第一节-数据通信基础知识

数据通信基础知识概述传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统PC机大纲•1.1数据通信的基本概念•1.2通信方式•1.3编码技术•1.4多路复用•1.5数据交换1.1数据通信基本概念•数据及计算机通信术语–信息（Information）：人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。表示信息的形式可以使数值、文字、图形、声音、图像、动画等。是数据的内容或解释。–数据（Data）：传递（携带）信息的实体。数据可以分为模拟数据和数字数据。–信号（Signal）：数据的电子或电磁编码，数据以信号的形式在介质中传播。（模拟信号、数字信号）–信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机–信宿：通信过程中接受和处理信息的设备或计算机–信道（Channel）：传送信息的线路。信道分为数字信道和模拟信道–根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。–按照信道中传输不同类型的数据信号来划分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道–按照信道的使用方式来划分，又可以把信道分为专用信道和公共交换信道。–从复用技术上划分，还可把信道分为频分信道和时分信道。A模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器•模拟信号和数字信号–模拟信号•时间上连续，包含无穷多个信号值–数字信号•时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号ta）模拟信号tb）数字信号B信道•以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。•计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输•ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网数字信道•以连续模拟信号形式传输数据的信道。•CATV、无线电广播、电话拨号线路模拟信道模拟信号能在数字信道上传输吗？数字信号能在模拟信道上传输吗？模拟数据能在数字信道上传输吗？数字数据能在模拟信道上传输吗？•C数字通信与模拟通信–数字通信•在数字信道上实现模拟数据或数字数据的传输–模拟通信•在模拟信道上实现模拟数据或数字数据的传输•数字通信的优点–抗噪声（干扰）能力强–可以控制差错，提高了传输质量–便于用计算机进行处理–易于加密、保密性强–可以传输语音、数据、影像，通用、灵活D数据通信系统•通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟－与频率有关）信息通过数据通信系统的传输过程–信息和数据不能直接在信道上传输–把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地–编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错–调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位–解调：接收波形→数字信号–解码：数字信号→原始数据数据编码调制解调数据解码01000001‘A’01000001‘A’信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息信道1.2通信方式•A并行通信方式和串行通信方式•（1）并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。•传输速度快，近距离传输发送设备81234567接收设备校验数据线数据位串行通信方式•串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。.适合远距离传输接收设备发送设备1281234567384567并行到串行的转换串行到并行的转换单工通信•只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。半双工通信•通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。全双工通信•通信的双方可以同时发送和接收信息。串行通信的方向性结构B数据的传输方式基带/频带/宽带传输–基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。•例如：以太网（局域网）–频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。•例如：通过电话网络传输数据–宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。•例如：闭路电视的信号传输1.3数据编码技术•不同类型的数据在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据数字数据信号：模拟信号数字信号信道：模拟信道数字信道编码话音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制分为两大类：编码和调制•编码与调制的区别–编码：用数字信号承载数字或模拟数据–调制：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或模拟数据数字信号x(t)g(t)数字或模拟数据编码与解码数字信道发送方接收方g(t)编码解码调制与解调数字或模拟数据ModulatorDemodulator数字或模拟数据模拟信号g(t)s(t)g(t)载波模拟信道发送方接收方调制解调A数字数据的模拟信号编码•目的：为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的模拟信号，经传输后再在接收端将模拟信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。•包括两部分内容：调制和解调数字数据的调制•使数字数据能在模拟信道上传输•三种常用的调制技术：–幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）调幅–频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）调频–相移键控PSK（PhaseShiftKeying）调相•原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号S(t)=Acos(t+)•S(t)的参量包括：幅度A、频率、初相位–调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化–ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1–FSK：用载波的两个不同频率表示0和1–PSK：用载波的起始相位的变化表示0和100110100010ASKFSKPSK调制解调器•调制解调器(modem)包括：–调制器(Modulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在300~3400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。–解调器(Demodulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。•调制器就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形•解调器就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。–若识别不正确，则产生误码。–在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。B数字数据的数字信号编码•目的：使数字数据能在数字信道上传输•把数字数据转换成某种数字脉冲信号–常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码•不归零码（NRZ，Non-ReturntoZero）–二进制数字0、1分别用两种电平来表示；•例如：用－5V表示1，＋5V表示0；–缺点：•存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；•不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。•曼彻斯特编码（ManchesterCoding）–用电压的变化表示0和1。•规定在每个码元的中间发生跳变：•高→低的跳变代表1，低→高的跳变代表0。–每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。–缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。•差分曼彻斯特编码（Differential～）–每个码元的中间仍要发生跳变。–用码元开始处有无跳变来表示0和1，有跳变代表0，无跳变代表1。•三种数字编码的波形图01001100011时钟NRZManchester差分ManchesterC模拟数据的数字信号编码•目的：使模拟数据能在数字信道上传输–脉冲调制（PCM,PulseCodedModulation），•模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：–采样：按一定间隔对语音信号进行采样–量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上–编码：对每个舍入后的样本进行编码–编码后的信号称为PCM信号•采样定理：–如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。•语音信号的数字化–语音带宽f4kHz–采样时钟频率：8kHz（2倍语音最大频率）–样本量化级数：256级（8bit/每样本）–数据率：8000次/s*8bit=64kb/s•每路PCM信号的速率=64kb/s模拟语音信号采样时钟PCM信号采样电路量化和编码数字化语音信号f4kHzfs=8kHzPCM编码过程举例语音信号011100011011001100PCM输出343314011100011011001100PCM信号（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2PAM信号1.4多路复用技术•多路复用：多个信息源共享一个公共信道•为何要复用？–——提高线路利用率，节省物理线路成本。DEMUX复用器解复用器共享信道MUX信源信宿信道共享技术•复用方法（根据划分子信道的方式不同）–1频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）•按频率划分不同的信道，如CATV系统–2时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）•按时间划分不同的信道，目前应用最广泛–3波分复用WDM（WaveDivisionMultiplexing）•按波长划分不同的信道，用于光纤传输–4码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）•按地址码划分不同的信道，非常有发展前途•A频分复用FDM–原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH3原带宽CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用信号f复用器•B时分复用TDM–原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2复用器t•C波分复用——光的频分复用–原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤棱柱/衍射光栅•D码分复用CDM–原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。–地址码序列两两相互正交：•码序列A、B，应满足AB=0，AB'=0，AA=1，AA'=-1其中为内积运算。–在无线移动通信中应用广泛。1.5数据交换技术•什么是交换？–按某种方式动态地分配传输线路资源。•如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。•最初的交换：人工转接交换•为什么要采用交换技术？–节省线路投资，提高线路利用率。•实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。为什么要交换？–在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。•可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。–过程：建立连接→通信→释放连接–特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。——称为“面向连接的”（典型例子：电话）A电路交换•电话网络中的电路交换•电路交换也能在多路复用信道上实现–在物理线路的某个信道上建立连接主机B主机C主机D结点A结点B结点E结点F结点G结点C结点D通信子网主机A•电路交换优缺点：•数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。•建立连接和拆除的时间长；•一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；–适合于语音通信，不适合于猝发式的