ch2数据通信基础

1、第二章 数据通信的基础知识本章内容2.1 数据通信的基本概念2.2 信道及其主要特征 2.3 传输媒体2.4 数据编码2.5 多路复用2.6 数据交换技术2.7 差错控制12.1数据通信的基本概念数据及计算机通信术语数据(Data)：传递(携带)信息的实体。信息(Information)：是数据的内容或解释。信号(Signal)：数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。 模拟信号与数字信号基带(Base band)与宽带(Broad band)信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。码元(Code Cell)

2、：时间轴上的一个信号编码单元。2.1.1 数据通信的一般概念2t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应3误码率：信道传输可靠性指标，是概率值。信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符A的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001，其数据编码可能为01000001t4带宽“带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。对于数字信道，“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的

3、数字信号的速率，即数据率或比特率。比特(bit)是计算机中的数据的最小单元，它也是信息量的度量单位。带宽的单位就是比特每秒(bit/s)。带宽有时也称为吞吐量。5 如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。下图是这一概念的示意图。67带宽带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为

4、10Mb/s。8时延信息从网络的一端传送到另一端所需的时间时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒）排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速9ABAB宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机 注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。正确的宽带和窄带概念10比喻：汽车运货宽带线路窄带线路宽带和窄带线路：车速一样宽带线路：车距缩短11一种错误概念“宽带”相当于“多车道”多车道公路是并行传输11011010通信线路上通常都是串行传输12时延带宽乘积

5、某一链路所能容纳的比特数时延带宽乘积=带宽传播时延例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。链路带宽传播时延体积=时延带宽乘积13往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间RTT2传播时延传输可靠性两个含义：数据能正确送达数据能有序送达(当采用分组交换时)142.1.2数据通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统数据通信系统的构成：传输系统(传输线路和传输设备)数据处理系统15一、数据传输系统1）传输线路2）调制解调器3）多路复用

6、器4）交换器二、数据处理系统1）终端设备：指用户与数据传输系统间的接口，为系统中计算机系统发送信息及接收来自计算机系统的信息。2）计算机系统进行数据的收集和处理16三、数据通信基本过程：包括两个方面的内容传输数据和通信控制1）建立通信线路；2）建立数据传输链路，建立同步联系；3）传送通信控制信号和数据；4）通过通信控制信息确认通信结束；5）通知交换机，通信结束，切断物理连接。17数据通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话的对比建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份数据传送 互相通话断开逻辑连接 互相确认要结束通话断开物理连接 双方挂机18信息通过数据通信

7、系统传输把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解调：接收波形数字信号解码：数字信号原始数据信息数据信号在信道上传输信号数据信息数据编码调制解调数据解码191）传输速率码元速率（RB），又称信号速率或波特(Baud)率：为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。信息速率（Rb），又称比特率：每秒传送的信息量(bps， bit/s) 。字符速率（Rm），指单位时间内所传字符的数量。例如在传送计算机信息时，单位为字符/秒。 Rb = RB log2

8、M，其中M是信号的编码级数。一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。例如，M=16，波特率为9600时，信息速率为38.4kbit/s四.数据通信的主要技术指标20 1 0 0 1 0 1 1 二进制数据波形 00 10 11 01 10 00 01 四进制数据波形 一个数字脉冲称为一个码元，码元携带的信息量由码元可取得的离散值个数决定，若码元可取2个离散值，则一个码元携带1bit信息；若码元可取4个离散值，则一个码元携带2bit信息。一个码元的携带信息量n（bit）与可取的离散值个数M有关 n = log2M

9、212）差错率：误码率Pc ：指错误接收信息的码元数在传输信息的总码数中所占的比例。一般要求误码率小于10-6 。 Pc错误接收的码元数/传输的总码数误比特率Pb:指错误接收的比特数占传输总比特数的比例。 Pb错误接收的比特数/传输的比特数误字符率Pw :指错误接收的字符数占传输总字符数的比例。 Pw错误接收的字符数/传输的字符数数据通信的主要技术指标22频率、频谱和带宽 （1） 时域概念电磁信号是连续或离散的；正弦波：s（t）=A sin（2ft+）（注：少一个字符）（A） 振幅（A）：信号对比时间的峰值，单位：伏特或瓦特（B） 频率（f）：信号重复的速度，单位：周/秒或赫兹（HZ）（C）

10、周期（T）：信号重复一次所需的时间，单位：秒 T=1/f；（D） 相位（）：在一个完整的信号周期范围内对时间相对位置的度量23频率、频谱和带宽 （2） 频域概念基本频率或基波：当全部信号的频率是某一频率的整数倍时，后者称为基波；即存在两个信号，信号A的频率是信号B频率的整数倍，那么信号B称为基波，且信号A、B 合成后的频率为B的频率（基波的频率）整数倍；（3） 频谱：信号所包括频率的范围；（针对合成信号，频率范围是信号A和信号B 的频率区间） 信号的绝对带宽.（4） 有效带宽或带宽：信号的大部分能量往往包含在频率较窄的一段频带.（5） 直流成分：242.2 信道及其主要特征1. 数字信道和模拟

11、信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路25模拟信号和数字信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值模拟信号能在数字信道上传输吗？数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号数字信号能在模拟信道上传输吗？ta） 模拟信号tb） 数字信号26周期信号和非周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周期信号非周期信号tt

12、27数字通信与模拟通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。282. 信道的最大数据传输率Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带 宽约为3.1kHz，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示C = 2W log2 MC = 数据传输率，单位

13、b/s W = 带宽，单位HzM = 信号编码级数M 最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s29非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。30Shannon公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则 C = 3100log2（1+2000） 34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34

14、kb/s。信噪比的单位也可用分贝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N所以，若S/NdB=30dB ，则S/N=1000。C = W log2 （1+S/N） C: 传输率，单位b/sW: 带宽，单位HzS/N: 信噪比31Nyquist公式和Shannon公式的比较C = 2W log2M用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。C = W log2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。323. 通信网络中站点的

15、连接方式点-点连接主站交换连接集线式连接次站次站次站中心站集中器交换机多点连接334. 数据传输方式单/双工通信单/双向传输单工：数据单向传输（例：无线电广播）半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。34单工、半双工与全双工通信 35数据串/并行通信1. 串行传输 串行传输是一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可,节省设备，适用于远程通信 接收设备2314567812345678发 送设备串行到并行的转换并行到串行的

16、转换36串行传输的特点 传输速度较低，一次一位； 通信成本也较低，只需一个信道。 支持长距离传输，目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。37数据串/并行通信2. 并行传输 并行传输的速率高，可以一次同时传输若干比特的数据。 2345678发 送设备接 收设备校验数据线数据位38并行传输的特点 传输速度快：一位(比特)时间内可传输一个字符； 通信成本高：每位传输要求一个单独的信道支持；因此如果一个字符包含8个二进制位，则并行传输要求8个独立的信道的支持； 不支持长距离传输：由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。39基带/频带/宽带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接

17、在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输40数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位同步字符字符同步帧(Frame)帧同步41位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同

18、步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。42字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其传输效率为8/1173起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”43帧同步：识别一个帧的起

19、始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0 n bit8bit8bit8-32m7EH7EH44传输损耗 最有影响的损耗包括：衰减、衰减失真、延时变形、噪声1.衰减提出的三个问题：（1） 第一：接收到的信号必须有足够的强度，这样接收器里的电子电路才能辨认、解释信号；（2） 第二：信号须比收到的噪声维持一个更高的电平，以避免出错；（3） 第三：衰减是频率增量函

20、数；解决问题：（1） 针对第一、第二问题，可以在线路设置放大器或中继器，来增强信号强度；（2） 第三个问题针对模拟信号的，可以在线路上加载线圈以改变线路的电气属性，或使用高频放大器将高频放大；45传输损耗 2.延迟变形（有线传输介质特有的现象，对数字数据影响比较大）延迟变形：由于信号中各种成分延迟使得接收到的信号变形，这种效果然称为延迟变形；3. 噪声接收到的信号包括：传送的信号、因传输系统造成的失真、在传输和接收之间在某处插入的不必要的信号（噪声）分类：（1） 热噪声 （2） 内调制杂音 （3） 串扰 （4） 脉冲噪声462.3 传输介质磁介质高带宽、低费用、高延时（小时） 在通信中很少使用

21、 例：7GB/8mm磁带，1000盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。 总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s 传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 金属导体双绞线、 同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、微波、卫星、红外线我们追求的最快传输速率是多少？47双绞线（Twist Pair，TP）-螺旋绞合的双导线-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头-优缺点： 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离短应用领域：电话网络、计算机

22、局域网内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套48屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：3类（16Mb/s） 和5类（155Mb/s）两种49光纤（Optical Fiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便价格较高需要光电转换纤芯材料：塑料二氧化硅 （高纯玻璃）50光纤传输原理光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全

23、反射，不会泄漏。纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接51多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播52典型的光缆单芯光缆多芯光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：纤芯50um缓变型-MMF 62.5u

24、m缓变型/增强型-MMF 8.3um突变型-SMF 包层125um53光钎电缆54高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束55同轴电缆（Coaxial Cable）计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）性能：10Mb/s，500米/185米铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套56同轴电缆型号RG-8或RG-11 （阻抗50欧姆）粗缆RG-58（50欧姆）细缆RG-59（75欧姆）CATV细缆RG-62（93欧姆）ARCnet网络及IBM3270系统专用 一般为频分多路复用57无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）使用电磁波或光波携带信息

25、优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型：无线电、地面微波通信卫星红外线58无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域BS基站 用户计算机和终端59地面微波通过地面站之间接力传送接力站之间距离：50 -100 km速率：每信道 45 Mb/s地球地面站之间的直视线路 微波传送塔60地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784公里地球61常用传输介质的比较（p46表2.1）传输介质传输方式速率

26、/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带1Gb/s模拟: 10km数字: 500m较好低模拟/数字信号传输50同轴电缆基带10Mb/s3km较好较低基带数字信号75同轴电缆宽带450MHz100km较好较低模拟电视、数据及音频光纤基带40Gb/s20km以上很好较高远距离高速数据传输微波宽带4-6GHz几百km好中等远程通信卫星宽带1-10GHz18000km很好高远程通信622.4 数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据 数字数据信号：模拟信号 数字信号 信道：模拟信道 数字信道63模拟传输和数字传输所使用的技术话音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字

27、数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制64编码与调制的区别编码：用数字信号承载数字或模拟数据调制：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或模拟数据数字信号x(t)g(t)数字或模拟数据编码与解码数字信道发送方接收方g(t)编码解码65调制与解调数字或模拟数据ModulatorDemodulator数字或模拟数据模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道发送方接收方调制解调制661. 数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不

28、归零码（NRZ，Non-Return to Zero）二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用5V表示1，5V表示0；缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。67曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高低的跳变代表0，低高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。差分曼彻斯特编码（Differential ）每个码元的中

29、间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。68三种数字编码的波形图01001100011 时钟NRZManchester差分Manchester692. 数字数据的调制使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术：幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying）频移键控FSK （Frequency Shift Keying）相移键控PSK （Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化70ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化