ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、第第2章章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)n2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念n2.2 數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼n2.3 傳輸模式n2.4 多路復(fù)用技術(shù)n2.5 差錯控制與校驗n2.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù)ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)22.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念n數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)：從事物的屬性來看，數(shù)據(jù)就是把事物的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)兩種。信號：在數(shù)據(jù)通信中，信號是數(shù)據(jù)的載體，一般為電磁波或電脈沖。信號又可分為模擬信號（Analog Signal）和數(shù)字信號（Digital Signal）兩種。3ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的基本概念n信源、信宿與信道數(shù)據(jù)通信中，產(chǎn)生和發(fā)送信

2、號的一端叫信源，接收信號的一端叫信宿。傳遞信號的通信線路稱為信道?！拔锢硇诺馈保菏侵赣脕韨魉托盘柕膶崒嵲谠诘奈锢硗?，它由傳輸介質(zhì)以及相應(yīng)的通信設(shè)備組成?！斑壿嬓诺馈保菏峭ㄟ^一些通信技術(shù)和手段，將一條物理信道劃分為多個邏輯上的信道，以實現(xiàn)多個不同信源與信宿之間的通信，相互之間互不干擾。4ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的基本概念n誤碼率誤碼率是指信號在傳送過程中的錯誤率，它是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作狀況下，表示傳輸可靠性的指標。在計算機網(wǎng)絡(luò)通信中，通常要求誤碼率低于10-6。5ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的基本概念n帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率在模擬信道中，人們一般采用“帶寬”來表示信道傳輸信息的能力，即

3、有效傳送信號的最高頻率與最低頻率之差，單位為Hz、kHz、MHz或GHz。例如，電話信道的帶寬為300Hz3 400Hz。在數(shù)字信道中，人們通常用“數(shù)據(jù)傳輸速率”表示信道傳輸信號的能力，即每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為b/s、kb/s、Mb/s或Gb/s。例如普通電話調(diào)制解調(diào)器的傳輸速率有14.4kb/s、28.8kb/s或56kb/s等。6ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信舉例聲音聲音A/DD/A傳統(tǒng)電話系統(tǒng)傳統(tǒng)電話系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號信號傳輸傳輸信號信號數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信源信源信宿信宿GWGWIP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)2.2 數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼n為了將數(shù)據(jù)進行傳輸，首先要將數(shù)據(jù)編碼成適合傳輸?shù)母袷?。對于?shù)字通信系統(tǒng)而言，進行數(shù)據(jù)

4、的傳輸主要涉及到數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼形式；模擬信號的處理給數(shù)據(jù)通信添加了復(fù)雜性。為了通過電話網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，我們需要一種能夠?qū)?shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（調(diào)制，Modulation）的設(shè)備和一種能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（解調(diào)，Demodulation）的設(shè)備，以方便數(shù)字數(shù)據(jù)通過電話系統(tǒng)進行傳輸。8ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼n數(shù)字信號和數(shù)位化編碼的數(shù)字數(shù)據(jù)之間存在著自然的聯(lián)系。數(shù)字數(shù)據(jù)表現(xiàn)為0和1的序列。數(shù)字信號表現(xiàn)為“高電平”和“低電平”的組合。因此，可以將0和1通過某種形式與“高電平”和“低電平”形成一種有效的對應(yīng)關(guān)系。這種對應(yīng)關(guān)系就稱為數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼。不歸零法

5、編碼不歸零法編碼曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼9ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)不歸零法編碼不歸零法編碼n不歸零法（Nonreturn to Zero, NRZ）可能是最簡單的一種編碼方案。它傳送一個0時把電壓升高，而傳送一個1時則使用低電平。這樣，通過在高低電平之間作相應(yīng)的變換來傳送0和1的任何序列。NRZ指的是在一個比特位的傳送時間內(nèi)，電壓是保持不變的（比如說，不回到零點）。10ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼n曼徹斯特編碼（Manchester Code）用信號的變化來保持發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的同步。為了避免時鐘不同步的情況，它用電壓的變化來分辨0和1，從

6、高電平到低電平的跳變代表1，而從低電平到高電平的跳變代表0。n優(yōu)點：信號的保持不會超過一個比特位的時間間隔。即使是0或1的序列，信號也將在每個時間間隔的中間發(fā)生跳變。這種跳變將允許接收設(shè)備的時鐘與發(fā)送設(shè)備的時鐘保持一致。n缺點：需要雙倍的帶寬。即，信號跳變的頻率是NRZ編碼的兩倍。11ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼n曼徹斯特編碼的一個變形稱為差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Encoding）。和曼徹斯特編碼一樣，在每個比特時間間隔的中間，信號都會發(fā)生跳變。區(qū)別在于每個時間間隔的開始處。0將使信號在時間間隔的開始處發(fā)生跳變。而1將使信號保

7、持它在前一個時間間隔尾部的取值。n通過檢查每個時間間隔開始處信號有無跳變來區(qū)分0和1。檢測跳變通常更加可靠，特別是線路上有噪音干擾的時候。如果有人把連接的導(dǎo)線顛倒了，也就是把高低電平顛倒了，這種編碼仍然是有效的。12ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)碼串101100的不同編碼形式13ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1 0 1 1 0 0 高H 低L “1”高電平 “0”低電平 中間跳 “0”上跳 “1”下跳 中間總有跳變 “0”開頭跳 高H 低L 高H 低L （a）不歸零制編碼 （b）曼徹斯特編碼 （c）差分曼徹斯特編碼 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼n為了將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過調(diào)制振幅、頻率和相位等載波特性或者這

8、些特性的某種組合，來實現(xiàn)對數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼和傳輸，也稱為頻帶傳輸，以區(qū)別于前面的采用數(shù)字信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的基帶傳輸。n數(shù)字數(shù)據(jù)到模擬信號的調(diào)制方式主要有以下三種：幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying），又稱為調(diào)幅；頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-Shift Keying），又稱為調(diào)頻；相移鍵控方式（PSK，Phase-Shift Keying），又稱為調(diào)相；14ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)字串010011100的三種調(diào)制方式15ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼n模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼是將連續(xù)的信號波形用有限個離散（不連續(xù)）的值近似代替的過程。其中最常見

9、的方法是脈沖編碼調(diào)制（PCM，Pulse Code Modulation）技術(shù)。nPCM基本步驟是：采樣，將原波形的時間坐標離散化，得到一系列的樣本值；量化，對采樣得到的樣本值按量級分級并取整；編碼，將分級并取整的樣本值轉(zhuǎn)換為二進制（0,1）碼。nPCM最初并不是用來傳送計算機數(shù)據(jù)的，采用它是為了解決電話局之間中繼線不夠，使一條中繼線不只傳送一路而是可以傳送幾十路電話。16ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)波形的采樣與量化 2.3 傳輸模式n傳輸模式（Transmission Mode）定義了比特組合從一個設(shè)備傳到另一個設(shè)備的方式。它還定義了比特是否可以同時在兩個方向上傳輸，還是設(shè)備必須輪流地發(fā)送和接收信

10、息。18ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)串行和并行傳輸n并行傳輸指可以同時傳輸一組比特，每個比特使用單獨的一條線路（導(dǎo)線）。并行傳輸非常普遍，特別是用于兩個短距離的設(shè)備之間。最常見的例子是計算機和外圍設(shè)備之間的通信。其他的例子還包括C P U、存儲器模塊和設(shè)備控制器之間的通信。n串行傳輸只使用一條線路，逐個地傳送所有的比特。它比較便宜，用在長距離連接中也比并行傳輸更加便宜和可靠。因為它每次只能發(fā)送一個比特位，所以其速度也比較慢。19ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)異步與同步通信n兩種提供串行通信的方法異步傳輸：將字符作為一個獨立的傳送單元；同步傳輸：將一塊字符作為傳送單元（通常稱為一幀）；20ch02 數(shù)據(jù)通信基

11、礎(chǔ)異步傳輸：數(shù)字1、2、3的NRZ編碼21ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)同步傳輸方式n通常又可分為位同步和字符同步兩種：字符同步：面向字符的同步協(xié)議典型代表是IBM的二進同步通信BSC協(xié)議。BSC協(xié)議用ASCII和EBCDIC字符集定義的傳輸控制字符來實現(xiàn)鏈路建立、數(shù)據(jù)傳輸和鏈路拆除的功能。位同步：典型代表是ISO的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC協(xié)議，HDLC以特殊位串作為一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；通過“0比特插入法”以實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的透明傳輸。22ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)單工、雙工和全雙工通信n從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：（1）單工通信：即只能有一個方向的通信，而沒有反方向的交互。

12、無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）半雙工通信：即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但同一個時刻只限于一個方向傳輸。如對講機就是以這種方式通信的。（3）全雙工通信：即通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息。這種方式適合于計算機與計算機之間的通信。23ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.4 多路復(fù)用技術(shù)n多路復(fù)用是指將多路信號組合在一條物理信道上進行傳輸，到接收端再用專門的設(shè)備將各路信號分離出來，多路復(fù)用可以極大地提高通信線路的利用率。n多路復(fù)用技術(shù)包括：頻分多路復(fù)用（FDM）時分多路復(fù)用（TDM）波分多路復(fù)用（WDM）碼分多址（CDMA）24ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)頻分多路復(fù)用技術(shù)n將信道的可用頻帶(

13、帶寬)按頻率分割為若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中一個頻段，從而形成許多個子信道；在接收端用適當?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進行解調(diào)和終端處理，這種技術(shù)稱為頻分多路復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing）。n典型例子：電視，廣播25ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)可用頻段頻率時間子信道A子信道B子信道C子信道D圖2.24 FDM子信道示意圖時分多路復(fù)用技術(shù)n時分多路復(fù)用技術(shù)(TDM)是將傳輸時間劃分為許多個短的互不重疊的時隙，而將若干個時隙組成一幀，每幀中某一固定序號的時隙構(gòu)成一個子信道。對于TDM，時隙長度越短，則每幀中所包含的時隙數(shù)就越多，所容納的用戶數(shù)也就

14、越多，其原理如圖所示。n TDM的典型例子：電話系統(tǒng)。26ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)可用頻段頻率時間AB C DAB C D AB C DAB C D組成子信道A的時隙幀TDM舉例：用戶本地電話系統(tǒng)1 0 1 0 0 1 1 0 024 1 1 0 0 1 0 0 1編編碼碼解解碼碼器器時時分分復(fù)復(fù)用用器器至主干至主干T1載波載波電話端局電話端局PCM模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號fs= 8KHz波分多路復(fù)用技術(shù)n在光通信領(lǐng)域，人們習(xí)慣按波長而不是按頻率來命名。因此，波分復(fù)用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）本質(zhì)上也是頻分復(fù)用。WDM是在1根光纖上承載多

15、個波長（信道）系統(tǒng)，將1根光纖轉(zhuǎn)換為多條“虛擬”纖，當然每條虛擬纖獨立工作在不同波長上，這樣極大地提高了光纖的傳輸容量。28ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)碼分多路復(fù)用n碼分多路復(fù)用（CDMA，Code Division Multiplexing Access）是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復(fù)用方式。這種技術(shù)多用于移動通信，不同的移動臺（或手機）可以使用同一個頻率，但是每個移動臺（或手機）都被分配帶有一個獨特的“碼序列”，該序列碼與所有別的“碼序列”都不相同，所以各個用戶相互之間也沒有干擾。因為是靠不同的“碼序列”來區(qū)分不同的移動臺（或手機），所以叫做“碼分多址”（CDMA）技術(shù)。29ch02

16、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)碼分多路復(fù)用-CDMA2.5 差錯控制與校驗n通信過程中出現(xiàn)差錯可大致分為兩類：一類是由熱噪聲引起的隨機錯誤；另一類是由沖擊噪聲引起的突發(fā)錯誤。n為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗碼元，在接收端利用同一規(guī)則進行相應(yīng)的譯碼，通過譯碼結(jié)果來發(fā)現(xiàn)差錯或糾正差錯。32ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)m位位r位位n位碼字（位碼字（ n = m + r ）數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位冗余（校驗）位冗余（校驗）位0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0奇偶校驗n奇偶校驗碼是一

17、種最簡單也是最基本的檢錯碼，一維奇偶校驗碼的編碼規(guī)則是把信息碼元先分組，在每組最后加一位校驗碼元，使該碼中1的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)時稱為奇校驗碼，偶數(shù)時稱為偶校驗碼。33ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)傳輸差錯傳輸差錯例：例： 偶校驗檢測編碼偶校驗檢測編碼 數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位 校驗位校驗位 異或異或1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 發(fā)送發(fā)送1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 接收接收校驗結(jié)果校驗結(jié)果二維奇偶校驗編碼糾一位錯n將一批數(shù)據(jù)排成二維結(jié)構(gòu)，先按行進行奇偶校驗編碼，然后再按列進行奇偶校驗編碼，這樣，當這批數(shù)據(jù)中發(fā)生一位錯時，根據(jù)行和列的校驗結(jié)果就可以定位出是哪一位錯了，從而可糾正該位的錯誤。

18、糾錯的方法很簡單，因為數(shù)據(jù)只可能是“0”和“1”中的一種，因此只需將錯誤碼的數(shù)據(jù)取反就得到了正確的數(shù)據(jù)。34ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n循環(huán)冗余校驗碼（CRC，Cyclic Redundancy Code）的基本原理是：在K位信息碼后再拼接R位的校驗碼，整個編碼長度為N位，因此，這種編碼又叫（N，K）碼。假設(shè)發(fā)送信息用信息多項式C(X)表示，將C(x)左移R位，則可表示成C(x)*2R，這樣C(x)的右邊就會空出R位，這就是校驗碼的位置。通過C(x)*2R除以生成多項式G(x)得到的余數(shù)就是校驗碼。35ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n1、多項式與二進制數(shù)碼、多項式與二進制數(shù)碼多項式

19、包括生成多項式G(x)和信息多項式C(x)。多項式和二進制數(shù)有直接對應(yīng)關(guān)系：x的最高冪次對應(yīng)二進制數(shù)的最高位，以下各位對應(yīng)多項式的各冪次，有此冪次項對應(yīng)1，無此冪次項對應(yīng)0。如生成多項式為G(x)=x4+x3+x+1，可轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)碼“11011”。而發(fā)送信息位“1111”，可轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)多項式為C(x)=x3+x2+x+1。36ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n2、生成多項式、生成多項式生成多項式是接受方和發(fā)送方的一個約定，也就是一個二進制數(shù)，在整個傳輸過程中，這個數(shù)始終保持不變。 在發(fā)送方,利用生成多項式對信息多項式做模2除生成校驗碼。在接受方利用生成多項式對收到的編碼多項式做模2除以檢

20、測和確定錯誤發(fā)生的位置。 一些常用的生成多項式： x3+x+1x3+x2+1x4+x3+x2+1 x4+x2+x+1x4+x+1x8+x7+x6+x4+1 x5+x2+1x10+x9+x8+x6+x5+x3+1 x6+x+1x12+x10+x5+x4+x2+1x16+x15+x2+137ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n3、模模2除（按位除）除（按位除）用除數(shù)對被除數(shù)最高幾位做模2減，沒有借位。 除數(shù)右移一位，若余數(shù)最高位為1，商為1，并對余數(shù)做模2減。若余數(shù)最高位為0，商為0，除數(shù)繼續(xù)右移一位。 一直做到余數(shù)的位數(shù)小于除數(shù)時，該余數(shù)就是最終余數(shù)。 38ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n4

21、、CRC碼的生成步驟碼的生成步驟將x的最高冪次為R的生成多項式G(x)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的R+1位二進制數(shù)。 將信息碼左移R位，相當與對應(yīng)的信息多項式C(x)*2R 用生成多項式（二進制數(shù)）對信息碼做模2除，得到R位的余數(shù)。 將余數(shù)拼到信息碼左移后空出的位置，得到完整的CRC碼。 39ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n【例】假設(shè)使用的生成多項式是G(x)=x3+x+1。4位的原始報文為1010，求編碼后的報文。n解：將生成多項式G(x)=x3+x+1轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進制除數(shù)“1011”。 因生成多項式有4位（R=3，所以R+1=4），要把原始報文C(x)左移3位變成“1010000”。用生成多項式對應(yīng)

22、的二進制數(shù)對左移4位后的原始報文進行模2除，得到余數(shù)“011”；編碼后的報文（CRC碼）為“1010011”。 40ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)循環(huán)冗余校驗n5、CRC的檢錯和糾錯的檢錯和糾錯 在接收端收到了CRC碼后用生成多項式為G(x)去做模2除，若得到余數(shù)為0，則碼字無誤。若如果有一位出錯，則余數(shù)不為0，而且不同位出錯，其余數(shù)也不同。余數(shù)與出錯位的對應(yīng)關(guān)系只與碼制及生成多項式有關(guān)，而與原始信息碼字無關(guān)。下表給出了G(x)1011，C(x)1010的出錯模式。41ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)G(x)1011，C(x)1010的出錯模式的出錯模式收到的收到的CRC碼字碼字余數(shù)余數(shù)出錯出錯位位碼位碼位A7

23、A6A5A4A3A2A1正確正確1010011000無錯誤錯誤10100100011101000101021010111100310110110114100001111051110011111600100111017ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)422.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù)n在大型網(wǎng)絡(luò)中，為了實現(xiàn)設(shè)備間的通信，通常通過中間節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。這些節(jié)點并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，而是提供一個交換設(shè)備，使數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，直至到達目的地。 這些節(jié)點的互相連接形成了傳輸網(wǎng)絡(luò)，而終端就連接在網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點上。n傳輸網(wǎng)絡(luò)所采用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)通常有三種：電路交換報文交換分組交換43ch02 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)電路交換n電路交換（Circuit Switching）是指兩臺計算機或終端在相互通信時，獨占一條專用的通信線路。n電路交換方式的通信包括三個步驟：通信前進行線路建立；通信中的數(shù)據(jù)傳送；通信結(jié)束時