數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)課件

1、 第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1概述2.1.1 信息、數(shù)據(jù)、信號概念信息:通信的目的是為了交換信息。信息就是消息中表達的內(nèi)容，信息的載體可以包含語音、圖形、圖像、文字和數(shù)字等。數(shù)據(jù)（Data）:數(shù)據(jù)通信是指在不同計算機之間傳送表示信息的二進制代碼0和1比特序列的過程。被傳輸?shù)亩M制代碼稱為數(shù)據(jù)，它是傳遞信息的載體。信號 信號（Signal）是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表示形式。信號種類：模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個值數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值模擬信號和數(shù)字信號例： A在鍵盤輸入了字母SUN,計算機將01010011，01010101，01001110傳給了Modem

2、,解釋圖中的信息、數(shù)據(jù)、編碼、信號各是什么。B得到了什么？2.1.2通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)的三個基本要素：信源是產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端 信道是信息傳輸?shù)慕橘|(zhì) 信宿是接受信息的一端數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的實例2.1.3數(shù)據(jù)的傳輸方式 1、并行傳輸 數(shù)據(jù)以成組的方式在多條并行信道上同時進行傳輸。 方式：將構(gòu)成1個字符代碼的幾位二進制比特分別通過幾個并行的信道同時傳輸，另外加一條信道傳送控制信號即”選通”脈沖,它在數(shù)據(jù)信號發(fā)出之后傳送,用以通知接收設(shè)備所有的位已經(jīng)發(fā)送完畢,可對各條信道上的信號進行取樣了.如圖:并行傳輸中一次傳送8個比特。 優(yōu)缺點：速度快，但發(fā)送端與接收端之間有若干條線路，費用高，僅適

3、合于近距離和高速率的通信。2、串行傳輸 組成字符的若干位二進制碼排列成數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上傳輸。 優(yōu)缺點：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。2.1.4數(shù)據(jù)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。例如，無線電廣播和電視都屬于單工通信。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行。當改變

4、傳輸方向時，要通過開關(guān)裝置進行切換。(對講機) 3. 全雙工通信 全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向進行雙向傳輸。 例如，現(xiàn)實生活中的電話機通話就是一個全雙工的通信過程。單工、半雙工與全雙工通信綜合比較通信方式傳輸方向信道個數(shù)收發(fā)方的限制優(yōu)缺點應(yīng)用單工固定單向1一方只能發(fā)送，一方只能接收結(jié)構(gòu)簡單、效率低、只能單向傳輸信息廣播、電視半雙工限時雙向2 通信雙方在不同時刻可分別發(fā)送或接收信息效率低對講機等全雙工雙向2通信雙方在同一時刻既可發(fā)送信息又可接收信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、性能最好計算機之間不歸零碼(NRZ，Non-Return to Zero) 用兩個電平來表示兩個二進制數(shù)字；用高電平（

5、正電壓）表示1，用低電平（負電壓）表示0。曼徹斯特編碼 用電壓的變化表示0和1。 規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變： 高 低的跳變1，低高的跳變0 每個碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號，使接收端的時鐘與發(fā)送設(shè)備的時鐘保持一致。差分曼徹斯特編碼 與曼徹斯特編碼相同，在每個碼元的中間，信號都會發(fā)生跳變；不同之處在于： 用在碼元開始處有無跳變來表示0和1 ： 碼元開始處有跳變0 碼元開始處無跳變12.2.1數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號編碼三種數(shù)字編碼的波形圖2.2.2 傳輸信道信道的概念 信號的傳輸通道。 1、物理實線傳輸信道雙絞線（非屏蔽雙絞線（UTP）、屏蔽雙絞線（STP）同軸電纜光

6、纖無線、衛(wèi)星通信雙絞線局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有非屏蔽 (Unshielded Twisted Pair, UTP) 和屏蔽 (Shielded Twisted Pair, STP) 之分。 屏蔽雙絞線由于它較好的性能價格比，目前被廣泛使用。屏蔽雙絞線用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾千米， 非屏蔽雙絞線的傳輸距離一般為100m。屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹，以減小輻射，但并不能完全消除輻射。雙絞線(TP,twisted pair wire)是最常用的一種傳輸介質(zhì),它由兩根具有絕緣保護層的銅導(dǎo)線組成。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會被另一根導(dǎo)線上發(fā)送

7、的電波抵消，這樣就降低了信號干擾的程度內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽（非屏蔽雙絞線沒有）外套雙絞線局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有非屏蔽 (Unshielded Twisted Pair, UTP) 和屏蔽 (Shielded Twisted Pair, STP) 之分。 屏蔽雙絞線由于它較好的性能價格比，目前被廣泛使用。屏蔽雙絞線用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾千米， 非屏蔽雙絞線的傳輸距離一般為100m。屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹，以減小輻射，但并不能完全消除輻射。局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有非屏蔽 (Unshielded Twisted Pair, UTP) 和屏蔽 (Shielded T

8、wisted Pair, STP) 之分。屏蔽雙絞線由于它較好的性能價格比，目前被廣泛使用。屏蔽雙絞線用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾千米，非屏蔽雙絞線的傳輸距離一般為100m。屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹，以減小輻射，但并不能完全消除輻射。屏蔽雙絞線(STP) 非屏蔽雙絞線(UTP)用鋁箔屏蔽，以減少干擾和串音，應(yīng)用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應(yīng)用廣泛常用的雙絞線：3類（16Mb/s） 和5類（155Mb/s）兩種非屏蔽雙絞線（UTP）優(yōu)點：尺寸小、重量輕、易彎曲價格便宜容易安裝和維護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分類： 3類線、4類線、5類線和超5類線

9、UTP非常適合于樓宇內(nèi)部的結(jié)構(gòu)化布線屏蔽雙絞線（STP）優(yōu)點：傳輸質(zhì)量較高電纜尺寸和重量與UTP相當缺點：安裝不合適有可能引入外界干擾2. 同軸電纜 同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層以及保護塑料外層所組成，如圖所示。 圖 【同軸電纜】 優(yōu)點： 傳輸距離較遠，覆蓋的地域范圍較大 技術(shù)非常成熟缺點： 電纜硬，折曲困難，重量重局域網(wǎng)中使用同軸電纜： 粗同軸電纜：特征阻抗50，直徑1cm 細同軸電纜：特征阻抗50，直徑0.5cm 同軸電纜不適合用于樓宇內(nèi)的結(jié)構(gòu)化布線同軸電纜 基帶同軸電纜的特性阻抗為50，僅用于傳輸數(shù)字信號，并使用曼徹斯特編碼方式和基帶傳輸方式，即直接把數(shù)字信號

10、送到傳輸介質(zhì)上，無需經(jīng)過調(diào)制，故把這種電纜稱為基帶同軸電纜。 基帶同軸電纜 寬帶同軸電纜的特性阻抗為75，寬可達300500MHz，用于傳輸模擬信號。它是公用天線電視系統(tǒng)CATV中的標準傳輸電纜，目前在有線電視中廣為采用。在這種電纜上傳送的信號采用了頻分多路復(fù)用的寬帶信號，故75同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。 寬帶同軸電纜2.2.2傳輸信道2、電話網(wǎng)傳輸信道 通過用于傳輸話音信號的電話網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)信號。 話音的頻帶范圍是300HZ3400HZ，是屬于帶通型 信號。3、數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸信道 采用PCM（pulse code modulation）信道作為數(shù)據(jù)信號傳輸信道，將多個低速數(shù)據(jù)終端輸出的信號經(jīng)時

11、分多路復(fù)用集中合成到64Kb/s速率，然后直接以數(shù)字方式合入到PCM系統(tǒng)，最后復(fù)用到2.048Mb/s在數(shù)字線路上傳輸2.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式1、基帶傳輸：傳輸0或1數(shù)字信號，常用于短距離數(shù)據(jù)傳輸基帶：計算機或終端的數(shù)字信號都是二進制序列，它是一種矩形脈沖信號，這種矩形脈沖信號稱為基帶信號。 2、頻帶傳輸傳輸模擬信號，常用于遠距離通信將基帶信號變換（調(diào)制）成能在模擬信道中傳輸?shù)哪M信號（頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。3、數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸 在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號 通過對語音信號進行PCM處理后的數(shù)字化語音信號經(jīng)多路合成變 成更高速率的數(shù)字信號后經(jīng)各種傳輸系統(tǒng)傳輸。2.3差錯控制技術(shù)1

12、、基本概念差錯:誤碼噪聲2、差錯控制編碼奇偶校驗碼、漢明碼3、差錯控制方法檢錯重發(fā)、前向糾錯、混合糾錯檢錯、信息反饋2.4 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 圖 【交換通信子網(wǎng)】 圖中，若H1與H5通信，則A與E分別稱源結(jié)點與宿結(jié)點。通信子網(wǎng)必須能為所有進網(wǎng)的數(shù)據(jù)流提供從源結(jié)點到宿結(jié)點的通路，而實現(xiàn)這種數(shù)據(jù)通路的技術(shù)就稱為數(shù)據(jù)交換技術(shù)，或數(shù)據(jù)交換方式。 2.4數(shù)據(jù)交換1、電路交換：類似于電話系統(tǒng)。兩臺計算機在數(shù)據(jù)傳輸期間使用一條實際的物理鏈路，并在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前，通信雙方自始至終占有該條線路。電路交換的過程分為三個階段：鏈路建立、數(shù)據(jù)傳輸和鏈路釋放電路交換的最大特點是物理鏈路的獨占性，適用于遠程批處理文件傳遞，

13、數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，傳輸延遲少；但線路的利用率低、建立鏈路的時間長。電路交換適用于電話通信系統(tǒng)，但不適用于計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。2.4數(shù)據(jù)交換2、報文交換：每一個報文由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和報頭組成，報頭中有源地址和目標地址。節(jié)點根據(jù)報頭中的目標地址為報文進行路徑選擇。并且對收發(fā)的報文進行相應(yīng)的處理。2.4數(shù)據(jù)交換 2、報文交換方式整個報文作為一個整體一起發(fā)送。在交換過程中，交換設(shè)備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一級一級中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為存儲-轉(zhuǎn)發(fā)。缺點：1）報文大小不一，造成緩沖區(qū)管理復(fù)雜。2）大報文造成存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時過長；3）出錯后整個報文全部重發(fā)。2.4數(shù)據(jù)交

14、換3、分組交換：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)。采用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”和“分組-組裝”的數(shù)據(jù)傳輸機制，它把數(shù)據(jù)分為并形成固定長度的分組，傳輸給交換設(shè)備交換設(shè)備在接受到分組后，如果所需要的輸出線路暫不空閑，則將數(shù)據(jù)分組存儲起來，待輸出線路空閑時，再將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)出去。 2.4數(shù)據(jù)交換 3、分組交換方工式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)。優(yōu)點：1）存儲量要求較小，可以用內(nèi)存來緩沖分組速度快；2）轉(zhuǎn)發(fā)延時小適用于交互式通信；3）某個分組出錯僅重發(fā)該分組效率高；4）各分組可通過不同路徑傳輸，可靠性高。特點：1）數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路。

15、2）有強大的糾錯機制、流量控制和路由選擇功能。2.4數(shù)據(jù)交換 交換網(wǎng)把對進網(wǎng)的任一個分組都當作單獨的“小報文”來處理，而不管它是屬于哪個報文的分組，就像在報文交換方式中把一份報文進行單獨處理一樣。這種單獨處理和傳輸單元的“小報文”或“分組”，即稱為數(shù)據(jù)報。這種分組交換方式稱為數(shù)據(jù)報傳輸分組交換方式。 1、 數(shù)據(jù)報傳輸分組交換 數(shù)據(jù)報和虛電路（分組傳輸方式）2.4數(shù)據(jù)交換 2、虛線路傳輸分組交換 類似前述的線路交換方式，報文的源發(fā)站在發(fā)送報文之前，通過類似于呼叫的過程使交換網(wǎng)建立一條通往目的站的邏輯通路。然后，一個報文的所有分組都沿著這條通路進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，不允許結(jié)點對任一個分組做單獨的處理和另選

16、路徑。上述這種分組交換方式稱為虛線路傳輸分組交換方式。為建立虛線路的呼叫過程稱為虛呼叫，通過虛呼叫建立起來的邏輯通路稱為虛擬線路，簡稱虛線路或虛通路。 2.5數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要性通指標1、數(shù)據(jù)通信速率（傳輸速率） 指數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣?。有兩種：碼元速率和信息速率。 碼元（Code cell）：時間軸上的一個信號編碼單元。 1）碼元速率RB（調(diào)制速率）：每秒鐘傳送的碼元數(shù)，單位為波特/秒（Baud/s），又稱為波特率。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，每一個離散值就是一個碼元。 2）信息速率Rb：每秒鐘傳送的信息量，單位為比特/秒（bit/s），又稱為比特率。 一般來說，對于采

17、用M進制信號傳輸信號時，信息速率和碼元速率之間的關(guān)系是： RbRBlog2M 例如：當波特率為9600時, 若M=2，數(shù)據(jù)傳輸率為9600b/s 若M=16，數(shù)據(jù)傳輸率為4*9600=38.4kb/s 二進制傳輸中，信息速率與碼元速率相等。2、誤碼率和誤比特率 誤碼率是指碼元在傳輸過程中，錯誤碼元占總傳輸碼元的概率。 1）誤碼率Pe 傳輸出錯的碼元數(shù)/傳輸?shù)目偞a元數(shù) 2）誤比特率Pb 傳輸出錯的比特數(shù)/傳輸?shù)目偙忍財?shù) 在二進制傳輸中，誤碼率也稱為誤比特率。3、信道帶寬與信道容量 1）信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（Hz）表示。 信道帶寬是由信道的物理特性所決定