中南大学网络技术与应用课件第3章 数据通信与通信网基础(1)

第3章数据通信与通信网基础数据通信方式数据编码技术多路复用数据交换技术3.1.1数据(data)、信息(Information)与信号(Signal)网络中传输的二进制代码被称为数据。数据是信息的载体信息是数据的内容和解释信号是数据的编码，数据以信号的形式传播。--模拟信号与数字信号--基带(Baseband)与宽带(Broadband)信号信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。从时间域来看，数字信号是一种离散信号，模拟信号是一种连续变化信号。1.3.1数据通信的基本概念3.1.2数据通信系统通信系统的三个基本要素：信源：是产生和发送信息的一端信道：通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道信宿：是接受信息的一端2.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。物理信道和逻辑信道物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还在节点内部实现了其他连接，通常把这些连接称为逻辑信道。同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。3.信号变换器信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。4.噪声源5.数据通信、数字通信与模拟通信根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。”。“数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信”。数字信号经过数模变换后可在模拟信道上传输；模拟信号经模数变换后也可在数字信道上传输。数字通信的优点：抗干扰能力强。便于加密，实现保密通信易于实现集成化，减小通信设备体积、功耗。易于存储、处理、交换等。缺点：占更宽的频带。•用模拟信道进行的数据通信称为模拟数据通信•用数字信道进行的数据通信称为数字数据通信。3.2.1串行传输与并行传输串行通信是指通信时的数据流以串行方式在信道上传输。串行传输是一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线，易于实现，是目前采用的一种主要通信方式。并行通信是指数据以成组的方式在多个并行的信道上同时传输。并行通信方式线路成本较高，一般用于短距离通信。3.2数据通信方式3.2.2异步传输与同步传输在串行通信中，通信双方收发数据序列必须在时间基准上取得一致，这样才能保证接收的数据与发送的数据一致，这就是通信中的同步。同步问题分为：正确区分信号中的每个比特----位同步区分每个单元（字符或字节）的开始和结束位----字符同步区分每个完整的信号块或帧（报文）的开始和结束位----帧同步异步传输方式收发两端各自有相互独立的位定时时钟，数据的传输速率是双方约定的，收方利用数据本身来进行同步的传输方式。异步传输又称群同步，是指传输的信息被分成若干“群”，靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步。在异步传输中，数据被划分成字符分组独立进行传输。该小组包含：☆1bit起始位：表示字符的开始☆5～8bit数据位：表示要传输的字符内容☆1bit校验位：用于进行奇校验或偶校验☆1～2bit终止位：表示接收字符结束同步传输方式收发双方采用了统一时钟的传输方式。至于统一时钟信号的来源，或是双方有一条时钟信号的信道，或是利用独立同步信号来提取时钟。0111111001111110BAX……01111110SYNSYNBAXSYN同步字符模式（一个或多个）同步位模式（一个或多个）可变长度的位数据块可变长度的字符数据块……实现位同步的方法可分为：外同步法：接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。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，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。自同步法：能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。3.2.3数据传输方向单工通信半双工通信全双工通信4.连接方式点对点连接方式多点连接方式3.2.5基带传输与频带传输(1)基带传输矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带（简称为基带）。这种矩形脉冲信号就叫做基带信号。在数字通信信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。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。(2)频带传输又称宽带传输，是利用模拟信道实现数字信号传输的方法。频带传输中常用普通电话线作为传输介质，它的带宽一般在300~3400Hz之间。为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上分离出来，恢复为原来的数字信号波形。调制(modulation)载波是一个连续变化的信号。调制就是用源信号改变载波的振幅、频率或相位。解调(demodulation)3.3.1模拟数据编码方法幅度调制ASK：调幅即载波的振幅随着数字信号的变化而变化。例如二进制“1”用有载波输出表示，即载波振幅为原始振幅；二进制“0”用无载波输出来表示，即载波振幅为零。频率调制FSK：调频即载波的频率随着数字信号的变化而变化。例如，二进制“1”用载波频率f1来表示；二进制“0”用另一载波频率f2来表示。相位调制PSK：调相即载波的初始相位随着数字信号的变化而变化。例如，用1800相位（反相）的载波来表示二进制“1”；用00相位（正相）的载波来表示二进制“0”。3.3数据编码技术3.3.2数字数据编码方法数字数据→数字信号调制方式1.非归零码单极性非归零码（NRZ，nonreturntozero）规定用无电压表示逻辑“0”，用恒定的正电压表示逻辑“1”；双极性非归零码规定用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”。2.曼彻斯特（Manchester）编码每个比特的中间有一次电平跳变，可以把“0”定义为由高电平到低电平的跳变,“1”定义为由低电平到高电平的跳变。3.差分曼彻斯特（differenceManchester）编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。每位中间的跳变仅提供时钟定时，用每位开始时有无跳变表示，有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。010110010数字数据（a）NRZ编码NRZ编码的同步时钟（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码5．4B/5B编码4B/5B编码的思想是在位流中插入额外的位，来分割一连串的“0”或“1”。确切地说，是首先将发送的数据流以每4位一组，变为对应的5位代码。然后，得到的5位代码使用不归零反转编码NRZI进行编码传输。4B/5B编码方式在避免高、低信号持续的前提下，解决了曼彻斯特编码的低效问题。3.3.3脉冲编码调制方法模拟数据—数字数据采样每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值，抽样的作用是使得信号在时间上离散化。量化对时间离散数据用有限数目的幅值表示，即利用预先规定的有限个值来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。量化的作用是使得信号在幅度上离散化。编码把抽样、量化后的信号转换成数字编码脉冲模拟信号的数字化过程100101100011101多路复用指多个信息源共享一个公共信道.频分多路复用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)时分多路复用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)波分多路复用(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)3.4多路复用技术统计（异步）时分多路复用2526闲置闲置空时槽TDM：各输入端，无论数据有无，皆占一时槽，因此会有闲置的空时槽。定址及控制符统计TDM：有数据的输入端才分配时槽，因此没有空时槽。码分多路复用每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法,即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重又叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干拢能力强.码分多路复用技术主要用于无线通信系统,特别是移动通信系统.它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响,而且增大了通信系统的容量.笔记本电脑或个人数字助理(PersonalDataAssistant,PDA)以及掌上电脑(HandedPersonalCOmputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。27