计算机数据通信基础

第2讲计算机数据通信基础本讲主要内容:基本概念数据的传输数据传输的同步方式数据的编码和调制技术数据交换技术信道复用技术传输媒体的类型与特点差错控制技术2.1数据通信的基本概念2.1.1信息、数据与信号信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等多种媒体。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进代码0和1比特序列的过程。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式：分为模拟通信系统与数字通信系统两种。电话线上传送的为模拟信号（AnalogSignal）。模拟信号的电平是连续变化的，其波形如图（a）所示。计算机中所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号（DigitalSignal）。数字信号的波形如图（b）所示。(a)(b)幅度A时间连续的模拟信号离散的数据信号幅度时间101110φωt2.1.2数据通信系统的基本结构数据通信系统的基本结构可以用一个简单的通信模型来表示。产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信。在数据通信系统中，也将通信线路称为信道。01010010110信源信源信宿信宿噪声（干扰）信道信道0101101001001011010010（a）理想状态出错（b）实际环境下010110100101.模拟通信系统模拟通信系统的结构模型普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统信源噪声源信宿解调器调制器信道2.数字通信系统在我们现实生活中的计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。具体数字通信系统的工作过程如下图如示：数字通信系统的结构模型噪声源信道信源信源编码器信道编码器调制器解调器信道译码器信源译码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿数字通信和模拟通信(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿(a)数字信道信源编码器解码器信宿(c)模拟信道信源调制器解调器信宿(b)数字信道信源编码器解码器信宿2.1.3通信信道的分类信道的分类方法，常用的有以下三种：1、有线信道与无线信道使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道。它包括电话线、双绞线、同轴电缆、光缆和电力线等。无线信道：以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道。它包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。2、模拟信道与数字信道模拟信道：能传输模拟信号的信道称之为模拟信道。模拟信号的电平随时间连续变化。语音信号是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。数字信道：能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离散的数字信号在计算机中是指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列。当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，而通常需要进行数字编码。3、专用信道和公用信道专用信道：专用信道是一种连接于用户设备之间的固定电路，它可以由用户自己架设和向电信部门租用。专用电路一般用于短距离与数据传输量比较大的网络公用信道：也称公共交换信道。它是一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道。公共电话交换网就属于公共交换信道。2.1.4数据通信的技术指标1、数据通信速率（传输速率）传输速率是指数据在信道中传输的速度。它分为两种：码元速率和信息速率。码元速率RB：每秒钟传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率。每一个离散值就是一个码元。信息速率Rb：每秒钟传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率。一般来说，对于采用M进制信号传输信号时，信息速率和码元速率之间的关系是：Rb＝RBlog2M2.误码率和误比特率误码率是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。在二进制传输中，误码率也称为误比特率。误码率Pe＝传输出错的码元数/传输的总码元率误比特率Pb＝传输出错的比特数/传输的总比特数3.信道带宽与信道容量信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的。例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的带宽范围也在300～3400Hz。信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特每秒（bit/s）表示。当传输速率超过信道的最大信号速率时就会产生失真。通常，信道容量和信道带宽具有正比的关系，带宽越大，容量越高，所以要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽。从理论上看，增加信道带宽是可以增加信道容量的，但在实际上，信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加，其原因是在一些实际情况下，信道中存在噪声或干扰，制约了带宽的增加。信道带宽与信道容量的关系:2.2数据的通信方式2.2.1并/串行通信并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行传输中一次传送8个比特。并行通信的优点是速度快，但发送端与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。并行通信在计算机内部总线以及并行口通信中已经得到广泛应用。并行通信发送端01100101需要8条线接收端8个比特同时发送串行通信是指数据以串行方式在一条信道上传输，如图3－7所示。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，这样才能实现串行通信。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。串行通信通过计算机的串行口得到广泛的应用，而且在远程通信中一般采用串行通信方式。图3－7串行通信发送端接收端011001018个比特顺次发送并/串转换器串/并转换器01010101010101013.2.2通信电路的连接方式1、点对点的线路连接点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路和交换线路，如图3－8所示。使用租用或交换线路的连接方式，适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据，比如，通过公用电话交换网实现点－点的连接。图3－8点到点的线路连接2.多点线路连接多点线路连接是指各个站点通过一条公用通信线路连接，如图所示。在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享，若所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共享的。多点线路的连接方式3.2.3信道的通信方式按照信号传送方向与时间的关系，信道的通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种。1.单工通信单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，而接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向，如图所示。例如，无线电广播和电视都属于单工通信。单工通信2.半双工通信半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换，如图所示。半双工信道适合于会话式通信。例如，公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。3.全双工通信全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如图所示。例如，现实生活中的电话机通话就是一个全双工的通信过程。2.2.4信号的传输方式1.基带传输就数字信号而言，它是一个离散的矩型波，“0”代表低电平，“1”代表高电平。这种矩形波固有的频带称为基带，矩形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。2.频带传输在实现远距离通信时，经常需要借助于电话线路，此时应使用频带传输方式。所谓频带传输，在发送端就是将数字信号调制成音频信号后再进行发送和传输，当音频信号到达接收端时，再把音频信号解调成原来的数字信号。3.宽带传输宽带传输常采用75Ω的同轴电缆（CATV）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。因此，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，这也就是通常所说的“三网合一”，三网是指语音网、数据网和电视网。另外，使用CableModem上网就是基于宽带传输系统实现的。宽带传输的优点：一是传输距离远，最远可达几十公里；二是可同时提供多个信道。但它的技术较复杂，其传输系统的成本也相对较高。2.3数据传输的同步方式1、异步方式:每传送1个字符（7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或两个停止位，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和结束，从而起到通信双方的同步作用，如图所示。异步方式的实现比较容易，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。2.同步方式通常，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，如图所示。2.4数据的编码和调制技术在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式来表示的。数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制，如图所示。数字编码（NRZ、曼彻斯特等）调制（ASK、FSK、PSK等）脉冲编码调制PCM调制（AM、FM、PM等）数字数据数字数据数字信号数字信号模拟信号模拟信号模拟数据模拟数据（数字信道）（模拟信道）（数字信道）（模拟信道）2.4.1数字数据的调制典型的模拟通信信道是电话通信信道。它是当前世界上覆盖面最广、应用最普遍的通信信道之一。传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。调制：在发送端将数字数据信号变换成模拟信号的过程称为调制