第2章数据通信技术基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,数据通信系统,2.2,信号编码和数据传输,2.3,数据交换技术,2.4,差错控制,第,2,章 数据通信技术基础,【,本章内容简介,】,数据通信技术是计算机网络技术发展的基础。本章从数据通信系统模型入手，介绍了信号编码和数据传输技术、数据交换技术以及差错控制技术等内容。,【,本章重点难点,】,数据传输通信方式和传输速率，数据复用技术和交换技术，模拟、数字数据和信号之间的转换，差错控制编码。,第,2,章 数据通信技术基础,2.1,数据通信系统,1,通信系统模型,2.1.1,概念与模型,图,2-1,点对点通信系统模型,2,数据、信号和信息,（,1,）在某种意义上来说，计算机网络中传送的东西都是数据。数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。例如二进制数、字符等。,（,2,）信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述，例如电压、磁场强度等。信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号和数字信号可通过参量（幅度）表示，模拟信号的参量是随时间连续的，数字信号的参量是离散取值的，模拟信号和数字信号的表示如图,2-2,所示。,（,3,）信息在不同的领域有各种不同的定义，一般认为信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。,2.1.1,概念与模型,图,2-2,模拟信号和数字信号的表示,3,模拟与数字通信,根据信道中传送信号的类型，通常分为模拟通信系统和数字通信系统两类。前者在信道中传送模拟信号，而后者在信道中传送数字信号。,模拟信号在传输一定距离后都会衰减，克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至会引起信号畸变。数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为“,0”,、“,1”,的标准电平后再继续传输。,2.1.1,概念与模型,2.1.2,数据通信方式,2.1.1,概念与模型,1,并行通信方式,并行通信方式是指将数据以成组方式在两条以上的并行信道上同时传输，还可附加一位数据校检位。如图,2-3,显示了二进制代码,0110,如何以并行方式从位置,A,传输到位置,B,，每位都有自己的传输线路，因此，所有的,4,位均可同时在一个时钟脉冲周期,(T),内传输。,图,2-3,并行通信方式 图,2-4,串行通信方式,2.1.2,数据通信方式,2,串行通信方式,串行通信方式是指按时间先后将数据依次在一条信道一位一位地传送，如图,2-4,显示了了二进制代码,0110,如何以串行方式从位置,A,传输到位置,B,，它需要在,4,个时钟脉冲周期,(4T),来传送。串行通信的特点是通信线路简单，成本低，但是传输速度慢，常用于远距离通信。,2.1.2,数据通信方式,3,串行通信的方向性结构,（,1,）单工。这种方式只允许数据按一个固定的方向传送，像无线电广播就是单工通信的例子。如图,2-5,（,a,）所示。,（,2,）半双工方式。这种方式可在二个方向上非同时双向传送，如图,2-5,（,b,）所示。,（,3,）全双工方式。通信双方可同时收、发信息，如图,2-5,（,c,）所示。,(a),单工,(b),半双工,(c),全双工,图,2-5,串行通信的方向性结构,2.1.3,信道与传输速率,1,信道,信道是通信双方之间以传输介质为基础传递信号的通路，由传输介质及其两端的信道设备共同组成。任何信道都具有有限带宽，所以从抽象的角度看，信道实质上是指定的一段频带，它允许信号通过，但又给信号限制和损害。,在计算机网络中，一般要求误码率低于,10,-6,，误码率公式为：,Pe,=(,Ne,N)100%,(2-1),2.1.3,信道与传输速率,2,数据传输速率。,为了衡量数据在传输时的速度高低，实际中采用了两个不同的单位来度量，这就是波特率和比特率。,（,1,）比特率,比特率是指数字信号的传输速率，又称为信息速率，它反映一个数据通信系统每秒传输二进制信息的位数，单位为位,/,秒，记作,bps,或,bit/s,。一个波形所携带的信息量等效于该波形所代表的二进制码元数，比特率,S,可按下式计算：,S=1/Tlog,2,N,（,2-2,）,2.1.3,信道与传输速率,【,例,2-1】,采用四相调制方式，即,N=4,，且,T=8.3310-4,秒，求该信道的比特率和波特率。,解：,S=1/Tlog2N=1/,（,8.3310,-4,）,log,2,8,=,2400,（,bps,）,B=1/T=1/,（,8.3310,-4,）,=,1200,（,Baud,）,（,2,）波特率,波特率是指在信道上传输信号的波形速率，反映单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作,Baud,。,B=1/T,（,Baud,）,（,2-3,）,式,2-3,中，,T,为信号码元的宽度，单位为秒。,由式,2-1,和,2-2,可以得出：,S=Blog,2,N,（,2-4,）,B=S/log,2,N,（,Baud,）,（,2-5,）,2.1.3,信道与传输速率,3,信道容量,（,1,）信道截止频率与带宽,通常把信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的,0.707(,即输出信号的功率降低了一半,),时所对应的那个频率称为信道的截止频率，如图,2-7(a),所示。频率在,0,fc,范围内的谐波在信道传输过程中不发生衰减，而在之上的所有谐波在传输过程中衰减都很大。,截止频率反映了信道固有的物理特性，在数据传输中，人们还经常提到信道的带宽。所谓“信道带宽”，是指信道中能够传送信号的最大频率范围，如图,2-7(b),所示。,图,2-6,信道截止频率与带宽,2.1.3,信道与传输速率,（,2,）离散信道的容量,奈奎斯特无噪声下的码元速率极限值,B,与信道带宽,H,的关系如下：,B=2H(Baud),（,2-6,）,离散无噪信道的容量计算公式（奈奎斯特公式）为：,C=2Hlog2N(bps),（,2-7,）,【,例,2-2】,普通电话线路带宽约,3kHz,，求码元速率极限值。若码元的离散值个数,N=16,，求最大数据传输速率。,解：,B=2H=23k=6kBaud,C=23klog,2,16=24kbps,4,传输介质,2.1.3,信道与传输速率,（,1,）双绞线（,Twisted Pair,）,双绞线的传输速率取决于芯线质量、传输距离、驱动和接收信号的技术等，芯线为软铜线，一般线径为,0.4,1.4mm,不等，每根线加绝缘层并有颜色来标记。双绞线分非屏蔽双绞线（,UTP,）和屏蔽双绞线（,STP,）两种，如图,2-7,所示。,图,2-7,屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线,4,传输介质,2.1.3,信道与传输速率,（,2,）同轴电缆（,Coaxial Cable,）,同轴电缆由内导体铜质芯线,(,单股实心线或多股绞合线,),、绝缘层、外导体屏蔽层及塑料保护套等构成，如图,2-8,所示。,图,2-8,屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线,4,传输介质,2.1.3,信道与传输速率,（,3,）光纤（,Fiber Optical Cable,）,光纤是由一组光导纤维作为芯线加上防护外皮而做成的。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，柔韧并能传输光信号的传输介质，主要由纤芯和包层构成双层同心圆柱体，如图,2-9,所示。,图,2-9,光纤构造及其光传播情况,4,传输介质,2.1.3,信道与传输速率,（,4,）无线传输介质,在自由空间传播的电磁波或光波统称为“无线”传输介质，它不同于有线信道，不用电缆铜线或光纤联接，而是采用各个波段的无线电波、红外线、激光等进行传播。因此，无线信道不受固定位置的限止，可全方位三维立体通信和移动通信。,超短波无线电,微波无线电,红外线,激光,2.2,信号编码和数据传输,1,频带传输,所谓频带传输，就是把二进制信号进行调制变换，成为能在公用电话网中传输的模拟信号，将模拟信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音频信号解调变换成原来的二进制电信号。根据调制所控制的载波参数的不同，主要有三种方式，分别是幅移键控法,ASK,、频移键控法,FSK,和相移键控法,PSK,，如图,2-10,所示。,2.2.1,数字数据的数字传输,图,2-10 3,种调制技术,2.2,信号编码和数据传输,2,基带传输,所谓基带传输，是指不经频谱搬移，数字数据以原来的“,0”,或“,1”,的形式原封不动地在信道上传送。如图,2-11,所示。,2.2.1,数字数据的数字传输,图,2-11,矩形脉冲的编码,2.2,信号编码和数据传输,3,不归零码特点,（,1,）优点,每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大，这对提高接收端的信噪比有利；,脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系，即全宽码在信道上占用较窄的频带，并且在频谱中包含了码位的速度。,（,2,）缺点,当出现连续,0,或连续,1,时，难以分辨一位的结束和另一位的开始，需要通过其它途径在发送端和接收端提供同步或定时,会产生直流分量的积累问题，这将导致信号的失真与畸变，使传输的可靠性降低，并且由于直流分量的存在，使得无法使用一些交流耦合的线路和设备。,2.2.1,数字数据的数字传输,2.2.2,模拟数据的数字传输,将模拟信源波形变换成数字信号的过程称为信源数字化或信源编码。通信中的电话信号的数字化叫做语音编码，图像信号的数字化称为图像编码，两者虽然各有其特点，但基本原理是一致的，这里以话音信号的脉冲编码调制,PCM(Pulse Code Modulation),编码为例介绍模拟数据的数字传输过程，,PCM,通信的简单模型如图,2-12,所示。,图,2-12 PCM,通信的简单模型,2.2.2,模拟数据的数字传输,1,抽样,PCM,编码是以抽样定理为基础的，抽样定理表示公式为：,Fs,=2,Fmax,（,2-9,）,或,Fs,2,Bs,（,2-10,）,图,2-13,话音信号的抽样,2.2.2,模拟数据的数字传输,2,量化,将抽样所得到的信号幅度按,A/D,转换器的量级分级取值，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值就是量化。,图,2-14 PCM,量化示意图,2.2.2,模拟数据的数字传输,3,编码,编码就是把量化后抽样点的幅值分别用代码表示，经过编码后的信号，就已经是,PCM,信号了。代码的种类很多，采用二进制代码是通信技术中比较常见的。图,214,（,a,）中分,8,个量化级用,3,位二进制码表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度。实际应用中，通常用,8,位码表示一个样值，这样，对话音信号进行,PCM,编码后所要求的数据传输速率为,8b8000 Hz=64000 bps=64kbps,。,2.2.3,多路复用技术,多路复用（,Multiplexing,）技术是将传输信道在频率域或时间域上进行分割，形成若干个相互独立的子信道，每一子信道单独传输一路数据信号。从电信角度看，相当于多路数据被复合在一起共同使用一条共享信道进行传输，所以称为“复用”。复用技术包括复合、传输和分离,3,个过程，由于复合与分离是互逆过程，通常把复合与分离的装置放在一起，做成所谓的“复用器”（一般用,MUX,表示），多路信号在一对,MUX,之间的一条复用线上传输，如图,2-15,所示。,图,2-15,信道的多路复用模型,2.2.3,多路复用技术,1,频分多路复用,FDM,是一种模拟复用方案，输入,FDM,系统的信息是模拟的且在整个传输过程中保持为模拟信号。在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同,(,或略宽,),的子信道，每个子信道传输一路信号。,图,2-16,频分多路复用,2.2.3,多路复用技术,2,时分多路复用,由抽样理论可知，抽样是将时间上连续的信号变成离散信号，其在信道上占用时间的有限性为多路信号在同一信道上传输提供了条件。若信道能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用，,2.2.3,多路