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1、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。,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）,数据通信举例,声音,A/D,D/A,数字信道,数据,信号,传输,信号,数据,信源,信宿,通信的目的是交换信息，信息的载体是用数据来表示的，而数据在信道中进行传输又是以信号的形式表示。,模拟传输与数字传输,模拟数据以模拟信号表示 模拟数据以数字信号表示 数字数据以模拟信号表示数字数据以数字信号表示,传输速率,信号传输速率：指每秒钟信道传输的码元数，单
2、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）x log 2 N,波特率与比特率的关系,S=B*log 2 N 或 B=S/log 2 N,例 题,采用8种相位的PSK调制方式，当信号传输速率为1200baud时，问数据传输速率是多少？,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。,无噪声信道的最大传输
3、速率,奈奎斯特（Nyquist）定理。对于无噪声信道，可根据奈奎斯特定理来确定最大数据传输速率与信道带宽的关系：C=2 x H x log 2 N 式中，C表示最大数据传输速率，单位为bit/s；H表示信道带宽，单位为Hz N表示码元状态数。,香农（Shannon）定理。香农定理是针对有噪声信道的情况下提出的，其信道容量的计算公式为：C=H x log 2（1+S/N）式中，C表示最大数据传输速率，单位为bit/s；H表示信道带宽，单位为Hz；S/N 表示信噪比，单位为分贝（dB）。（S表示信号功率，N表示噪声功率），用分贝表示信噪比时的运算为：信噪比（dB）=10 x lg（S/N）,有噪声
4、信道的最大传输速率,例 题,带宽为4kHz的信道，若采用8种不同的状态来表示数据，在不考虑噪声的情况下，该信道的最大数据传输速率是多少？带宽为3kHz的信道，信噪比为30dB，那么该信道的最大数据传输速率是多少？,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
5、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。,数据传输方向,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,非屏蔽双绞线,用于话音传输1类：只能用于话音的模拟传输2类：可用于数据传输，速率达1 Mbps用于计算机局域网的数据传输3类（10Mbps）4类（20Mbps）5类（100Mbps）6类（1000Mbps）7类（1000Mbps）
6、,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,微 波,沿直线传播，用微波塔中继微波在计算机网络中的作用广域网长途电信主干（逐渐被光纤取代）局域网或城域网网络互连物理传输手段之一要求两个端点之间的直视距离上无任何遮挡物与光纤互补,卫 星,地球同步卫星低轨道卫
7、星适用于大覆盖范围以及地形复杂的边远地区通信，与地面传输网络互补,数据编码技术,模拟数据编码,载波调制方法调幅，（Amplitude-Shift Keying，ASK）调频，（Frequency-Shift Keying，FSK）调相，（Phase-Shift Keying，PSK）,Modulator,Demodulator,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1FSK：用载波的两个不同角频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0 和1,0,0,1,1,0,1,0,0,
8、0,1,0,ASK,FSK,PSK,PSK,调 幅,调幅，又称振幅键控。这种方法是通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1，0。数学表达式为：振幅键控ASK信号容易实现，技术比较简单，但抗干扰能力较差。,调 频,调频，又称移频键控。该方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1，0。数学表达式为：移频键控FSK信号容易实现，技术简单，抗干扰能力优于ASK方式，但所占用的频带较宽。,调 相,调相又称移相键控。该方法通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1，0。绝对调相相位的绝对值来表示它所对应的数字信号。当表示数字1时，取=0；当表示数字0时，取=。绝对调相方法可以用下式表示为：相对调相相对调相用
9、载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。,多相调制,四相调相的相位变化值八相调相的相位变化值,以四相调相为例，如果传送的数字信号是00101110时，四相调相的信号波形如图。从图中可以看出，四相调相中载波调制状态每变化一次，实际传送构成数据的二进制比特数为2。同理，八相调相中，载波调制状态每变化一次，实际传送构成数据的二进制比特数为3。,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，将利用数字信道来直接传输数字信号的方法称作基带传输。,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
10、-Return to Zero)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(Manchester Code)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-Synchronizing Code)。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
11、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,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,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log 2 K。,脉冲编码调制（PCM）,PCM工作原理示意图,多路复用技术,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,复
12、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,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（Frequency Division Multiplexing，FDM）。,波分多路复用,F2,F1,F3,光谱,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（Wavelength Division Multiplexing，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,D3,
13、D2,D1,时分多路复用（Time Division Multiplexing,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。,数字载波时分多路复用的应用,数据传输速率=(24x8+1 bit)/125 ms=1.544 Mbps,T1-标准北美、日本,E1-标准欧洲、中国、南美,数据传输速率=(32x8 bit)/125 ms=2.048 Mbps,数据交换技术,线(电)路交换（Circuit Switching）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（Store and Forward Exchanging）类似
14、邮政方式 报文交换（Message Switching）分组交换（Package Switching）数据报（Data Gram）方式 虚电路（Virtual Circuit）方式,线路交换举例,A,E,F,C,D,B,a,a,a,a,a,独占信道,S1,S2,S3,a,a,a,a,a,a,此时F不能与D通话,A与E通话,线路交换,线路的建立数据传输线路拆除,线路交换的特性,数据传输可靠、实时性强，数据不会丢失且保持发送时的序列。建立端到端的物理连接花费呼叫时间；在保持连接期间双方独占信道；没有冲突有可能浪费信道资源直到发出撤除连接申请才会释放被占用的信道资源，信道资源的利用效率较低。线路交换
15、适用场合：数据传输要求质量高、批量大、采用集中方式进行交换的情况。,报文交换,报文交换（Message Switching）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。,报文交换举例,A,E,F,C,D,B,存储转发,S1,S2,S3,A向E发送电报,a,a,a,F向D发送电报,f,f,f,报文交换举例,A,E,F,C,D,B,存储转发,S1,S2,S3,a,a,a,A报文到达S1,f,f,f,F报文到达S3,报文交换举例,A,E,F,C,D,B,存储转发,S1,S2,S3,a,a,a,A报文到达
16、S2,f,f,f,F报文到达S1,报文交换举例,A,E,F,C,D,B,存储转发,S1,S2,S3,a,A报文到达S3,a,a,f,f,f,F报文到达S2,报文交换举例,A,E,F,C,D,B,存储转发,S1,S2,S3,A报文到达E,a,a,a,F报文到达D,f,f,f,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（Packet Switching）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
17、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。,分组交换举例,A,E,F,C,D,B,a,a,a,f,a,f,a,共享信道,S1,S2,S3,a,a,a,a,a,f,a,a,f,f,f,f,f,f,f,f,f,a,A向E发送数据,F向D发送数据,a,f,f,a,a,f,f,a,a,a,分组交换的特性,分组的长度有上限控制，各自独立传输占用信道时间短占用缓存空间小信道共享可充分利用信道资源有可能发生资源（信道和结点）占用冲突,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
18、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,虚电路方式与数据报方式的比较,虚电路方式是面向连接的交换方式，常用于两端点之间数据交换量大的情况，能提供可靠的通信功能。数据报方式是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话中每次传送的数据报很短的情况。,各种通信交换技术的工作时序,交换技术性能比较表,通信网简介,几种典型的数据通信服务 电话拨号网 公用分组交换网 数字数据网 帧中继 综合业务数字网（ISDN）非对称数字用户环路（ADSL）有线电视网络 微波无线网 卫星通信网,光纤同轴电缆混合网,光纤同轴电缆混合网（Hybrid fibe
19、r coaxial，HFC）是采用光纤和有线电视网络传输数据的宽带接入技术。HFC网络由光纤和同轴电缆组成，光缆铺设到小区，然后通过光电转换节点，利用有线电视的树型同轴电缆网络连到终端用户。用户端只需采用一个Cable Modem（电缆调制解调器）就可接入网络。在实际使用中，Cable Modem只占用有线电视系统可用频谱中的一小部分，因而上网时不影响收看电视和使用电话。,HFC的优点,Cable Modem具有频带宽、传输速率高、灵活性和扩展性强及经济实用的特点。抗干扰能力较强。有线电视覆盖范围广，而且有丰富的信息内容可提供，通过有线电视网络提供语音服务已经成为极具前景的发展方向，是最佳的实
20、现三网融合的接入方案。Cable Modem融数、模传输为一体，既能同时支持目前的模拟与数字服务，又能平滑过渡到今后的光纤到户和全数字化服务。,HFC的缺点,有线电视网的带宽为所有用户所共享。数据传送基于广播机制，通信的安全性不够高。另外，它主要铺设在住宅小区，显然不及市话双绞线覆盖的范围广泛；各地的有线网自成一体，没有联网形成整体。,电力线通信技术,电力线上网是目前一种新型方式，准确名称是电力线通信技术（Power Line Communication，PLC），是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信实际上是利用目前已有的宽带骨干网，使用特殊的转换设备，将宽带网络信号接入小区局端电力线。用户电脑只要通过电力调制解调器连接到室内日用交流电源插座即可上网。,PLC的优点,成本低信息传送速度可达到10Mbit/s。可通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间搭建起可自由交换信息的局域网，人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。,PLC的缺点,电力线上网不稳定和不安全。带宽拓宽问题。一些电信公司和技术公司对此技术热情不高。因此，电力线上网目前仍然处于小规模的试验阶段。,
