1、计算机网络工程 第2章 数据通信基础,本章要点,1.了解计算机通信中信息、数据与信号的基本概念，以及数据通信系统的基本结构； 2.掌握基带、频带和宽带传输的定义和适用场合。 3.掌握串行与并行通信，单工半双工与全双工通信； 4.掌握数据传输速率的定义,掌握误码率的定义；5.了解异步传输与同步传输方式； 6.掌握模拟数据编码与数字数据编码的基本原理；7.了解多路复用技术的分类，掌握FDM、WDM、TDM、CDM的基本工作原理； 8.了解数据通信中差错产生的原因与差错类型；,2.1 数据通信中的基本概念,数据通信是以计算机参与、能直接进行各种数据传输为特征的一种现代通信技术，可分为模拟通信和数字通
2、信。数据通信系统主要包括： 信源：产生和发送信息的设备或计算机。 信宿：接收和处理信息的设备或计算机。 信号变换装置：对数据进行表示，使之能够传输的设备。 信道：信源和信宿之间的通信线路。,噪声源,信号,在通信技术中，一般使用电、光信号来传输信息。信号是数据的表现形式，或称数据的电磁或电子编码，它能使数据以适当的形式在介质上传输。,模拟信号是随时间变化的电流、电压或电磁波。电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)；模拟信号的信号电平是连续变化的；,模拟信号,数字信号,数字信号则是一系列电脉冲。计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比
3、特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号(digital signal）；,2.2数据传输的基本形式,基带传输：所谓基带，就是指电信号所固有的基本频带，简称基带。数字信号的基本频带是从0至若干兆赫，由传输速率决定。 当利用数据传输系统直接传送基带信号，不经频谱搬移时，则称之为基带传输 。 从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输。大多数的局域网使用基带传输，如以太网和令牌环网。,所谓频带传输，就是把二进制信号(数字信号)进行调制交换，成为能在公用电话网中传输的 音频信号(模拟信号)，将音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音 频信号解调变换成原来的二进制电信号。这种
4、把数据信号经过调制后再传送，到接收端后又 经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。,宽带是指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，一般在300-400MHz左右。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。它可以容纳全部广播，并可进行高速数据传输。宽带传输系统多是模拟信号传输系统。 宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。,宽带传输的优点:,宽带传输与基带传输相比有以下优点： (1)能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途； (2)一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加； (3)宽带传输的距离
5、比基带远，因基带直接传送数字，传输的速率愈高，传输的距离愈短。,根据信号传输方向与时间的关系，可以将通信方式分为：,单工、半双工和全双工,发方,收方,A方,A方,B方,B方,串行传输与并行传输,按数据代码传输的顺序可将数据传输方式分为： 串行传输：指一位一位地传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线即可。 并行传输：一次可以传送一个字节(8位)，发端到收端用8根线。目前，计算机内部操作多用并行传输。,通信线路数小，线路利用率高,适合于远距离传输。 在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。 需要实施同步措施，以确保不产生错字。 优点是节省设备, 降低费用；缺点是速度慢。,串行通信方式,特点：
6、 不需要对传输代码进行时序转换 需要数据线数目多。 传输速率高。,并行通信方式,2.3数据通信中的主要技术指标,1. 数据传输速率：每秒能传输的二进制信息位数，单位为b/s。 S(log2N)/T 2. 信号传输速率：单位时间里通过信道传输的码元个数，也叫码元速率、调制速率或波特率，单位为Baud。 B=1/T *比特率与波特率的关系： SBlog2N 或 BS/log2N采用8进制信号时波特率是比特率的3倍。（）,3. 信道容量：表征信道传输数据的能力，指信道的最大数据传输速率，单位为b/s。奈奎斯特公式给出在理想情况下，信道容量与带宽的关系: C2Hlog2N 仙农公式则给出在有热噪声存在
7、的情况下，信道容量的计算公式：CHlog2(1+S/N) 其中S/N为信道功率与噪声功率的比值。信噪比的单位为分贝(db)，用10log10(S/N)表示。例：对于带宽为3KHZ的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据，信噪比为20分贝，问按奈奎斯特定理最大限制的数据速率是多少？按仙农定理最大限制的数据速率是多少？,4. 误码率：衡量数据通信系统在正常工作时的传输可靠性的指标，定义为二进制数据位在传输时出错的概率。 peNe/N Ne为传错的位数，N为传输的总位数。,对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）
8、常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。这种技术称为不归零制编码方式，NRZ（NonReturn to Zero）。,2.4数字传输系统,使用这种不归零制NRZ信号的最大问题就是难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。曼彻斯特编码则可解决这一问题。它是将每个码元再分成两个相等的间隔，码元1是由高至低电平转换，即其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。码元0则正好相反，从低电平到高电平的变换，即其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。,数字数据在数字信道上传输,曼彻斯特编码还有一个变种叫做差分
9、曼彻斯特编码，这种差分曼彻斯特编码与上面讲的曼彻斯特编码有着共同的特点，即在每一个码元的正中间有一次电平的变换，这种编码在表示码元1时，其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样（见图中的实心箭头）；但若码元为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（见图）中的空心箭头），即用每位开始时有无电平的跳变来表示0（1）的编码。不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,差分曼彻斯特编码,数字数据在数字信道上传输图示,2.5模拟传输系统：调制与解调,不采取任何措施利用模拟信道来传输数字
10、信号必然会出现很大差错（失真），故在普通电话网上传输数据，就必须将数字信号变换到电话网原来设计时所要求的音频频谱内（即300Hz3400Hz）。调制就是用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制，形成适合于线路传送的信号。当已调制信号到达接收端时，再进行解调，即将经过调制器变换过的模拟信号去掉载波恢复成原来的基带数字信号。,调制与解调,实际使用时，常将调制器和解调器合装在一个设备，使线路的一端同时具有调制和解调功能，称此设备叫调制解调器（MODEM）。采用调制解调器也可以把音频信号转换成较高频率的信号和把较高频率的信号转换成音频信号。所以调制的另一目的是便于线路复用，以便提高线路利用率。进行调制时，
11、常把正弦信号作为基准信号或称载波信号。任何载波信号都有三个特征：振幅，频率和相位。基于载波信号的三个主要参数，可以把调制方式分为三种：调幅、调频和调相。,调制方法,调制解调器最基本的调制方法有以下几种： （1）调幅（AM） 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。 （2）调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。 （3）调相（PM） 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。,调制方法示意图,数字数据的模拟信号编码,通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的
12、某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三种 （1）幅移键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying） （2）频移键控方式（FSK，Frequency-Shift Keying） （3）相移键控方式（PSK，Phase-Shift Keying）,ASK方式易受突变干扰的影响，是一种不理想的调制方式。在传输声音的音频线路中，传输的典型速率只能达到1200bit/s。FSK方式的抗干扰能力优于ASK，在音频线路中，传输速率也只有1200bit/s。FSK还常用于高频无线传输。PSK方式较FSK方式有更强的抗干扰能力和更高的效率，在音频线路中，传输速
13、率可达9600bit/s。,三种调制方法的对比,调制解调器的分类,1按应用环境分类 （1）音频MODEM:用电话信道传输数字信号时应采用音频调制解调器。 （2）基带MODEM:它的传输速率较高，可达到64Kbit/s2Mbit/s，主要用于网络用户接入高速线路中。 （3）无线MODEM:在短波及卫星通信中，都应使用与信道特点相适应的调制解调器。 2按传输速率分类 （1）低速MODEM。传输速率在28.8k bit/s以下。 （2）中速MODEM。传输速率在28.8k bit/s33.6k bit/s之间。 （3）高速MODEM。传输速率在56.4k bit/s以上。,调制解调器的分类,3按调制
14、方式分类 （1）频移键控（FSK）MODEM。用于远程终端之类的低速接口传输。 （2）相移键控（PSK）MODEM。用于中速传输。 （3）相位幅度调制（PAM）MODEM。常用于高速传输 4按特性分类 （1）人工拨号MODEM （2）自动拨号/应答式MODEM （3）智能MODEM,模数转换：PCM,模拟信号 脉冲幅度调制信号,模拟信号,2.6多路复用技术,在数据通信系统或计算机网络系统中，传输介质的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来，在一条物理信
15、道上进行传输，这可以大大节省电缆安装的维护费用。频分多路复用(Frequency Division Multiplexing，FDM) 波分多路复用（Wave -division multiplexing, WDM ） 时分多路复用(Time Division Multiplexing，TDM) 码分多路复用(Code Division Multiplexing，CDM),一、频分多路复用FDM,频分多路复用的原理是将物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号。多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将多路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使
16、信号的带宽不相互重叠，这可通过采用不同的载波频率进行调制来实现。 应用： 广播电视、电缆电视、数字数据传输（需要将数字信号转换为模拟信号 ）,二、波分多路复用技术,波分多路复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)是频分多路复用FDM在光信号信道上的一种变种。两根光纤连到一个棱柱(或衍射光栅)，每根的能量处于不同的波段。两束光通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上，传输到远方的目的地，随后再将它们分解开来。WDM和FDM的区别是光纤系统使用的衍射光栅是无源的，因此极其可靠。,波分多路复用,一根光束信号上的能量仅有几GHz宽，因为现在不可能在光电介质之间作更
17、快的转换。而一根光纤的带宽大约是25000GHz，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上。,三、时分多路复用,时分多路复用是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片称为一帧，每帧长125s，帧再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。每一个时隙由一个信号（即一个用户）占用，也即在占有的时隙内，该信号使用通信线路的全部带宽，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。如图所示。,2.7差错控制技术,信号在物理信道中进行传输存在差错。所谓差错就是在数据通信中，接收端接收到的数据与发送端实际发送的数据出现不一致的现象。差错产生的原因热噪声。它是影响数据在通信媒体中正常传输的重要因素。 信号在传
18、输过程中受到的噪声干扰有两种： 信道固有的随机热噪声和外界因素引起的冲击热噪声。,信道固有的随机热噪声，引起的差错称为随机差错，引起的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系，所引起的差错可以通过提高信道的信噪比而减小。外界因素引起的冲击热噪声，幅度可能相当大，不可能靠提高信号幅度来避免其造成差错，它是传输中产生错误的主要原因。冲击噪声虽然持续时间较短，但在一定的数据速率下，仍然会影响到一串码元。,差错控制技术,常见的热噪声有： 1.信号在物理信道上线路本身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减。 2.电气信号在线路上产生反射造成的回音效应。 3.相邻线路间的串线干扰。 4.大
19、气中的闪电、电器开关的跳火。 5.太阳黑子、电子风暴、电源抖动或电磁干扰等。,差错控制技术,为减少传输差错，提高传输质量，可以采取以下措施：改善通信线路的质量，降低误码率；采用差错控制技术检测错误，纠正错误，把差错限制在尽可能小的允许范围内。,差错控制技术,检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，它不能纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。,1.检错码,纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。某些情况为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，这将会降低传输的效率。现在比较常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。,2.纠错码,本章小结,1.了解计算机通信中信息、数据与信号的基本概念，以及数据通信系统的基本结构； 2.掌握基带、频带和宽带传输的定义和适用场合。 3.掌握串行与并行通信，单工半双工与全双工通信； 4.掌握数据传输速率的定义； 5.掌握误码率的定义； 6.掌握模拟数据编码与数字数据编码的基本原理； 7.了解多路复用技术的分类，掌握FDM、WDM、TDM、的基本工作原理； 8.了解数据通信中差错产生的原因与差错类型；,
