第2章数据通信基础技术(1).

1、第第2章章 数据通信基础技术数据通信基础技术 网络技术与应用网络技术与应用2.1 数据通信原理数据通信原理2.2 数据传输介质数据传输介质2.3 数据传输方式数据传输方式2.4 多路复用技术多路复用技术2.5 数据交换技术数据交换技术v 回顾：回顾：计算机网络技术是计算机网络技术是通信技术通信技术和和计算机技术计算机技术相结合的产物。相结合的产物。网络最基本的功能是网络最基本的功能是数据通信数据通信和和资源共享资源共享。计算机间的通信是实现资源共享的基础。计算机间的通信是实现资源共享的基础。v那么如何才能将不同计算机系统中的信号进行传那么如何才能将不同计算机系统中的信号进行传输呢？输呢？信号信

2、号编码编码传输传输交换交换1为了使数据在网络中传输，必须把数据变化为了使数据在网络中传输，必须把数据变化成某种信号成某种信号（电信号或光信号电信号或光信号）。数据通信分为模拟通信和数字通信两类。数据通信分为模拟通信和数字通信两类。52022-4-2842.1 数据通信原理数据通信原理一、数据通信基本概念一、数据通信基本概念 v数据通信是指依照一定的协议，利用数据传数据通信是指依照一定的协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递信息。输技术在两个终端之间传递信息。v通信系统由通信系统由信源、发信终端、传输媒介、收信源、发信终端、传输媒介、收信终端和信宿信终端和信宿组成组成。v通信系统分为通信系统分

3、为模拟模拟和和数字数字通信两类，分别传通信两类，分别传输数据的信号为模拟和数字信号。输数据的信号为模拟和数字信号。v数据通信系统是传送和交换数据的通信系统。数据通信系统是传送和交换数据的通信系统。由数据终端子系统、数据传输子系统和数据由数据终端子系统、数据传输子系统和数据处理子系统三部分组成。处理子系统三部分组成。2022-4-285模拟通信系统与数字通信系统模拟通信系统与数字通信系统v1.模拟通信系统是通过调制器把信源传入信模拟通信系统是通过调制器把信源传入信道，再由接收端收到进行解调还原给信宿。道，再由接收端收到进行解调还原给信宿。优点是信道利用率高，缺点是抗干扰能力差，优点是信道利用率高

4、，缺点是抗干扰能力差，安全性差。安全性差。v2.数字通信系统是在模数互换器的作用下把数字通信系统是在模数互换器的作用下把模拟信号转为数字信号，采用多种方式传输模拟信号转为数字信号，采用多种方式传输到信宿。到信宿。2022-4-2862.1.3 数据通信的主要指标数据通信的主要指标数据通信的主要指标是指衡量数据传输的有效性和数据通信的主要指标是指衡量数据传输的有效性和可靠性的参数：可靠性的参数：v带宽带宽，对于模拟信道，带宽是传输媒体能够传送，对于模拟信道，带宽是传输媒体能够传送信号的频率范围，单位是信号的频率范围，单位是Hz。对于数字信道，则。对于数字信道，则指在信道上能够传送的数字信号的速率

5、，即数据指在信道上能够传送的数字信号的速率，即数据传输速率传输速率S 。v最大数据最大数据传输速率传输速率S：在信道的有效带宽上单位：在信道的有效带宽上单位时间内所传送的二进制代码的有效位数（时间内所传送的二进制代码的有效位数（b/S或或者者bps）。通常来说，带宽越高，其最大数据传）。通常来说，带宽越高，其最大数据传输速率也越高。输速率也越高。2022-4-287误码率误码率Pv误码率是指二进制码元在数据传输中被误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，单位为百分比。传错的概率，单位为百分比。 P传错码元数传错码元数/传输总码元数传输总码元数信道容量信道容量v信道容量：指物理信道上能够传

6、输数据信道容量：指物理信道上能够传输数据的最大能力。香农定理：信道的带宽和的最大能力。香农定理：信道的带宽和信噪比越高，则信道的容量就越高。信噪比越高，则信道的容量就越高。2022-4-288吞吐量吞吐量v吞吐量（吞吐量（Throughput），是指单位时间内），是指单位时间内成功地传送数据的数量，它是实际测试出来成功地传送数据的数量，它是实际测试出来的结果，单位为的结果，单位为bps。吞吐量是评价计算机。吞吐量是评价计算机网络有效性的重要性能指标网络有效性的重要性能指标v吞吐量由于受网络设备性能及物理环境影响，吞吐量由于受网络设备性能及物理环境影响，通常都小于网络的设计数据传输速率。通常都小

7、于网络的设计数据传输速率。2022-4-289时时 延延v时延时延是指数据包从一个网络的一端传送的另一个端是指数据包从一个网络的一端传送的另一个端所需要的时间，它包括了发送时延、传播时延和处所需要的时间，它包括了发送时延、传播时延和处理时延三部分。理时延三部分。发送时延，指数据包从计算机进入传输媒体所需要的时间。发送时延，指数据包从计算机进入传输媒体所需要的时间。传播时延，指电磁波在传输媒体中的传播时间。传播时延，指电磁波在传输媒体中的传播时间。处理时延，指中间节点对数据包进行存储转发的处理时间。处理时延，指中间节点对数据包进行存储转发的处理时间。v一般来说，由于通信距离过远，卫星通信网络是一

8、一般来说，由于通信距离过远，卫星通信网络是一个高带宽高时延的网络，而光纤网络是一个高带宽个高带宽高时延的网络，而光纤网络是一个高带宽低时延的网络。低时延的网络。2022-4-28102. 1.4 数据传输介质数据传输介质传输介质又称为通信介质或媒体，它决定了网传输介质又称为通信介质或媒体，它决定了网络的数据传输速率、网络段的最大长度、传输的络的数据传输速率、网络段的最大长度、传输的可靠性等。可靠性等。| 有线：有线：电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维电缆。电缆。| 无线：无线：微波及卫星通信、红外通信、激光通信。微波及卫星通信、红外通信、激光通信。 传输介质的

9、特性对网络数据通信的质量有很大影响，传输介质的特性对网络数据通信的质量有很大影响，这些特性是：这些特性是：物理特性：物理特性：说明传输媒体的特性。说明传输媒体的特性。传输特性：传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围。信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围。连通性：连通性：采用点到点连接还是多点连接。采用点到点连接还是多点连接。地理范围：地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。抗干扰性：抗干扰性

10、：防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。能力。相对价格：相对价格：包括元件、安装和维护等价格。包括元件、安装和维护等价格。 82022-4-28121、 双绞线是由若干对铜线组成，每对有两条相双绞线是由若干对铜线组成，每对有两条相互绝缘的铜线或钢包铜线按一定规则绞合在一起，互绝缘的铜线或钢包铜线按一定规则绞合在一起，采用这种绞合起来的结构是为了减少对邻近线对采用这种绞合起来的结构是为了减少对邻近线对的电磁干扰。的电磁干扰。|屏蔽双绞线屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)|非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP(UnShielded Twis

11、ted Pair) 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 v以铝箔屏蔽以减以铝箔屏蔽以减少干扰少干扰双绞线外没有任何附加屏蔽双绞线外没有任何附加屏蔽 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP：提高了抗干扰能力，但价格较高。提高了抗干扰能力，但价格较高。 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 UTP：抗干扰能力差一些，但在规定的抗干扰能力差一些，但在规定的距离内传输性能好且价格便宜，常用。距离内传输性能好且价格便宜，常用。 102022-4-2814网络数据传输的双绞线电缆一般由网络数据传输的双绞线电缆一般由4 4对双绞线组成。对双绞线组成。噪音噪音串扰串扰信号衰减信号衰减影响双绞线传输性能影响双绞线传输性能

12、2、(Coaxial Cable)122022-4-2816RG58A/U(细缆细缆)RG-11(粗缆粗缆)(适用于大型局域网适用于大型局域网)RG-59（一般用于电视系统）（一般用于电视系统）2022-4-2817v 光纤是光导纤维的简称，它是用极细的玻璃纤维光纤是光导纤维的简称，它是用极细的玻璃纤维或石英玻璃纤维做传输媒体。或石英玻璃纤维做传输媒体。v 一根或多根光纤组合在一起形成光缆。一根或多根光纤组合在一起形成光缆。光纤系统具有如下优点：光纤系统具有如下优点：传输频带非常宽，传输速传输频带非常宽，传输速率极高；传输距离远，传输损耗小，中继距离长；差错率极高；传输距离远，传输损耗小，中继

13、距离长；差错率低、误码率小，抗干扰性能最好；数据保密性高；体率低、误码率小，抗干扰性能最好；数据保密性高；体积小、重量轻。积小、重量轻。其缺点：其缺点：是光纤衔接困难。光纤分支困难且分支时是光纤衔接困难。光纤分支困难且分支时信号能量损失很大，价格最贵，主要用作点对点连接。信号能量损失很大，价格最贵，主要用作点对点连接。2022-4-28182022-4-2819光纤光纤 v多模光纤多模光纤v单模光纤单模光纤2022-4-28202022-4-2821|微波通信微波通信：载波频率为：载波频率为2GHZ至至40GHZ。频率高，。频率高，可同时传送大量信息；可同时传送大量信息；|微波通信有地面通信和

14、卫星通信两种主要形式。微波通信有地面通信和卫星通信两种主要形式。|由于微波是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限。由于微波是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限。v两个地面站之间两个地面站之间传送距离：传送距离：50 -100 km|卫星通信：卫星通信：是利用地球同步卫星作为中是利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。卫星通信可以克服地面微波通信距离式。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。部通信区域。v与地面站相对固与地面站相对固定位置，使用定位置，使用3个

15、卫个卫星覆盖全球传输延星覆盖全球传输延迟时间长。迟时间长。17|红外通信和激光通信：红外通信和激光通信：和微波通信一样，有和微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。但红外通很强的方向性，都是沿直线传播的。但红外通信和激光通信要把传输的信号分别转换为红外信和激光通信要把传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号后才能直接在空间沿直线传光信号和激光信号后才能直接在空间沿直线传播。播。| 微波、红外线和激光都需要在发送方和接微波、红外线和激光都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，故它们统称为视线收方之间有一条视线通路，故它们统称为视线媒体。媒体。182022-4-2824电信领域使用的电磁

16、波的频谱2022-4-28252.2 通信编码技术v1.模拟信号和数字信号v模拟信号：信号波形模拟着信息的变化而变化，幅度与时间都连续。数字信号：其特点是幅值被限制在有限个数值之内，是离散的。 2022-4-28262.2 通信编码技术v2.把各种信号转换为二进制数据以便于存放把各种信号转换为二进制数据以便于存放于计算机中的方法就是数据编码技术（也称于计算机中的方法就是数据编码技术（也称模拟数据数字信号编码技术模拟数据数字信号编码技术）。）。v3.二进制数据在线路中传输时必须采用一定二进制数据在线路中传输时必须采用一定的方式将数据表示成某种编码的方式将数据表示成某种编码,这种方法为这种方法为数

17、数字编码技术字编码技术。v利用数字信号传递数字数据的为利用数字信号传递数字数据的为数字数据的数字数据的数字信号编码数字信号编码,得用模拟信号传递数据数据的得用模拟信号传递数据数据的叫叫数字数据的调制编码数字数据的调制编码。2022-4-2827数据编码及调制技术四种情况数据编码及调制技术四种情况vA.模拟数据用模拟信号表示vB.模拟数据用数字信号表示模拟数据用数字信号表示vC.数字数据用模拟信号表示数字数据用模拟信号表示vd. 数字数据用数字信号表示数字数据用数字信号表示2022-4-28282.2.1 模拟数据数字信号编码技术模拟数据数字信号编码技术v模拟数据数字编码技术典型方法模拟数据数字

18、编码技术典型方法脉冲编码脉冲编码调制调制（PCM，Pule Code Modulation）,模拟数据转化为数字信号要经过模拟数据转化为数字信号要经过采样、量采样、量化和编码化和编码三个步骤。三个步骤。v1.采样采样 系统经过一个固定的时间间隔对模拟信号系统经过一个固定的时间间隔对模拟信号进行测量叫采样进行测量叫采样,时间间隔叫采样周期。时间间隔叫采样周期。2022-4-28292.2.1 模拟数据数字信号编码技术模拟数据数字信号编码技术v2.量化：模拟信号在时间和幅度上都是连续量化：模拟信号在时间和幅度上都是连续的，数字信号是离散的。对采样的测量值进的，数字信号是离散的。对采样的测量值进行数

19、字化转换就是量化。通常是根据测量值行数字化转换就是量化。通常是根据测量值的变化选择一个近似的量化值，使用模数转的变化选择一个近似的量化值，使用模数转换器（换器（A/D转换器）来完成。转换器）来完成。v3.编码：把取得的量化值转换成二进制数据，编码：把取得的量化值转换成二进制数据，也是由模数转换器完成的。也是由模数转换器完成的。v4.采样定理：对于一个模拟信号，采样定理：对于一个模拟信号，采样频率采样频率大于或等于模拟信号中大于或等于模拟信号中最高频率分量的两倍最高频率分量的两倍，那么依据采样后得到的良散序列就能够没有那么依据采样后得到的良散序列就能够没有失真地恢复出原来的模拟信号。失真地恢复出

20、原来的模拟信号。2022-4-2830数字信号的三种编码数字信号的三种编码v不归零编码不归零编码（Non-Return to Zero,NRZ）用负电压表示数字用负电压表示数字0，用正电压表示数字，用正电压表示数字1。简单易实现，但无法保持同步简单易实现，但无法保持同步,必须用另一信道同必须用另一信道同时发送同步时钟信号。时发送同步时钟信号。v曼彻斯特编码曼彻斯特编码以中间的电平跳作为双方的同步信号，每周期分以中间的电平跳作为双方的同步信号，每周期分两部分，前半周期是数值的两部分，前半周期是数值的“反码反码”对应的电平值，对应的电平值，后半周期是数值的后半周期是数值的“原码原码”对应的电平值。

21、对应的电平值。v差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码电压值遇电压值遇1保持，遇保持，遇0跳变，中间跳变作为同步时跳变，中间跳变作为同步时钟信号。钟信号。2022-4-2831三种编码波形图三种编码波形图 2022-4-2832调制的三种方式调制的三种方式v调幅调幅（幅移、振幅键控、幅度调制）（幅移、振幅键控、幅度调制）ASKv频率和相位都是常数，振幅不变量，一般用无振幅频率和相位都是常数，振幅不变量，一般用无振幅表示表示0 0有振幅表示有振幅表示1 1。v调频调频（频移键控、频率调制）（频移键控、频率调制） FSKv振幅和相位定为常量，频率为变量，用不同的频率振幅和相位定为常量，频率为变量，用不同

22、的频率波表示波表示0和和1。v调相调相（频移键控（频移键控 ）PSKv分为绝对和相对调相。分为绝对和相对调相。2022-4-2833对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调频调相调幅2022-4-2834 在数据通信中，数据传输方式有并行通信和串行通在数据通信中，数据传输方式有并行通信和串行通信两种。信两种。2.3 数据传输方式数据传输方式演示演示串行通信串行通信并行通信并行通信1 1、并行并行：通信线路与数据传输的位数相同，通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。用于短距离传输。2 2、串行串行：数据在信道上数据在信道上一位一位的一位一位的

23、逐个传输，从发送逐个传输，从发送端到接收端只需一根传输线。端到接收端只需一根传输线。成本低容易实现成本低容易实现，适用于远，适用于远距离传输，是计算机网络中普遍采用的传输方式。距离传输，是计算机网络中普遍采用的传输方式。 计算机内部采用并行传输，当数据通信采用串行传计算机内部采用并行传输，当数据通信采用串行传输时需要并输时需要并/ /串转换装置。串转换装置。PCPC和外界进行串行通信是通过和外界进行串行通信是通过串行端口串行端口COMCOM完成的。完成的。20有三种方式：有三种方式：单工通信、半双工通信单工通信、半双工通信和全双工通信和全双工通信。21数据信号只能沿着一个方向上传输，发送数据信

24、号只能沿着一个方向上传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送。能发送。数据信号可以沿两个方向传输，但两个方向不数据信号可以沿两个方向传输，但两个方向不能同时发送数据，必须交替进行。能同时发送数据，必须交替进行。数据信号可以同时沿两个方向传输，两数据信号可以同时沿两个方向传输，两个方向可以同时进行发送和接收。个方向可以同时进行发送和接收。242022-4-2838在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用方法，被称为多路复用 。多路复用技术的基本原理是：多路复用技术的基本原理是：各路信号

25、在进入同一个各路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的已调制信号，然后进入传输媒质传送制为互相不会混淆的已调制信号，然后进入传输媒质传送到对方，在对方再用解调到对方，在对方再用解调（反调制反调制）技术对这些信号加以技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。目的。2.4 多路复用技术多路复用技术2022-4-2839多路复用技术多路复用技术v1. 1. 频分复用（频分复用（FDMFDM）v2. 2. 时分复用（时分复用（

26、TDMTDM）v3. 3. 波分复用（波分复用（WDMWDM）v4. 4. 码分多址（码分多址（CDMACDMA）2022-4-28401. 频分复用频分复用v频分复用（频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM），对整个物理线路），对整个物理线路的可用频带进行分割，并利用载波调制技的可用频带进行分割，并利用载波调制技术，使得多路信号使用的频段互不重叠，术，使得多路信号使用的频段互不重叠，从而共用一个物理线路。从而共用一个物理线路。应用于无线电波应用于无线电波传输传输.2022-4-28411. 频分复用频分复用2022-4-28422. 时分复用时分复用

27、v时分复用（时分复用（Time Division Multiplexing，TDM），将整个传输信息的时间划分成若），将整个传输信息的时间划分成若干时间片（干时间片（Slot，也称时隙），并将这些时，也称时隙），并将这些时间片分配给每一路信号使用，各路信号在自间片分配给每一路信号使用，各路信号在自己的时间片内独占所有频带进行数据传输。己的时间片内独占所有频带进行数据传输。应用于数字通信应用于数字通信.v分为同步和异步时分多路复用技术。分为同步和异步时分多路复用技术。2022-4-28432. 时分复用时分复用2022-4-28443. 波分复用波分复用 v波分复用（波分复用（Wavelengt

28、h Division Multiplexing，WDM），是将一系列波长不），是将一系列波长不同的光信号合成一束，通过单根光纤传输的同的光信号合成一束，通过单根光纤传输的技术。技术。v由于光波是电磁波的一部分，光波的频率与由于光波是电磁波的一部分，光波的频率与波长具有单一对应关系，因此波分复用本质波长具有单一对应关系，因此波分复用本质上就是光的频分复用。上就是光的频分复用。2022-4-28454. 码分多址码分多址v码分多址（码分多址（Code Division Multiple Acess，CDMA），一种扩频多址数字），一种扩频多址数字式通信技术，通过独特的代码序列建立式通信技术，通过独

29、特的代码序列建立信道，可用于二代和三代无线通信中的信道，可用于二代和三代无线通信中的任何一种协议。通过使用相互独立的地任何一种协议。通过使用相互独立的地址码来区分各路原始信号，允许用户可址码来区分各路原始信号，允许用户可以同时使用相同的频带进行通信。以同时使用相同的频带进行通信。vSCDMA是同步码分多址的无线接入技术。是同步码分多址的无线接入技术。2022-4-2846几种多路复用的区别几种多路复用的区别v打个比方，在会议室里，所有人要进行打个比方，在会议室里，所有人要进行交谈。交谈。频分复用频分复用技术可以看作是将所有人两两分为一组，分散在整个会议室，所有组可以同时讨论，不会受到其它组的影

30、响。时分复用技术可以看作是每个人按顺序轮流到主席台发言。码分多址技术可以看作是所有人混在一起同时进行说话，但每一对人使用不同的语言，且不能听懂其它语言。如两位中国人进行聊天，不会受到阿拉伯语的影响。2.5 数据交换技术数据交换技术对于广域网，从源结点到目的结点对于广域网，从源结点到目的结点的数据通信需要经过若干个中间结点的的数据通信需要经过若干个中间结点的转接来传送数据，这涉及到数据交换技转接来传送数据，这涉及到数据交换技术。术。数据交换技术主要有三种类型：数据交换技术主要有三种类型：电电路交换、报文交换和分组交换路交换、报文交换和分组交换。 272022-4-28482.5.1 2.5.1

31、电路交换电路交换2022-4-28492.5.1. 电路交换电路交换2022-4-2850报文交换方式的数据传输单位是报文交换方式的数据传输单位是报文报文，报，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。一直逐个节点地转送到目的节点。 采用报文交换的是采用报文交换的是存储转发网络，延迟时存储

32、转发网络，延迟时间较长，间较长，不适合于不适合于交互式的数据通信。交互式的数据通信。2.5.2. 2.5.2. 报文交换报文交换2022-4-28512.5.3. 2.5.3. 分组交换分组交换 分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内分组可以存储到内存中，提高了交换速度。它适用于存中，提高了交换速度。它适用于交互式通信交互式通信，它是，它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。 2022-4-2852电路交换电路交换虚电路虚电路数据报数据报报文交换报文交换分分 组组 交交 换换2022-4-2853三种数据交换技术总结如下：三种数据交换技术总结如下：(1)(1)线路交换线路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。全占有。(2)(2)报文交换报文交换：报文从发送方传送