第2章數據通信基礎

第2章數據通信基礎

【本章內容簡介】數據通信是計算機網絡的基礎知識。本章系統(tǒng)的介紹數據通信的基本概念、數據編碼與傳輸技術、通信的傳輸介質及特性以及數據交換技術、多路復用技術、數據壓縮技術以及差錯控制技術。

【本章重點難點】重點掌握數據通信系統(tǒng)的概念及模型，數據編碼及傳輸技術的類型以及數據交換技術。2.1數據通信系統(tǒng)

2.1.1概念與模型1．通信系統(tǒng)模型有效而可靠地傳遞信息是所有通信系統(tǒng)的基本任務。實際應用中存在各種類型的通信系統(tǒng)，它們在具體的功能和結構上各不相同，點與點之間建立的通信系統(tǒng)是通信的最基本形式，其模型如圖2-1所示。圖2-1通信系統(tǒng)的模型

2.1.1概念與模型2．數據通信系統(tǒng)模型數據通信系統(tǒng)是通過數據電路將分布在遠地的數據終端設備與計算機系統(tǒng)連接起來，實現數據傳輸、交換、存儲和處理的系統(tǒng)。從計算機網絡的角度看，數據通信系統(tǒng)是把數據源計算機所產生的數據迅速、可靠、準確地傳輸到數據宿（目的）計算機或專用外設。圖2-2數據通信系統(tǒng)模型2.1.2數據通信方式1．按照數字信號排列順序分類數據在信道上傳輸有兩種基本的通信方式一種是串行通信，另一種是并行通信，如圖2-3所示。圖2-3串行、并行通信方式2.1.2數據通信方式2．按照消息傳遞的方向與時間的關系分類

數據數據發(fā)端收端發(fā)端收端發(fā)端發(fā)端收端收端發(fā)端收端（a）全雙工通信（b）半雙工通信

（c）單工通信

2.1.3數據通信系統(tǒng)的主要技術指標1．數據傳輸速率

(1)波特率RB也稱調制速率，以波形每秒的振蕩數來衡量。如果數據不壓縮，波特率等于每秒鐘傳輸的數據位數，如果數據進行了壓縮，那么每秒鐘傳輸的數據位數通常大于調制速率。在信息傳輸通道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元，單位時間內通過信道傳輸的碼元數目稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率。單位是“波特”(Baud)，記為B。波特率與碼元長度有關：

（2-1）2.1.3數據通信系統(tǒng)的主要技術指標(2)比特率Rb比特率又稱為信息傳輸速率。它表示單位時間內傳遞的平均信息量或比特數。比特率單位是比特/秒，記為bit/s、b/s或bps。每個碼元或符號都含有一定bit的信息量，因此比特率和波特率之間有確定的關系：

（2-2）2.1數據通信系統(tǒng)

【例2-1】設某信息源以每秒2000個符號的速率發(fā)送信息，信息源由A,B,C,D,E五個信息符號組成，發(fā)送A的概率為1/2，發(fā)送其他符號的概率相同，設每一個符號出現是相互獨立的。求信息源的比特率？

解：每秒發(fā)送2000個符號，說明波特率RB=2000B。由已知條件得則每一個符號的信息源的熵則信源的比特率為2.1.3數據通信系統(tǒng)的主要技術指標

2．差錯率

（l）碼元差錯率Pe簡稱誤碼率，是指發(fā)生差錯的碼元數在傳輸總碼元數中所占的比例，也就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。誤碼率是最常用的數據通信傳輸質量指標，它表示數字系統(tǒng)傳輸中是“在多少位數據中出現一位差錯”。碼元差錯率用表達式可表示成：

（2-3）

2.1.3數據通信系統(tǒng)的主要技術指標

（2）信息差錯率Pb

簡稱誤信率，是指發(fā)生差錯的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，在二進制傳輸中，碼元差錯率即是比特差錯率，即Pe=Pb，而在多進制傳輸中可由碼元差錯率求出比特差錯率。信息差錯率用表達式可表示成：

(2-4)2.1.3數據通信系統(tǒng)的主要技術指標

3.信道容量

信道中平均每個符號所能傳送的信息量為信息傳輸速率，如果對于一個固定信道，總存在一種信源，使傳輸的每個符號平均獲得的信息量最大，這就是最大的信息傳輸速率，這個最大的信息傳輸速率就是信道容量。單位為bit/s，代表每秒能傳送的最大信息量，凡是小于這個信息量的數據必能在此信道中無錯誤地傳輸。因此，信道容量是衡量信道傳輸數據能力的極限值。2.1數據通信系統(tǒng)

【例2-2】音頻電話連接支持的帶寬B=3KHz，而一般鏈路典型的信噪比是30dB，求電話線的數據傳輸速率即信道容量。解：信噪比30dB，即S/N=1000

，

所以電話線的信道容量為30kbps，2.1.3數據通信系統(tǒng)的主要技術指標

4.帶寬（Bandwidth）

帶寬從通信線路所能傳送數據的能力角度出發(fā)指的是數據傳輸率，譬如內存帶寬、總線帶寬、網絡帶寬等等，都是以“字節(jié)/秒”為單位。以計算機系統(tǒng)中總線為例，總線的作用就是承擔所有數據傳輸的職責，各個子系統(tǒng)間都必須籍由總線才能通信。2.2數據編碼與數據傳輸2.2.1數字數據的數字傳輸1．單極性歸零碼2．單極性不歸零碼3．雙極性歸零碼4．雙極性不歸零碼5．曼徹斯特碼6．差分曼徹斯特碼2.2.2模擬數據的數字傳輸 圖2-12模擬信號的數字傳輸模擬信號數字化過程主要包括三個步驟：抽樣、量化、編碼，如圖2-12所示。2.2數據編碼與數據傳輸【例2-3】一路電話信號的頻帶為300～3400Hz，則抽樣頻率應該是什么樣的范圍？

解：由題意得fH=3400Hz，因為電話信號屬于低通信號，故用低通抽樣定理滿足要求，即fS≥2fH=2×3400=6800Hz，所以按照6800Hz的抽樣頻率對300～3400Hz的電話信號抽樣，則可以不失真地還原成原來的話音信號。2.2.3數字數據的模擬傳輸1．振幅鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK）2．移頻鍵控（frequency-shiftkeying，FSK）3．移相鍵控（phase-shiftkeying，PSK）2.2.4數據同步與異步傳輸1．異步傳輸（AsynchronousTransmission）2．同步傳輸（SynchronousTransmission）2.3傳輸介質及特性2.3.1有線傳輸介質雙絞線（TwistedPair）（1）屏蔽雙絞線

（2）非屏蔽雙絞線2.3傳輸介質及特性2.3.1有線傳輸介質同軸電纜（CoaxialCable）

內導體絕緣材料外導體絕緣套2.3傳輸介質及特性2.3.1有線傳輸介質光纖（FiberOpticalCable）

2.3.2無線傳輸介質1．微波通信（1）地面微波（2）衛(wèi)星微波2．紅外通信3．激光通信

2.4數據交換技術2.4.1電路交換電路交換是源于傳統(tǒng)的電話交換原理發(fā)展而成的一種交換方式，它的基本處理過程包括呼叫建立、通話（信息傳送）、連接釋放三個階段。

圖2-24電路交換2.4.2報文交換報文交換是以報文為數據交換的單位，報文中含有目標節(jié)點的地址，完整的報文在網絡中一站一站地向前傳送。報文交換的一般信息格式如圖2-25所示。圖2-25報文交換的信息格式2.4.3分組交換

報文分組交換是報文交換的一種改進，它采用了較短的格式化的信息單位，稱為報文分組，將報文分成若干個分組，每個分組規(guī)定了最大長度，有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內存中，提高了交換速度。報文分組交換有虛電路分組交換和數據報分組交換兩種，它是計算機網絡中使用最廣泛的一種交換技術。圖2-26虛電路分組交換圖2-27數據報分組交換2.4.4其它數據交換技術1．ATM交換技術2．光交換3．多協(xié)議標記交換4．軟交換2.5多路復用技術2.5.1頻分多路復用

頻分多路復用是指將幾路基帶信號以不同的載波頻率進行調制，再進行疊加形成一個復合信號在一條物理信道上傳輸的方法稱為頻分多路復用。圖2-29頻分多路復用方式2.5.2時分多路復用

時分多路復用是按傳輸信號的時間進行分割的，它使不同的信號在不同的時間內傳送，將整個傳輸時間分為許多時隙，每個時間片被一路信號占用。圖2-30時分多路復用2.5.3碼分多路復用

碼分多路復用是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術結合產生了各種接入技術，包括無線接入和有線接入。圖2-31CDMA示意圖2.5.4波分多路復用

波分多路復用與頻分復用技術類似，將光纖信道劃分為多個波段，在同一時刻進行多路傳送的復用技術。圖2-32光纖獲得波分多路復用2.6.1音頻壓縮技術

音頻壓縮技術是指對原始音頻信號流運用適當的數字信號處理技術，在不損失有用信息量，或者損失可忽略的條件下，壓縮其碼率，也稱為壓縮編碼。它具有相應的逆變換，稱為解壓縮或解碼。通常把信息速率低于64kb/s的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術。2.6數據壓縮技術2.6.2視頻壓縮技術

視頻信號數字化后數據量大，這對于視頻信號的傳輸、存儲等處理帶來很大困難。視頻圖像數據有極強的相關性，也就是說有大量的冗余信息，壓縮技術就是將數據中的冗余信息去掉，采用壓縮技術以后通常數據帶寬會下降，這樣就可以將視頻信號保存在計算機中并作相應的處理。2.7差錯控制技術2.7.1差錯產生原因

數字通信系統(tǒng)的基本任務是高效率而無差錯的傳送數據，與其它類型的通信相比，數據信息對差錯控制的要求較高，但在任何一種通信線路上都不可避免地存在一定程度的噪聲，將會使接收端的二進制位和發(fā)送端實際發(fā)送的二進制位不一致，造成信號傳輸差錯。2.7.2差錯控制方法

利用差錯控制編碼來進行差錯控制的方法基本上有三類，一類是自動請求重發(fā)（AutomaticRepeatreQuest，ARQ），另一類是前向糾錯（ForwardErro