數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識.ppt

1、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識,本章主要內(nèi)容:,基本概念 數(shù)據(jù)的傳輸 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞?數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制技術(shù) 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 信道復(fù)用技術(shù) 傳輸媒體的類型與特點,2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,2.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號 信息的載體可以包含語音、音樂、圖形圖像、文字和數(shù)據(jù)等多種媒體。計算機(jī)的終端產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字和符號的組合。 數(shù)據(jù)通信是指在不同計算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進(jìn)代碼0和1比特序列的過程。,信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電信號的表示形式：分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。 電話線上傳送的為模擬信號（Analog Signal）。模擬信號的電平是連續(xù)變化的，其波形如圖（a）所示。 計算

2、機(jī)中所產(chǎn)生的電信號是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號，這種電信號稱為數(shù)字信號（Digital Signal）。數(shù)字信號的波形如圖（b）所示。,(a),(b),2.1.3通信信道的分類,信道的分類方法，常用的有以下三種： 1、有線信道與無線信道 使用有形的媒體作為傳輸介質(zhì)的信道稱之為有線信 道。它包括電話線、雙絞線、同軸電纜、光纜和電力線 等。 無線信道：以電磁波在空間傳播方式傳送信息的信 道稱之為無線信道。它包括無線電、微波、紅外線和衛(wèi) 星通信信道等。,2、模擬信道與數(shù)字信道 模擬信道：能傳輸模擬信號的信道稱之為模擬信道。模擬 信號的電平隨時間連續(xù)變化。語音信號是典型的模擬信

3、號。如果 利用模擬信道傳送數(shù)字信號，則必須經(jīng)過數(shù)字與模擬信號之間的 變換（A/D變換器）。調(diào)制解調(diào)器就是用于完成這種變換的。 數(shù)字信道：能傳輸離散數(shù)字信號的信道稱為數(shù)字信道。離 散的數(shù)字信號在計算機(jī)中是指由“0”和“1”的二進(jìn)制代碼組成的數(shù) 字序列。當(dāng)利用數(shù)字信道傳輸數(shù)字信號時不需要進(jìn)行變換，而通 常需要進(jìn)行數(shù)字編碼。,信道容量,信道容量是衡量一個信道傳輸數(shù)字信號的重要參數(shù)。信道容量是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)，用比特每秒（bit/s）表示。當(dāng)傳輸速率超過信道的最大信號速率時就會產(chǎn)生失真。,2.2.3 信道的通信方式,按照信號傳送方向與時間的關(guān)系，信道的通信方式可以分為單工、半雙工

4、和全雙工三種。 1. 單工通信 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，而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，如圖210所示。例如，無線電廣播和電視都屬于單工通信。,單工通信,2. 半雙工通信,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(jìn)行。當(dāng)改變傳輸方向時，要通過開關(guān)裝置進(jìn)行切換，如圖所示。 半雙工信道適合于會話式通信。例如，公安系統(tǒng)使用的“對 講機(jī)”和軍隊使用的“步話機(jī)”。半雙工方式在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中適用于終端與終端之間的會話式通信。,3. 全雙工通信,全雙工通信是指數(shù)據(jù)可

5、以同時沿相反的兩個方向進(jìn)行雙向傳輸，如圖所示。 例如，現(xiàn)實生活中的電話機(jī)通話就是一個全雙工的通信過程。,2.2.4信號的傳輸方式,1.基帶傳輸 就數(shù)字信號而言，它是一個離散的矩型波，“0”代表低電 平，“1”代表高電平。這種矩形波固有的頻帶稱為基帶，矩形 波信號稱為基帶信號。因此，基帶實際上就是數(shù)字信號所占用 的基本頻帶。 2. 頻帶傳輸 在實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信時，經(jīng)常需要借助于電話線路，此時 應(yīng)使用頻帶傳輸方式。所謂頻帶傳輸，在發(fā)送端就是將數(shù)字信 號調(diào)制成音頻信號后再進(jìn)行發(fā)送和傳輸，當(dāng)音頻信號到達(dá)接收 端時，再把音頻信號解調(diào)成原來的數(shù)字信號。,2.3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞?1、異步方式 在異步傳輸方

6、式中，每傳送1個字符（7或8位）都要在每個字符碼前加1個起 始位，以表示字符代碼的開始；在字符代碼和校驗碼后面加1或兩個停止位，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和結(jié)束，從而起到 通信雙方的同步作用，如圖所示。 異步方式的實現(xiàn)比較容易，但每傳輸一個字符都需要多使用23 位，所以適合于低速通信。,2. 同步方式,通常，同步傳輸方式的信息格式是一組字符或一個二進(jìn)制位組成的數(shù)據(jù)塊（幀）。對這些數(shù)據(jù)，不需要附加起始位和停止位，而是在發(fā)送一組字符或數(shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個同步字符SYN(以01101000表示)或一個同步字節(jié)（01111110），用于接收方進(jìn)行同步檢測，從而使收發(fā)

7、雙方進(jìn)入同步狀態(tài)。在同步字符或字節(jié)之后，可以連續(xù)發(fā)送任意多個字符或數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，再使用同步字符或字節(jié)來標(biāo)識整個發(fā)送過程的結(jié)束，如圖所示。,2.4.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制,典型的模擬通信信道是電話通信信道。它是當(dāng)前世界上覆蓋面最廣、應(yīng)用最普遍的通信信道之一。傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語音信號設(shè)計的，用于傳輸音頻3003400Hz的模擬信號，不能直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。為了利用模擬語音通信的電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，必須首先將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，也就是要對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。,調(diào)制：在發(fā)送端將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號變換成模擬信號的過程稱為調(diào) 制（Modulation），調(diào)制設(shè)備就稱為調(diào)制器（M

8、odulator). 解調(diào)：在接收端將模擬數(shù)據(jù)信號還原成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的過程稱 為解調(diào)(Demodulation),解調(diào)設(shè)備就稱為解調(diào)器(Demodulator). 若進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的發(fā)送端和接收端以雙工方式進(jìn)行通信時，就需 要一個同時具備調(diào)制和解調(diào)功能的設(shè)備，稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）， 這一過程如圖所示。,2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼,利用數(shù)字通信信道直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的方法，稱作數(shù)字信號的基帶傳輸。而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在傳輸之前需要進(jìn)行數(shù)字編碼。 在數(shù)字基帶傳輸中，數(shù)據(jù)信號的編碼方式主要有：不歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼三種。,1. 不歸零編碼（NRZ,NonReturn to Zero）

9、NRZ編碼可以用負(fù)電平表示邏輯“1”，用正電平表示邏輯“0”，反之亦然。 NRZ編碼的缺點是發(fā)送方和接收方不能保持同步，需采用其他方法才能保持收發(fā)同步。 2. 曼徹斯特編碼（Manchester） 曼徹斯特編碼的原則是：前T/2取反碼，后T/2取原碼。曼徹斯特編碼的優(yōu)點是每一個比特中間的跳變可以作為接收端的時鐘信號，以保持接收端和發(fā)送端之間的同步。 3. 差分曼徹斯特編碼（Difference Manchester） 差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進(jìn)。其特點是每一位二進(jìn)制信號的跳變依然提供收、發(fā)端之間的同步，但每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的取值，必須要根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定，若一個比特開始處

10、存在跳變則表示“0”，無跳變則表示“1”。,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)011101001的3種編碼方式，它的編碼波形如圖所示。,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的編碼方法,2.4.4模擬數(shù)據(jù)的編碼,脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。由于數(shù)字信號傳輸失真小、誤碼率低、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此，在網(wǎng)絡(luò)中除計算機(jī)直接產(chǎn)生的數(shù)字信號外，語音、圖像信息必須數(shù)字化才能經(jīng)計算機(jī)處理 PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語音數(shù)字化。語音可以用模擬信號的形式通過電話線路傳輸，但是在網(wǎng)絡(luò)中將語音與計算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字、文字、圖形、圖像同時傳輸，就必須首先將語音信號數(shù)字化。,脈沖編碼調(diào)制的工作過程包括3部分：抽樣、

11、量化和編碼。在圖右中，顯示了脈沖編碼調(diào)制的3個過程以及相對應(yīng)的波形信號。,脈沖編碼調(diào)制的過程,1. 抽樣 模擬信號是電平連續(xù)變化的信號。每隔一定的時間間隔，采集模擬信號的瞬時電平值作為樣本表示模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間隨時間變化的值。抽樣頻率以奈奎斯特抽樣定理為依據(jù)，如果以等于或高于通信信道帶寬兩倍的速率定時對信號進(jìn)行抽樣，就可以恢復(fù)原模擬信號的所有信息。 對于電話通信系統(tǒng)，因為電話線路的傳輸帶寬不超過4000Hz，所以抽樣頻率為8000次/s。,2. 量化 量化是將取樣樣本幅度按量化級決定取值的過程。經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量化級值，根據(jù)量化之前規(guī)定好的量化級，將抽樣所得樣本的幅值比較，取整定級

12、。 量化級可以分為8級、16級或者更多的量化級，這取決于系統(tǒng)的精確度要求。 3. 編碼 編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。如果有16個量化級，就需要使用4個比特進(jìn)行編碼。經(jīng)過編碼后，每個樣本都使用相應(yīng)的編碼脈沖表示。 PCM用于數(shù)字化語音系統(tǒng)，它將聲音分為128個量化級，采用7位二進(jìn)制編碼表示，再使用1個比特進(jìn)行差錯控制，采樣速率為8000次/s，因此，一路話音的數(shù)據(jù)傳輸速率為: 88000bit/s64Kbit/s。,2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù),交換又稱轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)交換技術(shù)在交換通信網(wǎng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是必不可少的。數(shù)據(jù)通過通信子網(wǎng)的交換方式可以分為電路交換和存儲交換兩大類。常用的

13、交換技術(shù)有：電路交換、報文交換和分組交換三種。,電路交換（Circuit Switching），也稱為線路交換，它是 一種直接的交換方式，為一對需要進(jìn)行通信的節(jié)點之間提供一條 臨時的專用通道，即提供一條專用的傳輸通道，既可以是物理通 道又可以是邏輯通道（使用時分或頻分復(fù)用技術(shù)）。 圖1- 5 電路交換的工作模式,2.5.1 電路交換,目前，公用電話交換網(wǎng)廣泛使用的交換方式是 電路交換，經(jīng)由電路交換的通信包括：電路建立、 數(shù)據(jù)傳輸和電路拆除三個階段，如下圖所示 。,報文交換,報文交換（message switching）技術(shù)是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，它沒有在通信兩端設(shè)備間建立一條物理線路。發(fā)送設(shè)備將發(fā)

14、送的信息作為一個整體（又被稱為報文），并附加上目的地地址，交給交換設(shè)備。交換設(shè)備接收該報文，暫時存儲該報文，等到有合適的輸出線路時把該報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換設(shè)備。經(jīng)過若干個交換設(shè)備的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)后，該報文到達(dá)目的地。,2.5.2 存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù) 采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的郵政通信工作模式,報文交換的特點如下： 源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點在通信時不需要建立一條專用的通道。 與電路交換相比，報文交換沒有建立電路和拆除電路所需的等 待和時延。 電路利用率高，節(jié)點間可根據(jù)電路情況選擇不同的速度傳輸， 能高效地傳輸數(shù)據(jù)。 要求節(jié)點具備足夠地報文數(shù)據(jù)存放能力，一般節(jié)點由微機(jī)或小 型機(jī)擔(dān)當(dāng)。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)乜煽啃愿撸總€節(jié)點在存儲轉(zhuǎn)發(fā)中都

15、進(jìn)行差錯控 制，即檢錯和糾錯。,由于采用了對完整報文地存儲/轉(zhuǎn)發(fā)，而節(jié)點存儲/轉(zhuǎn)發(fā)的時延較大，不適用于交互式通信，如電話通信。由于每個節(jié)點都要把報文完整的接收、存儲、檢錯、糾錯、轉(zhuǎn)發(fā)，產(chǎn)生了節(jié)點延遲，并且報文交換對報文長度沒有限制，報文可以很長，專用就有可能使報文長時間占用某兩節(jié)點之間地鏈路，不利于實時交互通信。分組交換即所謂的包交換正是針對報文交換的缺點而提出的一種改進(jìn)方式。,分組交換,分組交換（Packet Switching）又稱報文分組交換，或包交換，也是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。在報文交換中，報文的長度不確定，交換設(shè)備的存儲器容量大小如果按最長的報文計算，顯然不經(jīng)濟(jì)。如果利用交換設(shè)備的外存容

16、量，則內(nèi)外存間交換數(shù)據(jù)會增加報文處理的時間。分組交換中，將報文分解成若干段，每一段報文加上交換時所需的地址、控制和差錯校驗信息，按規(guī)定的格式構(gòu)成一個數(shù)據(jù)單位，通常被稱為“報文分組”或“包”。 在分組交換網(wǎng)中，控制和管理通過網(wǎng)絡(luò)的交換分組流，有兩種方式：數(shù)據(jù)報（data gram）和虛電路（virtual circuit）。,3三種交換方式比較 電路交換、報文交換（存儲轉(zhuǎn)發(fā)）、分組交換（存儲轉(zhuǎn)發(fā)）,2.6 信道復(fù)用技術(shù),通常采用多路復(fù)用技術(shù)，使多路數(shù)據(jù)信號共同使用一條電路進(jìn)行傳輸，即利用一個物理信道同時傳輸多個信號，如圖所示。,信道的復(fù)用,目前主要有以下4種信道復(fù)用方式： 頻分復(fù)用（Freque

17、ncy Division Multiplexing，F(xiàn)DM） 時分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM） 波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM） 碼分復(fù)用（CDMA, Coding Division Multiplexing Access）,2.6.1頻分多路復(fù)用,頻分多路復(fù)用的原理圖,2.6.2時分多路復(fù)用,1、同步時分復(fù)用,同步時分多路復(fù)用的原理圖,2、 異步時分復(fù)用,異步時分多路復(fù)用的原理圖,2.6.3 波分多路復(fù)用,波分多路復(fù)用,2.6.4碼分多路復(fù)用,碼分多路復(fù)用又稱為碼分多址（CDMA, Coding Di

18、vision Multiplexing Access）。它也是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強(qiáng)。 碼分復(fù)用技術(shù)主要用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)。,2.7 傳輸介質(zhì),1.傳輸介質(zhì) 傳輸信號經(jīng)過的各種物理環(huán)境 物理上將計算機(jī)相互連接起來的介質(zhì) 2.傳輸介質(zhì)的種類 同軸電纜 非屏蔽雙絞線（UTP） 屏蔽雙絞線（STP） 光纜 無線電,傳輸介質(zhì)的種類,非屏蔽雙絞線和RJ-45連接器,雙絞線,非屏蔽雙絞線,優(yōu)點： 尺寸小、重量輕、容易彎曲 價格便

19、宜 容易安裝和維護(hù) RJ-45連接器牢固、可靠 缺點： 抗干擾能力較弱 傳輸距離比較短 UTP分為：3類線、4類線、5類線和超5類線 UTP非常適合于樓宇內(nèi)部的結(jié)構(gòu)化布線,屏蔽雙絞線,優(yōu)點： 傳輸質(zhì)量較高 電纜尺寸和重量與UTP相當(dāng) 缺點： 安裝不合適有可能引入外界干擾,同軸電纜,同軸電纜的特點,1.優(yōu)點 傳輸距離較遠(yuǎn)，覆蓋的地域范圍較大 技術(shù)非常成熟 2.缺點 電纜硬，折曲困難，重量重 3.局域網(wǎng)常用同軸電纜 粗同軸電纜：特征阻抗50 ，直徑1cm 細(xì)同軸電纜：特征阻抗50，直徑0.5cm 4.同軸電纜不適合用于樓宇內(nèi)的結(jié)構(gòu)化布線,光纜,光線在光纖中的折射,光纖的工作原理,光纖是用極細(xì)的玻璃纖維或極細(xì)的石英玻璃做傳輸媒體，在使用時利用了光的全反射原理，光纖傳輸是利用激光二極管或發(fā)光二極管在通電后產(chǎn)生光脈沖信號，這些光脈沖信號經(jīng)檢測器在光纖中傳輸。,光纖的分類,單模光纖：光源是一個激光二極管，產(chǎn)生的單色的光，這時光纖應(yīng)是足夠的細(xì)，光在光纖以直線傳播 多模光纖：光源是一個發(fā)光的二極管，產(chǎn)生的是復(fù)色光，光在光纖中以全反射的原理。,單模與多模光纖對比,光纖施