数据通信技术基础

1、1河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 第第2章章 数据通信技术基础 2.1 数据通信的基本概念 2.2 数据通信的主要技术指标 2.3 模拟传输 2.4 数字传输 2.5 多路复用技术 2.6 数据交换方式 2.7 差错控制 2河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1 数据通信的基本概念 2.1.1数据、信息和信号数据、信息和信号 2.1.2通信系统模型通信系统模型 2.1.3数据传输方式数据传输方式 2.1.4基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 2.1.5数据通信方

2、式数据通信方式 3河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.1 数据、信息和信号 1. 数据数据 数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。它是信息的载体，可以 是数字、文字、语言、图形和图像等。 2. 信息信息 信息是数据的集合、含义与解释。 数据与信息的比较：数据相对具体，信息相对抽象概括；两者相对存在， 有时可以将二者等同起来。 3. 信号信号 信号是数据的物理表示形式，即数据的电气的或电磁的表现。在数据通 信系统中，传输媒体以适当形式传输的数据都是信号。 无论是数据还是信号，都可以分为模拟的与数字 两种。模拟信号是随时 间连续变化的

3、信号；数字信号是离散信号。如图2.1所示。 4河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.1 数据、信息和信号 5河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 模拟数据与数字数据 一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数字信一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换成模拟信号或数字信 号，因此有以下四种情况：号，因此有以下四种情况： （1 1）模拟数据、模拟信号：最早的电话系统即如此；）模拟数据、模拟信号：最早的电话系统即如此； （2 2）模拟数据、数字信号：将模拟数据转换成数字形式后，就可以

4、）模拟数据、数字信号：将模拟数据转换成数字形式后，就可以 利用先进的数字传输和交换设备；利用先进的数字传输和交换设备； （3 3）数字数据、模拟信号：有些传输媒体只适合传输模拟信号，因）数字数据、模拟信号：有些传输媒体只适合传输模拟信号，因 此必须把数字数据经调制变换为模拟信号才能传输，这个过程叫做此必须把数字数据经调制变换为模拟信号才能传输，这个过程叫做调制调制 （传输后再把模拟信号转换为数字信号进入接收端的计算机的过程，叫（传输后再把模拟信号转换为数字信号进入接收端的计算机的过程，叫 做做解调解调）；）； （4 4）数字数据、数字信号：把数字数据编码成数字信号的设备比从）数字数据、数字信号

5、：把数字数据编码成数字信号的设备比从 数字到模拟的调制设备更简单、更廉价。数字到模拟的调制设备更简单、更廉价。 6河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.2 通信系统模型 通信：通信：是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。用来实现是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。用来实现 通信过程的系统称为通信系统。通信过程的系统称为通信系统。 通信系统的基本要素：信源、传输媒体和信宿。通信系统的基本要素：信源、传输媒体和信宿。 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 源系统源系统目标系统目标系统传输系统传输系统 源点源点发送器发送器传输系统传

6、输系统接收器接收器终点终点 输入输入 信息信息 输入输入 数据数据 发送的发送的 信号信号 接收的接收的 信号信号 输出输出 数据数据 输出输出 信息信息 7河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.2 通信系统模型 源点是产生和发送信息的一端，终点是接受信息的一端。发送器 源点发出的信息要经过发送器编码后才可以在传输信道中传输。接 收器接收传输系统传送过来的信号，并把它转化为能够被目的设备 处理的信息。在实际的通信系统中有各种具体的名称，如源点发出 的是数字信号而要以模拟信号传输，则用调制解调器；源点发出的 是模拟信号而要以数字信号传输，

7、则用编码解码器。 噪声是通信系统中存在的并叠加在有用信号之上的无用成分，它 对系统中的信号传输与处理起扰乱作用，又不能完全控制。噪声可 以从系统的各部分侵入，按其来源可分为通信系统外部噪声和系统 内部噪声。 无论是模拟信号还是数字信号，在传输过程中都要变成适合信道 传输的信号形式，在模拟信道中传输的是模拟信号，在数字信道中 传输的是数字信号。 8河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.3数据传输方式 1. 模拟传输模拟传输 模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直 接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调

8、制解调器调制， 变换为模拟信号。 如图2.3所示，（a）为当信源为模拟数据时的模拟传输，（b）为当信 源为数字数据时的模拟传输。 其主要优点在于信道的利用率较高，但是其在传输过程中信号会衰减， 会受到噪声干扰，且信号放大时噪声也会放大。 9河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.3数据传输方式 图图2.3 模拟传输模拟传输 （a） 信源为模拟数据信源为模拟数据 （b） 信源为数字数据信源为数字数据 10河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.3数据传输方式 2. 数字传输数字传输 数

9、字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可 以直接进行传输。当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器 编码，变换为数字信号。 如图2.4所示，（a）为当信源为数字数据时的数字传输，（b）为当信 源为模拟数据时的数字传输。 其主要优点是信号传输不失真，误码率低，能被复用和有效地利用设备， 但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字传输 的信道利用率较低。 11河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.3数据传输方式 图图2.4 数字传输数字传输 （a）信源为数字数据）信源为数字数据 （b）信源为模拟

10、数据）信源为模拟数据 12河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 1 1、基带传输、基带传输 n数字设备中，二进制数字序列最方便的电信号形式为方波，即数字设备中，二进制数字序列最方便的电信号形式为方波，即 “1”1”或或“0”0”分别用高分别用高( (或低或低) )电平或低电平或低( (或高或高) )电平表示。电平表示。 n未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流 和低频开始和低频开始, ,因而称为基带信号。所谓因而称为基带信号。所谓基带基带指的是基本频带，也就指的是基本频带

11、，也就 是数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为是数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为基带信号基带信号。 n所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输，所谓基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输， 它将占用线路的全部带宽，也可称为数字基带传输。它将占用线路的全部带宽，也可称为数字基带传输。 2.1.4 基带传输、频带传输和宽带传输 13河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2 2、频带传输、频带传输 n传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的，它只适用于传输传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的，它只

12、适用于传输 音频范围音频范围(300hz-3400hz)(300hz-3400hz)的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数 字基带信号。为了利用电话交换网来传输计算机之间的数字信号字基带信号。为了利用电话交换网来传输计算机之间的数字信号, ,就就 必须将数字信号转换成模拟信号。必须将数字信号转换成模拟信号。 n为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正( (余余) )弦模拟信号弦模拟信号 作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其进行传作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其进行传 送

13、；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的数字信号送；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的数字信号 波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输频带传输”。 14河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 * * * 宽带传输宽带传输 n在宽带局域网中采用了宽带传输，它是以电视电缆在宽带局域网中采用了宽带传输，它是以电视电缆(catv)(catv)技术为基础，采技术为基础，采 用频率调制等把带宽为用频率调制等把带宽为400 mhz400 mhz的电视电缆分割成多个子频带

14、，这些子频带的电视电缆分割成多个子频带，这些子频带 可用于模拟或数字信号的单向或双向传送。每个子频带都有各自的调制解调可用于模拟或数字信号的单向或双向传送。每个子频带都有各自的调制解调 装置。因此，宽带传输就是在单根电缆装置。因此，宽带传输就是在单根电缆( (有时用双根电缆，一根用于发送，有时用双根电缆，一根用于发送， 另一根用于接收另一根用于接收) )上采用多路调制解调过程的传输。上采用多路调制解调过程的传输。 n频带传输，较基带传输最突出的优点是传输距离长。它的载波频率虽然很频带传输，较基带传输最突出的优点是传输距离长。它的载波频率虽然很 高，但信道传输的速率却是有限的。在宽带传输时，它不

15、但能传输数据信息，高，但信道传输的速率却是有限的。在宽带传输时，它不但能传输数据信息， 而且也能传输语音、图形和图像信息。而且也能传输语音、图形和图像信息。 15河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.1.5 数据通信方式 1. 并行传输和串行传输并行传输和串行传输 2. 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 3.3. 异步传输和同步传输异步传输和同步传输 16河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 1. 并行传输和串行传输并行传输和串行传输 (1)(1)并行数据传输：并行数据传输：

16、是在传输中有多个数据位同时在设备之间进是在传输中有多个数据位同时在设备之间进 行的传输。也就是说同时传送一个编了码的字符。如行的传输。也就是说同时传送一个编了码的字符。如asciiascii码是码是 用八位表示一个字符，所以传输用八位表示一个字符，所以传输asciiascii码的并行传输过程如下：码的并行传输过程如下： 发送端发送端 接收端接收端 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0

17、 0 并行数据传输过程并行数据传输过程 17河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 (2)(2)串行数据传输：串行数据传输：串行数据传输是在传输中只有一个数据位在串行数据传输是在传输中只有一个数据位在 设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制数表示的字设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制数表示的字 符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字符进行传符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字符进行传 输。传输输。传输asciiascii码的串行传输过程如下：码的串行传输过程如下： 发送端发送端 接收端接收端 1 1 2 2 3

18、3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 串行数据传输过程串行数据传输过程 18河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 (3)(3)并行传输和串行传输比较并行传输和串行传输比较 并行传输使两个进行通信的设备直接相连，传输速度非常高，并行传输使两个进行通信的设备直接相连，传输速度非常高， 但这种连接方法的费用非常高，在进行通信的设备之间相距比较但这种连接方法

19、的费用非常高，在进行通信的设备之间相距比较 近的情况下是可以的，但是如果进行通信的设备之间相距比较远，近的情况下是可以的，但是如果进行通信的设备之间相距比较远， 则这种通信的高费用无法容忍。所以一般的时候并行传输常用于则这种通信的高费用无法容忍。所以一般的时候并行传输常用于 计算机系统的内部及计算机和各种外部设备的连接。计算机系统的内部及计算机和各种外部设备的连接。 串行传输的速度比并行传输要慢的多，但费用也低的多。计串行传输的速度比并行传输要慢的多，但费用也低的多。计 算机网络中各结点间的传输均采用串行传输方式。算机网络中各结点间的传输均采用串行传输方式。 19河北工业大学经济管理学院河北工

20、业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2、单工、半双工和全双工通信、单工、半双工和全双工通信 根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、 半双工与全双工。半双工与全双工。 （1 1）单工单工(simplex)(simplex)方式（单向通信方式（单向通信）：通信双方设备中发送器与接收）：通信双方设备中发送器与接收 器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。 发送器发送器 接收器接收器 传输信道传输信道 检测信息检测信息

21、数据数据 单工通信单工通信 单工通信中为了保证通信质量需要进行差错控制。采用的具体方法单工通信中为了保证通信质量需要进行差错控制。采用的具体方法 是：在接收端确认信息正确或错误后通过反向信道发送检测信号，也就是：在接收端确认信息正确或错误后通过反向信道发送检测信号，也就 是说，单工通信存在两个信道：主信道和检测信道。是说，单工通信存在两个信道：主信道和检测信道。 20河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 （2 2）半双工半双工(half duplex)(half duplex)方式（双方交替通信）方式（双方交替通信）：通信双方设备既通信双方设备

22、既 是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则 只能向一个方向传送数据。只能向一个方向传送数据。 半双工通信半双工通信 在半双工通信中，信息流是轮流使用发送和接收装置的，传输检在半双工通信中，信息流是轮流使用发送和接收装置的，传输检 测信号可有两种方式，一种方式是在应答时转换传输信道，另一种方测信号可有两种方式，一种方式是在应答时转换传输信道，另一种方 式是把主信道和检测信道分开设立，另设一个信道，供检测信号使用。式是把主信道和检测信道分开设立，另设一个信道，供检测信号使用。 发送端发送端 传输信道传输信道 检测信息

23、检测信息 数据数据 接收端接收端 发送端发送端接收端接收端 开关开关开关开关 21河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 （3 3） 全双工全双工(full duplex)(full duplex)方式（双向同时通信）方式（双向同时通信）：通信双方设备通信双方设备 既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。 发送端发送端 传输信道传输信道 检测信息检测信息 数据数据 全双工通信全双工通信 接收端接收端 发送端发送端接收端接收端 传输信道传输信道 检测信息检测信息 数

24、据数据 全双工通信的线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进行检全双工通信的线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进行检 测的信道，这样通信两端就可以同时发送和接收信息。在计算机网络中测的信道，这样通信两端就可以同时发送和接收信息。在计算机网络中 主要采用双工方式，其中：局域网采用半双工方式，城域网和广域网采主要采用双工方式，其中：局域网采用半双工方式，城域网和广域网采 用全双工方式。用全双工方式。 22河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 3. 异步传输和同步传输异步传输和同步传输 v同步同步(synchronous)问题的重要性问题的重

25、要性 当以数据帧传输数据信号时，为了保证传输信号的完整性和准确性，当以数据帧传输数据信号时，为了保证传输信号的完整性和准确性， 除了要求接收器应能识别每个字符除了要求接收器应能识别每个字符( (或数据帧或数据帧) )对应信号的起止，以保证在对应信号的起止，以保证在 正确的时刻开始和结束读取信号，也即保持传输信号的正确的时刻开始和结束读取信号，也即保持传输信号的完整性完整性外；还要求外；还要求 使其时钟与发送器保持相同的频率，以保证单位时间读取的信号单元数相使其时钟与发送器保持相同的频率，以保证单位时间读取的信号单元数相 同，也即保证传输信号的同，也即保证传输信号的准确性准确性。 因此当以数据帧

26、传输数据信号时，要求发送器应对所发送的信号采取因此当以数据帧传输数据信号时，要求发送器应对所发送的信号采取 以下两个措施：以下两个措施：在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据 信号的开始信号和停止信号；信号的开始信号和停止信号；在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号，在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号， 以控制接收器的时钟同步。以控制接收器的时钟同步。 异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：一般采用字符同步或异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：一般采用字符同步或 帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的

27、帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的 主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。 23河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 u异步传输异步传输( (asynchronous transmission)asynchronous transmission)以字符为单位传输数以字符为单位传输数 据，采用据，采用位形式的字符同步信号位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时，发送器和接收器具有相互独立的时 钟钟( (频率相差不能太多频率相差不

28、能太多) )，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步 信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协 调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备 接收数据的状态。接收数据的状态。 起始位起始位 停止位停止位 比特比特 起始位起始位 停止位停止位 比特比特 起始位起始位 停止位停止位 比特比特 字符间隔字符间隔字符间隔字符间隔 不不 定定 长长 不不 定定 长长 1 11 11 1 0 0 0 0 0 0

29、0 0 0 0 0 0 起始位起始位 校验位校验位 停止位停止位 数据字符数据字符 异步异步 传输传输 24河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 u同步传输同步传输(synchronous transmission)(synchronous transmission)以数据帧为单位传以数据帧为单位传 输数据，可采用输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号字符形式或位组合形式的帧同步信号( (后者的传输效率后者的传输效率 和可靠性高和可靠性高) )，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。 在短

30、距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输（称在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输（称 之为外同步）；计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号植之为外同步）；计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号植 入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步( (称之为自同步称之为自同步) )。 发送端发送端 数据数据 同步字符同步字符 外同步的收发过程外同步的收发过程 接收端接收端 25河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.2.1 2.2.1 数据的代码、编码和码元

31、数据的代码、编码和码元 代码：代码：是利用数字的一种组合来表示某一种基本数据的单元。在通是利用数字的一种组合来表示某一种基本数据的单元。在通 信系统通信和计算机数据处理中，数据用代码表示。例如：由信系统通信和计算机数据处理中，数据用代码表示。例如：由7 7位二进制位二进制 组成的组成的asciiascii码，字母码，字母“b”b”的编码为的编码为10000101000010。编码。编码10000101000010就是字母就是字母“b”b” 的代码。的代码。 编码：编码：用代码表示的基本数据单元被称为用代码表示的基本数据单元被称为“码字码字”，形成代码的过，形成代码的过 程被称做程被称做“编码编

32、码”。 码元：码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制 数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码 元长度元长度, ,码元就是一个数字脉冲。码元就是一个数字脉冲。 2.2 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 26河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 带宽本来指某个信号具有的频带宽度，信号是由特定的电磁波来传带宽本来指某个信号具有的频带宽度，信号是由特定的电磁波来传 输的，而电磁波都有一

33、定的频率范围。信号的带宽是指信号含有的频输的，而电磁波都有一定的频率范围。信号的带宽是指信号含有的频 带宽度，在实际应用中指信号能量比较集中的频率范围。在过去很长带宽度，在实际应用中指信号能量比较集中的频率范围。在过去很长 一段时间，通信的主干线路都传输模拟信号，因此表示通信线路允许一段时间，通信的主干线路都传输模拟信号，因此表示通信线路允许 通过的信号频带范围就称为线路的带宽，它的值为可传送信号的最高通过的信号频带范围就称为线路的带宽，它的值为可传送信号的最高 频率和最低频率之差，单位是赫兹（频率和最低频率之差，单位是赫兹（hzhz）。）。 当通信线路用来传输数字信号时，数据传输速率（当通信

34、线路用来传输数字信号时，数据传输速率（b/sb/s或或bpsbps）就）就 应当成为数字信道最重要的指标，但习惯上，人们将应当成为数字信道最重要的指标，但习惯上，人们将“带宽带宽”作为数作为数 字信道所能传送的字信道所能传送的最高最高数据率的同义语，尽管这种叫法并不太严格。数据率的同义语，尽管这种叫法并不太严格。 带宽作为目前计算机网络通信的一个重要指标，主要采用信道每带宽作为目前计算机网络通信的一个重要指标，主要采用信道每 秒钟可以传送二进制的秒钟可以传送二进制的“位位”多少来表示，单位为位多少来表示，单位为位/ /秒，简记为秒，简记为b/sb/s。 2.2.2 2.2.2 带宽带宽 27河

35、北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 v比特（比特（bit）：计算机中的数据的最小单元，也是信息量的度）：计算机中的数据的最小单元，也是信息量的度 量单位。量单位。 来源于来源于binary digit，意为一个，意为一个“二进制数字二进制数字” 。 网络的带宽的单位就是网络的带宽的单位就是“比特每秒比特每秒”，记为，记为b/s(或或bit/s)， 而更常用的带宽单位是千比每秒（而更常用的带宽单位是千比每秒（kb/s）、兆比每秒）、兆比每秒 （mb/s）、吉比每秒（）、吉比每秒（gb/s）或太比每秒（）或太比每秒（tb/s）。）。 在通信领域和计

36、算机领域，对数量单位在通信领域和计算机领域，对数量单位“千千”、“兆兆”和和“吉吉” 等的英文缩写在有些情况下表示的数量略有不同。等的英文缩写在有些情况下表示的数量略有不同。 在计算机中的数据量往往用字节作为度量的单位。一个字节（在计算机中的数据量往往用字节作为度量的单位。一个字节（byte)代代 表表8个比特，它的缩写是。个比特，它的缩写是。“千字节千字节”的的“千千”用来表示，用来表示，210， 即即1024，而非，而非1000。同样，在计算机中，。同样，在计算机中，1mb或或1gb也并非表示也并非表示106或或 109个字节，而是表示个字节，而是表示220（1048576）或）或230（

37、1073741824）个字节。）个字节。 在通信领域，小写的在通信领域，小写的k表示表示103，即准确的，即准确的1000而不是而不是1024。 m:mega g:giga t:tera 28河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 计算机中的数据存储单位 1 kb = 1024 b (kb - kilobyte) 千 1 mb = 1024 kb (mb - megabyte) 兆 1 gb = 1024 mb (gb - gigabyte) 吉 1 tb = 1024 gb (tb - terabyte) 太 1 pb = 1024 tb (p

38、b - petabyte) 拍 1 eb = 1024 pb (eb - eksabyte) 艾 1 zb = 1024 eb (zb - zettabyte) 皆 1 yb = 1024 zb (yb - jottabyte) 佑 1 bb = 1024 yb (bb - brontobyte) 29河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.2.32.2.3数据传输速率数据传输速率： 指单位时间内传输的信息量。单位：比特指单位时间内传输的信息量。单位：比特/ /秒，用公式表示如下：秒，用公式表示如下： s=s=（1/t1/t）loglog2

39、2n n 其中其中t t是每码元的脉冲时间（即一个码元信号的周期），是每码元的脉冲时间（即一个码元信号的周期），n n是调制是调制 电平数（码元状态个数）。电平数（码元状态个数）。 只有码元取只有码元取0 0和和1 1两种离散状态值的时候（即两种离散状态值的时候（即n n2 2时），脉冲频率时），脉冲频率 才等于数据传输速率。才等于数据传输速率。 loglog2 2n n表示一个码元携带的信息量，如当表示一个码元携带的信息量，如当n=4n=4时，时， loglog2 2n n2 2，一个，一个 码元携带的信息量为码元携带的信息量为2 2比特，此时比特，此时s s2/t2/t，数据传输速率就相应

40、成倍，数据传输速率就相应成倍 地提高。地提高。 所以，每秒发送的单位脉冲数一定的情况下，我们可以用一个码所以，每秒发送的单位脉冲数一定的情况下，我们可以用一个码 元表示更多的比特数（也就是提高码元携带的信息量）来提高传输率。元表示更多的比特数（也就是提高码元携带的信息量）来提高传输率。 30河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.2.32.2.3数据传输速率数据传输速率： 奈魁斯特定理指出：在有限带宽无噪声低通信道传输数据， 其波特率是有极限的。它的最大码元率为： b=2w 其中：w为信道的带宽。而香农关于噪声的研究表明，如 果有噪声时： m

41、=wlog2(1+s/n)bps m:最大传输速率；w:信道带宽；s：信号平均功率；n： 噪声平均功率 31河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.2.4 2.2.4 时延（时延（delay or latencydelay or latency）: :指一个报文或分组从一个网络的一指一个报文或分组从一个网络的一 端传送到另一端所需要的时间，由如下三个不同的部分组成：端传送到另一端所需要的时间，由如下三个不同的部分组成： （1 1）发送时延：发送时延：是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时是结点在发送数据时使数据块从结点进入到

42、传输媒体所需要的时 间，也可称为传输时延。间，也可称为传输时延。 发送时延数据块长度发送时延数据块长度/ /信道带宽信道带宽 注：注： 信道带宽就是数据在信道上的发送速率，也常称为数据在信道上的传输速信道带宽就是数据在信道上的发送速率，也常称为数据在信道上的传输速 率，提高链路的带宽只是减小了数据的发送时延。率，提高链路的带宽只是减小了数据的发送时延。 t tt t 1 1ss 0.250.25 s s 1 1秒钟有秒钟有10106 6个比特个比特 1 1秒钟有秒钟有4 4* *10106 6个比特个比特 带宽为带宽为1mb/s1mb/s的链路的链路带宽为带宽为4mb/s4mb/s的链路的链路

43、 如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴 上的宽度就随着带宽的增大而变窄。上的宽度就随着带宽的增大而变窄。 32河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 （2 2）传播时延：传播时延：指电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。指电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。 传播时延信道长度传播时延信道长度/ /电磁波在信道上的传播速率电磁波在信道上的传播速率 注：注：信号传输速率（即发送速率，单位是信号传输速率（即发送速率，单位是b/sb/s）和电

44、磁波在信道上的传播）和电磁波在信道上的传播 速率是两个完全不同的概念。通常所说的速率是两个完全不同的概念。通常所说的“光纤信道的传输速率高光纤信道的传输速率高”是指光是指光 纤信道的发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际上比铜线的纤信道的发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际上比铜线的 还要略低一点。还要略低一点。 （3 3）处理时延：处理时延：指数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花指数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花 费的时间。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。费的时间。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 总时延 = 发送时延

45、 + 传播时延 + 处理时延 33河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 三种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 b 结点 a 在发送器产生发送时延 (即传输时延) 在队列中产生 处理时延 数据 从结点 a 向结点 b 发送数据 链路 34河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 时延带宽积和往返时延 （传播）时延 链路 带宽 时延带宽积 = 传播时延 带宽 链路的时延带宽积又称为以链路的时延带宽积又称为以比特比特为单位的链路长度。为单位的链路长度

46、。 时延带宽积 35河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 往返时延 rtt 往返时延往返时延 rtt (round-trip time) 表示从发送端发送数表示从发送端发送数 据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到 数据后立即发送确认），总共经历的时延。数据后立即发送确认），总共经历的时延。 36河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.2.5 2.2.5 误码率误码率(ber(ber：bit error rate)bit error r

47、ate)：误码率是在通信系统误码率是在通信系统 中衡量系统传输可靠性的指标。它是指二进制码元在传输系统中被传中衡量系统传输可靠性的指标。它是指二进制码元在传输系统中被传 错的概率。错的概率。 pepene/nne/n pepe：误码率；：误码率；n n：传输的二进制码元总数；：传输的二进制码元总数；nene表示被传错的码元数。表示被传错的码元数。 注：误码率与信噪比有很大的关系，如果设法提高信噪比，就可注：误码率与信噪比有很大的关系，如果设法提高信噪比，就可 以使误码率减小。信噪比为信号功率与噪声功率之比。以使误码率减小。信噪比为信号功率与噪声功率之比。 37河北工业大学经济管理学院河北工业大

48、学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.3 模拟传输 2.3.1 模拟传输系统 2.3.2 调制解调器 38河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.3.1 模拟传输系统 电话通信系统是典型的模拟传输系统。目前全世界的电话机早以上十亿 部。如此多的电话要互连成网，唯一可行的办法就是分级交换。 我国的电话网络原来分5级，上面4级是长途电话网，最低一级是市话网。 4级长途交换中心从上到下分别是： 一级中心，又称大区中心或省间中心。 二级中心，又称省中心。 三级中心，又称地区中心或县间中心。 四级中心，又称县中心。 每一个上级交换局

49、均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。在这以 下就是市话交换局，又称为端局，直接与其管辖范围内的各电话用户相连。 39河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 现在为动态无级选路 dnhr（dynamic nonhierarchical routing）体制，只 分两级，下面一级为 本地网，大约有320 个交换中心，本地网 上面是省交换中心， 共30个，各省交换中 心组成全连通网络。 40河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.3.1 模拟传输系统 模拟通信系统：模拟通信系统：在数据通信系统中，

50、处于信号转换在数据通信系统中，处于信号转换 设备之间的信号是模拟信号，则这个通信系统称设备之间的信号是模拟信号，则这个通信系统称 为模拟通信系统。以电话系统为例：为模拟通信系统。以电话系统为例： 发送端发送端 （发话者）（发话者） 非电非电/ /电转电转 换器（发换器（发 话器）话器） 调制器调制器 通信信道通信信道 解调器解调器 电电/ /非电转非电转 换器（收换器（收 话器）话器） 接收端接收端 （受话者）（受话者） 通信媒体通信媒体 41河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 调制解调器调制解调器(modem)包括：包括： 调制器(modu

51、lator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 hz 之 间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。 解调器(demodulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。 调制解调器的作用：调制解调器的作用： 调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于 模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原 来的数字信号。 若识别不正确，则产生误码。 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 2.3.2 调制解调器modulator /demodulator -modem 42河北工业大学经济管理学院河北工

52、业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 1. 调制方式调制方式 进行调制时，常把正弦信号作为基准信号或载波信号。调制即利用载波 信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。基于 载波信号的三个主要参数，可把调制方式分为三种：振幅调制、频率调制、 相位调制，可分别简称为调幅、调频、调相，如图所示。 三种模拟调制方式 43河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 （1）调幅（am，amplitude modulation） 调幅即指载波的振幅随计算机送出的基带数字信号变化而变化。 （2）调频（fm，frequency

53、modulation） 调频即指载波的频率随计算机送出的基带数字信号变化而变化。 （3）调相（pm，phase modulation） 调相指载波的初始相位随计算机送出的基带数字信号变化而变化。 44河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2. 调制解调器的分类调制解调器的分类 按按应用环境应用环境分为音频分为音频modem、基带、基带modem、无线、无线modem。 按按传输速率传输速率分为低速分为低速modem、中速、中速modem、高速、高速modem。 按按功能先进性功能先进性分为人工拨号分为人工拨号modem、自动拨号、自动拨号/自由

54、应答式自由应答式modem、 智能智能modem。 按按调制方式调制方式分为频移键控分为频移键控modem、相移键控、相移键控modem、相位幅度调制、相位幅度调制 modem。 45河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.4 数字传输 2.4.1 脉码调制 2.4.2 数字数据信号编码 2.4.3 字符编码 数字通信系统：数字通信系统：在数据通信系统中，处于信号转换设备之间的信号在数据通信系统中，处于信号转换设备之间的信号 是数字信号，则这个通信系统称为数字通信系统。模型如图所示：是数字信号，则这个通信系统称为数字通信系统。模型如图所示：

55、模拟信号模拟信号 信源信源 数字通信信道数字通信信道 通信媒体通信媒体 数字信号数字信号 信宿信宿 （c c）信号转换器信号转换器 d/ad/a转换转换 数字通信信道数字通信信道 通信媒体通信媒体 模拟信号模拟信号 信源信源 模拟信号模拟信号 信宿信宿 （b b）信号转换器信号转换器 d/ad/a转换转换 信号反转换器信号反转换器 d/ad/a转换转换 数字通信信道数字通信信道 通信媒体通信媒体 数字信号数字信号 信源信源 数字信号数字信号 信宿信宿 （a a） 46河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.4.1 脉码调制 为了将模拟电话信号

56、转变为数字信号，必须对电话信号进行取样。即每 隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信 号在某一时刻的瞬时值。一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区 间随时间变化的值。 pcmpcm的基本原理的基本原理 （a a）模拟电话信号）模拟电话信号 （b b）取样后的脉冲信号）取样后的脉冲信号 （c c）编码后的数字信号）编码后的数字信号 （d d）解码后的脉冲信号）解码后的脉冲信号 （e e）恢复后的模拟电话信号）恢复后的模拟电话信号 47河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.4.2 数字数据信号编码 基带传输中采用的

57、编码方式常用的有以下3种： 不归零编码不归零编码nrznrz 规定用负电平表示规定用负电平表示“0”0”，用正电平表示，用正电平表示“1”1”，亦可有其他表示，亦可有其他表示 方法。为保证收发正确，必须另外传送时钟同步信号方法。为保证收发正确，必须另外传送时钟同步信号2.15(a)2.15(a)所示。所示。 曼氏编码曼氏编码 曼氏编码自带同步信号，每个比特持续时间分为两半。发送曼氏编码自带同步信号，每个比特持续时间分为两半。发送“0”0” 时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平。发送时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平。发送“1”1”时，前时，前 一半时间为低电平，后一半时间为高电平

58、。中间的跳变作为同步信号。一半时间为低电平，后一半时间为高电平。中间的跳变作为同步信号。 如图如图2.15(b)2.15(b)所示。所示。 差分曼氏编码差分曼氏编码 差分曼氏编码是对曼氏编码的改进。它与曼氏编码的不同之处主差分曼氏编码是对曼氏编码的改进。它与曼氏编码的不同之处主 要是：每比特的中间跳变仅做同步用；每比特的值根据其开始边界是要是：每比特的中间跳变仅做同步用；每比特的值根据其开始边界是 否发生跳变决定，发生跳变表示否发生跳变决定，发生跳变表示“0”0”，不发生跳变表示，不发生跳变表示“1”1”，如图，如图 2.15(c)2.15(c)所示。所示。 48河北工业大学经济管理学院河北工

59、业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.4.2 数字数据信号编码 图2.15 数字数据信号编码波形 49河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 2.5 多路复用技术 2.5.1 频分多路复用 2.5.2 时分多路复用 2.5.3 光波分多路复用 为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用 (multiplex)(multiplex)技术，即让多路通信信道同时共用一条线路。技术，即让多路通信信道同时共用一条线路。 a a b b c c d d e e f f a

60、a b b c c d d e e f f muxmuxmuxmux 多路复用的原理图多路复用的原理图 muxmux：多路复用器：多路复用器 50河北工业大学经济管理学院河北工业大学经济管理学院 网络通讯与信息安全网络通讯与信息安全 当采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地当采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地 同时传输各自的信号，我们称之为频分多路复用同时传输各自的信号，我们称之为频分多路复用(fdm(fdm：frequency -frequency - division multiplexing)division multiplexing)。 频分