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1、第2章数据通信技术,本章主要内容,21数据通信技术概念,211 模拟数据通信和数字数据通信 212数据通信系统基本结构213数据通信中的几个技术指标,211 模拟数据通信和数字数据通信,信息信息是指人们对客观现实世界事物的存在方式或运动状态的某种认识。信息是数据的内容和解释，通信的目的就是交换信息。数据（Data）数据是信息的表达形式，是有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。信号信号是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号，如图所示。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的
2、参量来表示要传输的数据。,211 模拟数据通信和数字数据通信,信源和信宿信源是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。信宿是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。信道信道是信源和信宿之间的通信线路。噪声噪声就是信号在信道上传输过程中受到的各种干扰。,数据通信系统的组成,212数据通信系统基本结构,数据通信分类 模拟通信模拟通信是指在信道上传送的是模拟信号的通信。模拟通信系统由信源、调制器、信道、解调器、信宿及噪声组成。 数字通信数字通信是指在信道上传送用数字信号的通信，数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送端和接收端时钟
3、同步组成，,模拟通信,数字通信,数字通信的好处,抗干扰能力强可实现高质量的远距离通信能适应各种通信业务能实现高保密通信通信设备的集成化和微型化,213数据通信中的几个技术指标,1数据传输速率比特率 波特率 误码率2信道带宽与信道容量3传输时延,数据传输速率,比特率比特率是每秒种传输二进制信息的位数，单位为“位/秒”，通常记作bps，主要单位有Kbps、Mbps和Gpbs。波特率波特率也称码元速率、调制速率或者信号传输速率，是指每秒中传输的码元（符号）数，单位为波特，记作Baud。比特率与波特度的关系例如：信号的波特率为600Baud，采用4相DPSK调制，则信道支持的最大数据速率是多少？误码率
4、误码率是指二进制数据位传输时出错的概率。,信道带宽与信道容量 信道带宽是指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决定的。如电话线路的频率范围是300Hz3400Hz，则这条电话线的信道带宽为300Hz3400Hz。 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上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。,22数据编码和调制技术,数据分为模拟数据和数字数据，信号又分模拟信号和数字信号，数据要在信道上传输必需把数据传换为信号
5、，信道也可以分为模拟信道和数字信道。,数据转换成信号的4种组合,数据转换成信号,221数字数据的调制,当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换。这个数模转换的设置就是调制解调器（Modem）。正是通过这样一个“调制”与“解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯，,221数字数据的调制,对数字数据进行调制的方法有幅移调制（ASK）、频移调制（FSK）和相移调制（PSK）三种。根据载波信号中，可以根据幅度、频率、相位三个可改变的量，来实现模拟信号的编码。 1幅移键控法(ASK) 用载波的两个不同振幅表示0和1。2频移键控法(FSK) 用载波的两个不同频率
6、表示0和1。3相移键控法(PSK) 用载波的起始相位的变化表示0和1。,幅移键控法(ASK),频移键控法(FSK),相移键控法(PSK),221数字数据的调制,222数字数据的编码,利用数字通信信道直接传输数字信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码，将数字数据转换成数字信号。,NRZ,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,数字数据编码的三种方法,数字数据的编码,1不归零编码（NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑1，用正电平表示逻辑0，反之亦然。2曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信
7、号1，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号0。3差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，根据其开始边界是否发生跳变来决定。若一个比特开始处存在跳变则表示0，无跳变则表示1。,数字数据的编码,223模拟数据的数字信号编码,由于数字信号在信道传输过程中具有失真小、误码率低和传输速率高等特点，因此常将模拟信号进行数字化，实现模拟信号的数字传输，用以提高模拟信号的传输质量。模拟信号的数字编码通常采用脉冲编码调制方法（PCM）。,脉冲编码调制方法（PCM）的过程,脉冲编码调制方法（PC
8、M）,23数据传输方式,231单工通信、半双工和全双工通信 根据数据在信道上的流向及特点，数据通信可以有单工通信、半双工通信和全双工通信三种通信方式。,单工,半双工,全双工,232并行传输和串行传输,并行传输 并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。常用的就是将构成一个字符代码的几位二进制码，分别在几个并行信道上进行传输。串行传输 串行传输指的是数据流以串行方式，在一条信道上传输。一个字符的8个二进制代码，由高位到低位顺序排列，这样串接起来形成串行数据流传输。,233数据传输的同步技术,实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一。通常使用的同步技术有两种：异步方式和
9、同步方式。异步方式 在异步传输方式中，每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示字符结束。,数据传输的同步技术,同步方式 同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧），在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。,234信号的传输出方式,1基带传输 在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是典型的矩形电脉冲信号，其频谱包括直流、低频和高频等多种成份。
10、2频带传输 远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。3宽带传输 宽带信号是用多组基带信号1和0分别调制不同频率的载波，并由这些载波分别占用不同频段的调制载波组成。,24多路复用技术,多路复用技术是指在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道，同时传输若干路信号的技术。多路复用是多个用户共享公用信道的一种机制，通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的，,24多路复用技术,频分多路复用（FDM） 频分多路复用是将信道的传输频带分成多个互不
11、交叠的频带部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上就可以同时传输多路信号，而每一路信号占用的只是其中的一个频段。它是模拟通信的主要手段，如无线电广播。时分多路复用（TDM） 时分多路复用是将一条物理信道按时间分成一个个的时间片，每个时间片占用信道的时间都很短。这些时间片分配给各路信号，每一路信号使用一个时间片。在这个时间片内，该路信号占用信道的全部带宽。波分多路复用（WDM） 波分多路复用主要应用在光纤通道上。码分多路复用（CDMA） 码分多路复用又称码分多址，它既共享信道的频率，也共享时间，是一种真正的动态复用技术。其原理是每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通
12、信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重又叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。,25数据交换技术,数据交换是指数据在通信子网中各节点间的数据传输过程，按数据传送的方式将数据交换技术分成二大类：电路交换和存储转发交换，其中存储转发交换技术又可分为报文交换和分组交换。,251电路交换,电路交换也称为线路交换，当前的电话网就使用这个技术。利用线路交换通信时中间交换节点间要建立一条专业的通信电路。利用线路交换进行通信时需要分成三个阶段：电路建立、数据传输和线路拆除。（1）电路建立 （2）数据传输 （3）电路拆除,电路交换,电路交换技术的优缺点及其特点：
13、（1）优点： 数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。（2）缺点： 电路一经建立，就归通信双方所有，利用率低、浪费严重。它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。（3）特点： 在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。,252存储转发交换,存储转发交换 通信双方在进行通信时，不需要预先建立一条专用的电路。发送端将需要发送的数据（报文或分组）中加入目的地址。直接交给通信网络，通过存储转发方式传输给目的站点。存储转发工作原理 发送端将一个目的地址附加在数据（报文或分组）上发送出去；每个中间节点先接收整个数
14、据（报文或分组），检查无误后暂存（存储）这个数据（报文或分组），然后根据数据（报文或分组）的目的地址，选择一条合适的空闲输出线路将整个报文传送给下一节点（转发）；直至目的节点。,存储转发交换,存储转发交换的特点：线路利用率高。在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。存储转发交换系统可以把一个报文（分组）发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。存储转发交换网络可以进行速度和代码的转换。有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。需要传输的数据分
15、为报文和分组，传输报文的称报文交换、传输分组的称分组交换。,1报文交换,报文 把一次要传输的数据，长度不限且可变的称为报文，特点 报文交换时，中间节点中需要存储转发数据，报文需要排队，而报文的长度没有限定，所以报文通过中间节点时有不可测的通信延迟，不能满足实时通信的要求。,2分组交换,分组交换 分组交换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，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。它适用于交互式通信。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。,（1）虚电路分组交换,虚电路
16、分组交换 一种将存储转发方式和电路交换方式结合起来，发挥两种方式的优点，以达到最佳的数据交换效果。 虚电路分组交换 需要在发送方与接收方之间建立一条逻辑通路，每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个结点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。之所以称为“虚”电路，是因为这条电路不是专用的。,（2）数据包分组交换,数据报分组交换 数据报分组交换时，发送方所发送的每一个分组都独立通过存储转发交换方式传输到接收方，每个分组在通信子网中可以通过不同传输路径传输，到了接收方再组合起来。,253各种数据交换技术的性能比较,电路交换： 在数据传输之前必须先设置一条
17、完全的通路。在线路拆除（释放）之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。报文交换： 报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。分组交换： 分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于交换中等或大量数据的情况。,26差错控制技术,数据通信时接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象称为差错，差错是不可避免，因为信道上总是有噪声的，信道的噪声能够干扰通信效果，降低通信的可靠性。差错
18、控制技术就是分析差错产生的原因与差错类型，研究检查是否出现差错及如何纠正差错。,261差错产生的原因与类型,通信信道的噪声分为热噪声和冲击噪声两种。由这两种噪声分别产生两种类型的差错，随机差错和突发差错。热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的，热噪声的特点是：时刻存在，幅度较小且强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。由热噪声引起的差错称随机差错。此类差错的特点是：差错是孤立的，在计算机网络应用中是极个别的。冲击噪声是由外界电磁干扰引起的，冲击噪声的特点是：差错呈突发状，幅度较大影响一批连续的bit（突发长度），是引起传输差错的主要原因。冲击噪声的持续时间要比数据传输中的每比特发送时间要
19、长，因而冲击噪声会引起相邻多个数据位出错。冲击噪声引起的传输差错称为突发差错。,262差错控制,差错控制就是检测和纠正数据通信中可能出现差错的方法，保证计算机通信中数据传输的正确性和传输效率。差错控制检测方法是差错控制编码。在向信道发送数据之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。差错控制编码可分为检错码和纠错码。检错码能自动发现差错的编码；纠错码不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。,自动请求重发（ARQ）,1自动请求重发（ARQ）
20、，是计算机网络中较常采用的差错控制方法。ARQ的原理是：发送方将要发送的数据附加上一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则接收方返回请求重发的信息，发送方在收到请求重发的信息后，重新传送数据；如没有发现差错，则发送下一个数据，如图所示。,自动请求重发（ARQ）,前向纠错（FEC）,发送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一并发送，接收方则根据纠错码对数据进行差错检测，如发现差错，由接收方进行纠正，如图所示。,263差错控制编码,差错控制编码的原理是：发送方对准备传输的数据进行抗干扰编码，即按某种算法附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。接收方收到数据
21、后进行校验，即检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生。,1奇偶校验,原理：通过增加冗余位来使得码字中“1”的个数保持为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如：发送顺序偶校验1100101+0发送顺序奇校验1100101+1 在实际使用时，奇偶校验可分为以下三种方式：垂直奇偶校验、水平奇偶校验、水平垂直奇偶校验。,2循环冗余校验（CRC）,例如：要发送的报文是1101011011，生成多项式为，求CRC码和要发送的码字。解：CRC码及码字求法如下：发送数据比特序列为1101011011 （10比特）；生成多项式比特序列为10011（5比特，K=4）；将发送的数据比特序列乘以，产生的乘积其比特序列为11010110110000；将乘积比特序列用生成的多项式比特序列去除，按模二算法即异或运算，运算方式为求得余数比特序列为1110。,循环冗余校验,
