数据通信技术基础

第2章数据通信技术基础2数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关，是促进计算机网络技术发展的重要因素之一。因此，学习计算机网络，必然涉及许多关于数据通信的问题，数据通信的任务是利用通信媒体传输信息。数据通信是两实体间的数据传输和交换，在计算机网络中占有十分重要的地位，它是通过各种不同的方式和传输介质，把处在不同地理位置的终端与主计算机或计算机与计算机连接起来，从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务。本章重点介绍与计算机网络有关的数据通信的基本概念、数据传输方式、多路复用技术、数据交换技术和差错控制技术等内容，主要是为计算机网络的学习和实践打好基础。32.1数据通信基本概念2.1.1简单的通信模型–通信系统的基本作用是在发送方(信源)和接收方(信宿)之间传递和交换信息。数据通信系统的基本组成有三要素：信源、信宿和信道。图2-1简单的数据通信模型42.1数据通信基本概念–1．信源和信宿–信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备。52.1数据通信基本概念–2．信号变换器–信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。图2-2信号变换器的作用62.1数据通信基本概念–2．信号变换器–对应不同的信源和信宿，信号变换器有不同的组成和变换功能。发送端的信号变换器可以是编码器或调制器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器。–编码器的功能是把信源或其他设备输入的信息作相应的变换，使之成为适合在通信信道上传输的信号。译码器的功能是在接收端完成编码的反过程。72.1数据通信基本概念–2．信号变换器–调制器的作用是把信源输入的二进制脉冲信号变换（调制）成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输；解调器的作用是反调制，即把接收端接收的模拟信号还原成二进制脉冲数字信号。由于网络中绝大多数信息都是双向传输的，所以在大多数情况下，信源也作为信宿，信宿也作为信源；编码器也具有译码功能，译码器也应能编码，因此通称编码译码器；同样调制器也能解调，解调器也能调制，因此通称为调制解调器。82.1数据通信基本概念2.1.2数据、信息和信号–1．数据与信息–数据是由数字、字符和符号等组成，可以用来描述任何概念和事物，是传送信息的载体。–信息则是数据的具体内容和解释，有具体的意义。信息是数据经过加工处理后得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。92.1数据通信基本概念–2．信号–信号是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，信号是数据的电编码、电磁编码或其它编码等。–信号可以分为模拟信号和数字信号。102.1数据通信基本概念–3．数字数据与模拟数据–信号是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，信号是数据的电编码、电磁编码或其它编码等。–信号可以分为模拟信号和数字信号。–当数据采用离散的电信号方式表达时，这样的数据就是数字数据。–当数据采用电波表示时这样的数据就是模拟数据。112.1数据通信基本概念–4．模拟信号和数字信号–模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号，它可以不同频率在介质上传输，如正弦波信号。时间信号值图2-3模拟信号122.1数据通信基本概念–4．模拟信号和数字信号–数字信号是一种离散的脉冲序列，它的取值是有限个数，它以恒定的正电压／负电压或正电压／0电压，表示“1”、“0”，可以用不同的位速率在介质上传输，如脉冲信号。时间信号值图2-4数字信号132.1数据通信基本概念2.1.3信道与带宽–1．信道–信道是通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道，它是建立在通信线路及其附属设备（如收发设备）上的。–2．带宽–信道的带宽是指信道中能够传送的信号的频率范围。–为计算带宽，需要从频率范围内将最高频率减去最低频率。142.2数据传输方式2.2.1并行、串行传输–1．并行传输–并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输，数据由多条数据线同时传送与接收，每个比特使用单独的一条线路。发送设备接收设备D0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1图2-5并行传输152.2数据传输方式2.2.1并行、串行传输–1．并行传输–并行传输的优点在于传送速率高，发收双方间不存在字符同步的问题，缺点是需要多个并行信道，增加了设备的成本，而且并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量，不适合做较长距离的通信，主要用于计算机内部或同一系统设备间的通信。–常见的并行传输如计算机与打印机之间的数据传输。162.2数据传输方式–2．串行传输–串行传输就是将比特流逐位在一条信道上传送。各数据位依次串行地通过通信线路。发送设备接收设备TXRX0010100101001011图2-6串行传输172.2数据传输方式–2．串行传输–相对于并行传输，串行传输的效率低，传输速率慢，但由于只有一条信道，减少了设备的成本，且易于实现与维护。串行传输使用于覆盖面很广的公共电话网络系统，所以在现行的计算机网络通信中，串行通信应用非常广泛。182.2数据传输方式2.2.2单工、半双工和全双工–1．单工通信–单工通信是指在两个通信设备间，信息只能沿着一个方向被传输。–采用单工通信时，在通信设备双方中，一方为发送设备，另一方为接收设备。192.2数据传输方式–2．半双工通信–半双工通信是指两个通信设备间的信息交换可以双向进行，但不能同时进行。–3．全双工通信–全双工通信是指两个通信设备间可以同时进行两个方向上的信息传输。202.2数据传输方式发送接收发送接收发送接收发送接收发送接收（a）单工通信（b）半双工通信（c）全双工通信图2-7三种通信方式。212.2数据传输方式2.2.3异步传输与同步传输方式–1．异步传输–异步传输方式又称为起止式同步方式，它是以字符为单位进行传输的，即每个字符都独立传送，且每一字符的起始时刻可以为任意。每个字符在传输时都在字符前加上起始位和在字符后加上结束位，以表示一个字符的开始和结束。–一般起始位信号的长度规定为1位的宽度，极性为“0”，结束位信号可以为1位、1.5位或2位的宽度，极性为“1”，其长度的选取与所采用的传输代码类型有关。起始位和结束位的作用是实现字符的同步，字符之间的间距是任意的，但发送一个字符时，每个字符包含的位数都是相同的，且每一位占用的时间长度是双方约定好的，而且保持各位都恒定不变。222.2数据传输方式2.2.3异步传输与同步传输方式–1．异步传输起始位10010110结束位图2-8异步传输方式232.2数据传输方式–2．同步传输–同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法。在数字信息流中，各位的宽度相同，且字符顺序相连，字符之间没有间隙。为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位（比特），则需要先建立收发双方的同步时钟。实际上，在同步传输方式中，不管是否传送信息，要求收发两端的时钟都必须在每一位上保持一致。因此，同步传输方式又常被称为比特或位同步。242.2数据传输方式–2．同步传输–在同步传输中，数据的发送一般是以一组字符或比特流为单位。为了使接收方容易确定数据组的开始和结束，需要在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志，同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输的数据。特定标志字符一般随不同的规程而有所不同。252.2数据传输方式–2．同步传输–例如：在面向比特的高级数据链路控制规程HDLC中，是采用比特串01111110作为起始和结束标志。–在暂时没有信息传输时，连续发送01111110使接收端可以一直保持和发送端同步。0111111001111110数据同步字同步字图2-9同步传输方式262.2数据传输方式–2．同步传输–实现同步传输方式的收发时钟同步方法有两种：外同步法和自同步法。外同步法就是在传输线中增加一根时钟信号线以连接到接收设备的时钟上，在发送数据信号前，先向接收端发一串同步时钟脉冲，接收端则按照这个频率来调整自己的内部时钟，并把接收时钟重复频率锁定在同步频率上，该方法适用于近距离传输。自同步法是让接收方从接收的数据流中直接提取同步信号，以获得与发送时钟完全相同的接收时钟，该方法常用于远距离传输。–同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起始和结束信号的缺点，具有较高的效率，但实现较为复杂，常用于大于2400bps速率的传输。272.2数据传输方式2.2.4基带传输与数字信号编码–1．基带传输–在数据通信中，由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式，即表示计算机中二进制数据比特序列的数据信号是典型的矩形脉冲信号，这个矩形脉冲信号就是基带信号。基带信号所占有（固有）的频率范围称为基本频带，简称基带。在通信信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输，它将占用线路的全部带宽，也称为数字基带传输。282.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–在数据通信中，由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式，即表示计算机中二进制数据比特序列的数据信号是典型的矩形脉冲信号，这个矩形脉冲信号就是基带信号。基带信号所占有（固有）的频率范围称为基本频带，简称基带。在通信信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输，它将占用线路的全部带宽，也称为数字基带传输。292.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–数字数据的数字信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题。数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示。数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元（或称码元）。最普遍且最容易的方法是用两种码元分别表示二进制数字符号“0”和“1”，每位二进制符号和一个码元相对应。表示二进制数字的码元的形式不同，便产生不同的编码方法。–这里主要介绍单极性全宽码和归零码、双极性全宽码和归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。302.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–单极性全宽码和归零码–单极性全宽码是指在每一个码元时间间隔内，有电流发出表示二进制“1”，无电流发出表示二进制“0”。–归零码就是指一个码元的信号波形占一个码元的部分时间间隔，其余时间信号波形幅度为“0”。312.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–单极性全宽码和归零码–二进制序列10110101的单极性全宽码和归零码。采样时间是对准脉冲的中心，判决门限为0.5。322.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–单极性全宽码和归零码判决门限（0.5）10110101（a）单极性全宽码采样时间判决门限（0.5）10110101（b）单极性归零码采样时间0011图2-10单极性全宽码和归零码332.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–双极性全宽码和归零码–双极性全宽码是指在一个码元时间间隔内，发正电流表示二进制的“1”，发负电流表示二进制的“0”，正向幅度与负向幅度相等。这种情况下的判决门限定为0电平，在接收端对收到的每个脉冲信号进行判决，在取样时刻，若该信号值在0电平以下就判为“0”码，在0电平以上就判为“1”码。–双极性归零码是在一个码元时间间隔内，当发“1”时，发出正的窄脉冲；当发“0”时，发出负的窄脉冲。342.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–双极性全宽码和归零码–二进制序列10110101的双极性全宽码和归零码。采样时间是对准脉冲的中心，判决门限为0。判决门限（0）10110101（a）双极性全宽码采样时间判决门限（0）10110101（b）双极性归零码采样时间1-11-1图2-11双极性全宽码和归零码352.2数据传输方式–2．数字数据的数字信号编码–曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码–曼彻斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。当发“0”时，在间隔的中间时刻，从低电平变为高电平；当发“1”时，在间隔的中间时刻，从高电平变为低电平。这种编码的特点就是在每一个码元时间