单元2 网络数据通信基础,主讲：姚远耀,【知识目标】 1.理解数据通信的基本概念和技术指标 2.理解异步通信和同步通信的过程 3.理解数字（模拟）数据到数字（模拟）信号的编码过程 4.了解常用的数据交换技术和多路复用技术 5.理解多路复用技术 6.理解网络噪声干扰与差错控制技术 【能力目标】 1. 能够配置网络终端的基本通信参数 2.能够测试网络终端的网速状况教学目标,2.1数据通信基础,虚拟仪器采集到的信号,3,信息、数据和信号（信息与信号是否是同一概念？） 信息：是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识，是客观事物属性和相关特征的表征对人们有用的知识” 数据：是把事件的某些属性规范化后的表现形式，一般可以理解为“信息的数字化形式”它总是以某种媒体作为载体进行存储和传递 信号：是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述例如电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号等信号是以某种特性参数的变化来代表信息的”，可以是模拟的，也可以是数字的信息的传递依据信号的变化进行1.数据通信的基本概念,4,根据信号使用的特性参数的不同，分为：,数字信号： 当通信中的数据用离散的电信号表示时，就称为数字信号。
模拟信号： 当通信中的数据用连续载波表示时，就称为模拟信号5,2.数据在网络通信中的形式,频带传输：也称作模拟传输 放大器 噪声 传输距离受限 例如：线、广播 基带传输：也叫做数字传输，即传输信道上传输的是数字信号 转发器 多级转发不会积累噪声引起的失真 长距离传输 计算机网络重点解决数字数据的基带传输6,从数据到信号的编码,在数据通信中，由计算机产生的数字数据要经过编码成数字信号(而不是直接)才送入数字传输信道 为什么进行编码呢？ 未经编码的二进制基带数字信号就是高电平和低电平不断交替的信号至于是用高电平还是用低电平代表1或0则都是可以的使用这种基带信号的最大问题是当出现一长串的连续1或连续0时，在接收端中无法从收到的比特流中提取位同步信号7,数据到数字信号的编码,例如表示1011 0001的矩形波，若把比特持续时间缩短一半，就会读成1100111100000011，也就是接收方与发送方之间无法做到位同步8,解决方案,在网络传输中通常使用自同步的编码方法，所谓自同步就是接收方能够从传输的数据流中提取同步时钟，以达到与发送方同步的目的 经常使用的自同步技术： 曼彻斯特编码技术（以太网）：在每个比特间隙中间引入跳变来代表不同比特和同步信息： 负电平到正电平的跳变代表比特1；正电平到负电平的跳变则代表比特0；相反也是可以的。
差分曼彻斯特编码技术（令牌环网）：比特间隙中间的跳变用于携带同步信息，但是在比特间隙开始位置有一个附加的跳变用来表示不同比特； 即：开始位置有跳变代表比特0，没有则代表比特1；,9,曼彻斯特编码： 0：正到负； 1：负到正； 相反也是可以的 差分曼彻斯特编码： 0：比特之间有跳变； 1：比特之间没有跳变；,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方式的缺点是在每比特的持续时间内将可能出现多达两次跳变，意味着若要达到10Mbps的数据速率会使线路上信号状态每秒变化20M次,10,,11,数字数据到模拟信号编码,基本知识： 数字/模拟信号的转换是通过调制/解调技术实现的； 调制：将数字信号转换为模拟信号的过程； 解调：将从模拟信道获得的载波信号还原为数字信息； 调制器：以位串为输入，以调制后的载波为输出的硬件线路； 解调器：以载波为输入，以重建的二进制位串为输出的硬件线路； 调制解调器（modem）：调制器和解调器的组合；支持双工通信12,数字数据－模拟信号的编码,数字信号是通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的组合转换成模拟信号 最基本的调制方式有三种：ASK、FSK、PSK； 调幅（ASK）：载波振幅随基带数字信号而变化； “0”对应于无载波输出；“1”对应于有载波输出； 调频（FSK）：载波频率随基带数字信号而变化； “0”：频率较低的信号；“1”：频率较高的信号； 调相（PSK）：载波初始相位随基带数字信号而变化。
“0”：相位0o；“1”：相位180o；,13,,数字数据－模拟信号的编码,14,1. 通信系统模型,由发送器完成 变换具体指的是什么？举例说明,接收器,噪声会导致信号出现什么问题？,2.1.3 数据通信的传输过程,15,2.数据通信方式,数据通信中，按信号在传输介质中的传输方向，可分三种方式：单工、半双工、全双工16,3.异步与同步通信,数据通信的工作方式分为并行通信和串行通信两种 并行通信： 利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送； 特点：速度快，适用短距离通信； 串行通信： 利用一条传输线将数据一位位地顺序传送； 特点：线路简单（或电报线路），降低成本，远距离通信，传输速度慢；,17,异步与同步通信,数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位或每个字符的起始时间数据通信的同步方式分为两种：异步传输和同步传输串行通信方式： 在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，我们已经了解如何识别信息流中每一位的方法，但是有一个假定的前提条件，就是我们知道整个信息流的起始位置，例如，下图所示是接收端收到的曼彻斯特编码后的信号，如何识别是一串0还是一串1呢？,18,,异步与同步通信,同步： 接收端按发送端发送地每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且校对自己的时间，以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。
异步传输： 每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意；为了标志字节的开始和结尾，在每个字节的开始加一位起始位，结尾加1位或2位停止位，构成一个个的“字符”这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节19,异步传输,下图为字母A的代码（1000001）在异步方式时的传输结构,20,同步传输,同步传输不是对每个字符单独进行同步，而是对一个数据块进行同步 ； 同步的方法不是加一位起始/停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110，称为位同步)或同步字符(SYN，代码为0010110，称为字符同步)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆21,同步传输,同步通信规程有以下两种： 面向比特规程：以二进制位作为信息单位，现代计算机网络大多采用此类型规程，最典型的是高级数据链路控制规程HDLC,以二进制作为信息单位，以8位的标志F开始，也以标志F作后同步,面向比特（bit）型规程（HDLC）,22,同步传输,面向字符型规程： 以字符作为信息单位字符是EBCD码或ASCII码，典型代表是IBM公司的二进制同步控制规程BSC规程。
在使用面向比特的同步规程时，若在数字位串中出现了01111110时将使用比特填充的方法予以识别，例如要发送的数据位串是01101111110010111110100，进行位填充后为0110111110100101111100100,面向字符型规程（BSC）,23,同步传输,同步通信的优缺点： 优点：取消了每个字符的同步位，提高了效率，实现与大型机的通信； 缺点：软硬件费用太高；,24,2.2 数据通信的性能指标,调制速率与信息传输速率： 调制速率（信号传输速率或者波特率）： 定义：数字信号经过调制以后的传输速率，或者说是信号在调制过程中每秒钟其状态变化的次数，即单位时间内传输的波形数（或称每秒钟发送的码元数），单位为baud B=1/T 其中 T 表示单位脉冲宽度 我们可假定一个波形持续时间为833× 10-6 s， 则1秒钟可输出的波形数为1/( 833× 10-6) =1200个,25,信息传输速率： 又称比特率，指每秒能传输多少构成数据的位数； S=(log2N)/T，以位/秒为单位，简称bps，N表示码元有效状态个数； 若码元状态数=2（状态0和1），即1码元=1bit，比特率S=波特率B（仅值相等）； 若码元状态数=4（00、01、10、11），即1码元=2bit，则比特率＝2×波特率； 例子：一台四相调制解调器，单位脉冲T=833*10-6S，求调制速率和数据传输速率；,调制速率B=1/T=1/(833*10-6 )s=1200Baud 数据传输速率S=1/T(log2N)=1200*log24=2400bps,26,主要技术指标,码元与信息量： 数字信号由码元组成，码元是承载信息的基本信号单位。
比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元 一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一码元能携带2bit的信息 如图：,27,带宽和信道容量,带宽和信道容量： 带宽是指任何实际的模拟信道所能传输的信号范围信道容量即最大数据速率是受信道带宽制约的例如一路话频线路的带宽常为4kHz 对于这个问题，奈奎斯特和香农先后展开了研究，并从不同角度在不同情况下分别给出了两个著名公式：奈奎斯特公式和香农公式 奈奎斯特公式给出了无热噪声（由分子热运动引起的噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制，具体为 最大数据传输速率C=2Hlog2L(bps) H为信道带宽，单位Hz，L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数例如某信道带宽为4kHz任何时刻数字信号可取0、1、2、3四种电平之一，其最大数据速率是多少？,28,带宽和信道容量,香农则进一步研究了受噪声干扰的信道情况，热噪声以信号功率与噪声功率之比来度量，这个比值叫作信噪比如果用S表示信号功率，N表示噪声功率，则信噪比为S/N通常人们并不使用信噪比本身，而是使用10log10（S/N），其单位为分贝（dB）。
香农关于噪声信道的主要结论是：任何带宽为H（Hz），信噪比为S/N的信道，其最大数据传输率为： C = Hlog2（1+S/N）b/s 例如：信噪比为30dB，带宽为4000Hz的信道最大数据速率是多少？,29,误码率和误比特率,误码率：误码率是在通信系统中衡量系统传输可靠性的指标，它的定义是二进制码元在传输系统中被传错的概率从统计的理论讲，当所传送的数字序列无限长时，误码率为： Pe = Ne/N 其中 N 表示传输的二进制码元总数；Ne表示被传错的码元数 误比特率：Pb=错误的比特数/传输的总比特数,30,2.2.2 信道复用技术,引入：由于一条传输线路的某方面的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路 常用的有三种方法： 时分复用 TDM 频分复用 FDM 波分复用 WDM 码分复用CDM,31,32,,共享信道,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,,,,,,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,33,频分多路复用（FDM）,频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术。
在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一种信号，这就是频分多路复用（如下图所示）频分多路复用,34,用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）举例：一路模拟电视信号需要带宽6MHz（该带宽并不是完全被信号所占用，其中会包含保护带——保证各路信号的频带间不发生重叠，不会相互干扰），一根75Ω同轴电缆提供的带宽在400MHz左右,,400MHz,,,,,0~6MHZ,,,频段由低到高,6~12MHZ,12~1。