第2章 数据通信基本技术

计算机网络技术与应用尚晓航主编马楠副主编清华大学出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材高等院校计算机应用技术规划教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材高等院校计算机应用技术规划教材第一篇：网络技术基础篇

第二篇：计算机网络实现篇

第三篇：计算机网络应用篇尚晓航主编马楠副主编清华大学出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材高等院校计算机应用技术规划教材第一篇：网络技术基础篇

第2章数据通信基本技术尚晓航主编马楠副编清华大学出版社第2章数据通信基本技术3本章内容与要求了解：数据通信的基础知识了解：数据传输方式的类型和特点掌握：数据传输的类型及相应的编码方法掌握：多路复用技术的分类和适用场合了解：数据通信中的同步技术掌握：差错控制技术的类型和方法第2章数据通信基本技术42.1 数据通信中的基本概念

与技术指标第2章数据通信基本技术52.1.1数据通信涉及的基本知识1.信息和编码信息的载体是文字、语音、图形和图像等。为了传送信息，必须对信息中所包含的所有字符进行编码。用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是二进制编码。2.二进制编码标准最常用的二进制编码标准为美国标准信息交换码（ASCII）。3.数据和信号网络中传输的二进制代码被统称为“数据”。数据与信息的区别在于，数据仅涉及事物的表示形式，而信息则涉及到这些数据的内容和解释。“信号”是数据在传输过程中的电磁波表示形式，参见图2-1。第2章数据通信基本技术62.1.1数据通信涉及的基本知识4.信道及信道的分类（1）信道“信道”是数据信号传输的必经之路，它一般由传输线路和传输设备组成。（2）物理信道和逻辑信道① 物理信道：是指用来传送信号或数据的物理通路。它是由信道中的实际传输介质与相关设备组成。2012年3月5日第2章数据通信基本技术72.1.1数据通信涉及的基本知识② 逻辑信道：是指在信号的接收端与发送端之间的物理信道上，同时建立的多条逻辑上的“连接”。（3）有线信道和无线信道根据传输介质是否有形，物理信道可以分为“有线信道”和“无线信道”。（4）模拟信道和数字信道按照信道中传输的数据信号的类型来分，物理信道又可以分为“模拟信道”和“数字信道”。（5）专用信道和公共交换信道如果按照信道的使用方式分；专用信道是一种连接用户之间设备的固定线路，如银行、海关等网络。公共电话交换网和公共电视网等都属于公共交换信道。2012年3月5日第2章数据通信基本技术82.1.1数据通信涉及的基本知识5. 数据单元在数据传输时，通常将较大的数据块（如报文）分割成较小的数据单元（如，报文段、分组、数据帧），并在每一段数据上附加一些信息。这些数据单元及其附加的信息在一起被称为“数据单元”；其中附加的信息通常有序号、收发双方的地址、校验码等。网络中使用的报文、报文段、分组和帧等都是数据传输过程中所使用的数据单元的逻辑称谓。2012年3月5日第2章数据通信基本技术92.1.2通讯系统的主要技术指标1.传输速率S（比特率）传输速率“S”是指是指在信道的有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数。2.波形调制速率B（波特率）波特率是指调制后的模拟信号每秒钟变化的次数，单位为Baud/s。若以T（秒）来表示每个波形的持续时间，则调制速率可表示为：3.比特率S和波特率B、n之间的关系其中，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数，参见表2-1。2012年3月5日第2章数据通信基本技术102.1.2通讯系统的主要技术指标波特率和比特率是两个最容易混淆的概念。为了使读者便于理解，表2-1给出了两者之间的数值关系。两者在实际应用中的区别与联系，如图2-2所示2012年3月5日第2章数据通信基本技术112.1.2通讯系统的主要技术指标4.带宽对于模拟信道带宽是指物理信道的频带宽度，其本来是指信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差,单位为：Hz、kHz…。对于数字信道，人们说的“带宽”是指在信道上能够传送的数字信号的速率，即数据传输速率S。此时带宽的单位就是比特每秒（bit/s），表示为：bit/s、Kbit/s、Mbit/s等。5.信道容量信道容量是一个极限参数，一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。6.带宽、数据传输速率和信道容量的关联在一些论述计算机网络的中外文书籍中，这几个词经常被混用，并都用来描述网络中的数据传输能力。2012年3月5日第2章数据通信基本技术122.1.2通讯系统的主要技术指标7.误码率Pe（1）误码率Pe的定义误码率是指二进制码元在传输中被传错的概率，即出错率。式中：N为传输的二进制码元总数，Ne表示在接收码元中被传错的码元数。（2）误码率的性质、获取与实用意义①性质：传输的可靠性指标。②获取：对某种通信信道进行大量重复测试求出信道的平均误码率。③采用差错控制技术的意义：在使用普通通信信道传输数据时，物理信道本身的平均误码率不满足可靠性指标的要求；必须采用差错控制技术才能满足计算机通信系统对可靠性指标“误码率”的要求。2012年3月5日第2章数据通信基本技术132.2 数据通信过程中涉及的

主要技术问题①二进制编码：A进行二进制编码，得到二进制的数据“1000001”。②传输的信号类型：以数字信号表示，还是以模拟信号表示。③数据传输与通信方式：是采用“串行通信”方式还是“并行通信”方式？④同步技术：采用“同步通信方式”，还是“异步通信方式”？⑤多路复用技术：如，在同一电话线上是传送一路信号，还是多路信号？⑥广域网数据交换技术：如是采用线路交换方式，还是选择存储转发技术？⑦差错控制技术：实际的物理通信信道是有差错的，为了达到网络规定的可靠性技术指标，在差错控制技术中采用了什么检测和纠错技术？2012年3月5日第2章数据通信基本技术142.3 数据传输类型

及相应技术2012年3月5日第2章数据通信基本技术152.3.1基带传输与数字信号的编码1.基带、基带信号和基带传输数字信号被简称为“基带信号”。在线路上直接传输基带信号的方法称为“基带传输”方法。在基带传输中，必须解决两个基本问题，其一，基带信号的编码问题；其二，收发双方之间的同步问题。2.数字信号的编码用不同极性的电压、电平值代表数字信号“0”和“1”的过程，称为基带信号的“编码”；其反过程称为“解码”。3.非归零（NRZ）编码①编码规则：如图2-3（a）所示。图中的NRZ编码规则定义为：用负电压代表数字“0”，正电压代表数字“1”。2012年3月5日第2章数据通信基本技术162.3.1基带传输与数字信号的编码2012年3月5日第2章数据通信基本技术172.3.1基带传输与数字信号的编码②特点：优点是简单、容易实现；缺点是同步需要单独传递。③位同步：为了保证收、发双方的按位同步，必须在发送同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号，参见图2-3（a）。④应用：计算机串口与调制解调器之间使用的就是NRZ技术。4.曼彻斯特（Manchester）编码①编码规则：

每比特的周期T分为前后两个相等的部分。前半周期为该位值“反码”对应的电平值，后半周期为该位值的“原码”所对应的电平值。中间的电平跳变作为双方的同步信号。②曼彻斯特编码的特点和同步信号：中间电平跳跃，既代表了数字信号的取值，也作为自带的“时钟”信号。因此，这是一种“自含时钟”的编码方法。182.3.1基带传输与数字信号的编码③特点：优点是无需专门传递同步信号的线路，成本较低；曼彻斯特编码的缺点是效率较低④应用：典型的10BASET等低速以太网使用的就是曼彻斯特编码技术。5.差分曼彻斯特编码①编码规则：是遇“0”跳变，遇“1保持”，“中间跳变”。若本位值为“0”，则其前半个波形的电平与上一个波形的后半个的电平值相反。若本位值为“1”，则其前半个波形的电平与上一个波形的后半个电平值相同。②特点：优点是自含同步时钟信号、抗干扰性能较好；缺点是实现的技术复杂。③同步信号：中间的电平跳变作为“同步时钟”信号。2012年3月5日第2章数据通信基本技术192.3.2频带传输与模拟信号的调制1.调制、解调与频带传输利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。

在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”；

在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为“解调”同时具有调制与解调功能的设备被称为“调制解调器”（modem）2.数字数据（信号）的调制在调制过程中，运载数字数据的“载波信号”可以表示为：其中，振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信号的3个可变电参量，它们是正弦波的控制参数，也称为“调制参数”。202.3.2频带传输与模拟信号的调制3.幅度调制ASK①ASK调制规则：其应用参见图2-4（a），数学表达式为：②ASK的特点：技术简单，信号容易实现，但抗干扰的能力较差。4.频率调制FSK①FSK调制规则：其应用参见图2-4（b），数学表达式为：2012年3月5日第2章数据通信基本技术212.3.2频带传输与模拟信号的调制②FSK的特点：电路简单，抗干扰能力强，但频带的利用率低，适用于传输速率较低的数字信号。5.两相相位调制PSKPSK可以进一步分为绝对调相、相对调相和多相调相等。①PSK绝对调相：其应用参见图2-4（c），数学表达式为：2012年3月5日第2章数据通信基本技术222.3.2频带传输与模拟信号的调制② PSK相对调相：其编码规则为用当前波形的初始相位，相对于“前一个波形”的初始相位的偏移值来表示数字信号“0”、“1”，其应用参见图2-4（d）。2012年3月5日第2章数据通信基本技术232.3.2频带传输与模拟信号的调制6.多相调相多相相位调制也有“相对调相”和“绝对调相”两种。多相调制的状态数n与传输的二进制比特位的数目m的关系：n＝2mm：波形每变化一次传递的二进制数字的比特位数目；n：波形的所有不同状态数目。2012年3月5日第2章数据通信基本技术242.3.2频带传输与模拟信号的调制在四相调相中，相位波形每改变一次，便传送两个比特的数据，参见表2-2。同理，在八相调相中，每三个比特组成一组，那么一共有8种组合。这样，载波调制波形的状态每改变一次，便传送3个比特的数据。四相调相、八相调相、16相调相中，各种相位的数据表示，参见表2-2、表2-3和表2-4。2012年3月5日第2章数据通信基本技术252.3.3 脉冲编码调制方法1.脉冲编码调制概述PCMPCM是模拟数据信号数字化采用的主要方法。（1）PCM的主要优点PCM技术抗干扰能力强、失真小、传输特性稳定；还可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性；另外，PCM还可以在一个物理信道上使用“时分复用”技术传输多路信号。（2）PCM典型的应用-语音数字化在图2-6所示语音数字化过程中，在发送端通过“PCM编码器”将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方；接收方再通过“PCM解码器”还原成模拟语音信号。2012年3月5日第2章数据通信基本技术262.3.3 脉冲编码调制方法2.PCM的工作原理脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码，参见图2-7。2012年3月5日第2章数据通信基本技术272.3.3 脉冲编码调制方法（1）采样每隔一定的时间间隔，都要采集模拟信号的一个瞬时电平值做为样本。采集时的间隔由采样频率Fs决定s满足从采样样本重构原始信号的采样定理表达公式如下:Fs(=1/Ts)≥2•Fmax或Fs≥2•Bs式中Ts：为采样周期，单位：s（秒）。

Fs：为采样频率，单位：样本/秒（次/秒）。

Fmax：为原始信号的最高频率，单位：Hz（赫兹）。

Bs(=Fmax-Fmin)：为原始信号的带宽，单位：Hz（赫兹）。例如，语音信道的带宽近似为4KHz，则需要的采样频率为≥8000样本/秒。（2）量化量化是指将取样样本的幅度，就是取整等级。在图2-7中，将采样值121.5、124.4、125.6等分别量化为122、124、126等。量化级可以分为8级、16级、32级…128级等量化级，主要取决于