计算机网络-第2章数据通信基础

第2章数据通信基础2.1数据通信的基本概念2.2数字信号的频谱和信道带宽2.3数字信道的特性2.4物理信道2.5数据编码2.6数字调制技术2.7脉冲编码调制2.8通信方式和交换方式2.9多路复用技术2.10差错控制

2.1数据通信的基本概念

通信的目的就是传递信息。一次通信中产生和发送信息的一端叫信源,接收信息的一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。按通信专家的行话来说,通信线路称为信道,所以信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。图2.1通信系统模型

电话机送话器输出的话音信号,电视摄像机产生的图像信号等都是模拟信号。数字信号只取有限个离散值,而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的。数字信号以其某一瞬间的状态表示它们传送的信息。模拟信号和数字信号的波形分别表示在图2.2的(a)和(b)中。图2.2模拟信号与数字信号

(a)模拟信号(b)数字信号

无论信源产生的是模拟数据还是数字数据,在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式。在模拟信道中传输的是模拟信号,在数字信道中传输的是数字信号。如果信源产生的是模拟数据并且以模拟信道传输则叫做模拟通信如果信源发出的是模拟数据而以数字信号的形式进行传输,那么这种通信方式叫数字通信。数字通信系统的模型表示在图2.3中。

图2.3数字通信系统模型

2.2数字信号的频谱和信道带宽

1.傅立叶分析任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合成的,按照傅立叶分析法可以把一个周期为T的复杂函数g(t)表示为无限个正弦和余弦函数之和:

其中a0是常数,代表直流分量,且为基频,an,bn分别是n次谐波振幅的正弦和余弦分量:

2.周期矩形脉冲信号的频谱所谓频谱是指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图,这样的频谱图以频率f为横坐标,相应的各种谐波分量的振幅u为纵坐标,如图2.4所示。图2.4中谐波的最高频率fh与最低频率fl之差(fh-fl)叫做信号的频带宽度,简称带宽。

图2.4信号的频谱图

上述周期矩形脉冲的傅立叶级数中只含直流和余弦项,令ω=2π/T,我们有令,则上式可写成

图2.5周期性脉冲及其频谱(a)周期性脉冲(b)周期性脉冲的频谱

可以认为信号的绝大部分能量集中在第一个零点的左侧,由于在第一个零点处x=π,因而有nτω/2=π,亦即nτ=T。若取n=1,则有τ=T。我们定义周期性矩形脉冲信号的带宽为

图2.6信道带宽2.3数字信道的特性

数字信道是一种离散信道,它只能传送取离散值的数字信号。数字信道的通频带(即带宽)决定了信道中能不失真地传输脉冲序列的最高速率。若码元可取4个离散值,则一个码元携带2bit信息。总之一个码元携带的信息量n(比特)与码元取的离散值个数N有如下关系:

1.波特率和信道容量早在1924年,贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特(HarryNyquist)就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率,称为尼奎斯特定理。若信道带宽为W,则尼奎斯特定理指出最大码元速率为2.误码率上一小节说明了无噪声信道的最大数据速率。实际信道会受到各种噪声的干扰,因而远远达不到按尼奎斯特定理计算出的数据传送速率。香农(Shannon)的研究表明,有噪声信道的极限数据速率可由下面的公式计算:

在有噪声的信道中(实际中的信道都是有噪声的),数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加。我们用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率。误码率可用下式表示Ne(出错的位数)N(传送的总位数)3.信道延迟信号在信道中传播,从源端到达宿端需要一定的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关,也与具体信道中的信号传播速度有关。我们以后考虑的信号主要是电信号(虽然在某些情况下可能会用到红外或激光),这种信号一般以接近光速的速度(300m/μs)传播,但随传输介质的不同而略有差别。例如在电缆中的传播速度一般为光速的77%,即200m/μs左右。

2.4物理信道

1.双绞线双绞线由粗约1mm的互相绝缘的一对铜导线扭在一起组成,对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰。这种双绞线大量使用在传统的电话系统中,适用于短距离传输,超过几公里,就要加入中继器。2.同轴电缆同轴电缆的芯线为铜质导线,外包一层绝缘材料,再外面是由细铜丝组成的网状导体,最外面加一层塑料保护膜。如图2.7所示。芯线与网状导体同轴,故名同轴电缆。同轴电缆的这种结构,使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。

图2.7同轴电缆

宽带系统与基带系统的主要不同点是模拟信号经过放大器后只能单向传输。为了实现网络结点间的相互连通,有时要把整个400MHz的带宽划分两个频段,分别在两个方向上传送信号,这叫分裂配置。有时干脆用两根电缆,这叫双缆配置。3.光缆光缆由能传送光波的超细玻璃纤维制成,外包一层比玻璃折射率低的材料。进入光纤的光波在两种材料的介面上形成全反射,从而不断地向前传播,如图2.8所示。光纤信道中的光源可以是发光二极管LED(LightEmittingDiode),或注入式激光二极管ILD(InjectionLaserDiode)。这两种器件在有电流通过时都能发出光脉冲,光脉冲通过光导纤维传播到达接收端。

如果我们采用不同的互连方式,把所有的通信结点通过光缆连接成一个环,环上的信号虽然是单向传播,但任一结点发出的信息其他结点都能收到,从而也达到了互相通信的目的。见图2.9。图2.8光纤的传输原理

图2.9光纤环网

传播路径,这样的光纤叫多模光纤(图2.10(a))。光波在光纤中以什么模式传播,这与芯线和包层的相对折射率,芯线的直径,以及工作波长λ有关。如果芯线的直径小到光波波长大小,则光纤就成为波导,光在其中无反射地沿直线传播,这种光纤叫单模光纤(图2.10(b))。单模光纤比多模光纤更难制造,因而价格更贵。图2.10单模光纤与多模光纤

(a)多模光纤(b)单模光纤4.无线信道微波通信系统可分为地面微波系统和卫星微波系统,两者的功能相似,但通信能力有很大差别。地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛物面天线组成,长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域,在此区域中的卫星地面站之间就可互相通信。

微波通信的频率段为吉兆段的低端,一般是1GHz～11GHz,因而它具有带宽高,容量大的特点。由于使用了高频率,因此可使用小型天线,便于安装和移动。在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据。和地面微波一样,可以在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信(见图2.11)。由于激光的频率比微波更高,因而可获得更高的带宽。图2.11激光传输

无线电短波通信早已用在计算机网络中了,已经建成的无线通信局域网使用了甚高频VHF(30MHz～300MHz)和超高频(300MHz～3000MHz)的电视广播频段,这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,所以用作局部地区的通信是很适宜的。

图2.12红外传输

2.5数据编码

1.单极性码在这种编码方案中,只用正的(或负的)电压表示数据。例如,在图2.13中我们用+3V表示二进制数字0,而用0V表示二进制数字1,单极性码用在电传打字机(TTY)接口中以及PC机和TTY兼容的接口中,这种代码需要单独的时钟信号配合定时,否则当传送一长串0或1时,发送机和接收机的时钟将无法定时,单极性码的抗噪声特性也不好。2.极性码在这种编码方案中,分别用正和负电压表示二进制数0和1,例如在图2.13中我们用+3V表示二进制数字0,而用-3V表示二进制数字1,这种代码的电平差比单极码大,因而抗干扰特性好,但仍然需要另外的时钟信号。3.双极性码在双极性编码方案中,信号在三个电平(正,负,零)之间变化,一种典型的双极性码是所谓信号交替反转编码AMI(AlternateMarkInversion)。在AMI信号中,数据流中遇到1时交替地使电平在正和负之间翻转,而遇到0时则保持零电平。双极性是三进制信号编码方法,它与二进制相比抗噪声特性更好。4.归零码在归零码RZ(ReturntoZero)中,码元中间的信号回归到0电平,因此任意两个码元之间被0电平隔开。与以上仅在码元之间有电平转换的编码方案相比,这种编码方案有更好的噪声抑制特性。因为噪声对电平的干扰比对电平转换的干扰要强,而这种编码方案是以识别电平转换边来判别0和1信号的。图2.13中表示出的是一种双极性归零码。

图2.13常用编码方案5.不归零码图2.13中所示的不归零码NRZ(Non-ReturntoZero)的规律是当1出现时电平翻转,当0出现时电平不翻转。因而数1和0的区别不是高低电平,而是电平是否转换。这种代码也叫差分码,用在终端到调制解调器(Modem)的接口中。6.双相码双相码要求每一位中都要有一个电平转换。因而这种码的最大优点是自定时,同时双相码也有检测错误的功能,如果某一位中间缺少了电平翻转,则被认为是违例代码。7.曼彻斯特码曼彻斯特(Manchester)码是一种双相码。在图2.13中我们用高电平到低电平的转换边表示0,而用低电平到高电平的转换边表示1。位中间的电平转换边既表示了数据代码,也作为定时信号使用。曼彻斯特码用在以太网中。8.差分曼彻斯特码这种编码也是一种双相码,和曼彻斯特编码不同的是,这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号,而不表示数据。数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换:有电平转换表示0,无电平转换表示1,差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。9.多电平码这种编码的码元可取多个电平之一,每个码元可代表几个二进制位。例如,令M=2n,设M=4,则n=2,若表示码元的脉冲取4个电平之一,这样一个码元可表示两个二进制位。和双相码相反,多电平码的数据速率大于波特率,因而可提高频带的利用率。但是这种代码的抗噪声特性不好,传输过程中信号容易畸变到无法区分。

2.6数字调制技术

1.幅度键控(ASK)

按照这种调制方式,载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值。例如对应二进制0,载波振幅为0对应二进制1,载波振幅取1。调幅技术实现起来简单,但抗干扰性能差。2.频移键控(FSK)

即按照数字数据的值(0或1)调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为f1,而对应二进制1的载波频率为f2。这种调制技术抗干扰性能好,但占用带宽较大。在有些低速的调制解调器中,用这种调制技术把数字数据变成模拟音频信号传送。图2.14三种模拟调制方式

表2-14相调制方案

以上调制技术可以组合起来得到性能更好、更复杂的调制信号。例如ASK和PSK可结合起来,形成幅度相位复合调制,每一个码元表示4位二进制数,如表2―2所示。表2―2幅度相位复合调制

2.7脉冲编码调制

模拟数据通过数字信道传输有效率高、失真小的优点,而且可以开发新的通信业务,例如,数字电话系统可提供语音信箱的功能。把模拟数据转化成数字信号,要使用一种叫编码解码器(Codec)的设备。这种设备的作用和调制解调器的作用相反:调制解调器的作用是把数字数据变成模拟信号,经传输到达接收端再解调还原为数字数据。

常用的数字化技术就是所谓的脉冲编码调制技术PCM(PulseCodeModulation),简称脉码调制。PCM的原理如下:(1)取样。每隔一定时间间隔,取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。尼奎斯特(Nyquist)取样定理告诉我们:如果取样速率大于模拟信号最高频率的二倍,则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即(2)量化。取样后得到的样本是连续值,这些样本必须量化为离散值,离散值的个数决定了量化的精度。图2.15中我们把量化的等级分为16级。每个样本都量化为它附近的等级值(图2.15(a))。

(3)编码。把量化后的样本值变成相应的二进制代码。按照图2.15(b)的编码方案,我们得到相应的二进制代码序列,其中每个二进制代码都可用一个脉冲串(4位)来表示。这4位一组的脉冲序列就代表了经PCM编码的原模拟信号。图2.15脉冲编码调制

(a)量比(b)编码

2.8通信方式和交换方式

2.8.1数据通信方式

(1)单工。在单工信道上信息只能在一个方向传送。

(2)半双工。在半双工信道上,通信的双方可交替发送和接收信息,但不能同时发送和接收。

(3)全双工。这是一种可同时进行双向信息传送的通信方式。图2.16异步传输2.8.2交换方式一个通信网络由许多交换结点互连而成。信息在这样的网络中传输就像火车在铁路网络中运行一样,经过一系列交换结点(车站),从一条线路换到另一条线路,最后才能到达目的地。交换结点转发信息的方式就是所谓交换方式。线路交换,报文交换和分组交换是三种最基本的交换方式(见图2.17)。

图2.17交换方式(a)线路交换(b)报文交换(c)分组交换1.线路交换线路交换方式把发送方和接收方用一系列链路直接连通(图2.18)。电话交换系统就是采用这种交换方式。电路交换的特点是建立连接需要等待较长的时间。由于连接建立后通路是专用的,因而不会有别的用户的干扰,不再有传输延迟(图2.17(a))。这种交换方式适合于传输大量的数据。在传输少量信息时效率不高。

2.报文交换这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。当一个结点发送信息时,它把要发送的信息组织成一个数据包——报文,该数据包中某个约定的位置含有目标结点的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。经过多次的存储—转发,最后到达目标结点(图2.19),因而这样的网络叫存储—转发网络。

图2.18线路交换

图2.19报文交换3.分组交换按照这种交换方式,数据包有固定的长度。因而交换结点只要在内存中开辟一个小的缓冲区就可以了。进行分组交换时,发送结点先要对传送的信息分组,对各个分组编号,加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。这个过程也叫信息的打包。一次通信中的所有分组在网络中传播又有两种方式。一种叫数据报(Datagram),另一种叫虚电路(VirtualCircuit)。下面分别叙述。(1)数据报。类似于报文交换,每个分组在网络中的传播路径完全是由网络当时的状况随机决定的,因为每个分组都有完整的地址信息,所以都可以到达目的地(如果不出意外的话)。但是到达目的地的顺序可能和发送的顺序不一致。

(2)虚电路。类似于电路交换,这种方式要求在发送端和接收端之间建立一条所谓的逻辑连接。

图2.20分组交换2.9多路复用技术

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。这种技术要用到两个设备:多路复合器(Multiplexer)在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号复合成一个高带宽的信号多路分配器(Demultiplexer)在接收端根据同一规则把高带宽信号分解成多个低带宽信号。多路复合器和多路分配器统称多路器,简写为MUX,参见图2.21。

图2.21多路复用1.频分多路复用(FDM)FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输,这些载波可以进行任何方式的调制:ASK,FSK,PSK以及它们的组合。每一个载波信号形成了一个子信道,各条子信道的中心频率不相重合,子信道之间留有一定宽度的隔离频带(见图2.22)。

图2.22频分多路2.时分多路复用(TDM)TDM(TimeDivisionMultiplexing)要求各个子通道按时间片轮流地占用整个带宽(图2.23)。时间片的大小可以按一次传送一位,一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来确定。图2.23时分多路复用3.数字传输系统在介绍脉码调制时(第2.7节)曾提到,对4kHz的话音信道按8kHz的速率采样,128级量化,则每个话音信道的比特率是56kb/s。为每一个这样的低速信道敷设一条通信线路是太不划算了,所以在实用中要利用多路复用技术建立更高效的通信线路。在北美和日本使用很广的一种通信标准是贝尔系统的T1载波(见图2.25)。图2.24同步TDM和统计TDM的比较图2.25贝尔系统的T1载波T1载波也叫一次群,它把24路话音信道按时分多路的原理复合在一条1.544Mb/s的高速信道上。

CCITT有一个类似1.544Mb/s的标准。

CCITT还有一个2.048Mb/s脉冲编码调制载波标准。

CCITTT1载波还可以多路复用到更高级的载波上，如图2.26所示。

图2.26多路复用

2.10差错控制

1.差错的起因和特点通信过程中出现的差错可大致分为两类:一类是由热噪声引起的随机错误另一类是由冲击噪声引起的突发错误。通信线路中的热噪声是由电子的热运动产生的,香农关于有噪声信道传输速率的结论就是针对这种噪声。热噪声时刻存在,具有很宽的频谱,且幅度较小(图2.27)。

图2.27热噪声引起信号出错2.检错码奇偶校验是最常用的检错方法。其原理是在7单位的ASCII代码后增加一位,使码字中1的个数成奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。经过传输后,如果其中一位(甚至奇数个多位)出错,则接收端按同样的规则(奇校验或偶校验)就能发现错误。显然这种方法简单实用,但只能对付少量的随机性错误。3.海明码

1950年海明(Hamming)研究了用冗余数据位来检测和纠正代码差错的理论和方法。按照海明的理论,在数据代码上添加若干冗余位组成码字。码字之间的海明距离是一个码字要变成另一个码字时必须改变(1变0,或者0变1)的最小位数。显然这个数应小于等于码字的所有可能的个数,即2n。于是,我们有因为n=m+k,我们得出

例对ASCII码“K”1001011使用偶数校验,可把它的各个数据位放在3,5,6,7,9,10,11等位置上。10010111234567891011

空出的位置放奇偶校验值。对3,5,7,9,11号位计算奇偶校验值,得1,并将其置于1号位。110010111234567891011

类似地,在2号位放置关于第3,6,7,10,11号位的奇偶校验值,在4号位放置关于第5,6,7号位的奇偶校验值,在8号位放置关于9,10和11的奇偶校验校验值,最终得到101000100111234567891011如果这个码字传输中出错,比如说6号位出错。即变成1010001001112345678910114.循环冗余校验码(CRC)

所谓循环码是这样一组代码,其中任一有效码字经过循环移位后得到的码字仍然是有效码字,不论是右移或左移,也不论移多少位。例如,若(an-1an-2…a1a0)是有效码字,则(an-2an-3

…a0an-1),(an-3an-4

…an-1an-2),…,等都是有效码字。循环冗余校验码CRC(CyclicRe