01_计算机网络与应用_第二章信息管理与信息系统专业

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1、第二章 数据通信基础,北京理工大学珠海学院计算机学院 文晓浩,第二章 数据通信基础,2.1概述,通信(Communication)的目的是单双向传递信息。 数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息传输与交换的过程。 本章将讲述网络数据通信的一般工作原理，包括数据通信的基本概念、数据调制与编码、多路复用、异步与同步通信、数据传输介质和差错控制校验等。,2.1.1数据通信的基本概念,信息(Information)是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。 数据(Data)一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。 信号(Signal)简单地讲

2、就是携带信息的传输介质。,2.1.1数据通信的基本概念,狭义的“数据”是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。 在计算机网络系统中，数据通常被广义的理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。话音信息、图像信息、文字信息以及从自然界直接采集的各种自然属性信息均可转换为二进制数字编码在计算机网络系统中存储、处理和传输。网络中的数据通信、数据处理和数据库等通常就是指这种广义的数据。,数据,2.1.1数据通信的基本概念,在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的

3、传输介质。 信号的频谱宽度就称为该信号的带宽。 根据信号参量取值的不同，信号可分为数字信号和模拟信号，或称为离散信号和连续信号。 例如计算机输出的脉冲信号是数字信号，普通电话机输出的信号就是频率和振幅连续改变的模拟信号。,信号,2.1.1数据通信的基本概念,数字信号指幅度的取值是离散的， 幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。数字信号特点抗干扰能力强、无噪声积累。 模拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。 模拟信号的主要缺点是它总是受到噪声的影响。信号被多次复制，或进行长距离传

4、输之后，这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。,2.1.1数据通信的基本概念,数字信号和模拟信号,2.1.1数据通信的基本概念,数据通信系统的模型 按介质的不同通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。 有线通信是用导线作为传输介质的通信方式，这里的导线可以是架空明线、各种电缆以及光纤。 无线通信则是利用无线电波在自由空间的传输来传递信息。,2.1.1数据通信的基本概念,数据通信系统的模型 按介质的不同通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。 有线通信是用导线作为传输介质的通信方式，这里的导线可以是架空明线、各种电缆以及光纤。 无线通信则是利用无线电波在自由空间的

5、传输来传递信息。,2.1.1数据通信的基本概念,为完成通信任务所需要的一切 技术设备和传输介质所构成的总体，称为 通信系统。一个简化了的通信系统模型如图所示。 图中，信源是信息的发出者，它把各种可能的信息转换成原始信号，为了使其能适合在信道上传输，就要通过某种变换器将原始信号转换成需要的信号。,图2.1-1 通信系统模型,2.1.1数据通信的基本概念,数据通信系统的通信方式 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式： (1)单向通信 又称单工通信，即只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。,2.1.1数据通信的基本概念,(2)双

6、向交替通信 又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(或同时接收)，这种通信方式往往是一方发送另一方接收。 (3)双向同时通信 又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。,2.1.1数据通信的基本概念,数字通信的主要优点： 抗干扰能力强。 便于加密，有利于实现保密通信。 易于实现集成化，使通信设备的体积小，功耗低。 数字信号便于存储、处理、交换，便于和计算机连接，也便于用计算机进行管理。,2.1.1数据通信的基本概念,数字通信的主要优点： 抗干扰能力强。 便于加密，有利于实现保密通信。 易于实现集成化，使通信设备的体积小，功耗低。 数字信号便于存储、处理、交换，便

7、于和计算机连接，也便于用计算机进行管理。,2.1.1数据通信的基本概念,数据通信系统的任务： (1)接口规范： 为了通信，设备接口必须和传输系统相兼容，使产生的信号特性(如信号波形和强度)能适应传输系统传输，并且能够在接收端对数据进行解释。 (2)同步： 接收端要按发送端发送的每个码元波形的重复频率和起止时间来接收数据，并且要校对自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。,2.1.1数据通信的基本概念,(3)传输系统利用率： 传输设施通常是由很多的通信设备共享的，要有效地利用这些设施，必须采用相应的介质访问控制协议来合理有效地为各个站点分配传输介质的带宽；要协调传输服务的要求，以免系

8、统过载，如各种局域网物理层技术规范及拥塞控制技术等。,2.1.1数据通信的基本概念,(4)差错检测和校验： 对通信过程中产生的传输差错进行检测和校正，在发送端对数字信号以一定的编码规则附加一些校验码元进行抗干扰编码，在接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错并能够纠正差错，最好还有流量控制的功能，以防止接收器来不及接收信号。,2.1.1数据通信的基本概念,(5)灾难恢复： 不同于差错检测和校验，它发生在系统因某种原因(包括自然灾害)被破坏或中断，需要对系统进行恢复时。 (6)寻址和路由： 决定信号到达的目的地的最佳路径。,2.1.1数据通信的基本概念,(7)网络安全： 保证经过

9、加密的数据正确、完整、不被泄漏地从发送端传输到接收端。 (8)网络管理： 对复杂的通信系统设备进行配置、故障、性能、安全、计费等管理。,2.1.2数据通信系统的主要质量指标,1模拟通信系统的质量指标 (1)有效性 模拟通信系统的有效性是用有效传输带宽来度量。同样的信息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。频带宽度越窄，有效性越好。,2.1.2数据通信系统的主要质量指标,(2)可靠性 模拟通信系统的可靠性是用接收端最终的输出信噪比来度量。信噪比越大，通信质量越高。 信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio）；狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常

10、用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。,2.1.2数据通信系统的主要质量指标,2数字通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性用传输速率来衡量，可靠性用差错率(误码率)来衡量。 (1)传输速率 数据传输速率指的是单位时间内传送的信息量，有多种表示方法。 数字信号由码元组成，码元携带一定的信息量。,2.1.2数据通信系统的主要质量指标,定义：单位时间传输的码元数为码元速率 Rs，单位为码元秒，又称为波特(Baud)，简记为Bd，码元速率也称传码率，它是一种调制速率。 定义：单位时间传输的信息量为信息速率R

11、b，单位为bits(比特秒)或bps，所以信息速率又称比特率。 波特和比特是两个不同的概念，波特是码元传输速率的单位，它说明每秒传输多少个码元。比特是信息量的单位。一个二进制码元的信息量为1 bit，一个M进制码元的信息量为log2M bit。,2.1.2数据通信系统的主要质量指标,(2)差错率 差错率即误码率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，它的定义是：二进制码元被传输出错的概率。 被传错的码元数为Ne，传输的二进制码元总数为N，则误码率为Ps =错误码元数传输的总码元数=NeN；有时将误码率称为误符号率。 定义误比特率Pb为：Pb=错误比特数/传输的总比特数；误比特率又

12、称为误信率。 差错率越小，通信的可靠性越高。,2.2数据调制与编码,模拟信号和数字信号在通过某一介质传输时需进行调制和编码。 调制是载波信号的某些特性根据输入信号而变化的过程，包括幅度、频率和相位的变化，它其实就是进行波形变换，说得更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。无论是模拟数据还是数字数据，原始输入数据经过调制就作为模拟信号通过介质发送出去，并将在接收端进行解调，再变换成原来的形式。,2.3多路复用技术,在远程数据通信或计算机网络系统中，传输信道的传输容量往往大于一路信号传输单一信息的需求，所以为了有效地利用通信线路，提高信道利用率，人们研究和

13、发展了通信链路的信道共享和多路复用(Multiplexing)技术。 多路复用器连接许多低速线路，并将它们各自所需的传输容量组合在一起后，仅由一条速度较高的线路传输所有信息。其优点是：节省电缆的安装和维护，降低通信系统费用，提高工作效率。,2.3多路复用技术,1 .频分多路复用 当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带(带宽)按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多

14、路复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)。,2.3多路复用技术,频分复用原理 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号（如原理图中的CH1、CH2和CH3这3路信号）所需带宽情况下，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；然后在每个子信道上传输一路信号，以实现在同一信道中同时传输多路信号。多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠（搬移后的信号如图中的中间3路信号波形）；然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号都在以它的载波频率为中心，一定带宽的通道

15、上进行传输。为了防止互相干扰，需要使用抗干扰保护措施带来隔离每一个通道。,2.3多路复用技术,频分复用的优点 1. 容易实现，技术成熟。 2. 信道复用率高，分路方便，因此频分多路复用是模拟通信中常采用的一种复用方式，特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。,2.3多路复用技术,频分复用的问题： 1.保护频带占用了一定的信道带宽，从而降低了FDM的效率； 2.信道的非线性失真改变了它的实际频率特性，易造成串音和互调噪声干扰； 3.所需设备随输入路数增加而增多，不易小型化； 4.FDM不提供差错控制技术，不便于性能监测。,2.3多路复用技术,2.时分多路复用 时分多路复用(TDM，Time D

16、ivision Multiplexing)是将多路信号按一定的时间间隔相间传送以在一条传输线上实现“同时”传送多路信号。基本的TDM是同步时分多路复用技术，如果采用较复杂的措施以改善同步时分复用的性能，就成为统计时分多路复用(STDM， Statistical Time Division Multiplexing)或异步时分多路复用(ATDM，Asynchronous TDM)。,2.3多路复用技术,*3.码分多路复用 码分多路复用CDM又称码分多址（Code Division Multiple Access,CDMA）,CDM与FDM（频分多路复用）和TDM（时分多路复用）不同,它既共享信道的频率,也共享时间,是一种真正的动态复用技术。,2.4异步与同步通信,同步 就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。数据传输的同步方式一般分为位同步、字符同步。字符同步通常是识别每一个字符或一帧数据的开始和结束；位同步则识别每一位的开始和结束。,2.4异步与同步通信,在异步通信中