NET02_数据通信基础

[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业第二章数据通信基础中北大学计算机与控制工程学院SchoolofElectronicsandComputerScienceandTechnology.NUC交换今日汗水，路由明朝辉煌[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业§2数据通信基础•本章内容•数据通信的基本概念•数据通信•传输介质的分类•带宽与传输速率•数据交换与多路复用技术[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业§2-1数据通信的基本概念•信息：是对事物运动状态和特征的描述•数据：是载荷信息的物理符号•信号：是数据的具体表现，具有确定性的物理描述信息、数据和信号三者是紧密相关的。在计算机中，信息是用数据表示的并转换成信号进行传送。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业模拟信号和数字信号•模拟信号：是一个连续变化的物理量，即在时间特性上幅度（信号强度）的取值是连续的，一般用连续变化的电压表示。•数字信号：是指信号在时间特性上幅度的取值是有限的离散值，一般用脉冲序列表示。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业数字信号通过实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)•失真不严重•失真严重[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业波形再生放大放大[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业信道•通俗的说，信道就是传输信号的通道。通常对信道由两种理解：一种是指信号的传输介质，如双绞线、光缆等，称为狭义信道。另一种是将传输介质和信号转换设备都归集在一起，则称这种扩大范围的信道为广义信道。习惯上，由把信道称为线路、链路等。•信道的频带宽度是指信号能无失真的传送的频带范围，即该频带范围的最高值减最低值，简称为带宽。•狭义信道的带宽由传输介质的物理特性决定；而广义信道的带宽还要受信号转换设备的限制。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业数据通信模型•信息是人类所创造的各种声、像、图、文形式的知识。数据是信息在计算机中的表现形式。数据传输过程是将信息从源站传到目标站。首先需要将信息用二进制代码来表示，其次还要将二进制代码以一定的信号方式（如电压、电流、脉冲等）来表示。然后将信号由信道进行传输。到达接受方后，再根据这些信号恢复为数据代码，从而使目标站得到源站发送端的信息。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业§2-2数据通信的分类•数据通信按照所用传输媒介和相关技术分类有线通信传输线缆电话、有线电视、计算机网络无线通信电磁波无线广播、无线电视、卫星通信蜂窝无线通信基站、PSTN结合手机、移动通信•数据通信按照通信者的移动性分类•固定通信•移动通信[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业并行传输与串行传输•并行传输（parallel）与串行传输（serial）b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业同步传输和异步传输•数据通信中，通信双方在收发数据序列时必须在时间上取得一致，才能保证接受的数据与发送的数据一致，这就是通信的同步。•并行传输由于距离较短，仅用于通信设备和计算机设备内部，由增加控制线通过控制信号来实现通信同步。•串行通信是目前最经济的长距离传输方式。现在有两种不同的方式来解决串行通信中的同步问题：同步传输与异步传输。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业同步传输•同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，使接受端接受的每一位数据都要和发送端保持同步，中间没有间断时间。因此在一个串行的数据流当中，各信号码元的相对位置都是固定的，接受方为了从受到的数据流中正确的区分出一个个信号码元，首先必须建立正确的时钟信号。•在近距离传输中可以增加时钟信号线，远距离时则必须在发送的数据流当中附加同步时钟信号，由接受方提取来完成位同步。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业同步传输[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业异步传输•异步传输一般以字符（或等长的信元）为单位。以面向字符发送为例，在发送每一个字符代码时，前面均加一个“起”信号，后面加一个“止”信号，一般起始位为0，结束位为1。一个个字符可以连续发送也可以独立发送，即中间可以有间隔时间。但在一个字符时间内，收发双方各数据位必须同步，起-止信号实际上起同步作用，以便能区分串行传输的字符。•如下图所示，这种方式又称为起-止式同步方式。由此可见，在串行通信中的异步传输是相对的。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业异步传输[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业传输方式•单工通信：通信线路上的数据始终按照一个固定的方向传送。•半双工通信：数据信息可沿信道的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。•全双工通信：数据信息能同时沿相反两个方向传送。设计一个数据通信系统，必须先决定数据信息是沿一个方向传输，还是来回双向传输。要是来回双向传输，还要决定发送/接受设备是否同时进行发送和接受，即是否双向同时传输。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业单工通信、半双工通信和全双工通信[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业模拟传输和数字传输模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业模拟传输和数字传输•数字信号可以调制成模拟信号进行传输。例如，利用电话线拨号上网时，需要用调制解调器（Modem）将计算机中的数字信号转变成模拟信号进行传输。•模拟信号（例如电话语音）也可以通过数字化处理变为数字信号进行传输。现在的数字化传输系统大多采用PCM调制方式，对模拟信号进行采样、量化和编码三个步骤，使之变换成数字信号。•数字传输具有信号形式简单、抗干扰能力强、保密性好、多媒体信息传输以及与计算机配合等优点，因此全数字化的计算机通信网络以成为本世纪发展最迅速最重要通信工具。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业基带传输和频带传输•基带传输(Baseband)：人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。•基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率低等优点，在计算机网络通信中被广泛采用。•频带传输(Broadband)：利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。•频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网)通信。价格便宜，容易实现。家庭用户拨号上网就属于这一类通信。它的缺点是速率低，误码率高。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业§2-3带宽与传输速率•通信是在发送端将数据转换为利于传输的信号，在特定的介质中进行传输，在接收端将这种信号还原的过程。信号都是以波的形式表现和传输的，这些波的产生是由波源随时间振动的结果•信号可以表示为振幅与时间的函数s(t)，并可以用二维座标来表示，这种用时间函数表示和研究信号的方法称为时域方法。tS(t)[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业时域概念•从时域的角度对信号进行分类：•模拟信号又被称为连续信号，如我们熟知的电话中的语音信号。•数字信号又称为离散信号，如计算机中的二进制：1（高电平或低电平）、0（低电平或高电平）的电平波形。tS(t)tS(t)[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业频域概念•1822年，法国数学家付里叶在研究热传导理论时，提出了将周期函数展开为正弦级数的原理：•任何周期函数，当其满足狄里赫里条件时，都可分解为收敛的三角级数。•狄里赫里条件是：函数在任何区间是连续的，且在一个周期内只有有限个极大极小值。•在电子通信中遇到的周期信号都满足狄里赫里条件。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业傅立叶级数•傅立叶级数可书用时域函数写为：11)2cos()2sin(2/)(nnnnnftBnftACtg式中：•f=1/T；•An和Bn是各次正弦波和余弦波的振幅；•C为常数[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业三个频率成分的信号[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业对称方波的频谱分析•按照频谱分析的观点，无论模拟信号还是数字信号都可以展开为正弦级数。•数字信号的对称方波的频率成分表达式如下：1,1)2sin(1)(kkoddtkfkAtsƒ12ƒ13ƒ14ƒ15ƒ1ƒS(ƒ)[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业数字信号的频谱分析1次和3次谐波1,3,5及7次谐波1,3和5次谐波全部谐波[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业数字信号及其频谱s(t)S(ƒ)T/21/T2/T3/T4/T00tƒ[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业数字信号的频谱分析•可以认为，数字信号波形具有无限个频率成分，并显然是无限带宽的。尽管如此，我们看到第k个频率成分kƒ1的振幅仅为1/k，所以波形的绝大多数能量集中在最前面的几个频率成分中。•对于信号而言由于绝大部分能量集中在相当窄的频带内（0～4/T），这个频带被称之为有效带宽。•这里我们要再提一下网络的传输媒体所实现的信道：虽然一个给定的信号波形所包含的频率范围可能非常宽，但要注意，不管使用什么传输介质，它只能容纳一个有限的频率范围。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业波特率•数字信道只传送离散值的数字信号，信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。信号的一个数字脉冲称为一个码元，我们用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。•若信号码元宽度为T秒，则码元速率为：TB1•码元速率的单位为波特（Baud），所以码元速率被称为波特率。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业比特率•网络连接的目的是实现数据传输；•在数字通信中：•把一个二进制位所携带的信息称为1比特（bit）的信息；•将单位时间（秒）所传输的比特数（二进制位数）作为数据传输速率，即比特率，单位为b/s。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业误码率•数据传输速率可以衡量数字通信系统的效率，在衡量系统的可靠性时，我们使用误码率。•误码率是指数字信号在传输中出错的概率。•设传输的二进制位的总数是n，其中出错的位数为ne，则误码率为：nnRee•在计算机网络中，误码率一般要求要低于10-6，即平均每传送1兆位才允许错1位。•在误码率低于一定的数值时，可以用差错控制的办法进行检查和纠正。[e-mail]计算机科学与技术学科管理部物联网工程专业四个彼此相关的概念•带宽：指在发送器和传输媒体的特性限制下的频带带宽，用赫兹（Hz）表示；•波特率：信号码