计算机网络技术(第二版) 电子教案 付建民 第2章 数据通信基础技术

图2-10 频移键控
③相位调制 绝对相移键控 绝对相移键控用两个固定的不同相位表示 数字“0”和“1”（见图2-11），用公式可表 示为： U (t)= U s i n ( t+ ) 数 字 “ 1 ” m
= U s i n ( t+ 0 ) m 数 字 “ 0 ”
图2-11 绝对相移键控
图2-20 并行数据传输
串行数据传输时，数据是一位一位地在通 信线上传输的，先由具有几位总线的计算 机内的发送设备，将几位并行数据经并--串 转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输 线到达接收站的设备中，并在接收端将数 据从串行方式重新转换成并行方式，以供 接收方使用
图2-21 串行数据传输
2.2.3 单工、双工与半双工 串行数据通信的方向性结构有三种，即单 工、半双工和全双工。 单工数据传输只支持数据在一个方向上传 输；
图2-17 通信系统实例
一个简单的通信系统模型如图2-18所示。
图2-18 通信系统模型
这个模型的主要组成部分是： 1．信源/信宿 信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的归宿或接收者。 在计算机网络中，信源和信宿可以是计算机或终端等设备。 2．信道 信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组 成。 同一条传输线路上可以有多个信道。例如：一条光缆可以 同时供几千人通话，有几千条电话信道。
(a)
(b)
(c)
(d)
图2-2 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示
(1) 模拟数据通信 模拟数据通信是用模拟信道传输数据，有以下两 种形式： ①模拟信道传输模拟数据,如上图（b） ②模拟信道传输数字数据,如上图（b） (2) 数字数据通信 数字数据通信是用数字信道传输数据，有以下两 种形式： ①数字信道传输模拟数据,如上图（c）
图2-15 将量化编码
经过上面的处理过程，原来的模拟信号经 PCM编码后得到如图2-3-13所示的系列二 进制数据。
图2-16 模拟数据的PCM编码
2.1.3 数据的通信模型 数据通信是计算机与通信相结合而产生的 一种通信方式和通信业务，其基本作用是 完成两个实体间数据的交换。 如图2-17是通信系统的一个实例，工作站 可以通过公共电话网与另一端的服务器通 信，也可以在公共电话网间交换声音信号。
相对相移键控法 相对相移键控用载波在两位数字信号的交 接处产生的相位偏移来表示载波所表示的 数字信号。最简单的相对调相方法是：与 前一个信号同相表示数字“0”，相位偏移 180度表示“1”，如图2-12所示。这种方法 具有较好的抗干扰性。
图2-12 相对相移键控
(4) 模拟数据的数字信号编码 模拟数据的数字信号编码最常用的方法是脉冲编 码调制（PCM pulse code modlation） ①理论基础（香农采样定理） 若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要 采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的 两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息， 利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原 始信号。
3．信号 信号是数据在传输过程中的表示形式，是 用于传输的电子、光或电磁编码，有模拟 信号和数字信号之分。 模拟信号（也称为连续信号）是随时间连 续变化的电流、电压或电磁波。 数字信号（也称为离散信号）是一系列离 散的电脉冲。
模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表 示：
图2-1 模拟信号、数字信号的表示
2．数据的编码
(1) 数字数据的数字信号编码 数字信号编码的工作由网络上的硬件完成， 常用的编码方法有以下三种： ①不归零码NRZ（non-return to zero） 不归零码又可分为单极性不归零码和双极 性不归零码。
a)单极性不归零码与脉冲
b)双极性不归零码与脉冲 图2-4 不归零码
②归零码 归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一 码元的时间内会返回初始状态（零），如 图2-5所示。 归零码可分为单极性归零码和双极性归零 码.
2.2.2 并行传输与串行传输 1．并行通信方式 并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备 之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数 据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。 接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何 变换就可直接使用。 并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线 结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传 输速度快，处理简单。
图2-7 远程系统中的调制解调器
模拟信号传输的基础是载波 载波信号可以表示为正弦波形式： f(t)=Asin(ωt+φ)，其中幅度A、频率ω和相 位φ的变化均影响信号波形，即载波的三大 要素：幅度、频率和相位，数字数据可以 针对载波的不同要素或它们的组合进行调 制。
通过改变这三个参数可实现对模拟信号的 编码。相应的调制方式分别称为幅度调制 ASK、频率调制FSK和相位调制PSK。
图2-6 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
注：1、曼彻斯特编码—在信号1/2处跳变时，从高到低跳变为“0”；从低到高跳变为“1”。 2、查分曼彻斯特编码—在信号开始时，有跳变为“0；无跳变为“1”。
为了利用廉价的公共电话交换网实现计算 机之间的远程通信，必须将发送端的数字 信号变换成能够在公共电话网上传输的音 频信号，经传输后再在接收端将音频信号 逆变换成对应的数字信号。
4．信道和带宽 信道是传输信号的通路，一条传输线路上 可以存在多个信道。 信号带宽指信号的频率范围，而信道带宽 是信道上能够传输信号的最大频率范围。
注意:信号带宽不能大于信道带宽，否则信号在信道上无法实现通信。
2.1.2 数据的编码技术 1．模拟数据和数字数据的表示 信息在信源/信宿处以模拟/数字数据形式存 在，而在信道中以模拟/数字信号形式存在。 模拟信号和数字信号都可以在合适的传输 媒体上进行传输(如图2-2)；
本章任务
数据通信的基本概念 数据的传输方式
2.1数据通信的基本概念
2.1.1 数据、信息、信号或信道 1．数据 数据是指描述物体的数字、字母或符号， 有模拟数据和数字数据之分。 2．信息 信息是人脑对客观物质的反映，既可以是 对物质的形态、大小、结构、性能等特性 的描述，也可以是物质与外部的联系。
半双工数据传输允许数据在两个方向上传 输，
注：在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换 方向的单工通信；
全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，
全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求 发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力，
2.2.4 异步传输与同步传输 1．异步传输 在数据通信中，异步传输又称群同步，是 指传输的信息被分成若干“群”。 (1) 异步传输分组的组成
2．频带传输 远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话 信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信 号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的 数字基带信号。 频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信 道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信 号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。 计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。 基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。
(2) 信号传输速率 信号传输速率又称波特率或调制速率，指 单位时间内所传送的信号的个数，单位为 baud（波特），可用如下公式表示： B=1/T 其中，B — 波特率，T — 信号周期。 例如，若一连续信号f = 1200Hz，则B = 1/T = 1200（波特）
2．误码率 误码率表示二进制数据位在传输中出错的概率， 可用如下公式表示： Pe = Ne / N 其中，Pe — 误码率，Ne — 出错的位数，N — 传输的总位数。 例如，若数据传输10000个bit，接收经检查发现 有一个bit错了，则误码率 Pe = 10-5 误码率主要用于衡量数据传输的质量
3．信道容量 信道容量指信道所能承受的最大数据传输 速率，单位为bps或b/s。 4．三个指标之间的关系 数据速率用于衡量信道传输数据的快慢， 是信道的实际数据传输速率； 信道容量用于衡量信道传输数据的能力， 是信道的最大数据传输速率； 误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。
2.2 数据的传输方式
② PCM工作步骤
图2-13 原始模拟信号
采样：根据采样频率，隔一定的时间间隔 采集模拟信号的值，得到一系列模拟值， 如图2-14所示。 量化：将采样得到的模拟值按一定的量化 级（本例采用16级）进行"取整"，得到一系 列离散值，如图2-15所示。
图2-14 对采样值量化
编码：将量化后的离散值数字化，得到一 系列二进制值；然后将二进制值进行编码， 得到数字信号,如图2-15。
(1) 数据传输速率 数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制 位的个数，单位为比特每秒，表示为bps或b/s。数据传输 速率可用如下公式表示： 其中， S — 表示比特率 T — 表示脉冲宽度 N — 表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数， 通常为2的整数倍。 例如，一连续信号f = 1200Hz，每个信号可表示4个不同 的状态，则数据传输速率（比特率）为2400bps：
图2-8 数字调制的三种基本形式
①幅度调制 幅度调制简称调幅，也称为幅移键控 （ASK amplitude-shift keying） 调制原理：用两个不同振幅的载波分别表 示二进制值"0"和"1"。
图2-9 幅度调制
②频率调制 频率调制简称调频，也称为频移键控（FSK frequency-shift keying） 调制原理：用两个不同频率的载波分别表 示二进制值"0"和"1"。
数字电话通信是它的一个应用模型， 如下图所示。
模拟信号 模拟信号
数字信号
编码解码器 声音
光钎
编码解码器 声音
图2-3 数字信道传输模拟数据
②数字数据可以用数字信号来表示。如上图（d ） (3) 两种数据通信的长距离传输及信号衰减的克服 ①模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传 输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器 来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至 引起信号畸变。 ②数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是 使用中继器，把数字信号恢复为"0、1"的标准电 平后继续传输。