3课 数据通信基础

第三课数据通信基础引入现在网络已经不仅仅是一个时髦的名词。事实上它已经成为人们生活不可缺少的一部分，就象空气和水一样。概述数据调制与编码多路复用技术异步与同步通信差错控制与校验信息交换技术学习目标了解模拟传输与数字传输的基本原理熟悉异步与同步通信的接口标准掌握常用数据编码及多路复用技术掌握信息交换技术学习完本课程，您应该能够：数据通信的基本概念数据通信系统的主要质量指标返回本章首页数据通信的基本概念数据通信的基本概念1、信息、数据和信号2、数据通信系统的模型信息（Information）:对数据的解释，是经过处理的数据。是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。数据通信的基本概念数据（Data）:记录下来可以被鉴别的符号。一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。分为：数字数据：以连续电波表示的数据形式。模拟数据：以离散的编码电波表示的数据形式。数据通信的基本概念信号（Signal）：简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。数据通信的基本概念数据&信息&信号信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。数据：是把事件的某些属性规范化后的表现形式。信号：是数据的具体物理表现。数据通信的基本概念雪六角形凉白色信息数据信号例子：数据通信的基本概念模拟：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟信号与数字信号数据通信的基本概念（a）模拟信号（b）数字信号1011100数据通信的基本概念信道：传递信息的通道，包括发送、接收设备和传输介质。频宽：传输信道所能传输信号的最大频率，单位Ｈz。码元：承载信息的基本信号单位，如脉冲信号表示数据有效值状态，一个单位脉冲就为一个码元。数据通信的基本概念带宽：设备改变信号的最大速率，目前常用的定义为:通信介质每秒所能传输的数据量，单位bit/s。数据传输率s:又称比特率，是一种数字信号的传输速率，表示单位时间内传送的二进制代码的有效位（bit）,单位用比特 / 每秒（b/s）表示。数据通信的基本概念时延:指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。由三部分组成：发送时延、传播时延、处理时延。信道容量：给定带宽上传送的最大信息速率。数据通信的基本概念数据通信系统的模型通信系统模型数据通信模型通信系统可划分为三大部分，即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。信源接收器接收的信号信宿信息源系统发送的信号传输系统信息发送器传输系统目的系统数字比特流模拟信号公用电话网模拟信号数字比特流正文正文PC机调制解调器调制解调器PC机通信系统实例数据通信模型模拟信道传输模拟数据普通电话模拟信道传输数字数据电话线传输计算机数据数字信道传输模拟数据移动电话数字信道传输数字数据计算机局域网数据通信的基本概念电话模拟数据模拟信号（a）模拟数据在模拟信道上传输调制/解调器数字数据模拟信号（b）数字数据在模拟信道上传输编码解码器（c）模拟数据在数字信道上传输模拟数据数字信号数据传输：数据通信的基本概念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。为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换为摸拟信号。为此需要在发送端选取音频范围的某一频率的正（余）弦摸拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的信号波形。调制:数字信号转换成模拟信号。解调:模拟信号转换成数字信号。常用的调制方法：调幅(AM)调频(FM)调相(PM)正交调幅(QAM)数据通信的基本概念脉冲编码调制（PCM，PulseCodeModulation）：是波形编码中最重要的一种方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输系统大多采用PCM体制。PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。话音输出话音输入解码量化滤波低通解调(接收)(发送)抽样信道再生PCM信号编码发送放大数据通信的基本概念2.4.3数字传输系统现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制。采样周期Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原幅移键控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）频移键控方式（FSK，Frequency-ShiftKeying）相移键控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）数据通信的基本概念010101100基带信号幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSK数据通信的基本概念基带传输：由计算机或终端产生的，频谱从零开始而未经调制的数字信号所占用的频率范围叫基本频带，简称基带。利用基带信号直接传输的方式称基带传输。在基带传输中，需要对数字信号进行编码，即用不同电压极性或电平值代表数字信号的“0”和“1”。数字编码方法：非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码数据通信的基本概念曼彻斯特（Manchester）编码：包括数据信息和时钟信息，每一位的中间有一个跳变，从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0，位中间的跳变既作为时钟，又作为数据。差分曼彻斯特编码：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。数据通信的基本概念101100高H低L“1”高电平“0”低电平中间跳“0”上跳“1”下跳中间总有跳变“0”开头跳高H低L高H低L（a）不归零制编码（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码数据通信的基本概念数据通信系统的主要质量指标模拟通信系统的质量指标有效性可靠性数字通信系统的质量指标传输速率差错率在数据传输时，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复用技术.通过多路复用器将多路信号组合在一条物理信道上传输,到接收端再用多路分用器（也称多路译码器）将各路信号分离并输出,从而提高通信线路的利用率，降低通信成本多路复用技术多路复用技术频分复用时分复用波分复用码分复用返回本章首页多路复用技术频分多路复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）：当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把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）按频率分割成多路信号的方法划分为若干个互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成多个子信道；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。频分多路复用主要应用于模拟信号。可用频段频率时间子信道A子信道B子信道C子信道D图2.24FDM子信道示意图FDM子信道示意图多路复用技术通道（1）通道（2）通道（3）通道（4）通道（5）通道（6）多路复用器MUXMUX源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6多路复用器FDM原理多路复用技术时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）：将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。同步时分：时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的。异步时分：允许动态地分配传输媒体的时间片。多路复用技术TDM子信道示意图可用频段频率时间ABCDABCDABCDABCD组成子信道A的时隙时分复用帧多路复用技术TDM原理2多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6多路复用器MUX目标1目标2目标3目标4目标5目标634561234516多路复用技术波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）：在光纤信道上使用的频分复用的一个变种,将光信号划分为多个波段,用来实现一根光纤同时传输多个光载波信号。因为目前网络的主干多为光纤,所以波分复用是主要的复用技术之一。多路复用技术输出要联系的控制信息发送数据可调波长发送器固定波长发送器可调波长接收器固定波长接收器固定波长接收器可调波长接收器可调波长发送器固定波长发送器同意联系多路复用技术码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）：又称码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）,是一种用于移动通信系统的技术,共享时间和频率资源。多路复用技术异步与同步通信同步通信:同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。返回本章首页同步字符数据1数据2…数据n校验字符CRC1校验字符CRC2同步字符一帧下一帧数据场异步与同步通信异步通信:发送端可以在任意时刻发送字符，字符之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后各加入1～3位信息作为字符的开始和结束标志位，以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次，从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。0/10/10/10/10/10/10/10/1起始位停止位空闲位第5—8个数据位第n个字符第n+1个字符并行数据传输:在并行数据传输中，至少有8个数据位同时从一个设备传送到另一个设备，发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。计算机内部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。串行数据传输:在串行数据传输中，每次由源地传到目的地的数据只有一位，与同时传输好几位数据的并行传输相比，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢，但在实际应用中往往选择串行数据传输，这是因为实现串行数据传输的硬件具有经济性和实用性。通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通信用于距离较远的情况。串行传输与并行传输串行传输与并行传输串行传输:数据在一个信道上一位一位依次传输。数据线数目与与传输数据无关。特点：1、通信线路数小，线路利用率高适合于远距离传输。2、在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。3、需要实施同步措施，以确保不产生错字。并行传输:数据在多个信道上同时传输。数据线数目与与传输数据相同并可能多一校验线。特点：1、不需要对传输代码进行时序转换2、需要数据线数目多。3、传输速率高。串行传输与并行传输数字通信原理7.按照数字信号码元排列方法的不同，可分为：串序传输：将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。并序传输：将数字信号码元分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。串序与并序传输示意图：数字通信原理串序传输：发送设备接收设备01101101数字通信原理并序传输：发送设备接收设备01101001011001101010110110010101……数字通信原理数字通信的主要特点：无噪声积累，能保证较高的通信质量便于加密处理数字信号便于直接与计算机接口形成智能网数字通信原理高度的灵活性和通用性设备便于集成化、微型化但是，数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取得，并且数字通信对同步要求高，系统设备比较复杂。数字通信原理由于数字通信的一系列优点，人们熟悉的短波通信、微波通信以及迅速发展的移动通信、卫星通信、光纤通信等都向数字化方向发展。随着微电子技