数据通信基础

1、第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1 1页页2.1 基本概念基本概念2.2 差错控制差错控制2.3 多路复用多路复用2.4 数据交换数据交换 本章主要讨论数据通信的一些基本章主要讨论数据通信的一些基本概念、原理和技术。本概念、原理和技术。 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2 2页页1.数据通信的定义数据通信的定义 指按照一定的通信协议，将数据以某种信号的方式，指按照一定的通信协议，将数据以某种信号的方式，通过数据通信系统来完成数据信息的传输、交换、存储通过数据通信系统来完成数据信息的传输、交换、存储和处理的过程。和处理的过程。2.几个概

2、念。几个概念。(data)(data)是运送信息的实体，而是运送信息的实体，而(signal)(signal)则是数则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓模拟的或数字的。所谓“”就是连续变化的，而就是连续变化的，而“”就表示取值是离散的。因此，就表示取值是离散的。因此，(digital data)(digital data)就是用不连续形式表示的数据。就是用不连续形式表示的数据。第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3 3页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第

3、4 4页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第5 5页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第6 6页页4.数据通信的质量指标数据通信的质量指标（1）有效性：）有效性：指在给定的信道中单位时间内能传输信息指在给定的信道中单位时间内能传输信息量的多少，即用传输信息的速率来衡量。量的多少，即用传输信息的速率来衡量。 信息速率信息速率，也称信息传输速率（或称比特率），用，也称信息传输速率（或称比特率），用Rb来标记，它表示单位时间内通过信道的信息量，单位来标记，它表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特是比特/秒（秒（b/s或或bps）。）。 码元

4、速率码元速率，也称码元传输速率（或称调制速率、波，也称码元传输速率（或称调制速率、波特率），用特率），用Rs标记，它表示单位时间内信道上实际传输标记，它表示单位时间内信道上实际传输码元个数或脉冲个数（可以是多进制），单位是波特码元个数或脉冲个数（可以是多进制），单位是波特（Baud）。）。 Baud T1Rsb/s MlogRR2sb第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第7 7页页（2）可靠性：）可靠性：指接收信息的准确程度，可用错误率（差指接收信息的准确程度，可用错误率（差错率）来度量。错率）来度量。误比特率（误信率）误比特率（误信率）: :传传输输总总比比特特数数错

5、错误误比比特特数数bP误码元率（误符号率）误码元率（误符号率）: : 传传输输总总码码元元数数错错误误码码元元数数sP第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第8 8页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第9 9页页 接接口口 数数据据输输入入输输出出设设备备 传传输输控控制制器器 数数据据电电路路终终接接设设备备 传传输输信信道道 数数据据电电路路终终接接设设备备 通通信信控控制制器器 中中央央处处理理机机 DTE DCE DTE 接接口口 DCE 数数据据电电路路 数数据据链链路路 数数据据站站 数数据据站站 数据通信系统模型数据通信系统模型

6、第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1010页页 广广义义信信道道（调调制制信信道道） 编编码码器器 信信源源 信信宿宿 调调制制器器 转转换换器器 转转换换器器 解解调调器器 译译码码器器 传传输输媒媒介介 狭狭义义信信道道 广广义义信信道道（编编码码信信道道） 2.信道类型信道类型（1）有线信道和无线信道）有线信道和无线信道 （2）模拟信道和数字信道）模拟信道和数字信道 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1111页页3.传输介质：传输介质：它就是数据传输系统中在发送端和接收端之它就是数据传输系统中在发送端和接收端之间的物理通路。可分为两

7、大类：有线和无线。间的物理通路。可分为两大类：有线和无线。（1）双绞线）双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法则的方法(twist)(twist)起来就构成了双绞线。起来就构成了双绞线。n分类：分类：无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线UTPUTP和屏蔽双绞线和屏蔽双绞线STPSTP 塑料护套 色码绝缘外皮 铜芯导体 塑料护套 色码绝缘外皮 铜芯导体 屏蔽层 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1212页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1313页页（3）光纤光纤 由非常透明的石英玻璃

8、拉成细丝，主要由纤芯和包层构成由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 8100 100 m m。纤芯用来。纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1414页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1515页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络

9、计算机网络第第1616页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1717页页2Slog1 b/sNCB22log b/sCBMB为信道带宽，S为信号的平均功率，N为白噪声功率，即S/N为平均信号噪声功率比。 数字信道的信道容量（数字信道的信道容量（理想的无错信道，用奈奎斯特公式理想的无错信道，用奈奎斯特公式 ）：）：B为信道宽带，M为码元符号的种类 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1818页页四、调制四、调制/ /解调解调1.什么是调制与解调什么是调制与解调 调制是使载波信号的幅度、频率或相位（可以是它调制是使载波信号的幅度、频率或相位（可

10、以是它们的任意组合）随发送信号而变化的信号变换过程。们的任意组合）随发送信号而变化的信号变换过程。 接收端需要进行解调，将已调波变换成原来的信号接收端需要进行解调，将已调波变换成原来的信号形式。形式。 2.为什么要进行调制为什么要进行调制 为了使数字数据能在模拟信道中传输，通过调制将为了使数字数据能在模拟信道中传输，通过调制将数字信号变换为适合于在模拟信道中传输的适当的信号数字信号变换为适合于在模拟信道中传输的适当的信号形式，这就需要由调制来实现。形式，这就需要由调制来实现。 3. 调制技术调制技术（1）调幅）调幅 与调频与调频 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第1

11、919页页（2）幅移键控）幅移键控 （3）频移键控）频移键控 （4）相移键控）相移键控 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2020页页五、编码五、编码/ /解码解码 X(t) 抽样 Xs(t) 量化 编码 Xq(t) X(n) 信道 解码 低通滤波 反量化 X(t) Xs(t) Xq(t) 举例：将模拟电话信号转变为数字信号，先对电话信号进行举例：将模拟电话信号转变为数字信号，先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的率的2 2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电倍，就可以从

12、采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4 kHz3.4 kHz，为方便起，为方便起见，采样频率就定为见，采样频率就定为8 kHz8 kHz，相当于采样周期为，相当于采样周期为125 125 s s。下。下图表示了上述的概念。图表示了上述的概念。第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2121页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2222页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2323页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第24

13、24页页七、传输方式七、传输方式1.并行传输和串行传输并行传输和串行传输第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2525页页2.单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信 数据单向传输 A 站 B 站 （a）单工通信 （b） 半双工通信 数据分时双向传输 A 站 B 站 数据同时双向传输 A 站 B 站 （c） 全双工通信 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2626页页3.同步传输和异步传输同步传输和异步传输就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等率相等( (这常称为这常称为) )，以便使接，

14、以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。块开始标 志 数据块 块校验序列 块结束标 志 起始位 8 位数据 （1 个字符） 停止位 校验位 线路空闲或前面字符的停止位 线路空闲 传输方向 又称起止式传输，其特点是字符内部的每一位采又称起止式传输，其特点是字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符之间间隔任意。用独特的起始信用固定的时间模式，字符之间间隔任意。用独特的起始信号（或起始位）和终止信号（或结束位）来限定每个字符，号（或起始位）和终止信号（或结束位）来限定每个字符，传输效率较同步传输低。传输效率较同步传输低。第二章第二章 数据通信基

15、础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2727页页八、传输形式八、传输形式1.基带传输基带传输 在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。2.频带传输频带传输 对原始基带信号进行调制后送入模拟信道传输，这种对原始基带信号进行调制后送入模拟信道传输，这种利用模拟信道传输数据信号的方法就是频带传输。利用模拟信道传输数据信号的方法就是频带传输。 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2828页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第2929页页 传输信道 接收处理 信源 编码器 缓冲 存储器 发送处

16、理 重发控制 发送机 前向信道 干扰噪声 反向信道 接收机 译码器 缓冲 存储器 反馈控制 信宿 （1）停发等待方式）停发等待方式 发送端 1 时间 接收端 1 1 1 NAK 检测到错误 2 2 ACK 检测正确3 3 ACK 检测正确时间 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3030页页1 2 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 8 发送端ACK1 ACK2 NAK3 ACK4 ACK3 检测到错误 从码组 3 开始重发接收端时间（2）连续发送方式）连续发送方式 （3）选择重发方式）选择重发方式 1 2 3

17、4 5 6 7 3 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 3 8 9 10 11 发送端 ACK1 ACK2 NAK3 ACK3 ACK4 检测到错误码组 3 重发 ACK7 时间 接收端 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3131页页2.前向纠错前向纠错 前向纠错，就是在发送端发出经编码的纠错码，接前向纠错，就是在发送端发出经编码的纠错码，接收端收到码组后，能够自动发现错误并纠正错误。收端收到码组后，能够自动发现错误并纠正错误。 3.混合纠错混合纠错 检错反馈重发方式和前向纠错方式的结合称为混合检错反馈重发方式和前向纠错方式的结合称为混合纠错纠错。 第二

18、章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3232页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3333页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3434页页二、频分多路复用二、频分多路复用 是指按照频率参量的差别来分割各路信号的。在发是指按照频率参量的差别来分割各路信号的。在发送端使各复用信号的频谱互不重叠，在接收端用滤波器送端使各复用信号的频谱互不重叠，在接收端用滤波器把各路信号区分开。把各路信号区分开。 子信道 1 子信道 2 子信道 n FDM )(1tf)(tfn)(2tf FDM )(1tf)(2tf)(tfn第二章第二章

19、 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3535页页三、时分多路复用三、时分多路复用 按照时间参量的差别来分割各路信号。将信道工作按照时间参量的差别来分割各路信号。将信道工作时间划分为周期时间划分为周期T T，每一周期又再划分为若干时间间隔，每一周期又再划分为若干时间间隔，在一个周期内每一路信号占用一个时间间隔（通常称为在一个周期内每一路信号占用一个时间间隔（通常称为时隙）。时隙）。 用户 2 发送数据 用户 1 发送数据 用户 n 发送数据 用户 1接收数据 用户 2接收数据 用户 n接收数据 发送端 接收端 复用数据 14 13 12 11 24 23 22 21 n4 n3 n

20、2 n1 14 13 12 11 24 23 22 21 n4 n3 n2 n1 22 12 n1 21 11 复用信道 1.时分多路复用原理时分多路复用原理第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3636页页2.T1系统系统7bit 数据，1bit 信令 1bit 帧同步 193bit 构成 1 帧（占 125s） CH1 CH2 CH3 CH22 CH23 CH24 日本和北美采用日本和北美采用T1T1标准。标准。复用了复用了2424路话路信号，每个话路的采样频率是路话路信号，每个话路的采样频率是8KHz8KHz，对，对每个采样脉冲进行每个采样脉冲进行7bit7bit

21、编码，然后加上编码，然后加上1bit1bit作标志，在作标志，在第第2424路编码之后再附加路编码之后再附加1bit1bit用于帧同步，这样构成的帧用于帧同步，这样构成的帧共有共有193bit193bit，由此可计算出，由此可计算出T T标准的一次群数据速率为标准的一次群数据速率为80008000193=1.544Mbps193=1.544Mbps。 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3737页页第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3838页页 F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F1

22、4 F15 TS0 TS1 TS2 TS15 TS16 TS17 TS18 TS31 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 A2 1 1 a b c d a b c d 1 A1 1 1 1 1 1 a b c d a b c d a b c d a b c d 帧 16 个帧构成复帧 复帧 32 路时隙，256bit，125s 偶帧 TS0 帧同步信号 复帧同 步信号 复帧失步对告 F0 奇帧 TS0 F1 F2 F15 第 1 路 第 2 路 第 15 路 第 16 路 第 17 路 第 30 路 话路时隙（CH1-CH15） 话路时隙（CH16 -CH30） 保留给国内通信用

23、国际通信用 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第3939页页4.多级复用多级复用路数路数速率速率 Mbps路数路数速率速率 Mbps路数路数速率速率 Mbps路数路数速率速率 Mbps欧洲欧洲/中国中国302.0481208.44848034.3681920139.264北美北美241.544966.31267244.7364032274.176日本日本241.544966.31248032.064144097.728四次群四次群一次群一次群二次群二次群三次群三次群5.统计时分复用统计时分复用用户 1 发送数据 13 12 11 22 21 32 31 44 43 4

24、2 41 用户 4 发送数据 用户 2 发送数据 用户 3 发送数据 统计时分复用 复用信道 11 31 41 12 21 42 43 STDM 复用数据 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第4040页页四、波分复用四、波分复用 波分复用即为频分复用运用于光纤信道，实质就是波分复用即为频分复用运用于光纤信道，实质就是频分复用，与频分复用，与FDM的区别仅在于的区别仅在于WDM使用光复用器和使用光复用器和光分用器。光分用器。DWDM系统是在系统是在1550nm波长区同时使用波长区同时使用4个、个、8个、个、16个个或或n个波长，通常在一对光纤上构成的光纤通信系统。一个波

25、长，通常在一对光纤上构成的光纤通信系统。一般每个光载波之间的波长间隔是般每个光载波之间的波长间隔是0.8nm或或1.6nm，等间隔，等间隔分布，输入的光载波经光调制后变到相应的波段。例如，分布，输入的光载波经光调制后变到相应的波段。例如，对于对于4路传输速率均为路传输速率均为2.5Gbps的光载波（波长均为的光载波（波长均为1310nm），分别进行光调制后变换到波长为），分别进行光调制后变换到波长为1550nm、1550.8nm、1551.6nm、1552.4nm，每个光载波波长间隔，每个光载波波长间隔0.8nm，复用总速率达到，复用总速率达到10Gb/s。 第二章第二章 数据通信基础数据通信

26、基础计算机网络计算机网络第第4141页页五、码分复用五、码分复用 码分复用也是一种共享信道方法，各用户以其特有码分复用也是一种共享信道方法，各用户以其特有的码型（通常称为伪随机序列）在共同的信道带宽内传的码型（通常称为伪随机序列）在共同的信道带宽内传送数据信息，按照码型的差别来分割各路信号，这样的送数据信息，按照码型的差别来分割各路信号，这样的通信方式叫做码分多址（通信方式叫做码分多址（CDMA）。）。 在在CDMA系统中，数据码元时间被划分为系统中，数据码元时间被划分为m个较短个较短的时间间隔，称之为码片（的时间间隔，称之为码片（chip），若干码片组成码片），若干码片组成码片序列（也称伪随

27、机序列），一般序列（也称伪随机序列），一般m=64或或m=128。 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第4242页页 发送数据码元序列 t t t t t t A 站发送信号序列 SA B 站发送信号序列 SB A 站码片（8 个） B 站码片（8 个） 接收信号 SA+SB SB和 A 站码片序列 归一化内积 SA和 A 站码片序列 归一化内积 1 1 0 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础计算机网络计算机网络第第4343页页2.4 数据交换数据交换 数据交换本身不关心传输数据的内容，仅执行交换数据交换本身不关心传输数据的内容，仅执行交换的动作，将数据从一个端口交换到另一个端口，进而传的动作，将数据从一个端口交换到另一个端口，进而传输到另一个中间结点，直至目的地。从交换方式的发展输到另一个中间