数据通信基础与交换技术

第二章数据通信基础与交换技术本章内容数据通信的基本概念数据编码技术串行传输与并行传输数据同步技术多路复用技术数据交换方式差错检验和控制重点：信道的复用方式数据编码数据交换奇偶校验法难点:数据编码数据通信的基本概念中的重点：数字信号信道物理信道和逻辑信道比特率和波特率及其转换关系带宽、数据传输速率和信道容量及其关系难点：物理信道和逻辑信道带宽、数据传输速率和信道容量及其关系2.1.数据通信的基本概念2.1.1.信息、数据和信号一、信息：被传达的内容,本身是无形的,所以总是需要有个载体才能被传送,进而被识别。信息的载体：用来承载信息的事物，可以是数字、文字、语音、图形和图像等。在数字通信中一般用二进制数作为信息的载体。二、数据在数字通信中一般用二进制数作为信息的载体。这种承载着信息的二进制码就是我们所说的数据。三、信号（Signal）数据在传输过程中的电磁波表示形式。包括数字信号模拟信号数字信号用二进制是一个个离散的数值来表达。模拟信号值是连续变化的。2.1.2.信道及信道的分类一、信道（Channel）及其组成信道是数据信号传输的必经之路，它一般由传输线路和传输设备组成。二、有线信道和无线信道有线信道由双绞线、同轴电缆、光缆等有形传输介质及设备组成。而无线信道由无线电、微波和红外线等无形传输介质及相关设备组成，无线信号以电磁波的形式在空间传播。三、物理信道和逻辑信道物理信道：实际存在的物理通路，由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道：同一物理信道上可以走过不只一路信号，此时每一路信号所占用的信道被称作逻辑信道。四、模拟信道和数字信道模拟信道中传输的是模拟信号。数字信道中传输的是离散方式的二进制数字脉冲信号。五、专用信道和公用信道专用信道又称专线，它可以是自行架设的专门线路，也可以是向电信部门租用的专线。公用信道是一种公共交换信道，为大量用户提供服务的信道，因此又被称为公共交换信道。2.1.3.数据单元在数据传输时，通常将较大的数据块（如报文）分割成较小的数据单元（如分组），并在每一段上附加一些信息，这些附加信息通常是序号、地址及校验码等。在实际传输时，可能还要将数据单元分割成更小的逻辑数据单位（如数据帧）。上述的报文、数据分组和数据帧等都是数据传输时数据单元的逻辑单位。2.1.4.通信系统的主要技术指标一、数据传输速率（比特率）和波形调制速率（波特率）比特率（S）单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数。例如：在0.001ms内传输了“1010001011”这样一段有效数据。那么该传输的比特率为：10/（0.001ms）=10M/s波特率一个数字信号（码元）可以包含几位二进制数，例如：可以用一个信号表示一位二进制数“0”，采用较为复杂的调制技术时，可以在一个信号上携带“01”两位二进制数，甚至更多。波特率指每秒传输的有效码元个数。比特率和波特率之间用下列关系：其中，n为一个脉冲信号所表示的有效二进制数的位数。对于多相调制来说，n表示相的数目。在二相调制中，n=2，故S=B，即比特率与波特率相等。四相调制中，n等于4，2logSBn波特率B1200120012001200多相调制相数二相调制(n=2)四相调制(n=4)八相调制(n=8)十六相调制(n=16)比特率S(bit/s)1200240036004800比特率和波特率之间的关系对照表波特率（调制速率）和比特速率（数据传输速率）是两个最容易混淆的概念，但它们在数据通信中确很重要。两者的区别与联系，如图：二、带宽带宽是指物理信道的频带宽度，即信道内最高频率和最低频率之差。单位：赫兹（HZ），还常用千赫（kHZ）、兆赫（MHZ）。三、信道容量信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。四、带宽、数据传输速率和信道容量的关系一般来讲：信道所处的频带越高，所包围的频率范围越大，则该信道的容量越大，传输速率越高！HZdB五、误码率误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，又称为出错率，其定义式如下：式中，N为传输的二进制位的总数，Ne表示被传错的比特数。eNPeN误码率Pe是数据通信系统的传输可靠性指标。采用差错控制技术的意义：根据测试，目前电话线路在300～2400bit/s传输速率时的平均误码率为10E-4～10E-6；在2400～9600bit/s传输速率时的平均误码率为l0E-9～10E-6。而计算机通信系统中对误码率的要求是10E-9～10E-6，即平均每传送1兆二进制位，才能错一位，2.2.数据编码技术2.2.1.数据通信系统的组成与类型一、数据通信系统的组成信源系统（发送端）传输系统（传输网络）目的系统（接收端）重点：基带传输和频带传输的含义三种编码方式（非归零编码；曼彻斯特编码；差分曼彻斯特编码）三种调制方式（幅度调制；频率调制；相位调制）难点：基带信号的含义二、信源数据与传输信号的关系类型数字数据，数字信号传输。例如，10BASE-T以太网。数字数据，模拟信号传输。例如，使用调制解调器上网。模拟数据，数字信号传输。例如，数字电视传输系统。模拟数据，模拟信号传输。例如，早期的电话传输系统。三、通信系统的类型模拟通信系统在数据通信系统中，如果传输网络传输的信号是模拟信号时，此传输系统就被称为模拟通信系统。优点：信道利用率高。缺点：抗干扰能力差，信号易失真，因此不适合计算机通信。另外计算机通信对平均误码率的要求是低于10E-8，而模拟通信系统很难实现。数字通信系统在数据通信系统中，当传输网络所传输的信号是数字信号时，此传输系统就被称为数字通信系统，例如，计算机之间的通信、数字电视和数字电话等。优点：抗干扰能力强，数字电路集成化和微型化，容易实现。缺点：信道利用率低。四、数据信道及其分类基带传输由计算机、终端等直接发出的信号都是二进制的数字信号。这些二进制信号是典型的矩形电脉冲信号，其频谱包含直流、低频和高频（从直流一直到无限高的频率）等多种成分。我们把数字信号频谱中，从直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带（或固有频带），简称为基带，为此数字信号也被称为数字基带信号，简称为基带信号。如果在线路上直接传输基带信号，就称为数字信号基带传输，简称为基带传输。在数据通信中，如果直接传输基带信号，则该信号几乎要占用整个频带。在大多数局域网（LAN）中，尤其是在传输距离不远的有线情况下，大都采用了基带传输方式。其特点如下。优点：速率高、误码率低。缺点：占用的频带宽，不利于远程。频带传输频带传输又称调制传输，是将基带信号调制到一定的频率（频率搬移）后再经过传输介质进行传输。2.2.2.基带传输与数字信号编码在基带传输中，用不同电压极性或电平值的信号来代表数字数据0和1的过程，就称为数字基带信号的编码；其反过程称为解码。一、非归零编码用负电压代表逻辑0，用正电压代表逻辑1。当然也可以有其他的表示方法。非归零编码的优点是简单、容易实现；缺点是接收方和发送方无法保持同步。为了保证收、发双方同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号，二、曼彻斯特编码（Manchester）由低电平跳变到高电平时，就表示数字信号1；每位由高电平跳变到低电平时，就表示数字信号0。曼彻斯特编码中的中间电平跳跃，既代表数字信号的取值，也作为自带的时钟信号。因此，无需专门传递同步信号的线路，因此成本低。另外，降低了直流分量。三、差分曼彻斯特编码每个时钟周期的中间都有一次电平跳变，这个跳变做同步之用。在每个时钟周期的起始处：跳边则说明该比特是0，不跳变则说明该比特是1优点：收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本低。缺点：实现技术复杂。四、频带传输与数字信号的调制在远距离通信的一些信道中，尤其是电话信道、无线信道和光信道中，数字基带信号必须经过调制才能传输。在频带传输中，将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程称为调制，相应的调制设备称为调制器；在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为解调，相应的设备称为解调器。同时具备调制和解调功能的设备称为调制解调器（Modem）。载波信号可以表示为：u(t)=A(t)sin(ωt+ψ)其中，振幅A、角频率ω。相位ψ是载波信号的3个可变参量，它们是正弦波的控制参数，也称为调制参数。幅度调制（Amplitude－shiftKeying，ASK）频率调制（Frequency－ShiftKeying，FSK）相位调制（Phase－ShiftKeying，PSK）调制解调器调制解调器的常见分类方式如下。（1）按连接方式分类①外置式调制解调器：又分为有线和无线两种。②内置式调制解调器：又分为有线和无线两种。（2）按传送的数据速率分类①低速调制解调器：传输速率在1.2kbps以下。②中速调制解调器：传输速率为1.2k～9.6kbpS。③高速调制解调器：传输速率在9.6kbps以上。（3）按使用的通信线路分类①拨号调制解调器：主要用于公用电话网，通过电话线路远程传输数据。②专线调制解调器：主要用于专用线路或租用线路的远程传输数据。它的数据传输率通常比拨号Modem要高。（4）按调制解调器的数据传输方式分类①异步调制解调器。②同步调制解调器。（5）按调制解调器的调制原理分类①频移键控调制解调器。②相移键控调制解调器。③混合式调制解调器。调制解调器的标准（1）V.21标准：针对300bit/s的全双工FSK调制解调器。（2）V.22标准：针对600bit／s和1200bit/s的全双工4－PSK调制解调器。（3）V.22biS标准：针对1200bit/s和2400bit／s全双工16－QAM/4－DPSK调制解调器的。（4）V32biS标准：针对7200bit/s、12000bit/s和14400bit/s全双工64QAM调制解调器的。（5）V.33标准：针对7200bit／s、12000bit／s和14400bit／s全双工128－QAM调制解调器的。（6）V.34标准：针对28800～33600bitis全双14096－QAM调制解调器的。（7）V.42biS标准：针对高于14400bit/s的带有数据压缩和差错检测功能的全双工调制解调器的。2.3.串行传输与并行传输并行传输常用的并行方式是将构成一个字符的代码的若干位分别通过同样多的并行信道同时传输，例如计算机的并行口常用于连接打印机，一个字符分为8位，因此每次并行传输8比特信号重点：串行传输的三种方式串行传输并行传输的速率高，但传输线路和设备都需要增加若干倍，一般适用于短距离、要求传输速度高的场合；串行传输速率虽然低，但可以节省设备，因而是当前计算机网络中普遍采用的传输方式。一、单工通信（双线制）在单工通信中，数据信号固定地从发送端人传送到接收端B，因此，又叫单向通信。二、半双工通信（双线制+开关）在半双工通信中，允许数据信号双向传送，但不能同时进行，因此又被称为双向交替通信。这种方式要求A、B端都有发送装置和接收装置。若想改变信息的传输方向，需要利用开关进行切换。例如，无线电对讲机。三、全双工通信（四线制）全双工通信中，允许双方同时在两个方向进行数据传输，因此也被称为双向同时通信。它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来。因此，一般采用四线制。全双工通信效率高，造价也高，一般用于计算机之间的通信2.4.数据同步技术位同步对于同一数字信号，所基于的时钟频率不同时，代表的二进制代码也不同。位同步解决的是收发双方的时钟频率一致性的问题。2.5.多路复用技术2.5.1.多路复用技术概述目的：提高线路利用率多路复用技术的实质：信道共享高速通信线路多路复用器多路复用器多路复用器多路复用器高速通信线路重点：多路复用的几种方法频分多路复用难点：频分多路复用2.5.2.频分多路复用通过调制技术将多路信号分别调制到各自不同的正弦载波频率上，并在各自的频段范围内进行传输，被传送到接收端；最后，再由解调器恢复成原来的波形。单个信道的带宽：Fi＝Fm+Fg2