数据通信原理简介课件

数据通信原理简介课件第二章 数据通信原理简介 计算机网络技术及应用数据通信原理简介课件Contents通信系统简介 1数据通信相关技术简介 2通信方式实例 3数据通信原理简介课件2.1.1 通信基本概念v通信的根本目的是为了交换信息 v信息是对客观事物属性和特征的描述 v信息和消息的关系 消息是通信传输和具体对象 信息是抽象化的消息 v数据是符号化的信息，是传递信息的载体 数字数据和模拟数据数据通信原理简介课件2.1.1 通信基本概念v信号与信道数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v数据交换 按照某种方式动态地分配传输线路的资源，达到资源优化的目的 分为电路交换、报文交换和分组交换数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v三种方式的对比数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v（1）电路交换 电路交换在通信之前必须建立一条被通信双方独占的物理通路。通路由通信双方之间的交换设备和设备之间的链路逐段连接而成。通路建立完成后，通信双方开始传送数据，数据传输完成后，被占用的通路才被释放 采用的都是电路交换技术 数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v电路交换的优点优点 通信线路为通信双方专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小 通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强 双方通信时按发送顺序传送数据，不存在数据重新排序的问题；设备比较简单数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v电路交换的缺点缺点 电路交换连接平均建立的时间较长，尤其是对计算机通信来说 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通路在个别时间内空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的设备很难协同工作，也难以在通信过程中进行差错控制数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v（2）报文交换 报文交换以报文为数据交换的单位 报文包含了将要发送的完整的数据信息 报文长短很不一致 报文附带有目标地址、源地址等信息 报文在交换结点中采用存储转发的传输方式（E-mail）适合采用报文交换方式 数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式H1A子网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在结点路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5v（3）报文交换 数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v报文交换的优点 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文 由于采用存储转发的传输方式，交换结点具有路由选择功能某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性 便于类型、规格和速度不同的设备之间进行通信 提供多目标服务 允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转发 通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间逐段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了线路的利用率数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v报文交换的缺点 由于数据进入交换结点后要经历存储和转发的过程，包括接收报文、检验正确性、排队和发送等，从而引起转发时延。网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据 只适用于数字信号 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路被占用时，还可能要存储几个完整报文等待转发，这要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，这进一步增加了传送时延数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式v分组交换 分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个报文首先分割为若干个较短的分组，然后再把这些携带源地址、目的地址和编号信息的分组逐个发送出去数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式加速了数据在网络中的传输；简化了存储管理；减少了出错机率，适用于计算机通信分组交换的优分组交换的优点和缺点点和缺点仍然存在存储转发时延；降低了通信效率；分组交换可能出现分组失序、丢失或重复数据通信原理简介课件2.1.2 数据交换方式H1A子网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机v分组交换 数据通信原理简介课件2.1.3 数据传输方式v数据传输与数据交换的关系 微观与宏观v本小节要介绍数据传输方式 1.基带传输与频带传输 2.有线传输与无线传输 3.单工、半双工与全双工传输 4.串行方式传输与并行方式传输 5.异步方式与同步方式传输数据通信原理简介课件2.1.3 数据传输方式v1.基带传输与频带传输 数字信号不经过调制，直接在线路中传输的方式称为基带传输 频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，最后在接收端进行解调的通信方式 数据通信原理简介课件2.1.3 数据传输方式v2.有线传输与无线传输 有线：双绞线通信、电缆通信和光缆通信 无线：声音、电磁波数据通信原理简介课件2.1.3 数据传输方式v3.单工、半双工和全双工 单工方式中数据只能单方向传输 广播、遥控器、电视 半双工指在同一时刻，只允许数据在一个方向上传输 对讲机 全双工指可以同时进行双向数据传输 固定电话、手机 数据通信原理简介课件2.1.3 数据传输方式v4.串行方式与并行方式 串行传输方式指使用一条数据线将数据一位一位地传输。串行方式只需要很少的数据线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信 并行传输方式使用几条数据线将数据分段同时进行传输，传输速度快，根据计算机的字长，通常是以8位、16位或32位为传输单位，一次传送一个字长的数据，适合于外部设备与微机之间进行近距离、大量和快速的信息交换数据通信原理简介课件2.1.3 数据传输方式v5.异步方式与同步方式 同步传输方式以比特为传输单位，要求收发双方具有完全同步的时钟信号，使用时需要在传送数据的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送或接收 同步方式效率较高 以太网和光纤等的数据传输都是同步方式 异步通信以字符为数据传输单位，在发送时，字符之间的时间间隔可以是任意的。为了让接收端作好准备，能够正确地将每一个字符接收下来，必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位 异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低，因为开始位和停止位的开销所占比例较大 PC机提供的标准通信接口都是异步的，如常用的USB接口等数据通信原理简介课件2.1.4 常用性能指标1带宽2波特率3误码率数据通信原理简介课件2.1.4 常用性能指标v1带宽v带宽表示通信系统传输数据能力的上限，是衡量通信性能的重要标准，这一概念最初来自模拟通信领域，指某个系统所能有效传输的最低频率信号和最高频率信号之间的“宽度”，因此又叫频宽，单位是赫兹。一般来讲，带宽越大，信道的传输能力就越强，单位时间内发送的数据量就越大v后来带宽这一名词被扩展到数字通信领域。数字信道不用频率衡量，所以带宽的单位不再是赫兹，而是每秒钟传输的码元个数。数字通信中的带宽实际上就是波特率数据通信原理简介课件2.1.4 常用性能指标v2波特率与比特率v数字信号的基本单位是码元，波特率指通信中每秒传输的码元数量，其单位为波特（Baud）。1Baud表示1码元/秒。在计算机网络中，所用的码元是二进制码元比特，波特率就变成了比特率，即比特/秒（bit/s，或简写为bps）。网络中描述带宽时常常把单位省略。例如，带宽是10M，实际上是10Mb/s，表示这个网络传输数据能力的上限是每秒钟10M个比特数据通信原理简介课件2.1.4 常用性能指标v3误码率v由于信道不理想或噪声的干扰，以致在接收端收到的码元可能出现错误，比如发送的信号是“1”,而接收到的信号却是“0”，这叫误码。误码的多少用误码率来衡量。误码率的定义是：数字通信系统中单位时间内出错的码元数与发送的总码元数之比。误码率是衡量数据传输准确性的指标，单位时间内的误码越多，误码率越大v一般来讲，局域网可接受的最高限度误码率为10-10，在这个比例以下，出现的误码不会降低网络的性能，因为所有的网络软硬件都按这个要求建立。最理想的情况当然是误码为0，但这实际上不能达到。有标准中低于10-12的误码率就被规定为零误码率数据通信原理简介课件2.2 数据通信相关技术简介123数据编码技术信道复用技术差错控制技术数据通信原理简介课件2.2.1 数据编码v 1.非归零编码（NonReturn to Zero Code，NRZ）v NRZ编码方案，通常用，即所谓的“双极性”编码；电压无需回到零值，故称“非归零码”v NRZ编码的是：发送能量大，有利于提高接收端信噪比；在信道上占用频带较窄。指信道中正常信号与噪声的功率之比，信噪比越大，说明信号的品质越好v NRZ码的主要是：当数据流中连续出现“0”或“1”时，接收端不容易分辨信号的开始和结束，如果使用同步传输方式，必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要的同步信号。同时，这种编码有直流分量，将导致信号的失真与畸变，而且无法使用一些交流耦合的线路和设备；抗噪性能差v 由于NRZ 码的诸多缺点，数据通信原理简介课件2.2.1 数据编码v2.曼彻斯特编码（Manchester Encoding）是一种同步时钟编码技术，。在曼彻斯特编码中，。由于电压变化发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种编码也称为自同步码。数据通信原理简介课件2.2.1 数据编码v 3.差分曼彻斯特编码（Differential Manchester）。是曼彻斯特码的改进形式，二者的区别在于，差分曼彻斯特码每位中间的跳变只作为同步时钟信号，数据“0”和“1”的取值用信号的相位变化来表示：。差分曼切斯特码比曼切斯特码的变化要少，因此适v 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。两种曼彻斯特编码是将时钟信息包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但在这两种编码中，每一个比特都被转换成两个电平，所以数据传输效率只有非归零码的1/2数据通信原理简介课件2.2.1 数据编码v4.DNRZ编码（Differential NRZ），它也是用信号的相位变化来表示二进制数据的，。DNRZ编码不仅保持了NRZ编码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。v近年来，。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽，以利于提高传输的可靠性和降低对传输介质带宽的要求。数据通信原理简介课件2.2.1 数据编码数据通信原理简介课件2.2.2 信道复用v信道往往允许多路信号同时传输。这称为信道复用 数据通信原理简介课件2.2.2 信道复用v1.（Frequency Division Multiplexing，）v频分复用的最大优点是信道复用率高，允许复用的路数多，分路也很方便，因此它成为，。频分复用的主要。数据通信原理简介课件2.2.2 信道复用就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片，称为时隙，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，v 如果时隙事先规划分配好且固定不变，则称为，其优点是时隙分配固定，控制方式简单；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。v 统计时分复用（Statistic Time-Division Multiplexing，STDM），也叫，仍然是将用户的数据划分为一个个数据单元，不同用户的数据单元按照时分的方式来共享信道，但是不再固定分配时隙，而是动态分配时隙，即不再使用物理特性来标识不同用户，而是使用数据单元中的若干比特，也就是使用逻辑的方式来标识用户。这种方法提高了设备利用率，但是技术复杂性也比较高，所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中，例如，异步传输方式ATM。两种时分复用的示意图见图2-12。数据通信原理简介课件2.2.2 信道复用数据通信原理简介课件2.2.2 信道复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。码分复用实质上是一种扩频技术，用户将二进制数据中的“0”和“1”分别扩展为一串称为“码片”的二进制序列，发送到信道当中。不同用户分配到的“码片”不相同，而且互相正交，因此多个用户的数据可以叠加在一起传送，最后在接收端使用各自的码片对总体信号进行“解码”，就可以得到各自的原始信号。v 码分复用和频分复用及时分复用比较起来，频分复用的特点是各个子信道共享总信道的时间，但频率互相隔离；时分复用则共享总信道的所有频率，但时间上分为很多时隙，分开使用；v 码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的保密性和抗干扰性，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。码分复用的缺点是设备比较复杂，实现成本高。但随着技术的进步，码分复用设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中。数据通信原理简介课件2.2.2 信道复用v在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，波分复用本质上也就是光的频分复用。WDM是在一根光纤上承载多个波长的光，相当于将1根光纤转换为多条“虚拟”光纤，当然每条虚拟光纤独立工作在不同波长上。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。v随着技术的发展，在一根光纤上复用的光信号越来越多，于是就有了密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）。在密集波分复用中，不同光信号的波长之差很小，一般只有0.8或1.6纳米，这样极大地提高了光纤的传输容量。数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v通信中，接收的数据与发送数据不一致的现象称为。，就是检查是否出现差错以及如何纠正差错。v1.差错产生的原因 造成传输差错的主要原因：（1）信道上存在噪声，噪声与原始信号叠加，从而出现差错（2）信道特性不理想使被传输的信号产生失真数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v2.差错类型v根据出错信号的位置和数量，数字信号传输中常见的错误有两种：单比特错误和突发错误数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v3.差错控制方法v差错控制的基本方式有3种：前向纠错、检错重发、混合纠错数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v（1）前向纠错方式（Forward Error Correction，FEC）v又称自动纠错方式。在这种方式中，发送端，构成需要发送的码字。当接收端收到码字，发现有差错且在其纠错能力之内时，能自动将码字纠正。该方式的主要它的控制电路简单，译码实时性好。主要。随着编、译码理论的发展和大规模集成电路成本的降低，该方法在实际数字通信系统中，特别在单工通信系统中得到了较广泛的应用。目前，FEC方式广泛应用于太空和卫星通信中。数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v（2）检错重发方式（Auto Repeat Request，）v又称自动重传方式。在这种方式中，发送端发送的码元中加入了具有检错能力的监督码，接收端则按照给定的规则判决传输中有无错误产生。如果发现错误，就通过反向信道把这一判决结果反馈给发送端，该方式的，特别是对突发错误和信道干扰严重的情况更为有效。其数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v（3）混合纠错方式（Hybrid Error Correction，HEC）v混合纠错方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合，其监督码既有检错能力，也有一定自动纠错能力。接收端检查差错情况，如果错误在码元的纠错能力范围以内，则自动纠错，如果超过了码元的纠错能力，但能检测出来，则经过反馈信道请求发送端重发。这种方式具有FEC和ARQ方式的优点，可达，近年来在卫星通信中也得到了较广泛的使用。数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v发送端加入的 v检错码只能检查出是否发生错误，不能定位错误的位置，因此也就无法更正错误。而纠错码既能发现错误，也能纠正错误，只是相对于检错码，一般要有更多的冗余信息。数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v（1）检错码v常用的检错码有和v奇偶校验是奇校验和偶校验的统称，指在原信息后面附加一个监督元，使得码字中“1”的个数是奇数或偶数 数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC）。，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，如果发现错误，则通知发送端重发 v任何一个由二进制数位串组成的代码，都可以唯一表示为一个只含有“0”和“1”两种系数的多项式。例如，代码对应的多项式为X6+X4+X2+X+1。同样，多项式X5+X3+X2+X+1对应的代码为101111。CRC码在发送端编码和接收端校验时，都可以利用事先约定的生成多项式G(X)计算得到 数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v目前广泛使用的生成多项式主要有以下四种。v CRC12=X12+X11+X3+X2+1v CRC16=X16+X15+X2+1（IBM公司）v CRC16=X16+X12+X5+1（国际电报电话咨询委员会CCITT）v CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v冗余码的计算方法是，假定生成多项式最高次幂是r，则先将信息码后面补r个“0”，然后将补零之后的信息码除以G(X)数据通信原理简介课件2.2.3 差错控制v纠错码：以海明码为例数据通信原理简介课件2.3 通信方式实例4321无线电波通信微波通信卫星通信蜂窝移动通信数据通信原理简介课件2.3.1 无线电波通信v无线电波是波长在1毫米以上的电磁波，又可以细分为长波、中波、短波、超短波和微波等。；，；，所以又为米波；。、v无线电波主要有三种传播方式：、和 数据通信原理简介课件2.3.1 无线电波通信数据通信原理简介课件2.3.2 微波通信v微波波长1毫米1米，是分米波、厘米波和毫米波的总称，严格意义上也属于无线电波。频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。由于微波穿透电离层的能力很强，不能利用电离层反射方式传播，而且又不能像长波那样绕过障碍物，所以v由于地球的球形表面和地表的障碍物，的覆盖范围在很大程度上，天线越高，信号传输的距离越远。典型的做法是将天线安装在塔顶，而塔建立在山顶等尽可能高的地方。即便如此，传输距离仍嫌不够，只好数据通信原理简介课件2.3.3 卫星通信，因此卫星通信的基本原理和微波通信一样，只不过它的绕地球轨道运行的。由于卫星的高度很高，所以虽然在卫星通信中地球曲面引起的距离限制被大大地削弱，信号只需一次中继就可以跨越陆地与海洋。数据通信原理简介课件2.3.3 卫星通信v用于通信的卫星有和v同步卫星运行在赤道上空约35406千米处，这个轨道上的卫星在地面上看来好像在天空中静止不动的一样，因此被称为地球同步卫星。但是，一颗同步卫星不可能覆盖整个地球，在同步轨道上v地球同步卫星的覆盖区域固定，在这个覆盖区内任何带有相应卫星天线的地球站之间可以实现不间断通信。因此，也用于海上移动通信。不过，同步卫星与地面的距离还是太远，地面站设备不可能做得太小，更不要说用手持设备直接与卫星通信了。数据通信原理简介课件2.3.3 卫星通信v解决这一问题的方法是使用低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星。但如果用LEO卫星实现全球通信，卫星的数量需要大大增加。原因在于卫星轨道越低，速度就会越快。为了让任何时间内某地上空至少有一颗低轨道卫星，就必须保证一颗卫星落在地平面以下时，至少有另外一颗刚好从另一地平线上升起，这样卫星的数量要足够才行。低轨道卫星可以实现个人通信设备全球互通，而且因为卫星更靠近地面，数据传输时延较小。但正是因为轨道低，卫星的使用寿命不长。数据通信原理简介课件2.3.3 卫星通信数据通信原理简介课件2.3.4 蜂窝式移动通信v蜂窝式移动通信即通常所说的“手机通信”或“移动通信”v早期的移动通信系统是在区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区，半径可达几十公里。这种系统的主要问题是它同时提供给用户使用的信道数极为有限，远远满足不了移动通信业务迅速增长的需要。蜂窝系统把整个服务区域划分成若干个较小的区域，称为小区（Cell），数据通信原理简介课件2.3.4 蜂窝式移动通信数据通信原理简介课件2.3.4 蜂窝式移动通信v 小区之间的分界线并不象图中所示的那么明确。当靠近小区的边界线时，移动电话潜在地位于多个单元范围内。每个基站都会持续地发送信号。因此移动电话可以通过检测哪一个信号最强来确定最近的基站。当移动电话打出一个电话时，它与最近的基站进行通信。当移动用户在蜂窝服务区中快速运动时，通话常常不会在一个小区中结束。快速行驶的汽车在一次通话的时间内可能跨越多个小区。当移动电话从一个小区进入到另一个小区时，其通信链路必须从离开小区的基站切换到正在进入的小区，这一重要过程称为越区切换。v 小区的大小并不是固定的，可以根据区域内人口的增加而缩小。典型小区的半径是1.6千米19千米。数据通信原理简介课件2.3.4 蜂窝式移动通信v移动通信目前正在向3G发展和过渡。v3G与2G的主要区别目前3G的主要标准有WCDMA（欧洲）、CDMA2000（美国）和TD-SCDMA（中国）数据通信原理简介课件Thank you!Thank you!Questions