第2部分 数据通信的基础知识.docx
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第2部分数据通信的基础知识
第2部分数据通信的基础知识
〖主要内容〗数据通信基本概念，多路复用技术，编码技术，数据交换技术，差错检
测与校正。
〖教学重点〗数据通信概念，数据编码技术，循环冗余码，FDM和TDM。
数据通信是通过某种类型的介质把数据从一个地点向另一个地点传送的通信方式。
是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。
2.1基本概念
2.1.1数据通信定义及特点
数据通信是计算机与计算机或计算机与其他数据终端之间存储、处理、传输和交换信息的一种通信技术，是计算机技术与通信技术相结合的产物，它克服了时间和空间上的限制，使人们可以利用终端在远距离同时使用计算机，大大提高了计算机的利用率，扩大了计算机的应用范围，也促进了通信技术的发展。
1.数据通信的定义
数据通信是依照通信协议，路由数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。
2.数据通信的特点
●数据通信实现的是机与机或人与机之间的通信
●数据传输的准确性和可靠性要求高
●传输速率高，要求接续和传输响应时间快
●数据通信具有灵活的接口能力以满足各式各样的计算机和终端间的相互通信
2.1.2信息、数据和信号
通信的目的是为了交换信息，因此只要保证被传输的二进制码（信息在计算机中的表示）在传输过程中不出现错误。
数据：
指被传输的二进制代码
信息：
是数字、字母和符号的组合。
●信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等到多种媒体。
信息在传递过程中通常用二进制代码表示的（如ASCII码）
信号：
是数据在传输过程中的表示形式，有模拟信号和数字信号两种
●
A
在通信系统中，数据以模拟信号（波形连续变换的电信号）或数字信号（离散信号）的形式由一端传输到另一端
模拟通信系统：
指传输模拟信号的系统
数字通信系统：
指传输数字信号的系统
2.1.3数据通信系统的基本结构
1.基本概念
信源：
指产生和发送信息的一端
信宿：
指接收信息的一端
●信源与信宿通过通信线路（即两节点间连线称为链路）进行通信的
信道：
是指两地间传输数据信号的通路，即信号的传输通道，包括传输媒体和通信设备
通路：
是指从信源到信缩的一串节点和通信连线
物理信道和逻辑信道：
物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。
逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还在节点内部实现了其他“连接”，通常把这些“连接”称为逻辑信道。
因此，同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。
网络节点分转节点和访问节点两类。
转节点是支持网络连接性能的节点，它通过通信线路来转接和传递信息。
访问节点是信息交换的源节点和目标节点，起信源和信宿的作用。
（关于节点与结点区别）
2.数据通信系统的基本结构
信道
通信系统中若没有噪声则是一种理想模型，而实际上噪声是或多或少存在的，因此为了保证在信源和信宿之间能够实现正确的信息传输与交换，除了使用一些克服干扰以及差错的检测和控制方法外，还要借助于其他各种通信技术来解决这个问题，如调制、编码、复用等等。
注：
数据通信的基本目的是在两用户之间交换信息。
数据通信系统是指以电子计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而完成数据通信的系统。
数据通信系统也可以看成是这样三个基本组成部分：
数据终端设备DTE、数据电路终端设备DCE和传输信道。
数据终端设备DTE：
是数据通信系统的输入和输出设备，其主要功能是完成数据的输入与输出、数据处理和存储以及通信控制等。
数据电路终端设备DCE是数据信号的变换设备，其作用是在电信传输网络能提供的信道特性和质量的基础上实现正确的数据传输，并实现收发之间的同步。
如调制解调器设备
2.1.3.1模拟通信系统
模拟通信系统是指传输模拟信号的数据通信系统，通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声组成。
如：
普通的电话、广播、电视等。
信宿
模拟通信系统工作原理：
将信源所产生的原始模拟信号经过调制后再通过信道传输，到达信宿后再通过解调器将信号解调出来。
2.1.3.2数字通信系统
信宿
数字通信系统是指传输数据信号的数据通信系统，由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源组成。
如：
计算机通信、数字电话、数字电视等。
在数字通信系统中，若信源发出的是模拟信号，则要经过信源编码器对模拟信号进行调制编码使其成为数字信号；若信源发出的是数字信号，仍然要进行数字编码。
信源编码有两个作用：
一是实现数/模转换，一是降低信号的误码率。
信源译码则是其逆过程。
信道编码是为了能够自动地检测出错误或纠正错误所采用的检错编码或纠错编码。
信道译码则是其逆过程。
从信道编码器输出的数字信号还是基带信号，除了近距离能够直接传输外，通常为了与采用的信道相匹配，要将基带信号经过调制变换成频带信号再传输，这就是调制器的任务；解调器正是它的逆过程。
2.1.4通信信道的分类
1.按传输介质分类
（1）有线信道：
是指使用有形的媒体作为传输介质的信道，如电话线、双绞线、同轴电缆和光缆。
（2）无线信道：
是指以电磁波在空间传播方式传送信息的信道，如无线电、微波、红外线和卫星通信信道。
2.按传输信号类型分类
（1）模拟信道：
是指能传输模拟信号的信道。
如语音信号。
若利用模拟信道传送数字信号要经过数/模（A/D）转换。
（2）数字信道：
是指能传输离散数字信号的信道，如计算机间的通信。
利用数字信道传输数字信号虽然不需要进行转换但仍然要进行数字编码。
3.按使用方式分类
（1）专用信道：
是指一种连接于用户设备之间的固定电路，通常是由电信部门或国家建立的，如铁路
（2）公用信道：
也即公共交换信道，是指一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道，如公共电话交换网。
2.1.5数据通信的技术指标
2.1.5.1数据通信速率
1.传输速率：
是指数据在信道中传输的速度。
分为RB和Rb
●码元速率RB：
每秒中传送的码元数，即波特率，波特/秒（Baud/s）
●信息速率Rb：
每秒中传送的信息量，即比特率，比特/秒（bit/s或bps）
两者关系如下：
Rb=RBlog2M（其中M为采用的进制）
D
例：
对于采用八进制进行传输信号，则其信息速率就是码元速率的3倍。
2.码元速率与信息速率的比较方法：
Ø确定进制码元间的关系：
如数字信号采用四级电平即四进制，则一个四进制码元对应二个二进制码元（4=22）
Ø确定数字信号对应的电平：
如数字信号为01100001110110，则四进制数据为1201312，其电平符号（用A、B、C、D由高到低表示）为CBDCACB
Ø画出波形图：
2.1.5.2误码率和误比特率
Pb=
误码率Pe：
是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。
（多进制系统中）
误比特率Pb：
是指在信息传输过程中，错误的比特数占总传输的比特数的概率。
（二进制系统中）
2.1.5.3信道带宽与信道容量
信道带宽：
是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，即信道频带，用赫兹Hz表示，信道带宽是由信道的物理特性所决定的
信道容量：
是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特/秒（bit/s或bps）表示
注：
（1）数据传输速率定义
数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，计作bps。
对于二进制数据传输速率S＝1/T（T为发送每一比特所需要的时间）
（2）带宽与数据传输速率
1924年，柰奎斯特推导出具有理想低通矩形特性的信道，在无噪声情况下的最高速率与带宽关系的公式，这就是柰奎斯特准则。
柰奎斯特准则指出：
如果间隔为π/ω（ω＝2πf）通过理想通信信道传输脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。
因此对于二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B＝f）的关系为：
Rmax=2f（bps）
香农定理指出：
在有噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N（S为信道中传送信号的平均功率、N为信道中的随机噪声功率）的关系是：
Rmax＝Blog2（1+S/N）。
（3）时延（delay或latency）
时延是指一个报文或分组从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。
时延是由以下几个不同的部分组成的：
A．传播时延
传播时延是从一个站点开始发送数据到目的站点开始接收数据所需要的时间。
传播时延的计算公式是：
传播时延＝信道长度÷信道上的传播速率
B．发送时延
发送时延是发送数据所需要的时间，即从一个站点开始接收数据到数据接收结束所需要的时间。
发送时延的计算公式是：
发送时延=数据块长度÷信道带宽
C．排队时延
这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。
D．传输时延/总时延
数据经历的总时延就是以上三种时延之和：
总时延/传输时延=传播时延+发送时延+排队时延
网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘，就得到另一个很有用的度量：
传播时延带宽积，即[（传播时延）×（带宽）]。
链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
在计算机网络中，往返时延也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。
2.2数据的传输
2.2.1串/并行通信
b6
并行通信：
是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。
●优点：
传输速度快、收发双方不存在字符同步问题
●缺点：
由于采用多条并行线路，增加了费用、并行线路间存在电平干扰
●适用范围：
近距离和高速率的通信（是计算机内的主要传输方式）
串行通信：
是指数据以比特流逐位在一条信道上传输
●优点：
费用低（一条线路）
●
b6
缺点：
传输效率低（为并行通信速率的1/8）、收发双方要保证同步
●适用范围：
计算机之间通信和远程通信（它是通信线路的主要传输方式）
2.2.2通信线路的连接方式
1.点对点的线路连接
SB
点对点的线路连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接。
线路形式：
专用线路、租用线路或交换线路
连接类型：
点对点连接、点对多点式集中连接
2.多点线路连接
多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接
线路形式：
空间分享线路（同时发送数据）、时间分享线路（轮流发送数据）
连接类型：
点对多点式连接、多点对多点复用式连接
复用器
2.2.3信道的通信方式
单工通信：
指单向通信信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只发不收而接收方只收不发（只能是单方向的）。
如：
无线电广播和电视
半双工通信：
指信号可以沿两个方向传送（在不同的时刻）,但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。
如：
对讲机、步话机、计算机网络端到端的通信
全双工通信：
指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如：
电话机
2.2.4信号的传输方式
1.基带传输
基带是指离散矩形波固有的频带
基带信号是指离散矩形波（用0、1表示的离散矩形波信号）
基带传输是指在信道中直接传输数字信号的传输方式，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。
基带传输的频带可以从0Hz（直流）到几百MHz，甚至几千MHz，由于传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，因此传输距离不大于2.5KM，否则就要使用再生重发器增加功率来延长传输距离，所以电话通信线路一般是不能满足基带传输要求的。
2.频带传输
频带传输是指将数字信号调制成音频信号（300～3400Hz）后再进行发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输方式。
由此可见，频带传输首先要把信源端的数字信号调制成可长途传输的模拟信号，即数/模转换；而在信宿端则正好相反，即模/数转换。
特点：
发送端和接收端要安装调制解调器，频带传输的主要技术就是调制与解调。
3.宽带传输
宽带传输是指比音频带更宽的频带传输
常将音频信号、视频信号和数字信号这三个子频带通过75Ω的电视同轴电缆CATV或光纤传输媒体同时进行传输。
特点：
传输距离远
2.3数据传输的同步技术
在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方交换数据要有高度的协同动作，即保证传输数据速率、每个比特的持续时间和间隔均相同，这就是同步问题。
同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据。
数据传输的同步技术有：
异步方式和同步方式
1.异步方式（起止式同步方式）
每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示字符结束。
接收方根据起始位和停止位来判断一个字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用。
特点：
实现容易，传输一个字符要多使用2～3位，适用于低速通信（≤1200bps）
数据位：
B5H
2.同步方式
数据帧
同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。
在发送一组字符或数据块之前先发送一同步字符SYN（ASCII码为16H，以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态
特点：
数据传输效率高，不使用附加位，适用于高速数据传输线路系统（≥2400bps）
2.4数据的编码和调制技术
计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通道信道所支持的数据通信类型。
数字信号编码与调制
模拟信号编码与调制
网络中的通信信道分为模拟信道和数字信道，数字的编码方法包括数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。
数据的编码方法是指数据的编码和调制
2.4.1数字数据的调制
为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。
调制（Modulation）指发送端将数字数据信号变换模拟信号的过程
调制器（Modulator）指调制设备
解调（Demodulation）指接收端将模拟信号还原成数字数据信号的过程
解调器（Demodulator）指解调设备
调制解调器（Modem）指同时具有调制和解调功能的设备
模拟信号是具有一定频率的连续的载波波形，用
表示（书上有错）。
数字数据调制的基本方法有：
幅移键控、频移键控和相移键控
相对相移键控PSK
1.幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）
ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”、“0”的，即f和φ恒定，用幅度A进行调制，A1（取1）表示“1”，A2（取0）表示“0”
适用于小于1200bps低速话音线路
2.频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）
FSK是通过改变载波信号的频率来表示数字信号“1”、“0”的，即A和φ恒定，用频率f进行调制，f1表示“1”，f2表示“0”
适用于高到1200bps传输，3～30MHz高频无线电传送和局域网广播网络
3.相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）
PSK是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号“1”、“0”的，即A和f恒定，用相位φ进行调制
（1）绝对调相：
φ为0时表示“1”，φ为π时表示“0”
（2）相对调相：
为“0”时相位不变，为“1”时相位偏移π
2.4.2数字数据的编码
数字信号的基带传输是指利用数字通信信道直接传输数字数据的方法
数字信号编码有：
不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码
1.不归零编码（NRZ）
NRZ有两种之分：
单极性NRZ和双极性NRZ，前者的信息0用零电平表示，后者用正电平表示，这里讲的是双极性NRZ
缺点：
发送和接收方不能保持同步
2.曼彻斯特编码（Manchester）
特点：
每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，表示数字信号“1”；若从高电平跳变到低电平，表示数字信号“0”
优点：
每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步
3.差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）
特点：
每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始存在跳变则表示“0”，无跳变为“1”。
曼彻斯特编码
2.4.3模拟数据的调制
模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息。
模拟数据的基本调制技术主要包括：
调幅AM、调频FM和调相PM
2.4.4模拟数据的编码
模拟数据数字化的主要方法是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）
数字信号
PCM技术的典型应用是语音数字化，如模拟电话机、Modem上网
PCM（脉冲编码调制）工作过程为：
抽样、量化和编码
1.抽样
模拟信号是电平连续变化的信号。
每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值作为样本表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。
抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据。
2.量化
量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。
量化级取决于系统的精度要求，可分为8级、16级或更多的量化级
3.编码
编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级
PCM用于数字化语音系统，它将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率为8000次/秒，因此一路话音的数据传输速率为8×8000bps=64kbps
2.5数据交换技术
用户间通信是非对称的，常在某段时间内进行大量传输，即数据交换。
解决方法是：
将各地终端连接到一个具有某种交换能力的通信网上，若该网有若干条信道，而交换设备则能将网络的各个信道按用户需求连接起来。
数据通信子网的交换方式可以分为电路交换和存储转发交换（报文交换、分组交换）两类。
报文交换
分组交换
2.5.1电路交换
电路拆除（通话完毕，交换机释放）
电路交换（CircuitSwitching），也称线路交换，是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道，这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。
电路交换过程分为三个阶段：
电路建立、数据传输、电路拆除
这个过程类似于“打电话”过程：
电路交换的特点：
●电路建立后不存在其它延迟，适用于大批数据连续传输
●电路连通后提供给用户的是“透明通路”，所谓“透明”是指传输通路未对用户信息进行任何修正或解释
●信息传送的吞吐量大，即可以根据信息量的大小选择所需要的传输速率通道
电路交换的缺点：
●电路信道利用率低，是因为建立的传输通路别人是不能使用的
●网络资源的利用率低，是因为所占用的带宽是固定的
●通信双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等要一致。
●呼叫建立时间长且存在呼损
适用：
信息量大的场合
2.5.2存储转发交换
存储转发交换（StoreandForwardSwitching）方式可分为报文存储转发交换与报文分组存储转发交换方式，报文分组存储转发交换方式又分为数据报与虚电路方式
2.5.2.1报文交换（MessageSwitching）
报文交换广泛应用于数字数据通信
报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址
工作原理：
交换机把来自用户的报文暂时存放在节点的存储设备之中，等输出电路空闲时，再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端为止。
报文交换的特点：
●源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路（采用多路复用技术）
●用户不需要叫通对方就可发送报文，无呼损
●容易实现不同类型终端之间通信，用户间输入输出电路速率及电码格式可以不同
●数据传输的可靠性高，即每个节点要进行检错和纠错
●电路利用率高，可根据电路情况有选择地选择不同速度高效传输
报文交换的缺点：
●与电路交换相比，不存在建立和拆除电路的等待和时延，存在交换机的时延，不利于实时通信
●要求节点具备足够的报文数据存储能力，增加了设备费用，如小型机或微机
适用：
公共电报、电子信箱业务
2.5.2.2分组交换（PacketSwitching）
分组交换属于“存储/转发”交换方式，即把报文分割成若干较短的按一定格式组成的分组。
分组是一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数，把它作为一个整体加以转接，这些数据、呼叫控制信号以及可能附加的差错控制信息都是按规定的格式排列的。
分组交换采用两种方式：
数据报分组交换或虚电路分组交换
适用：
计算机、终端连网
注：
分组交换是计算机网络中广泛使用的交换技术。
分组数据是暂时存储在节点的内存中。
节点暂时存储的是一个个分组数据而不是整个数据文件。
分组交换采用的是动态分配信道的策略，从而极大地提高了通信线路的利用率。
由于存储/转发时因排队会有一定的时延。
2.5.2.3交换高速技术
帧中继
ATM（异步传输模式）
2.6信道复用技术
复用是用一对传输线传送几路或多路信息的方法
信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，以共享信道资源。
其主要目的是为了有效地利用带宽。
传输多路信号
采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条电路进行传输，即利用一个物理信道同时传输多个信号。
常用的方式有：
频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用CDM
2.6.1频分多路复用FDM
频分多路复用FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段，每个信号占用其中一个频段，接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。
使用例：
无线电广播、无线电视、有线电视
2.6.2时分多路复用TDM
时分多路复用TDM是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙），每个时间片被一路信号占用。
TDM分为同步时分复用STDM、异步时分复用ATDM
1.同步时分复用STDM
STDM将传输信号的时间按特定长度连续划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个间隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。
2.异步时分复用ATDM
ATDM是只有当某一路用户数据发送时才把时隙分配给它；当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。
电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。
2.6.3波分多路复用WDM
波分多路复用WDM主要用于全光纤网组成的通信系统，即光的频分复用，即把光波长分割复用，在一根光纤中同时传输多波长光信号的技术。
其实现方法是：
在发送端将不同的光信号组合起来通过光纤进行传输，而在接收端将其复原。
棱镜/光栅
2.6.4码分多路复用CDM
码分多路复用CDM又称为码分多址CDMA，是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同
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