数据通信原理概述

数据通信原理概述华中科技大学计算机学院李榕数据通信的重要性计算机之间的通信：数据通信通信网的发展趋势：电话网计算机网有线电视网三网融合宽带IP网就是数据通信（可见它的重要性）2010/10/19数据通信原理2教学目的数据通信原理是一门非常重要的专业课，通过对本课程的学习，能使同学们对数据通信的基本概念、数据通信网等有一个较全面的了解，并能掌握一定的数据通信基本理论和有关数据通信技术的一些应用技能。学好这门课对学习后继课程打下一个良好的基础，同时也会对从事通信和计算机等方面的工作有所帮助。2010/10/19数据通信原理3课程内容数据通信系统构成及有关基本概念数据信号传输的三种基本形式：数据信号的基带传输、数据信号频带传输、数字数据传输差错控制的基本理论及应用数据通信的交换方式：电路交换、报文交换、分组交换和帧方式通信协议的概念、模型数据通信网的基本构成及应用：分组交换网、帧中继网、数字数据网（DDN）Internet与宽带IP城域网2010/10/19数据通信原理4教材、老师和考核教材：数据通信原理（第2版），毛京丽教授著，北京邮电大学授课老师：李榕Email：[e-mail]考核：30%平时成绩——上课70%考试成绩2010/10/19数据通信原理5内容提要本章介绍数据通信有关的重要概念和定义，要求理解数据通信系统的构成、数据传输速率、方式、质量和信道容量的基本内容。2010/10/19数据通信原理6消息、信息、数据与信号消息：指通信过程中传输的具体原始对象，如电话中语音，电视中图像，电报中电文，雷达中目标的距离、高度、方位，遥测系统中测量的数据等。这些消息在物理特征上各不相同，所以各种消息的组成亦不相同。消息的特点：能够被通信双方理解可以传递2010/10/19数据通信原理7消息、信息、数据与信号信息：是有秩序的量度（香农，信息论），是人们对事物了解的不确定性的消除或减少。信息是对组织程度的一种测度，信息能使物质系统有序性增强，减少破坏、混乱和噪音。信息量：信息量与不确定性消除程度有关，量度信息多少的测度就是信息量。信息量的度量单位是：比特（bit）2010/10/19数据通信原理8消息、信息、数据与信号数据：就是赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合，它是消息的一种表现形式。数据涉及到事物的形式，而信息涉及的是这些数据的内容。2010/10/19数据通信原理9消息、信息、数据与信号信号：把消息转换成适合于信道传输的物理量，就是信号。信号携带着消息，它是消息的运载工具。通信中的信号有电信号和光信号两种。信号可以分为模拟信号和数字信号。2010/10/19数据通信原理10消息、信息、数据与信号模拟信号：指信号的某一参量可以取无穷多个值，并且与原始消息直接对应的信号，如话音信号及其按照抽样定理所得的PAM样值信号等x(t)tx(t)t(a)时间连续的模拟信号2010/10/19(b)时间离散的模拟信号数据通信原理11消息、信息、数据与信号数字信号：指信号的某一参量只能取有限多个值，且与原始消息不直接对应的信号，如计算机终端输出的二进制信号及其经过PSK、FSK等调制方式调制后所得的信号等x(t)1011001(a)二进制数字信号t3210x(t)(b)多进制数字信号t2010/10/19数据通信原理12消息、信息、数据与信号模拟信号与数字信号之间的相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(PulseCodeModulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(PhaseShift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号。2010/10/19数据通信原理13消息、信息、数据与信号根据信道上传输的信号形式的不同，可以分为两类通信方式。模拟通信：以模拟信号的形式传递消息。采用频分复用实线多路通信（频分复用是利用各路信号在信道上占用不同的频率范围，同在一条信道上传输，并且互不干扰）。数字通信：以数字信号的形式传递消息。采用时分复用实线多路通信（时分复用是利用各路信号咋信道上占有不同的时间间隙，同在一条信道上传输，并且互不干扰）。2010/10/19数据通信原理14消息、信息、数据与信号数字数据既可以用模拟信号，也可以用数字信号表示和传播。而模拟信号和数字信号都可以在合适的传输介质上传输。通常,将传输过程中使用模拟信号的传输方式称为模拟数据传输(可能需要调制解调器)；将传输过程中使用数字信号的传输方式称为数字数据传输(可能需要编解码)。2010/10/19数据通信原理15数据通信数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间来传递数据通信信息（功能单元就是指数据终端）。它可以实现计算机与计算机、计算机与终端或者终端与终端之间的数据信息传递。数据通信包含两方面的内容：数据的传输和数据传输前后的处理，如数据的集中、交换、控制等。2010/10/19数据通信原理16通信协议通信协议：通信双方事先约定好的双方都必须遵守的通信规则，它实际上是一些通信规则集。通信协议一般由语法、语义和时序组成：（1）语法（Syntax）：数据与控制信息的格式、数据编码等。（2）语义（Semantics）：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。（3）时序（Timing）：事件先后顺序和速度匹配。2010/10/19数据通信原理17数据通信的特点（1）计算机终端等机器作为主体直接参与通信（2）传输速率高，要求通信终端的响应速度快（3）DTE发出的数据是离散信号（数字信号），既可利用现有的PSTN，又可利用数据网络来完成。（4）具有差错控制能力（5）具有灵活的接口能力（6）每次呼叫平均时间短，要求接续和传输响应时间快（7）抗干扰能力强（8）容易加密，且加密技术、加密手段优于传统通信方式2010/10/19数据通信原理18数据通信系统数据通信系统：通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。2010/10/19数据通信原理19数据通信系统的组成DTE接口DCEDCE接口DTE数据输入输出设备传输控制器数据电路终结设备传输信道数据电路数据链路数据电路终结设备通信控制器中央处理机2010/10/19数据通信原理20数据通信系统的组成DTE：数据终端设备，指计算机、用户电报终端、可视图文终端、局域网设备等输入输出设备,其主要功能是完成数据的采集、存储及处理等功能，并提供人机接口，供操作人员访问通信系统或网络资源。DCE：数据电路终接设备，是DTE和信道的接口，使信道更有利于信道的传输。如调制解调器Modem。传输信道：根据不同的规则有不同的分类方法，例如可以分为模拟信道和数字信道、有线信道和无线信道、交换信道和专用信道等。数据电路：由DCE和传输线路构成.可视为广义信道。数据链路：具有通信协议功能的数据，传输更可靠，其误码率一般比数据电路下降10-4左右。2010/10/19数据通信原理21数据通信的过程在模拟信道中，DCE是MODEM，数据终端先产生了数据，经过数据输入输出设备以后，用传输代码来表示变成数据信号，经过传输控制器完成各种传输控制功能，此时数据终端设备输出的是基带信号，发送方将DTE送来的数据信号进行调制，将其频带搬移到话音频带上，同时也将信号变成模拟信号，接收端则进行相反的变换。在数字信道中，DCE是数字适配器，数据终端先产生了数据，经过数据输入输出设备以后，用传输代码来表示变成数据信号，经过传输控制器完成各种传输控制功能，此时数据终端设备输出的还是基带信号，数字适配器执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步功能，信道服务单元主要是执行信道均衡、信号整形等功能。接收端则进行相反的变换。2010/10/19数据通信原理22传输代码数据是由数字、字母(符号)等组成的,要用许多不同形状的电压来表示它们是不现实的。解决办法是采用代码。这里所说的代码就是二进制的组合,即二进制代码。目前,常用的二进制代码有国际5号码(IA5)、EBCDIC码和国际电报2号码(ITA2)等。数字0和1可以是数据,要以电信号来传输它们,必须以电信号的一定波形来表示。例如用一定时间长度的正电压代表数字1,用负电压代表数字02010/10/19数据通信原理23讨论（1）数据电路与数据链路的关系——数据链路由数据电路及两端的传输控制器组成，对于只单独建立数据电路，是无法进行可靠有效地通信。（2）只有建立了数据链路通信双方才能有效，可靠地进行数据通信。（3）一个中央计算机系统，实际上也就是数据终端设备DTE，是可以通过通信线路连接多个数据终端，实现主机之间资源共享。2010/10/19数据通信原理24信道类型物理视线传输信道双绞线同轴电缆光纤无线信道电话网传输信道数字数据网传输信道2010/10/19数据通信原理25噪声与信噪比噪声的分类工业噪声天电噪声内部噪声信噪比：指某一点上的信号功率与噪声功率之比，通常以dB来表示：SP10logS2010/10/19NdBPN数据通信原理26数据通信传输方式基带传输与频带传输并行传输与串行传输异步传输与同步传输单工、半双工与双工传输2010/10/19数据通信原理27基带传输与频带传输基带传输：将DTE经过码型变换、电平转换等必要处理后直接在信道上传输，常用于短距离的数据传输系统中。例如：USB传输频带传输：在数据传输之前首先经过调制器，将基带信号变换成频带信号，然后在信道中传输。例如：数字电视传输2010/10/19数据通信原理28并行传输与串行传输并行传输：将数据符号编码后，在两条以上的并行信道上同时传输，一般一次传输一个字符。例如：SD卡的读写串行传输：将数据编码按位或按码元依次在一条信道上传输。例如：USB传输2010/10/19数据通信原理29并行传输与串行传输并行传输的特点优点：对于每次只传输一个字符，因此它不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步缺点：必须有多条并行信道，成本比较高，不适宜远距离传输适应场合：计算机等设备内部或两个设备之间距离比较近时的外线上采用2010/10/19串行传输的特点优点：只需要一条传输信道，花费的成本低，易于实现缺点：要采取措施实现字符同步适用场合：目前外线上主要采用的一种传输方式，通常用于远距离通信数据通信原理30异步传输与同步传输异步传输：是指只要DTE有数据需要发送，就可以在任何时刻向信道发送信号，而接收方通过检测信道上的电平变化与否就能自主判断何时接收数据。异步传输方式一般以字符为单位传输，每个字符的起始时刻可以是任意的。01011001停止位信息位起始位同步传输：必须建立准确的同步系统，因此它都是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，所以在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的，也就是同步。信息位同步标志信息位同步标志2010/10/19数据通信原理31异步传输与同步传输异步传输优点：收发双方的时钟信号不需要精确的同步，实现字符之间同步比较简单缺点：对于每个字符都需要加入起始位和终止位，因此信息传输效率低适用场合：常用于中、低速数据传输2010/10/19同步传输优点：不需要每字节都加同步信息，故传输效率较高缺点：必须建立准确的时钟同步，实现起来比较复杂适用场合：常用于高速数据传输数据通信原理32单工、半双工与双工传输单工传输：指两站之间只能沿一个方向传输数据，如数据由A站传到B站，称为正向信道。（B站至A站只能传送联络信号，传