第2章数据通信基础课件

第2章数据通信基础2.1数据通信系统模型2.2数据通信的基本概念2.3通信方式2.4数据传输2.5多路复用技术2.6数据交换技术2.7差错控制.2.1.1通信系统的基本要素通信是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程，即信息的传输与交换。用来实现通信过程的系统被称为通信系统。为了把信息从一个地方传送到另一个地方，通信系统中所采用的信息传送方式是多种多样的。但不论通信系统采用何种通信方式，对一个通信系统来说都必须具备三个基本要素,即信源、信宿和通信媒体。其中，信源是在通信过程中产生和发送信息的设备。信宿是通信过程中接收和处理信息的设备。通信媒体是信息传输过程中承载信息的媒体。如图2-1所示。2.1数据通信系统模型图2-1通信系统基本要素信源通信媒体信宿.2.1.2数据通信系统模型如果一个通信系统传输的信息是数据，则称这种通信为数据通信，实现这种通信的系统是数据通信系统。以计算机系统为主体构成的网络通信系统就是数据通信系统。实际的数据通信系统有许多连接方法，但当把许多连接方法构成的数据通信系统进行抽象化后，数据通信系统可表示成如图2-2、图2-3所示的基本构成。图2-2数据通信系统基本构成

在数据通信系统中，信源和信宿是各种类型的计算机或终端，它们被称为数据终端设备DTE。一个DTE通常既是信源又是信宿。由于数据通信系统中DTE发出和接收的都是数据，所以把DTE之间的通路称为数据电路。信源信号转换设备通信媒体信号转换设备信宿.数据电路是由传输信道及其两端的数据电路端接设备DCE组成。传输信道包括通信线路和通信设备。传输信道是传输信息的通道，可以是有线的，如双绞线、电缆等，也可以是无线的，如微波等。

DCE是DTE与传输信道之间的接口设备，即数据通信系统中的信号转换设备。

发送方的DCE有两项功能:一是将来自DTE的数据信号进行变换，使之消除原数据信号内的直流分量，使信号频率与信道相适应，避免收发双方的不同步。二是对信号进行数.模转换，当传输信道为模拟信道时，DCE将来自DTE的数字数据信号调制成模拟数据信号。接收方的DCE施行与发送方相反的功能。调制解调器和数据服务单元DSU是最常见的DCE。DTEDCE传输信道DCEDTE数据电路接口接口图2-3数据通信系统基本构成.

1.数据和信息数据是被记录下来的可以被鉴别的符号。数据具有稳定性和表达性。数据可分为数字数据和非数字数据两大类。

数字数据由阿拉伯数字和小数点组成,它可以进行算术运算;

非数字数据是由不包括阿拉伯数字在内的各种符号组成的,即包括数字符号、字符、声音、图像等，它是不能进行算术运算.信息是对数据的解释，数据经过处理并经过解释才有意义,才成为信息。

信息和数据是有区别的:数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合,而信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据,凡经过加工处理或换算成人们想要得到的数据即可称为信息.2.2数据通信的基本概念.数据处理是把数据加工处理成为所需要的信息的过程。数据处理通常是数据的计算机处理，如将一组原始数据输入计算机后，计算机以一定的数学模型计算所需的结果。数据与信息的关系可用图2-4来表示。

2.模拟数据和数字数据

模拟数据是在某个区间内连续变化的值，例如声音和视频都是振幅连续变化的波形，又如温度和压力都是连续变化的值.

数字数据是离散的值，例如文本信息和整数。

3.信号在电子技术中，信号是数据的电或电磁的编码。数据输入数据处理数据输出收集资料分析加工信息图2-4数据与信息的关系.

对应于模拟数据和数字数据，信号也可分为模拟信号和数字信号。

模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波，可以利用其某个分量（振幅、频率或相位）来表示要传输的数据。它可用以下三个部分来描述:

（1）振幅:用来表示信号波形变化的大小。

（2）频率:用来表示每秒内波形重复的次数,单位为Hz(次/秒）。

（3）相位:用来表示波形在单一周期内的时间位置。

数字信号则是一系列离散的电脉冲，可以利用其某一瞬间的状态来表示要传输的数据。无论是数字数据还是模拟数据，在传输过程中都要转换成适合于信道传输的某种信号形式。模拟数据可以直接用模拟信号来表示;数字数据可直接用数字信号来表示。如图2-5所示。.数字数据也可以用模拟信号来表示，此时要利用调制解调器来进行转换。模拟数据也可以用数字信号来表示。

4.信道

信道是指传输信息的通路。在计算机网络中有物理信道和逻辑信道之分。

物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个结点之间的物理通路称为通信链路。物理信道由传输介质及有关设备组成,它有多种不同的分类.图2-5模拟信号和数字信号的表示.

按传输介质不同可分为有线信道、无线信道、卫星信道等.

按信道传输信号类型不同可分为模拟信道和数字信道等。逻辑信道也是一种通路，它是在物理信道的基础上，由结点内部的连接来实现的。

5.带宽

带宽是指信道所能传送的信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。

例如，一条传输信道可以接受从300Hz到3000Hz的频率,则在这条传输信道上传送频率的带宽就是2700Hz。信道的带宽由传输介质、接口部件、传输协议以及传输信息的特性等因素所决定。它在一定程度上体现了信道的传输性能，是衡量传输系统的一个重要指标。信道的容量、传输速率和抗干扰性等均与带宽有密切的联系。通常，信道的带宽大，信道的容量也大，其传输速率相应也高。.2.2.2数据通信中的主要技术指标数据通信的一个主要任务是传输数据信息，传输数据时希望传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高、费用低。这些要求可用以下技术指标来加以描述。

1.数据传输速率

（1）数据传输速率数据传输速率是指每秒钟能传输的二进制信息位数，单位为位/秒，记作bps。数据传输速率的计算公式为

式中T—表示一个数字脉冲信号的宽度或重复周期,单位为秒;N—表示一个数字脉冲信号所能表示的有效离散值的个数..

一个数字脉冲又称为一个码元。若一个码元所表示的二进制的有效值状态为2，即只有0和1，N=2，则该码元只能携带一个二进制信息;若一个码元所表示的二进制的有效值状态为4，即为00、01、10、11,N=4，则该码元只能携带两个二进制信息.以此类推，若一个码元所表示的二进制的有效值状态为N,则该码元只能携带log2N个二进制信息。

（2）调制速率如上所述，当N=2时，S=1/T，此时数据传输速率就等于每秒钟所能传送的码元数量。可以引出另一个描述数据传输速率的技术指标，即调制速率，又称波特率、码元速率，单位为波特，记作Baud。计算公式为B=1/T

由以上两式合并可以得出调制速率和数据传输速率的对应关系式.

【例】在一个码元能表示4种二进制有效值状态下，且T=833×10-6

。求数据传输速率和调制速率。解

2.信道容量信道容量表征一个信道传输数据的能力，单位也是位/秒（bps）。信道容量与数据传输速率的区别在于,前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输能力的极限，而后者则表示实际的数据传输速率。奈奎斯特首先给出了无噪声情况下调制速率的极限值与信道带宽的关系B=2H（Baud）.

其中，H表示信道带宽,也称频率范围,即信道能传输的上、下限频率的差值，单位为Hz。由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式C=2Hlog2N（bps）此处，N仍然表示携带数据的码元可能取的离散值的个数，C即是该信道最大的数据传输速率。由以上两式可见，对于特定的信道，其调制速率不可能超过信道带宽的2倍,但若能提高每个码元可能取的离散值的个数,则数据传输速率便可成倍提高。

例如,普通电话线路的带宽约为3kHz,则其调制速率的极限值为6kBaud。若每个码元可能取的离散值的个数为16(即N=16),则最大数据传输速率可达C=2Hlog2N=2×3k×log216=24(kbps).实际的信道总要受到各种噪声的干扰，香农则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况，给出了计算信道容量的香农公式.

C=H×log2（1+S/N）（bps）其中，S表示信号功率，N为噪声功率,S/N则为信噪比。由于实际使用的信道的信噪比都要足够大,故常表示成10lg(S/N）,以分贝（dB）为单位来计量，在使用时要特别注意。例如，信噪比为30dB、带宽为3kHz的信道的最大数据传输速率为

C=H×log2（1+S/N）=3k×log2（1+1030/10）≈3k×10=30（kbps）由此可见，只要提高信道的信噪比，便可提高信道的最大数据传输速率。需要强调的是，上述两个公式计算得到的只是信道数据传输速率的极限值，实际使用时必须留有充足的余地。

3.误码率误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标，它的定义为二进制数据在传输时出错的概率。.误码率等于被传错的二进制数据位数与所传二进制数据总位数之比，设传输的二进制数据的总位数为N位,传错的二进制数据总位数为Ne，则误码率的计算公式为

Pe=Ne/N

在计算机网络中，一般要求误码率要低于10-6

，即平均每传输106

位数据仅允许有一位出错。在通信系统中，系统对误码率的要求应权衡可靠性和提高通信效率两方面的因素,误码率越低，设备也就越复杂。传输介质的误码率是由其特性决定的，双绞线的误码率在10-6

～10-5

之间，基带同轴电缆的误码率低于10-7

，宽带同轴电缆的误码率低于10-9

，光纤的误码率可以低于10-10。

4.时延时延是指一个数据报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传输到另一端所需的时间。.

（1）数据传输时延传输时延是指信号在介质信道中传输所需要的时间。其计算公式为传输时延=介质信道长度.电磁波在信道中的传输速率电磁波在真空（空气）中的传输速率为3×108m/s,在电缆中的传输速率要比在真空中的略低，约为2.4×108m/s，在光纤中的传输速率约为2.0×10

8m/s。例如:1000km长的光纤线路带来的传输时延大约为106/(2.0×108)=5（ms）。

（2）数据发送时延发送时延是指发送一个完整的数据块所需要的时间，其计算公式为发送时延=数据块长度/数据传输速率例如:一个10MB的数据块在传输速率为1Mbps的信道上发送,则发送时延为10×220×8/220=80s,也就是要用1分多钟的时间才能把这样大的一个数据块发送完毕。.

（3）数据排队时延排队时延是指数据在各交换结点等待发送而在缓存的队列中排队所需要的时间。排队时延的大小主要由当时网络中的通信量来决定。当网络中通信量过大时，还有可能造成队列溢出、数据丢失等情况.数据总的时延为以上三种时延之和，即总时延=数据传输时延+数据发送时延+数据排队时延

例如:一个100MB的数据块通过带宽为1000Mbps的光纤发送到1000km远的计算机，发送时延为80s，而传输时延只有5ms，对于这种情况，如果暂时忽略排队时延，那么发送时延起主导作用。5.吞吐量吞吐量是指成功传输数据量的大小。这是衡量网络性能的技术指标之一。一般情况下，成功传输的数据量（吞吐量）小于总的数据传输量。.2.3.1并行通信和串行通信并行通信和串行通信是两种基本的通信方式。计算机和外部设备之间的并行通信一般通过计算机的并行端口（LPT）,串行通信通过串行端口（COM）。普通微机支持4个COM端口和3个以上的LPT端口，但一般只有2个COM端口和1个LPT端口有效。

1.并行通信在并行通信中，一般有多个数据位同时在两台设备之间传输。以8位数据位的并行通信为例，如图2-6所示。图中发送端和接收端有8条数据线相连，发送端同时发送8个数据位，接收端同时接收8个数据位。常见的并行通信协议如:IEEE488。微机与并行打印机之间的通信即是并行通信。2.3通信方式.

优点:传输速率快。

缺点:线路成本高，不易维修，易受干扰。

2.串行通信在串行通信中，数据是一位一位地在通信线路上进行传输的。由于数据在计算机内部总线上的传输方式是并行传输，所以计算机与计算机之间通过串行线路进行通信时，就要使用并/串转换设备在发送端将并行数据转换成串行数据，然后再逐位地通过通信线路到达接收端，在接收端则将串行数据重新转换成并行数据，以便处理。如图2-7所示。图2-6并行通信示意图

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在网络中，数据的串.并行转换是由网卡负责的。此外，微机与Modem之间的通信也是串行通信。

图2-7串行通信示意图

优点:架设方便，容易维护，线路成本低。

缺点:传输速率较慢。总之，串行通信适用于长距离、低速率的通信;而并行通信适用于短距离、高速率的通信。2.3.2同步通信和异步通信.

1.异步通信异步通信又叫群同步通信。在这种通信系统中，传输的信息被分成若干个“群”。所谓的“群”，一般是以字符为单位,在每个字符的前面加上起始位，在结束处加上终止位，从而组成一个字符序列。数据传输的过程中，字符与字符间的间隔时间是任意的，即字符间采用异步定时，但字符中的各个比特用固定的时钟频率传输。所以，在数据通信中，习惯上称之为“异步通信”。在这种通信方式中，每个字符以起始位和终止位加以分隔，故也称为“起-止”传输。如图2-8所示。

图2-8异步通信示意图.在异步通信方式中,一次只传输一个字符(由5～8位比特组成）。每个字符用一位起始位引导，一位终止位结束。起始位为“0”，占一位时间，终止位为“1”，占1～2位的持续时间，如采用奇偶校验时，在终止位前加一位校验码。在没有数据发送时,发送方可发送连续的终止位(称空闲位)。接收方根据“1”至“0”的跳变来判别一个新字符的开始，然后接收字符中的所有位。

2.同步通信在同步通信方式下，接收端接收的每一位数据都要和发送端准确地保持同步，中间无间断时间，实现这种同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。

在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端传来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来的。.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，接收端按照这个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端保持同步。然后向发送端发送准备接收的确认信息，发送端接收到确认信息后，开始发送数据。

自同步法是指接收端能从接收到的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和差分曼彻斯特编码（编码方法可参考第四节图2-14）。在这两种编码方法中都是将时钟和数据包含在信号中，在传输代码信息时，也将时钟同步信号一起传输给对方。与异步通信相比，同步通信的数据传输是整批的，比起异步通信一次一个字符来，效率要高。2.3.3数据通信的方向在串行通信中，依数据流的方向，又可分为单工、半双工以及全双工等三种模式。如图2-9所示。.图2-9串行通信的三种模式.

1.单工通信所谓单工通信是指传送的信息始终是一个方向的通信。对于单工通信，发送端把信息发往接收端，根据信息流向即可判断哪一端是发送端，哪一端是接收端。单工通信的信道一般是二线制。也就是说，单工通信存在两个信道，传输数据用的主信道和监测信号用的监测信道。听广播和看电视就是单工通信的例子。

2.半双工通信所谓半双工通信是指数据传输允许数据在两个方向上传输,但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，因而半双工通信实际上是一种切换方向的单工通信。对于半双工通信，通信的双方都具备发送和接收装置，即每一端可以是发送端也可以是接收端，信息流是轮流使用发送和接收装置的。对讲机的通信就是半双工通信。.

3.全双工通信所谓全双工通信是指数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。全双工通信一般采用多条线路或频分法来实现，也可采用时分复用或回波抵消等技术。这种全双工通信方式适合计算机与计算机之间的通信。.2.4.1数据传输的形式在通信系统中，要把数字数据或模拟数据从一个地方传到另一个地方，总是要借助于一定的物理信号，如电磁波和光。物理信号可以是连续的模拟信号，也可以是离散的数字信号。2.4数据传输.模拟数据和数字数据中的任何一种数据都可以通过调制或编码的过程形成两种信号（模拟和数字）中的任何一种信号。于是就产生了四种数据传输形式，如图2-10所示。音频电话系统模拟信号模拟数据编码译码器数字信号二进制数调制解调器模拟信号数字数据数字发射机数字信号（a）模拟信号传输模拟数据（b）数字信号传输模拟数据（c）模拟信号传输数字数据

（d）数字信号传输数字数据图2-10数据传输的四种形式.2.4.2基带传输所谓基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始信号所固有的基本频带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。进行基带传输的系统称为基带传输系统。在数据通信系统中，信源数据经编码器转换为典型的表示二进制的比特序列的矩形脉冲信号,它是能够被直接传输的数字基带信号。计算机网络系统是以计算机为主体的数据通信系统，由信源产生的基带信号都是数字信号，所以这里所说的基带传输是一种数字传输。使用基带传输时，首先解决数据的编码问题，即如何把数字数据用物理信号的波形表示。数字数据是由二进制组成的，而数字信号是由离散的电压式电流的脉冲序列组成的，每个脉冲代表一个信号单元，或称码元。下面介绍几种数据编码形式.

1.不归零码.

不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码元都占用全部码元宽度。不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。

(1)单极性不归零码。单极性不归零码脉冲是以无电压（无电流)表示“0”，用恒定的正电压表示“1”。二进制数“1011001”的单极性不归零码脉冲如图2-11所示。

图2-11单极性不归零码脉冲

(2)双极性不归零码。双极性不归零码是以恒定的负电压表示“0”,以恒定的正电压表示“1”。二进制数“1011001”的双极性不归零码脉冲如图2-12所示。.

2.归零码归零码就是一个码元的信号波形不占用码元的全部时间，即在一个码元时间内发出电流的时间短于一个码元的时间宽度,发出的是窄脉冲。所以不论码元发出电流还是不发出电流，码元波形都“归零”，因此这种信号编码为归零码。二进制数“10011001”的单极性归零码脉冲和双极性归零码脉冲如图2-13所示。图2-12双极性不归零码脉冲.

3.曼彻斯特码在曼彻斯特码中，首先将一个码元时间一分为二，如果在前半个码元时间里，电压为高电平，在码元的中间发生电压跳变，即从高电平跳到低电平，此时表示“1”;反之,如果在一个码元的中间从低电平跳到高电平，则表示“0”。二进制数“10011001”的曼彻斯特码如图2-14（a）所示。图2-13归零码脉冲.

4.差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码也是首先将一个码元时间一分为二，如果在一个码元开始处有跳变（跳变方向根据前一码元的后半周期而定),则表示“0”，如果在一个码元开始处无跳变，则表示“1”。但任何波形都在码元的中间位置进行跳变。二进制数“10011001”的差分曼彻斯特码如图2-14(b)所示.图2-14曼彻斯特码和差分曼彻斯特码.从曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的脉冲波形中可以看出，这两种双极型编码的每一个码元都被调制成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。这两种编码方法都将时钟和数据包含在信号中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输给对方，所以这两种编码都属于自同步编码。

5.4B.5B编码在光纤分布式数据接口中采用了独特的4B/5B编码。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5bit码。

5bit码共有32种组合,但只采用其中的24种,16种对应4bit码，8种用作控制码,以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。标准4B/5B编码对照表见表2-1，用于100MbpsFDDIPMD的4B/5B编码控制码表见表2-2。.字符４bit码５bit码0000011110100010100120010101003001110101401000101050101010116011001110701110111181000100109100110011101010101101110111011112110011010131101110111411101110015111111101表２-1

标准4B/5B编码对照表.

现用不归零码画出4bit码和5bit码的对应波形，5bit码经差分编码后，转换成光信号，将收到的MAC子层的4位符号变为5位符号;在32种组合中选择16种的原则如下:（1）凡有三个以上连“0”的不选;（2）以两个连“0”开头的不选，尽量选择以“1”开头的编码;符号类型符号编码意义线路状态符号IHQ111110010000000空闲暂停静态开始定界符JK11000SD的第一字节SD的第二字节控制指示符RS0011111001逻辑0（重置）逻辑1（设置）结束定界符T01101终止数据流表2-2

用于100MbpsFDDIPMD的4B/5B编码控制码表.（3）奇数必以“1”结尾，偶数必以“0”结尾;

（4）剩下16种编码:其中8种用作控制码，其余的禁用;（5）以差分编码方式，将5位符号变为传输用符号。规则:遇“1”跳变，遇“0”不跳变。使用4B.5B编码,将4bit数据流编成5bit数据流在媒体上传输,其效率为80%,即100Mbps的数据传输率，要求在光纤上传送光信号的码元速率为125MBaud，只增大了25%。如图2-15所示。图2-154B/5B编码方式.2.4.3频带传输频带传输也称宽带传输，就是把基带数字数据经调制变换,变成能在公共电话线上传输的模拟信号，模拟信号经模拟传输介质传送到接收端后，再还原成原来数据的传输。频带传输实际上是模拟传输。计算机网络和远程通信通常采用频带传输。使用模拟通信系统传输数字数据时，需要借助于调制解调装置.如图2-16所示。相应于载波信号的振幅、频率和相位这三个特征，数字信号的模拟调制有三种基本调制技术:移幅键控法、移频键控法和移相键控法。下面分别介绍这三种调制技术。图2-16频带传输系统模型

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1.移幅键控法移幅键控就是把频率和相位设为常量，把振幅定义为变量.即用载波的两种不同的振幅来表示二进制值的两种状态。用振幅恒定的载波的存在表示“1”，而用载波的不存在表示“0”。如图2-17所示。

图2-17ASK移幅键控

ASK方式容易受增益变化的影响,是一种效率相当低的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。2.移频键控法.移频键控也叫频率键控，是把振幅和相位作为常量，而用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。它以频率较低的信号状态代表“0”，以频率较高的信号状态代表“1”。如图2-18所示。

图2-18FSK移频键控移频键控方式比起移幅键控方式来，不容易受干扰的影响.利用音频通信线路传送移频键控信号时，通常传输速率可达1200bps。这种方式一般用于高频(3～30MHz）的无线电传输,它甚至也能用于较高频率、使用同轴电缆的局部网络。.

3.移相键控法移相键控就是把振幅和频率定义为常量，而用相位的变化来表示二进制值的变化。

（1）绝对移相键控所谓绝对移相（APSK），就是利用正弦载波的不同相位直接表示数字，例如，用载波信号的相位差为π的两个不同相位来表示两个二进制值。当传输的基带信号为“1”时，绝对移相键控信号和载波信号的相位差为“0”;当传输的基带信号为“0”时，绝对移相键控信号和载波信号的相位差为π。如果基带信号是单极性不归零码脉冲序列，则绝对移相键控信号如图2-19所示.图2-19APSK移相键控

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（2）相对移相键控相对移相键控也叫差分移相键控，是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息的。例如，当传输的基带信号为“1”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为π;当传输的基带信号为“0”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为0。如果基带信号是单极性不归零码脉冲序列，则相对移相键控信号如图2-20所示。

图2-20DPSK移相键控.移相键控(PSK)技术有较强的抗干扰能力，而且比FSK方式更有效，可以有效提高数据传输速率。移相键控法(PSK）和移幅键控法(ASK）还可以组合使用，这种方式称为相位幅度调制PAM。在音频通信线路上,相位幅度调制信号的传输速率最高可达9600bps。2.4.4其他数据传输形式

1.模拟数据的数字传输当利用数字通信媒体传送模拟信号时就要对模拟数据进行数字信号编码。

方法如下:在发送端设置一个编码器，将模拟信号转换成数字信号再发送，而在接收端设置一个解码器，将接收的数字信号转变成模拟信号。将模拟信号数字化的方法有两种，即脉冲编码调制PCM和增量调制。.

脉冲编码调制是把模拟信号转换成数字信号的最基本方法之一，它是由美国贝尔实验室于1939年研发的，常用于对语音信号进行编码。PCM处理信号的方法，基本上可分三个步骤:

采样、量化、编码，如图2-21所示。

采样:即以模拟信号频率的两倍以上的频率来定时采样。目前一般采用8000次/秒的采样频率。每一个采样信号称为PAM。

量化:其目的是为每一个PAM信号设定一个对应值，若量化的范围在0～127之间，则每个采样要用7位二进制数(27=128）来表示，而量化速率需要56000bps（8000×7=56000）,若量化的范围在0～255之间,则每个取样需要用8位二进制数(28=256)来表示，而量化速率需要64000bps（8000×8=64000）。

编码:为了能精确地还原成原来的模拟信号,量化值编码在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来的模拟信号波形接近。.2.模拟数据的模拟传输模拟数据经由模拟通信系统传输时不需要进行变换，但是,由于考虑到便于无线传输和频分多路传输的需要，模拟形式的输入数据可在高频正弦波下进行模拟调制。模拟调制有振幅调制、频率调制和相位调制三种调制技术，最常用的两种调制技术是振幅调制（AM）和频率调制（FM）。图2-21PCM处理信号的过程.在数据通信或计算机网络系统中，传输介质的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术。采用多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，其方法是在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号，在信号的接收端还能将复合信号分离出与原来一样的若干个彼此无关的信号来。多路复用技术的原理如图2-22所示，由多路复用器合并N个输入通道的信号(N取决于所用传输介质的限制因素）组成一路复合信号,经传输速率较高的线路传输后,由多路译码器将复合信号按通道号再分离出来，然后把它们送到相应的输出端。2.5多路复用技术.配置多路复用线路有许多种不同方法，多路复用器的类型也各异，常用的多路复用技术有时分多路复用(TDM）、频分多路复用（FDM）和波分多路复用（WDM）等。2.5.1时分多路复用所谓时分多路复用是将一条物理信道按时间分成若干个时间片（时隙）轮流分配给多个信号使用。图2-22多路复用技术原理.每一时间片由要复用的一个信号占用，一个信号的时间片用完后，信道再分配给下一个信号。这样利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号了。如图2-23所示。

图2-23时分多路复用示意图.时分多路复用多用于数字信号的传输，又可分为静态时分多路复用和统计时分多路复用两种。静态时分多路复用又叫同步时分多路复用，它的时间片是预先为每个传输信号分配好了的，是固定不变的，不论有没有信号传输，时间片都要分配。而统计时分多路复用是比静态时分多路复用复杂得多，也有效得多的复用方式，它只对有数据要传输的输入部分分配时间片，因此线路的利用率更高。2.5.2频分多路复用

频分多路复用电路常用于模拟信号的传输，其工作原理是:按照频率划分信号的方法，把传输频带分成若干个较窄的频带,每个窄频带构成一个子通道，独立地传输信息。FDM将每一信息经调制变成不同的载波频率，各个信号都有自己的带宽。.为了避免信号彼此干扰，各载波之间留有适当的频率间距,各载波之间便不会有因信号的互相重叠而发生干扰的现象产生.如图2-24所示。图2-24频分多路复用示意图2.5.3波分多路复用

波分多路复用是在光纤信道上使用频分多路复用的一个变种，其基本原理是:

利用波分多路复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用波分设备分离不同波长的光。主要用于光纤通信。它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号。.如图2-25所示,这是一种在光纤上获得WDM的简单方法。在这种方法中，两根光纤连接到一个棱柱(或更可能是衍射光栅）上，每根光纤的能量处于不同的波段。两束光通过棱柱或光栅,合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，随后再将它们分解开来。图2-25波分多路复用.数据通信最简单的形式是两个结点直接用线路连接进行通信，但在计算机网络中所有设备和计算机都直接相连是不现实的。解决这一问题的方法就是设置交换结点，各通信结点和交换结点相连，再把各交换结点用通信线路相连，从而组成通信网络。在数据通信网络中通过网络结点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间数据通路接续的技术，就称为“数据交换技术”或“数据交换方式”。2.6.1电路交换电路交换是一种直接交换，即在采用电路交换技术进行数据传输期间，在源结点和目的结点之间有一条利用中间结点构成的专用物理连接线路，直到数据传输结束。1.电路交换的三个过程2.6数据交换技术.

（1）电路建立。在正式开始数据传输之前，首先由一端通信结点发起呼叫，另一端进行回应，交换网建立连接，直到两端通信结点间建立起一条转接式数据通路，然后才开始进行数据传输。建立时要求通信双方都要处于可用状态，并且两者之间的线路要空闲。其信道的形成不是惟一的，如果两者之间的一条线路忙，则可选择其他的线路通过。这个过程类似于电话通信的呼叫阶段。

（2）数据传输。电路建立后，即可进行数据传输。在整个传输期间，该通路一直被通信双方占用，直到通信结束后才释放线路。这个过程类似于电话通信的通话阶段。

（3）电路拆除。数据传输结束后，要由通信双方中的任意一方发出拆除请求，然后进行拆除，即把线路的控制权释放。这个过程类似于电话通信中的挂机。

2.电路交换的特性（1）适合语音通信。.（2）数据传送时速率是固定的，因此没有传输延迟现象。（3）因其电路信道有占用性，信道利用率不高。（4）通信时，双方设备必须都处于可用的状态。（5）线路不具有记忆性。2.6.2报文交换报文交换属于存储转发交换。报文交换的数据传输单位是报文。所谓报文就是包括结点所要发送的数据及源结点地址、目的结点地址和其他控制信息在内的数据块。报文可随机发送,且长度不限。报文交换不需要在通信双方之间建立专用通路，而采用“存储转发”的方式。当一方要发送一个报文时,先将包括目的结点地址在内的控制信息加到所要传输的数据上，形成报文，并发送到与其相连的中间结点上。网络结点在收到报文后,先检查报文有无错误，将报文暂存在本结点，然后根据报文的目的结点地址及路由信息将报文转发到下一个结点，就这样一直转发下去，直到报文到达目的结点为止。.

1.报文交换的优点（1）可提高线路的利用率，不像电路交换网常有占用线路的问题，只要结点有空即可。（2）通信时，双方不必都处于可用状态（3）可以把一个报文同时向多个目的地发送。（4）当出现大量通信时，信息会被延时传送，而不会被拒绝传送。

2.报文交换的缺点（1）传送数据时具有延时性，故此种方式不适合用于具有实时性及交谈的通信系统中。（2）中间结点收到的数据过多而无法存储或不能及时转发时，会丢失报文，影响数据传送的正确性。2.6.3分组交换分组交换技术也属于存储转发交换技术。.它是把一个报文分成若干个较小的报文分组，每个分组的长度有一个上限。在发送方将报文分割成若干个分组后，每个分组都有一个编号，各个分组经网络结点存储转发到达目的结点后，目的结点再按分组编号重组报文。为此在发送端和接收端都应有分组拆装设备PAD，在网络中要有分组交换设备PSE。

1.数据报在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，就像报文交换中的报文一样。每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个结点接收到一个数据报后,根据数据中的地址信息和结点所存储的路由信息，选择一个合适的路径，将数据报原样地发送到下一个结点，直到到达目的地。如图2-26所示。因此，当某一个结点要发送一个报文时，先由PAD将报文拆分成若干个带有序号和地址信息的数据报,依次发送到网络结点上。.

此后，各数据报所走路径就可能不再相同，因为各个结点随时根据网络流量、故障等情况选择路由，所以不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至还会在途中丢失。到达目的结点后，再由PAD将各分组按分组序号进行重组。

图2-26数据报交换数据报方式没有电路的呼叫建立过程，但要为每个数据报做路由选择。.

2.虚电路在虚电路方式中，要进行数据传输，在网络的源结点和目的结点之间先要建立一条逻辑通路。如图2-27所示。假设A结点有一个或多个分组要发送到C结点去，那么它首先要发送一个呼叫请求分组到1结点，请求建立一条到C结点的连接。如此重复，经过1结点→4结点→5结点→6结点,6结点最终将呼叫请求分组传送到C结点。如果C结点允许接受这个连接，就发送一个呼叫接收分组沿原路线返回到A结点。这样一个从A结点到C结点的逻辑连接就建立好了。到此，A结点就可以在已建立好的逻辑连接上或者说在虚电路上交换数据了。每个分组除了包含数据之外还得包含一个虚电路标识符。在预先建立好的路径上的每个结点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。于是来自A结点的每一个数据分组都通过结点1、4、5、6到达C结点，来自C节点的每一个数据分组也都通过6、5、4、1到达A结点。.通信结束后，由任何一方发出断开连接的请求，由另一方响应后，清除此虚电路。图2-27虚电路交换虚电路技术和电路交换技术的不同之处在于，虚电路方式所建立的是逻辑通路，不是专用的，分组在每个结点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。

数据报和虚电路的差别如下:.（1）数据报的传递路径并非惟一，因此经过的各个结点都必须执行选择路径的操作。而虚电路就不同了，其事先建立好传送的路径，因此，各个结点不必都执行路径选择的操作。事实上，选择路径操作是很占时间的，因此，若是要传送大量数据时，常采用虚电路的方式。（2）若就可靠性而言，则以数据报较佳，原因在于，假若网络上某个结点上突然出现故障，数据报由于其传送路径不是惟一的，因此，可以另外找路径来传送数据，但虚电路则因路径是固定的，所以可能较易受到影响而无法正常传送数据。（3）虚电路适用于实时数据的传送，而数据报则不能。.2.7.1差错控制概述

差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。一般来说，传输中的差错是由噪声引起的。噪声有两大类,一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声，另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。热噪声所引起的差错是随机差错，可在物理信道设计时，选用质量高的媒体及提高信噪比，尽量减少热噪声的影响，因而由它导致的随机差错通常较少。冲击噪声具有突发性，所引发的差错称为突发差错。冲击噪声有时幅度可能相当大，无法通过提高信号幅度来避免，所以冲击噪声是引起传输差错的主要原因。利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有两类，一类是检错重发法,如自动请求重发ARQ;另一类是前向纠错FEC.2.7差错控制.

在ARQ方式中，接收端检测出有差错时，就设法通知发送端重发，直至收到正确的码字为止。在FEC方式中，接收端不但能发现差错,而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠错。因此，差错控制编码又可分为检错码和纠错码。

检错码是指能自动发现差错的编码。

纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。FEC方式采用纠错码。衡量编码性能好坏的一个重要指标是编码效率R,它是码字中的信息位所占的比例。若码字中的信息位为k位,编码时外加冗余位为r位，则编码后得到的码字长度为n=k+r位，由此编码效率R可表示为R=k/n=k/（k+r）显然，编码效率越高，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。.2.7.2奇偶校验码奇偶校验是一种最基本的校验方法，其中奇偶校验码是一种检错码。其方法是在面向字节的数据通信中，在每个字节的尾部加上一个校验码，构成一个带有校验位的码组，使得码组中“1”的个数成为偶数(称为偶校验)或者奇数(称为奇校验)，并把整个码组一起发送出去。接收端在收到信号后，对每一个码组检查其中“1”的个数是否为偶数（对奇校验则检查“1”的个数是否为奇数），如果检查通过就认为收到的数据正确，否则发回一个信号给发送端，要求重新发送该段数据。

1.垂直奇偶校验垂直奇偶校验是将要发送的整个信息块分为定长(p位）的若干段(比如q段),每段后面按“1”的个数为奇数或偶数的规律加上一位奇偶位，如图2-28所示。.pq位信息(I11,I21,…,Ip1,…,I1q,I2q,…,Ipq)中，每p位构成一段(即表中的一列)，共有q段(即共有q列)。每段加上一位奇偶校验位，即图中的ri

的编码规则为偶校验:ri=I1iI2i…Ipi（i=1，2，…，q）奇校验:ri=I1iI2i…Ipi+1（i=1，2，…，q）其中，表示异或加。垂直奇偶校验能检测出每列中奇数位错，但检测不出偶数位错。对于突发性错误来说，奇数位错与偶数位错的发生概率相同，因而对差错的检出率只有50%。

+++++I11I12…I1qI21I22…I2qIP1IP2…IPqr1r2…rq发送信号信息位冗余位图2-28垂直奇偶校验.

2.水平奇偶校验为了降低对突发错误的漏检率，可以采用水平奇偶校验的方法。水平奇偶校验又称为横向奇偶校验，它是对各个信息段的相应位横向进行编码，产生一个奇偶校验冗余位。如图2-29所示。水平奇偶校验不但可以检测出各段同一位上的奇数位错，而且还能检测出突发长度小于等于p的所有突发错误码，所以水平奇偶校验的差错漏检率比垂直奇偶校验要小一些。但是实现水平奇偶校验时必须等待要发送的全部信息块都到齐后才能计算冗余位，也就是要使用数据缓冲器，因此它的编码和检测实现起来都要复杂一些。I11I12…I1qr1I21I22…I2qr2IP1IP2…IPqrP发送信号信息位冗余位图2-29水平奇偶校验.

3.水平垂直奇偶校验同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就构成了水平垂直奇偶校验，也称为纵横向校验。水平垂直奇偶校验能检测出所有3位或3位以下的错误、奇数位错、突发长度小于等于p+1的突发错误以及很大一部分偶数位错。测量表明，这种方式的编码可使误码率降至原误码率的百分之一到万分之一。2.7.3循环冗余码奇偶校验码作为检错码虽然简单，但是漏检率太高。在计算机网络和数据通信中用得最广泛的检错码是一种漏检率低得多的也便于实现的循环冗余码CRC。