数据通信的基础知识.ppt

2020 3 21 1 第2章数据通信基础 2 1数据通信的基本概念2 2信道及其主要特征2 3传输介质2 4数据编码技术2 5多路复用技术2 6数据交换技术2 7差错控制及检错 2020 3 21 2 第2章数据通信基础 学习要求 1 掌握计算机通信中信息 数据与信号的基本概念 掌握数据通信系统的基本结构 以及数据通信的基本过程 2 掌握数据通信的主要技术指标 传输速率 误码率 3 了解模拟通信 数字通信系统的结构和特点 4 掌握信道的主要参数 带宽 信道容量 5 掌握串行与并行通信 单工 半双工与全双工通信 6 掌握基带传输 频带传输 了解宽带传输的概念 2020 3 21 3 第2章数据通信基础 7 掌握数据同步方式 包括位同步 字符同步技术 8 了解双绞线 同轴电缆 光缆 无线通信信道 卫星通信的特点 9 掌握模拟数据编码方法与数字数据编码的基本原理与主要特点 10 掌握多路复用技术中TDM FDM WDM和CDMA的基本工作原理 11 了解数据交换技术的类型 掌握分组交换方法的基本工作原理 12 了解数据通信中差错产生的原因与差错控制技术 掌握循环冗余编码CRC的基本工作原理 2020 3 21 4 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信的一般概念1 通信的目的是传递信息 Information 信息 Information 通常是数字 文字 语音 图形或图像等的内容或解释 含义 数字 文字 语音 图形或图像等是传递 携带 信息的实体 载体 数据 Data 是用二进制代码表示的数字 文字 语音 图形或图像等 信号 Signal 是数据的物理量编码 通常为电磁波 电子脉冲编码或光信号 也就是数据在传输过程中的电 光信号表示形式 2020 3 21 5 2 1数据通信的基本概念 2 信息转化过程计算机产生的信息一般是字母 数字 符号 图形或图像等的组合 为了传送这些信息 首先要将每一个字母 数字 符号或图形 图像等用二进制代码表示 目前常用的二进制代码是美国信息交换标准编码ASCII码 然后将二进制代码转换成信号 在信道 物理介质 上传输 2020 3 21 6 2 1数据通信的基本概念 3 数据通信指在不同计算机之间传送表示字母 数字 符号或图形 图像等的二进制代码0 1比特序列的过程 数据通信的目的是传递信息 传输的对象是数据 传输的形式是信号 2020 3 21 7 2 1数据通信的基本概念 4 通信系统模型通信的三个要素 信源 信宿和信道信源 一次通信中产生和发送信息的一端信宿 一次通信中接收信息的一端信道 信源和信宿之间传送信息的通道 以通信线路为物质基础 2020 3 21 8 2 1 2数据通信系统的主要构成现代数据通信系统组成 数据传输系统和数据处理系统数据传输系统 通信子系统或通信子网 实现不同数据终端之间的数据传输 数据处理系统 资源子系统或资源子网 由许多主机和终端设备 信息的源和宿 组成 其中的计算机主要用于数据的收集和处理 2 1数据通信的基本概念 2020 3 21 9 1 数据传输系统 通信子网 的组成 传输线路 信息的传输路径 包括传输介质和中继设备 传输介质 有线的 如同轴电缆 光纤 双绞线等 无线的 微波 无线电 红外线等 中继设备 信号在传输过程中有衰减 每隔一定距离需要对传输信号放大 恢复信号幅度和相位后继续传送调制解调器调制 数字信号序列 适合传输的形式 按频率 幅度 相位解调 接收的波形 数字信号序列 2 1数据通信的基本概念 2020 3 21 10 多路复用器 多个终端设备共用一条物理信道来传输信息所用的设备 多路到一路的转换 一路到多路的转换交换设备 在许多 几百至几万 个终端相互通信时 实现暂时连接 传输信息的设备 2 1数据通信的基本概念 2020 3 21 11 2 数据处理系统 资源子网 计算机类设备 终端设备用户与数据传输系统之间的接口 用户通过它来获取数据通信系统的服务 基本功能 向系统中的计算机系统发送信息及接收来自计算机系统的信息 计算机系统主要职责 进行数据的收集 处理和计算任务 是数据处理的核心 兼顾某些数据通信任务和一些管理工作 2 1数据通信的基本概念 2020 3 21 12 3 数据通信基本过程 通信过程 数据从发送端发出到数据被接收端接收的整个过程传输数据通信控制 执行辅助操作 不交换数据 典型通信过程的五个阶段 对比 打电话的过程 2 1数据通信的基本概念 建立逻辑连接 建立物理连接 数据传送 断开逻辑连接 断开物理连接 2020 3 21 13 4 数据通信的技术指标数据通信速率 传输速率 数据在信道中传输的速度数据通信速率分为三种 码元速率 信息速率和消息速率码元速率RB 每秒中传送的码元数 单位为波特 Baud 又称为波特率 信息速率Rb 每秒中传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 又称为比特率 消息速率Rm 单位时间内所传送消息的数量 例如 在传送计算机信息时 其单位可以是字符 秒 在不同设备中 随着编码方式和信号形式的不同 消息速率也就不同 2 1数据通信的基本概念 对于一个用二进制表示的信号 两级电平 每个码元包含1个比特信息 其信息速率与码元速率相等 对于一个用四进制 两位二进制 表示的信号 四级电平 每个码元包含了2个比特信息 因此 它的信息速率应该是码元速率的2倍 码元 时间轴上的一个信号的编码单元 一定宽度的电平信号 2020 3 21 15 2 1数据通信的基本概念 一般来说 对于采用M进制电平 log2M位二进制 传输信号时 信息速率和码元速率之间的关系是 Rb RBlog2M 2020 3 21 16 2 1数据通信的基本概念 误码率 衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数误码率Pe 码元在数据传输系统中被传错的概率 误比特率Pb 误位率 在传输中出错比特的概率 误字符率Pw 在传输中出错的字符的概率 2020 3 21 17 2 2信道及其主要特征 2 2 1数字信道和模拟信道 模拟信号 电磁波 随时间连续变化的信号 信号的某种参量 幅度 相位 频率等 可以表示要传送的信息 特征 时间上连续 包含无穷多个值数字信号 电压脉冲 离散的信号 以其某一瞬间的状态表示它们传送的信息特征 时间上离散 包含有限多个预定值 并且转换几乎是瞬时的 2020 3 21 18 2 2信道及其主要特征 数字信道 以数字脉冲形式传输数据的信道称为数字信道 相应的通信系统称为数字通信系统 计算机通信 数字电话以及数字电视都属于数字通信系统 模拟信道 以连续模拟信号形式传输数据的信道称为模拟信道 相应的通信系统称为模拟通信系统 普通的电话 广播 电视等都属于模拟通信系统 2020 3 21 19 2 2信道及其主要特征 1 用模拟信道传输数字数据数据在进入信道之前需要经过调制 变换成模拟的调制信号 调制器 信号到达信宿时要解调 将模拟信号还原为数字数据 解调器 调制器和解调器组合在一起称为调制解调器 2020 3 21 20 2 2信道及其主要特征 模拟通信的优点 调制信号的频谱窄 信道利用率高模拟通信的缺点 信道的传输衰减大易受噪声干扰 2020 3 21 21 2 2信道及其主要特征 2 用数字信道传输数字数据可以直接传输计算机所产生的数字数据 即二进制数据或经过二进制编码的数据 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 保密性强数字设备集成度高 价格相对便宜 2020 3 21 22 2 2信道及其主要特征 数字通信的缺点 频带要求宽 信道利用率低 计算机网络中仅在不得已的情况下 才会采用模拟通信 如用modem通过拨号线路传输数字信号 2020 3 21 23 2 2信道及其主要特征 2 2 2信道重要参数 1 信道带宽信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围 通常称为信道的通频带 单位用赫兹 Hz 表示 信道带宽是由信道的物理特性所决定的 例如 电话线路的频率范围在300 3400Hz 则它的信道带宽3100Hz 2020 3 21 24 2 2信道及其主要特征 2 信道容量 信道最大数据传输速率 单位时间内信道上无差错所能传输的最大比特数 用每秒比特数 bps 表示 当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时 就会产生失真 信道容量是衡量一个信道传输数字信号能力的重要参数 带宽 同 速率 之间关系如何 由于信道带宽总是有限的 以及信道干扰的存在 信道的数据传输速率总会有一个上限 并且和带宽有相应关系 2020 3 21 25 2 2信道及其主要特征 理想信道最大数据传输速率Nyquist准则指出 通过理想通信信道传输窄脉冲信号 如果脉冲信号间隔为 则前后码元 信号 之间不产生相互串扰 码元 信号 的最大传输速率RBmax与通信信道带宽W 单位为Hz 的关系可以推导如下 2020 3 21 26 2 2信道及其主要特征 Nyquest准则描述了有限带宽 无噪声信道的最大码元传输速率与信道带宽的关系 数据传输速率 信息速率 同码元速率之间关系 Rb RBlog2M信道最大数据传输速率同信道带宽的关系为 Rbmax RBmaxlog2M 2Wlog2M 2020 3 21 27 2 2信道及其主要特征 M最大速率 C 26200bps412400bps818600bps1624800bps3231000bps6437200bps 例如 话音级线路 3100Hz 的信道容量计算 如右图所示 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据 Nyquist公式 用于理想信道 其中 C为信道容量 最大传输速率 bps W为信道带宽 Hz M为离散性信号或电平的级数 2020 3 21 28 2 2信道及其主要特征 非理想信道最大数据传输速率实际的信道上存在三类损耗 衰减 延迟 噪声 a 衰减信道的损耗引起信号强度减弱 导致信噪比S N降低 信 号 噪 声 比S N 在传输的某个特定点上有用信号功率 能量 S与噪声功率 能量 N的比值 信噪比 S N dB dB分贝 2020 3 21 29 2 2信道及其主要特征 b 延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同 在接收端会产生信号畸变 c 噪声热噪声 由导体内的热扰动引起 又称为白噪声 串扰 信道间产生的不必要的耦合 例 多对双绞线脉冲噪声 非连续 随机 振幅较大 多由外部电磁干扰造成 闪电 大功率电机启动等 噪声将破坏信号 产生错误码 导致信噪比S N降低 2020 3 21 30 2 2信道及其主要特征 Shannel公式 在有高斯噪声 热噪声 的干扰信道上传输数据信号时 数据最大传输速率C同信道带宽W 信号与噪声功率比S N的关系为 例 信道带宽W 3KHz 信噪比为30dB 求数据最大传输速率 C 传输速率 单位bpsW 信道带宽 单位Hz SN 信号与噪声功率比值 2020 3 21 31 Nyquist公式和Shannel公式的比较 理想信道中数据最大传输速率C随信号编码级数增加而增加 无论采样频率多高 信号编码分多少级 此公式给出了信道能达到的最高传输速率 信号编码级数不能无限增长的原因 真实信道存在损耗 2 2信道及其主要特征 2020 3 21 32 2 2信道及其主要特征 2 2 3通信线路连接方式1 点 点连接方式在发送端和接收端之间采用一条线路 交换线路 连接 适用场合用户端是较为分散的数据终端设备 因地理分散 不能和其他终端合用线路或被集中器集中 用户端是传输信息量很大的数据终端设备 用户端是速率比较高的批量数据终端设备 2020 3 21 33 2 2信道及其主要特征 交换方式 点到点之间的连接由交换设备实现 比如通过公用电话交换网实现点 点的连接 2020 3 21 34 2 2信道及其主要特征 2 分支连接方式 多点线路 各个站点通过一条公共通信线路连接 集中式控制 在一条公共通信线路上有控制转接站 各站点直接通信必须通过转接站转接 分布式控制 没有控制转接站 各站点可直接进行通信 2020 3 21 35 2 2信道及其主要特征 在多点线路连接方式中 一条线路被所有的站点共享 若所有的站点可以同时发送数据 则这条线路在空间上是共享的 通常采用频分复用或波分复用技术传输数据 若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时 那么它在时间上是共享的 通常采用时分复用技术传输数据 2020 3 21 36 2 2信道及其主要特征 3 集线连接方式用终端集中器将较远的多个终端集中起来 再用一条高速线路同中心节点计算机相连 终端集中器 线路汇集站 2020 3 21 37 2 2信道及其主要特征 2 2 4数据的传输方式1 信道的通信方式信道的通信方式是指信号在信道上传输所采取的方式 通常有如下两种分类方法按信号编码传输的顺序分为 串行传输和并行传输按信号传输的流向和时间关系分为 单工 半双工和全双工传输 2020 3 21 38 2 2信道及其主要特征 并行传输和串行传输1 并行传输数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 优点 速度快 不需要另外的措施就可实现收发双方的字符同步 缺点 需要传输信道多 设备复杂 成本高 仅适合于近距离和高速率的通信 2020 3 21 39 2 2信道及其主要特征 2 串行传输数据流以串行方式在一条信道上传输 由于计算机内部都采用并行通信 因此 数据在发送之前 要将计算机中的字符进行并 串变换 在接收端再通过串 并变换 还原成计算机的字符结构 才能实现串行通信 优点 收 发双方只需要一条传输信道 易于实现 成本低 适于远距离传送 缺点 为解决收 发方字符同步 需要外加同步措施 速度比较低 2020 3 21 40 2 2信道及其主要特征 值得注意的是 串行和并行的概念是指组成一个字符的各位是依顺序逐位传输还是并行地传输 至于数据字符还是逐个依次发送 2020 3 21 41 2 2信道及其主要特征 单工 半双工和全双工传输1 单工 通信信道是单向信道 数据信号仅沿一个方向传输 发送方只能发送不能接收 接收方只能接收而不能发送 任何时候都不能改变信号传送方向无线电广播和电视都属于单工通信 2020 3 21 42 2 2信道及其主要特征 2 半双工 数据信号可以沿两个方向传送 但同一时刻信道只允许单方向传送 即两个方向的传输只能交替进行 而不能同时进行 通信的双方都具有发送器和接收器 当改变传输方向时 要通过开关装置进行切换 半双工方式在通信中频繁调换信道方向 效率低 但节省传输线路 在局域网中取得广泛应用 2020 3 21 43 2 2信道及其主要特征 3 全双工 数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输 四线制 电话通话 2020 3 21 44 2 2信道及其主要特征 2 数据的传输方式基带传输基带信号 未经载波调制的电脉冲信号呈现方波形式 所占据的频带通常从直流和低频开始 因而把方波固有的频带称为基带 方波信号称为基带信号 基带传输 未经载波调制 编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送 例如 局域网 发送端编码器负责完成将信源的数据转换为直接传输的数字基带信号 接收端译码器负责将接收到的电信号进行解码 恢复发送端原始的发送数据 缺点 要求信道有从直流到高频的频率特性 信号易发生畸变 传输距离近 2020 3 21 45 2 2信道及其主要特征 频带传输 利用模拟信道传送数字信号的方式 将数字信号调制成模拟信号后再发送和传输 到达接收端时再把模拟信号解调为数字信号 发送端需安装调制器 接收端需安装解调器 例如 通过电话模拟信道传输数字信号 宽带传输 早期 利用宽带同轴电缆在0 300MHz的频带上传输信息的技术 目前 传输速率大于1Mb s的广域网接入技术 例如ADSL DDN等 2020 3 21 46 2 2信道及其主要特征 3 数据同步方式同步 接收端要严格按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据 即在时间基准上取得一致 以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据 同步分为 位同步字符同步帧同步 2020 3 21 47 2 2信道及其主要特征 位同步 使接收端接收的每一位数据信息都与发送端保持同步 外同步发送端在发送数据之前 向接收端先发送一串同步时钟信号 接收方按照这个时钟脉冲频率来调整接收时序 并把接收时的时钟重复频率锁定在接收的同步频率上 以便接收数据信息 2020 3 21 48 2 2信道及其主要特征 接收过程 校准同步 用控制信号通知发送方时钟已同步 用校准后产生的同步信号作为定时信号接收数据信息 接收端的时钟定时信号是由对方送来的 而不是从数据信号中提取出来的 2020 3 21 49 2 2信道及其主要特征 自同步从数据信号波形的本身提取同步信号的方法 通过特殊编码 使这些数据编码信号包含了同步脉冲 接收方从编码信号码元中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率 相位编码为典型代表 每位二进制数据在位周期中间必须改变相位 假设规定数据 0 的编码输出信号先负后正 而 1 信息时是先正后负以太网中所用的曼彻斯特编码就是一种自同步 2020 3 21 50 2 2信道及其主要特征 字符同步 解决方法 通过字符的边界实现字符的同步接收 2020 3 21 51 2 2信道及其主要特征 异步制 字符的起止式 每次传输一个字符代码 5 8bits 传输时在每一个字符的前后均加上一个特殊的标志 称为起始位和终止位 通常 起始位为一位 极性为0 终止位为1 2位 极性为1 每个字符按照独立的整体进行发送每一个字符的起始时刻是随机的 任意的 这就是异步的含义 但在同一字符内码元的长度是相等的 接收端根据 线路空闲 通常极性与终止位一致 到 起始位 的跳变 1 0 识别一个新的字符 从而区分一个个字符 2020 3 21 53 2 2信道及其主要特征 优点 字符同步实现简单 收发双方的时钟信号不需要一直精确的同步 因为每个字符的起始位都给该字符的位同步提供了时间基准 都会重新同步 对线路的发送 接收设备要求较低 即传输可靠性高 缺点 每个字符增加了2 3bit专用于同步的数据位 降低了传输效率 适合1 2kbps以下的低速数据传输 例如 1个起始位 8个数据位 2个停止位时 其传输效率为8 11 72 应用 字符终端和计算机之间的通信 2020 3 21 54 2 2信道及其主要特征 同步制 面向成组的字符传送 提高线路利用率 发送端 以字符组为单位发送数据 字符之间没有间隔 字符组的开头由一个或多个确定的同步字符SYN领先传送 每个字符不带有附加标志 发送时首先发送同步字符SYN 在收到对方的同步应答后 发送数据及控制字符 具体格式由协议规定 2020 3 21 55 2 2信道及其主要特征 接收端 以检测同步字符SYN的模式获得时钟同步 当接收端能够用自己的时钟信号正确接收发送端的同步字符SYN后 说明接收端达到了位同步 也找到了划分字符的边界 接收端用反向信道确认后 就开始接收数据 直到接收到结束符号为止 同步符号SYN ASCII 0010110 标识一次数据传输的开始可能问题 假同步现象 数据块中含有与同步符号相同的内容解决方法 增加匹配同步符号的难度 2020 3 21 56 2 2信道及其主要特征 优点 传输效率高缺点 串行通信链路两端都要增加要求发送端必须按照串行线路所需要的速率供给字符 接收端按此速率从线路得到信息 字符间的任意停顿都会使接收端接下去接收的字符失去同步 2020 3 21 57 2 2信道及其主要特征 帧 Frame 包含数据和控制信息的数据块 包 解决方法 依靠帧的开始和结束标志 例如 HDLC帧标志为7EH 01111110 帧起始 控制信息 数据 帧结束 校验和 0 n 8bit 8bit 8 32 m 帧同步 识别一个帧的起始和结束 2020 3 21 58 2 1数据通信的基本概念