基带传输：在通信电缆上原封不动的传输由通信终端设备产生的0和1数字脉冲信号基带传输被广泛应用于局域网信号的传输，以太网就是采用基带信号的。基带传输特点：抗噪声能力强，成本低，传输速率高信号衰减严重，只能利用有线介质近距离传输基带信号频带宽，传输时要占用整个传输介质的带宽数字数据编码采用基带信号进行传输适用的是数字通信系统的模型。该系统要解决的关键问题是数字数据的编码和解码问题在发送端，要解决如何将二进制数据序列通过某种编码（encoding）方式转化为可直接传送的数字信号；在接收端，则要解决如何将收到的数字信号通过解码(Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数据序列。三种常见的数字数据编码不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码不归零编码规则：以高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。特点：由于不能判断位的开始与结束，收发双方不能保持同步，需要用另一个信道同时传送同步信号。同时，传输“1”时，持续保持高电平。归零码半个周期高电平自动归零曼彻斯特编码规则：周期中点有一次电平跳变，由高到低是“1”，由低到高是“0”特点：任何两次电平跳变的时间间隔是T/2或T，提取电平跳变信号可作为收发双方的同步信号，不需要另外的同步信号。又被称为“自含时钟编码”。差分曼彻斯特编码规则:每比特的值则根据其周期开始处是否出现电平的跳变来决定，有跳变者为“0”，无跳变者为二进制“1”•最常见的方法是脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）。模拟数据数字化过程：（1）取样：每隔一定的时间间隔，把模拟信号的值取出来作为样本，以代表原信号。（2）量化：决定取样值属于哪个量级。并将其幅度按量化级取整。经过量化后的取样值幅度是离散的整数值（3）编码：编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的取样值模拟数据进行数字信号编码•如果N个量化级，则二进制位的位数应为log2N。如量化级有8个，就需要三位编码。语音数字化系统中，常分为128量级，故需用7位编码。•经过编码后，每个取样值就由相应的编码脉冲表示，并将该编码脉冲发送到信道上。如果某样值的编码为0011，则用4个脉冲表示两个幅值为零的脉冲，两个幅值为1的脉冲。•对声音进行数字化时，将声音分成128个量化级，即采用7位二进制编码（log2128=7）。由于采样频率为8KHz，所以数据速率为7×8000=56Kbps。即声音信号的数据传输率要有56Kbps。•PCM编码用于彩色电视信号时，由于彩色电视信号带宽为6MHz，故采样频率为12MHz，此时一个样本用10位（1024个量化级）二进制表示，所以数据速率为12M×10=120Mbps。2.1.4数据通信数据传送只能在一个固定的方向上进行，任何时候都不能改变方向。例子：广播、电视发送单向通道接收单工通信数据通信：半双工通信信号可以双向进行，但不可同时进行，一个时间只能有一个方向的传送例子：对讲机发送接收双向通道接收发送数据通信：双工通信信号可以同时进行双向发送例子：计算机—计算机发送接收双向通道接收发送异步传输最早使用也是最简单的一种方法•每次传送一个字符（可由5—8位组成），在传送字符前，设置一个起始位，以示字符信息的开始，接着是字符代码，字符代码后面是一位的校验位，最后设置1~2位的终止位，表示传送的字符结束。•计算机和modem之间的信息传输•如何找到正确的字符边界。–常用的为起止式。在这种方式中，每个字符的传输需要：•1个起始位、5～8个数据位、1、1.5或2个停止位–起止式的优缺点：•频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；•每两个字符之间的间隔时间不固定；•增加了辅助位，所以传输效率低；–例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/11≈73％起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”•同步传输：以数据块（帧）为传输单位，每个帧的头部和尾部都要附加特殊字符或者比特序列，根据传送的数据块是面向字符的还是面向位的，分为面向字符的同步和面向比特流的同步。同步传输•如何识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路层中的传输单位——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）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH2.1.5多路复用技术多路复用：在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。意义：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，提高传输介质的利用率。常用多路复用技术：频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing）波分多路复用（Wave-lengthDivisionMultiplexing）码分多路复用（CodingDivisionMultiplexingAccess）2.1.6数据交换技术•什么是交换？–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。•最初的交换：人工转接交换•为什么要采用交换技术？–节省线路投资，提高线路利用率。•实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。•电路交换–在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。•可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。–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”（典型例子：电话）–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。•电话网络中的电路交换•电路交换也能在多路复用信道上实现–在物理线路的某个信道上建立连接•报文交换–以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。•在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，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”（典型例子：电报）–整个报文（Message）作为一个整体一起发送。–优缺点：•没有建立和拆除连接所需的等待时间；•线路利用率高；•传输可靠性较高；•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，且对存储容量要求较高；•出错后整个报文全部重发。–比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？•分组交换（包交换）–将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）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、拥塞控制和路由选择功能。–优缺点：•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。•需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。–分组交换有两种交换方式：•数据报方式和虚电路方式•数据报方式（Datagram）–各分组独立地确定路由（传输路径）–不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装数据报方式不能保证分组按序到达•虚电路方式（VirtualCircuit）–通信前预先建立一条