1、第2章 数据通信原理,2,数据通信原理,数据通信是利用信号传输技术和计算机技术，依照通信协议，在两个终端之间传递数据的一种通信方式和通信业务。 数据通信系统指由数据传输电路将分布在不同地区的数据终端设备(包括计算机系统)和相关通信设备连接起来，组成一个具有数据传输、数据交换、数据处理和数据存储功能的计算机系统。,3,数据通信原理,在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备，简称为终端。数据终端设备泛指各种类型的计算机系统或数据终端(如接收数据的打印机等)，是数据输入/输出的工具。用于连接数据终端设备与传输信道的设备称为数据电路终接设备，该设备是用户设备接入数据传输电路的连接点。
2、数据电路终接设备的功能是完成数据信号的变换。,4,本章主要内容,数据通信的基本概念,1,传输介质及主要特性,2,数据编码技术与多路复用技术,3,4,数据交换技术,5,数据传输技术,5,数据通信的基本概念,数据和信号,1,信道及其主要特性,2,数据通信方式,3,数据通信的主要技术指标,4,6,数据和信号,数据的概念 数据(data)是实体特征(包括性质、形状、数量等)的符号说明，泛指那些能被计算机接受、识别、表示、处理、存储、传输和显示的符号。模拟数据在给定的定义域内表示为时间的连续函数值，例如声音和视频数据。数字数据指时间离散、幅度量化的数值，可以用二进制代码0或1的比特序列表示。,7,数据和
3、信号,信号的概念 信号(signal)指传输数据的物理量，如电压、电流、磁通、光波等物理量称为信号。 任一次通信，产生和发送信号的一端叫信源，接收信号的一端叫信宿。 信号分为模拟信号与数字信号。,8,数据和信号,数据与信号的关系 模拟数据通过高频载波信号调制到一个指定频率范围，形成模拟信号进行传输。模拟数据通过采样、量化和编码三个步骤转化为数字信号，数字信号传输到目标节点后，使用解码器解码，转化为模拟信号，通过驱动设备转换为模拟数据。,9,数据和信号,数据与信号的关系 数字数据通过编码转化为数字信号，经发送器发送数字信号。常用的数字信号编码有不归零编码、曼切斯特编码和差分曼切斯特编码等。数字信
4、号通过解码器转换成计算机使用的数字数据。数字数据使用调制器转化为模拟信号，相应的数据编码方式称为模拟数据编码。调制方式有幅度调制、频率调制和相位调制。模拟信号传输到目标节点后，用解调器解调还原成数字数据。,10,数据和信号,码元 码元(code cell)是网络中传输二进制数字的每一位的通称，是传输信号的最小单元，又称为bit位，7位码元构成一个码字。用同步脉冲识别码元的开始和结束，完成码元的同步定时。,11,信道及其主要特性,信道指从信源到信宿传输信号的通道，其传输介质是信道的载体。 根据传输介质的不同信道可以分为有线信道：明线、双绞线、同轴电缆及光缆等信道。无线信道：长波、中波、短波、超短
5、波、微波以及人造卫星信道或各种散射等信道。 根据传输信号的类型不同信道可以分为数字信道：指传输数字信号的信道，以数字脉冲形式传输数据，相应的通信系统称为数字通信系统。模拟信道：指传输模拟信号的信道，以随时间连续变化的模拟信号形式传输数据，相应的通信系统称为模拟通信系统。,12,信道及其主要特性,用模拟信号传输数字数据,13,信道及其主要特性,利用数字信道传输数据时，将模拟数据或数字数据转化为数字信号后，再使用数字信道传输数据。 数字传输最大的好处是对信号不失真地传输，这就是在数字电视中看到的图像更清晰的原因。 数字设备集成度高，比复杂的模拟设备便宜很多。 而传输数字信号比模拟信号所要求的频带要
6、宽得多，因而信道利用率较低。 数字信号另一个特点是易于加密并且保密性好。,14,数据通信方式,数据通信方式是由并行传输与串行传输、单工与双工通信、同步与异步通信技术三个层面构成。（1）并行传输与串行传输,15,数据通信方式,（2）单工、半双工与全双工通信,单工通信,16,数据通信方式,（2）单工、半双工与全双工通信,半双工通信,17,数据通信方式,（2）单工、半双工与全双工通信,全双工通信,18,数据通信方式,（3）同步技术 所谓同步，就是接收端要按照发送端所发送的每个码元的频率以及起止时间来接收数据，使通信的收发双方在时间基准上保持一致。 同步分为码元同步、帧同步和字符同步。码元同步又称为位
7、同步，要求接收端接收的每一码元都要和发送端对应的码元准确地保持同步，即在每一个二进制位保持同步。实现位同步的方法有外同步法和内同步法两种。,19,数据通信方式,（3）同步技术字符同步分为异步式字符同步和同步式字符同步两种。 异步式字符同步简称异步传输，异步传输的数据以字符为单位。,20,数据通信方式,（3）同步技术字符同步分为异步式字符同步和同步式字符同步两种。 同步式字符同步简称同步传输，同步传输将字符组织成数据块连续传送。,21,数据通信的主要技术指标,带宽(bandwidth) 模拟信道中，信号或信道的通频带f的宽度称为带宽，且f =f2f1。信道的带宽通常指信道内可以传输频率的范围，信
8、道的带宽越宽，在单位时间内能够传输的信息量就越大。带宽的单位是Hz。数据传输率(data transmission rate)在数字信道中传送数字信号的速率称为数据传输率，数据传输率分为比特率和波特率两种。,22,数据通信的主要技术指标,数据传输率(data transmission rate)比特率(S )指单位时间内传送二进制代码的有效位数，单位为b/s或bps。对于二进制数据，比特率为S = (1/T)log2n。波特率(B )指脉冲信号经过调制后的传输速率，又称对称调制速率、波形速率、码元速率，单位为波特(baud)。由于B = 1/T，由此可见，比特率与波特率的关系为S = Blog
9、2n。注意：习惯上常常将数据传输率称为数字信道的带宽，单位仍用bps。,23,数据通信的主要技术指标,信道容量(channel capacity) 信道容量指信道的最大数据传输能力。通过信道的数据传输速率一定要低于信道容量所规定的数值。 误码率(bit-error rate)误码率指信道中数据传输的错误率，即二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。误码率P= 错误的位数/传输的总位数。 时延(delay)时延指信号从网络的一端传输到网络的另一端所需的时间。,24,传输介质及主要特性,25,传输介质及主要特性,有线传输介质及其特性,1,无线传输介质,2,26,有线传输介质及其特性,双绞线,双绞线
10、,RJ-45,27,有线传输介质及其特性,双绞线,STP双绞线,UTP双绞线,28,有线传输介质及其特性,双绞线的主要特性如下： (1)物理特性：双绞线芯一般是铜质的材料制成的，具有良好的导电性能。 (2)传输特性：双绞线可以传输模拟信号和数字信号，最常用于声音的模拟传输。 (3)连通性：双绞线普遍用于点对点的连接，也可以用于点对多点的连接。,29,有线传输介质及其特性,双绞线的主要特性如下： (4)地理范围：局域网的双绞线在100 Kbps速率下传输距离可达1 km，在10 Mbps或100 Mbps传输速率下传输距离均不超过100 m。 (5)抗干扰性：在较低频率传输时，双绞线的抗干扰性相
11、当于或高于同轴电缆，随着频率的增加，双绞线抗干扰能力逐步降低。 (6)价格：双绞线的价格低于其他传输介质。,30,有线传输介质及其特性,同轴电缆,31,有线传输介质及其特性,同轴电缆,10base5 粗同轴电缆,10base2 细同轴电缆,32,有线传输介质及其特性,同轴电缆,33,有线传输介质及其特性,同轴电缆的主要特性如下： (1)物理特性：同轴电缆可以在较宽的频率范围内工作。 (2)传输特性：基带同轴电缆仅用于数字传输，数据传输速率最高可达10 Mbps。宽带同轴电缆既可传输模拟信号又可传输数字信号。 (3)连通性：同轴电缆既可用于点对点的连接，也可以用于多点的连接。,34,有线传输介质
12、及其特性,同轴电缆的主要特性如下： (4)地理范围：基带同轴电缆的最大传输距离限制在几千米，而宽带同轴电缆的最大传输距离可达几十千米。 (5)抗干扰性：同轴电缆的抗干扰能力比双绞线强。 (6)价格：同轴电缆的价格比双绞线高，但比光纤低。,35,有线传输介质及其特性,光纤 光纤的全名叫做光导纤维，是用特殊的工艺将石英晶体拉成的细丝，称为纤芯。纤芯外加上包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，光线在纤芯和包层的分界面上几乎是全反射，光线遇到包层就会折射回纤芯，形成光波沿着纤芯传输。,36,有线传输介质及其特性,光纤,37,有线传输介质及其特性,光纤光纤分为单模光纤和多模光纤两大类。光纤传输具有通信容量
13、大、传输损耗小、中继距离长、抗雷击、抗电磁干扰、无串音干扰，保密性好等优点。,38,有线传输介质及其特性,光纤的主要特性如下： (1)物理特性：在计算机网络中一般采用两根光纤组成传输系统。 (2)传输特性：光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，数据传输速率高，最低速率是100Mbps，一般可达1Gbps。 (3)连通性：光纤普遍用于点对点的连接。,39,有线传输介质及其特性,光纤的主要特性如下： (4)地理范围：光纤信号衰减极小，使用光纤传输，可以在68km的距离内不使用中继器实现高速率的数据传输。 (5)抗干扰性：光信号不受外界电磁干扰和噪声的影响，因此光纤可以在长距离内传输数据，
14、并且安全性和保密性高。 (6)价格：光纤的价格比双绞线和同轴电缆高。,40,无线传输介质,无线电波 无线电波适合于数据通信的主要方式是微波，微波的频率范围在300 MHz-300 GHz，主要使用2G-40 GHz的频率范围。微波在空间以直线传播，并且穿透性强，能穿透电离层直接进入宇宙空间。无线电波是全向性的传播，使用较低频率传输信号，不同的无线电通信使用的频段不同。,41,无线传输介质,微波 微波信号的频率在100MHz10GHz，单向沿直线传播。微波传送有地面微波接力和卫星微波传送两种方式。地面微波传送是指地球上两个微波站之间的微波传送方式。特点是微波波段频率高，频率范围宽，通信信道容量大
15、，数据传输质量较高，对不适宜布光缆的地理位置更适用。 卫星是一个微波转播台，用来连接两个以上微波收发系统。卫星通信的优点是容量大，传输距离远，受干扰影响较小，通信比较稳定；缺点是传播延迟时间长。,42,无线传输介质,红外线通信 红外线数据技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。数据传输所受到的干扰较少，数据传输率可达16 Mbps。适用于近距离、高速率传输数据的移动通信设备，扫描仪，数码相机和图形处理设备相互传送数据。红外线通信的方向性很强，且是沿直线传播的，但必须把要传输的信号转换为红外光信号才能直接在空间传播。,43,数据编码技术与多路复用技术,数据编
16、码技术,1,多路复用技术,2,44,数据编码技术,45,数据编码技术,数字数据的数字信号编码 (1)不归零码不归零码NRZ(non return to zero)是用两种不同的电压电平的脉冲序列来表示数字信号的编码方式。为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ的同时，用另一个信道同时发送同步时钟脉冲。,46,数据编码技术,数字数据的数字信号编码 (2)曼彻斯特编码曼彻斯特编码的编码规则是：每个比特的中间有一次电平跳变，从低电平到高电平的跳变表示二进制“0”，从高电平到低电平的跳变表示二进制“1”。曼彻斯特编码信号又称为“自含时钟编码”信号。,47,数据编码技术,数字数据的数字信号编码 (3)差分
17、曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码的编码规则是：每个比特的中间有一次电平跳变；以每个比特的开始是否有跳变来表示这个比特的值，有跳变表示二进制“0”，无跳变表示二进制“1”。,48,数据编码技术,数字数据的模拟信号编码 将发送端数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为调制(modulation)，将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调(demodulation)，在调制过程中，需要一种载波信号，它是一个频率连续恒定的信号，其余弦信号可以写为Acos( t )。,49,数据编码技术,数字数据的模拟信号编码 (1)移幅键控法移幅键控法ASK(amplitude-shift keying)，又
18、称调幅AM(amplitude modulation)，是用载波信号的两个不同的幅度来表示。,50,数据编码技术,数字数据的模拟信号编码 (2)移频键控法移频键控法FSK(frequency-shift Keying)，又称调频FM(frequency modulation)，是用载波信号的两个不同的角频率来表示数字信号0，1。,51,数据编码技术,数字数据的模拟信号编码 (3)移相键控法移相键控法PSK(phase-shift keying)，又称调相PM(phase modulation)，是用载波信号的相位移动来表示数字信号0，1。,52,数据编码技术,模拟数据的数字信号编码 脉冲编码调
19、制PCM(pulse code modulation)是模拟数据数字化的主要方法。PCM编码过程包括采样、量化和编码三个步骤。 (1)采样 采样是每隔一定的时间间隔，对连续模拟信号进行测量，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本，用其表示原来的信号。采样频率f必须满足f =1/T2fmax 或 f2B。,53,数据编码技术,模拟数据的数字信号编码 (2)量化量化是将采样样本幅度按量化级进行分级的过程。 (3)编码编码是用一定位数的二进制代码表示采样样本量化后的量化幅度。,54,多路复用技术,多路复用的实质是将多个用户发送的信息通过多路复用器进行汇集，然后将汇集后的信息群通过一条物理信道传送到接收
20、设备，接收设备通过多路复用器将信息群分离成各个单独的信息，再分发到多个用户。,55,多路复用技术,多路复用一般有三种基本形式：频分多路复用FDM(frequency division multiplexing)、时分多路复用TDM(time division multiplexing)和波分多路复用WDM(wavelength division multiplexing)。 (1)频分多路复用频分多路复用FDM是以信道频带作为分割对象。,56,多路复用技术,(2)时分多路复用时分多路复用TDM是以信道传输时间作为分割对象，主要用于数字数据信号的传输。时分多路复用又可分为以下两类：同步时分多路复
21、用STDM(synchronous TDM)异步时分多路复用ATDM(asynchronous TDM)同步时分多路复用又称静态时分多路复用，它是将信道时间预先分配给各个用户，并且时间片固定不变，因此各个用户信号的发送与接收必须是同步的。,57,多路复用技术,(2)时分多路复用异步时分多路复用又称统计时分多路复用，它是动态地分配时间片给各个用户。,58,多路复用技术,(3)波分多路复用 波分多路复用WDM采用了波长分隔多路复用方法。,59,数据传输技术,基带传输技术,1,频带传输技术,2,60,基带传输技术,在数据通信中，人们用矩形脉冲信号来表示计算机中二进制比特序列的数字数据信号。 矩形脉冲
22、信号的固有频带称为基本频带，简称基带。这种矩形脉冲信号称为基带信号。在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输，它是一种最基本的数据传输方式。 在数据的发送端，由编码器将基带传输的信源数据变换为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号；在数据的接收端，信号由解码器进行解码，恢复成与发送端相同的数据。,61,频带传输技术,利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。 调制解调器是频带传输中最典型的通信设备，在数据的发送端，调制解调器将计算机产生的数字信号转换成电话线路可以传送的模拟信号； 在数据的接收端，调制解调器将从电话交换网上接收到的模拟信号还原成数字信号传送给计
23、算机。 因此，在全双工通信方式中，调制解调器具有同时发送与接收模拟信号的能力。,62,数据交换技术,线 路 交 换,1,报 文 交 换,2,分 组 交 换,3,63,线路交换,线路交换的工作原理,64,线路交换,线路交换的特点(1) 在进行通信时，首先要建立一个实际的物理线路连接。(2) 两台主机之间建立的物理线路连接为此次通信专用，即使该连接在某个时刻没有数据传送，该线路也不能被其他连接使用，因此线路利用率较低。(3) 通信子网中的节点交换设备不能存储数据，不能改变数据内容，不具备差错控制能力。因此，线路交换适用于模拟信息的传输和实时大批量连续的数字信息传输。,65,报文交换,线路交换的工作
24、原理 报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术。报文是按照一定的格式把待发送的数据、目的地址、源地址和控制信息组成一个数据单元。,66,报文交换,报文交换的工作原理报文交换采用存储转发方式传送报文，不需要在两个站之间建立专用的物理通路。当一个站发出一个报文时，网络节点根据报文上的目的地址信息，进行路由选择，把报文发送到下一个节点，然后逐个节点地转送到目的节点。,67,报文交换,报文交换与线路交换相比具有以下优点：(1) 报文交换不需要为通信双方预先建立一个传输通道。(2) 线路利用率高，不同的报文可以同时共享两个节点之间的通道。(3) 传输可靠性高，主要表现在两个方面：一是能够对报文进行差错检
25、测；二是如果中间节点发现某条线路有故障，它可以选择其他路径转发报文。,68,报文交换,报文交换的主要缺点如下：(1) 不能满足实时或交互式的通信要求(如语音、实时视频等)，报文经过网络的延迟时间长且不定。(2) 当节点收到过多的数据而没有空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，并且发出的报文不按顺序到达目的地。(3) 由于长报文一旦出错就需要从头全部重发，因此会影响传输效率，并且带来更大的延时。,69,分组交换,分组交换是把要传输的长报文分成若干个较小的数据块，称为分组，然后以分组为单位按照与报文交换同样的方法进行传输。,每个分组在通信子网中根据各自不同的路径独 立传输，接收端节点依据分组
26、号将接收到的具有该 节点地址的分组重新组装成信息或报文。分组交换有两种方式：数据报DG (datagram)方式虚电路VC (virtual circuit)方式,70,分组交换,数据报方式,71,分组交换,数据报方式的特点：（1）用户之间的通信没有建立连接和拆除连接的过程，适合短报文传输；（2）每个分组有独立的路由，对网络故障的自适应能力较强；（3）分组传输时延较大，适用于突发性通信；（4）同一报文的不同分组到达目的节点时可能会乱序、重复与丢失。为了克服数据报方式的缺点，人们进一步提出了虚电路方式。,72,分组交换,虚电路方式,73,分组交换,虚电路方式的特点：（1）用户在发送分组之前必须在双方之间建立一条逻辑连接的虚电路；（2）分组以存储转发的方式通过这条虚电路顺序到达目的节点，不再需要复杂的路由选择，并且不需要对收到的分组重新排序；（3）分组传输时延小，不会丢失；（4）虚电路并不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，以达到资源共享。,
