数据通信技术的基础知识

第2章数据通信技术的基础知识数据通信技术的基本内容数据通信基本概念数据通信系统基本结构信息、数据、信号数据通信的主要技术指标数据传输方式串行通信、并行通信单工通信、半双工通信、全双工通信基带传输、频带传输、宽带传输数据的同步技术异步传输、同步传输数据编码技术数字数据信号模拟传输幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK数字传输不归零码NRZ、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码模拟数据信号模拟传输调幅、调频、调相数字传输脉冲编码调制PCM多路复用技术时分多路复用、频分多路复用、波分多路复、码分多路复用数据交换技术电路交换、报文存储转发交换、报文分组存储转发交换（数据报方式、虚电路方式）传输介质传输介质类型与特点差错控制技术检错码、纠错码和差错控制机制1、信息、数据和信号通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或括号用二进制代码表示。目前常用的二进制代码有国际5号码（IA5）、扩充的二、十进制交换码EBCDIC码和信息交换用标准代码ASCII码等。被传输的二进制代码称为数据（Data）。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。2、数据通信系统基本结构数据通信系统的基本通信模型：产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信，在数据通信系统中，也将通信线路称为信道；在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。信源信宿信道信源信宿噪声（干扰）信道A.理想状态B.实际环境下01011010010010110100100101101001001010010110出错3、模拟通信系统模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输。到达信宿后，通过解调器将信号解调出来。普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统。信源调制器解调器信宿噪声源信道4、数字通信系统数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送端和接收端时钟同步组成。计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。信源信源编码器信道编码器调制器解调器信道译码器信源译码器信宿噪声源信道5、通信信道的分类信道是信号传输的通道，包括传输媒体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。信道可以按不同的方法分类：有线信道与无线信道；模拟信道与数字信道；专用信道和公用信道；有线信道与无线信道信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信道与无线信道；有线信道使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆和光缆等；无线信道以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道。无线信道包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。模拟信道与数字信道按传输信号的类型分类，信道可以分为模拟信道与数字信道；模拟信道能传输模拟信号的信道称为模拟信道。模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。调制解调器就是完成这种变换的。数字信道能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离散的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列。当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。专用信道和公用信道信道按使用方式可以分为专用信道和公用信道：专用信道专用信道是一种连接于用户设备之间的固定电路，它可以由用户自己架设或向电信部门租用。公用信道也称公共交换信道，它是一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道。6、数据通信的技术指标数据通信速率（传输速率）：传输率是指数据在信道中传输的速度。数据通信速率分为两种：码元速率和信息速率。码元速率RB：每秒中传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率；信息速率Rb：每秒中传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率；对于一个用二进制表示的信号（两级电平），每个码元包含1个比特信息，其信息速率与码元速率相等；对于一个用四进制表示的信号（四级电平），每个码元包含了2个比特信息，因此，它的信息速率应该是码元速率的2倍。7、码元速率和信息速率一般来说，对于采用M进制电平传输信号时，信息速率和码元速率之间的关系是：Rb=RBlog2M0100101二进制信号两级电平码元1个码元=1个信息比特01100001110110四进制信号四级电平1个码元=2个信息比特ABABCD码元信息比特信息比特8、误码率和误比特率误码率和误比特率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数。误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，误比特率是指在传输中出错比特的概率。在实际的数据传输系统中，电话线路在300～2400bps传输速率时，平均误码率在10-2～10-6之间，在4800～9600bps传输速率时平均误码率在10-2～10-4之间。而计算机通信的平均误码率要求低于10-9。9、信道带宽与信道容量信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的，例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的带宽300～3400Hz。信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。10、数据的串行传输和并行传输发端收端011001018个比特同时发送需要8条线并行通信传输的总码元数传输出错的码元数误码率Pe传输的总比特数传输出错的比特数误比特率Pb数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。数据的串行传输和并行传输串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。发端8个比特顺次发送0110001001100010收端01100010并/串转换器串/并转换器11、通信线路的连接方式——点对点点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路或交换线路。使用租用或交换线路的连接方式，适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据，比如通过公用电话交换网，实现点-点的连接。计算机计算机计算机计算机交换设备计算机计算机12、通信线路的连接方式——多点线路多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接。在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享，若所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共享的，通常采用频分复用或波分复用技术传输数据；若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间上是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。主机计算机/终端13、信道的通信方式——单工通信单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。无线电广播和电视都属于单工通信。主机显示器发送端接收端数据的单方向性14、信道的通信方式——半双工通信半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。发送端/接收端发送端/接收端不同时刻的数据双向传输对讲机对讲机15、信道的通信方式——全双工通信全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输。比如，电话通话。电话机发送端接收端任何时刻的数据双向传输电话机16、信号的传输方式——基带传输基带传输就数字信号而言，它是一个离散的方波，“0”代表低电平，“1”代表高电平，这种方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号，因此，基带实际上就是数字信号所占用的基本频带。基带传输是在信道中直接传输数字信号，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。17、信号的传输方式——频带传输频带传输所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。可见，在采用频带传输方式时，要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器。在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此时就需要利用频带传输方式。利用频带传输，不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。18、信号的传输方式——宽带传输宽带传输宽带传输采用75Ω的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体，带宽为300MHz。使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的，当用它来传输数字信号时，需要利用电缆调制解调器（CableModem）把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。可利用宽带传输系统来实现声音、文字和图像的一体化传输，这也是通常所说的“三网合一”，即语音网、数据网和电视网合一。另外，使用CableModem上网就是基于宽带传输系统实现的。19、数据传输的同步技术在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一，通常使用的同步技术有两种：异步方式同步方式异步传输方式在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。计算机计算机101101010100110110010001011101起始位停止位数据位01101100数据传输方向同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。计算机计算机1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字节同步字节数据帧同步传输中的位同步在同步通信中，要求收发双方之间的时钟严格的同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据