第二章 数据通信基础

数据通信基础数据通信的基本概念数据通信方式数据通信传输介质数据通信的实用技术数据编码技术多路复用技术数据交换技术数据网简介通信系统的基本模型通信系统经历了四个发展阶段。噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统数据通信系统的构成：源系统和目的系统传输系统（传输线路和传输设备）传输速率信号传输速率：指每秒钟信道传输的码元数，单位为波特（baud）。也称为码元速率、调制速率或者波特率。设脉冲的周期为T，则波特率B=1/T数据传输速率：指信道每秒钟所能传输的二进制位数，单位为bit/s。又称为比特率。设脉冲的周期为T，一个脉冲所表示的有效状态数为N，则比特率（bit/s）可表示为：S=（1/T）xlog2N信道容量信道容量是用来表征一个信道传输数字信号的能力，它是信道的最大数据传输速率。信道容量与信道带宽和噪声有关。数据通信方式数据通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式。通常有如下三种分类方法：按数据代码传输的顺序分为:串行传输和并行传输按数据传输的同步方式分为同步传输和异步传输按数据传输的流向和时间关系分为:单工、半双工和双工传输数据通信方式串行传输将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序在一根信号线上将数据一位一位地传送并行传输将表示一个字符的8位二进制代码通过8条并行的通信信道同时发送出去，每次发送一个字符代码数据通信方式异步传输特点是数据以字符为传输单位，且字符的发送时间是异步的。同步传输不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。0111111001111110BAX……01111110SYNSYNBAXSYN同步字符（一个或多个）同步位模式（一个或多个）可变长度的位数据块可变长度的字符数据块……数据传输方向接收连接方式点到点的连接连接方式多点连接传输介质有线介质双绞线同轴电缆光纤无线介质无线电微波卫星移动通信双绞线屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP同轴电缆同轴电缆75（CATV)用于模拟传输，称为频带电缆50(10Base5/10Base2)用于数字传输，称为基带电缆粗缆：10Mbps,500m,100站点细缆：10Mbps,185m,30站点价格贵局域网使用被双绞线取代长途传输被光纤取代光纤光纤单模光纤在介质内部成单个角度传播沿直线传播，传输距离更远多模光纤在介质内部以多个不同反射角传播无线传输介质数据编码技术数据编码方法模拟数据编码振幅键控（ASK）移频键控（FSK）移相键控（PSK）不归零码（NRZ）曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码数字数据编码脉冲编码调制模拟数据编码载波调制方法调幅，（Amplitude-ShiftKeying，ASK）调频，（Frequency-ShiftKeying，FSK）调相，（Phase-ShiftKeying，PSK）0()sin()mututModulatorDemodulator数字数据模拟信号m(t)u(t)m(t)数字数据载波模拟信道发送方接收方模拟数据信号的编码方法ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同角频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和100110100010ASKFSKPSK数字数据编码数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号编码的方法。在数据通信技术中，将利用模拟信道传输模拟信号的方法称作频带传输；而将利用数字信道来直接传输数字信号的方法称作基带传输。EncoderDecoder数字数据数字信号g(t)x(t)g(t)数字数据数字信道发送方接收方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，低电平表示逻辑0，用高电平表示逻辑1。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，传输时必须使用额外传输同步时钟信号。曼彻斯特编码(ManchesterCode)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0，低→高的跳变代表1。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。数字数据信号的编码方法01001100011时钟NRZManchester差分Manchester脉冲编码调制采样是以一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出来作为样本，让其表示原来的信号。量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有K个量化级，则二进制的位数为log2K。脉冲编码调制（PCM）PCM工作原理示意图语音信号011100011011001100PCM输出343314011100011011001100PCM脉冲（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2PAM脉冲多路复用技术DEMUX复用器解复用器共享信道MUX复用：共享使用公共信道采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。频分多路复用CH2CH1CH3原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f将用于传输信道的总带宽，划分成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，即频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）。波分多路复用棱柱/衍射光栅F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，波分多路复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）就是根据光波波长的不同来分隔复用的方法。时分多路复用A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）是将整个信道传输信息的时间划分成若干个时间片，每一路信号在自己的时间片内独占信道进行数据传输。数据交换技术线(电)路交换（CircuitSwitching）类似电话交换方式，需要先建立实际物理线路连接存储转发方式（StoreandForwardExchanging）类似邮政方式报文交换（MessageSwitching）分组交换（PackageSwitching）数据报（DataGram）方式虚电路（VirtualCircuit）方式线路交换线路的建立数据传输线路拆除报文交换报文交换（MessageSwitching）方式不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位是报文。所谓“报文”就是站点要发送的数据块，其长度不限并且可变。传送过程采用存储转发方式。报文交换的特性整块数据逐站存储转发，一个报文可以发送到多个目的地；一个时刻仅占用一段通路，线路利用率高。对报文的长度没有限制，对于大块数据占用存储空间大占用信道时间长延迟较大，不能满足实时通信的要求。分组交换分组交换（PacketSwitching）是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。数据报交换在数据报（Datagram）方式中，每个分组的传送是被单独处理的，每个分组自身携带足够的地址信息。虚电路交换虚电路交换方式分为两种：呼叫虚电路和永久虚电路。呼叫虚电路方式要经历以下三个过程：建立虚电路交换数据拆除虚电路