第四章数据通信技术讲稿

1、第四章第四章 数据通信技术数据通信技术计算机技术和现代通信技术相结合形成了计算机网络。从功能上分计算机网络可分为两层结构：外层为由主机构成的资源子网，主要提供共享资源和相应的服务；内层是由通信设备和通信线路构成的通信子网，主要提供网络的数据传输和交换。所以数据通信技术是构成现代计算机网络的重要基石之一。本章主要介绍有关数据通信技术的一些基本知识：4.1数据通信技术概述4.2数据传输类型4.3数据传输模式和差错校验4.4多路复用技术和数据交换技术4.5常用通信系统n作业4.1数据通信技术概述数据通信技术概述4.1.14.1.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念4.1.24.1.2数据通信的传输

2、媒体数据通信的传输媒体4.1.34.1.3数据通信的接口及其标准数据通信的接口及其标准4.1.44.1.4数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标4.1.14.1.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念数据通信的目的是为了将表示信息的数据从发布信息的地方（信源或称数据源）通过一定的传输介质（信道）正确无误地传输到接受信息的地方（信宿或称数据宿）。实现这种通信的整个系统就称为数据通信系统。1.信息、数据、信号n信息（Information）通信传输过程中数据包含的内容n数据（Data）信息的载体，有数字、文字、语音和图像等，在系统中一般用二进制代码表示 n信号（Signal） 数据在传输过程

3、中的表示形式现代通信是借助于光和电的信号传输来完成的，所以在数据传输前必须根据要传输的数据生成适合于在通信网络中传输的信号。n信号又可分为模拟信号和数字信号两类 n模拟信号是连续变化的，如普通电话线上传输的音频信号n数字信号是分立离散的，局域网传输线上传输的数字信号数据通信网 发送设备传输信道接收设备输入数据输出数据数据源数据宿数据 模拟信号2.2.数据通信的系统模型数据通信的系统模型模拟传输：模拟信号模拟信号电话线数字传输：数字信号数字信号数字专线数据 数字信号编码编码解码解码编码解码器调制调制(Modulate)解调解调(Demodulate)调制解调器（Modem）n信道：信号传输的通路

4、(通信线路)n信道分类：n按传输信号类型：n模拟信道传输原始的或调制的模拟信号n数字信道传输二进制数字脉冲信号（脉冲方波）n按物理、逻辑性：n物理信道指传输数据的物理介质及通信设备n逻辑信道指传输数据的逻辑径路（也称为连接）n按传输通路介质：n有线信道传输通路为有形介质构成(线、缆)n无线信道传输通路为无形介质(空气、太空)n按通路使用权限：n专用信道传输通路的使用权属于所有者（也称为专线）n公用信道传输通路为广大用户提供数据通信服务、如公共电话交换网、综合业务数字网等3. 信道及信道的分类信道及信道的分类信源数据与传输信号的关系类型 n数字数据，数字信号传输。例如，10BASE-T以太网。n

5、数字数据，模拟信号传输。例如，使用调制解调器上网。n模拟数据，数字信号传输。例如，数字电视传输系统。n模拟数据，模拟信号传输。例如，早期的电话传输系统。调制解调器调制解调器n调制解调器的工作原理：调制与解调 组合器1 0 0 1滤波器1 1270Hz滤波器2 1070Hz检波器解调原理：组合器1 0 0 1振荡器1 1270Hz振荡器2 1070Hz调制原理：若数字信号“1”对应的频率为f1=1270Hz 数字信号“0”对应的频率为f2= 1070Hz调制解调器调制解调器n调制解调器的分类n按连接方式分类内置式、外置式、无线调制解调器 n按功能分类 数据调制解调器、FAX/Modem 、FAX

6、/Voice/Modem n按使用的通信线路分类n一般调制解调器：电话网、传输速率可达56Kbps nCable Modem ：有线电视电缆网络、10 - 30MbpsnADSL Modem ：非对称数字用户环路、640K/7M4.1.24.1.2数据通信的传输媒体数据通信的传输媒体n电话线和双绞线双绞线采用了一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰。线缆的二头分别按一定的线序压在RJ45水晶头内，这也就是通常大家说的“网线”。双绞线使用方便、便宜，但线路损耗大，主要用于近距离的点对点通信，传输速率为10M100Mbps，我们今天在计算机通信网络中所用到的基本上都是“超五

7、类非屏蔽双绞线缆”，它的传输速率可达到1000Mbps。 同轴电缆同轴电缆由于其构造故具有较高的抗干扰能力，通信容量亦大，目前常用CATV电缆的传输带宽为750MHz。 用于基带信号传输，传输带宽为12OMHz但价格比较高。光纤n光纤的传导原理：光纤采用由“纤芯”和“包层”两个同心圆组成的结构形式。纤芯材料的折射率大于包层的折射率，在纤芯中传播的光波的入射角大于临界角时就不产生折射而形成全反射。将光能量限制在光导纤维中。n光纤传播的特点：传输速率高(达到3000Gbs )，距离远，光纤具有抗干扰性好、保密性强、体积小、重量轻，具有抗高温和耐腐蚀的性能，便于敷设等特点。微波线路n微波通信是一种通

8、过视距传输为基础的直线传输技术，是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波微波进行的通信。微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。n利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，受环境条件的影响，长途传输必须建立中继站用于信号的传递和增强。卫星线路卫星线路卫星通信是微波传输一种，中继站点是绕着地球轨道运行的卫星，不受地理环境和通信距离的限制，有海量的带宽，具有广泛的应用市场。 红外传输红外传输n直线、无障碍、单对单的无线传播。传播媒直线、无障碍、单对单的无线传播。传播媒介为红外光线，距离有限介为红外光线，距离有限(一般不超过一般不超过2米米)n速度快：速度快

9、：100Mbpsn广泛用于家电遥控，掌上电脑与计算机间数广泛用于家电遥控，掌上电脑与计算机间数据交换据交换4.1.34.1.3数据通信的接口及其标准数据通信的接口及其标准n接口：通信中通信设备之间的连接部件n接口标准：为使通信设备的连接具有一定的通用性所遵循的软硬件规范n常用的接口及其标准nRS-232nUSB Universal Serial Bus的缩写，中文含义是的缩写，中文含义是“通用串行总线通用串行总线”。nIEEE1394RS-232参数：传输距离短：十几米 传输速率：19.2kbps接口类型： 25针或9针优点：实现简单缺点：带宽较窄、传输距离较近应用实例：外置Modem主机、鼠

10、标主机USB接口(通用串行总线接口)参数：传输距离短：5米最高传输频率： USB2.0标准可达480Mbps 接口类型：4针、可支持127个装置优点：周边设备连接标准化、单一化, 支持热插拔缺点：支持的传输距离有限 应用例：调制解调器、打印机、扫描仪、相机IEEE1394接口(高速串行总线接口)参数：传输距离：50米 最高传输频率： 在4.5米内3.2Gbps在50米内可达400Mbps 接口类型：4针或6针、可支持63个装置优点：所连设备可不通过主机直接互相通信, 支持热插拔缺点：需要外接控制芯片,使用成本比USB高 应用实例：数码摄录机等容量大、精度高的传输设备USB与与IEEE1394n

11、一、USB与IEEE1394的相同点主要有哪些？ n两者都是一种通用外接设备接口。 n两者都可以快速传输大量数据。 n两者都能连接多个不同设备。 n两者都支持热插拨。 n两者都可以不用外部电源。 n二、USB与IEEE1394的不同点有哪些？ n两者的传输速率不同。USB的传输速率与IEEE1394的速率比起来真是小巫见大巫了。USB的传输速率现在只有12Mbps/s，只能连接键盘、鼠标与麦克风等低速设备，而IEEE1394可以使用400Mbap/s，可以用来连接数码相机、扫描仪和信息家电等需要高速率的设备。 n两者的结构不同。USB在连接时必须至少有一台电脑电脑，并且必须需要HUB来实现互连

12、，整个网络中最多可连接127台设备。IEEE1394并不需要电脑来控制所有设备，也不需要HUB，IEEE1394可以用网桥连接多个IEEE1394网络，也就是说在用IEEE1394实现了63台IEEE1394设备之后也可以用网桥将其他的IEEE1394网络连接起来，达到无限制连接。 n两者的智能化不同。IEEE1394网络可以在其设备进行增减时自动重设网络。USB是以HUB来判断连接设备的增减了。 n两者的应用程度不同。现在USB已经被广泛应用于各个方面，几乎每台PC主板主板都设置了USB接口，USB2.0也会进一步加大USB应用的范围。IEEE1394现在只被应用于音频音频、视频视频等多媒体

13、方面。4.1.44.1.4数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标n传输速率传输速率衡量系统传输能力的主要指标衡量系统传输能力的主要指标n数据传输速率（比特率）和波形调制速率（波特数据传输速率（比特率）和波形调制速率（波特率）率）n比特率（比特率（S S）: :单位时间内所传送的二进制代码的单位时间内所传送的二进制代码的有效位（有效位（bitbit）数。）数。 例如：在例如：在0.001m0.001m秒内传输了秒内传输了“1010001011”1010001011”这这样一段有效数据。那么该传输的比特率为：样一段有效数据。那么该传输的比特率为： 10/10/（0.001ms0.001ms）

14、=10M/s=10M/sn波特率波特率( (调制速率调制速率) )：每秒传送的波形个数：每秒传送的波形个数( (单位是单位是Baud)Baud)n波特率波特率 B=1/T(B=1/T(其中其中T T为在传输中一个波形的持续时间为在传输中一个波形的持续时间) )若一个波形信号只有若一个波形信号只有0或或1两种状态，显然，传输两种状态，显然，传输1个波形信号个波形信号仅传送了仅传送了1个二进制位数，此时个二进制位数，此时而如果一个波形信号可有而如果一个波形信号可有00、01、10和和11四种状态，则传输四种状态，则传输1个波形信号就传送了个波形信号就传送了2个二进制位，此时个二进制位，此时类似地，

15、如果一个波形信号可有类似地，如果一个波形信号可有000、001、111八种状八种状态，则传输态，则传输1个波形信号就传送了个波形信号就传送了3个二进制位，此时个二进制位，此时所以，当一个波形信号有所以，当一个波形信号有n种状态时，总有：种状态时，总有：比特率比特率=波特率；波特率；比特率比特率=波特率波特率 2 ；比特率比特率=波特率波特率 3 ；比特率比特率=波特率波特率 log2n ；比特率与波特率之间的换算关系：比特率与波特率之间的换算关系：n 误码率误码率衡量传输质量的指标衡量传输质量的指标误码率误码率pe=传输出错的比特数传输出错的比特数/总传输比特数总传输比特数采用差错控制技术的意

16、义：根据测试，目前电话线路在采用差错控制技术的意义：根据测试，目前电话线路在 3002400bit/s传输速率时的平均误码率为传输速率时的平均误码率为10E-410E-6；在；在 24009600bit/s传输速率时的平均误码率传输速率时的平均误码率为为 l0E-910E-6。而计算机通信系统中对误码率的要。而计算机通信系统中对误码率的要求是应低于求是应低于10E-9，即平均每传送，即平均每传送 1兆二进制位，才能兆二进制位，才能错一位错一位带宽带宽W：传输的频率范围：传输的频率范围(单位：赫兹（单位：赫兹（HZ），还常用），还常用千赫（千赫（kHZ）、兆赫（）、兆赫（MHZ）。单位是）。单位

17、是KHz或或MHz)带宽越宽，能处理的信息的范围也越广，因而数据传输带宽越宽，能处理的信息的范围也越广，因而数据传输的速度也越快，所以，通常有时人们直接用传输速率表的速度也越快，所以，通常有时人们直接用传输速率表示带宽的大小。示带宽的大小。信号带宽：信号的最高频率与最低频率置差信道带宽：信道中能传输的最高频率与最低频率之差4.2数据传输类型数据传输类型4.2.1基带传输：基带传输：n在通信线路上以电脉冲直接传输二进制数字信号n一次仅传输一个信号、独占通信线路容量 n随距离增大而迅速衰减，只适用于传输距离较短的局域网n必须先编码，用不同的电平代表信号“1”和“0”4.2.2频带传输：频带传输：n

18、利用模拟信道传输加载了数字信号的正余弦载波信号n不同频率载波共用信道，信道容量利用充分n信号衰减缓慢，适合远距离传输基带传输的编码方法基带传输的编码方法 n非归零编码非归零编码n曼切斯特编码曼切斯特编码n差分曼切斯特编码差分曼切斯特编码非归零编码非归零编码n正电平代表“1”，负电平代表“0” n为发收保持同步：另一信道发送同步时钟信号n使用例：计算机串行口和调制解调器之间曼切斯特编码曼切斯特编码n编码规则：（1）每比特周期分为前后两部分， 中间的跳变起同步作用（2）从高到低为1，低到高为0n使用例： 以太网数据0 1 0 0 1 0 1 1曼切斯特编码数据 0 1 0 0 1 0 1 1差分曼

19、切斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码n曼彻斯特编码的改进 n编码规则：n周期分为前后两部分，中间的跳变仅起同步作用n边界是否发生跳变来决定值：有跳变，为“0”无跳变，为“1” 频带传输的载波方式频带传输的载波方式n正弦载波公式：u(t)=A(t)sin(t+)n其中为A(t)振幅、 为频率、 为相位，分别对这三个参数的改变得到三种不同的调制方式n幅度调制(ASK Amplitude Shift Keying)1 u(t)=Amsin(t+) 0 u(t)=0n频率调制(FSK Frequency Shift Keying)1 u(t)=Amsin(1t+) 0 u(t)=Amsin(2t

20、+) 其中1=1270Hz 2=1070Hz n相位调制(PSK Phase Shift Keying)1 u(t)=Amsin(t+) 0 u(t)=Amsin(t+0) 例4.3 数据传输模式和差错校验数据传输模式和差错校验4.3.1数据通信的传输模式n串行传输与并行传输n单工、双工与全双工通信4.3.2差错校验与校正n差错的来源信道外的干扰和噪声n避免差错的方法n通常可以采用抗干扰编码或纠错编码来提高抗干扰能力n使用各种差错校验方法来检测错误1.差错控制机制噪声在信号传输与处理中由于电流或电压的起伏 (冲击噪声）或由环境温度的升高(热噪声)而产生的起扰乱作用而又无法完全控制的无用波形。串

21、行传输与并行传输串行传输与并行传输n并行传输n多条线路同时传输一个字节的数据n优点：速度较快n缺点：传输数据的距离较短n串行传输n一条线路，逐个地传送所有的比特n优点：适用于长距离传输数据、造价便宜n缺点：速度较慢12345678计算机打印机并行传送发送设备接收设备1234567813287654串行传送单工、双工与全双工通信单工、双工与全双工通信 n单工通信n通信只在一个方向上进行n例：监视器、打印机、电视机等 n半双工通信n可以发送信息、接收信息，但必须轮流进行n例：双向无线电对讲设备等n全双工通信n可同时进行发送和接收信息 n例如大多数计算机终端、大多数调制解调器 各种差错校验方法各种差

22、错校验方法n奇偶校验(也称垂直冗余校验Vertical Redundancy Check VRC)n方块校验(也称水平冗余校验Longitudinal Redundancy Check VRC)奇偶校验n一个字节的低7位为字符的ASCII码,而最高位为校验位，n奇校验：使整个字节中“1”的个数为奇数n偶校验：使整个字节中“1”的个数为偶数采用奇校验给字符A（65）编码则应为1 1 0 0 0 0 0 1 采用偶校验给字符A编码则应为0 1 0 0 0 0 0 1n方法简单，但只能查奇数个错且无法纠错方块校验n在奇偶校验的基础上，在一批字符之后，增加一个“方块校验字符” n使每一纵向位代码中的“

23、1”的个数为奇数或偶数，且按列发送n还可校验出突发错误(即由冲击躁声引起的连续几位错)差错控制机制差错控制机制 如果传输数据有误，则采用反馈重发方法反馈重发方法，反馈重发一般有两种方式：n停止等待方式 ：传输效率低发送 一帧等待应答帧 (传输无误) 继续发送下一帧 (传输有误) 重新发送错误帧n连续工作方式 ：传输效率高，需要缓冲存储n拉回方式：发现错误，回拉到错误帧重新发n选择方式 ：发现错误，仅重发错误帧后继续发送4.4 多路复用技术和数据交换技术多路复用技术和数据交换技术 n使用多路复用技术以提高通信线路的利用率n频分复用n时分复用n码分复用(CDMA Code Division Mul

24、tiple Access)n数据交换技术n数据交换技术可分为以下两大类。n（1）线路交换（Circuit Switching）技术。n（2）存储转发交换（Store-and-Forward Switching）技术。它又分为报文交换技术和分组交换技术两种。频分多路复用频分多路复用(FDMA Frequency Division Multiplexing Access) n步骤及方法：n用多路独立的载波频率将数字信号调制为输入的模拟信号n利用多路转换器（MUX）合成为一路信号n传输n接受端利用多路转换器把不同的频率的载波调制信号分隔开n解调复原出原来传输的数字信号 1.实例：有线电视、ADSL(

25、宽带接入) 时分多路复用时分多路复用(TDMA Time Division Multiplexing Access) n方法：n将传输信号按时间分割成许多时间片n轮流交替传送多路信号n带宽均分n实例：基带局域网、ISDN(综合业务数字网)线路交换线路交换(Circuit switching) n过程n物理电路建立阶段n数据传输阶段n电路连接的拆除阶段n优点n独占物理线路，可靠性高、实时响应好n信号的编码、格式和通信控制规程可由通信双方根据需要自行决定，不受交换机约束n缺点n建立线路有一定的时延n独占线路，造成通信线路的资源浪费 报文交换报文交换(Message switching) n过程n报

26、文交换设备IMP（接口信息处理机） n交换设备存储报文n选择一条合适的空闲线路将报文转发n多次存储转发，直到报文最终到达目的地n优点线路利用率较高，信道可以为多个报文共享 n缺点n实时性不好，不适用于实时通信和交互通信n报文大小不受限制，过大时占用信道时间长报文：数据源地址+数据目的地址+发送的发送的数据分组交换分组交换(Packet switching) n过程n报文分组（包含目的地址） n分组独立发送n到达目的地后重新组合n优点n线路利用率高，信道可以为多个报文共享n限制分组大小，不会长时间占用线路n可进行交互式和实时通信n缺点n报文需要进行分组与重组n有时会造成报文分组的丢失或失序 分组

27、：将报文按传输协议分成若干个相同大小的包，在每个包中包含源地址+目的地址+该分组在报文中的顺序号(分组号)+一个包的数据4.5 4.5 常用通信系统常用通信系统 4.5.1 公用电话系统公用电话系统 4.5.2 移动电话系统移动电话系统 4.5.3 卫星通信系统卫星通信系统 4.5.4 ISDN综合业务数字网络综合业务数字网络4.5.5 ADSL与与CABLE MODEM4.5.1 公用电话系统公用电话系统 n过程n拨号 转换为代码 当地的交换中心 n解析拨入的电话号码，并判断出目的地n线路交换方式，建立通道，发送响铃信号n摘机通话、挂机结束连接 n交换系统由多级交换中心组成的层次结构组成 n

28、同局直接连接，不同局通过上一级交换 五级本地交换局四级长话中心二级地区中心三级基层中心一级电话分局五级本地交换局四级长话中心二级地区中心三级基层中心一级电话分局高速主干线路4.5.2移动电话系统移动电话系统 (蜂窝蜂窝电话系统电话系统 )n即移动通信，手持或车载电话进行通信n采用码分复用的技术将不同的传输信号分开n将通信覆盖区域划分为多个区域(单元)，每个单元设置一个传送站（基站）n网络交换中心（NSO）计算机控制所有的单元n移动电话能够和单元站点进行双向无线电通信n 在NSO控制下，站点广播、监听响应n站点把回答传给NSO，由NSO完成整个连接 NSO电话系统4.5.3卫星通信系统卫星通信系统 n组成：卫星、地面站n工作原理n卫星在空中起中