数据通信基础

第二章数据通信基础

§2.1基本概念§2.2差错控制§2.3多路复用§2.4数据交换本章主要讨论数据通信的一些基本概念、原理和技术。第二章数据通信基础

§2.1基本概念一、数据通信的定义及特点1.数据通信的定义指按照一定的通信协议，将数据以某种信号的方式，通过数据通信系统来完成数据信息的传输、交换、存储和处理的过程。2.几个概念。数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值是离散的。因此，数字数据(digitaldata)就是用不连续形式表示的数据。将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。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）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。下图给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。3.数据通信的特点（1）数据量具有突发性（2）数据传输的可靠性要求高（3）适应性强（4）信息传输效率高（5）灵活的接口能力4.数据通信的质量指标（1）有效性：指在给定的信道中单位时间内能传输信息量的多少，即用传输信息的速率来衡量。信息速率，也称信息传输速率（或称比特率），用Rb来标记，它表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（b/s或bps）。码元速率，也称码元传输速率（或称调制速率、波特率），用Rs标记，它表示单位时间内信道上实际传输码元个数或脉冲个数（可以是多进制），单位是波特（Baud）。（2）可靠性：指接收信息的准确程度，可用错误率（差错率）来度量。误比特率（误信率）:误码元率（误符号率）:数据通信系统的模型二、数据通信系统的模型数据通信系统是指以计算机为中心，通过通信线路连接分布在远程的数据终端设备而传输数据信息的通信系统。数据通信系统划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。数据终端设备（DTE，DataTerminalEquipment）数据电路终接设备（DCE，DataCircuit-terminatingEquipment）信道数据通信系统模型2.信道类型（1）有线信道和无线信道（2）模拟信道和数字信道3.传输介质：它就是数据传输系统中在发送端和接收端之间的物理通路。可分为两大类：有线和无线。（1）双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。分类：无屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP

（2）同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。分类(按特性阻抗数值的不同)：（1）50同轴电缆基带同轴电缆（2）75同轴电缆宽带同轴电缆（3）光纤由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8－100m。纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。62.5/125μm多模光纤50μm多模光纤光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。（4）体积小，重量轻。（4）微波（5）红外线微波通信微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；相邻站之间必须直视，不能有障碍物；微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。4.信道技术参数（1）带宽：一条传输信道上允许信息传输的信号频率范围。（2）信道容量：信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，即指定信道传输速率的最大理论极限值。模拟信道的信道容量用香农（Shannon）公式表示为：B为信道带宽，S为信号的平均功率，N为白噪声功率，即S/N为平均信号噪声功率比。

数字信道的信道容量（理想的无错信道，用奈奎斯特公式）：B为信道宽带，M为码元符号的种类

四、调制/解调1.什么是调制与解调调制是使载波信号的幅度、频率或相位（可以是它们的任意组合）随发送信号而变化的信号变换过程。接收端需要进行解调，将已调波变换成原来的信号形式。2.为什么要进行调制

为了使数字数据能在模拟信道中传输，通过调制将数字信号变换为适合于在模拟信道中传输的适当的信号形式，这就需要由调制来实现。3.调制技术（1）调幅与调频

（2）幅移键控

（3）频移键控

（4）相移键控

五、编码/解码举例：将模拟电话信号转变为数字信号，先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4kHz，为方便起见，采样频率就定为8kHz，相当于采样周期为125s。下图表示了上述的概念。六、传输编码1.字符编码字母、数字和符号用二进制编码组合来表示，常用的二进制代码有国际5号码、EBCDIC码、国际2号电报码等。2.基带传输编码基带数字信号的编码方法:曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。七、传输方式1.并行传输和串行传输2.单工、半双工和全双工通信3.同步传输和异步传输同步通信就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。异步传输又称起止式传输，其特点是字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符之间间隔任意。用独特的起始信号（或起始位）和终止信号（或结束位）来限定每个字符，传输效率较同步传输低。八、传输形式1.基带传输在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。2.频带传输对原始基带信号进行调制后送入模拟信道传输，这种利用模拟信道传输数据信号的方法就是频带传输。§2.2差错控制一、差错控制的基本方式通过增加冗余码元（牺牲有效性）提高传输系统的可靠性，保证传输数据的正确接收。1.检错反馈重发检错反馈重发是计算机通信中最常用的差错控制方法，通常又有三种方式：停发等待方式、连续发送方式、选择重发方式。

（1）停发等待方式

发送端

1

时间

接收端

1

1

1

NAK

检测到错误

2

2

ACK

检测正确3

3

ACK

检测正确时间

1

2

3

4

5

6

7

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

3

4

5

6

7

8

发送端ACK1

ACK2

NAK3

ACK4

ACK3

检测到错误

从码组3开始重发接收端时间（2）连续发送方式

（3）选择重发方式

1

2

3

4

5

6

7

3

8

9

10

11

1

2

3

4

5

6

7

3

8

9

10

11

发送端

ACK1

ACK2

NAK3

ACK3

ACK4

检测到错误码组3重发

ACK7

时间

接收端

2.前向纠错前向纠错，就是在发送端发出经编码的纠错码，接收端收到码组后，能够自动发现错误并纠正错误。3.混合纠错检错反馈重发方式和前向纠错方式的结合称为混合纠错。2.2.3常用的检纠错码

奇偶监督码

a0a1

…an-1=1（奇校验）a0a1

…an-1=0（偶校验）§2.3多路复用一、多路复用原理其理论依据是信号分割原理。多路复用有频分多路复用、时分多路复用和码分多路复用之分。二、频分多路复用是指按照频率参量的差别来分割各路信号的。在发送端使各复用信号的频谱互不重叠，在接收端用滤波器把各路信号区分开。三、时分多路复用按照时间参量的差别来分割各路信号。将信道工作时间划分为周期T，每一周期又再划分为若干时间间隔，在一个周期内每一路信号占用一个时间间隔（通常称为时隙）。1.时分多路复用原理2.T1系统日本和北美采用T1标准。复用了24路话路信号，每个话路的采样频率是8KHz，对每个采样脉冲进行7bit编码，然后加上1bit作标志，在第24路编码之后再附加1bit用于帧同步，这样构成的帧共有193bit，由此可计算出T标准的一次群数据速率为8000×193=1.544Mbps。

3.E1系统我国和欧洲采用E标准，E1系统是E标准的基群（一次群），有时称为PCM30/32路系统。每帧分为32个时隙，各个时隙从0到31编号，记为TS0，TS1，TS2，……，TS31，其中TS1至TS15及TS17至TS31这30路时隙用来传送30路PCM信号的8位码组，每帧的开始时隙TS0（8位）作帧同步用，TS16（8位）用于传输信令。因为TS16的8位只能传送两路信令，所以又把每16个帧放在一起构成更大的帧，称为复帧。由于每个时隙传送8bit信息，因此32个时隙共用256bit，而每秒传输8K个帧，所以E1系统的数据数率是8000×256=2.048Mbps。

4.多级复用5.统计时分复用四、波分复用

波分复用即为频分复用运用于光纤信道，实质就是频分复用，与FDM的区别仅在于WDM使用光复用器和光分用器。DWDM系统是在1550nm波长区同时使用4个、8个、16个或n个波长，通常在一对光纤上构成的光纤通信系统。一般每个光载波之间的波长间隔是0.8nm或1.6nm，等间隔分布，输入的光载波经光调制后变到相应的波段。例如，对于4路传输速率均为2.5Gbps的光载波（波长均为1310nm），分别进行光调制后变换到波长为1550nm、1550.8nm、1551.6nm、1552.4nm，每个光载波波长间隔0.8nm，复用总速率达到10Gb/s。五、码分复用码分复用也是一种共享信道方法，各用户以其特有的码型（通常称为伪随机序列）在共同的信道带宽内传送数据信息，按照码型的差别来分割各路信号，这样的通信方式叫做码分多址（CDMA）。在CDMA系统中，数据码元时间被划分为m个较短的时间间隔，称之为码片（chip），若干码片组成码片序列（也称伪随机序列），一般m=64或m=128。§2.4数据交换数据交换本身不关心传输数据的内容，仅执行交换的动作，将数据从一个端口交换到另一个端口，进而传输到另一个中间结点，直至目的地。从交换方式的发展过程来看，交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和快速交换几个阶段。一、电路交换

主机A

主机B

结点1

结点2

结点3

比特流

二、报文交换基本思想：存储-转发（store-and-forwardexchanging）。

主机B

主机E

结点

主机A

主机C

主机D

主机F

结点

结点

结点

结点

结点

结点

三、分组交换报文交换的一种改进形式。首先将长报文分成若干个分组，每个分组的长度给了一个上限，然后以分组为单位以存储-转发的方式进行传输。分组交换有两种管理数据分组的方法：数据报和虚电路。1.数据报方式

主机B

主机