數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

一.數(shù)據(jù)通信的基本概念

二.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

四.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

三.數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

五.多路復(fù)用技術(shù)六.數(shù)據(jù)交換技術(shù)信息（Information），人類對(duì)現(xiàn)實(shí)世界客觀事物的反映，可被感受的聲音、文字、圖像、符號(hào)等。數(shù)據(jù)(Data)：傳遞（攜帶）信息的實(shí)體，信息(Information)則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。分類兩類：模擬(Analog)數(shù)據(jù)與數(shù)字(Digital)數(shù)據(jù)；模擬數(shù)據(jù)用連續(xù)的物理量表示，在時(shí)間和幅值取值上是連續(xù)連續(xù)的，如聲音、視頻、動(dòng)畫等。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用離散的物理量來表示，在時(shí)間上是離散的，一般是由0、1構(gòu)成的二進(jìn)制代碼組成。1．基本概念2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信技術(shù)依照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。數(shù)據(jù)通信技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，完成數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)處理和傳輸，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展提供了必要的技術(shù)支持和可靠的通信環(huán)境。數(shù)據(jù)通信模型信號(hào)(Signal)：數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)形式，（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式傳播。信號(hào)的兩種形式：數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)模擬信號(hào)：一組連續(xù)變化的電脈沖系列，如語音信號(hào)、電視信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：一般是離散的不連續(xù)的信號(hào)，通常用“高”和“低”電平的脈沖系列組成。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本模型：任何通信系統(tǒng)都可以看作為發(fā)送設(shè)備、傳輸信道和接收設(shè)備。產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源與信宿通過通信線路進(jìn)行通信，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，也將通信線路稱為信道；信源、信道、信宿為通信系統(tǒng)的三要素。數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信模型通信的三個(gè)要素：信源、信宿和信道任何一個(gè)通信系統(tǒng)都可以抽象為以下模型：噪聲信源編碼調(diào)制信道解調(diào)解碼信宿編碼器：數(shù)據(jù)適合傳輸?shù)男盘?hào)——便于識(shí)別、糾錯(cuò)調(diào)制器：信號(hào)適合傳輸?shù)男问健搭l率、幅度、相位解碼器：傳輸信號(hào)原始數(shù)據(jù)解調(diào)器：接收波形數(shù)字信號(hào)序列數(shù)據(jù)通信模型模擬通信系統(tǒng)：是指在模擬信道中傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)。由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪聲源組成，電話、廣播、電視等都屬于模擬通信系統(tǒng)。當(dāng)傳輸?shù)臑閿?shù)字信號(hào)時(shí)用調(diào)制器轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。在接收端再通過解碼器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)原信號(hào)。噪聲源信源調(diào)制器信道解碼器信宿數(shù)據(jù)通信模型在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，而傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)：是指在數(shù)字信道中傳輸數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)。信源編碼器：能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，并且實(shí)現(xiàn)壓縮編碼，使信源中庸的信道帶寬盡量小，降低信號(hào)誤碼率。信源譯碼器作用與信源編碼器相反，是其逆過程。信道編碼器：信源編碼不適合直接在信道傳輸，信道編碼能夠自動(dòng)檢測錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，進(jìn)而形成信道碼，提高傳輸可靠性。信道譯碼器是其逆過程。具有可加密、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)采用數(shù)字電路，其設(shè)備便于集成化和微型化。計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字電視、數(shù)字電話等都屬于數(shù)字通信。噪聲信源信源編碼器調(diào)制器信道信宿信道編碼器解調(diào)器信源譯碼器信道譯碼器數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)傳輸速率:表示數(shù)字信道傳輸信號(hào)的能力,例modem傳輸速率為56Kb/s等.可分為兩種：碼元速率和信息速率。碼元速率（RB）：又稱為波特率，指每秒中傳送的碼元數(shù)，單位為波特/秒（Baud/s）。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號(hào)是用離散值表示的，因此，每一個(gè)離散值就是一個(gè)碼元。信息速率（Rb）：在數(shù)值上等于每秒鐘傳輸?shù)臉?gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特?cái)?shù)，又稱比特率，單位為比特/秒，記作b/s、bit/s或bps。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可定義為：S=1/T（bps），其中，T為發(fā)送每一比特所需要的時(shí)間。2.2數(shù)據(jù)傳輸率與誤碼率數(shù)字通信系統(tǒng)具有可加密、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)采用數(shù)字電路，其設(shè)備便于集成化和微型化。計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字電視、數(shù)字電話等都屬于數(shù)字通信。誤碼率(Biterrorrate)：碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。信道傳輸可靠性指標(biāo):P=錯(cuò)誤的位數(shù)/傳輸?shù)目偽粩?shù),通常要求誤碼率低于10-6.帶寬(Bandwidth)：信號(hào)或信道占據(jù)的頻率范圍,例電話信道的帶寬為300Hz-3400Hz數(shù)據(jù)傳輸率與誤碼率傳輸方式：1.并行和串行通信并行通信二進(jìn)制數(shù)據(jù)以成組的方式在多個(gè)并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。并行通信的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但發(fā)端與收端之間有若干條線路，導(dǎo)致費(fèi)用高，僅適合于近距離和高速率的通信。如計(jì)算機(jī)與打印機(jī)、顯示器等之間的傳輸。2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)數(shù)字傳輸技術(shù)包括數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)、傳輸方式、傳輸指標(biāo)參數(shù)串行通信數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上一位一位的傳輸，從發(fā)送端到接收端只需一個(gè)傳輸線。串行通信的優(yōu)點(diǎn)是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，但速度比較低。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部都采用并行通信，因此，數(shù)據(jù)在發(fā)送之前，要將計(jì)算機(jī)中的字符進(jìn)行并/串變換，在接收端再通過串/并變換，還原成計(jì)算機(jī)的字符結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)串行通信。單工方式指通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號(hào)僅沿一個(gè)方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送，任何時(shí)候都不能改變信號(hào)傳送方向。采用雙線制，一個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的主信道，另一個(gè)用于傳輸控制信息的監(jiān)測信道。無線電廣播和電視都屬于單工通信。信號(hào)傳送是有方向的，按照信號(hào)傳送的方向和時(shí)間的關(guān)系，數(shù)據(jù)傳輸有單工通信、半雙工通信和全雙工通信。半雙工通信是指信號(hào)可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送，即兩個(gè)方向的傳輸只能交替進(jìn)行，而不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)改變傳輸方向時(shí)，要通過開關(guān)裝置進(jìn)行切換。半雙工信道適合于會(huì)話式通信，比如公安系統(tǒng)使用的“對(duì)講機(jī)”和軍隊(duì)使用的“步話機(jī)”。半雙工方式在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中適用于終端與終端之間的會(huì)話式通信。半雙工方式通信雙方必須同時(shí)具有發(fā)送和接收裝置。全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)沿相反的兩個(gè)方向作雙向傳輸。相當(dāng)于兩個(gè)相反方向的單工通信方式組合，采用四線制。通信效率高、控制簡單，手機(jī)、電話。2.根據(jù)傳輸信號(hào)的不同可劃分：基帶傳輸、頻帶傳輸、帶寬傳輸基帶傳輸基帶傳輸是一種最簡單最基本的傳輸方式。在信道上直接傳送數(shù)據(jù)（原有信號(hào)形式）的基帶信號(hào)稱為基帶傳輸?；鶐鬏斚到y(tǒng)安裝簡單、成本低，主要用于總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，在近距離范圍內(nèi)，基帶信號(hào)衰減不大，在2.5km的范圍內(nèi)，可以達(dá)到10Mb/s的傳輸速率。頻帶傳輸基帶信號(hào)頻率很低，往往獨(dú)占通信信道，且抗干擾性差，在遠(yuǎn)距離傳輸中容易造成衰減和畸變。所謂的頻帶傳輸是指把基帶數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)制，轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)在模擬信道上傳輸。

遠(yuǎn)距離通信信道多采用模擬信道，一般采用頻帶傳輸。寬帶傳輸寬帶傳輸常采用同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，帶寬為300MHz。使用時(shí)通常將整個(gè)帶寬劃分為若干個(gè)子頻帶，分別用這些子頻帶來傳送音頻信號(hào)、視頻信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)。寬帶同軸電纜原是用來傳輸電視信號(hào)的，當(dāng)用它來傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，需要利用電纜調(diào)制解調(diào)器（CableModem）把數(shù)字信號(hào)變換成頻率為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲的模擬信號(hào)。4.異步和同步通信在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端與接收端采用串行通信時(shí)，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動(dòng)作，彼此間傳輸數(shù)據(jù)的速率、每個(gè)比特的持續(xù)時(shí)間和間隔都必須相同，這就是同步問題。同步就是要接收方按照發(fā)送方發(fā)送的每個(gè)碼元/比特起止時(shí)刻和速率來接收數(shù)據(jù)，否則，收發(fā)之間會(huì)產(chǎn)生誤差，即使是很小的誤差，隨著時(shí)間增加的逐步累積，也會(huì)造成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)。實(shí)現(xiàn)收發(fā)之間的同步技術(shù)是數(shù)據(jù)傳輸中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常使用的同步技術(shù)有兩種：異步方式同步方式異步通信方式在異步傳輸方式中，每傳送1個(gè)字符（7位或8位）都要在每個(gè)字符碼前加1個(gè)起始位（邏輯“1”），以表示字符代碼的開始，在字符代碼和校驗(yàn)碼后面加1或2個(gè)停止位（邏輯“0”），表示字符結(jié)束。接收方根據(jù)起始位和停止位來判斷一個(gè)新字符的開始。從而起到通信雙方的同步作用。異步方式實(shí)現(xiàn)比較容易，但每傳輸一個(gè)字符都需要多使用2～3位，所以適合于低速通信。同步通信方式同步傳輸方式是指將一個(gè)大的數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送，它是高速數(shù)據(jù)傳輸過程中采用的一種同步技術(shù)，可劃分為：位同步和字符同步。位同步：通信雙方如是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，其時(shí)鐘頻率都相等，但在傳輸過程中也會(huì)出現(xiàn)差異。如果在大量數(shù)據(jù)長時(shí)間傳輸時(shí)，其積累的誤差足以導(dǎo)致錯(cuò)誤傳輸。這時(shí)要求接收端根據(jù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)的起止時(shí)間和時(shí)鐘頻率，來校正自己的時(shí)間時(shí)間基準(zhǔn)與時(shí)鐘頻率，實(shí)現(xiàn)收/發(fā)雙方的位同步。字符同步：在數(shù)據(jù)通信過程中出了要解決位同步問題，還有解決字符接收同步問題。字符同步就是保證收、發(fā)雙方能夠正確傳輸字符。2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)常用的交換技術(shù)主要有：電路交換、報(bào)文交換、分組交換。電路交換電路交換與電話交換工作過程類似，也稱線路交換。它是兩個(gè)需要通信的計(jì)算機(jī)在開始通信之前由交換機(jī)為其建立一個(gè)專用的通信線路。主要分為三個(gè)階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放交換設(shè)備在通信雙方找出一條實(shí)際的物理線路的過程。(最早的電路交換連接是由電話接線員通過插塞建立的，現(xiàn)在則由計(jì)算機(jī)化的程控交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。

呼叫——建立連接——傳輸——掛斷

優(yōu)缺點(diǎn)：建立連接的時(shí)間長；一旦建立連接就獨(dú)占線路，線路利用率低；無糾錯(cuò)機(jī)制；建立連接后，傳輸延遲小。1.建立連接：

網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通信之前，首先通過通信子網(wǎng)（交換機(jī)）為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的物理通信鏈路，且鏈路從開始到結(jié)束一直保持工作。2.數(shù)據(jù)傳輸：

線路建立好后，兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)就可以通過這個(gè)線路傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)線路可以全雙工方式工作。3.連接釋放：

數(shù)據(jù)傳輸完成后，線路就要釋放，一方發(fā)送“釋放請(qǐng)求包”另一方同意后并發(fā)送“釋放應(yīng)答包”，將建立的線路釋放，此時(shí)此次通話結(jié)束。報(bào)文交換類似于發(fā)郵件，以報(bào)文為單位發(fā)送信息，每個(gè)報(bào)文由報(bào)頭（header）、正文（message）、報(bào)尾（trailer）三部分組成。報(bào)頭包括源地址和目的地址，整個(gè)報(bào)文作為一個(gè)整體一起發(fā)送。特點(diǎn)：不需建立專用線路，無須建立線路和釋放線路等待，可靠性高。報(bào)文大小不一，容易造成管理復(fù)雜，且數(shù)據(jù)過多時(shí)無法存儲(chǔ)或不能及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致報(bào)文丟失，需重新發(fā)送。分組交換（包交換）

也稱為報(bào)文分組交換或包交換。將報(bào)文劃分為若干個(gè)大小相等的分組(Packet)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)分組上都有信源和信宿的地址，并且按照數(shù)據(jù)單元在原數(shù)據(jù)中的位置進(jìn)行編號(hào)。

每個(gè)分組可以在網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的選擇路由，可以沿著相同或者不同的路徑傳輸，接收方接收后按照編號(hào)進(jìn)行組裝，將數(shù)據(jù)復(fù)原。

分組的最大長度限制在1000位或者幾千位，每個(gè)分組添加順序號(hào)，源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)地址和差錯(cuò)控制信息。有利于提高存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間利用率和傳輸率，因此成為公用數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)中的主要技術(shù)。三種交換方式的事件順序呼叫請(qǐng)求呼叫應(yīng)答數(shù)據(jù)ABCD分組1分組2分組3報(bào)文ABCDABCD尋路延遲排隊(duì)延遲線路交換報(bào)文交換分組交換三種方式比較1.與電路交換相比，報(bào)文交換的線路利用率更高，分組交換比報(bào)文交換更有優(yōu)越性。2.分組交換除吞吐量較高之外，還提供一定程度的差錯(cuò)檢測和代碼轉(zhuǎn)換能力，可靠性高。3.電路交換是專用的信道，信道帶寬的靜態(tài)分配的，而分組交換中的信道帶寬是動(dòng)態(tài)分配和釋放的，信道利用率高，但因不是專用的，導(dǎo)致突發(fā)輸入數(shù)據(jù)可能會(huì)耗盡設(shè)備的存儲(chǔ)空間，造成分組損失。4.電路交換的計(jì)費(fèi)一般需要考慮通話時(shí)間和距離，而與通話量無關(guān)，原因就是電話交換中通信雙方獨(dú)占信道帶寬。而在分組中，通信費(fèi)用主要按流量計(jì)算，需考慮通話時(shí)間和距離。2.5多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是共享物理信道，能夠更加有效的利用通信線路帶寬資源。工作原理：在發(fā)送端，多路復(fù)用器將來自多個(gè)輸入線路的多個(gè)低速信號(hào)組合成一個(gè)復(fù)合的高速信號(hào)，且將此信號(hào)送至高速通信線路，在接收端，解復(fù)用器將復(fù)合高速信號(hào)進(jìn)行分解還原成為多個(gè)低速信號(hào)，然后轉(zhuǎn)送個(gè)多個(gè)用戶。1.頻分多路復(fù)用技術(shù)CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用f原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每個(gè)用戶占用一個(gè)頻率通道。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶。適用于模擬信號(hào)傳輸

2.時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)通道（時(shí)隙），每個(gè)用戶占用一個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)。A2A1A3原始信號(hào)D2D1D3數(shù)字化信號(hào)MUX復(fù)用后數(shù)據(jù)時(shí)隙1234D3D2D1適用于數(shù)字信號(hào)傳輸