1、1,数据通信与计算机网络技术,2,第2章 数据通信基础,主要学习内容 : 2.1 数据通信系统组成 2.2 数据通信的基本概念 2.3 数据编码技术 2.4 数据通信的基本方式 2.5 多路复用技术 2.6 数据交换方式 2.7 差错检验和控制,3,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1 数据、信息,信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识; 数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式; 信号是数据的具体的物理表现。,4,2.1 数据通信的基本概念,雪 六角形 凉 白色,信息,数据,信号,例子,5,2.1 数据通信的基本概念,信息:人对雪花和马的认识数据:文字,二进制数,十进制数信号:
2、电压,光,磁场强度,6,数据通信系统的模型,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC 机,7,2.1 数据通信的基本概念,两种不同类型的量:,A.时间、温度、电波、声音,B.字符,二进制数,电脉冲,信号中没有断开或不连续的的地方;,信号仅取一些有限数目的值;,2.1.2 信号与信号传输,8,2.1 数据通信的基本概念,模拟:波动性;持续变化;反映事物的本质;在电信业已经被广泛使用超过100年;,数字:离散性;跃变性;设备性能先进,较为便宜;,模拟与数字的特点,9,2.1 数据通信的基本概念,(a)模拟信号 (b)数字信号,10,
3、模拟的和数字的数据、信号,11,2.1 数据通信的基本概念,2.1.3 基本概念和术语,数据传输速率 bps(bit per second)用C表示,信号传输速率波特(Baud)用B表示,两者关系C=Blog2n n是调制电平数,12,信道(Channel):传送信息的线路(或通路)。 比特率(Bit Rate):数据传输速率 (bps,b/s)。 码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元,同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元的开始,13,波特率(Baud):每秒传送的码元数(即信号传送速率)。1 Baud = ( 1/log2M) bps其中M是信号的编码级数。也可以写成Rb
4、it = Rbaud log2M例如:4级编码一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定的信息传输速率下,比特率往往大于波特率。换句话说,一个码元中可以传送多个比特(bit)。,14, 误码率(Bit error rate):信道传输可靠性指标P= 错误的位数 / 传输的总位数,信息编码:将信息用二进制数表示的方法。 数据编码:将数据用物理量表示的规则。例如:字母A的ASCII编码为01000001,其数据编码可能为,15,基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号,基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示,然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信
5、号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,16,数字信号通过实际的信道,失真不严重失真严重,实际的信道 (带宽受限、有噪声、干扰和失真),输入信号波形,输出信号波形 (失真不严重),17,信道的极限信息传输速率,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽(以 Hz 为单位); S 为信道内所传信号的平均功率; N 为信道内部的高斯噪声功率。,18,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率
6、低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限(当然实际信道不可能是这样的),则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,19,2.1 数据通信的基本概念,带宽(Bandwidth):信号或信道占据的频率范围 信道容量(Channel capacity):信道的最大数据率,20,2.2 数据通信系统构成,噪声,数据通信系统模型,21,2.3 数据编码技术,1.数字信道和模拟信道,数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。 模拟信道:以连续模拟信号形式传
7、输数据的信道。,22,2.模拟信号和数字信号,模拟信号:时间上连续,包含无穷多个值,用幅度、相位和频率等表示要传送的信息。传输过程中会衰减。 数字信号:时间上离散,仅包含有限数目的预定值,t,t,a) 模拟信号,b) 数字信号,23,2.3 数据编码,数据:模拟数据、数字数据信号:模拟信号、数字信号 信道:模拟信道、数字信道,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合, 每一种相应地需要进行不同的编码处理。,24,模拟传输和数字传输,Modem,25,Encoder,Decoder,Modulator,Demodulator,数字或 模拟,数字或 模拟,数字信号,模拟信号,g(t),m(t
8、),p,x(t),s(t),g(t),m(t),数字或 模拟,数字或 模拟,P调制参数,编码,调制,编码和调制,用数字信号承载数字或模拟数据编码 用模拟信号承载数字或模拟数据调制,26,2.3 数据编码技术,不归零编码NRZ(Non-Return-Zero) 曼彻斯特编码(Manchester Encoding) 差(微)分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding),2.3.1 数字数据用数字信号表示,27,1. 数字数据的数字信号编码,不归零制(NRZ,Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用5V表示1,5V表示0
9、。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,必须使用外同步。 曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示0和1。,28,规定在每个码元的中间发生跳变:高 低的跳变0,低高的跳变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,使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。它具有自同步机制,无需外同步信号。,29,差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与曼彻斯特编码相同,在每个码元的中间,信号都会发生跳变;不同之处在于:用在码元开始处
10、有无跳变来表示0和1 :码元开始处有跳变0码元开始处无跳变1,30,2.3 数据编码技术,31,2.数字数据用模拟信号表示,三种常用的调制技术: 1) 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying),调幅 2) 频移键控FSK(Frequency Shift Keying),调频 3) 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ,调相 基本原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制。,载波 S(t) = A cos (t+) S(t)的参量包括: 幅度A、频率 、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化,32,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0
11、,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,PSK:用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) FSK:用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz) PSK:用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相),33,2.3 数据编码技术,34,2.3 数据编码技术,2.3.1模拟数据用数字信号表示,脉冲编码调制(PCM ),35,3. 模拟数据的数字信号编码,奈奎斯特定理(采样定理):如果连续变化的模拟信号最高频率为F,若以2F的采样频率对其采样,则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,语音信号要在数字线路上传输,必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤:
12、1)采样按一定间隔对语音信号进行采样2)量化对每个样本舍入到量化级别上3)编码对每个舍入后的样本进行编码,36,模拟话音,采样时钟,PAM 信号,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,-话音信道带宽 2倍话音最大频率) -量化级数:256级 (8位二进制码表示) -数据率:8000次/s*8bit = 64Kb/s每路PCM信号的速率 = 64000bps,编码后的信号称为PCM(Pulse Coded Modulation)信号(脉码调制信号),37,PCM转换过程举例,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,
13、100,原始信号,PAM脉冲,PCM 脉冲(有量化误差),011100011011001100,PCM 输出,38,PCM 转换波形图,B,A,C,D,模拟话音,采样时钟,PAM 信号,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,39,2.3 数据编码技术,增量调制(DM ),40,2.4 数据通信的基本方式,2.4.1 数据通信的操作方式( 传输模式或数据流动方向),41, 单工:数据单向传输(无线电广播) 半双工:数据可以双向传输,但不能在同一时刻双向传输(对讲机) 全双工:数据可同时双向传输(电话)两个方向的信号共享链路带宽:1)链路具有两条物理上独立的传输线路,或2)将带宽一分为二
14、,分别用于不同方向的信号传输,42,2.4 数据通信的基本方式,2.4.2 同步和异步传输,(a)单同步格式,(b)双同步格式,43,2.4 数据通信的基本方式,异步通信格式 :,44,通信系统的例子电话系统,公用电话交换网PSTN(Public Switched Telephone Network)-端到端的数据传输率:104 b/s-干线的数据传输率:1010 b/s-总体误码率:10-5-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。 优点:出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易,45,构成:本地回路、交换局、干线,46,本地回路,编码解码器Codec,编码解码器Codec,M
15、odem,Modem,端局,端局,长途局,数字干线,模拟线路 (本地回路),模拟线路 (本地回路),绝大多数为模拟线路 计算机间传输:以模拟为主,所以信号要经过多次变换:数字模拟数字模拟数字,47,长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式 FDM (Frequency Division Multiplexing) 目前我国长途通信线路已实现了数字化,因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。,48,调制解调器,数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。,49,调制解调器的作用,调制解调器(modem)包括: 调制器(MOdulator):把要发送的数
16、字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号,以便在电话用户线上传送。 解调器(DEModulator):把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。 本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路(3.1 kHz 的标准话路带宽)上的调制解调器。,50,调制解调器的作用(续),调制器的主要作用就是个波形变换器,它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器,它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。 若识别不正确,则产生误码。 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。,51,调制解调器的速率,目前调制解调器的信息传输速率已很接
17、近于香农的信道容量极限了。 要提高信息传输速率,只能设法提高信噪比。 在电话的用户线上,最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。,52,产生量化噪声的地方 (经过 A/D 变化的地方),A,2/4,A/D,A/D,D/A,D/A,交换机 1,交换机 2,V.34 33.6 kb/s调制解调器,B,D/A,A/D,4/2,V.34 33.6 kb/s调制解调器,使用 V.34 调制解调器(33.6 kb/s),53,调制解调器使用异步通信方式,数据通信可分为同步通信和异步通信两大类: 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。 异步通信时不要求接收端时钟
18、和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后,可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。 异步通信的通信开销较大,但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。,54,时分复用,为了有效地利用传输线路,可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧,然后发送到线路上。 中国采用欧洲体制,以 E1 为一次群。 美国和日本等国采用北美体制,以 T1 为一次群。,55,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1
19、,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T = 125 ms,15 个话路,15 个话路,56,2.5 多路复用技术,多路复用技术:用一条高速线路传送多条低速线路的数据分类: 频分多路复用(FDM-Frequency Division Multiplexing) 时分多路复用(TDM-Time Division Multiplexing) 波分多路复用(WDM-Wavelength Division Multiplexing),57, 复用多个信息源共享一个公共信道 为何要复用?线路成本,D
20、EMUX,复用器,解复用器,共享信道,2.5 多路复用技术,58,复用类型,FDM (频分复用),WDM (波分复用),TDM (时分复用),59,2.5 信道复用技术,2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用:所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。 时分复用:所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。,60,频分多路复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,61,2.5 多路复用技术,频分多路复用(FDM-Frequency Division Multiplexing),应用:无线电广播,电视,特点:信号被划分成若干通道 (频道,波段),每个通道独立进
21、行数据传递每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。,62,2.5 多路复用技术,时分多路复用(TDM-Time Division Multiplexing),特点:多条低速线路轮流使用同一条高速线路进行数据传递,应用:电话主干线路,63,时分多路复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,64,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,65,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,66,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,67,时分复用可能会造成 线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,
22、d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,68,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,69,2.5 多路复用技术,波分多路复用(WDM-Wavelength Division Multiplexing),应用:光缆线路,70,1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 7,0 1550 n
23、m 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,71,码分复用 CDM,常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(ch
24、ip)。,72,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。 例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时,就发送序列 00011011, 发送比特 0 时,就发送序列 11100100。 S 站的码片序列:(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),73,CDMA 的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。,74,码片序列的正交关系
25、,令向量 S 表示站 S 的码片向量,令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交,就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0:,(2-4),75,码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。,76,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,77,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S
26、,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发 送 端,接 收 端,78,2.6 交换技术,2.6.1 电路交换,A,B,C,D,发送呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.作出反应 2.发送回应 信号,79,2.6 交换技术,2.6.1 电路交换,特点: 1.有通话的建立过程 2.通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在,80,2.6 交换技术,2.6.2 报文交换,A,D,C,B,发送报文,传输,
27、等待-发送,传输,等待-发送,传输,81,2.6 交换技术,传输延迟,2.7.2 报文交换,A B C D,特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术,82,2.6 交换技术,2.6.3 分组交换,83,2.6 交换技术,2.6.3 分组交换,特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术3.将数据分成有大小限制的分组后发送,84,2.6 交换技术,三种交换技术对比:,A.存在呼叫建立;专有线路上不传送数据时浪费资源,B.没有呼叫建立;只有发送数据时才占用线路,C.除了B的特点外,在接收分组时可以发送下一个分组,对线路的利用率,85,2.6 交换技术,三种交换技术对比:
28、,A:固定的传输速率、会有呼叫阻塞 B,C:能进行速率转换、虽会降速但不会阻塞可以使用优先级,A:实时性强 B,C:存在时延和额外开销,86,产生差错的原因: 1)信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变; 2)信号反射; 3)串扰; 4)闪电、大功率电机的启停等。 线路传输差错是不可避免的,但要尽量减小其影响。,2.7 差错检验和控制,87,基本方法:接收方进行差错检测,并向发送方应答,告知是否正确接收。分为:检错码和纠错码 差错检测主要有两种方法: 1.奇偶校验(Parity Checking) 在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位,使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)
29、。增加的位称为奇偶校验位。例:原始数据=1100010,采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确,就可以知道传输中发生了错误。 奇偶校验只能检测出奇数个比特位错,对偶数个比特位错则无能为力。,88,2.7 差错检验和控制,2.7.2 循环冗余码(CRC),前提:发送方和接受方必须事先商定一个二进制数G(x) (生成多项式), 发送端:计算校验和,将校验和加在数据末尾,使这个带校验和的数据能被G(x)除尽. 接收端:收到带校验和的数据后,用G(x)去除它,如果有余数,则传输出错,实现:用简单的硬件(移位寄存器电路)即可,89,差错控制技术,自动请求重传
30、Automatic Repeat Request (ARQ)停等 ARQ发送方每发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。 Go-back-N ARQ发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错,从该帧以后的各帧都需重发。(一般与流控结合使用) 选择重传 ARQ发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错,只需重发该出错的帧。发送方需要缓存前面所有未被确认的帧。,90,CRC校验示例,待校验数据:1101,0110,11 G(x) = x4+x+1 , 即10011,1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0,1 0 0 1 1,1 1 0 0 0 0 1 0 1 0,1 0 0 1 1,1 0 0 1 1,1 0 0 1 1,0 0 0 0 1 0 1 1 0,1 0 0 1 1,1 0 1 0 0,1 0 0 1 1,1 1 1 0,余数,传送序列T(x)=1101,0110,1111,10,