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1、第部分 工业数据通信基础,第5章 数据通信技术 第6章 传输介质,第5章数据通信技术,5.1 引 言（几个概念）数据(data)信息的载体、表现形式；数值、文本、话音、图形和图像等；模拟数据和数字数据。信号(signal)数据是通过物理信号进行传输,用其特征参数表示数据；模拟信号和数字信号。,第5章数据通信技术,5.1 引 言（几个概念）信道（channel）信号在信道上传输；指传输介质及线路中恢复信号的装置：如中继器、集线器等；模拟信道和数字信道。数据通信(data communication)计算机网络使用的通信技术,数字数据。,5.2 数据传输方式,5.2.1 单工、全双工和半双工传输
2、单工传输(simplex transmission):只有一个方向不变的单向通道连接了两个设备,如打印机等。全双工传输(duplex transmission):两设备之间可以同时在两个方向上传输数据,这里所说的两条不同方向的传输通道是个逻辑概念。半双工传输(half-duplex transmission)：两个设备之间虽然有两个通信通道,但是在任何一段时间中,只能有一个设备发送数据,另一个设备接收数据。如电话通信、现场总线控制网络。,5.2.2 异步传输和同步传输,1.同步 同步问题是数据通信有一个重要问题,同步包含了两个方面的要求：接收方基准时钟起始位置必须和收到的位串的起始位置对准,即
3、帧同步、字符同步；接收方基准时钟要和位串每一位对准,即位同步。实现帧同步和字符同步的方法：一般是在帧和字符前后增加标志字符和标志位。实现位同步有两种方法：外同步（时钟信号线、数据传输线）;内同步（时钟和数据一起编码）。,5.2.2 异步传输和同步传输(续1),2.异步传输(asynchronous transmission)位同步：通信双方使用独立的定位时钟,但约定同样的传输速率；字符同步：以字符为单位进行数据传输,每一个字符前后各加一个起始位和一个停止位；传输速率常用：300、600、1200、2400、3600、9600和19200 b/s；RS-232C接口,使用异步传输方式。,5.2.
4、2 异步传输和同步传输(续2),图5.1 异步传输 的字符格式起始位“0”,1比特：标志着字符的开始,引起接收方的注意,准备接收后面的有效字符；停止位“1”,12比特：标志着传送字符的结束,使接收方有一个缓冲处理的时间；Bit1Bit7是7比特的字符：有5、6、7及8比特；奇偶校验位:易于实现,编码效率高,但只能检测出奇数个错而不能检测出偶数个错。,5.2.2 异步传输和同步传输(续3),3.同步传输(synchronous transmission)数据不是以字符而是以帧(frame)为单位进行传送；帧同步：帧定界符；位同步：通信双方使用同一时钟发送与接收；适用于快速的和较大规模的信息传输，
5、以太网中应用；,5.2.2 异步传输和同步传输(续4),3.同步传输(synchronous transmission)(续1)同步传输有两种方式：面向字符和面向位。面向字符的同步传输方式：20世纪60年代采用的传输方式;通信链路上所传送的数据是由选定的字符集中字符所组成,如ASCII码字符集;不仅正文由字符集中的字符组成,控制信息也是由同个字符集中若干个指定的字符组成;存在一些缺点,比如它要求所有的通信设备都要使用同样的字符代码。,5.2.2 异步传输和同步传输(续5),3.同步传输(synchronous transmission)(续2)面向位的同步传输方式：1974、IBM、SNA(S
6、ystem Network Architecture);在SNA数据链路层采用了面向位的传输规程同步数据链路控制SDLC(Synchronous Data Link Control);后来ISO把SDLC修改,称为高级数据链路控制HDLC(High level Data Link Control),作为国际标准ISO3309;HDLC和SDLC具有相同的帧结构。,5.2.2 异步传输和同步传输(续6),HDLC帧格式（图5.2）比特 8 8 8 可变 16 8帧同步：在一帧的首尾附加有标识符“01111110”,1字节 零比特填充法：数据中遇5个“1”,插入“0”地址字段：目的地址,全“1”为
7、广播控制字段:帧的性质和类型,数据帧、应答帧和命令帧等 帧校验序列FCS:循环冗余校验CRC码,5.2.3 频带传输与基带传输,1.频带传输 数字数据转换成模拟信号(调制),借助于模拟信道(电话传输系统)进行传输。FDM(FrequencyDivisionMultiplexing):频带传输可利用频分多路复用FDM实现多路复用,提高传输信道的利用率。基本原理是将多路数字信号的每一路用不同的载波频率进行调制,每一路信号调制后占用信道的不同频段,互不重叠干扰,从而实现在一条电缆上进行多路信号的传输。,5.2.3 频带传输与基带传输(续),2.基带传输 对应于频带传输的另一种传输方式;基带(base
8、 band):数字数据不经调制进行编码变成的数字信号所占用的频带,频谱一般从0开始;在数字数据传输前需进行编码,转换为数字传输信号,然后用数字信道进行传输：即用不同的电平和波形来代表数字“0”和“1”；可利用TDM(Time Division Multiplexing)实现多路复用,提高传输信道利用率。,5.3 数据转换技术,5.3.1 调制解调技术频带传输必须先将数字数据转换为模拟信号;调制(modulation),解调(demodulation);载波(carrier)：正弦波 三种调制方法：*幅移键控法ASK（Amplitude Shift Keying）*频移键控法FSK（Freque
9、ncy Shift Keying）*相移键控法PSK（Phase Shift Keying）,图5.3 数字数据的3种调制方法,幅移键控法ASK/幅度调制法:容易受增益变化的影响；调制解调器很少采用调幅方式。频移键控法FSK/频率调制法:一般情况下,“1”载波频率变为f+f0,“0”载波频率变为f-f0,其中f为中心频率,f0为频移量；实现简单,可靠性高,用于频率不高的调制解调器；一个例子：美国Bell-103 modem。图3.4,5.3.1 调制解调技术,图5.4 频率调制解调器Bell-103(1170100Hz及 2150 100Hz1),采用全双工的传输方式；在每个通道上,通信双方都
10、可以主动地启动一次通信过程。,相位调制法:二相调制(图5.3c)：相位是反相的,差180度。四相调制(表5.1)：八相调制(表5.2)：,5.3.1 调制解调技术(续),5.3.2 编码解码技术,编码（coding）意义：有利于接收端区分 0 与 1;传输信号中携带时钟;充分利用信道,达到更高的数据传输速率。编码方法：不归零制编码；(差分)曼彻斯特编码;4B/5B(4 out of 5）编码;多进制编码。,数字数据已有了1/0码值区别,为何不直接使用高/低电平加到物理信道上传输,而要编码呢?,5.3.2 编码解码技术(续1),1.不归零制编码（Non-Return to Zero Coding
11、）用不同的电平信号表示0/1,+5V表示“1”,0V表示“0”(单极性码),+5V表示“1”,-5V表示“0”(双极性码)。信号占满整个码元宽度,中间不归零。问题：难以区分0与1；须外同步方式,增加投资；直流分量：造成传输线路的电压漂移,导致信号的畸变,难以使用交流耦合的器件与电路。,5.3.2 编码解码技术(续2),2.曼彻斯特编码（Manchester Coding）以太网使用；用相位跳变表示数字0/1（正跳变/负跳变）。优点：自带时钟码（self-clocking-code);相位的跳变容易判断0/1;无直流分量。缺点：传输效率减少了一半,100Mb/s的数据传输速率需要有200Mbau
12、d的码元传输速率。,5.3.2 编码解码技术(续3),3.差分曼彻斯特编码（Differential M.C.）令牌环使用；在每一数据位的中间也有一个跳变,只用来生成同步时钟信号,不用跳变的相位表示数字“0”和“1”;每位开始有无跳变(有/无)表示数字0/1;在解码过程,只要把前一位的后半位和本位的前半位进行“异或”,相同“1”；不同“0”。,图5.5 数字数据编码,5.3.2 编码解码技术(续4),4.4B/5B(4 out of 5）编码 FDDI使用；4B/5B编码将欲发送的数据流每4比特作为一组,然后将每组按4B/5B编码规则转换成相应的5B码;优点：选32个5B码中至少有两个1的编码
13、,FDDI在光纤中传输的光信号至少发生两次跳变,选32个5B码中没有连续的个的编码,保证接收端时钟提取,易于同步。,5.3.2 编码解码技术(续4),4.4B/5B(4 out of 5）编码 5B码和4B码的对照情况：代表符号 4B码 5B码 代表符号 4B码 5B码 0 0000 11110 8 1000 10010 1 0001 01001 9 1001 10011 2 0010 10100 A 1010 10110 3 0011 10101 B 1011 10111 4 0100 01010 C 1100 11010 5 0101 01011 D 1101 11011 6 0110 0
14、1110 E 1110 11100 7 0111 01111 F 1111 11101,5.3.2 编码解码技术(续4),4.4B/5B(4 out of 5）编码 一般形式为mBnB，mn，把m比特一组的二进制码用n比特的代码组来表示;4B/5B、5B/6B、8B/10B等;100BaseTX也使用4B/5B编码。,5.3.2 编码解码技术(续5),5.多进制编码 四进制：码元状态数4；M进制：码元状态数M；四/M（M=2n）进制码每个码元携带了2/n 比特数据。图5.5,图5.6 四进制基带传输信号,5.4 多路复用技术,多路复用(Multiplexing):把多路通信复用到一条物理线路上
15、。在电话通信系统中:早期,空分多路复用SDM(Space Division Multiplexing);后来,采用频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)技术;现在,发达国家的电话主干线已经实现了数字化传输,因此时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)又成为主流。,5.4 多路复用技术(续),在计算机网络系统中：数字传输系统,主要使用时分多路复用技术TDM；采用同步光纤网SONET的TDM,已达到10Gb/s；近十年来,人们对多路复用技术的研究又由电信号的时分多路复用转向光信号的波分多路复用WDM(Wavelengt
16、h Division Multiplexing)。码分多路复用/码分多址：CDMA(Code Division Multiplexing Address)；根据码型(波形)结构的不同实现信号的复用；主要应用于卫星通信和移动通信中。,5.4.1 频分多路复用FDM,频分多路复用FDM：以频率作为信号分割的参量,信道频带分成若干频段,每路信号占其中一段。例1：全双工Bell-103调制解调器1170100Hz及 2150100Hz1;只不过只复用了2个逻辑通道。例2：调幅(AM)无线电广播频带宽度大约是1MHz,从500kHz到1500kHz;不同频段分给不同电台,如中央1套是640kHz。它们之
17、间留有一定的间隔,以防止串扰。,5.4.1 频分多路复用FDM(续),电话系统中:每路电话信号的带宽是300Hz3400Hz；当多个通道复合到一起时,每个通道分配 4000Hz作为标准带宽；在各路信号间留有防护带避免串扰；图3.7示意了FDM如何将3个话音通道复合在一起。,图5.7 频分多路复用FDM,电话系统FDM标准化方案(世界上广泛使用):将12个4kHz标准带宽的通道复合到60kHz108kHz的频带上,这个48kHz带宽的单位称为群(group);5个群(60个话音通道)又可复合成1个超群(supergroup)312kHz552kHz;5个超群(300个话音通道)又可复合成1个主群
18、(mastergroup)812kHz2 044kHz;3个主群(900个话音通道)又可复合成1个超主群 8 516kHz12 388kHz;在超主群还可进一步复合成12MHz(2 700个话音通道)和 60MHz(10 800个话音通道)的系统。,5.4.1 频分多路复用FDM(续),5.4.2 时分多路复用TDM,时分多路复用:频分多路复用FDM只用于模拟通信；发达国家的电话主干已经数字化,TDM用于数字数据传输,越来越广泛地被采用；以时间作为信号分割参量,一帧分成若干时隙,每路信号占其中一个时隙。现代数字电话系统：模拟传输:用户电话机本地回路电话系统端局;数字传输:端局编码解码器(cod
19、ec)数字化。,5.4.2 时分多路复用TDM(续),脉冲代码调制PCM(Pulse Code modulation):一种数字化方法:取样、量化和编码;举例：一个模拟信号的4个采样值0.9、3.1、8.6和13.2 量化为1、3、9和13 编码为：0001、0011、1001和1101;PCM是现代数字电话系统的核心。编码解码器:每秒采样8000次,即125s/次；根据采样定理足够捕获4kHz电话信道带宽的信息；电话系统中几乎所有的时间间隔都以125s为基数。,5.4.2 时分多路复用TDM(续),数字电话主干 TDM:125s长度的一帧分为若干时隙,每个时隙传送不同的话路信号。T1线路:北
20、美、日本,24路话音通道；24路8b/路+1b=193b；193b125 s=1.544Mb/s；T1(4)T2(7)T3(6)T4 8b/路：7b数据,1b信令信号,用于控制；1b:用于分帧。,5.4.2 时分多路复用TDM(续),E1线路:其他地区、中国,32路；32路8b/路=256b；256b125 s=2.048Mb/s；E1(4)E2(4)E3(4)E4(4)E5 32路：30个通道用于数据,2个通道用于信令。,图5.8 T1线路的时分复用帧,5.4.4 波分多路复用WDM/DWDM,SONET TDM:一根光纤上传输一个波长（一种频率）的光信号。WDM(Wavelenth Div
21、ision Multiplexing)：一根光纤上传输多个不同波长的光信号,发送端将多个光信号复合,接收端分离;概念上WDM和FDM相同,但WDM是对光信号的复合和分离,而FDM是对电信号。,5.4.4 波分多路复用WDM/DWDM(续),密集波分多路复用DWDM(Dense WDM):同一个波段中通道间隔较小的WDM；目前使用1.5251.565m的波段；衰减小,可达 160路10 Gb/s;光波之间的间隔是1.6nm,0.8nm甚至更小更密集。IP over DWDM：DWDM和高速交换式路由器的IP技术结合；高速交换式路由器借鉴ATM高速交叉开关技术实现接口之间高速互连,端口速率可以达到
22、2.5Gb/s甚至10Gb/s；激发了对全光交换设备及光互联网的研究。,5.5 数据交换技术,数据交换技术：网络中的两个结点要通信时,在双方之间建立一条物理的或逻辑的通道,称为链路。在通信结束后这条链路又拆掉,释放所占用的线路资源,以供其他通信使用。需要在网络中有一些交换设备,将数据由一个结点向另一个结点传输：电话网络中交换机；计算机网络中的路由器等。是大规模的网络特别是广域网中采用的技术。,5.5 数据交换技术,常用的交换技术：电路交换；报文交换；分组交换；帧中继交换；异步传输模式等高速交换技术。,5.5.1 电路交换（circuit switching）,电路交换(circuit swit
23、ching):通过物理设备来实现的传输线路的转换,在通信的双方建立一条专用的传输线路;电话系统是最典型的电路交换的例子,通话的双方的电话机通过交换机连通,双方通过连通的专用线路通话。三个过程：电路建立；信息传输；电路释放。优点:数据传输可靠、迅速、不易丢失,收方收到的数据的顺序保持发方发送数据的顺序。缺点:线路的利用率不高。,5.5.2 报文交换（message switching）,报文交换(message switching):以报文为单位的存储转发的传输方式;报文是一次传输的信息块(1个程序/数据块等);存储转发:first store then forward。特点：线路可被多个传输所
24、用；收方可处于不可用状态；一对多和优先级的传输；中间结点转发中可进行差错校验和处理；传输延时大。,5.5.3 分组交换（packet switching）,分组交换方式:以分组(packet,包)为单位的存储转发传输方式。优势(将长报文分割成短分组多次传输):由于分组长度小,在转接过程中可以缓存于转发计算机内存中；分组在各转发结点同时被存储转发,被并行处理,降低了整体的传输时间；可以通过不同的路径传输；对于传输中的错误,只需要重发出错的包,而不必重发整个报文,因此提高了差错控制的效率。,5.5.3 分组交换（packet switching）,分组交换:数据报分组交换;虚电路分组交换。数据报(
25、datagram)方式:connectionless oriented;每个分组的传输都是独立寻径,同一报文的不同分组虽然是去同一个目的站,但它们可能经过不同路径,而经过每条路径的传输时间可能不同;分组在发送时必须标上表示顺序的标志,以便在目的结点重组。,5.5.3 分组交换（packet switching）,虚电路(virtual circuit)方式:connection-oriented 图3.9每个分组传输都使用同一条路径传输;不会出现分组乱序的情况。虚电路与电路交换非常相似的3个传输步骤:发方发送1个呼叫分组,收方做出应答建立连接;一次寻径多次使用;传输完成便释放连接。不同之处:非
26、物理线路连接,而是指定了1条传输通道；不是专用的。,图5.9 数据交换方式示意图,5.5.4 高速交换技术,帧中继FR（Frame Relay）:帧中继交换对X.25分组交换网的通信协议进行了简化和改进,减少了处理时间;分组交换通信子网分为物理层、数据链路层和网络层,而帧中继通信子网仅有物理层和数据链路层;一个帧还没有接收完时就开始转发此帧；转发站不进行差错检验和控制；没有显式的流量控制;使用面向连接的永久虚电路；分组交换网一般为64kb/s,帧中继可达到T1/E1的速率。,5.5.4 高速交换技术(续),异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode):信元(cel
27、l)交换,53个字节,长度固定且很短,用硬件电路进行处理,缩短了处理的时间；转发站不进行差错检验和控制；面向连接;可达到几百M-2.2Gb/s 传输速率;宽带综合业务数字网B-ISDN.,5.6 差 错 校 验,误码率Pc：衡量信道传输质量的一个重要参数；数据的二进制码被传错的概率,当传输的总二进制码数很大时,可近似为：Pc错误接收的二进制码数/接收的总二进制码数 减少误码率途径：提高线路和传输设备的性能和质量,这依赖于更大的投资和技术进步；另一方面是采用差错控制。,5.6 差 错 校 验,差错控制:采用某种手段去校验传输差错,发现传输错误并采用重发技术等去纠正错误；发现差错甚至能纠正差错的常
28、用方法是对被传送的信息进行适当的编码：检错码(error-detecting code),能校验差错的编码纠错码(error-correcting code),可以纠错的编码差错控制用得最广泛的方法还是发检错码,称反馈重发纠错。,5.6 差 错 校 验,在局域网络技术中常用的检错码：循环冗余校验CRC码(Cyclic Redundancy Check)码多项式：C(x)=Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+C1x+C0 由：信息码(k位)：码多项式 K(x),(k-1）次；校验码(r位)：码多项式 R(x),(r-1）次；可得：CRC码(n=k+r 位),码多项式C(x)：C(x)=xr K(
29、x)+R(x),(n-1)次。只要求得校验码R(x)即可。,5.6 差 错 校 验（续）,校验码R(x)计算方法:发方由已知的信息码K(x)求校验码R(x):R(x)=xr K(x)G(x)的 r 位余数 除法用无借位减(异或)G(x):给定的生成多项式(generator polynomial)示例,由 K(x)求 R(x)示例,信息位串：1011001生成多项式：11001得到余数：1010,5.6 差 错 校 验（续）,收方校验：收到的C(x)除以生成多项式的G(x):若余数为零,则认为传输无误；若余数不为零,则认为检验出传输差错。证明如下：设xr K(x)除以G(x)的商为Q(x),则
30、 xr K(x)=G(x)Q(x)+R(x)C(x)=xr K(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x)=G(x)Q(x)-整除,5.6 差 错 校 验（续）,广泛采用的生成多项式：CRC-12,CRC-16,CRC-CCITT,CRC-32;CRC-16是HDLC规程中使用的CRC校验生成多项式;CRC-32是IEEE802.3以太网介质访问控制帧中采用的CRC校验生成多项式。循环冗余码校验:可以用硬件电路来实现,大大加快校验速度。,5.7 数据通信的性能指标,5.7.1 数据传输速率和码元传输速率数据传输速率：每秒传输的数据（编码前的数字数据）的二进制位数,b/s,或bps,比
31、特率。100兆的以太网其数据传输速率就是100Mb/s，包括传输的净负荷以及为传输控制附加的数据。信号传输速率：编码后传输信号在信道上的传输速率,每秒钟传输信号变化次数,波特(baud),码元传输速率,波特率。100Mb/s的比特率经NRZ、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码编码后，波特率？100Mb/s的FDDI网络,4B/5B码在光纤上传送的光信号速率？,5.7 数据通信的性能指标,5.7.1 数据传输速率和码元传输速率信号传输速率：在数字传输中,可以采用多进制码编码方式,达到更高的数据传输速率;多进制码编码中，有多种码元状态数，例如图3.6的四进制码，有4种码元状态，每个码元携带了2比特数据
32、，比特率等于2倍的波特率;一般情况下,若：码元状态数为M(M为2的整数次幂),码元传输速率为B,则：数据传输速率C 为:C=B log2 M,5.7.2 奈奎斯特准则和香农定理,信道的带宽：信道所能传输的信号频率范围,Hz。带宽小的信道会限制信号部分频率成分的传输,使之衰减失真。奈奎斯特准则：带宽为W Hz的无噪声低通信道,最高码元传输速率：BMAX=2W 最高数据传输速率C MAX为:CMAX=BMAXlog2 M,5.7.2 奈奎斯特准则和香农定理,香农定理：信噪比(Signal-to-Noise ratio)为S/N的高斯白噪声干扰信道可达到的数据传输速率：C=W log2(1+S/N)信噪比通常使用10log10S/N,分贝(dB),如S/N=1000,相当于30dB。,
