第二章 数据通信基础知识

第二章数据通信基础知识2.1数据通信的理论基础数据（Data）：传递（携带）信息的实体。信息（Information）：数据的内容或解释。信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号基带（Baseband）、宽带（Broadband）信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。码元（Codecell）：时间轴上的一个信号编码单元。带宽（Bandwidth，BW）：信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW≈fmax－fmin单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万比特，它的带宽为10Mb/s。时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。•时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/sd:距离，s:介质中信号传播速度(≈0.7c)误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。信息编码：将信息用二进制数表示的方法。例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t信号的传输方式——基带传输基带传输就数字信号而言，它是一个离散的方波，“0”代表低电平，“1”代表高电平，这种方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号，因此，基带实际上就是数字信号所占用的基本频带。基带传输是在信道中直接传输数字信号，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。信号的传输方式——频带传输频带传输所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。可见，在采用频带传输方式时，要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器。在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此时就需要利用频带传输方式。利用频带传输，不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。信号的传输方式——宽带传输宽带传输宽带传输采用75Ω的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体，带宽为300MHz。使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的，当用它来传输数字信号时，需要利用电缆调制解调器（CableModem）把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。可利用宽带传输系统来实现声音、文字和图像的一体化传输，这也是通常所说的“三网合一”，即语音网、数据网和电视网合一。另外，使用CableModem上网就是基于宽带传输系统实现的。数据的串行传输和并行传输发端收端011001018个比特同时发送需要8条线并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。数据的串行传输和并行传输串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。发端8个比特顺次发送0110001001100010收端01100010并/串转换器串/并转换器波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：Rbit=Rbaudlog2M上式中：M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。例如：当波特率为9600时若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为38.4kb/s数据通信系统的模型通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号原始数据解调器：接收波形数字信号序列信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务信息通过通信系统传输把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。系统组成数据终端设备通信控制器通信信道信号变换器数据通信的方向•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。ttTTTTTT周期信号数据通信的基本方式数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。模拟数据通信：用来出书模拟数据或数字数据对应的模拟信号。使用某一频率的电磁波做为载波数字数据通信：直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号数字通信的优点•抗噪声（干扰）能力强•可以控制差错，提高了传输质量•便于用计算机进行处理•易于加密、保密性强•可以传输语音、数据、影像，通用、灵活仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用modem通过拨号线路传输数字信号。2.2数据信息的调制与编码模拟数据的模拟调制幅度调制（AM)频率调制（FM）相位调制数字数据的模拟调制：幅移键控、频移键控和相移键控幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和φ恒定。频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。相移键控PSK（PhaseShiftKeying）PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A和f不变。PSK包括两种类型：绝对调相绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，、φ为π表示数字信号“0”。相对调相相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。数字数据的编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。不归零编码（Non-ReturntoZero，NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。数字数据编码的示例011101001数字数据不归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码高电平-0低电平-1表示0表示1遇1不变遇0跳变跳变跳变跳变跳变2.3数据的同步技术在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一，通常使用的同步技术有两种：异步方式同步方式异步传输方式在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。计算机计算机101101010100110110010001011101起始位停止位数据位01101100数据传输方向同步传输方式同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。计算机计算机1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字节同步字节数据帧信道复用技术信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。四种信道复用方式：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用。多路复用器多路复用器一条传输线路传输多路信号计算机计算机频分多路复用FDMFDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段（带），每个信号占其中一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。调制调制调制+f1f2f3f1f2f3解调解调解调f2f1f3滤波滤波滤波f3多路复用器多路解复器发送带宽时分多路复用TDMTDM又分为同步时分复用（SynchronousTimeDivisionMultiplexing，STDM）和异步时分复用（AsynchronousTimeDivisionMultiplexing，ATDM）。波分多路复用WDMWDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号,提高了光纤的传输能力。最初，在一根光纤上只能复用两路光载波信号，随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多。现在已达到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，这种复用方式就是密集波分复用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。光纤1光纤2光纤3光纤4棱镜/光栅棱镜/光栅共享光纤同步时分复用STDM