第二章数据通信基础

1、l2.1 数据通信的基本概念 l2.2 数据传输方式 l2.3 数据传输类型及相应技术 l2.4 数据传输中的同步技术 l2.5 多路复用技术 l2.6 广域网中的数据交换技术l2.7 差错控制技术 了解模拟传输与数字传输的基本原理熟悉异步与同步通信的接口标准掌握常用数据编码及多路复用技术掌握信息交换技术l2.1.1 信息、数据和信号l2.1.2 信道及信道的分类 l2.1.3 码元和码字l2.1.4 数据单元l2.1.5 通信系统的主要技术指标l2.1.6 数据通信过程中涉及的主要技术问题l(1)信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运

2、动状态。 l(2)数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。 l(3)信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。 l1、信道及其组成l2、物理信道及其逻辑信道l3、有线信道和无线信道l4、数据通信l5、模拟信道和数字信道l6、

3、专用信道和公共信道l在计算机网络中传送的每一位二进制数被称为“码元”或“码位”，由7个码元组成的二进制序列被称为“码”例如：二进数“1000001”就是一个码字，在7位的ASII的数据通信中，这个码字就代表ASII码“A”l在数据传输时，通常将较大的数据分割成较小的数据单元，并在每一个数据段上附加一些信息，这些附加信息通常包括单元和序号、地址和校验码。l例如：小的数据分组及其附加信息一起称为“数据包”。在实际传输时，有时还要将数据包进一步分割成更小的逻辑数据单位，这就是“数据帧”。l “数据包”和“数据帧”都是数据传输时的逻辑单位，将它们统称为“数据单元”。图2-1 通信系统模型l图2-1所示

4、的为单向通信系统，从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：l（1）单向通信。又称单工通信，即只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。l（2）双向交替通信。又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（或同时接收），这种通信方式往往是一方发送另一方接收。l（3）双向同时通信。又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。图图2-2 通信系统实例通信系统实例l图2-2是通信系统的一个实例，工作站通过公共电话网PSTN与一个服务器进行通信。在此模型中，数据通信系统要完成的一系列关键任务为： （1）接口规范 （2

5、）同步 （3）传输系统利用率 （4）差错检测和校验 （5）灾难恢复 （6）寻址和路由 （7）网络安全 （8）网络管理l1并行传输l2串行传输 l并行传输：数据在多个信道上同时传输。数据数据在多个信道上同时传输。数据线数目与与传输数据相同并可能多一校验线线数目与与传输数据相同并可能多一校验线特点：特点：不需要对传输代码进行时序转换需要数据线数目多。传输速率高l串行传输：数据在一个信道上一位一位依次数据在一个信道上一位一位依次 传输。数据线数目与与传输数据无关传输。数据线数目与与传输数据无关特点：特点：通信线路数小，线路利用率高适合于远距离传输。在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。需要实施

6、同步措施，以确保不产生错字。l2.3.1 基带传输与数字信号的编码l2.3.2 频带传输与模拟信号的 调制 l数字通信系统的任务是传输数字信息，数字信息可能来自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号。 l传输数字信息的方法是按传输波形来分类的。 l1基带、基带信号和基带传输l2数字基带信号的编码l对于码型的选择，通常要考虑以下的因素：v对于传输频带低端受限的信道，线路传输码型的频谱中不应含有直流分量； v信号的抗噪声干扰能力强，产生误码时，在译码中产生的误码扩散或误码增值小；v便于从信号中提取位同步定时信息；v尽量减少基带信号频谱中高频分量，以节省传输频带，

7、并减小串扰；v编译码的设备应尽量简单。编码规则非归零编码的特点与同步信号非归零编码的应用l 克服不归零制编码缺点的一种编码方案是曼彻斯特（Manchester）编码，它是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。 l 另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码，它的编码规则是：若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。101100高H低L“1攠 高电平“0攠 低电平中间跳“

8、0攠 上跳“1攠 下跳中间总有跳变“0攠 开头跳高H低L高H低L（a）不归零制编码（b）曼 彻斯特编码（c）差分曼 彻斯特编码图图2-3 常用数字信号编码常用数字信号编码调制、解调与频带传输模拟信号的调制调制解调制器的工作原理调制解调制器的分类与标准l通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三种（如图2-5所示）。l（1）幅移键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying） l（2）频移键控方式（FSK，Frequency-Shift Keying） l（3）相移键控方式（PSK，Phase-Shif

9、t Keying） 010101100基带信号幅移键控 ASK频移键控 FSK相移键控 PSK图图2-5 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返回本节返回本节发送端的调制过程接受端的解调过程在一对电话线上实现双向通信的过程l常规的分类方式有以下几种：按连接方式分类按使用的通信线路分类按调制解调器的操作状态分类1.按调制解调器的调制原理分类l调制解调器的标准：l1、针对600b/s和1200b/s的全双工调制解调器的V.22标准l2、针对1200b/s和2400b/s的全双工调制解调器的V.22bis标准l3、针对7200、12000和14400b/s的全双工调制解调器的V.

10、32bis标准l4、针对高于14400b/s的带有数据压缩和差错检测功能的全双工调制解调器的V.42/MNP等更高标准l脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）是波形编码中最重要的一种方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输系统大多采用PCM体制。PCM最初并不是用来传送计算机数据的，采用它是为了解决电话局之间中继线不够，使一条中继线不只传送一路而是可以传送几十路电话。PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。 l2.4.1 异步传输方式 l2.4.2 同步传输方式 什么是异步传输模式？什么是异步传输模式？ 异步传输的工作特

11、点异步传输的工作特点 异步传异步传 输的应用特点输的应用特点 异步传输的应用场合异步传输的应用场合l方法：每字符都要加起始位与停止位l发送端与接收端必须采用相同的速率、相同的设置 异步传输方式异步传输方式 什么是同步传输方式什么是同步传输方式 同步传输的工作特点同步传输的工作特点 同步传输的应用特点同步传输的应用特点 同步传输的应用场合同步传输的应用场合 同步传输的时钟信号同步传输的时钟信号l方法：每数据块都要加同步字符或比特序列l 面向字符的同步传输l 面向位流的同步传输 同步传输方式同步传输方式2.5.1 多路复用技术概述多路复用技术概述2.5.2 频分多路复用频分多路复用2.5.3 时分

12、多路复用时分多路复用2.5.4 波分多路复用技术波分多路复用技术1、什么是多路复用技术、什么是多路复用技术2、多路复用技术的实质和研究目的、多路复用技术的实质和研究目的 人们研究多路复用的主要原因和目的人们研究多路复用的主要原因和目的 多路复用技术多路复用技术 的实质和工作原理的实质和工作原理3、多路复用技术的分类、多路复用技术的分类 当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带质上实现同时传送多路信号，即将信道的可

13、用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道（图许多个子信道（图2-6）；在接收端用适当的滤波器）；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（术称为频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）。）。通道（1）通道（2）通道（3）通道（4）通道（5）通道（6）多路复用器MUXMUX源 1源 2源 3源 4源

14、5源 6目标 1目标 2目标 3目标 4目标 5目标 6多路复用器FDM原理原理 TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（如图分复用帧所占的时间也是相同的（如图2-8所示），所示），即在同步即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输

15、定时是同步的。对于时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图所示。如图所示。可用频段频率时间图2.28 TDM子信道示意图A BCD A BCD A BCD A BCD组成子信道A的时隙时分复用帧图2.29 TDM原理2多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6多路复用器MUX目标1目标2目标3目标4目标5目标63 4 5 6 1 2 3 4 516 图图2-8 TDM子信道示意图子信道示意图 图图2-9 TDM原理原理

16、2.5.3 2.5.3 波分多路复用波分多路复用 实际上，波分多路复用技术所用的技术原理与前面介绍的频分多路复用技术大致相同。 WDM与FDM使用的技术原理是一样的，只要每个信道使用的频率范围各不相同，它们就可以使用波分多路复用技术，通过一条共享光纤进行远距离的传输。与电信号使用的FDM技术不同的是，在WDM技术中，是利用光学系统中的衍射光栅，来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。l2.6.1 线路交换l2.6.2 存储转发交换 在计算机广域网中，计算机通常使用公用通信信道进行数据交换。在通信子网中，从一台主机到另一台主机传送数据时，可能会经历由多个节点组成的路径。通常将数据在通信子网中节点

17、间的数据传输过程统称为数据交换，其对应的技术为数据交换技术。在传统的广域网中，使用的数据交换技术可分为两类：线路交换和存储转发交换机。存储转发交换技术又可分为“报文交换技术”和“分组交换技术”。l使用线路（电路）交换（Circuit Switching）方式，就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路。最普通的线路交换例子是电话系统。l线路交换方式的通信包括三种状态：l （1）线路建立 l （2）数据传送 l （3）线路拆除l1、线路交换技术的应用特点 优点：传输延迟小、线路一旦接通不会发生冲突、数据以固定的速率传输，可靠性和实时响应能力都很好 缺点：建立时间长、数字信号不连续，具

18、有突发性和间歇性、不具备差错控制能力、不具有数据存储能力，不能改变数据的内容2、线路交换技术的应用场合 线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合，尤其适用会话式通信、语音、图象等交互式类通信。不适合传输突发性、间断型数字信号的计算机与计算机、计算机与终端之间的通信。2.6.2 存储转发交换存储转发交换 1、存储转发交换式与线路交换技术方式的两个主要区别2、存储转发交换方式的应用特点3、转发方式的分类l 报文交换l 分组交换l报文交换比线路交换有以下优点：l（1）线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点的通道。l（2）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器

19、可用之前，暂时存储这个报文。l（3）在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫。l（4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。l（5）根据报文的长短或其他特征能够建立报文的优先权，使得一些短的、重要的报文优先传递。l（6）报文交换网可以进行速度和代码的转换。 l分组交换（Packet Switching）试图兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。l如何管理这些分组流呢?目前有两种方法：数据报和虚电路。l在数据报中，每个数据包被独立地处理，就像在报文交换中每个报文被

20、独立地处理那样，每个节点根据一个路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的地相同。 l在虚电路中，数据在传送以前，发送和接收双方在网络中建立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从于这条逻辑线路的安排，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专用信道一样。 l三种数据交换技术总结如下：l（1）线路交换：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全占有。l（2）报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的

21、方式。 l（3）分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。 呼叫请求呼叫阶段数据传送报文报文报文报文P1P2P3P4P1P2P3P1P2P4P3P4时间ABCDABCDABCD图1.5 三种交换方式的比较（a）线路（电路）交换（b）报文交换（c）分组交换图图2-16 三种交换方式的比较三种交换方式的比较l（1）利用数字语音插空技术（DSI，Digital Speech Interpolation）能提高线路交换的传输能力。 l（2）帧中继（Frame Relay）是对目前广泛使用的X.25分组交换通信协议的简化和改进。 l（3）异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）是线路交换与分组交换技术的结合，能最大限度地发挥线路交换与分组交换技术的优点，具有从实时的语音信号到高清晰度电视图像等各种高速综合业务的传输能力。l什么是差错?l 人们总是希望在通信线路中能够正确无误地传输数据,但是由于来自信