第2章 计算机网络基础 数据通信基础

第2章数据通信基础本章学习内容2.1数据通信的基本概念2.2数据编码技术2.3多路复用技术2.4数据通信方式2.5信息交换技术2.1数据通信的基本概念2.1.1数据、信息和信号2.1.2数据通信系统的模型2.1.3数据通信系统的主要质量指标2.1.1数据、信息和信号通信是为了交换信息（Information）。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，常称为数据（Data）。数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。信息是数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各项经营指标的分析，可以得出企业生产经营状况的若干信息。显然，数据和信息的概念是相对的，甚至有时将两者等同起来。2.1.1数据、信息和信号数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号：或是模拟信号，或是数字信号。所以，信号（signal）是数据的电磁波表示形式。模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示。模拟信号是随时间连续变化的信号。数字信号是离散信号，如计算机通信所使用的二进制代码信号。2.1.1数据、信息和信号和信号的这种分类相似，信道也可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但是应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。2.1.2数据通信系统的模型2.1.2数据通信系统的模型数字通信的主要优点如下：（1）抗干扰能力强。（2）便于加密，有利于实现保密通信。（3）易于实现集成化，使通信设备的体积小，功耗低。（4）数字信号便于存储、处理、交换，也便于和计算机连接以及用计算机进行管理。2.1.2数据通信系统的模型2.1.3数据通信系统的主要质量指标从研究信息的传输来说，通信的有效性和可靠性是最重要的指标。有效性指的是传输一定的信息量所消耗的信道资源（带宽或时间），而可靠性指的是接收信息的准确程度。这两项指标体现了对通信系统最基本的要求。模拟通信和数字通信对这两个指标要求的具体内容有较大差异。1．模拟通信系统的质量指标2．数字通信系统的质量指标1．模拟通信系统的质量指标（1）有效性:模拟通信系统的有效性是用有效传输带宽来度量。同样的信息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。频带宽度越窄，有效性越好。（2）可靠性:模拟通信系统的可靠性是用接收端最终的输出信噪比来度量。信噪比越大，通信质量越高。不同调制方式在同样信道条件下所得到的输出信噪比是不同的。2．数字通信系统的质量指标数字通信系统的有效性用传输速率来衡量，可靠性用差错率来衡量。（1）传输速率：数据传输速率指的是单位时间内传送的信息量，它有多种表示方法。波特和比特是两个不同的概念，一般在二元制调相方式中，波特速率和比特速率相等；但在多元调相的情况下就不一定了。（2）差错率：差错率即误码率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，它的定义是：二进制码元被传输出错的概率。差错率越小，通信的可靠性越高。2.2数据编码技术2.2.1数字数据的数字信号编码2.2.2数字数据的模拟信号编码2.2.3模拟数据的数字信号编码2.2.4模拟数据的模拟信号调制2.2.1数字数据的数字信号编码2.2.1数字数据的数字信号编码不归零制，即用两个电平来表示两个二进制数字；用高电平（正电压）表示1，用低电平（负电压）表示0（如图2-3（a）所示）。不归零制有很多缺点，它难以判断一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法来使发送器和接收器进行定时或同步。如果传输中都是“1”或“0”的话，那么在单位时间内将产生累积的直流分量，它能使设备连接点产生电腐蚀或其他损坏。2.2.1数字数据的数字信号编码曼彻斯特编码（如图2-3（b）所示）。它是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。它的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔，码元１是前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平；码元０则正好相反，从低电平变到高电平。这种编码的优点是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，对接收端提取位同步信号非常有利，而且当码元中间无跳变时，就形成违例码，这种违例的情况可形成帧标志。但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。2.2.1数字数据的数字信号编码差分曼彻斯特编码（如图2-3（c）所示），它的编码规则是：若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是１或０，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。2.2.2数字数据的模拟信号编码数字设备（如计算机或终端）通过调制解调器接入电话网络进行通信是利用模拟信号传输数字数据的典型情况。模拟信号发送的基础就是一种称之为载波信号的连续的频率恒定的信号。通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据→模拟信号调制方式有以下三种（如图2-4所示）。2.2.2数字数据的模拟信号编码2.2.2数字数据的模拟信号编码（1）幅移键控方式（ASK）：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于无载波输出，而“1”对应于有载波输出。（2）频移键控方式（FSK）：载波的频率随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于频率f１，而“1”对应于频率f2。（3）相移键控方式（PSK）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于相位0°，而“1”对应于180°。2.2.2数字数据的模拟信号编码解调（即从模拟信号恢复出数字数据）的原理简述如下：对于ASK信号，可以用整流再滤波的方法检测出原始信号；对于FSK信号可以通过检查零交叉点的方法恢复出数据；对于一般PSK信号，例如相位不变代表0，相位移相180°代表1，可以把信号放大整形，延时一个信号单元时间，然后反相，再和原信号相异或，即可恢复出原始数据。2.2.3模拟数据的数字信号编码脉冲编码调制（PCM）的过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。采样是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的采样信号，量化是把幅度上连接的模拟信号转换成幅度上离散的量化信号，编码是把时间离散且幅度离散的量化信号用一个二进制码组表示。2.2.3模拟数据的数字信号编码2.2.4模拟数据的模拟信号调制在电话机和本地局交换机之间所传输的信号就是采用这种编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。无线语音广播是模拟信号传输模拟数据的另一个例子。有效的传输需要比较高的频率。对于无线传播，传送基带信号几乎是不可能的，因为那将需要直径为好几公里长的天线。另外，调制有助于频分复用。2.3多路复用技术2.3.1频分多路复用(FDM)2.3.2时分多路复用(TDM)2.3.3波分多路复用(WDM)2.3.1频分多路复用2.3.1频分多路复用多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道（如图2-5所示）；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）。2.3.1频分多路复用2.3.1频分多路复用FDM系统的原理示意图如图2-6所示，它假设有6个输入源，分别输入6路信号到频分多路器FDM-MUX，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，…，f6）。每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称做一个通道，各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。输入信号可以是模拟的，也可以是数字的。2.3.1频分多路复用频分多路复用的优点是信道的利用率高，允许复用的路数多，分路也很方便，并且频带宽度越大，则在此频带宽度内所容纳的用户数就越多；缺点是设备复杂，不仅需要大量的调制器、解调器和带通滤波器，而且还要求接收端提供相关载波；此外，由于在传输过程中的非线性失真及频分复用信号抗干扰性能较差，不可避免地会产生路际串音干扰。为了减少载频的数量和所需设备部件的类型，一般都采用多级调制的方法。2.3.2时分多路复用时分多路复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）是将多路信号按一定的时间间隔相间传送以在一条传输线上实现“同时”传送多路信号。基本的TDM是同步时分多路复用技术，如果采用较复杂的措施以改善同步时分复用的性能，就成为统计时分多路复用（STDM，StatisticalTimeDivisionMultiplexing）或异步时分多路复用（ATDM，AsynchronousTDM）。2.3.2时分多路复用2.3.2时分多路复用TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（如图2-7所示），即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。2.3.2时分多路复用2.3.2时分多路复用对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图2-8所示。每一个通道在时间上按照预先确定的时间错开一位、一个字节或一块数据的时间，以此来共享传输信道。2.4数据通信方式2.4.1并行通信与串行通信2.4.2单工通信与双工通信2.4.3同步通信与异步通信2.4.1并行通信与串行通信在计算机系统的各个部件之间以及计算机与计算机之间，数据信息都是以通信的方式进行交换的。这种通信有两种基本方式：串行和并行。一般说来，并行传输用于近距离，串行传输用于较远的距离。2.4.1并行通信与串行通信如图2-12（a）所示，在并行传输中，至少有8个数据位在设备之间传输。发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备，还可以有1位用作数据检验位，接收设备可同时接收到这些数据。在计算机内部的数据通信通常都以并行方式进行，并且把并行的数据传送线称做总线，如并行传送8位数据就叫做8位总线，并行传送16位数据就叫做16位总线。2.4.1并行通信与串行通信2.4.1并行通信与串行通信串行传输方式是在一根数据传输线上，每次传送一位二进制数据，1位接1位地传送。串行传输的速度要慢得多，但由于串行传输节省了大量通信设备和通信线路，在技术上更适合远距离通信。因此，计算机网络普遍采用串行传输方式。由于计算机内部处理的都是并行数据，在进行串行传输之前，必须将并行数据转换成串行数据；在接收端要将串行数据转换成并行数据。数据转换通常以字节为单位进行，用移位寄存器来完成，如图2-12（b）所示。2.4.2单工通信与双工通信按照数据在线路上的流向，串行数据通信可分为三种类型：单工、半双工与全双工。1．单工通信2．半双工通信3．全双工通信1．单工通信在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。如图2-13（a）所示，数据信息总是从发送端A传输到接收端B。这种情况与无线电广播相类似，信号只在一个方向上传播，电台发送，收音机接收。2．半双工通信如图2-13（b）所示，在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时间只能向一个方向传送。可以双向传送信号，但必须交替进行的通信信道，只能用于半双工通信方式中。3．全双工通信全双工能同时在两个方向上进行通信，即有两个信道，如图2-l3（c）所示，数据同时在两个方向流动，它相当于把两个相反方向的单工通信组合起来。显然，全双工通信效率高，但构建系统的造价也高。单工通信或半双工通信只需要一条信道，而全双工通信则需要两条信道（每个方向各一条）。显然，全双工通信的传输效率最高。2.4.3同步通信与异步通信比特的传送和接收是通过定时时钟来完成的。