计算机网络：第二章 数据通信基本概念

1、第二章 数据通信基本概念2.1 数据通信的基本概念 数据是由数字、字符和符号等组成，是信息的载体;信息是数据的具体内容和解释，有具体含义;信号是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。2.1.1 信息、数据与信号融化六角形凉白色信息数据例子 2.1 数据通信的基本概念数据与信息的关系数据输入数据处理数据输出收集资料分析加工信息2.1 数据通信的基本概念 2.1.2 数据传输类型与通信方式1、数据传输类型2.1 数据通信的基本概念通信系统基本要素信源信宿通信信道 一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：（1）模拟数据、模拟信号。（

2、2）模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号。2.1 数据通信的基本概念数字数据数字信号数字发生器（d）数字数据在数字信道上传输放大器、调制器模拟数据模拟信号（a）模拟数据在模拟信道上传输调制/解调器数字数据模拟信号（c）数字数据在模拟信道上传输编码解码器（b）模拟数据在数字信道上传输模拟数据数字信号2.1 数据通信的基本概念2.1 数据通信的基本概念（1）模拟通信系统（2）数字通信系统2.1 数据通信的基本概念电话通信系统模型发送端（发话者）解调器非电/电转换器（发话器）通信信道解调器电/非电转换器（收话器）收接端（受话者）通信媒体2.1 数据通信的基本概念数字

3、通信系统模型数字信号数字通信信道数字信号模拟信号信号转换器数字通信信道信号转换器模拟信号模拟信号信号转换器数字通信信道数字信号信源信源信源信宿信宿信宿通信媒体A/D转换通信媒体D/A转换A/D转换通信媒体2.1 数据通信的基本概念2. 数据通信方式（1）并行传输与串行传输（2）单工、半双工和全双工通信（3）同步技术 位同步与字符同步2.1 数据通信的基本概念并行数据传输过程信道数据123N 数据传输方向110120103011410051106110710080012.1 数据通信的基本概念并行数据传输发送端接收端876543212.1 数据通信的基本概念数据发送设备数据接收设备00123n并

4、行到串行的转换0123n0串行到并行的转换串行数据位2.1 数据通信的基本概念单工通信发送端接收端传输信道数据监测信息2.1 数据通信的基本概念简单的单工通信系统+_电灯B 房A 房开关2.1 数据通信的基本概念半双工通信传输信道数据监测信息开关开关发送端接收端发送端接收端2.1 数据通信的基本概念简单的半双工通信系统电灯B 房A 房+_+_2.1 数据通信的基本概念传输信道数据监测信息发送端接收端发送端接收端传输信道数据监测信息2.1 数据通信的基本概念外同步的收发过程发送站接收站接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收的数据2.1 数据通信的基本概念内同步的接收与发送过程在数据编码一节讲同

5、步传输的工作原理SYNSYN.一个或多 控制字符 数据字符 控制字符个SYN字符2.1 数据通信的基本概念异步传输起始位 停止位起始位 停止位起始位 停止位比特比特比特不定长不定长字符间隔字符间隔2.1 数据通信的基本概念2.2 传输介质有线媒体 ：双绞线、同轴电缆和光纤 无线媒体 ：无线电通信、微波通信、卫星 通信、红外通信2.2 传输介质双绞线：因由两根绝缘的铜线互绞在一起构成而得名，如下图所示。 双绞线有非屏蔽的和屏蔽的两种 。双绞线2.2 传输介质STP电缆2.2 传输介质UTP电缆2.2 传输介质RJ-45连接器2.2 传输介质网状屏蔽层同轴电缆2.2 传输介质2.2 传输介质2.2

6、 传输介质2.2 传输介质单 模多模用于高速度、长距离用于低速度、短距离成本高成本低窄芯线、需要激光源宽芯线、聚光好耗散极小、高效耗散大、低效单模光缆和多模光缆特性对比表2.2 传输介质2.2 传输介质电磁波的频谱及在通信中作用 无线微波红外X射线射线 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024可见光紫外线2.2 传输介质无线通信无线电（radio）通信在无线电广播和电视广播中已广泛使用。 2.2 传输介质电离层无线电波的传输路径地球表面地球表面2.2 传输介质地面微波通信用户用户主计算机中心计算机2.2 传输介质卫星

7、微波通信地球表面卫星地面接收/发送站2.2 传输介质2.3 数据编码技术1. 数据的代码、编码和码元2. 数据编码类型3. 模拟数据编码方法4. 数字数据编码方法5. 脉冲编码调制方法调制信号与码元TTT“1”f1“0”f2“1”f12.3 数据编码技术a) 二进制矩形脉冲信号与码元 t1 1 1U01-100 T 2T 3T 4T 5T2.3 数据编码技术b) 四进制矩形脉冲信号与码元 t3210-1-2-3U T 2T 3T 4T 5T 6T 7T2.3 数据编码技术 振幅键控 模拟数据编码 移频键控数据编码方法 移相键控 数字数据编码 非归零码 归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特码2.数

8、据编码类型2.3 数据编码技术正弦波的三个参量Um-Um0tSin(t)3. 模拟数据编码方法2.3 数据编码技术幅度调制1001101二进制码：UASK码元频率调制1001101二进制码：UFSK码元绝对相位调制1001101二进制码：UPSK码元1001101二进制码：UPSK码元相对相位调制四相相对调相PSK信号波形00101110数字信号：U00 10 11 10 3 /2 全宽单极码脉冲 t 取样时间 t 码元时间1 0 1 0 1 1 0判决门限0.501单位脉冲U4. 数字数据编码方法2.3 数据编码技术全宽双极码脉冲 t 码元时间 t 取样时间0 1 0 1 1 0 00U判决

9、门限 1-14. 数字数据编码方法2.3 数据编码技术单极归零码脉冲 t 码元时间1 0 1 1 0 1 00U4. 数字数据编码方法2.3 数据编码技术双极归零码脉冲 t 码元时间1 0 1 1 0 1 0U4. 数字数据编码方法2.3 数据编码技术曼彻斯特码 t 码元时间1 0 0 0 1 0 00U t 取样时间14. 数字数据编码方法2.3 数据编码技术差分曼彻斯特码 t 码元时间0 1 0 0 1 0 10U t 取样时间4. 数字数据编码方法2.3 数据编码技术脉冲编码调制在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为编码器（Coder），而在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置

10、则称为解码器(Decoder)。通常进行的是双向通信，使用既能编码又能解码的装置，即编码解码器（Codec）。模拟信号通过编码解码器进行数字传输的工作过程示意如下图：将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉冲编码调制PCM (Pulse Code Modulation)。脉码调制的过程由取样、量化和编码三步构成。 1、取样：就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。 2、量化：就是将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程。 3、编码：就是将量化后的整数值用二进制数来表示。 脉码调制中，分级取整量化时引进了误差。显然分级越细，误差越小。但分级越细，每个样本点编码所需的比特数就越多。下图给出了脉码调

11、制的示意图。 脉冲编码调制脉冲编码调制10.91ABCDEFGH练习题在一个单路PCM系统中，信号的采样频率为8kHz，若按64级量化，则需要数据传输速率至少为多少？若将量化级增加到128级时，数据传输速率需要增加到多少？2.3 数据传输技术1.频分多路复用(frequency division multiplexing)2.波分多路服用(wavelength division multiplexing)3.时分多路复用(time division multiplexing)频分多路复用是将可用的传输频率范围分为多个较细的频带，每个细的频带作为一个独立的信道分别分配给用户形成数据传输子通路。

12、频分多路复用频分复用原理示意图终端1终端2终端3终端41 12 23 34 4FDMFDM计算机2134在一条光纤通道上，按照光波的波长不同划分成若干个子信道，每个子信道传输一路信号就叫做波分多路复用技术。 波分多路复用波分多路复用原理示意图时分多路复用时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用。同步时分复用器的原理示意图ABCD复用信道A1B2C3D4STDM第1帧 t1 t2 t3 t4同步时分复用异步时分复用原理示意图终端1终端2终端3终端4缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器ATDMG1B2Y3X3F1A2用户数据用户识别“标识”2.4 基带传

13、输的基本概念通信信道带宽对传输的影响 带宽：2. 数据传输速率的定义 波特率：波特率又称波形速率，即指数据通信系统中线路上每秒传送的波形个数，其单位为波特。 比特率：比特率又称为信息速率，它反映一个数据通信系统每秒所传输的二进制数据位数。 练习题 最高数据传输速率：低通信道通频特性曲线f0f0衰减量单位：分贝单位：赫兹高通信道通频特性曲线f0f0衰减量单位：分贝单位：赫兹f0f1衰减量单位：分贝单位：赫兹带通信道通频特性曲线f2练习题设某一数据通信系统的调制速率为2400波特，采用8相调制，则其数据传输速率是多少？对于无噪声的理想信道来说，信道最大数据传输速率为： C=2Flog2L其中，C为

14、最大数据传输速率，F为信道带宽（Hz）， L为单位周期内信号的状态数奈奎斯特（Nyquist）定理对于有热噪声的信道来说，信道的最大数据传输速率为： C=Flog2(1+S/N)其中，S为接收端信号平均功率，N为信道内噪声平均功率香农（Shanon）定理 2.6.1 概述 2.6.2 常用的简单差错检测编码 1.奇偶校验 2.循环冗余校验 2.6.3 差错控制机制 反馈重发ARQ(automatic request for repeat) 1.停等方式（停止等待协议） 2.连续工作方式（连续ARQ协议） 2.6 差错控制方法1.差错差错类型：热噪声、冲击噪声2.误码率： Pe = Ne / N

15、（1）误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。（2）对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好。（3）对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，要折算成二进制码元来计算。3.差错控制：差错控制编码：检错码、纠错码校验方式信息位为1值的个数校验位置奇校验奇个数0偶个数1偶校验偶个数0奇个数1奇偶校验规则表 字符位0123451011010210010031111014010101510100061100117011100校验码010011垂直偶校验 字符位012345校验位1011010021001001311110104010101051010001611

16、0011170111000水平奇校验 字符位01234校验位1001010210110130001014111010501011160001017011011校验位010001水平垂直偶校验构成多项式：xr.f(x) 设:信息m=10110110 生成多项式G(x)=x4+x2+1 2. 用G(x)去除 xr.f(x)得余式R(x) 求得余数11013. 构成一个能被G(x)除尽的T(x) T(x)= xr.f(x) + R(x) 本例中：101101101101循环冗余校验码(CRC，Cyclic Redundancy Code)信源检错码编码器接收机信道发送机检错码译码器信宿噪声源存储器重发控制器反馈控制器反馈信道ARQ系统基本组成丢失DATA0ACKACKACKDATA2DATA1出错a) 正常情况b) 数据帧出错送主机AB送主机送主机DATA0ACKNAKACKDATA1DATA1送主机AB送主机重传DATA0ACKACKDATA1DATA1c)数据帧丢失送主机送主机ABtoutDATA0ACKACKACKDATA1DATA1丢失d)应答帧丢失送主机丢弃送主机ABtout数据帧在链路上传输的几种情况停止等待协议连续工作方式利用生成多项式G(x)=x5+x4+x+1校验接收到的信息1010011001010101是