第二章 数据通信技术

1、第二章 数据通信技术数据通信技术数据通信技术 通信技术是计算机网络的基础，本章主要介绍与网络相关的数据通信基础知识，主要有传输介质，数据编码技术、多路复用技术、传输技术。数据通信技术数据通信技术 学习目标：学习目标： 了解数据通信方式 了解各种传输介质 掌握信道复用技术 掌握数据编码技术 理解数字传输技术 掌握数据交换技术2.1 数据通信的基本概念1. 信息、数据与信号数据(data)信息的实体。 “模拟的”(analogous)取值是连续的 “数字的”(digital)取值是离散的 2.1 数据通信的基本概念1. 信息、数据与信号信号(signal)数据的电气的或电磁的表现 u数字信号u模拟

2、信号2.1 数据通信的基本概念1. 信息、数据与信号 数字信号 模拟信号2.1 数据通信的基本概念传输系统信息数据 信号 信号数据信源信宿发送器接收器源系统目的系统传输系统信息调制解调器PC 机公共电话交换网络调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 数据通信系统模型PC 机2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式（1）串行传输与并行传输串行传输 2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式并行传输 2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式（2）单工、半双工与全双工通信 单工方式 半双工方式 全双工方式2.1 数据通信的基本概念2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式（3）同

3、步传输与异步传输p异步传输，以字符为单位一个接一个地传送，接收端通过检测起始位和停止位来接收新近到达的字符，不易产生时钟误差的积累，对时钟的精度要求不高，实现简单。 2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式p异步串行传输的数据格式2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式（3）同步传输与异步传输p同步传输，数据被封装成帧，每个帧中含有多个字符代码，为了保证接收端能正确区分数据流中的每个数据位，收发双方必须通过某种方法建立起同步的时钟。 2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式HDLC同步传输数据格式01111110 A C . FCS 011111102.1 数据通信的基本概念2.

4、数据通信方式（4）点对点连接与多点连接 点对点连接 调制解调器调制解调器公用电话公用电话网络网络 调制解调器调制解调器2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式（4）点对点连接与多点连接 多点连接 .2.1 数据通信的基本概念3. 通信信道（1）传输速率（2）带宽（3）信道容量（4）误码率 传输速率调制速率 ： T:传送单位调制信号波所用的时间 数据信号速率 :M:调制信号波的状态数 1/TRbMlog T1 MlogRR22Bb带宽 带宽通常指信号所占的频带宽度，在被用来描述信道带宽时则指的是能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度 信道容量 信道容量表示一个信道传输数据的能力，单位为位/秒

5、(bps) 奈奎斯特（Nyquist）:给出了无噪声情况下码元速率的极限值B和信道带宽H的关系： 信道传输能力的奈奎斯特公式：)(2bandHB)( MlogH22bpsC信道容量计算信道容量的香农公式： (bps)其中H为信道带宽，S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比。)/1 (logHC2NS误码率 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标，二进制数据位传输时出错的概率 数据总数为N位，其中出错的位数为Ne位，则误码率P为：NNPe2.1 数据通信的基本概念4.模拟数据通信和数字数据通信 2.2 传输介质 传输介质也称为传输媒体，是数据传输系统中信号发送器和信号

6、接收器之间的物理通路，传输媒体可以分为两大类：导向型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光缆。电磁波被导向沿着固定的媒体方向传播。非导向型传输媒体：大气空间。在非导向传输媒体中电磁波的传输方向是自由空间，也被称为无线传输。2.2 传输介质 1 双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 2.2 传输介质 1 双绞线美国电子工业协会（EIA）规定了不同质量级别的双绞线电缆，各类电缆具有不同性能。分为：1类、2类、3类、4类、5类、超5类、6类。 直连线直连线 交叉线交叉线 水晶头2.2 传输介质 2

7、 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 2.2 传输介质 3 光缆光纤的工作原理：利用光纤的折射率高于外部包层的折射率，形成光波在光纤与包层之间产生全反射。 2.2 传输介质 光纤的传输模式：单模光纤和多模光纤 光纤传输系统结构 2.2 传输介质 4 地面微波传输 一种在对流层可视范围内，利用微波波段的电磁波进行信息传输的通信方式。 2.2 传输介质 5 卫星通信通信距离远，费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制，通信信道带宽宽，可进行多址通信与移动通信。 2.3 数据编码技术1.基带传输技术 基带传输要解决的两个问题:数字数据的数字信号表示收发两端之间的同步 2.3 数据编码技

8、术2.数字数据的数字信号编码 常用的编码方式有：单极性不归零制编码双极性不归零制编码单极性归零制编码双极性归零制编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 2.3 数据编码技术 六种数字信号的编码方式 2.4.1 频带传输和调制解调1. 频带传输技术 一种采用调制、解调技术的传输形式。发送端：调制（如ASK、FSK、PSK接收端：解调设备：调制解调器Modem。 2.4.1 频带传输和调制解调2.数字数据的模拟信号编码设载波信号的正弦波为： 数字调制的三种基本形式为：幅度键控ASK（Anplitude Shift Keying）频率键控FSK（Frequency Shift Keying）相位键控PSK

9、（Phase Shift Keying） )()(0tSINUtUm2.4.1 频带传输和调制解调 2.数字数据的模拟信号编码幅度键控ASK（Anplitude Shift Keying） 2.4.1 频带传输和调制解调 2.数字数据的模拟信号编码频率键控FSK（Frequency Shift Keying） 2.4.1 频带传输和调制解调2.数字数据的模拟信号编码相位键控PSK（Phase Shift Keying）（1）绝对调相（2）相对调相 2.4.1 频带传输和调制解调2.数字数据的模拟信号编码（1）绝对调相：用两个固定的相位来表示数字 “0”和“1” 2.4.1 频带传输和调制解调2

10、.数字数据的模拟信号编码（2）相对调相：用载波在两位数字信号间的交接处产生的相位偏移值来表示载波数字信号 2.4.1 频带传输和调制解调3. 调制解调器的基本工作原理 2.4.2 基带传输和脉码调制脉冲编码调制PCM的三个基本步骤：采样量化编码 2.4.2 基带传输和脉码调制PCM编码过程 2.5 数据交换技术数据交换技术是指在任意拓扑结构的数据通信网络中，通过网络结点的某种转换方式实现任意两点或多个系统之间连接的技术。常用的数据交换技术有：电路交换和存储转发交换两大类；存储转发交换又可分为报文交换和分组交换。2.5 数据交换技术1. 电路交换（1） 电路交换原理电路建立阶段数据传输阶段电路释

11、放阶段 2.5 数据交换技术1. 电路交换（2）电路交换的优缺点 优点：u信息传输时延短u信息传输效率高u 对用户提供“透明”传输通路 2.5 数据交换技术1. 电路交换（2）电路交换的优缺点 缺点：u通信效率低u电路资源的利用率较低u不同类型的终端不能互相通信u易产生呼叫不通的情况 2.5 数据交换技术2. 存储转发 存储转发：分为报文交换和分组交换（1）报文交换 报文交换的过程 2.5 数据交换技术2. 存储转发 （1）报文交换 报文交换机的基本结构 2.5 数据交换技术2. 存储转发（1）报文交换 报文的格式： 2.5 数据交换技术2. 存储转发 （2）分组交换发送端：添加首部构成分组。

12、 首部首部首部分组1分组2分组3数 据数 据数 据报文2.5 数据交换技术2. 存储转发 （2）分组交换接收端：收到分组后剥去首部还原成报文。 数 据首部分组1数 据首部分组2数 据首部分组3收到的数据分组交换网的示意图H1互联网H2H1向H2发送分组注意分组路径的变化！路由器主机C1C2几种交换技术比较几种交换技术比较报报文文报报文文报报文文A B C D 报文交换电路交换A B C D报文报文P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4虚电路P2P1A B C DP1P2P3P4P1P2P3P4P3P4分组交换P2P1A B C D连接连接建立建立连接连接释放释放数据数据传送传送2.6 信道复

13、用技术 多路复用技术是在一条传输信道上传输两个或两个以上的数据源数据。频分复用时分复用波分复用码分复用 2.6 信道复用技术频分复用（FDM） 2.6 信道复用技术波分复用（WDM） 采用波长分割多路复用方法 2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 频率时间B C DTDM 帧TDM 帧TDM 帧E FB C D E FB C D E FB CAAAA.可用频段TDM 帧2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 频率时间CTDM 帧TDM 帧TDM 帧E FCE FCE FBBBB CAAAA.可用频段TDM 帧DDD2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 频率时间TDM 帧TDM

14、帧TDM 帧E FE FE FBBBBCCCCAAAA.可用频段TDM 帧DDD2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 频率时间TDM 帧TDM 帧TDM 帧E FE FE FBBBBCCCCAAAA.可用频段TDM 帧DDD2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 频率时间TDM 帧TDM 帧TDM 帧FFEEE FBBBBCCCCAAAA.可用频段TDM 帧DDD2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 频率时间TDM 帧TDM 帧TDM 帧EEEFFFBBBBCCCCAAAA.可用频段TDM 帧DDD2.6 信道复用技术时分复用（ TDM ） 统计时分复用 STDM(Statis

15、tic TDM) ABCDabdtttttacbabad统计时分复用Eeecb ee2.6 信道复用技术码分复用CDMCDMA A(Code Division Multiplexing(Code Division Multiplexing Access Access) ) 码片序列码片序列(chip sequence)(chip sequence)每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 2.6 信道复用技术CDMA 的重要特点码片序列码片序列(chip sequence)(chip s

16、equence)每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交正交(orthogonal)(orthogonal)。 S为S站的码片序列向量，T为T站的码片序列向量，n为二进制码片序列的位数。 nin101iiT S TS 2.6 信道复用技术CMDA工作原理举例： 有X站和Y站，2个站的码片序列为： X(-1-1-1+1+1-1+1+1) Y(-1-1+1-1+1+1+1-1) 现在X要发送101，Y发送111 问接收方如何判断收到的比特序列？2.6 信道复用技术CDMA工作原理2.6 信道复用技术 现有4个站进行码分多址通信，4个站的码片序列为： A(-1-1-1+1+1-1+1+1) B(-1-1+1-1+1+1+1-1) C(-1+1-1+1+1+1-1-1) D(-1+1-1-1-1-1+1-1)现在收到的码片序列为（-1+1-3+1-1-3+1+1）问哪个站发送了数据，发送数据的站发送的是“1”还是“0”码分复用CDMA游戏2.6 信道复用技术-1-1-1+1+1-1+1+1-1-1+1-1+1+1+1-1-1+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1-1-1-1+1-1-1+1-3+1-1-3+1+1A ABCD码分复用CDMA游戏