计算机网络技术

第二章数据通信计算机基础教研室鲁世清E－mail:sqjcbjsj@126.com办公室：基础楼B区1楼要点回顾1.4计算机网络的组成（）1.5计算机网络的分类1.6计算机网络的性能指标（）1.1计算机网络的起源与发展(

)1.2计算机网络的定义（）1.3计算机网络的功能

（）三个阶段网络协议观数据通信、资源共享、协同工作边缘部分、核心部分速率、带宽、吞吐量、时延22.1数据通信的基础知识2.2数据通信的方式2.3数据编码技术2.4数据同步技术2.5信道复用技术教学设计一、主要内容二、学习目标:理解数据通信的基本方式，理解数据编码技术、数据同步技术和信道复用技术三、学习重点：数据编码技术与数据同步技术四、学习难点：数据编码技术32.1数据通信的基础知识传输系统发送的信号接收的信号源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机一、数据通信系统的模型4数据通信即包括数据传输，也包括数据处理。输入信息输入数据输出数据52.1数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型1、数据通信系统的组成可见，数据通信系统通常由：数据终端设备、数据线路终接设备和传输信道或链路三大部分组成。源点（source）：源点设备产生要传输的数据。例如，从PC的键盘输入汉字。发送器：将源点生成的数字比特流要通过发送器编码后在传输系统中进行传输。如调制器。接收器：接收到传输系统传送过来的信号，并把它转换成能够被目的设备处理的信息。如解调器。终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出目的系统之间的复杂网络系统。62.1数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型1、数据通信系统的组成信源：信源就是信息的来源，在计算机网络中，信号的产生（物）被称为信源。信宿：与信源对应的信号的接受（物）被称为信宿。数据(data)：

数字化的信息称为数据。信息：信息是人脑对客观世界中的事物的反映。2.1数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型２、几个术语数据是运送信息的实体。信息是数据的内在含义和解释。数据与信息的关系：7信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。

模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。信道：信源和信宿之间的通信线路，它是传送信号的通路。2.1数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型8２、几个术语二、信道的权限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。2.1数据通信的基础知识实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形数字信号通过实际的信道示意图

有失真，但可识别发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形失真大，无法识别9二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识1、信道容量的概念信道容量是指在一定的条件下，给定通信路径（信道）上所能达到的最大数据传输速率。信道容量噪声误码率带宽传输速率10二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识理想通信信道的最高码元传输速率

Bmax=2WW是理想通信信道的带宽，单位为赫(Hz)2、奈奎斯特(Nyquist)定理不能通过能通过0频率(Hz)２W(Hz)11二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识在理想的通信信道中，如果信道带宽WHz，则最高码元传输速率是每秒2W个码元。每赫带宽的理想通信信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。2、奈奎斯特(Nyquist)定理：Bmax=2W12二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识例：传输比特流10011100……10011100……2bit一组4种幅度,1个码元携带2bit信息。

t3210n=log2M(M:码元状态数,n:码元位数)2、奈奎斯特(Nyquist)定理：Bmax=2W13二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识理想通信信道的最高码元传输速率：Bmax=2W无噪声的情况下，在带宽为W的信道，其最大的数据传输速率C（信道容量）为：C=2Wlog2M[例]一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？解：根据奈奎斯特定理C=2Wlog2M代入数据C=2*4000*log228

C=64000

2、奈奎斯特(Nyquist)定理：Bmax=2W14二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C(信道容量）可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。3、香农(Shannon)定理15二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识信噪比所谓信噪比就是信号的平均功率与为信道内部的高斯白噪声功率之比，记作S/N；单位：分贝（dB）信噪比（dB）=10log10(S/N)(dB)例如：当S/N＝10时，信噪比为10dB，而当S/N＝1000时，信噪比为30dB反过来，数字信号通过通信信道时的信噪比为20dB则S/N为？答案：1003、香农(Shannon)定理16二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识[例2-7]一个数字信号通过两种物理状态经信噪比电平为20dB的3kHz带宽的信道传送，其数据率不会超过多少？解：已知信噪比电平为20dB，则信噪功率比

S/N=100

C=3000log2(1+100)=30006.66=199980bit/s

即，数据率不会超过19.98kbit/s3、香农(Shannon)定理应用举例17二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限，则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。3、香农(Shannon)定理C=Wlog2(1+S/N)表明18二、信道的权限容量2.1数据通信的基础知识4、奈氏准则和香农公式在数据通信系统作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制19三、数据通信系统的性能指标2.1数据通信的基础知识20１、可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”，通常用误码率来描述。２、有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”信息传输速率（Rb）码元传输速率（RB）频带利用率通信系统的主要性能指标是可靠性和有效性。三、数据通信系统的性能指标2.1数据通信的基础知识21误码率（BER：biterrorratio）也称错误率，误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。信息传输速率：在数字通信系统中每秒传输的二进制符号数称为信息传输速率，又称信息速率或比特率。单位为比特/秒（bit/s或bps）。

三、数据通信系统的性能指标2.1数据通信的基础知识22码元传输速率：在数字通信中，一个数字脉冲称为一个码元。单位时间内传输码元的数目就是码元传输速率，简称传码率。单位是波特（Baud）频带利用率：数字通信传输系统的频带利用率是指所传输的信息速率（或符号速率）与系统带宽之比值，其单位为bit/s/HZ（或为Baud/Hz)。

并行传输方式中，数据的每一位各占一条信号线。2.2数据通信的方式一、并行通信发送设备接收设备85763421校验数据位数据线23并行的数据传送线也叫总线，如并行传输8位数据就叫8位总线，并行传输16位数据就叫16位总线。并行传输的主要应用：近距离传输，如计算机内部的传输通常以并行方式进行。并行传输的优点：传输速度快，处理简单。但远距离传输时的代价过高。2.2数据通信的方式一、并行通信几点说明24串行传输指的是代码的若干位顺序按位串行排列成数据流，并在一条信道上传输。串行通信方式有三种类型：单工、半双工、全双工2.2数据通信的方式二、串行通信1、单工（单向通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。应用：无线电广播、计算机与打印机之间、键盘之间等。发送设备接收设备数据流252.2数据通信的方式二、串行通信2、半双工（双向交替通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。特点：控制简单，通信成本低。

应用：对讲机数据流发送设备接收设备发送设备接收设备262.2数据通信的方式二、串行通信3、全双工（双向同时通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。特点：效率高，但控制相对复杂，系统造价比较高。数据流发送设备发送设备接收设备接收设备数据流27基带信号：把计算机或终端等数字设备直接发出的二进制数字信号形式产生的方波所固有的频带称为基带称为基本频带（BaseBand），简称基频或基带，与基频对应的数字信号称为基带信号。

基带传输：在数字信道中利用基带信号直接传输的方式被称为基带传输。

2.2数据通信的方式三、数据信号的基本传输方式28数据信号的基本传输方式有三种：基带传输、频带传输和宽带传输

频带传输：利用模拟信道传输二进制数据的方式称为频带传输。频带传输的关键问题是如何将计算机中的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号。宽带传输：通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。2.2数据通信的方式29三、数据信号的基本传输方式数据编码技术：所谓数据编码技术，就是

将数据转换成信号，使之可以在信道上传输的过程。

数据解码技术：与数据编码技术相对应，将信还原成数据，使之可以被计算机识别的过程。常用的数据编码技术有：

数字数据的模拟信号传输数字数据的数字信号传输模拟数据的数字信号传输模拟数据的模拟信号传输

2.3数据编码技术302.3数据编码技术调制：把数字信号转换成模拟信号的过程称为调制(Modulation)。解调：把模拟信号逆变成对应数字信号的过程称为解调（Demodulation）。一、数字数据的模拟信号传输312.3数据编码技术一、数字数据的模拟信号传输在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率ω的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：

U（t）=Asin（ωt+φ）3个可以改变的电参量：

—振幅A

—角频率ω—相位φ322.3数据编码技术一、数字数据的模拟信号传输１、幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数ω和φ恒定。

U（t）=Asin（ωt+φ）010011100基带信号ASK332.3数据编码技术一、数字数据的模拟信号传输２、频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。

U（t）=Asin（ωt+φ）010011100基带信号FSK342.3数据编码技术一、数字数据的模拟信号传输３、相移键控PSK（PhaseShiftKeying）

PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A和ω不变。

U（t）=Asin（ωt+φ）35010011100基带信号PSK2.3数据编码技术一、数字数据的模拟信号传输010011100基带信号ASKFSKPSK362.3数据编码技术４、三种调制方式的比较幅移键控ASK：用载波的不同幅度来表示二进制的“0”和“1”。实现简单，但抗干扰性差，效率低。通常只能达到1200bps的传输速率。频移键控FSK：用载波不同的频率表示寸进制的“0”和“1”。实现简单，抗干扰能力强，频带利用率低。相移键控PSK：用载波信号相位的移动来表示二进制的“0”和“1”。多相PSK可以大大提高传输速率。在现代调制技术中，常将上述基本调制方法加以组合应用，以求在给定的传输带宽内提高数据的传输速率。一、数字数据的模拟信号传输372.3数据编码技术对于传输数字数据，需要将二进制数“1”、“0”经过编码成为数字信号，使其特性有利于传输常用的数字信号的脉冲编码方案有：1、单极不归零码2、双极不归零码3、曼彻斯特编码4、差分曼彻斯特编码二、数字数据的数字信号传输382.3数据编码技术1、单极不归零码：用无电流来表示“0”，用恒定的正电压来表示“1”。每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平，即0.5。二、数字数据的数字信号传输+10“1”1bit“0”01bit+1011110

0

010110100.5392.3数据编码技术2、双极不归零码：“1”和“0”都有电流。例如，用恒定的正电流来表示“1”。用恒定的负电流来表示“0”。正的幅值和负的幅值相等，刀以称为双极性码。判决限定门为0。二、数字数据的数字信号传输+10“1”1bit“0”0-11bit+10-111110001011010402.3数据编码技术3、曼彻斯特编码：将码元分成两个相等的间隔，从而在每一位时间的中间产生一次跳变。如可用“0”表示由低到高的跳变；“1”表示由高到低的跳变。二、数字数据的数字信号传输10+10-11111000+10-1+10-1+10-1“1”“0”1bit0110100110

01412.3数据编码技术4、差分曼彻斯特编码：二、数字数据的数字信号传输+10-1111

10

0

0

1011010+10-1编码规则：将每一个码元分成两个相等的时间间隔，在每一时间的是间产生一次跳变。如，用间隔时刻有跳变来表示“1”，无跳变来表示“0”110111110111

01422.3数据编码技术三、模拟数据的数字信号传输采样定理如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

对于模拟数据进行数字信号编码的最常用方法是脉码调制（PulseCodeModulation,PCM）010011100数字信号模拟信号432.3数据编码技术三、模拟数据的数字信号传输设原始信号的最高频率为Fmax,采样频率为F，则采样定理可以使用以下式表示：Fs≥2Fmax或Fs≥2BsFs=1/TsBs=Fmax-Fmin其中：Ts为条样周期，Bs为原始信号的带宽。442.3数据编码技术三、模拟数据的数字信号传输这个过程需要三个步骤：1、采样：按一定间隔对模拟信号进行采样，以获得模拟数据的样本。2、量化：将采样得到的模拟信号的电平幅值，人为地分为若干个级别，对每个样本舍入到量化级别上。量化级别越多，获得的数据越为精确，失真越小。3、编码：对每个舍入后的样本进行编码。452.3数据编码技术三、模拟数据的数字信号传输PCM转换过程举例 343314011100011011001100原始信号

PAM脉冲(采样）PCM脉冲(量化）011100011011001100PCM输出（编码）462.3数据编码技术四、模拟数据的模拟信号传输使用模拟信号对模拟数据进行调制的方法有三种：1、幅度调制(AM，AmplitudeModulation)：简称调幅；使载波幅度随原始的模拟数据(即调制信号)的幅度变化，而载波的频率不变。2、频率调制(FM，FrequencyModulation)：简称调频；使载波频率随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。3、相位调制(PM，PhaseModulation)：简称调相；使载波相位随原始的模拟数据的幅度变化，而载波的幅度不变。应用：无线广播电台仍采用调幅、调频技术。47五、模拟的和数字的数据信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号

PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号

数字发送器2.3数据编码技术482.4数据同步技术数据库同步技术是数据通信中的一个重要问题，接收方必须在时间上与发送方取得同步，以便能够正确地识别和接收发送方发送来的数据。在计算机通信与网络中，广泛采用的同步技术有：一、同步传输1、外同步法2、自同步法二、异步传输：492.4数据同步技术1、同步传输：接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。一、同步传输

2、传输规则以帧为单位传输帧同步：使用特殊标志位同步：多采用内同步两种方式：自同步：面向字符外同步：面向位5051一、同步传输2、传输规则2.4数据同步技术外同步（面向位）：是指发送方在发送数据之前，先向接收方发出一串同步时钟序列，接收方根据这一时钟脉冲频率和时序锁定接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送方保持同步。自同步（面向字符）：是指接收方直接从数据中获取同步信号，通常与所使用的通信编码有关包括利用独特的信号来激活接收动作，或者利用数据中的电平变化调整接收采样脉冲。

52

外同步（面向位）同步时钟脉冲(结束)同步时钟脉冲(开始)数据2.4数据同步技术接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生，也不是从信号中提取出来，即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。2.4数据同步技术自同步（面向位）

自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型的例子就是著名的曼彻斯特编码，这种编码通常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间都有一次跳变，这种中间的跳变既可做为时钟信号，也可做为数据信号。而差分曼彻斯特编码中，每一位中间的跳变仅提供时钟定时。由此可见，两种编码方法都将时钟和数据包含在信号流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，所以这种编码也被害人称为自同步编码。53（1）优点对于大块的数据，有更高的传输效率（2）缺点若数据出错，必须重发整个帧（3）适用范围

快速或较大规模的信息传输，如计算机网络2.4数据同步技术一、同步传输3、同步传输的特点54551、异步传输又称起止式传输，其特点是字符内部的各个比特采用固定的时间模式，字符之间间隔可以任意。发送端发出数据后，接收端通过感知线路上的电平状态变化来启动对字符的接收过程。二、异步传输2.4数据同步技术2.4数据同步技术2、异步传输规则（起-止式同步方式）收发双方时钟独立，但传输速率必须一致以字符为单位传输，字符之间的时间间隔不固定二、异步传输字符组成1位起始位(0)5～８位数据位0～1位奇偶校验位1～2位停止位(1)1111001111110011010111100111110001110110111156572.4数据同步技术1、优点无需统一的时钟控制简单出错只重发该字符2、缺点传输效率低56%～80%3、适用范围终端误码率要求高或者数据传输速率低的线路中3、异步传输的特点二、异步传输共享信道复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。在一条线路上同时传输多路信号，使得一条线路可以由多个数据终端同时使用而不互相影响，这就是信道复用技术。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术2.5信道复用技术58592.5信道复用技术为了提高信道的利用率，在数据的传输中组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的信道，这种方法称为多路复用。常用的信道复用技术有：频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)2.5信道复用技术602.5信道复用技术（一）频分复用FDM用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。（二）时分复用TDM2.5信道复用技术频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧（二）时分复用TDM2.5信道复用技术频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧（二）时分复用TDM2.5信道复用技术频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧（二）时分复用TDM2.5信道复用技术频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧（二）时分复用TDM2.5信道复用技术注意:时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性，用户对分配到的子信道的利用率一般不高的。（二）时分复用TDM2.5信道复用技术统计时分复用用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用2.5信道复用技术（二）时分复用TDM集中器STDM帧按需动态的分配时隙,因此可以提高线路的利用率。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s波长=1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器2.5信道复用技术（三）波分复用WDM常用的名词是码分多址CDMA

(Co