1、,第二章 数据通信的基础知识,本章要点：2.1 基本概念2.2 信道及其特性 2.3 传输媒体 2.4 数据编码2.5 多路复用技术2.6 数据交换技术2.7 差错控制技术,2.1 基本概念,数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。-模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据 信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。 -模拟信号与数字信号 -基带( Base band ) 与宽带( Broadband )信号,一些术语：,信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。 比特率(Bit Ra
2、te)：数据传输速率 (bps，b/s)。 码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始,波特率(Baud)：每秒传送的码元数(即信号传送速率)。1 Baud = （log2M） bps其中M是信号的编码级数。也可以写成Rbit = Rbaud log2M例如：4级编码（p23图2.3b）一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。,带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信道容量(Channel capacity)：信道的最大数据率误码率
3、(Bit error rate)：信道传输可靠性指标P= 错误的位数 / 传输的总位数,信息编码：将信息用二进制数表示的方法。 数据编码：将数据用物理量表示的规则。例如：字母A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,通信系统模型,通信的三个要素：信源、信宿和信道 任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：,噪声,信源,编码,调制,信道,解调,解码,信宿,编码器：数据适合传输的信号便于识别、纠错 调制器：信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解码器：传输信号原始数据 解调器：接收波形数字信号序列,信息通过通信系统传输,把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。 信息和数据（0
4、、1比特）不能直接在介质上传输。,通信系统的构成,数据传输系统：1）传输线路（包括传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等 数据处理系统：主要是指计算机。,通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制,建立物理连接建立逻辑连接数据传送断开逻辑连接断开物理连接（对比：打电话的过程）,2.2 信道及其主要特征,1.数字信道和模拟信道, 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。,2.模拟信号和数字信号,模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值,t,a) 模拟信号,b)
5、 数字信号,3.周期信号和非周期信号,周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波） 非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。,T,t,t,T,T,T,T,T,周期信号,4.传输模式(通信方式)数据流动的方向, 单工：数据单向传输（无线电广播） 半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） 全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输,5.数字数据的传输方式, 基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例
6、如：以太网 频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调例如：通过电话模拟信道传输,6.数据同步方式,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)。有三种同步方法： 位同步 字符同步（异步传输） 帧同步（同步传输）,1)位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步外同步发送端发送同步时钟信号，接收方用它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），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,2)字符同步：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两个字符之间的间隔时间不固定.每个字符
7、的传输需要：（p30图2-11）1个起始位5，6，7，8个数据位1，1.5，2个停止位 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步增加了辅助位，所以效率低例如，1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/1172,帧（Frame）包含数据和控制信息的数据块（包）,帧起始,控制信息,数据,帧结束,校验和,0 - n,8bit,8bit,8-32,m,面向比特的以特殊位序列（7EH）作为帧（起始）标志来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。,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。,3)帧同步：识别一个帧的起始和结束。,7.信道最大数据
8、传输率,M 最大数据率 (C) 2 6000 bps 4 12000 bps8 18000 bps 16 24000 bps 32 30000 bps 64 36000 bps,C = 传输率，单位b/s或bps W = 带宽，单位Hz M = 信号电平级数,例如： 话音级线路(3000 Hz) 的信道容量计算，如右图所示。,Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。,Nyquist 公式：用于理想低通信道,非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。b）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接
9、收端 会产生信号畸变。c）噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。,Shannel公式：高斯噪声干扰信道,S/NdB 信噪比（dB分贝）的定义:,S/NdB = 10 log10 S/N,例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000) 30Kbps,C = 传输率，单位b/s W = 带宽，单位Hz,即：,S N,),Nyquist公
10、式和Shannel公式的比较, C = 2W log2M此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,2.3 数据编码,数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合， 每一种相应地需要进行不同的编码处理。,模拟传输和数字传输,话音,模拟传输,模拟,数字,模拟,模拟,CODEC,数字,数字,数字编码,数字,模拟数据，模拟信号,数字数据，模拟信号,数字数据，数字信号
11、,模拟数据，数字信号,1010,1010,Modem,P调制参数,g(t),数字或 模拟,Encoder,Decoder,数字或 模拟,数字信号,x(t),g(t),编码,模拟信号,Modulator,Demodulator,数字或 模拟,m(t),p,s(t),m(t),数字或 模拟,调制,编码和调制,用数字信号承载数字或模拟数据编码 用模拟信号承载数字或模拟数据调制,1. 数字数据的数字信号编码,不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用5V表示1，5V表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步
12、。,曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高 低的跳变0，低高的跳变1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。,差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ：码元开始处
13、有跳变0码元开始处无跳变1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分 Manchester,三种数字编码的波形图,2. 数字数据的调制编码,三种常用的调制技术： 1） 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 2） 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 3） 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。,载波 S(t) = A cos (t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的
14、变化而变化,PSK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz) PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相),0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK调幅,FSK调频,PSK调相,多级调制方法1 -单参量多级调制,01,10,00,0,+90,+180,+270,11,+900 01,00 00,+2700 11,+1800 10,4-PSK,数据率 = 信号速率 x log2MM：调制级数,多级调制方法2 多参量多级调制,16-QAM(正交振幅调制) :使用振幅和相位的16种组合,0,45,
15、16-QAM的星座图,90,180,270,135,315,225,奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,3. 模拟数据的数字信号编码,语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样按一定间隔对语音信号进行采样2）量化对每个样本舍入到量化级别上3）编码对每个舍入后的样本进行编码,编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）,-话音信道带宽 2倍话音最大频率) -量化级数：256级 (8位二进制码表示) -数
16、据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s每路PCM信号的速率 = 64000bps,PCM转换过程举例,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM脉冲,PCM 脉冲（有量化误差）,011100011011001100,PCM 输出,通信系统的例子电话系统,公用电话交换网PSTN(Public Switched Telephone Network)-端到端的数据传输率：104 b/s-干线的数据传输率：1010 b/s-总体误码率：10-5-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。 优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易,构成：本地回路、交换局
17、、干线,本地回路,编码解码器Codec,编码解码器Codec,Modem,Modem,端局,端局,长途局,数字干线,模拟线路 （本地回路）,模拟线路 （本地回路）,绝大多数为模拟线路 计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字模拟数字模拟数字,复用多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？线路成本,2.4 多路复用技术,复用类型,FDM (频分复用),WDM (波分复用),TDM (时分复用),1.频分复用(Frequency Division Multiplexing),原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。,适用于模拟信号传
18、输,CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,CH1,CH2,CH3,带宽复用,f,2.波分复用(Wave Division Multiplexing),原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。,3.时分复用(Time Division Multiplexing),原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙） ，每个用户占用一个通道传输数据。,A2,A1,A3,原始信号,D2,D1,D3,数字化信号,复用后数据,时隙,1,2,3,4,D3,D2,D1,适用于数字信号传输,时间片,统计(异步)TDMSTDM,A,B
19、,C,D,待发数据,t1 t2 t3,A1,B1,C1,D1,C2,D2,A2,B2,周期1,周期2,同步 TDM,带宽浪费,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。 改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。,2.5 数据交换技术,为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构,两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续,就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。,实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。,交换设备在通信双方找出
20、一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。) 特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。呼叫建立连接传输挂断 优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。,1.电路交换,整个报文作为一个整体一起发送。 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。 缺点： 1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。 2）大报文造成存储转发的延时过长； 3）出错后整个报文全部重发。,2.报文交换,将报文划分为若干个
21、大小相等的分组(Packet)进行存储转发。 优点： 1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组速度快； 2）转发延时小适用于交互式通信； 3）某个分组出错仅重发该分组效率高； 4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。,特点： 1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。 2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。,3.分组交换（包交换）,三种交换方式的事件顺序,呼叫请求,数据,ATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元（cell）为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前装配地址、优先级等控制信息构成信元。 信元由信元头部和有
22、效载荷构成：,4.异步传输模式(ATM）,在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可插入信息发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。,ATM特点： 1) 面向连接（虚连接），按序递交； 2) 固定大小的信元，便于高速处理（可用硬件实现），传输速率622Mb/s； 3) QoS特性保证了ATM可以实时地传送语音和活动图像。,2.6 差错控制,1.产生差错的原因： 1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变； 2）信号反射； 3）串扰； 4）闪电、大功率电机的启停等。 线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。,2.基本方法：接收方进行差错检测
23、，并向发送方应答，告知是否 正确接收。差错检测主要有两种方法： 1）奇偶校验（Parity Checking） 在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。例：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。 奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。, 校验和计算方法 若G(x)为r阶，原帧为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为m+r位，相应多项式xr M(x) 按模2除法用对应于G(x)的
24、位串去除对应于xr M(x) 的位串 按模2加法把xr M(x) 的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)T(x) = xrM(x) + xrM(x) MOD2 G(x) ,CRC校验示例,待校验数据：1101,0110,11 G(x) = x4+x+1 , 即10011,传送序列T(x)=1101,0110,1111,10,3.差错控制技术,自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ)停等 ARQ发送方每发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。 Go-back-N ARQ发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，从该帧以后的各帧都需重发。（一般与流控结合使用） 选择重传 ARQ发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，只需重发该出错的帧。发送方需要缓存前面所有未被确认的帧。,
