第2章__数据通信基础(尚晓航)

第1页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第三版）主编：尚晓航高等教育出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材第2页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航第2章数据通信基础本章学习目标：1.了解：数据通信的基础知识2.了解：数据传输方式的类型和特点3.掌握：数据传输的类型及相应的编码方法4.掌握：多路复用技术的分类和适用场合5.了解：数据通信中的同步技术6.了解：广域网中的数据交换技术7.掌握：差错控制技术的类型和方法第3页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念1.信息和编码信息的载体是文字、语音、图形和图像等。计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号的组合。用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是二进制编码。第4页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念2.二进制编码标准目前，最常用的二进制编码标准为美国标准信息交换码（ASCII），它已被国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）采纳，并已经发展为国际通用的标准交换代码。第5页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念3.数据和信号网络中传输的二进制代码被统称为“数据”。数据：事物的表示形式信息：数据的内容与解释“信号（signal）”是数据在传输过程中的电磁波表示形式。从时间域来看，图2-1（a）所示的“数字信号”是一种离散信号；而图2-1（b）所示的“模拟信号”是一种连续变化的信号。第6页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航图2-1数字信号和模拟信号第7页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念4.信道及信道的分类（1）信道：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。（2）物理信道和逻辑信道①物理信道：是由信道中的实际传输介质与相关设备组成。②逻辑信道：是指在同时建立的多条逻辑上的“连接”。第8页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念（3）有线信道和无线信道根据传输介质是否有形。有线信道：电话线、双绞线、同轴电缆、光缆无线信道：无线电、微波、卫星通信信道与远红外线等（4）模拟信道和数字信道按照信道中传输的数据信号的类型来分。调制解调器（5）专用信道和公共交换信道按照信道的使用方式来分。“专用信道”又称“专线”，它是一种连接用户之间设备的固定线路。距离较短、数据量较大、安全性要求较高的场合。“公共交换信道”是一种通过公共网络，为大量用户提供服务的信道。如：公共电话交换网、公共电视网第9页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念5.数据单元在数据传输时，通常将较大的数据块（如报文）分割成较小的数据单元（如分组），并在每一段数据上附加一些信息。这些数据单元及其附加的信息在一起被称为“数据单元”。第10页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.2通讯系统的主要技术指标1.传输速率S（比特率）传输速率“S”是指是指在信道的有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数。S的单位为：b/s、千比特每秒kb/s（1×103b/s）等单位来表示。第11页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.2通讯系统的主要技术指标2.波形调制速率B（波特率）1Baud/s就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。波特率是数字信号经过调制后，模拟信号的传输速率。3.比特率和波特率之间的关系参见表2-1第12页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.1数据通信的基本概念波特率（调制速率）和比特率（数据传输速率）是两个最容易混淆的概念，表2-1给出了两者之间的数值关系。两者在实际应用中的区别与联系，如图2-2所示。第13页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航图2-2比特率和波特率的区别第14页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航4.带宽对于模拟信道，带宽是指物理信道的频带宽度，其本来的意思是指信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差,单位为：赫兹（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）等。对于数字信道，人们说的“带宽”是指在信道上能够传送的数字信号的速率，即数据传输速率S。因此，此时带宽的单位就是比特每秒（bit/s），表示为：b/s、Kb/s、Mb/s等。第15页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航5.信道容量信道容量是一个极限参数，一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。在实际应用中，高传输速率的通信设备常常被通信介质的信道容量所限制，而得不到充分利用。第16页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航6.带宽、数据传输速率和信道容量的关联带宽与数据传输速率这两个术语原来都是用来度量信道实际传输能力的指标。现在，一个物理信道常常既可以作为模拟信道，又可以作为数字信道，所以人们既可以使用“带宽”，也可以使用“速率”来描述网络中信道的传输能力。第17页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航7.误码率Pe（1）误码率Pe的定义误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，也称“出错率”。Pe的定义式如下：式中：N为传输的二进制码元总数，Ne表示在接收码元中被传错的码元数。第18页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航7.误码率Pe（2）误码率的性质、获取与实用意义①性质：可靠性的指标。②获取：在大量重复测试。③采用差错控制技术的意义：在使用普通通信信道传输数据时，物理信道本身的平均误码率不满足可靠性指标的要求，因此，必须采用差错控制技术。第19页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航8.时延时延是信道或网络性能的另一个参数，其数值是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间，其单位是秒s、毫秒（10-3秒）ms、微秒（10-6秒）μs等。时延是由：传播时延、发送时延和排队延时等三部分组成的。第20页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.2.1数据通信过程中涉及的主要技术问题网络中任意两台计算机的通信过程需要解决哪些技术问题呢？①二进制编码；②传输的信号类型；③数据传输与通信方式；④同步技术；⑤多路复用技术；⑥广域网数据交换技术；⑦差错控制技术。第21页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.3数据传输类型及相应技术数据通信专指信源（发送信息的一方）和信宿（接收数据的一方）中信号的形式均为数字信号的通信方式。因此，可以将“数据通信”定义为：在不同的计算机和数字设备之间传送二进制代码“0”、“1”对应的比特位信号的过程。在数据通信过程中，传输的数据信号的类型不同，使用的技术就不同。为此，数据传输系统有“基带传输”和“频带传输”两种传输方式。第22页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.3.1基带传输与数字信号的编码1.基带、基带信号和基带传输数字信号也被称为“数字基带信号”，简称为“基带信号”。在线路上直接传输基带信号的方法称为“基带传输”方法。在基带传输中，必须解决两个基本问题，其一，基带信号的编码问题；其二，收发双方之间的同步问题。第23页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.数字信号的编码在基带传输中，用不同极性的电压、电平值代表数字信号“0”和“1”的过程，称为基带信号的“编码”；其反过程称为“解码”。在发送端，编码器将计算机等信源设备产生的信源信号，变换为用于直接传输的基带信号；在接收端，解码器将接收到的基带信号，恢复为与发送端相同的、计算机可以接收的信号。下面介绍3种基本的编码方法：第24页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航3.非归零（Non-ReturntoZero，NRZ）编码①编码规则：NRZ编码方法的示例如图2-3（a）所示。用负电压代表数字“0”，正电压代表数字“1”。②特点：NRZ编码的优点是简单、容易实现；缺点是接收方和发送方无法保持同步。③位同步：为了保证收、发双方的按位同步，必须在发送NRZ编码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号，参见图2-3（a）。④应用：计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的非归零码技术。第25页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航4.曼彻斯特（Manchester）编码①编码规则：前半周期为该位值“反码”电平值，后半周期为该位值的“原码”电平值。中间的电平跳变作为双方的同步信号。如图2-3（b）所示。②曼彻斯特编码的同步信号：曼彻斯特编码中的中间电平跳跃，既代表了数字信号的取值，也作为自带的“时钟”信号。③特点：优点是收发信号的双方可以根据自带的“时钟”信号来保持同步；缺点是效率较低。④应用：典型的10BASET、10BASE2、和10BASE5低速以太网使用的是曼彻斯特编码技术。第26页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航5.差分曼彻斯特（De-manchester）编码①编码规则：遇“0”跳变，遇“1保持”，“中间跳变”。其示例的波形如图2-3（c）。②特点：差分曼彻斯特编码的优点是自含同步时钟信号、抗干扰性能较好；缺点是实现的技术复杂。③同步信号：中间的电平跳变作为“同步时钟”信号。第27页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航图2-3二进制数据的基带信号的编码波形111000100数据(a)NRZ同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码第28页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.3.1基带传输与数字信号的编码基带传输的特点如下：优点是：抗干扰能力强、成本低。缺点是：由于基带信号频带宽，传输时必须占用整个信道，因此通信信道利用率低；占用频带宽，信号易衰减；只能使用有线介质传输，限制了使用的场合。在局域网中经常使用基带传输技术。第29页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.3.2频带传输与模拟信号的调制1.调制、解调与频带传输利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”（modulation），相应的设备称为“调制器”（modulator）；在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为“解调”（demodulation），相应的设备称为“解调器”（demodulator）；而同时具有调制与解调功能的设备被称为“调制解调器”（modem）。Modem就是数字信号与模拟信号之间的变换设备。第30页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主编：尚晓航2.数字数据（信号）的调制在调制过程中，运载数字数据的“载波信号”可以表示为：其中，振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信号的3个可变电参量；每次变化一个电参数，固定另外两个电参量。第31页2009-02-17第2章数据通信基础计算机网络技术基础（第3版）主