1、第4章 数据通信,主讲人：岑雄鹰 信息科学与工程学院,概述,本章介绍通信技术的基本知识，为什么要花时间学习通信技术呢？这是因为电子商务不管采用什么方式来实现，其实现的过程都不可避免地采用各种各样的通信技术。因此，了解一些通信技术的基本知识将有助于提高对电子商务系统的认识和使用水平。,4.1 数据通信技术基础,为了了解数据通信技术的基本概念，首先必须了解如下几个常用术语的含义： 数据（Data）：对客观事实的描述与记载的符号。数据可以是数字、文字、声音、图形、图像等形式。 信息（Information）：数据的集合，表达数据本身所具有的含义和解释。 信号（Signal）：数据的电磁波表示或称电子
2、编码。,4.1.1 模拟通信与数字通信的基本概念,根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，该类信号称为模拟信号。模拟信号取随时间连续变化的电磁波（通常用正弦波）表达信息，这类信息通常用幅度、频率、相位等参数表示，如图4-1-a所示。,图4-1-a 模拟信号图形,数字信号与模拟信号不同，它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0和1代表)的波形，称为“二进制信号”。如图4-1-b所示。,图4.1-b 数字信号图形,4.1.2 数据通信系统的构成,数据通信是
3、一种通过计算机或其他数据装置与通信线路，完成数据编码信号的传输、转接、存储和处理的通信技术。 数据通信系统的研究应包括两方面内容，一方面研究信道的组成、连接、控制及其使用；另一方面研究信号如何在信道上传输和控制。一般的点对点通信系统模型可用图4-2表示。图中，信源是指发送信息的一端，信宿是指接收信息的一端。电磁信号在信道中传送时，可能会受到外界的干扰，我们称之为噪声。,图4-2 点对点的通信系统的模型,数字通信系统的模型如图4-3所示。如果信源发出的是模拟数据，则数据进入信道前经编码器变换成数字信号在传输媒体上传送，到达接收端还要由解码器恢复为原来的模拟数据，才能被信宿接收。,图4-3 数字通
4、信系统模型,4.1.3 数据通信系统的主要技术指标,任何周期信号都是由一个基波信号和各高次谐波信号合成的。所谓频谱是指组成周期信号各次谐波的振幅按频率的分布图。这种频谱图以频率f为横坐标，相应各次谐波的幅值u为纵坐标，如图4-4所示。,图4-4 信号的频谱图,信道的宽度是指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处倍的两个频率之间的区间宽度。如图4-5所示。,图4-5 信道带宽,数据通信的主要质量指标,1.工作速率工作速率主要包括符号速率和信息传输速率。符号速率又叫信号速率，记为N。它表示单位时间内(每秒)信道上实际传输的符号个数或脉冲个数(可以是多进制)。符号速率的单位是波特，即每秒的符号个数。信
5、息传输速率，简称传信率，通常记为R。,2频带利用率 在比较不同通信系统的效率时，单看它们的信息传输速率是不够的，或者说，即使两个系统的信息速率相同，它们的效率也可能不同，所以还要看传输这样的信息所占的频带。通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下，可以认为二者成比例，用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率，即每赫的波特数：=符号速率。,3可靠性 可用差错率来表示。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率、平均误码组率等。误码(码组，字符)等于接收出现差错的比特(字符、码组)数，差错率是一个统计平均值，因此在测试或统计时，总的发送比特(字符、码组)数应达到一定的量，否则得出
6、的结果将失去意义。信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中比特数占总传输比特数的比例来度量，通常应低于10-6。,4.1.4 数据传输原理,数据传输可以按多种方式进行分类，按连接方式可分为串行和并行方式，按传输方向可分为单工、半双工和全双工方式。 1串行通信和并行通信 串行通信时，每次由源端发往目的端的数据只有一位，数据流是一位一位地传送，源端与目的端之间只需要一根传输线。 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。,2单工、半双工和全双工通信,单工方式，信息只能在一个方向上传送。发送
7、方只能发送，不能接收。如无线电广播和电视广播都是单工通信。 半双工方式，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。这种方式一般用于计算机网络的非主干线路中。 全双工方式，是一种可以同时进行双向信息传送的通信方式。这种通信方式主要用于计算机与计算机之间的通信。,3同步传输和异步传输,异步传输（Asynchronous Transmission）异步传输将比特流分组进行传送，分组可以是8位的1个字符或更长。图4-6表示一个分组的结构。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。,图4-6 异步传输分组的结构,同步传输（Synchronous Transmi
8、ssion）同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号，因此在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的(即同步的)。接收端为了从收到的数据流中正确地区分出一个个信号码元，首先必须建立准确的时钟信号。数据的发送一般以组(或称帧)为单位，一组数据包含多个字符。,4基带传输、宽带传输、频带传输、数字数据传输,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。 宽带是指比音频带宽更宽的频带。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。一般说，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
9、)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。,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。 数字数据传输方式就是利用数字信道传输数据的方法，采用数字信道，误码率较低，从而提高了传输的速率和质量。当传输距离较长时，由于数字信道每隔一定距离就要插
10、入再生中继器，使信道中引入的噪声和信号失真不会积累，从而大大提高传输质量。当然，采用数字传输要求全网的时钟系统保持同步，因此这种数字数据传输方式的灵活性不如模拟传输方式。,4.1.5 多路复用技术,三种最常用的多路复用技术为：频分多路复用时分多路复用和波分多路复用. 1频分多路复用(FDM) 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该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(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用.,2时分多路复用(TDM) 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可采用时分多路复用TDM技术，也即将一条物理信道
11、按时间分成若干个时间片，轮流地分配给多个信号使用。时分多路复用TDM不仅仅局限于传输数字信号，也可以同时交叉传输模拟信号。另外，对于模拟信号，有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。,3波分多路复用(WDM) 所谓波分多路复用，是指在一根光纤上同时传输多个波长不同的光载波。实际上WDM是FDM的一个变种，用于光纤信道。波分多路复用的工作原理：要传输的光波的波长（频率）是不同的，它们通过合波器（通常是棱镜或光栅）后，就可使用一条共享的光纤传输，到达目的地结点后，再经过分波器（棱镜或光栅）分成多束光波。,4.1.6 差错控制,差错控制首先要进行差错控制编码，一般采用抗干扰编码或纠错编
12、码。下面介绍其中的奇偶检验码、方块码、定比码和循环冗余码。 1奇偶校验码内存中最小的单位是比特，也称为“位”，每个位只有两种状态分别以1和0来表示，每8个连续的比特叫做一个字节（byte）。不带奇偶校验的内存每个字节只有8位，如果其某一位存储了错误的值，就会导致其存储的相应数据发生变化，进而导致应用程序发生错误。,2方块码同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就构成水平垂直奇偶校验，也称为纵横奇偶校验。水平垂直奇偶校验能检测出所有3位或3位以下的错误(因为此时至少在某一行或某一列上有一位错)、奇数位错、突发错以及很大一部分偶数位错。测量表明，这种方式的编码可使误码率降至原误码率的百分之一到万分之一
13、。水平垂直奇偶校验不仅可检错，还可用来纠正部分差错。例如数据块中仅存在1位错时，便能确定错码的位置就在某行和某列的交叉处，从而可以纠正它。,3定比码定比码又称为恒比码。在恒比码中，每个码组“1”和“0”都保持固定的比例，故得此名。这种码在检测时，只要计算接收到的码组中“1”的数目是否对就知道有无错误。在无线电通信中常采用7中取3定比码，它规定码字长为7位并且其中有且仅有3个“1”。所谓7中取3定比码，就是整个码字长度为7位，其中1的位数固定为3。所有128个7位代码（00000001111111）中只有1的位数固定为3的才是其合法码字。,4循环冗余码,奇偶校验码简单易用，但漏检率较高。在数据通
14、信中广泛采用的是一种漏检率较低的循环冗余码。 （1）循环冗余码的工作方法在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，如果有错则需要重发。 （2).循环冗余码的工作原理循环冗余码在发送端编码和接收端校验时，都可以利用事先约定的生成多项式G(X)来得到，K位要发送的信息位可对应于一个(k-1)次多项式K(X)，r位冗余位则对应于一个(r-1)次多项式R(X)，由r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应于一个(n-1)次多项式T(X)=Xr*K(X)+R(X)。(3)循环冗余校验码的特点 可检测出所有奇数位错； 可检测出所有双
15、比特的错； 可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错。,4.2 通信介质与介质访问控制方法,4.2.1 通信介质数据通信中使用各种通信介质来组成物理的传输信道。采用不同的通信介质组成的物理信道特性也不同，因此，不同的通信技术适用于不同的场合。数据通信中采用的通信介质可分为有线和无线两大类，有线类常用的有双绞线、同轴电缆和光纤，无线类则包括微波、激光、红外和短波等几种类型。,1双绞线双绞线由两根相互绝缘并绞扭在一起的铜导线对组成。双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP：Unshilded Twisted Pair
16、)和屏蔽双绞线(STP：Shielded Twisted Pair)。虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的，但同样适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。,2同轴电缆 （1）基带同轴电缆基带同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。 （2）宽带同轴电缆使用有限电视电缆进行模拟信号传输的同轴被称为宽带同轴电缆。“宽带”这个词来源于电话业，指比4kHz宽的频带。然而在计算机网络中，“宽带电缆”却指任何使用模拟信号进行传输的电缆网。,3光纤 光纤即光导纤维，它的内层是能传导光波的玻璃纤维，外层加比玻璃折射率低的材料作保护层。光纤
17、是一种将讯息从一端传送到另一端的媒介，是一条玻璃或塑胶纤维，作为让讯息通过的传输媒介。,4无线通信介质无线通信介质指的是不须通过线缆传输信号。包括微波、激光、红外线和短波等几种类型。 （1）微波其通信的载波频率为2GHz40GHz，因为频率高，故而可以同时高速传递大量信息。利用微波进行通信具有容量大、质量好等优点，并可传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。,（2）激光大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信。激光是一种方向性极好的单色相干光。利用激光来有效地传送信息，叫做激光通信。激光通信系统包括发送和接收两个部分。发送部分主要有激光器、光调制器和
18、光学发射天线。接收部分主要包括光学接收天线、光学滤波器、光探测器。,（3）红外线用红外线来传输信号，在发送端设有红外线发送器，接收端设有红外线接收器。利用红外线来传输信号的通信方式，叫红外线通信。由于红外线能象可见光一样集中成很窄的一束发射出去，因此红外线通信有两个最突出的优点：不易被人发现和截获，保密性强；,（4）短波短波通信是利用波长为10010m（频率为330MHz）的电磁波进行的无线电通信，又称高频通信，短波通信是无线电通信的一种。发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，通信距离较远，是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，所以短波通信的稳定性
19、较差，噪声较大。目前，它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等通信领域。,4.2.2 介质访问控制方法,1电路交换电路交换通信的实现包括线路建立、数据传输、线路拆除三个阶段。线路建立阶段通过呼叫过程完成发送方到接收方之间各个节点间的连接，建立一条端到端的专用连接电路；数据传输在建立好的专用电路上完成传输数据的任务；线路拆除阶段是指数据传输完成后，拆除线路连接，释放占用的节点、信道等资源的过程。,2分组交换报文交换（Message Switching）的传送方法，不需要在通信双方之间建立专用通路，传送方法采用存储转发方式，发送方主机将数据组成一定大小的报文，并附上目的地地址，交由公共交换网各
20、节点逐站存储转发，最终到达目的端。分组交换技术是在计算机技术发展到一定阶段，人们除了打电话直接沟通外，还可以通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信，在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下，应运而生的一种交换技术。,4.3 网络互联通信技术,4.3.1 数字数据网1概述计算机通信技术层出不穷，国民经济的飞速发展，金融、证券、海关、外贸等集团用户和租用数据专线的部门、单位大幅度增加，数据库及其检索业务也迅速发展，现代社会对电信业务的依赖性越来越强。数字数据网DDN（Digital Data Network）就是适应这些业务发展需要而产生的一种传输网络。,4.3.2 综合业务数字网
21、1ISDN的概念ISDN(Integrated Services Digital Network)是综合业务数字网的简称，它由电话综合数字网（IDN）发展而来。ISDN是数字交换和数字传输的结合，它以迅速、准确、经济、有效的方式提供目前各种通信网络中现有的业务，而且将通信和数据处理结合起来，开创了很多前所未有的新业务。,2ISDN的功能ISDN可向用户提供多种业务服务。目前CCITT将ISDN的业务分为三类：承载业务、用户终端业务和补充业务。 3ISDN协议模型参照OSI参考模型，ISDN共分为四层：第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三层为网络层，第四层描述进程间通信、与应用无关的用户服务
22、及其相关接口.,4.3.3 宽带综合业务数字网与ATM 1B-ISDN的应用在几种高速广域网技术如SMDS（Switch Multimegabit Data Service交换式多兆位数据服务）、帧中继（Frame Relay）、B-ISDN(Broad Band Integrated Services Digital Network)宽带综合业务数字网)之中，B-ISDN用一种新的网络替代现有的电话网及各种专用网,2ATM技术ATM是用一种称为信元的、固定大小的分组传送所有的信息。信元长度为53个字节，其中信元头占5个字节，信息域占48个字节，信元头的主要功能是标识信元的网络路由信息。ATM
23、交换采用异步时分多路复用(ATDM)技术，用户数据被组合成信元，在ATM网络中分时传输。,异步转移模式ATM可承载多种业务，具有统计复用和按需分配带宽的动态性能，受到广泛重视，目前已被公认为实现宽带综合业务数字网B-ISDN的唯一交换方式。时至今日，千兆以太网的1000BASET铜线方案己经出台，可以预见，在不远的将来，千兆以太网加ATM路由将成为多媒体时代高速率数据传输与交换服务的主力军。,1电缆调制解调器电缆调制解调器又名线缆调制解调器，英文名称Cable Modem，它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的，主要用于有线电视网进行数据传输。 2xDSL技术近年来Internet和Intr
24、anet迅速发展，对固定连接的高速用户线的需求日前高涨，xDSL是各种类型DSL的总称，包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等。它是一种新的传输技术，在现有的铜质电话线路上采用较高的频率及相应调制技术，即利用在模拟线路中加入或获取更多的数字数据的信号处理技术来获得高传输速率（理论值可达52Mbps）。,3ADSL的工作原理及特点ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Loop）技术是一种不对称数字用户线实现宽带接入互连网的技术，ADSL作为一种传输层的技术，充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上分别提供上行640kbps（理论上行1Mb
25、ps）下行8Mbps的带宽，从而克服了传统用户在“最后一公里”的瓶颈问题，实现了真正意义上的宽带接入。,4.3.5 无线移动通信技术,移动通信（Mobile Communication）可以说是目前通信领域中增长最快的应用领域之一，它将会有越来越大的发展空间。 1移动通信概念及其发展过程移动通信的含义是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换，如移动体（车辆、船舶、飞机或行人）与固定点之间，或移动体之间的通信都属于移动通信的范畴。,2无线移动通信网无线移动通信网可分为蜂窝移动通信系统、数字无绳电话系统、移动卫星接入系统和无线局域网四种类型。（1）蜂窝移动通信系统这种系统由移动业务交换中心（MS
26、C）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成。目前在我国运行的900MHz第一代移动通信系统（TACS）模拟系统和第二代移动通信系统（GSM）数字系统都属于这一类。,（2）数字无绳电话系统无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的，初期主要应用于家庭。这种无绳电话系统十分简单，只有一个与有线电话用户线相连接的基站和随身携带的手机，基站与手机之间利用无线电沟通。 （3）移动卫星接入系统卫星接入系统其最大特点是利用卫星通信的多址传输方式。为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动灵活的移动通信服务，是陆地移动通信系统的扩展和延伸，在边远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只及远航飞机等通信方面更具有独特的优越性。 （4）无线局域网（WLAN）无线局域网是固定局域网的一种延伸，是一种没有线缆限制的网络连接，对用户来说与有线局域网一样是完全透明的。,3无线Internet1997年全球通信业多家大厂商合作成立了专门的论坛（WAP Forum），共同开发无线应用协议（WAP）。近年来空前发展的Internet和移动通信，已经作为迈向信息社会的两个重要标志，分别支持对大量信息资源的有效访问和可以随处漫游的个人通信，这将深刻地影响未来信息高速公路的发展。,Thank You !,宁波大学信息科学与工程学院,
