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1、.数据通信基本概念信息（Information）客观事物的属性和相互联系特性的表现。数据（Data）信息的载体，它是信息的表示形式。数据可以是数字、字符、符号等。信号（Signal）数据在传输过程中的具体物理表示形式传输介质通信中传送信息的载体，又称为信道（Channel）传输介质分为有线传输介质和无线传输介质。信息、数据和信号三者的关系数据通过信号形式传输，信息由各种数据来表达。数据通信就是把表达这个信息的数据通过物理信号进行传递模拟信号是一个连续变化的物理量，一般用连续变化的电压表示数字信号：是离散的，即在时间特性上幅度的取值是有限的离散值，一般用脉冲序列来表示。常用的数字是二进制数字0和
2、1，分别低电平和高电平两个状态信号。数字通信：使用数字信号进行数据传输的通信系统。模拟通信和数字通信:模拟信号与数字信号，在传输过程中都会受到干扰导致信号的变形。数字信号的可靠性比模拟信号要高数字信号比较容易存储、处理和传输模拟信号和数字信号是可以相互转换的。数据通信的技术指标 1.信道带宽 信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽有效是指信号在传输过程中没有失真为使数据信号通过信道的失真尽量小，就要求有足够的带宽2.数据传输速率数据传输速率也称为比特率，是指信道每秒所能传输的二进制比特数，单位为bps。数据传输速率的高低，由每位数据所占用的时间决定 3.信道的容量 信道传输数据速率的
3、上限，称为信道的容量。信道容量与信道带宽、噪声功率和信号功率的关系香农定理：CWlog2(1+S/N )，其中C信道容量；W为信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。信噪比即S/N，通常采用10lgS/N来表示，其单位为分贝（dB）。 奈奎斯特定理给出了有限带宽、无噪声离散信道的信道容量公式：C=2Wlog2L，式中L是信号有效状态的数量 。例1：典型的模拟电话系统带宽为3kHz，信噪比为30dB，即S/N1000，它的信道容量为： C3000log2(1+1000)30000bps例2，一个无噪声3kHz带宽的信道，若传输二进制信号（L=2），它的信道容量为： C=2×3000
4、15;log22=6000bps波特率波特率是传输的信号值每秒变化的次数。如果被传输的信号周期为T秒，则波特率Rb=1/T。波特率Rb与比特率R的关系：RRblog2V，其中V表示所传输信号所包含的离散电平数采用不同的调制方法，波特率和比特率的相对关系也就不一样5.信道延迟 信号沿信道传输需要一定的时间，这就是信道延迟。信道延迟发送和接收处理时间传输介质的延迟时间发送和接收设备的响应时间通信设备转发时间6.误码率 误码率是接收错误的码元数占传送总码元数的比例。 Pe= Ne /N误码率越低，通信系统可靠性越高，通信质量越好。数据传输模式串行通信 数据是一位一位地在通信线路上传输的 串行通信技术
5、标准RS-232,RS-422,RS-485,USB并行通信 要传输的数据中的多个数据位同时在两个设备中传输 计算机内部的总线结构就是并行通信点到点连接方式 点到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、租用线路或交换线路。多点连接方式 多点连接方式是指各个站点通过一条公共的通信线路或集线器连接起来。单工通信 在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输。典型例子：无线广播电台的广播、电视播放半双工通信 在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须交替进行，在任一时刻只能向一个方向传送。典型例子：对讲机、串行通信标准全双工通信 在全双工通信方式中，信号可以同时双向
6、传送数据 。典型例子：以太网通信、串行通信标准232信号的传输方式 基带传输 在数据通信中，二进制比特序列0和1的数字信号按照矩形脉冲信号的固有频率进行传输称为基带传输。基带传输的优点：无须调制就可以传送数字信号，简化了通信处理过程，提高了传输速度基带传输适合于近距离（几公里以内）传输频带传输频带传输方式是将数字信号调制成模拟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。频带传输不仅可以利用电话系统传输数字信号，而且可以实现多路复用，提高信道的利用率。频带传输既适合于近距离（几公里以内）传输，也适合远距离传输 宽带传输宽带是指比音频更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱，利
7、用宽带进行的数据传输称为宽带传输。宽带传输系统可以是模拟或数字传输系统。宽带系统可容纳全部的广播信号，可以把声音、图像及数据等信息综合到一个物理信道进行高速数据传输。宽带传输的优点是传输距离远，可达几十公里，但技术复杂，传输成本较高 。数据传输的同步技术 通信双方在发送接收比特序列时，要求接收端按照发送端所发送的二进制位的传送频率和起止时间来接收数据，使收发两端在时间基准上保持一致，我们把这种协调一致的通信过程称为同步。 同步最基本的单位是字符同步，可以有异步传输和同步传输两种方式。异步传输（Asynchronous Transmission）不发送数据时，信道一直处于高电平状态，每传送一个字
8、符（7位或8位）都要在字符前加1个起始位（起始位为低电平），表示字符的开始，在字符代码和校验码后面加1或2位停止位（停止位为高电平），表示字符结束。接收方根据这种规则进行同步。 同步传输（Synchronous Transmission） 是以数据块（一组字符或比特流）为单位进行传输的。在数据块之前先发送一个或多个同步字符SYN，用于接收方进行同步检测，从而使通信双方进入同步状态。在同步字符之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送完毕，再使用同步字符来标识整个发送过程结束 。异步、同步传输的比较 异步传输的特点是：每个字符作为一个独立的整体进行传送，字符之间的时间间隔是任意的，每传输一个字
9、符都需要多使用23个二进制位，增加开销，适合于低速通信。同步传输方式比异步传输方式的传输效率高，对传输设备也有较高的要求，需要时钟同步，适合大数据量的传输。数字数据的编码技术 信号传输à数据传输à信息传输(最终目的)数字数据在传输之前，需要进行数字编码，使得信号具有意义。数字数据的编码方式有三种1.不归零编码2.曼彻斯特编码3.差分曼彻斯特编码。 不归零编码不归零编码（Non-Return to Zero, NRZ ）规定用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”缺点难以决定一位的结束和另一位的开始，需要使用某种方法使发送器和接收器之间进行定时和同步。脉冲序列含有直流分
10、量，特别是出现多个1或0信号时，直流分量会积累 。曼彻斯特编码 （Manchester ）每比特的周期T分为前T/2和后T/2两部分；前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码 差分曼彻斯特编码 (Difference Manchester) 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。每比特的中间跳变仅做同步之用；每比特开始处出现电平跳变表示二进制“0”，不发生跳变表示二进制“1” 差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码的变化要少，因此更适合于传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中数字数据的调制技术 发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为调制，调制设备就称为调制器（Modulator）；接收端
11、将模拟信号还原成数字信号称为解调，解调设备就称为解调器（Demodulator）。以双工方式进行数据通信，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem）数据调制方法： 载波信号：u（t）=umsin(t+)1.幅移键控（um）2.频移键控（）3.相移键控 （）幅移键控（Amplitude-shift keying，ASK）用载波原有的振幅表示数字“1”，用载波原有的振幅的1/2表示数字“0”特点：信号容易实现，技术简单，但抗干扰能力差。频移键控（Frequency-shift keying，FSK） 用角频率1表示数字1，用角频率2表示数字0 特点：信号容易实现，技术简单，抗
12、干扰能力优于幅移键控（ASK）方式。广泛应用于高频的无线电传输，是目前最常用的调制方法之一。 相移键控（Phase-shift keying，PSK）相移键控方法是通过改变载波信号的相位值表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对相移。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对相移 特点：抗干扰能力强，但实现技术复杂 多路复用技术高通信系统传输信息效率的方法信源压缩技术：对信源进行适当的简化处理，减少冗余，从而提高通信的有效性 信道利用技术：通过采取适当措施，使多个信号共用一个信道，从而提高传输效率 信道利用技术（多路复用技术）频分多路复用时分多路复用波分多
13、路复用码分多路复用 频分多路复用（FDM ）将具有一定带宽的线路划分为多条占有较小带宽的信道，各条信道中心频率不重合。频分多路复用首先将每个信源发出的信号频带变换到各传输子信道频带上，然后传输给对方。对方再用反变换的方法，将每个信源的信号频带还原。 主要用于模拟信号时分多路复用（TDM）将线路用于传输的时间划分成若干个时间片，这些时间片轮流分配给不同的通信方，在某个时刻，传输信道上只能传输某个通信方的信息，通信方占有通信线路的全部带宽。适用于当传输介质的传输速率超过单一信源要求的数据传输速率时时分多路复用可分为：固定时分多路和统计时分多路复用波分多路复用（WDM）在一根光纤上能同时传送多个波长
14、不同的光载波的复用技术，使得光纤的传输能力成倍提高。波分多路复用技术十分类似频分多路复用技术，它是利用波分多路复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光信号，并复用到光纤信道上；在接收方，采用波分设备分离不同波长的光。码分多路复用（ CDMA）码分多路复用又称为码分多址复用，是一种用于移动通信系统的技术。CDMA的复用原理是基于码型分割信号CDMA的三个关键技术：（1）地址码产生技术。（2）地址码同步技术。（3）扩频技术。为什么要采用数据交换技术 一个拥有众多用户的通信网不可能采用两两之间连接的全互联方式，必须采用交换设备交换网络有多条信道供多个终端共用，网络的交换设备能够按照终端的需要分配信
15、道并将它们连接起来。常用的数据交换技术有两大类电路交换存储转发交换 电路交换（Circuit Switching）也称为线路交换。交换机负责在两个通信站点之间建立一条物理的固定传输通路，直到通信完毕后再拆除。电路交换的三个阶段电路建立、数据传输和电路拆除。优点：通信实时性强，适用于交互式会话通信。缺点：对突发性通信不适应，系统效率低；系统不具有存储数据的能力，不具备差错控制能力，无法发现和纠正传输过程中的数据差错。存储转发交换 原理：把待传送的信息在交换设备控制下，先在数据缓冲区存储起来，等到信道空闲时再转发出去。不需要一条专用的通路，提高了信道的利用率，以及建立电路延迟小、可进行差错控制等优
16、点。存储转发交换方式可分为：报文交换和报文分组交换。 报文交换（Message Switching） 以报文为单位发送信息。报文就是计算机一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。报文包括三部分内容：报头、报文正文和报尾。报头由发信站地址、终点收信站地址及其他辅助信息组成。报文分组交换（Packet Switching） 报文分组交换以更短的、标准的“报文分组”（包）为单位进行交换传输，每个分组长度有上限。报文分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。报文分组交换数据报交换虚电路交换 数据报交换 交换网把任一报文分组当作单独的“小报文”（数据报）来处理，而不管它是属于哪个报文的分组，就像报
17、文交换中把一份报文进行单独处理一样。数据报分组交换的特点 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网； 同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象；每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址；虚电路分组交换虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网建立逻辑上的路径。虚电路分组交换的特点 建立逻辑连接，所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输。虚电路分组交换方式，也包括虚电路建立、数据传输和虚电路拆除三个阶段。报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需携带虚电路标识号。报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序的现象；报文分
18、组通过每个虚电路上的节点时，节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。传输介质 又称为通信介质或媒体，在网络中是连接收、发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体。传输特性吞吐量：是指单位时间传输介质能传输的数据量。吞吐量也称为容量或传输速率，用Mbps（每秒兆位）度量 可扩展性：是指网络介质的三种物理规格：最大段长度、每段的最大节点数以及最大网络长度 连接性：是指传输介质与网络设备的连接特性 抗噪性：是指传输介质防止噪声干扰对信号传输影响的能力。 有线传输介质:同轴电缆 粗缆细缆 双绞线 屏蔽双绞线非屏蔽双绞线光纤 多模光纤单模光纤 无
19、线电信道 :微波通信红外通信卫星通信 蓝牙蜂窝无线通信通信接口设备串行接口 EIA RS-232CEIA RS-449EIA RS-422/485 调制解调器 X.21接口 以太网接口卡差错控制技术:差错：信宿所接收到的数据和信源所发出的数据不一致，即造成传输差错，或简称差错 .防止由于各种噪声干扰等因素引起的信息传输错误或将差错限制在所允许的尽可能小的范围内而采取的措施.差错控制的方式基本上有两类：一类是纠错；另一类重发差错的控制方法:“回声”法 发送方把报文发送给接收方，接收方把收到的报文再送回给发送方。发送方比较接收到的报文与原报文。“回声”法简单可靠，但信道的利用率最高也只有50%。
20、“表决”法 发送方每次发送给接收方的报文采取一式多份的方式（一般为奇数份），接收方选取多数者作为正确的报文自动请求重发法（ARQ）发送端发送具有校验码的报文，接收端根据协议将反馈信道反馈给发端。前向纠错法（FEC）前向纠错指发送端将信息码元按一定规则附加纠错码，纠错能力有限，当接收的码字中有差错且在该码字的纠错能力之内时，接收端会自动纠错。混合纠错法（HEC）混合纠错是反馈纠错与前向纠错两种方式的结合。当接收端收到码字后首先检验有无差错，如果差错在编码的纠错能力之内，则自动纠错；如果超过编码的纠错能力，则通过反馈信道命令发送端重发以纠正错误差错控制编码:差错控制编码可分为检错码和纠错码两类在高
21、可靠的信道上通常使用检错码，当偶尔有错误发生时，只需重新传送整个数据块即可。而在错误发生比较频繁的信道上，如无线链路，最好使用纠错码，在每个数据块中加入足够的冗余信息，以便接收方能够计算出原始的数据是什么，自动纠错。因为重发数据块也可能是错误的。 常用的差错检测编码有奇偶校验码、循环冗余码奇偶校验码:奇偶校验码是通过增加冗余位来使得码字某些位中“1”的个数保持为偶数（或奇数）的编码方法。异步通信系统使用了两种奇偶校验方法，即偶校验和奇校验。水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验。垂直奇偶校验:先把字符水平地排列起来，再按垂直方向将每个字符的比特展开，在每一列上附加一个奇偶校验位，即构成垂直奇偶校验码垂
22、直奇偶校验能检验出每个字符中所有奇数个的错，但检验不出偶数个的错，差错的漏检率接近50% 水平奇偶校验码:先把字符水平地排列起来，再按垂直方向将每个字符的比特展开，在水平行进行分组，每一行上附加一个奇偶校验位，即构成水平奇偶校验码 水平奇偶校验能检验出所有字符的相同位上出现的所有奇数个的错，但检验不出偶数个的错，差错的漏检率接近50% 水平垂直奇偶校验码:将垂直奇偶校验和水平奇偶校验结合起来便构成水平垂直奇偶校验码，也称为方阵码 方阵码的漏检率仅有百分之一到万分之一 循环冗余码（CRC）:循环冗余码是先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算，并由余数得出一个校验码序列也称为
23、冗余码。接收端将包括校验码序列在内的数据帧与约定的数据进行除法运算，若余数为“0”，则表示接收的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错。CRC码检错能力强，能检测出所有奇数位错误、所有偶数位错误和所有小于、等于冗余位数的突发性错误。例3-1设生成多项式G(x)=x4+x+1，发送的信息m(x)为1101011011，计算CRC码。解：G(x)是4次多项式，冗余位为4（即r=4），生成多项式是10011；用10011去除x4·m(x)（即24·m(x)=11010110110000），得到的余数为1110；所以CRC码为11010110111110。例3-2接收方接收到的比特串是1100111001，使用的生成多项式是G(x)=x4+x+1，问传输过程有无差错。若正确，指出冗余位和信息位。解：用G(x)（即10011）去除接收到的数据1100111001，得到余数为0。判定传输正确。因为G(x)是4次多项式，r=4，冗余位为4位，即后4位1001为冗余码。信息位就是110011。: