數(shù)據(jù)通信基礎

第二章數(shù)據(jù)通信基礎

第二章數(shù)據(jù)通信基礎

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

三.數(shù)據(jù)編碼技術

五.多路復用技術六.數(shù)據(jù)交換技術信息（Information），人類對現(xiàn)實世界客觀事物的反映，可被感受的聲音、文字、圖像、符號等。數(shù)據(jù)(Data)：傳遞（攜帶）信息的實體，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，在時間和幅值取值上是連續(xù)連續(xù)的，如聲音、視頻、動畫等。數(shù)字數(shù)據(jù)采用離散的物理量來表示，在時間上是離散的，一般是由0、1構(gòu)成的二進制代碼組成。1．基本概念2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信技術依照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。數(shù)據(jù)通信技術是將計算機技術與通信技術相結(jié)合，完成數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)處理和傳輸，為計算機網(wǎng)絡的應用和發(fā)展提供了必要的技術支持和可靠的通信環(huán)境。數(shù)據(jù)通信模型信號(Signal)：數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)形式，（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。信號的兩種形式：數(shù)字信號和模擬信號模擬信號：一組連續(xù)變化的電脈沖系列，如語音信號、電視信號。數(shù)字信號：一般是離散的不連續(xù)的信號，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)送設備、傳輸信道和接收設備。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要素：信源、信宿和信道任何一個通信系統(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)男盘枴阌谧R別、糾錯調(diào)制器：信號適合傳輸?shù)男问健搭l率、幅度、相位解碼器：傳輸信號原始數(shù)據(jù)解調(diào)器：接收波形數(shù)字信號序列數(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)。當傳輸?shù)臑閿?shù)字信號時用調(diào)制器轉(zhuǎn)化為模擬信號。在接收端再通過解碼器進行解調(diào)，恢復原信號。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，傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，而傳輸數(shù)字信號的系統(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)字信號的通信系統(tǒng)。信源編碼器：能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，并且實現(xiàn)壓縮編碼，使信源中庸的信道帶寬盡量小，降低信號誤碼率。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，信道編碼能夠自動檢測錯誤或糾正錯誤，進而形成信道碼，提高傳輸可靠性。信道譯碼器是其逆過程。具有可加密、抗干擾能力強的特點。數(shù)字信號采用數(shù)字電路，其設備便于集成化和微型化。計算機通信、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)字信號是用離散值表示的，因此，每一個離散值就是一個碼元。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)代碼的二進制比特數(shù)，又稱比特率，單位為比特/秒，記作b/s、bit/s或bps。對于二進制數(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、抗干擾能力強的特點。數(shù)字信號采用數(shù)字電路，其設備便于集成化和微型化。計算機通信、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)中被傳錯的概率。信道傳輸可靠性指標:P=錯誤的位數(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制數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上同時進行傳輸。并行通信的優(yōu)點是速度快，但發(fā)端與收端之間有若干條線路，導致費用高，僅適合于近距離和高速率的通信。如計算機與打印機、顯示器等之間的傳輸。2.3數(shù)據(jù)傳輸技術數(shù)字傳輸技術包括數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)、傳輸方式、傳輸指標參數(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傳輸線。串行通信的優(yōu)點是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實現(xiàn)，成本低，但速度比較低。由于計算機內(nèi)部都采用并行通信，因此，數(shù)據(jù)在發(fā)送之前，要將計算機中的字符進行并/串變換，在接收端再通過串/并變換，還原成計算機的字符結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)串行通信。單工方式指通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號僅沿一個方向傳輸，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，任何時候都不能改變信號傳送方向。采用雙線制，一個用于傳輸數(shù)據(jù)的主信道，另一個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。信號傳送是有方向的，按照信號傳送的方向和時間的關系，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可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進行，而不能同時進行。當改變傳輸方向時，要通過開關裝置進行切換。半雙工信道適合于會話式通信，比如公安系統(tǒng)使用的“對講機”和軍隊使用的“步話機”。半雙工方式在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中適用于終端與終端之間的會話式通信。半雙工方式通信雙方必須同時具有發(fā)送和接收裝置。全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向作雙向傳輸。相當于兩個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、電話。2.根據(jù)傳輸信號的不同可劃分：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)（原有信號形式）的基帶信號稱為基帶傳輸?；鶐鬏斚到y(tǒng)安裝簡單、成本低，主要用于總線型拓撲結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，在近距離范圍內(nèi)，基帶信號衰減不大，在2.5km的范圍內(nèi)，可以達到10Mb/s的傳輸速率。頻帶傳輸基帶信號頻率很低，往往獨占通信信道，且抗干擾性差，在遠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)字信號經(jīng)過調(diào)制，轉(zhuǎn)化成模擬信號在模擬信道上傳輸。

遠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。使用時通常將整個帶寬劃分為若干個子頻帶，分別用這些子頻帶來傳送音頻信號、視頻信號以及數(shù)字信號。寬帶同軸電纜原是用來傳輸電視信號的，當用它來傳輸數(shù)字信號時，需要利用電纜調(diào)制解調(diào)器（CableModem）把數(shù)字信號變換成頻率為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲的模擬信號。4.異步和同步通信在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當發(fā)送端與接收端采用串行通信時，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動作，彼此間傳輸數(shù)據(jù)的速率、每個比特的持續(xù)時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)送的每個碼元/比特起止時刻和速率來接收數(shù)據(jù)，否則，收發(fā)之間會產(chǎn)生誤差，即使是很小的誤差，隨著時間增加的逐步累積，也會造成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯。實現(xiàn)收發(fā)之間的同步技術是數(shù)據(jù)傳輸中的關鍵技術之一，通常使用的同步技術有兩種：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個字符（7位或8位）都要在每個字符碼前加1個起始位（邏輯“1”），以表示字符代碼的開始，在字符代碼和校驗碼后面加1或2個停止位（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新字符的開始。從而起到通信雙方的同步作用。異步方式實現(xiàn)比較容易，但每傳輸一個字符都需要多使用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，可劃分為：位同步和字符同步。位同步：通信雙方如是兩臺計算機，其時鐘頻率都相等，但在傳輸過程中也會出現(xiàn)差異。如果在大量數(shù)據(jù)長時間傳輸時，其積累的誤差足以導致錯誤傳輸。這時要求接收端根據(jù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)的起止時間和時鐘頻率，來校正自己的時間時間基準與時鐘頻率，實現(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)交換技術實現(xiàn)常用的交換技術主要有：電路交換、報文交換、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。它是兩個需要通信的計算機在開始通信之前由交換機為其建立一個專用的通信線路。主要分為三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放交換設備在通信雙方找出一條實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)在則由計算機化的程控交換機實現(xiàn)。)特點：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：建立連接的時間長；一旦建立連接就獨占線路，線路利用率低；無糾錯機制；建立連接后，傳輸延遲小。1.建立連接：

網(wǎng)絡上的兩個通信節(jié)點通信之前，首先通過通信子網(wǎng)（交換機）為兩個節(jié)點建立一條點對點的物理通信鏈路，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，兩個通信節(jié)點就可以通過這個線路傳輸數(shù)據(jù)，此時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“釋放請求包”另一方同意后并發(fā)送“釋放應答包”，將建立的線路釋放，此時此次通話結(jié)束。報文交換類似于發(fā)郵件，以報文為單位發(fā)送信息，每個報文由報頭（header）、正文（message）、報尾（trailer）三部分組成。報頭包括源地址和目的地址，整個報文作為一個整體一起發(fā)送。特點：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。報文大小不一，容易造成管理復雜，且數(shù)據(jù)過多時無法存儲或不能及時轉(zhuǎn)發(fā)，導致報文丟失，需重新發(fā)送。分組交換（包交換）

也稱為報文分組交換或包交換。將報文劃分為若干個大小相等的分組(Packet)進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，每個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)中的位置進行編號。

每個分組可以在網(wǎng)絡中獨立的選擇路由，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進行組裝，將數(shù)據(jù)復原。

分組的最大長度限制在1000位或者幾千位，每個分組添加順序號，源節(jié)點、目的節(jié)點地址和差錯控制信息。有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的存儲空間利用率和傳輸率，因此成為公用數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡中的主要技術。三種交換方式的事件順序呼叫請求呼叫應答數(shù)據(jù)ABCD分組1分組2分組3報文ABCDABCD尋路延遲排隊延遲線路交換報文交換分組交換三種方式比較1.與電路交換相比，報文交換的線路利用率更高，分組交換比報文交換更有優(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態(tài)分配和釋放的，信道利用率高，但因不是專用的，導致突發(fā)輸入數(shù)據(jù)可能會耗盡設備的存儲空間，造成分組損失。4.電路交換的計費一般需要考慮通話時間和距離，而與通話量無關，原因就是電話交換中通信雙方獨占信道帶寬。而在分組中，通信費用主要按流量計算，需考慮通話時間和距離。2.5多路復用技術多路復用技術的實質(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，多路復用器將來自多個輸入線路的多個低速信號組合成一個復合的高速信號，且將此信號送至高速通信線路，在接收端，解復用器將復合高速信號進行分解還原成為多個低速信號，然后轉(zhuǎn)送個多個用戶。1.頻分多路復用技術CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復用f原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護頻帶。適用于模擬信號傳輸

2.時分多路復用技術原理：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個通道（時隙），每個用戶占用一個通道傳輸數(shù)據(jù)。A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復用后數(shù)據(jù)時隙1234D3D2D1適用于數(shù)字信號傳輸