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1第2章网络数据通信问题原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。教学重点能力要求掌握:数据通信的基本概念,数据传输与编码技术.了解：数据传输技术的发展趋势。熟悉:多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术等。2§2.1数据通信的基本概念§2.6网络数据传输差错控制§2.5网络数据交换§2.4网络多路复用§2.2数据调制与编码§2.3网络数据传输本章目录3知识结构网络数据通信数据通信的基本概念网络数据交换数据传输带宽数据传输介质数字传输的质量参数网络多路复用网络数据传输帧中继交换分组交换报文交换电路交换数据通信系统信息、数据与信号串行传输与并行传输数字数据的模拟调制模拟数据的模拟调制数字数据的数字编码数据调制与编码频分多路复用时分多路复用单向传输与双向传输同步传输与异步传输模拟数据的数字编码密集波分多路复用码分多路得用网络数据传输差错控制差错控制方法差错检测方法差错的产生于类型ATM交换4§2.1数据通信的基本概念1、信息信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。2、数据数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。⑴模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。⑵数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。2.1.1信息、数据与信号53、信号信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。图2-2模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号⑴模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图2-2（a）所示。2.1.1信息、数据与信号⑵数字信号：是离散的不连续的电信号,通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据,如图2-2(b)所示。62.1.2数据通信系统1、数据通信系统的基本结构任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-3所示。图2-3通信系统的基本结构数据+噪音噪音源信源信道信宿72.1.2数据通信系统2、数据通信类型在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。(1)模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-4所示。图2-4模拟通信系统结构信源调制器解调器信宿信道噪音源82.1.2数据通信系统(2)数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统。数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-5所示。图2-5数字通信系统基本结构图2-5数字通信系统结构信源编码器解码器信宿信道噪音源由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图2-6所示。92.1.2数据通信系统在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如图2-7所示。图2-5数字通信系统基本结构信宿噪音源信道编码器信源译码器信源编码器信源解调器调制器信道信道译码器图2-6数字通信系统结构模型102.1.2数据通信系统以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。图2-7调制解调器的功能作用电话线电话交换网计算机Modem电话机Modem电话机计算机电话线11§2.2数据调制与编码在计算机中的数据是用二进制0、1比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特性),在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中,数据的调制和编码可分为4种基本形式：数字数据的模拟调制12模拟数据的模拟调制3数字数据的数字编码模拟数据的数字编码4122.2.1数字数据的模拟调制数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图2-10显示了对数字数据“010010”进行不同调制方法的波形。图2-10数字数据的调制原理示意图132.2.1数字数据的模拟调制1、振幅键控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。其数学表达式为：2、移频键控（Frequency-ShiftKeying，FSK）移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率ω1t表示数字l，用角频率ω2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。u(t)＝Um•sin（ω1t＋φ）数字10数字0u(t)＝振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。142.2.1数字数据的模拟调制其数学表达式为：由于移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。3、移相键控（Phase-ShiftKeying，PSK）移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对调相。Um•sin（ω2t＋φ）数字0Um•sin（ω1t＋φ）数字1u(t)＝152.2.1数字数据的模拟调制Um•sin（ωt＋0）数字1接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值。绝对调相波形如图2-10（c）所示。⑴绝对调相（AbsolutePSK）：在载波信号u(t)中,φ为载波信号的相位。当表示数字1时,取φ＝0；当表示数字0时,取φ＝π。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：Um•sin（ωt＋π）数字0u(t)＝⑵相对调相（DifferentialPSK）：是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移π。相对调相波形如图2-10（d）所示。162.2.1数字数据的模拟调制4、多相调制（MultiplePhaseModulation，MPM）在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有4种组合，即00、01、10、11每组是一个双比特码元，我们可以用4个不同的相位值去表示这4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相方法称为4相调制。同理，如果将发送的数据每3个比特组成一个3比特码元组，3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。172.2.1数字数据的模拟调制1、振幅键控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。其数学表达式为：Um•sin（ω1t＋φ）数字12、移频键控（Frequency-ShiftKeying，FSK）移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率ω1t表示数字l，用角频率ω2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。0数字0u(t)＝振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。182.2.2模拟数据的模拟调制对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相3种方法来实现，如图2-11所示。基带传输信号高频载波信号(a)振幅调制(b)频率调制(c)相位调制图2-11模拟信号的模拟凋制192.2.2模拟数据的模拟调制1、振幅调制（Amplitudemodulation，AM）振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位不变,幅值随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(a)所示。2、频率调制（Frequencymodulation，FM）频率调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的频率按调制信号的频率进行调制,调制后载波信号的相位和幅值不变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(b)所示。3、相位调制（Phasemodulation，PM）相位调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的相位按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值不变,相位随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(c)所示。202.2.3数字数据的数字编码数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。1、不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：⑴单极性不归零码(SinglePolarityNRZ)：是以无电压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。⑵双极性不归零码(DoublePolarityNRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。212.2.3数字数据的数字编码2、曼彻斯特编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。3、差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。01101001tO曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码01101001tO22模拟信号PAM信号PAM信号数字信号2.2.4模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、传输速率高、便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM),PCM的工作过程包括3个步骤：采样、量化与编码，其相应的波形信号如图2-13所示。图2-13PCM脉冲编