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数据通讯基本概念,北 京 航 空 航 天 大 学 自动化学院 仿真中心 向复生 2006/6 下载并改编成PPT文件,一、数据及计算机常用通信术语,数据(Data)：传递(携带)信息的实体。信息(Information)：是数据的内容或解释。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(Broad band)信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。,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。同步脉冲也可位于码元的中部，一个码元也可有多个同步脉冲相对应。（如图1所示）,波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。 1 Baud = log2M (bit/s)其中M是信号的编码级数。 比特率(bit/s、Kbit/s、Mbit/s):比特（二进制位）的传输率，即每秒传输的二进制位数。也可以写成: Rbit = Rbaud log2M其中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率。 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。 例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s,误码率：信道传输可靠性指标，是概率值。 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方法。 例如：字符A的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001 带宽:带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。 在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/s，一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。,时延信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 时延之和=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延 处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒） 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速 电磁波在1电缆的传播时延约为 5 s,附：电磁波（信号）在不同介质中的传输速度,光信号在真空和空气中的传输速度大约为3108m/s。 光信号在光缆中的传播速度大约为光在真空中速度的2/3，大约为2.05108m/s 。 电信号在电缆中的传播速度大约为2.31 108m/s。一般，电信号在电缆中的传输延迟大约为5ms/1000km，或每公里大约5s/km。（参见 谢希仁 主编计算机网络（第4版），Page1718） 地面微波接力通信链路的传播延时一般取为3.3 s / km 。 卫星微波通信的延时较大，一般从一个地球站到另一个地球站经卫星传播延时在250300ms，通常可取为270ms。 附 （摘自： ） 光在水中的速度：2.25108m/s 光在玻璃中的速度：2.0 108m/s 光在冰中的速度：2.30108m/s 光在空气中的速度：3.0 108m/s 光在酒精中的速度：2.2 108m/s,时延带宽乘积：某一链路所能容纳的比特数。 时延带宽乘积=带宽传播时延。例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。（如图2所示）,往返时延 (Round-Trip Time ，RTT) 从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间RTT2传播时延，传输可靠性两个含义： 1、数据能正确送达 2、数据能有序送达(当采用分组交换时),二、信息通信系统传输,1、数据传输的编码/解码及调制/解调 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。 编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错。 解码：数字信号原始数据。 调制：数字信号适合传输的形式可分为调频、调幅、调相。 解调：接收波形数字信号。,2、数据通信基本过程,包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话的对比 建立物理连接拨号，拨通对方 建立逻辑连接互相确认身份 数据传送互相通话 断开逻辑连接互相确认要结束通话 断开物理连接双方挂机,3、信道和信号,模拟数据和数字数据 模拟数据：时间上和幅度上都连续的数据。 数字数据：时间上和幅度上都离散的数据。 模拟信道和数字信道 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 模拟信号和数字信号 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值 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）,数据、信号与信道,模拟传输 可传输模拟数据，也可以传输数字调制后的模拟信号表现形式的数字数据。（这时也称载波传输、调制传输、宽带传输，一般可采用FDM频分多路复用）。 数字传输 多数式为基带传输。（一般可采用TDM时分多路复用） 一般情况下，模拟信道只能传输模拟信号，数字信道只能传输数字信号。数字数据需要在模拟信道上传送，必须把数字数据采用数字调制技术，将数据变换（调制）成模拟信号才能在模拟信道上传输。模拟数据需要在数字信道上传送，需要采样编码，一般最常见的是脉冲编码调制（PCM）。,数据 信道 数据 模拟数据 模拟信道 模拟数据 数字数据 数字信道 模拟数据,模拟数据 模拟信道（模拟调制） 模拟数据 数字信道（脉冲编码调制PCM） 数字数据 数字信道（可能需要重新编码） 数字数据 模拟信道（数字调制：ASK/FSK/ PSK等） 小结： 1数据传输：数据要适应信道，需要调制或编码。而且有些信道也可以采用某种多路复用技术（FDM、TDM、WDM、CDMA等）。 2数据不经处理和变换直接进行传输一般称为基带传输，通常直接采用数字信号基带传输的系统是信道独占的。 3必须明确：数字数据经ASK、FSK、PSK等数字调制技术变换成模拟信号后也可以用来承载和传输数字数据。 4模拟数据经脉冲编码调制（PCM）变换成数据后，也可以在数字信道上传送。收到数据的一方再变换为原来的模拟数据，现在的电话传输方式就是这种典型的情况。但进行PCM脉冲编码调制时必须符合采样定理。,调制与编码,什么情况下需要调制？什么情况下需要编码？,数据传输图解,传输信息有两种方式：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。 所谓基带传输就是把信源生成的数字信号直接送入线路进行传输，如音频市话、计算机间的数据传输等。 载波传输则是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱的搬移，如果载波是正弦波，则称为正弦波或连续波调制。把二进制信号调制在正弦波上进行传输，其目的除了进行频率匹配外，也可以通过频分、时分、波分复用的方法使信源和信道的容量进行匹配。,4、数字数据的传输方式,基带传输和宽带传输 基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网。需要注意的是：一般在进行数据的基带传输时是独占信道的。 宽带传输：数字信号需调制成频带模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话模拟信道传输。再如：闭路电视的信号传输。一般情况下，多采用频分多路复用进行数字数据的多路同时传输。,5、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、帧同步。 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，有下面两种方式： 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)，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。,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）,字符同步的性能评估： 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步。 每两个字符之间的间隔时间不固定。 增加了辅助位，所以效率低。例如，RS232采用1个起始位、 8个数据位、 11.5或2个停止位时，其效率为8/1172。,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。（如图4所示） 面向比特的以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,6、信道最大数据传输率,奈奎斯公式：用于理想低通信道C = 2Wlog2 M C = 数据传输率，单位bit/s W = 带宽，单位Hz M = 信号编码级数 奈奎斯公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。(传输率56Kbit/s时),香农公式：有限带宽高斯噪声干扰信道 C = W log2 (1+S/N) ；S/N: 信噪比 例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则 C = 3100 log2(1+2000) 34Kbit/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34 kbit/s 奈奎斯公式和香农公式的比较 C = 2W log2M 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。,7、数据编码、调制,编码与调制的区别 用数字信号承载数字数据或模拟数据编码 用模拟信号承载数字数据或模拟数据调制如下图所示：,数字数据的数字信号编码：把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码。 不归零码(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示，常常用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，传输时必须使用外同步。, 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：高低的跳变代表1，低高的跳变代表0。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。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。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 )每个码元的中间仍要发生跳变，用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。,数字数据的调制编码也有人称为数字调制,数字数据的调制编码，三种常用的调制技术： 幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying) 频移键控FSK (Frequency Shift Keying) 相移键控PSK (Phase Shift Keying) 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 现在实际应用多为这几种调制方法结合不同的多路复用技术(FDM、TDM、OFDM)综合这几种调制技术的调制和编码技术，如QAM、QPSK等。,载波 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率、初相位，调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化。 ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1。 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1。 PSK：用载波的起始相位的变化表示0 和1。（如图6所示）,模拟数据的数字信号编码 采样定理：如果模拟信号的最高频率为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。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号，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： 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：对每个样本舍入到量化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码,编码后的信号称为PCM信号 (脉码调制, Pulse Coded Modulation，如图7所示),8、多路复用技术 复用：多个信息源共享一个公共信道。为何要复用？提高线路利用率。 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时。 复用类型 频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing) 时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 波分复用WDM (Wave Division Multiplexing),频分复用原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。（如图8所示）,波分复用光的频分复用。原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。（如图9所示）,时分复用原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。（如图10所示）,由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为 同步时分复用。 时分复用的典型例子： PCM信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)，每帧在一个时间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。,统计(异步)TDMSTDM TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。（如下图所示）,补充：码分复用（码分多址）CDMA,近几年CDMA在许多领域特别是在新一代的3G移动通信中得到了广泛的应用。这里有两个概念要说明：复用和多址。,值得留意的OFDM技术及一些新的数字调制技术：如正交频分多路复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）,OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的(频带窄)，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。,OFDM(续),目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视(HDTV）、无线局域网（ WLAN）以及PLC (Power Line Communication)等技术。 OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。 由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。,OFDM技术属于多载波调制（Multi-Carrier Modulation, MCM）技术。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。 OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制用的，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。 OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。,OFDM(续),9、差错控制 与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因： 信号衰减和热噪声 信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变； 信号反射，串扰； 冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。,差错控制的基本方法是：接收方进行差错检测，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： 奇偶校验（Parity Checking） 在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如1100010增加偶校验位后为11100010，若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。此方法只能用于面向字符的通信协议中，只能检测出奇数个比特位错。,循环冗余校验 (CRC, Cyclic Redundancy Check) 差错检测原理：将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和是16位或32位的位串，CRC校验的关键是如何计算校验和。,差错控制技术 自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ) 停等 ARQ Go-back-N ARQ 选择重传 ARQ,10、信号带宽与信道带宽 （摘自：广州电子技术网-思维稿）,信号带宽是信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差，譬如，一个由数个正弦波叠加成的方波信号，其最低频率分量是其基频，假定为f =2kHz，其最高频率分量是其7次谐波频率，即7f =72=14kHz，因此该信号带宽为7f - f =14-2=12kHz。 信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了一个频率通带。比如一个信道允许的通带为1.5kHz至15kHz，其带宽为13.5kHz，上面这个方波信号的所有频率成分当然能从该信道通过，如果不考虑衰减、时延以及噪声等因素，通过此信道的该信号会毫不失真。,然而，如果一个基频为1kHz的方波，通过该信道肯定失真会很严重；方波信号若基频为2kHz，但最高谐波频率为18kHz，带宽超出了信道带宽，其高次谐波会被信道滤除，通过该信道接收到的方波没有发送的质量好；那么，如果方波信号基频为500Hz，最高频率分量是11次谐波的频率为5.5kHz，其带宽只需要5kHz，远小于信道带宽，是否就能很好地通过该信道呢？其实，该信号在信道上传输时，基频被滤掉了，仅各次谐波能够通过，信号波形一定是不堪入目的。,通过上面的分析并进一步推论，可以得到这样一些结果： （1） 如果信号与信道带宽相同且频率范围一致，信号能不损失频率成分地通过信道； （2） 如果带宽相同但频率范围不一致时，该信号的频率分量肯定不能完全通过该信道（可以考虑通过频谱搬移也就是调制来实现）； （3） 如果带宽不同而且是信号带宽小于信道带宽，但信号的所有频率分量包含在信道的通带范围内，信号能不损失频率成分地通过；,（4） 如果带宽不同而且是信号带宽大于信道带宽，但包含信号大部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内，通过信道的信号会损失部分频率成分，但仍可能被识别，正如数字信号的基带传输和语音信号有三种在电话信道传输那样； （5） 如果带宽不同而且是信号带宽大于信道带宽，且包含信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内，这些信号频率成分将被滤除，信号失真甚至严重畸变； （6） 不管带宽是否相同，如果信号的所有频率分量都不在信道的通带范围内，信号无法通过； （7） 不管带宽是否相同，如果信号频谱与信道通带交错，且只有部分频率分量通过，信号失真。,另外，我们在分析在信道上传输的信号时，不能总是认为其带宽一定占满整个信道，比如频带传输；即使信号占据整个信道，也不一定总是把它想像成一个方波，它也可能是其它的波形，比如在一个单频的正弦波上寄载其它模拟信号或数字信号而形成的复合波形。我们再举一些实例，进一步明晰信号与信道的带宽问题。 第一个例子仍是数字方波信号的基带传输（信号可能从零频率，也可能不是从零开始，直至某个较高的频率分量占满整个信道带宽，该较高频率分量通常由信道上限频率决定），我们知道，数字方波信号带宽可以无限，但信道带宽总是有限的，因此信道带宽限定了通过信道的信号带宽。,如果信号基频和部分谐波能通过该信道，一般说来，接收到信号是可以被识别出的；如果信道的下限频率高于信号的基频，则基频甚至部分谐波被滤除，由于基频包含了信号的大部分能量（在时域图上反映出是所有叠加的信号波形中振幅最大的波形），因此接收到的信号难以识别。所以传输方波的信道要求其下限频率要低于信号的基频。 第二个例子是电话信道，假定其频率范围从3003300Hz，带宽为3kHz，而语音信号频谱则一般为100Hz7kHz的范围。电话信道将语音信号频谱掐头去尾，因为语音信号的主要能量集中在中心的一些频率分量附近，所以通过电话信道传输的语音信号，虽有失真，但仍能分辨。,第三个例子是电话线数字载波，即把数字信号调制到音频载波信号上，该载波是正弦波。电话线数据传输并不占满整个带宽，而是取中间部分频带，即6003000Hz，带宽2400Hz。假定采用幅度调制（最简单的做法是通过在每个信号单元保留载波或除去载波来表示二进制的两种取值），如果采用全双工通信方式，则需将电话线数据信道一分为二，每个子信道各占1200Hz带宽，一个6001800Hz，另一个18003000Hz；两个子信道的载波频率是各子信道中的中心频率，即分别为1200Hz和2400Hz，换句话说，每个中心频率两边各有一个600Hz的边带。,数字调频术和调相技术更复杂些，在时域上看，它们的每个信号单元周期时间可以与调幅相同；但从频域上看，每个周期内使载波频率和相位随着所表示的数值变化而发生改变，信号相位的变化实际上在幅-频频域图上也表现为频率的变化。尤其是当每个信号单元包含多个比特的情况，会产生多个频率分量。对于每个信号单元包含1个比特的情况，数字调频的每个子信道需要两个不同的频率表示二进制数字，也就是说，在2400Hz带宽的数据信道上有四个中心频率以及它们的边带。也就是说，分为了四段频带，0.61.2 kHz 、1.21.8 kHz 、1.82.4 kHz 和2.43.0 kHz ；中心频率分别为0.9kHz、1.5kHz、2.1kHz和2.7kHz。,第四个例子是无线调幅广播的模拟载波，即把语音、音乐等音频数据生成的原始电信号调制到具有某个广播频率的载波上（实际是频谱搬移，将相对较低的20Hz20kHz频谱搬迁到较高300kHz3MHz的频谱上）。无线信道利用的是自由空间，带宽似乎可以达到整个频谱，但实际上并非如此。 首先，不同波段的频率需要不同的传播方式（地表导波、对流层散射、电离层反射、视线定向、空间转发）才能发挥最佳效率，不可能只采用一种传播方式使用如此广阔的频带；,其次，频带跨度太大，不同频率分量传播的时延相差较远，不利于信号的正确识别和还原，数据率也因高低难以兼顾而受限；再则，无线信道是一种共享的公用广播信道，为了避免不同信源的相互干扰，在全球或者局部范围，必须进行信道分割与分配，分割出的每个信道根据不同的用途，其带宽相距很大，但不管多宽，都是很有限的；无论何种信号（即使理论上带宽无限的信号）在实际的传输中也不必一定要非常宽，也是允许损失一定频率成分的。无线调幅广播以载波频率为中心频率，将原始信号作为两个相同带宽的边带(上下边带)寄载到该载波上，调制后的该调幅信号总带宽为原始信号的2倍。 The End2007 2/25,数据通信基本知识, 北 京 航 空 航 天 大 学 自动化学院 仿真中心 向复生 2007/12 下载并改编成PPT文件,所有计算机之间通过计算机网络的通信都涉及由传输介质传输某种形式的数据编码信号。传输介质在计算机、计算机网络设备间起互连和通信作用，为数据信号提供从一个节点传送到另一个节点的物理通路。计算机与计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线传输介质两大类。 一、有线传输介质(Wired Transmission Media) 有线传输介质在数据传输中只作为传输介质，而非信号载体。计算机网络中流行使用的有线传输介质(Wired Transmission Media)为：铜线和玻璃纤维。,1.铜线 铜线(Copper Wire)由于具有较低的电阻率、价廉和容易安装等优点因而成为最早用于计算机网络中的传输介质，它以介质中传输的电流作为数据信号的载体。为了尽可能减小铜线所传输信号之间的相互干涉(Interference)，我们使用两种基本的铜线类型：双绞线和同轴电缆。,(1)双绞线 双绞线(Twisted Pair)是把两条互相绝缘的铜导线纽绞起来组成一条通信线路，它既可减小流过电流所辐射的能量，也可防止来自其他通信线路上信号的干涉。双绞线分屏蔽和无屏蔽两种，其形状结构如图1.1所示。双绞线的线路损耗较大，传输速率低，但价格便宜，容易安装，常用于对通信速率要求不高的网络连接中。,(2)同轴电缆 同轴电缆(Coaxial Cable)由一对同轴导线组成。同轴电缆频带宽，损耗小，具有比双绞线更强的抗干扰能力和更好的传输性能。按特性阻抗值不同，同轴电缆可分为基带(用于传输单路信号)和宽带(用于同时传输多路信号)两种。同轴电缆是目前LAN局域网与有线电视网中普遍采用的比较理想的传输介质。,2.光导纤维 目前，在计算机网络中十分流行使用易弯曲的石英玻璃纤维来作为传输介质，它以介质中传输的光波(光脉冲信号)作为信息载体，因此我们又将之称为光导纤维，简称光纤(Optical Fiber)或光缆(Optical Cable)。 光缆由能传导光波的石英玻璃纤维(纤芯)，外加包层（硅橡胶）和保护层构成。在光缆一头的发射器使用LED光发射二极管(Light Emitting Diode)或激光(Laser)来发射光脉冲，在光缆另一头的接收器使用光敏半导体管探测光脉冲。,模拟数据通信与数字数据通信,一、通信信道与信道容量(Communication Channel 联系，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。,物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道，也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。信道容量(Channel Capacity)指信道传输信息的最大能力：对于数字信道一般用单位时间可以传输的最大二进制位(比特bit)数来表示，对于模拟信道则由信道的带宽表示。信道容量的大小还受信道质量和可使用时间的影响，当信道质量较差时，实际传输速率将降低。,二、模拟数据通信和数字数据通信(Analog Data Communication & Digital Data Communication),1.模拟数据与数字数据 模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。,2.模拟信号与数字信号 (1)模拟信号与数字信号 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数，或光脉冲来表示数0，或相反。,当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。,(2)模拟信号与数字信号之间的相互转换,模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为28=256个量级，实用中常采取24位或30位编码； 数字信号一般通过对载波进行幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控(PSK)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。,3.模拟数据通信与数字数据通信,(1)模拟数据通信 通信线路来传输模拟数据或数字数据对应的模拟信号。例如目前我们广泛使用公用电话线路来传输语音或计算机数字数据对应的模拟信号，我们也可以使用公共有线电视网来传输视频和计算机数字数据对应的模拟信号；而微波与卫星通信传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。,为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，我们一般不直接传输模拟信号(包括由数字信号转换而来的模拟信号)，而是在发送方使用某一频率的电磁波作为载波(Carrier)，然后用模拟信号或数字信号对其进行调制(Modulation)，调制后的载波信号(为模拟信号)占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该载波频率的介质上传输；而在接收方则通过解调制(Demodulation)还原叠加于载波上的模拟信号或数字信号。我们将可同时完成调制和解调的装置称为调制解调器(MODEM)。,(2)数字数据通信 数字数据通信(Digital Data Communication)是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。由于计算机使用二进制数字信号，因而计算机与其外部设备之间，以及计算机局域网、城域网大多直接采用数字数据通信。此外，目前北美采用的24路PCM脉码调制(速率为1.544Mbps)，以及欧洲和我国采用的30路PCM脉码调制(速率为2.048Mbps)电话系统均是数字数据通信系统。 由于数字数据通信传送的是离散的数字信号，即逐位传送二进制数字代码，因此要求系统应能确知传输线上正在传送的数位是0还是1。,(3)数字数据通信的优点 与模拟数据通信相比较，数字数据通信具有下列优点： a. 来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式，并通过数字通信系统传输。 b. 以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误，从而有效保证通信的可靠性。 c. 在长距离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整及不累积噪音。,d. 使用加密技术可有效增强通信的安全性。 e. 数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备，性能/价格比高。 f. 多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。,需要指出，鉴于传统公用电话网已在世界范围普及，目前家庭个人计算机用户大都通过电话线路与计算机网络相连；此外，随着卫星通信的发展，高容量、高宽带的多路复用传输也大大提高了模拟通信的传输效率。但是，如果在两台计算机的通信线路之间，只有部分电路采用数字通信，则数字通信的优点并不能充分地得到发挥。因此，为了提高通信效率，有条件的用户应安装数字数据通信专线，或直接接入局域网；,此外，应大力发展陆上和海底的洲际光缆。近20年来，数字数据通信技术已开始发展并得到广泛应用。目前，数字通信已开始在长距离话音和数字数据领域逐渐替代传统的模拟通信。计算机网络技术的应用发展，则大大推动了数字通信技术的迅速发展。可以预言，数字数据通信最终将取代模拟数据通信。 数据通信的主要技术指标。 在（数字数据的）数字（信号）通信方式中，我们一般使用比特率和误码率来分别描述数据信号传输速率的大小和传输质量的好坏等； 在（数字数据的）模拟（信号）通信方式中，我们常使用带宽和波特率来描述通信信道传输能力和数据信号对载波的调制速率。,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。理论分析表明，模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。这也是为什么我们总是努力提高通信信道带宽的原因。 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，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示(此处K和M分别为1000和1000000，而不是涉及计算机存储器容量时的1024和1048576)。,3. 波特率 波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)。波特率与比特率的关系为： 比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。 显然，两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推。 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106。,一、基带信号与宽带信号以及它们的传输 1.基带信号与基带传输 基带信号(Base band Signal)直接用两种不同的电压来表示数字信号1和0，因此我们将对应矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”，相应的信号称为基带信号。 基带传输(Base band Transmission)指通过有线信道直接传输基带信号，一般用于传输距离较近的数字通信系统，如基带局域网系统。 2.宽带信号 宽带信号(Wide band Signal)用多组基带信号1和0分别调制不同频率的载波，并由这些分别占用不同频段的调制载波组成。,3.多路复用 为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用(Multiplex)技术，即让多路通信信道同时共用一条线路。多路复用可分为频分多路复用和时分多路复用。 频分多路复用 当我们采用宽带信号时，由于同一线路上不同频率的各路信道互不干扰地同时传输各自的信号，我们称之为频分多路复用(Frequency -Division Multiplexing)。频分多路复用常用于宽带网络中。, 时分多路复用 当我们采用基带信号时，如让各路通信按时间顺序瞬时地分别占有线路的整个频带，并周期性地重复此过程，该线路就按时间分隔成了多个逻辑信道，我们称之为时分多路复用(Time Multiplexing)。其中，同步分时多路通信可以确定每个信道何时使用线路；反之则称为异步分时多路通信。时分多路复用常用于基带网络中。,二、并行与串行方式(Parallel & Serial Mode) 根据一次传输数位的多少可将基带传输分为并行(Parallel)方式和串行(Serial)方式，前者是通过一组传输线多位同时传输数字数据，后者是通过一对传输线逐位传输数字代码。通常，计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式，而传输距离较远的数字通信系统多采用串行方式。,并行传输方式要求并行的各条线路同步，因此需要传输定时和控制信号，而并行的各路信号在经过转发与放大处理时，将引起不同的延迟与畸变，故较难实现并行同步。若采用更复杂的技术、设备与线路，其成本会显著上升。故在远距离数字通信中一般不使用并行方式。 串行通信双方常以数据帧为单位传输信息，但由于串行方式只能逐位传输数据，因此，在发送方需要进行信号的并/串转换，而接收方则需要进行信号的串/并转换。,三、单工、半双工和全双工方式(Simplex, Half Duplex & Full Duplex),根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。在计算机网络中主要采用双工方式，其中：局域网采用半双工方式，城域网和广域网采用全双年方式。 1. 单工(Simplex)方式：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。 2. 半双工(Half Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。 3. 全双工(Full Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。,四、异步传输与同步传输(Asynchronous & Synchronous Transmission),1.同步问题的重要性 在数字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时，如每次发出一个字符(或一个数据帧)的数据信号，接收器必须识别出该字符(或该帧)数据信号的开始位和结束位，以便在适当的时刻正确地读取该字符(或该帧)数据信号的每一位信息，这就是接收器与发送器之间的基本同步问题。,当以数据帧传输数据信号时，为了保证传输信号的完整性和准确性，除了要求接收器应能识别每个字符(或数据帧)对应信号的起止，以保证在正确的时刻开始和结束读取信号，也即保持传输信号的完整性外；还要求使其时钟与发送器保持相同的频率，以保证单位时间读取的信号单元数相同，也即保证传输信号的准确性。 因此当以数据帧传输数据信号时，要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施：在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号；在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号，以控制接收器的时钟同步。,2.异步传输与同步传输 异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：一般采用字符同步或帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。 异步传输(Asynchronous Transmission)以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟(频率相差不能太多)，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。,计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式，如键盘、典型的RS-232串口(用于计算机与调制解调器或ASCII码终端设备之间)：发送方可以在任何时刻发送一个字符(由一个开始位引导，然后连续发完该字符（7或8位）的各位，后跟1位奇/偶校验位，最后是1、1.5或2位的停止位)。,同步传输(Synchronous Transmission)以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号(后者的传输效率和可靠性高)，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输；计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号植入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步。,错误检测与修正(Error Check & Correct) 在数字数据通信中，由发送器发送的数据信号帧(Frame)在经由网络传到接收器后，由于多种原因可能导致错误位(bit errors)的出现，因此必须由接收器采取一定的措施探测出所有的错误位，并进而采取一定的措施予以修正。 一、错误检测的基本原理(Principle of Error Check) 发送器向所发送的数据信号帧添加错误检验码(Check Bits)，并取该错误检测码作为该被传输数据信号的函数；接收器根据该函数的定义进行同样的计算，然后将两个结果进行比较：如果结果相同，则认为无错误位；否则认为该数据帧存在有错误位。,一般说来，错误检测可能出现三种结果： 1. 在所传输的数据帧中未探测到，也不存在错误位 2. 所传输的数据帧中有一个或多个被探测到的错误位，但不存在未探测到的错误位。 3. 被传输的数据帧中有一个或多个没有被探测到的错误位。 显然我们希望尽可能好地选择该检测函数，使检测结果可靠，即：所有的错误最好都能被检测出来；如检测出现无错结果，则应不再存在任何未被检测出来的错误。 实际采用的错误检测方法主要有两类：奇偶校验(Parity)和CRC循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)。,二、奇偶校验(Parity) 1.单向奇偶校验 单向奇偶校验(Row Parity)由于一次只采用单个校验位，因此又称为单个位奇偶校验(Single Bit Parity)。发送器在数据帧每个字符的信号位后添一个奇偶校验位，接收器对该奇偶校验位进行检查。典型的例子是面向ASCII码的数据信号帧的传输，由于ASCII码是七位码，因此用第八个位码作为奇偶校验位。,单向奇偶校验又分为奇校验(Odd Parity)和偶校验(Even Parity)，发送器通过校验位对所传输信号值的校验方法如下：奇校验保证所传输每个字符的8个位中1的总数为奇数；偶校验则保证每个字符的8个位中1的总数为偶数。 显然，如果被传输字符的7个信号位中同时有奇数个(例如1、3、5、7)位出现错误，均可以被检测出来；但如果同时有偶数个(例如2、4、6)位出现错误，单向奇偶校验是检查不出来的。 一般在同步传输方式中常采用奇校验，而在异步传输方式中常采用偶校验。 2.双向奇偶校验 为了提高奇偶校验的检错能力，可采用双向奇偶校验(Row and Column Parity)，也可称为双向冗余校验(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。,三、CRC循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check),1.CRC循环冗余校验的基本原理 发送器和接收器约定选择同一个由n+1个位组成的二进制位列P作为校验列，发送器在数据帧的K个位信号后添加n个位(n K)组成的FCS帧检验列(Frame Check Sequence)，以保证新组成的全部信号列值可以被预定的校验二进制位列P的值对二取模整除；接收器检验所接收到数据信号列值(含有数据信号帧和FCS帧检验列)是否能被校验列P对二取模整除，如果不能，则存在传输错误位。P被称为CRC循环冗余校验列，正确选择P可以提高CRC冗余校验的能力。(注：对二取模的四则运算指参与运算的两个二进制数各位之间凡涉及加减运算时均进行XOR异或运算，即：1 XOR 1=0，0 XOR 0=0，1 XOR 0=1)。,可以证明，只要数据帧信号列M和校验列P是确定的，则可以唯一确定FCS帧检验列(也称为CRC冗余检验值)的各个位。 FCS帧检验列可由下列方法求得：在M后添加n个零后对二取模整除以P所得的余数。 例如：如要传输的M=7位列为1011101，选定的P校验二进制位列为10101(共有n+1=5位)，对应的FCS帧校验列即为用1011101 0000(共有M+n=7+4=11位)对二取模整除以10101后的余数0111(共有n=4位)。因此，发送方应发送的全部数据列为10111010111。接收方将收到的11位数据对二取模整除以P校验二进制位列10101，如余数非0，则认为有传输错误位。,2. CRC循环冗余校验标准多项式P(X) 为了表示方便，实用时发送器和接收器共同约定选择的校验二进制位列P常被表示为具有二进制系数(1或0)的CRC标准校验多项式P(X)。 (1)CRC循环冗余校验常用的标准多项式P(X) 常用的CRC循环冗余校验标准多项式如下： 16位CRC： CRC = X16+X15+X2+1 CCITT： CRC = X16+X12+X5+1 32位CRC： CRC = X32+X26+X23+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1 以CRC(16位)多项式为例，其对应校验二进制位列为： 1 1000 0000 0000 0101。 注意：这儿列出的标准校验多项式P(X)都含有(X+1)的多项式因子；各多项式的系数均为二进制数，所涉及的四则运算仍遵循对二取模的运算规则。,(2)CRC循环冗余校验标准多项式P(X)的检错能力,CRC循环冗余校验具有比奇偶校验强得多的检错能力。可以证明：它可以检测出所有的单个位错、几乎所有的双个位错、低于P(X)对应二进制校验列位数的所有连续位错、大于或等于P(X)对应二进制校验列位数的绝大多数连续位错。 但是，当传输中发生的错误多项式E(X)能被校验多项式P(X)对二取模整除时，它就不可能被P(X)探测出来，例如当E(X)=P(X)时。,四、错误修正(Error Correction),对数据信号帧传输过程中的位错进行修正的方法主要有两种： 1. 由发送器提供错误修正码，然后由接收器自己修正错误。 2. 在接收器发现接收到的错误帧中有位错误时，通知发送器重新发送数据信号帧。 前一种方法中的错误修正码需要发送器由被传送数据信号帧计算得到，然后添加到数据帧的后面，其长度几乎等于数据位数，导致效率降低50%，实际采用不多；一般采用后一种较为有效的重发送方法。,数据交换技术(Data Switching Technology),在数据通信线路中，最简单的形式是在由某种传输介质直接连接的两台设备之间进行通信。但在长距离通信中，从源站发出的数据一般还需要经过网络中一个或多个用作交换设备的中间结点，由相应结点的交换设备把数据从一个结点传送到另一个结点，直至到达目的站。通常我们将交换网络中所有通信的发送方与接收方的主机均简称为站，而将通信交换设备简称为结点。这些结点以不规则的网状结构用传输线路互相连接起来，而每个站点都连接到某个结点上。,在交换网络中，站点之间需要通过有关结点之间的数据交换才能实现数据通信，基本的交换技术有两类：电路交换与存储转发，存储转发又可以分为报文交换和分组交换，分组交换则可分为面向连接的虚电路传输和无连接的数据报传输。目前，最具有发展前景的是高速分组交换技术。,一、电路交换(Circuit Switching),电路交换(Circuit Switching)是在两个站点之间通过通信子网的结点建立一条专用的通信线路，这些结点通常是一台采用机电与电子技术的交换设备(例如程控交换机)。也就是说，在两个通信站点之间需要建立实际的物理连接，其典型实例是两台电话之间通过公共电话网络的互连实现通话。 电路交换实现数据通信需经过下列三个步骤：首先是建立连接，即建立端到端(站点到站点)的线路连接；其次是数据传送，所传输数据可以是数字数据(如远程终端到计算机)，也可以是模拟数据(如声音)；最后是拆除连接，通常在数据传送完毕后由两个站点之一终止连接。,电
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