第2章计算机网络原理通信基础.ppt

1、第2章数据通信技术基础内容2.1数据通信技术n2.1.1模拟数据通信和数字数据通信n2.1.2数据通信中的主要技术指标n2.1.3通信方式2.2数据编码技术和时钟同步n2.2.1数字数据的模拟信号编码n2.2.2数字数据的数字信号编码n2.2.3模拟信号的数字编码n2.2.4多路复用技术n2.2.5异步传输和同步传输n2.3数据交换技术n2.3.1电路交换的工作原理n2.3.2报文交换的工作原理n2.3.3分组交换的工作原理n2.3.4各种数据交换技术的性能比较n2.4传输媒体n2.4.1有线传输媒体n2.4.2无线传输媒体n2.4.3常用接口及其标准n2.5差错控制方法n2.5.1差错的产生

2、原因及其控制方法n2.5.2常见差错控制编码2.1数据通信技术2.1.1数据通信和模拟通信传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器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通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟

3、数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器2.1.2主要技术指标数据通信的任务是传输数据,希望达到速度出错率低、信息量大、可靠性高,并且既经济又便于使用维护。1.数据传输速率数据传输速率n数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道n失真不严重n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)输入信号波形实际的信道（带

4、宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)2.信道容量信道容量n信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps)奈氏(Nyquist)准则n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2 个码元。nBaud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)香农公式信道的极限信息传输速率C 可表达为n C=Wlog2(1+S/N)b/snW 为信道的带宽（以Hz为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。n信道

5、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。n只要信息传输速率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。n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。奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制3.误码率误码率n它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。误码率公式：Pe=Ne/N式中Ne为其中出错的位数；N为传输的数

6、据总数。2.1.3通信方式n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n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。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。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。n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。并行通信方式并行通信方式n并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。串行通信方式串行通信方式n串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。串行通信的方向性结构串行通信的方向性结构n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替

7、通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。数字数据的传输方式数字数据的传输方式n n基带传输基带传输基带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。在信道上传送。在信道上传送。在信道上传送。n n例如：以太网例如：以太网例如：以太网例如：以太网n n频带传输频带传输频带传输频带传输：数字信号需调制成音频模拟信号后再传：数字信号需调制成音频模拟信号后再传：数字信号需

8、调制成音频模拟信号后再传：数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。送，接收方需要解调。送，接收方需要解调。送，接收方需要解调。n n例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输例如：通过电话模拟信道传输n n宽带传输宽带传输宽带传输宽带传输：数字信号需调制成频带为几十：数字信号需调制成频带为几十：数字信号需调制成频带为几十：数字信号需调制成频带为几十MHZMHZ到几到几到几到几百百百百MHZMHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调的模拟信号后再传送，接收方需要解调的模拟信号后再传送，接收方需要解调的模拟信号后再传送，接收方需要解调n n例如：闭路

9、电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输n n早期：早期：利用宽带同轴电缆在利用宽带同轴电缆在0-300MHz0-300MHz的频带上传输的频带上传输信息的技术。信息的技术。n n现在现在:传输速率大于传输速率大于1Mb/s1Mb/s的广域网接入技术。如的广域网接入技术。如ADSL,DDNADSL,DDN2.2数据编码技术和时钟同步n2.2.1数字数据的模拟信号编码为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟

10、信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。调制解调器n数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅ASK调频FSK调相PSK调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：n调制器(Modulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在3003400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。n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。n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

11、适合于模拟信道传输的波形n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。n若识别不正确，则产生误码。n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。几种最基本的调制方法n调制就是进行波形变换（频谱变换）。n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。2.2.3 模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码 n对模拟数据进行数字信号编码的最常见例子是脉码调制PCM(PulseCodeModulation),它常用于对声音信号进行编码n图

12、2-11脉码调制(PCM)原理2.2.2 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 n1.数字数据的数字信号表示数字数据的数字信号表示na)单极性脉冲nb)双极性脉冲nc)单极性归零脉冲nd)双极性归零脉冲ne)交替双极性归零脉冲脉码调制PCM采样周期Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原2.2.4 多路复用技术多路复用技术 n多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。nFDMnTDMnCDMnWDM频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧

13、TDM帧TDM帧TDM帧1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDMn波分复用就是光的频分复用。复用器分用器码分复用CDMn常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。n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。n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。n每一个比特时间划分为m 个短的间隔，称为码片(chip)。2

14、.2.5 异步传输和同步传输异步传输和同步传输n异步传输方式中，一次只传输一个字符。每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位。接收方根据1至0的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。n同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。数据同步方式数据同步方式n目的是使接收端与发送端在时间基准上一致目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等包括开始时间、位边界、重复频率等)。n有三种同步方法：有三种同步方法：n位同步位同

15、步n字符同步字符同步n帧同步帧同步数据同步方式n为了让计算机的各部件协调工作，需要靠时钟对其分别定时和定序。接收和发送的时序协调也要靠时钟定时，决定发送方每一位的起始和终止，接收方对信号的每一位的采样取值和时间间隔。完全同步是不可能的。需要对每一个间隔，校对一次时间。我们将收发段校对时间称为收发两端的同步。n一般在帧级、字节级和位级进行。n1)位同步：位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。外同步发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步通过特殊编码(如曼彻斯特编码,详见冯P46

16、2.4)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。n2)字符同步：可分为异步制和同步制；n以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要：1个起始位、58个数据位、1，1.5，2个停止位。（如图3所示）同步制：同步传输时，不是以字符为单位的，而是面向同步制：同步传输时，不是以字符为单位的，而是面向同步制：同步传输时，不是以字符为单位的，而是面向同步制：同步传输时，不是以字符为单位的，而是面向成组传递。它在一组信息的开头和结尾有开始和结束传递成组传递。它在一组信息的开头和结尾有开始和结束传递成组传递。它在一组信息的开头和结尾有开始和结束传递成组传递。它在一组信息的开头和结尾有开始和结束传递的信息位。的信息位。的信息位。的信息位。n3)帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧(Frame)数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块。面向字符的以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。2.3 数据交换技术数据交换技术n数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网