三讲数据通信基础.ppt

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1、第三讲数据通信基础,课程回顾,提问,1.从逻辑功能上可以将计算机网络分成哪几个部分？ 2.计算机网络有哪些主要的拓扑结构？,新课讲解,本次课介绍如下知识,数据通信的基本概念 数据传输方式 数据编码技术和时钟同步 数据交换技术 多路复用技术 差错控制方法,通信系统的模型,一、数据通信的基本概念,数据(Data)：对某一客观现象的物理度量，即信息的表达方式，如数字、文字、声音、图形、图像等。 信息(Information)则是从一批数据中分析、统计得出的有用数据，即有用的知识或信息。 信号(Signal)：与某一实际数据对应的、以电磁波形式表示的连续或者离散数据。即数据数据在传输过程中的电磁波表示

2、形式。 信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。 信宿：通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。,一、数据通信的基本概念,信道(Channel)：信源和信宿之间的通信线路。传送信息的线路（或通路），由通讯线路、交换设备、中间处理设备等组成。 物理信道分为有线信道和无线信道。 数据通信：发送方将要发送的数据转换成信号，通过物理信道传送到数据接受方的过程。,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,一、数据通信的基本概念,一、数据通信的基本概念,模拟数据通信和数字数据通信两种不同类型

3、的量 模拟信号：时间、温度、电波、声音 信号中没有断开或不连续的的地方； 数字信号：字符，二进制数，电脉冲 信号仅取一些有限数目的值；,一、数据通信的基本概念,模拟： 波动性； 持续变化； 反映事物的本质； 在电信业已经被广泛 使用超过100年；,数字： 离散性； 跃变性； 设备性能先进， 较为便宜；,模拟与数字的特点,（a）模拟信号 （b）数字信号,数据通信,一、数据通信的基本概念,一、数据通信的基本概念,数据通信中的主要技术指标 码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元，即一个二进制“位”比特（Bit）。 比特率(Bit Rate)：数据传输速率 (bps，b/s)。单位时间

4、传送的比特数，用于描述数字信道的传输能力，即发送、接收双方及中间交换的处理能力。,数据通信中的主要技术指标 数据传输率的计算公式： S= （11） 式中：S数据传输率，每秒比特（b/s） T信号周期，即测量取样时间间隔，单位秒（s）。 N量化电平数，测量值划分成N个级别，一般N2，4，8，16， 是比特数（b）。,一、数据通信的基本概念,例11 脉码调制系统PCM（Plus Code Modulation）每秒钟测量取样8000次，256个量化电平，求数据传输率。 解：信号周期T1/8000， 量化电平数N256 由公式可知 S880006400（b/s)64Kb/s,一、数据通信的基本概念,

5、数据通信中的主要技术指标 带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围 误码率(Bit error rate)：信道传输可靠性指标。传输时出错比特数与总传送比特数之比。用公式表示为： ：比特出错率，一般用百分数表示。 ：传输出错比特数。 B：总传送比特数。,一、数据通信的基本概念,信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率 香农公式:最大数据传输速率C=Blog2（1S/N）(bps) C：信道容量，即信道最大传输率（b/s)。 B：信道频带（Hz）。 S：信道中信号功率。 N：信道中电磁噪声功率。 信道中信噪比用分贝dB数表示，分贝定义式：,一、数据通信的基本概念

6、,例12 已知信噪比为30dB，带宽为4kHz，求信道的最大数据传输速率。 解由公式可知 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=4000log2(1+1000)40k bps,一、数据通信的基本概念,通信方式 数据通信中，按数据通道数目及数据流方向分为并行通信、串行通信，单向、双向通信等。,一、数据通信的基本概念,并行数据传输,并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。 并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行

7、通信的例子。 优点是传输速度快，处理简单。,串行传输数据,串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。 串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。,串行通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输； 半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通

8、信； 全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。,单工、半双工、全双工,单工、半双工、全双工,数字信号同步方式,同步方法：模拟或是数字信号通信的基本要求是接收端应知道发送端发送数据的开始时间和结束时间。目前的两种同步方式有：异步传输方式和同步传输方式。 同步传输方式是以固定的时钟频率来发送串行信号的。同步传输方式有被称为比特同步传输方式。 实现同步传输方式的同步时钟有两种方法: 一种是外部同步法，该方法是在传输线路中加一条时钟信号线，以连接到接收设备的时钟上。 另一种是自同步法，该方法是让接收端的调制

9、解调器从接收数据信息中直接提取同步信号，并以此获得同步的时钟频率。自同步法通常用于远距离的传输。,同步传输方式避免了异步传输方式中每个字符都需要附加信息的缺点，因此效率较高。但实现起来有点复杂，所以通常用于需要高速传输的网络。 异步传输方式又称为起止同步传输方式。这是最早使用和最简单的一种同步方式。 这种方式是以字符为单位进行同步的。在通信过程中，发送端会给一个字符加上开始和结尾信息，即在字符前设置“起”信号和在结尾处设置“止”信号。 异步传输方式的优点是每一个字符本身就包括了字符的同步信息，不需要在线路两段专门设置同步设备。其缺点是每发一个信息就要添加起止信号，造成了附加数据开销。异步传输方

10、式目前仍被广泛使用。,数字信号同步方式,同步通信与异步通信,二、数据传输方式,数据传输时，对线路频带资源的使用方式有两种：基带传输与宽带传输。 基带传输 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号; 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号; 在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输; 在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如：曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号; 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号; 基带传输是一种最基本的数据传输方式。 基带传输时要注意保持收发双方同步。 宽

11、(频）带传输，利用模拟信道传输数据信号的方法 ，对多路信号采用不同的载波频率进行调制，每一路信号占用一定宽度的频带资源，在同一条通信线路上可同时传送多路信号，这样在远距离通信时有利于节约线路资源。调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备。,不归零NRZ（Nonereturn to Zero）编码：亦称全编码，即在数字信号“0”或“1”持续时间，信号电平不变，与代码宽度相同。如图a所示。 二进制数字0、1分别用两种电平来表示。 常用5V表示1，5V表示0。 缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。 归零RZ（Return Zero）编码亦称窄脉冲，

12、数字信号脉冲宽度小于“0”、“1”持续时间，即小于代码宽度，每一窄脉冲在数字代码未变之前就以归零。如图b所示。,数字数据编码方法,图1-11(c)为数字信号取样脉冲，数字信道上传输的就是代表“0”、“1”的脉冲；在实际信道上，为了减少数字信号的直流分量累积，采用的是交替双极性脉冲，使正、负脉冲个数在总体上大致相同，直流分量趋于零。,图1-11归零码、不归零码及取样脉冲,曼彻斯特编码(Manchester code) 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变： 高 低的跳变0，低高的跳变1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时

13、钟保持一致。 曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。,数字数据编码方法,差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code) 与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于： 用在码元开始处有无跳变来表示0和1 。 码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变1,图1-12曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码,三、数据编码技术和时钟同步,数字信号模拟传输调制与解调 由于高频信号抗干扰能力强，易于远距离、高效率传输，因此在信号传输时，

14、常将低频信号搭载在高频信号上传输，到达目的地后再将原始信号从高频信号上取出来；起搭载作用的高频信号称为载波，犹如运输货物的车辆，原始信号犹如货物； 将原始信号搭载在高频载波上的过程称为调制-相当于货物装车； 在接收端将原始信号从高频信号上取出来的过程称为解调制、简称解调-相当于货物运到后卸货。 而用低频信号控制高频信号参数-调制后的波形称为调制波。,三、模拟数据编码方法,数字信号模拟传输调制与解调 为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设

15、备称作调制解调器(Modem)。下图为远程系统中的调制解调器,公共电话交换网中使用调制解调器的必要性,公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz3400Hz，而数字信号频宽为0Hz几千兆Hz。若不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号，必定出现极大的失真和差错。所以，要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围300Hz3400Hz。,模拟数据编码方法,三种常用的调制技术： 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 相移键控PSK(Phase Shif

16、t Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波 Y(t) = A cos (t+) Y(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化,三种调制方式波形图,信号传输速率-单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。 计算公式: B=1/T (Baud) （14） 式中 T为信号码元的宽度，即信号周期，单位为秒。 信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。 由（11）、（14）式得： S=B*log2N (bps) （25）,模拟信号数字传输采样、量化、编码,模拟信号转换成数字信号需经过采样、量化、编码

17、 采样：每隔一定时间间隔取一个测量值。 量化：对每个样本舍入到量化级别上。即将采样最大值分为N个等级，所有采样值按这N个等级量化处理，N取2的指数，PCM系统中，N256 编码：将量化后的每一个采样值，编写成为M位二进制比特，M,图1-15采样、量化、编码过程示意图,如图所示，采样频率为10、量化等级为8，得到30比特编码。,为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。 两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。 就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。,实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。

18、,四、数据交换技术,交换网络的拓扑结构,交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。) 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。 呼叫建立连接传输挂断 优缺点： 建立连接的时间长； 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； 无纠错机制； 建立连接后，传输延迟小。,电路交换,电路交换的工作模式,报文：发送的整块数据。 报文交换:整个报文作为一个整体一起发送。报文交换类似于发送信件。 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。

19、缺点： 1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。 2）大报文造成存储转发的延时过长； 3）出错后整个报文全部重发。,报文交换,存储转发技术,采用存储转发的邮政通信工作模式,分组（包）：报文划分成更小的等长数据段，加上控制信息组成的首部报头（源地址、目的地址）。 分组交换:将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。 优点： 1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组速度快； 2）转发延时小适用于交互式通信； 3）某个分组出错仅重发该分组效率高； 4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。,特点： 1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。 2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功

20、能。,分组交换（包交换）,数据报分组交换,数据报方式是通信子网将进入子网的分组当作“小报 文”处理。,虚电路分组交换,在发送任何分组前，先建立一条端到端的逻辑连接，各结点不需为每个分组作路径判定，但分组在每个结点上仍需缓冲、排队。,数据报：无连接的服务；虚电路：面向连接的服务 数据报每个分组作为一个独立的信息单位传送 特征：不需要连接，也无需确认 完整的网络地址（源和目的）信道利用率低 不保证按序到达；每个分组均需进行路由选择 虚电路传输前先建立一条逻辑连接，传输结束后拆除 特征：需要建立连接 仅在建立连接时需要全网地址，传输时用虚电路号 按序到达；仅在建立连接时需要路由选择 两类虚电路： 永

21、久虚电路租用后便永久建立，退租后拆除。 交换虚电路需要通信时建立，通信结束便拆除。,数据报分组交换与虚电路分组交换,三种交换方式的事件顺序,交换技术特性比较,交换技术特性比较,多路复用技术,多路复用技术:用一条高速线路传送多条低速线路的数据 。 为何要复用？线路成本 分类： 频分多路复用（FDM-Frequency Division Multiplexing） 时分多路复用（TDM-Time Division Multiplexing）,频分复用Frequency Division Multiplexing,原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防

22、护频带,时分复用Time Division Multiplexing,原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙） ，每个用户占用一个通道传输数据。,统计(异步)TDMSTDM,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。 改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。,数字载波标准,用数字信号传输语音和数据的时分复用标准。 T-标准 北美、日本 E-标准 欧洲、中国、南美,E1标准,每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（供32个用户轮流使用）。 每通道占用125 us /32=3.90625 us

23、 每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制位占用0.48828125 us，所以 E1速率 = 1/0.48828125=2.048Mb/s 也可以这样计算E1速率 E1速率 = (32x8bit)/125 ms = 2.048 Mb/s,差错控制方法,产生差错的原因： 1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变； 2）信号反射； 3）串扰； 4）闪电、大功率电机的启停等。 线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。,基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法： 1.奇偶校验（Parity Checking） 在原始数据字节的最高位增加一

24、个附加比特位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。 例：原始数据=1100010，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。 奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。,差错控制方法,水平奇校验例子：,2.循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）,一种通过多项式除法进行冗余码生成、接收方检验传输是否出错的有效方法。 前提:发送方和接受方必须事先商定一个二进制数G(x) (生成多项式) ， 发送端: 计算校验和,将校验和加在数据末尾,使

25、这个带校验和的数据能被G(x)除尽。 接收端:收到带校验和的数据后,用G(x)去除它,如果有余数,则传输出错。 实现:用简单的硬件(移位寄存器电路)即可 编码思想：将位串看成系数为0或1的多项式,差错控制技术,自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ) 停等 ARQ 发送方每发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。 Go-back-N （拉回方式）ARQ 发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，从该帧以后的各帧都需重发。（一般与流控结合使用） 选择重传 方式ARQ 发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，只需重发该出错的帧。发送方需要缓存前面所有未被确认的帧。,前向纠

26、错（Forward Error Checked，FEC）,FEC方法的最大好处是不用重传出错的数据帧，而是利用校验码在检测出错误的同时还能确定出错比特的位置，将出错比特取反即可纠正传输错误的比特；这从原理上比ARQ方法要优越一些，不用应答发送方，由接收方自动纠正错误，但在实际中却无多大意义。,小结,通信的目的是交换信息； 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机用二进制代码的数据来表示各种信息； 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、 符号的二进制代码0、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； 在数据通信技术中，利用模拟通信信道，通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称做宽（频）带传输；而利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称做基带传输； 数据传输速率与误码率是描述数据传输系统的重要参数。,