数据通信基础概念知识

11.3数据通信基础知识1.3.1数据通信的基本概念1.信息信息的载体:数字、字符、声音、图象等。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，数字或控制符的组合。因此，为了传送信息，必须对信息中包含的每一个字符进行编码。用二进制代码表示信息中的每个字符就是编码。22.常用的二进制编码格式在数据通信中,要进行编码,就要采用一定的编码标准.那么目前最常用的编码标准就是ASCII码.它既是计算机内码的标准,也是数据通信的编码标准.ASCII码用7位二进制数表示一个字母、数字或符号。如：“A”---1000001“1”-----011000133.数据和信号数据:在网络中传输的二进制代码称为数据.数据是传输信息的载体.数据和信息的区别在于:数据是信息的表示形式,而信息则是数据的内容和解释.对于数据通信系统来说,他关心的是信息的表示方式和传输方法.如,如何将表示信息的二进制比特通过传输介质,在计算机系统之间进行传递.4信号:是数据在传输过程中的表示形式.根据数据表示方式的不同,可以把信号分为数字信号和模拟信号.(1)数字信号:是一种离散的电信号.(2)模拟信号:是一种连续变化的电信号.54.信道及信道的分类(1)信道:是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.发送设备发送机信道接收机接收设备通信系统基本模型发送设备发送机信道接收机接收设备信息信号信号信息编码器调制器信道解调器译码器比特流信号信号比特流数据传输系统模型6(2)物理信道和逻辑信道物理信道:是指用来传送信号或数据的物理通路,一般由传输介质和通信设备组成.逻辑信道:是在物理信道的基础上,在节点内部实现了其他”连接”,通常把这些”连接”称为逻辑信道.因此,同一条物理信道上可以提供多条逻辑信道.(3)有线信道和无线信道(4)模拟信道和数字信道7根据信道中传输的不同类型的数据信号,可以将物理信道分成模拟信道和数字信道.模拟信道中传输的是模拟信号,而数字信道中传输的是数字信号.如果要在模拟信道上传输由计算机直接输出的二进制数字脉冲信号,就需要在信道两边分别安装调制解调器,对数字脉冲信号和模拟信号进行调制和解调.8(5)专用信道和公共交换信道5.码元和码字码元:在数据通信中,时间轴上的一个信号编码单元被称为码元.而习惯上,把计算机网络传输的每一位二进制代码称为”码元”或”码位”.如:“A”-----1000001,那我们说这个信号是由7个码元组成的序列.而这个序列通常被称为”码字”.96.数据包和数据帧数据包:在数据传输时,通常将较大的数据块分割成较小的数据段,并且在这些数据段上附加一些信息(如,目标地址,源地址,校验码等).这些数据段及其附加信息称为数据包.(IP层)数据帧:在实际传输时,还要将数据包进一步分割成更小的数据单位,这就是数据帧.(链路层)101.3.2通信系统的主要技术指标1.数据传输速率S(比特率)比特率:是一种数字信号的传输速率,它是指在有效带宽上,单位时间内所传送的二进制代码的有效位数.常用b/s,Mb/s等单位来表示.2.波形调制速率B(波特率)波特率:是一种调制速率,它是指数字信号经过调制后的速率,即经过调制后的模拟信号每秒钟的变化次数.具体来讲,在数据传输过程中,线路上每秒钟传输的波形个数就是波特率B.11假设T表示每个波形的持续时间,则调制速率可以表示为:.比特率和波特率之间有下列关系:其中,n为一个脉冲信号所表示的有效状态数.对于多相调制来说,n表示相的数目.如,在二相调制中,n=2,所以S=B,但在多相(n大于2)调制时,则有SB.(见表1-2)TB1nBS2log123.带宽对于模拟信道来说,带宽是指物理信道的频带宽度.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Hz,kHz,MHz等.对于数字信道来说,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.单位为b/s或bps.134.信道容量是指物理信道能够传输数据的最大能力.当信道上传输的数据速率大于信道所允许的数据速率时,信道就不能用来传输数据了.1948年香农经研究得出了著名的香农公式该公式指出,信道的带宽和信噪比越高,则信道的容量就越高.在网络设计中,一定要注意所用的数据传输速率一定要低于信道容量所规定的数值.145.带宽,数据传输速率和信道容量的关联6.误码率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.可表示为:NNpee151.3.3数据传输方式1.并行传输一次同时传输若干比特的数据.2.串行传输一次只能传输1比特的数据.串行通信与并行通信16串行数据通信具有以下三种方式:(1)单工通信.(2)半双工通信.(3)全双工通信单工、半双工与全双工通信171.3.4数据传输类型及相应技术在数据通信过程中,传输的数据信号类型不同,所使用的技术也不同,通常分为基带传输和频带传输.1.基带传输与数字信号的编码(1)基带信号和基带传输基带信号:就是数字信号,也称为数字基带信号.基带传输:在线路上直接传输基带信号的方法称为基带传输.18在基带传输中,必须解决两个最基本的问题:基带信号的编码问题;收发双方的同步问题.(2)基带信号的编码问题常采用的编码方式有三种:①不归零编码编码规则.用正电压表示”1”,用负电压表示“0”.NRZ编码的特点与同步信号优点:简单,容易实现.19缺点:收发双方无法保持同步.为了保证收发同步,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.②曼彻斯特编码（Manchester）编码规则每比特的周期T分为前后两个相等的部分.前半周期传送该码元值的反码,后半周期传送该码元值的原码.中间的电平跳变作为双方的同步信号20特点与同步信号③差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）编码规则每个码元值无论是”1”,还是”0”,中间都有一次电平跳变,这个跳变可以作为同步信号使用.如果码元值为”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;如果码元值为”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相同.21010110010数字数据（a）NRZ编码NRZ编码的同步时钟（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码数字数据到数字信号的编码方法222.频带传输与模拟信号的调制(1)调制,解调与频带传输在频带传输中常用普通电话线作为传输介质电话线的带宽一般在300~3400Hz之间.传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的,它不适于直接传输频带很宽,又集中在低频段的计算机产生的数字基带信号.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成模拟信号.23为此,需要在发送端选取音频范围的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波,用它运载所要传输的数字信号,并通过电话信道将其送至另一端;在接收端再将数字信号从载波上分离出来,恢复为原来的数字信号波形.这种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为模拟信号的过程称为调制.相应的调制设备称为调制器.24)sin()()(ttAtu在接收端把模拟信号恢复为数字信号的过程称为解调,相应的的设备称为解调器.同时具备调制和解调功能的设备称为调制解调器.(2)模拟信号的调制在调制过程中选用的载波信号可以表示为:其中,A:振幅,:角频率,:相位,这三个量是载波信号的3个可变电参量.25这三个量是正弦波的控制参数,也称为调制参数,它们的变化将对正弦波的波形产生影响.通过改变这三个参数来实现对模拟信号编码时,就会产生三种不同的调制方式:幅度调制(调幅)频率调制(调频)相位调制应当注意的是每次在改变一个电参数时,要固定另外两个.26①幅度调制(ASK)在幅度调制中,频率和相位是常数,振幅是变量,也就是说,载波的幅度随发送的数字信号的值而变化.例如,可以用具有幅度的载波信号表示二进制数字”1”,用幅度为0的载波信号表示二进制数字”0”.其电压波形的数学表达式为:特点:技术简单,信号容易实现,但抗干扰能力差.mA0)()sin()(0tutAtum数字”1”数字”0”27模拟数据信号的编码方法28②频率调制(FSK)在频率调制中,振幅和相位是常数,频率为变量.其电压波形的数学表达式为:特点:电路简单,抗干扰能力强,但频带利用率低.因此,FSK适用于传输速率较低的数字信号.)sin()()sin()(0201tAtutAtumm数字”1”数字”0”29③相位调制(PSK)振幅和频率为常数,相位为变量.相位调制可以分为:绝对调相,相对调相和多相调制.绝对调相的调制规则用相位的绝对值表示数字信号”0”和”1”.例如:用初始相位表示数字”1”,用初始相位表示数字”0”,则电压波形的数学表达式为:000)sin()()0sin()(0tAtutAtumm30相对调相的调制规则用当前波形的初始相位,相对于前一个波形的初始相位的偏移值来表示数字”0”和”1”.例如:用表示数字信号”0”,用来表示数字信号”1”.0'0''0'0''031多相调制以上讨论的是两相调制的方法,即用两个不同的相位值来分别表示二进制数值”0”和”1”.但是在模拟信号的通信系统中,人们经常用多相调制的方法,来达到提高数据传输速率的目的.与两相调制类似的是,在多相调制中也存在绝对调相和相对调相之分.32例如,在四相调制中,可以将待发送的数字信号按两个比特为一组进行编组,一共有四组:00,01,10,11,这样,在调相信号的传输过程中,相位每发生一次变化,便可以传送两个比特的数据.同理,在8相调制中,如果将待发送的数字信号按每3个比特一组进行编组,那么一共有8种组合.那么,在调相信号传输的过程中,相位每发生一次改变,便可以传送3个比特的数据.(见表1-3)33相位调制的特点是:占用的频带较窄,抗干扰性能好,其中相对调相有更高的抗干扰性能.1.3.5数据传输中的同步技术在网络中,收发双方是通过通信介质连接起来的,当发送方将数据发送出去后,接收方如何识别这些数据位并将它们组合成字符呢?这些问题的解决都要靠交换数据的设备之间的定时机制来实现.这个定时机制就是我们所说的同步技术,同步技术需要解决的主要问题如下:34何时开始发送数据发送过程中双方的数据传输速率是否一致.持续时间是多少发送时间间隔是多少.统一接收方和发送方动作的措施以及使得通信双方在时间基准上保持一致的技术就称为同步技术.常用的同步技术有:异步传输方式和同步传输方式两种.351.异步传输方式(1)什么是异步传输方式所谓异步传输方式就是在被传送的字符前后加起止位,实现定时的传输方式.这种传输方式是以一个字符为单位进行数据传输的,并且在每个字符代码的前后附加上起始位和停止位(这些标记数据起止的位又称为成帧信息).36DEC起始空号停止1个字符起始空号停止1个字符起始DEC停止奇偶位b7b6b5b4b3b2b1起始异步传输方式工作过程如下:平时在线路上没有信号时,线路上处于空号状态即高电平状态;一旦接收端检测到传输线路从高电平跳向低电平,也即接收端收到起始位,说明发送端已经开始传输数据.那么接收端利用传输线的这种电平跳变,启动内部时钟,使其对准接收信息的每一位进行采样,以确保正确的接收.当接收端收到停止位时,标志着传输结束.37(2)异步传输的特点各位以串行方式发送,并附加有起止位作为标示.字符之间通过空号来分隔。优点：设备简单，技术容易，费用低。缺点：由于每个字符都需要添加附加位因此，开销大。382.同步传输方式（1）什么是同步传输在传输过程中，大的数据块一起发送，在数据块的前后附加一些特殊的字符作为成帧信息。这些成帧信息使得发送端和接收端建立起一个同步的传输过程，另外，它们还用来区分和间隔连续传输的数据块。由于同步传输是以数据块的方式传输的因而线路的使用效率较高，但也加重了DEC的负担。39（2）同步传输的特点在同步