数据通信基础

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1. 信息和编码
信息的载体是文字、语音、图形和图像等。计算 机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码 表示的字母、数字或控制符号的组合。 用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是二 进制编码。
2.1 数据通信的基本概念
2.二进制编码标准
目前,最常用的二进制编码标准为美国标准信息 交换码(ASCII),它已被国际标准化组织(ISO) 和国际电报电话咨询委员会(CCITT)采纳,并已经 发展为国际通用的标准交换代码。它既是计算机内码 的标准,也是数据通信的编码标准。它用7位二进制 数表示一个字母、数字或符号。如用1000001表示 A,用0110001表示数字1。
第2章 数据通信基础
本章学习目标:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 了解:数据通信的基础知识 了解:数据传输方式的类型和特点 掌握:数据传输的类型及相应的编码方法 掌握:多路复用技术的分类和适用场合 了解:数据通信中的同步技术 了解:广域网中的数据交换技术 掌握:差错控制技术的类型和方法
2.1 数据通信的基本概念
2.1 数据通信的基本概念
4. 信道及信道的分类 (1)信道 数据信号传输的必经之路,一般有 传输线路和传输设备组成。 (2)物理信道和逻辑信道
①物理信道:是由信道中的实际传输介质与相关 设备组成。 ②逻辑信道:是指在同时建立的多条逻辑上的 “连接”。
2.1 数据通信的基本概念
(3)有线信道和无线信道
图2-4 模拟数据信号的二相调制 (编码)波形图
6. 多相调相
多相调制的也有“相对调相”和“绝对调相”两 种。多相调制的状态数n与每次传输的二进制比特位 的数目m的关系如下: n=2m
m:波形每变化一次传递的二进制数字的比特位数; n:波形的所有不同状态数目。
例如:在图2-5所示的四相调相中,每次传递两个(m=2) 比特位;共有4种(n=22=4)状态。四相调相、八相调相、 16相调相中,各种相位的数据表示,参见表2-2、表2-3和表 2-4。
根据传输介质是否有形。
(4)模拟信道和数字信道
按照信道中传输的数据信号的类型来分。
(5)专用信道和公共交换信道
按照信道的使用方式来分。“专用信道”又称 “专线”,它是一种连接用户之间设备的固定线路。 “公共交换信道”是一种通过公共网络,为大量 用户提供服务的信道。
2.1 数据通信的基本概念
5. 数据单元
8. 时延
时延是信道或网络性能的另一个参数,其数值是 指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所 需要的时间,其单位是秒s、毫秒(10-3秒)ms、微 秒(10-6秒)μs等。
时延是由:传播时延、发送时延和排队时延等三 部分组成的。
2.2.1数据通信过程中涉及的主要技术问题
网络中任意两台计算机的通信过程需要解决哪些 技术问题呢?
在数据传输时,通常将较大的数据块(如报文) 分割成较小的数据单元(如分组),并在每一段数据 上附加一些信息(序号、源地址、目的地址、差错校 验码等)。这些数据单元及其附加的信息在一起被称 为“数据单元”。 码元:每一位二进制代码 码字:7个码元组成的序列
2.2 通讯系统的主要技术指标
1. 传输速率S(比特率)
3.非归零(Non-Return to Zero,NRZ)编码
①编码规则:NRZ编码方法的示例如图2-3(a) 所示。用负电压代表数字“0”,正电压代表数字“1”。 ② 特点:NRZ编码的优点是简单、容易实现;缺 点是接收方和发送方无法保持同步。 ③ 位同步:为了保证收、发双方的按位同步,必 须在发送NRZ编码的同时,用另一个信道同时发送同 步时钟信号,参见图2-3(a)。 ④ 应用:计算机串口与调制解调器之间使用的就 是基带传输中的非归零码技术。
5.
差分曼彻斯特(De-manchester)编码
① 编码规则:遇“0”跳变,遇“1保持”,“中 间跳变”。其示例的波形如图2-3(c)。
② 特点:差分曼彻斯特编码的优点是自含同步时 钟信号、抗干扰性能较好;缺点是实现的技术复杂。 ③ 同步信号:中间的电平跳变作为“同步时钟” 信号。
图2-3 二进制数据的基带信号的编码波形
4. 带宽
对于模拟信道,带宽是指物理信道的频带宽度, 其本来的意思是指信道允许传送信号的最高频率和最 低频率之差, 单位为:赫兹(Hz)、千赫(kHz)、 兆赫(MHz)等。W=F最高-F最低
对于数字信道,人们说的“带宽”是指在信道上 能够传送的数字信号的速率,即数据传输速率S。因 此,此时带宽的单位就是比特每秒(bit/s),表示 为:b/s、Kb/s、Mb/s等。
② ASK的特点:幅度调制的技术比较简单,信号 容易实现,但抗干扰的能力较差。
4. 频率调制FSK
① FSK调制规则:频率调制又称为“移频键控” (frequency-shift keying,FSK)。其调制波 形如图2-4(b)所示。
② FSK的特点:频率调制的电路简单,抗干扰能 力强,但频带的利用率低,适用于传输速率较低的数 字信号。
传输速率“S”是指是指在信道的有效带宽上,单 位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。S 的单位为:b/s、千比特每秒kb/s等单位来表示。
2.2 通讯系统的主要技术指标
2. 波形调制速率B(波特率):线路上每秒钟 传送的波形个数。B=1/T T表示每个波形 的持续时间。
1Baud/s就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。 波特率是数字信号经过调制后,模拟信号的传输速率。
2.3.2
1.
频带传输与模拟信号的调制
调制、解调与频带传输
利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带 传输”。 “调制”(modulation):在发送端将数字信 号转换成模拟信号的过程。 解调(demodulation) :在接收端把模拟信号 还原为数字信号的过程。 调制解调器”(modem):Modem就是数字 信号与模拟信号之间的变换设备。
数 据 同步时钟 (a)NRZ (b)曼彻斯特 编码 (c)差分 曼彻斯特 编码
0
1
0
0
1
0
1
1
2.3.1
基带传输与数字信号的编码
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基带传输的特点如下:
优点是:抗干扰能力强、成本低。
缺点是:由于基带信号频带宽,传输时必须占用 整个信道,因此通信信道利用率低;占用频带宽,信 号易衰减;只能使用有线介质传输,限制了使用的场 合。在局域网中经常使用基带传输技术。
在数据通信过程中,传输的数据信号的类型不同, 使用的技术就不同。为此,数据传输系统有“基带传 输”和“频带传输”两种传输方式。
2.3.1
1.
基带传输与数字信号的编码
基带、基带信号和基带传输
数字信号也被称为“数字基带信号”,简称为 “基带信号”。在线路上直接传输基带信号的方法称 为 “基带传输”方法。 在基带传输中,必须解决两个基本问题, 其一,基带信号的编码问题; 其二,收发双方之间的同步问题。
2. 数字信号的编码
在基带传输中,用不同极性的电压、电平值代表 数字信号 “0”和“1”的过程,称为基带信号的“编 码”;其反过程称为“解码”。
在发送端,编码器将计算机等信源设备产生的信 源信号,变换为用于直接传输的基带信号; 在接收端,解码器将接收到的基带信号,恢复为 与发送端相同的、计算机可以接收的信号。 下面介绍3种基本的编码方法:
2.1 数据通信的基本概念
3. 数据和信号 网络中传输的二进制代码被统称为“数据”。
“信号(signal)”是数据在传输过程中的电磁 波表示形式。从时间域来看,图2-1(a)所示的“数 字信号”是一种离散信号;而图2-1(b)所示的 “模拟信号”是一种连续变化的信号。
图2-1 数字信号和模拟信号
2. 数字数据(信号)的调制
在调制过程中,运载数字数据的“载波信号” 可以表示为: u(t)=A(t)sin(ωt+ ψ)
其中,振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信 号的3个可变电参量;每次变化一个电参数, 固定另外两个电参量。
3. 幅度调制ASK
① ASK调制规则:幅度调制又称为“振幅键控” (amplitude-shift keying,ASK),两种载波 幅度值的调幅波形如图2-4(a)表示。
5. 信道容量
信道容量是一个极限参数,一般是指物理信道上 能够传输数据的最大能力。在实际应用中,高传输速 率的通信设备常常被通信介质的信道容量所限制,而 得不到充分利用。 香农定理:信道的带宽和信噪比越高,信道的容 量就越高。C=W㏒2(1+S/N)
6.
带宽、数据传输速率和信道容量的关联
带宽与数据传输速率这两个术语原来都是用 来度量信道实际传输能力的指标。现在,一个 物理信道常常既可以作为模拟信道,又可以作 为数字信道,所以人们既可以使用“带宽”, 也可以使用“速率”来描述网络中信道的传输 能力。
5. 两相相位调制PSK
PSK(phase-shift keying),相位调制又称 为“移相键控”。 ① 用初始相位 “Φ0 =0”表示数字“1”,Φ0 = 表示数字“0”绝对调相编码波形如图2-4(c)所示。
② PSK相对调相:其编码规则为用当前波形的初 始相位,相对于“前一个波形”的初始相位的偏移值 来表示数字信号“0”、“1”。两相相对调相的编码波 形如图2-4(d)所示。
4.
曼彻斯特(Manchester)编码
①编码规则:前半周期为该位值“反码”电平值, 后半周期为该位值的“原码”电平值。中间的电平跳 变作为双方的同步信号。如图2-3(b)所示。 ② 曼彻斯特编码的同步信号:曼彻斯特编码中的 中间电平跳跃,既代表了数字信号的取值,也作为自 带的“时钟”信号。 ③ 特点:优点是收发信号的双方可以根据自带的 “时钟”信号来保持同步;缺点是效率较低。 ④ 应用:典型的10BASET、10BASE2、和 10BASE 5低速以太网使用的是曼彻斯特编码技术。
① 二进制编码; ②传输的信号类型; ③ 数据传输与通信方式; ④ 同步技术; ⑤ 多路复用技术; ⑥ 广域网数据交换技术; ⑦ 差错控制技术。
2.3 数据传输类型及相应技术
数据通信专指信源(发送信息的一方)和信宿 (接收数据的一方)中信号的形式均为数字信号的通 信方式。因此,可以将“数据通信”定义为:在不同 的计算机和数字设备之间传送二进制代码“0”、“1” 对应的比特位信号的过程。
7. 误码率Pe
(1)误码率Pe的定义
误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概 率,也称“出错率”。 Pe的定义式如下:
式中:N为传输的二进制码元总数,Ne表示在接 收码元中被传错的码元数。
7. 误码率Pe
(2)误码率的性质、获取与实用意义
① 性质:可靠性的指标。 ② 获取:在大量重复测试。 ③ 采用差错控制技术的意义:在使用普通 通信信道传输数据时,物理信道本身的平均误 码率不满足可靠性指标的要求,因此,必须采 用差错控制技术。网络通信中误码率的最低要 求是10-6
2.3.3 脉冲编码调制方法
(1)PCM的主要优点
抗干扰能力强、失真小、传输特性稳定等特点。
(2)PCM典型的应用-语音数字化
在现代电话交换网中,在发送端,先使用PCM技术将其转 换为数字信号,再进行基带传输或信号交换;在接收端,再将 数字信号还原为语音信号传递给终端的语音用户。在图2-6所 示语音数字化过程中,在发送端通过“PCM编码器”将语音数 据变换为数字化的语音信号,通过通信信道传送到接收方;接 收方再通过“PCM解码器”还原成模拟语音信号。
图2-5 四相相位调制(绝对)波形图
二进制数据
四相相位调制 (绝对)
表2-2、表2-3和表2-4。
表2-2
表2-3
4 相调相的相位变化值
8 相调相的相位变化值
表2-4 16相调相的相位变化值
总之,相位调制技术占用频带较窄,抗干扰性能 好。
2.3.3 脉冲编码调制方法
1. 脉冲编码调制概述
脉冲编码调制(pulse code modulation, PCM)是模拟数据信号数字化采用的主要方法。 由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输 速率高,因此,语音、图像等信息的数字化已经成为 必然,但这是些信号必须数字化才能被计算机接收和 处理。
3. 比特率和波特率之间的关系 S=B㏒2n , n为一个脉冲信号的有效状态数(相数)。
参见表2-1
2.1 数据通信的基本概念
波特率(调制速率)和比特率(数据传输速率) 是两个最容易混淆的概念,表2-1给出了两者 之间的数值关系。两者在实际应用中的区别与 联系,如图2-2所示。
图2-2 比特率和波特率的区别
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