数据通信原理ch02

第2章数据通信原理第2章数据通信原理2.1通信系统的基本组成通信三要素：信源：信息的发送者（人，机器等）信宿：信息的接收者（人，机器等）载体：传送信息的媒体（信道）；信源信宿载体（信道）噪声源2.2信道信息可以单向传输的途径，（包括传输媒体和中继通信设施）◆有线信道：明线、电缆、光纤等，能量集中◆无线信道：自由空间，红外、微波等，能量发散◆模拟信道：支持模拟信号传输：电话线、双绞线等信号的衰减，长距离的信号传输，需安装放大器◆数字信道：支持数字信号传输（光纤等）变换器:将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号：数字信号－－模拟信号的转换反变换器：将信道上的信号还原成信宿能够接收的信息信道带宽与信道容量信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围信道容量：信道在单位时间内可以传输的最大信号量数据传输速率(bps)：信道在单位时间内可以传输的最大比特数信道容量和信道带宽成正比：带宽越大，容量越大局域网带宽：10Mbps，100Mbps，1000Mbps广域网：64Kbps、2Mbps、155Mbps、622Mbps2.5Gbps差错率/误码率由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能发生失真差错率/误码率：传输比特总数与其中出错比特数的比值Pe=出错比特数传输/比特总数例：传输10000比特,有2比特出错，Pe＝2/10000差错率越高表示信道的质量越差信道的差错率与信号的传输速率和传输距离成正比2.3变换器/反变换器—调制/解调与编码/解码模拟传输系统（电话网、X.25分组交换网等）数字传输系统（宽带ISDN等）调制/解调：利用模拟信道支持数据信息传输的技术调制：将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波（称为载波）信号，（数字--模拟）解调：将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息。（模拟--数字）调制解调器：具有调制/解调功能的通信设备。电话网主机主机PC机调制方法：调幅：（幅度调制或移幅键控法ASK）：将不同的数据信息（0和1）调制成不同幅度但相同频率的载波信号；1111000000数字信息数据帧调幅调频：（频率调制或移频键控法FSK）：将不同的数据信息（0和1）调制幅度相同,但不同频率的载波信号；1111000000数字信息数据帧调频调制方法：调制方法：调相：（相位调制或移相键控法PSK）：利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值，此时的幅度和频率均不发生变化。1111000000数字信息数据帧调相调制方法：1111000000数字信息数据帧调幅调频调相调制速率（波特率）波特率（信道速率），指调制设备每秒可调制的符号个数，即信道上每秒传输的符号个数。(baud)数据传输速率：信道在单位时间内可以传输的最大比特数数据传输速率波特率当每个符号仅对应于两个数值时，波特率和数据传输速率相等；二相调制：两种相位变化表示0，1，表示1位（1比特）四相调制：四种相位变化表示00,01,10,11,（2比特）八相调制：八种相位变化表示000,001,010...,111（3比特）数据传输速率＝波特率×log2N(N--调制的线路状态数）01001110数据信息调制01图2－3幅度和频率的组合调制（2倍速）15。45。图2－4相位-幅度组合调制（4倍速）75。105135。165。195。285。255。225。315。345。●●●●●●●●●●●●●●●●二相调制：两种相位变化表示0，1，N=2，表示1比特四相调制：四种相位变化表示00,01,10,11,N=4，表示2比特八相调制：八种相位变化表示000,001,010...,111，N=8，表示3比特在图“相位—幅度组合调制”中，调制相位分别为15◦、45◦、75◦、105◦、135◦、…、345◦，并分别在45◦、135◦、225◦、315◦处采用两种不同的幅度值。相位-幅度的16种组合代表了16个码元值，每个码元可携带4个二进制位的数据信息，因此可以得到4倍波特率的信道数据传输速率。调制/解调器的选择和应用1)性能：速率、功能等2)用途：使用的场合3)符合相关标准4)符合当地有关部门的入网规定注意：Modem需成对使用，所有通信双方的Modem一定要匹配一台主呼，另一台被呼用户方一般为主呼电话网PC机1ISP服务器PC机2主呼主呼被呼编码/解码(COdingandDECoding)实现模拟信息与数字信号之间的转换生产控制、用数字信道传输模拟信息等编码：将模拟信息转换为数字信号的过程解码：将数字信号还原为模拟信息的逆过程电话线数字网光纤ModemCodec电话线光纤ModemCodec数字模拟数字模拟数字脉码调制技术（PCM）采样：通过某种频率的取样脉冲将模拟信息的值取出，变连续的模拟信息为离散信号。量化：量化的目的是确定采样出的模拟信号的数值。通过规定一定的量化级，对取样的离散值进行“取整”量化，得到离散信号的具体数值。编码：将量化后的值编码成一定位数的二进制值。通过调制/解调、编码/解码技术，可以保证计算机之间以数字信号的方式进行通信编码/解码(COdingandDECoding)011000100110111101001010a)信号的量化b)采样信号幅度的量化图2-5脉码调制（PCM）的原理数字信号的表示：二进制数字（0，1）对应两个电平单极性脉冲：无电压（或者无电流）“0”，恒定正电压（或者有电流）“1”双极性脉冲:数字信号“0”或者“1”，相同幅度的正电压或者负电压10＋5v0v01＋5v0v-5v数字信号的发送和接收发送:发送设备根据自身的时钟分频形成指定频率（发送频率）的数据波（脉冲序列），并发往线路接收：接收端设备则根据自身的时钟形成指定频率（接收频率）的采样脉冲，对信道上的数据波进行采样,并通过设置阈值电平识别数据波对应的值2.4传输编码字符编码：利用0和1比特的特定组合来表示字符.BCD码、EBCDIC码、IA5码、ASCΠ码(美国信息交换标准码)图形字符：数字、字母、运算符号、语句符号等控制字符：传输控制、格式控制、信息分隔字符等传输控制字符：用于控制信息的传输SOH(标题开始0000001),STX(正文开始0000010)ETX(正文结束0000011)EOT(传输结束,0000100),ENQ(询问,0000101),ACK(确认,0000110),NAK(否认,0010101),DLE(数据转义,0010000),SYN(同步,0010110),格式控制字符：控制打印和显示设备的信息格式和定位BS(退格,0001000),LF(换行,0001010)CR(回车,0001101)信息分隔字符：用于分隔信息US(单元分隔,1/F),RS(记录分隔,1/E),GS(组分隔,1/D),FS(文卷分隔,1/C)。2.4传输编码通信编码利用特定的电平信号来表示0、1比特值，并通过计算机或者其它通信设备的输入输出端口传输.0101000101a）RS232编码方案＋15V－15V(1)RS-232编码：利用不同的电平表示不同的二进制值，正电平（+15v）表示数字信号“0”负电平（-15v）表示数字信号“1”PC机的RS232串行通信端口通信编码(2)不归0交替编码(NRZI)：根据相邻比特的电平变化状况确定.比特间隔发生电平变化表示“1”比特间隔不发生电平变化表示“0”0101000101b）NRZI编码方案＋15V－15V发送脉冲接收取样脉冲图2-7收发设备的误差积累特点：编码中不含同步信息,发送/接收设备的时钟略有差异时，可能造成误差积累,造成取样脉冲的偏移，出现差错(3)曼彻斯特编码一个比特时间一分为二比特时间内发生低电平到高电平的变化表示“1”，高电平到低电平的变化表示“0”0100110100通信编码通信编码(4)差分曼彻斯特编码一个比特时间一分为二比特时间中部发生电平变化，表示的值依赖于前一比特的最终电平状态。*当前比特的前半部分电平不同于前一比特的最终电平状态（即位间电平发生变化），表示“0”*当前比特的前半部分电平相同于前一比特的最终电平状态（即位间电平不发生变化），表示“1”0100110100特点：编码中含有同步信息(每个比特中部的电平跃变信号)接收方可以根据该同步信息及时调整接收脉冲的产生，可以支持较大数据块的传输要求发送/接收设备支持较高频率的发/收脉冲01001101000100110100曼码差分曼码通信编码并行传输:字符编码的各个比特同时传输特点：一个比特时间内可传输一个字符，传输速度快，每个比特传输要求一个单独的信道支持，通信成本高，远距离传输时，可靠性较低。0100信道0100串行传输将组成字符的各个比特串行地发往线路特点：传输速度低，一次一个比特；通信成本较低，只需一个信道2.5传输方式信道01000100同步传输：以多个字符或者多个比特组合成的数据块为单位进行传输，利用独特的同步模式来限定数据块，达到同步接收的目的发送：同步符号（起始字符）＋数据块＋同步符号（结束字符）接收：遇到同步符号，开始接收数据，直到结束符号为止。同步符号：标识数据块的开始和结束可能问题：假同步现象—数据块中含有与同步符号相同的内容解决方法：增加匹配同步符号的难度SYN,SYN,G,H,…,B,A,SYN,D,E,SYN,SYN传输方向2.5传输方式＃异步传输特点：字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传输，字符之间间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。传输效率较低。起终始止位11101010位线路空闲线路空闲起始位一个字符下一字符2.5传输方式同步技术目的：保证接收方在时间上与发送方取得同步，以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据。2.5传输方式位同步：使接收方可以正确地接收各个比特自同步法：接收方直接从数据波中获取同步信号（曼码）。外同步法：发送方在发数据前，先向接收方发一串同步时钟序列，接收方根据这一同步时序锁定接收频率。（异步传输的起始/终止位）同步技术：字符同步：使接收方可以正确地识别数据群利用同步传输时的同步字符（SYN）接收方在识别到独特的同步字符或同步模式后，才开始真正的数据接收。接入X.25分组交换网：同步端口接入电话网：异步端口2.5传输方式2.6传输形式单工传输：任意时刻只允许向一个方向进行信息传输，半双工传输：可以交替改变方向的信息传输，但在任一特定时刻，信息只能向一个方向传输，全双工传输：任意时刻信息都可进行双向的信息传输。2.7传输差错处理目的：保证信息传输的正确性传输过程中的噪声导致差错是不可避免的缺乏差错处理能力的通信系统是不可用的系统2.7.1反馈重传法(ARQ)方法：(1)发送方发送具有检测错误能力的代码（称为检错码），(2)接收方根据代码的编码规则，验证接收到的数据代码，并将结果反馈给发送方(正确接收/接收有错）(3)发送方可根据反馈的结果决定是否执行重传动作，如果接收方未正确接收，则重传。(4)在规定的时间内，若未能收到反馈结果（称为超时），则发送方可以认为传输出现差错，进而执行重传动作。（超时重传）停－等协议发送一块数据后，就停止发送动作，开始计时。等待接收方的反馈结果，仅当收到正确的接收确认之后，才继续发送后继块数据如果接到否定确认，或者计时器超时，重新传输本数据块。收发双方以半双工方式进行工作，特点：控制简单，易于实现，但工作效率较低滑动窗口协议(1)发送方一次连续发送多块数据（称为窗口尺寸），(2)接收方对每块数据进行差错分析，如果发现错误，立即反馈发送方，(3)接收方可对接收到的多个正确的数据快进行一次性确认(4)发送方根据反馈的结果，重发指定的数据块，或重发指定数据块及其之后的所有数据块，特点：效率高，控制复杂，全双工方式发送方接收方发(1)Ack发(2)Ack发(3)NAK重发(3)重发(3)超时Ack发(4)等—停协议接收方发送方发(1)重发(2)发(3)发(4)Ack1发(5)NAK2发(2)发(8)Ack4发(6)发(7)假设窗口＝4等待等待窗口协议2.8常用检错码用途：接收方检测信息