第二章数据通信技术基础

第2章数据通信技术基础§2.1数据通信的基本概念§2.2数据传输方式§2.3数据传送技术§2.4多路复用技术§2.5数据交换技术§2.6差错控制技术§2.7数据通信接口特征DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork§2.1数据通信的基本概念2.2.1数据、信息和信号2.2.2数据通信系统2.2.3传输媒体2.2.4数据通信系统的技术指标DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据、信息和信号数据和信息指预先约定的具有某种含义的数字、符号和字母的组合，数据中包含信息，是信息的表现形式可分为模拟数据和数字数据信号指在信道上传输的电磁波编码可分为模拟信号和数字信号DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork信源、信宿和信道信源指信息的发送端，是发出待传信息的设备信宿指信息的接收端，是接收所传送信息的设备信道指通信双方以传输媒体为基础的传输信息的通道DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork通信方式的种类模拟通信信源为模拟数据并以模拟信号传输数字通信信源是模拟数据但以数字信号传输数据通信信源是数字数据的模拟或数字信号传输DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork模拟通信与数字通信DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据通信系统DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据通信系统数据通信系统的组成由发送部分、传输系统和接收部分组成DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork传输媒体有线传输媒体双绞线、同轴电缆和光纤无线传输媒体无线电波、地面微波、卫星微波和红外线DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork双绞线电缆的种类非屏蔽双绞线UTP铜导线塑料套屏蔽双绞线STP铜导线塑料套屏蔽套DesignedByCYQComputerCommunicationandNetworkEIA/TIA规范DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork10Base-TUTP的以太网规范DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork100Base-TSTP的以太网规范DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork双绞线电缆的制作颜色与线序橙白-1&橙-2蓝白-3&蓝-4绿白-5&绿-6棕白-7&棕-8制作标准T568A：5-6-1-4-3-2-7-8T568B：1-2-5-4-3-6-7-8制作方法普通线：T568B+T568B级联线：T568A+T568B制作口诀T568B；橙蓝绿棕，花左纯右，蓝白绿白对调T568A；绿蓝橙棕，花左纯右，蓝白橙白对调DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork同轴电缆同轴电缆的结构铜芯、网状金属屏蔽层、绝缘材料和塑料保护层DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork同轴电缆的种类细同轴电缆直径一般为0.26cm最大传输距离185米使用T型连接器和BNC接头与网卡相连阻抗为50Ω

粗同轴电缆直径一般为1.27cm最大传输距离500米通过一个转接器转成AUI接头与网卡相连阻抗为50Ω

DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork同轴电缆的种类基带同轴电缆屏蔽层采用网状铜丝特征阻抗为50Ω适合于数字信号传输用于计算机局域网常用型号有RG-8、RG-11和RG-58A/U宽带同轴电缆屏蔽层采用网状铝丝特征阻抗为75Ω适合于模拟信号传输用于有线电视网常用型号有RG59DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork细同轴和粗同轴电缆的接口DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork以太网细同轴电缆10Base2属性DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork以太网中粗同轴电缆10Base-5属性DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork光纤电缆光纤电缆的结构纤芯、包层和塑料保护层纤芯可仅由一根光纤构成，也可以包含多跟光纤DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork光纤电缆的种类单模光纤SMF光信号以径向直线方式传播并且只能有单一光信号传输纤芯直径小，通常为8.3/125μm衰减小，容量大多模光纤MMF光信号以反射方式传播并且可以容纳多个光信号传输纤芯直径大，通常为62.5/125μm衰减大，容量小DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork单模光纤电缆的规范DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork多模光纤电缆的规范DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据通信系统的技术指标数据传输速率传码速率和传信速率信道带宽误码率和误组率时延发送时延、传播时延和处理时延DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork传码速率定义指在数据通信系统中每秒钟传输信号码元的个数又称为调制速率或波特率，记为NBd单位为波特(Baud)表达式NBd

=1/TT为全宽码脉冲宽度或归零码脉冲重复周期DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork传信速率定义指数据通信系统中每秒钟传输二进制码元的个数又称为比特率，记为Rb单位为比特/秒(bps)表达式Rb

=NBd

×log2MM为码元的离散个数(

M进制)DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork信道带宽、误码率和误组率信道带宽指通信线路允许通过的信号频带范围数字通信中可等同于数据传信速率误码率/误组率指在一定时间内接收到出错的比特数/组数与总的传输比特数/组数之比DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork时延时延指一个报文或分组从一条链路的一端传送到另一端所需的时间时延=发送时延+传播时延+处理时延发送时延指节点在发送数据时使数据块从节点进入到传输媒体所需要的时间发送时延=数据块长度/信道带宽(或传信速率)DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork时延传播时延指电磁波在信道中传播一定的距离需花费的时间传输时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速度处理时延指数据在交换节点为存储转发而进行一些必要处理所花费的时间DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork§2.2数据传输方式2.2.1并行传输与串行传输2.2.2异步传输与同步传输2.2.3单工、半双工和全双工传输2.2.4模拟传输和数字传输DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork并行传输与串行传输并行传输指数据以成组的方式在多条并行信道上同时传输串行传输指字符以数据流方式在一条信道上逐位顺序传输两种传输的比较数据传输是否存在字符同步问题通信成本的高低及通信距离的远近DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork异步传输每个字符通过起始和停止位界定并作为一个独立的整体进行发送，字符间的间隔时间是任意的DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork同步传输发送的数据一般以帧为单位，在一帧数据的前后分别加上若干个同步字符和校验字段、传输结束字符来表示一帧的开始和结束DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork单工通信定义数据信号仅可以从一个站点传送到另一个站点，即信息流单方向流动，发送站和接收站是固定的DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork半双工通信定义数据信号可以在两站之间沿两个方向传输，但不能在两个方向同时传输DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork全双工通信定义数据信号可以在两站之间沿两个方向同时传输DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork§2.3数据传送技术2.3.1数据序列的电信号表示2.3.2信道容量的概念2.3.3基带传输2.3.4频带传输2.3.5数字数据传输DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据序列的电信号表示单极性码和双极性码单极性码：正电平表示“1”，零电平表示“0”双极性码：正电平表示“1”，负电平表示“0”不归零码NRZ和归零码RZ不归零码：码元电平值持续时间与码元周期相同归零码：码元电平值持续时间小于码元周期DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据序列的电信号表示差分编码前后码元的电平有变化表示“1”前后码元的电平无变化表示“0”伪三进制码零电平表示“0”交替的正电平-负电平表示“1”DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据序列的电信号表示曼彻斯特编码每比特的中间有一次跳变“0”定义为由低电平到高电平的跳变“1”定义为由高电平到低电平的跳变DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据序列的电信号表示差分曼彻斯特编码每比特的中间有一次跳变位周期开始时有跳变表示”0”位周期开始时无跳变表示”1”DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork三种编码波形对比图DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork信道容量C概念指在一定条件下，给定通信信道上的最大数据传输速率表达式Nyquist定理：C=2Wlog2MShannon定理：C=Wlog2(1+S/N)W为信道带宽，M为码元离散个数S/N为信噪比，(S/N)dB=10lg(Ps/Pn)DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork基带传输定义指数据以矩形脉冲信号的形式直接传送特点传输方式最简单最基本基带信号具有从直流到高频的特性，频率范围广信道利用率低，但不易受干扰DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork频带传输定义指先将基带信号调制成具有较高频率范围的频带信号后再传输特点信号必须经过调制和解调过程，适合远距离通信可实现多路复用，信道利用率高，但容易受干扰DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数字数据的调制方法幅移键控ASK频率和相位固定，振幅可变，也称数字调幅频移键控FSK

振幅和相位固定，频率可变，也称数字调频相移键控PSK频率和振幅固定，相位可变，也称数字调相DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork二进制模拟调制信号波形DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork脉码调制PCM过程DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork§2.4多路复用技术2.4.1频分复用2.4.2时分复用2.4.3码分复用2.4.4波分复用DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork信道复用技术定义指在一条传输信道中传输多路信号，以提高传输媒体利用率的技术分类频分多路复用FDM时分多路复用TDM波分多路复用WDM码分多路复用CDMADesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork频分多路复用FDM定义把每路信息以某种调制方式调制到不同频率载波上，然后合并成一个信号送到信道上传输前提物理信道可用带宽超过单个原始信号带宽方法频谱搬移+保护带DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork频分多路复用DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork时分多路复用TDM定义把时间分成小的时间片，每一时间片由复用的一个信号占用，每一瞬时只有一个信号占用信道前提介质能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率方法时间片轮换DesignedByCYQComputerCommunicationandNetworkT1载波帧结构DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork码分多路复用CDMA定义根据码型结构的不同来实现信号分割前提地址码产生技术地址码同步技术扩展频谱技术方法直接序列和跳频技术DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork波分多路复用WDM定义在一定带宽上将输入的光信号调制在特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤前提仅用于光纤通信方法使用波长复用器DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork§2.5数据交换技术2.5.1电路交换2.5.2报文交换2.5.3分组交换DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork交换的基本概念交换的基本概念交换：指由中间节点进行转接的通信交换节点：指中间节点交换方式：指交换节点转发数据的方式交换技术的种类电路交换、报文交换和分组交换DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork电路交换交换方式利用中间节点构成一条专用的物理连接电路电路交换过程建立连接→数据传输→拆除连接优缺点数据传输可靠迅速，不丢失且保持原来序列信道容量易浪费，电路建立和拆除时间开销适用于模拟信息和实时大量连续的数字信息传输DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork报文交换交换方式存储交换或存储转发，报文长度不限且可变交换过程存储→路径选择→（等待）转发优缺点不存在建立连接和拆除连接所需的等待时间信道分时共享，线路效率较高时延较大不适于实时交互通信DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork分组交换交换方式把要传输的报文分成若干个小的数据块即分组，然后以分组为单位按存储交换方式进行传输交换种类虚电路方式数据报方式DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork虚电路方式交换方式目的站点地址仅包含在建立虚电路的控制分组中，节点之间通过建立逻辑连接交换数据，每个分组都必须包含虚电路标识符过程虚电路建立→数据传输→虚电路拆除优缺点不适于短报文传输，但对大数据量的传输效率高分组按序、按时到达目的节点且不产生丢失DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork数据报方式交换方式每个分组都必须包含分组编号和目的站点地址，交换网络对各分组独立处理而不考虑分组间的关系，目的站点需对分组按编号重新排序和组装优缺点短报文传输效率高，通信开销较小分组时延大，不能按序到达且可能产生丢失DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork快速分组交换帧中继(FrameRelay)以帧为单位进行交换，运行在数据链路层异步传输模式(ATM)以信元为单位进行交换，运行在数据链路层语音插空技术通道动态分配，属于电路交换方式DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork§2.6差错控制技术2.6.1差错控制的基本原理2.6.2差错控制的方式2.6.3奇偶校验码2.6.4汉明码2.6.5循环冗余码DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork差错控制的方式自动请求重发ARQ接收端检测到接收信息有错时，通过自动要求发送端重发保存的副本以达到纠错的目的前向纠错FEC接收端检测到接收信息有错后，通过计算确定差错的位置，并自动加以纠正DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork差错控制的方式混合方式接收端采取纠检错混合，即对少量差错予以自动纠正，而对超过其纠正能力的差错采取则通过重发的方法加以纠正信息反馈IRQ接收端把收到的数据序列全部由反向信道送回到发送端，发送端比较其发送的数据序列与送回的数据序列，若存在错误则重发DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork差错控制编码根据码的构型分组码:k个信息码元+r个监督码元构成的(n,k)码卷积码:监督码元对其前后码元都进行监督根据码的功能检错码:奇偶校验码、*循环冗余码CRC纠错码:汉明码DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork奇偶校验码校验原理不管信息位是多少位，校验位均为1位奇校验:加入校验位后的码字所含总的1为奇数，偶校验:加入校验位后的码字所含总的1为偶数个DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork垂直奇偶校验DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork水平奇偶校验DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork水平垂直奇偶校验DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork水平垂直奇偶校验DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码的编码规则对k个信息位，附加r位校验位，每个校验位与某几个特定的信息位构成偶校验的关系接收端将r个校验位和与它关联的信息位进行异或校验，当结果为0时表示无错，反之可根据校正因子的不同值判断误码的位置用r个校验位指出一位出错码的n种可能的位置，必须满足2r≥n+1=k+r+1DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码编码假设(7,4)汉明码校正因子与出错码位置对应关系为DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码编码监督关系式根据(7,4)汉明码校正因子与出错码位置对应关系表对校正因子S1~S3中值为1的项分别进行异或检验位生成式假设信息码组无错即S1~S3均为0，将监督关系式移项DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码示例例:求1011001的汉明码 根据 假设汉明码校正因子与出错码位置对应关系为是否存在问题？DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码示例由此得监督关系式为校验位生成式为是否存在问题？DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码校验码的编码方法确定有效信息位与校验码在编码中的位置设(n,k)汉明码各位位号从右到左分别为1,2,…,n-1,n每个校验码Ri所在的位号为2i-1有效信息位按照原排列顺序依次安排在其他位置上DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码校验码的编码方法将n位汉明码中的每一位分到r=n-k个奇偶组将(n,k)汉明码的位号转换成对应的r位二进制数将r位二进制数中第i位值均为1的汉明码的位分到第i组DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码校验码的编码方法DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork汉明码校验码的编码方法根据分组结果形成汉明码的校验码将有效信息位的值代入校验码表达式求值并按(11,7)汉明码编码顺序表排列各位即为汉明码DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork循环冗余码CRC循环冗余码的特性一种码中的任何两个许用码组按模2相加后，形成的新序列仍为一个许用码组；若两个相同许用码组相加则得到一个全0序列，所以循环码一定包含全0码字一个许用码组每次循环移位的结果一定也是码字集合中的另一个许用码组DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork循环冗余码组示例生成多项式G(x)=x4+x2+x+1的(7,3)循环冗余码组DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork循环冗余码的编码步骤由k位信息位求信息多项式M(x)将M(x)左移r=n-k位即求余式R(X)求循环冗余码DesignedByCYQComputerCommunicationandNetwork模2法则加法和减法法则按位运算，相同为零，不同为1，即异或操作，且不计进位或借位除法法则商式的值与被除数的最高位一致，余式的运算同模2减法运算DesignedByCYQC