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1、第二章 数据通信基础知识,长沙民政学院,21 数据通信的理论基础,通信的目的是单双向传递信息，广义上来说，采用任何方法通过任何介质将信息从一地传送到另一地都可称为通信。 数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息传输与交换的过程。,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 1、信息、数据和信号 信息是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态 . 信息可以是语音、图像、文字等各种形式，这里指的是人们要通过通信系统传递的内容。 数据一般可以理解为“信息的数字化形式”和“数字化信息的形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数据特性的信息 数据分为:模拟数

2、据-取值是连续的；（人的语音强度） 数字数据-取值只在有限个离散的点上取值（计 算机输出的二进制数据只有0、1两种状态）,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 1、信息、数据和信号 信号简单地讲就是携带信息的传输介质。也可以说是数据的表现形式，是数据的电气、电磁或光形式的编码。 根据信号参量取值的不同，信号可分为数字信号和模拟信号，或称为离散信号和连续信号,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 连续信号和离散信号,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （1）信道：传输信息的必经之路称为“信道”。在计算机中有所谓物理信道和逻辑信道之分

3、 （2）码元：码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （3）数据：数据可分为模拟数据与数字数据两种。 （4）调制解调器Modem：传统的电话通信信道是传输语音一级的模拟信道，无法直接传输计算机的数字信号。,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （5）数据传输速率： 指通信线上传输信息的速度。有两种表示方法，即信号速率和调制速率。 （6）误码率：指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （7）信息容量：指信道能传输信息的最

4、大能力，一般以单位时间内最大可传送信息的BIT数表示 （8）基带传输：指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （9）频带传输：在远距离通信时，需要将数字信号调制成音频信号再发送和传输，接收端再将音频信号解调成数字信号 。 （10）宽带传输：指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，一般在300-400MHz左右,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （11）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 （12）并行传输：一次可以传送一个字节(8位)，发端

5、到收端用8根线。,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （13）数据交换方式：在网络中的计算机通常是经过公用通信传输线路进行数据交换以提高传输设备的利用率 （14）字符编码：在信道上传送的数据是以二进制位的形式出现的,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （15）差错校正：字符代码在传输、接收过程中，难免发生错误，如何及时自动检测差错并进一步自动校正 （16）协议：即网络通信规则，它规定了两台计算机通过一个网络进行通信的方式,21 数据通信的理论基础,211 数据通信的基本概念 2、基本概念 （17）同步传输：一种以报文和分组为单位进

6、行传输的方式 （18）异步传输：传输的数据以字符为单位，而且字符间的发送时间是异步的,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型图2-2 数据通信系统的模型,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型 1、数据通信系统的组成 （1）数据终端设备 即数据的生成者和使用者，它根据协议控制通信的功能 （2）通信控制器 它的功能除进行通信状态的连接、监控和拆除等操作外，还可接收来自多个数据终端设备的信息，并转换信息格式,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型 1、数据通信系统的组成 （3）通信信道 通信信道是信息在

7、信号变换器之间传输的通道 （4）信号变换器 它的功能是把通信控制器提供的数据转换成适合通信信道要求的信号形式,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型 2、数据通信的方向 （1）单工通信,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型 2、数据通信的方向 （2）半双工通信,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型 2、数据通信的方向 （3）全双工通信,21 数据通信的理论基础,212 数据通信系统的模型 2、数据通信的方向 （3）全双工通信,21 数据通信的理论基础,213 数据通信的基本方式 1、模拟数据通信与数字数据通信 (1)、模拟数据通信 用来传输模拟数据

8、或数字数据对应的模拟信号 (2)、数字数据通信 数字数据通信指直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信号,21 数据通信的理论基础,213 数据通信的基本方式 2、数据通信的主要技术指标 （1）带宽 在模拟信道中，我们常用带宽表示信道传输信息的能力，带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差 （2）比特率 在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示,21 数据通信的理论基础,213 数据通信的基本方式 2、数据通信的主要技术指标 （2）比特率 在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代

9、码的有效位(bit)数来表示,21 数据通信的理论基础,213 数据通信的基本方式 2、数据通信的主要技术指标 （4）误码率 误码率指在数据传输中的错误率。在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10-6,22 数据信息的调制与编码,通常，有四种数据的调制和编码方法：模拟数据的模拟调制。数字数据的模拟调制。数字数据的数字编码。模拟数据的数字编码。,22 数据信息的调制与编码,221 模拟数据的模拟调制 1、幅度调制 载波的幅度会随着原始模拟数据的幅度作线性变化,22 数据信息的调制与编码,221 模拟数据的模拟调制 1、幅度调制,22 数据信息的调制与编码,221 模拟数据的模拟调制 2、频率

10、调制 高频载波的频率会随着原始模拟信号的幅度变化而变化,22 数据信息的调制与编码,221 模拟数据的模拟调制 2、频率调制,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 1、幅度键控法 用数字的基带信号控制正弦载波信号的振幅,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 1、幅度键控法,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 2、频移键控法 用数字基带信号控制正弦载波信号的频率,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 3、相移键控法 用数字基带信号控制正弦载波信号的相位 （1）绝对相移键控 所谓绝对相移（PSK），就是利用正弦载波的不同相位

11、直接表示数字,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 3、相移键控法 （1）绝对相移键控,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 3、相移键控法 （2）相对相移键控 相对相移键控（DPSK）是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息的,22 数据信息的调制与编码,222 数字数据的模拟调制 （2）相对相移键控,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 1、不归零码 （1）单极性不归零码 该码在每一码元时间间隔内，用高电平和低电平（常为零电平）分别表示二进制数据的1和0,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 1、不归零码 （1）

12、单极性不归零码,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 1、不归零码 （2）双极性不归零码,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 1、不归零码 （2）双极性不归零码 该码在每一码元时间间隔内，用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正的幅值和负的幅值相等,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 2、归零码 （1）单极性归零码 单极性归零码（RZ）是指它的电脉冲宽度比码元周期Ts窄，当发l时，只在码元周期Ts内持续一段时间的高电平后降为零电平，其余时间内则为零电平,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 2、归零码 （1）单极

13、性归零码,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 2、归零码 （2）双极性归零码 双极性归零码（BRZ）是双极性的归零波形，在每一码元周期Ts内，当发l时，发出正的窄脉冲；当发0时，发负的窄脉冲,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 2、归零码 （3）交替双极性归零码 在发1时发一窄脉冲，且脉冲的极性总是交替的，即如果发前一个l时是正脉冲，则发后一个l时是负脉冲；而发0时不发脉冲,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 2、归零码 （3）交替双极性归零码,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 3、曼彻斯特码 （1）曼彻斯特码

14、当发0时，在码元的中间时刻电平从低向高跃变；当发l时，在码元的中间时刻电平从高向低跃变,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 3、曼彻斯特码 （1）曼彻斯特码,22 数据信息的调制与编码,223 数字数据的数字编码 3、曼彻斯特码 （2）差分曼彻斯特码 在每一码元周期内，无论发l或发0，在每一位的中间都有一个电平的跃变，但发l时，码元周期开始时刻不跃变（即与前一码元周期相位相反）；发0时，码元周期开始时刻就跃变（即与前一码元周期相位相同,23 数据的同步技术,231 异步方式 异步方式又称起止同步方式，它把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息,23 数据的同步技术,231

15、异步方式 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。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。一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键或特殊字符键，就发送一个8比特位的ASCII代码。键盘可以在任何时刻发送代码，这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。 异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从后面走上来跟你说话，而你没来得及反应过来，漏掉了最前面的几个词。因此，每次异步传输的信息都以一个起

16、始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。 例如在键盘上数字“1”，按照8比特位的扩展ASCII编码，将发送“00110001”，同时需要在8比特位的前面加一个起始位，后面一个停止位。,23 数据的同步技术,232 同步方式 同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，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）。 同步传输（Synchronous) 在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位（帧），因此同步传输又称为区块传输。 在传送数据时，需先送出2个同步字符，然

17、后再送出然后再送出整批的数据。如图：,24 多路复用技术,多路复用就是在数据通信系统中，允许两个或多个数据源共享同一个传输介质，就像每个数据源都有自己的信道一样。其基本方法是在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一个共用信道上传输的复合信号，在信号的接收端还能将复合信号分离出原来的若干个彼此无关的信号来,24 多路复用技术,多路复用技术就是在一个信道上同时传输多个信号的技术。,24 多路复用技术,241 频分多路复用 频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）是按照频率区分信号的方法，把传输频带分成若干个较窄的频带，每个窄频带构成一个子通道，每

18、个子通道独立地传输一路信息。 主干线路的频带被划分为若干逻辑信道，每个用户独占某些频段； 调频广播以及有线电视。,24 多路复用技术,241 频分多路复用,24 多路复用技术,242 时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing） 时分多路复用是将物理信道按时间分成时间片，轮流分配给多个信源来使用公共线路 每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽； 在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用TDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个信道带宽。,24 多路复用技术,242 时分多路复用,24 多路复用技术,243 统计时分多路复用 每个输入端不管其状态如何（空闲或发

19、送），都固定分配一个时隙 244 波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing) 波分多路复用的原理同频分多路复用相似，主要用于光纤通信。它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号,25 数据交换技术,电路交换(Circuit Switching) 传统电话网 报文交换(Message Switching) 电报系统 分组交换(Packet Switching) X.25网,25 数据交换技术,251 电路交换的工作原理 1、电路交换的三个过程 （1）电路建立 （2）数据传输 （3）电路拆除,原理 传输双方在数据传输之前要建立一条物理电路（可以是真正的物理线路

20、，也可以是一个复用信道），该物理电路一直保持到双方通信结束后才释放。 特点 建立物理电路所需的时间比较长； 建立连接后，传输延迟小，主要的延迟是物理信号的传播延迟； 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； 电路的带宽是预先分配的，通信过程中固定不变； 不会发生数据传输冲突； 无纠错机制； 不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。,25 数据交换技术,252 报文交换的工作原理 原理 报文交换不事先建立电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的输出线将数据转发给下一个中间交

21、换设备，直到将数据发送到目的结点。这种数据传输技术称为存储-转发。 特点 没有建立和拆除连接所需的等待时间，线路利用率高； 报文大小不一，造成存储管理复杂； 大报文转发可能会长时间占用线路，导致报文在中间结点的延迟非常大，导致吞吐率低，不适合交互式通信； 如果报文丢失或出错，需全部重传。,25 数据交换技术,253 分组交换 原理 是报文交换技术的改进； 将用户的数据划分成若干个分组(packet)，而且分组的大小有严格的上限，这样使得分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中； 对于每个分组，按存储-转发的机制发给下一站直到目的地； 有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。 特点

22、 对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快； 转发延时小适用于交互式通信； 某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高； 各分组可通过不同路径传输，容错性好； 需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。,25 数据交换技术,253 分组交换 实现方式 数据报(Datagram) 每个Packet单独寻址，IP数据报 虚电路(Virtual Circuit) 在传输双方先建立一条虚电路，所有Packet沿着同一条虚电路到达目的地：X.25/ATM,三者的比较,25 数据交换技术,254 各种数据交换技术的性能比较 1、电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除(释放)

23、之前，该通路由一对用户完全占用。 2、报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。 3、分组交换：分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。,26 差错控制技术,261 差错的产生原因及其控制方法 1、热噪声和冲击噪声 2、差错的控制编码 检错码能自动发现差错的编码； 纠错码不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码 3、差错控制方法分为两类： 自动请求重发 前向纠错,26 差错控制技术,261 差错的产生原因及其控制方法 4、编码效率 R=k/n=k/(k+r) 式中：k为码字中的信息位位数，r为编码时外加冗余位位数，n为编码后的码字长度。,2

24、6 差错控制技术,262 奇偶校验法 1、奇偶校验法 是一种通过增加冗余位使得码字中“”的个数为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错法。 垂直奇偶校验又称纵向奇偶校验，它能检测出每列中所有奇数个错，但检测不出偶数个的错，因而对差错的漏检率接近1/2 水平奇偶校验,26 差错控制技术,263 循环冗余码（CRC） 1、CRC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，若有错，需重发。,26 差错控制技术,263 循环冗余码（CRC） 核心思想：将待传输的数据位串看成是系数为0或1的多项式 ，例如：位串10011

25、可表示成f(x)=x4+x+1,发送前收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在数据为串的末尾加上检验和，使带检验的位串多项式能被G(x)整除，用G(x)除以多项式，若有余数，则传输错误。,26 差错控制技术,263 循环冗余码（CRC） 例1：已知：信息码:110011 信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1(r=4) 求：循环冗余码和码字。,26 差错控制技术,264 海明码 1、海明码的概念 海明码是一种多重奇偶检错系统。它将信息用逻辑形式编码，以便能够检错和纠错。用在海明码中的全部传输码字是由原来的信息和附加的奇偶校验位组成的

26、。每一个这种奇偶位被编在传输码字的特定位置上。,26 差错控制技术,264 海明码 1、海明码的概念 2、校验位数的位数 推求海明码时的一项基本考虑是确定所需最少的校验位数k。考虑长度为m位的信息，若附加了k个校验位，则所发送的总长度为m+k。在接收器中要进行k个奇偶检查，每个检查结果或是真或是伪。这个奇偶检查的结果可以表示成一个k位的二进字，它可以确定最多2k种不同状态,26 差错控制技术,264 海明码 4、校验位的确定 k个校验位是通过对m+k位复合码字进行奇偶校验而确定的。其中P1位负责校验海明码的第1、3、5、7、（P1、D1、D2、D4、）位，（包括P1自己），P2负责校验海明码的第2、3、6、7、（P2、D1、D3、D4、）位，（包括P2自己），P3负责校验海明码的第4、5、6、7、（P3、D2、D3、D4、）位，（包括P3自己）。,