第2章数据通信技术.ppt
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1、第2章 数据通信技术,数据通信技术是计算机网络的数据交换基础。为了使计算机之间能够相互进行通信,进行数据传输,就需要将计算机处理的数字信号转换成可以在网上传输的光电信号,然后才能通过网络传输介质进行传输。本章将介绍与数据数据通信相关的技术,包括通信信道、编码、信道复用、数据交换、数据的安全性与完整性等内容。,2.1.1 信息、数据、信号和信道,信息(information):是用来辨别事物的符号,把事物的某些特征(或属性)按一定规则规范化后的一种表现形式。信息具有以下的特点:各符号所表达的事物特性是固定不变的。信息符号需要以某种媒体作为载体。,2.1 数据及其表现形式,数据:是信息的表现形式,
2、将数据表现为电子或电气特性,称为信号,信号在传输过程中的通道称为信道。,图2-1 数据与信息之间的关系,2.1.1 信息、数据、信号和信道,信号。是时间的函数,如果信号随时间的变化而连续变化,称为模拟信号;如果信号是时间的矩形波(有跳跃),称为数字信号。严格地讲,传输是对信号而言的,而通信是相对于数据而言的。,图2-3 经电话线传送的计算机数据,信道(channel):就是通信双方以传输介质为基础的信号传递通道。从微观上讲,信道是指电信号在通过传输介质时所占用的一段频带,它在准许信号通过的同时,对信号的传输进行限制。一个完整的信道包括相关的传输介质和连接设备。概括地讲,数据是信息的表现形式,将
3、数据表现为电子或电气特性,称为信号。信号在传输过程中的通道称为信道。,2.2 数据通信模型,通信的概念:通信就是将数据从一个地方传送到另一个地方的过程。传送数据的方式是多种多样的,但是要想顺利地传送数据,每种通信方式都必须包含信源、传输介质和信宿。,图2-4 一个完整的通信模型,信源:是将要处理的原始数据转换成为原始电信号。信号转换(改变)设备:是将原始电信号转换成适合信道传输的信号。因为信源发出的原始电信号需要进行信号转换,才能够在信道中传输。信号转换(复原)设备:是将在传输介质另一端接收到的信号还原为原始的电信号,然后交给信宿处理。信宿:是将接收到的信号转换成为数据。噪声源:在数据信号的传
4、输过程中,会出现各种噪声,噪声将会导致信号在传输中出错。,2.2.1 数据通信的过程,所谓数据通信是指通信系统中所传输的是数据信息。数据通信过程就是数据从信源经过传输介质的传输到达信宿的过程。,第一阶段:建立通信线路,通过网络设备为信源与信宿建立双方通信的物理通道。第二阶段:建立数据传输链路,使信源与信宿保持同步联系,保证双方均处于正确的收发状态。第三阶段:信源传送数据及相关的控制信息,信宿负责接收。第四阶段:数据传输结束后,信源与信宿通过通信控制信息确认通信结束。第五阶段:信源或信宿通知网络设备通信过程结束,网络设备清除通信通道,以供其他设备使用。当采用专用通信线路时,物理链接通道始终保持连
5、接,不存在接通和中断过程,上述五个阶段中就可以省去第一阶段和第五阶段。,2.2.2 数据通信的特点,计算机之间的通信过程需要定义出严格的通信协议和标准。通常情况下,语音和电视系统的误码率为10-2,而数据通信系统的要求为10-8。在数据通信系统中,由于采用的计算机和终端设备的类型多种多样,它们在通信速率、编码格式、同步方式和通信规程等方面都存在较大的差别。,数据通信的数据传输速率要求较高,且接续和传输的响应较快。数据通信中,数据信号的传输速率根据所使用信道的不同而不同。例如,一条128Kbit/s速率的ISDN数据线路,每分钟可以传960000个字符,即使是早期的2400bit/s速率的模拟电
6、话信道,每分钟也可以传输18000个字符。这个速率对于使用模拟信号的传统电话通信来说是根本不可能实现的。,模拟和数字信号可在适当的传输介质中传输。允许模拟信号在传输过程中有一定的衰减和噪声,或者说允许有一定程序的失真。而数字传输是和它的内容紧密相关的,信号传输过程中,数据位的任何差错,都可能影响对数据的正确理解。在通信中,信号在传送过程中的衰减是不可避免的。因此在通信线路中有时需要设置将信号增强或复原的设备,在模拟通信系统中用放大器,而在数字通信系统中则使用中继器(重发器)。,图2-5 数据通信系统模型,一个完整的数据通信系统包括3个基本组成部分:数据终端设备(Data Terminal Eq
7、uipment,DTE)、数据电路终端设备(Data Circuit-terminating Equipment,DCE)和通信信道。其中,将DCE之间的连接称为数据电路,将DTE之间的连接称为数据链路。,通信信道主要有专用线路和交换网络两种。一般情况,交换网络多是指电信部门的广域网络,而专用线路则是本单位内部组建的局域网。在数据通信系统中,DTE发出和接收的都是数据,连接通信双方DTE的电路是用来传输DTE发出的数据。所以,把DTE之间的通路(包括DCE和通信信道)称之为数据电路。为了实现有序、有效的通信,当数据电路建立后,还需要按一定的规程对传输过程进行规范,这些规范工作是由通信控制设备来
8、完成的。加了通信控制设备的数据电路称为数据链路(Data Link,DL)。通常,只有在数据链路建立起来后,通信双方(计算机或终端设备)之间才能进行真正有效的数据传输。,在数据通信系统中,如果处于DCE之间的信号是模拟信号,则称这个通信系统为模拟通信系统。如果处于DCE之间的信号为数字信号,则称这个通信系统为数字通信系统。总之,一个数据通信系统是模拟通信系统还是数字通信系统是由信道中数据信号的类型决定的,而与系统信源发出的信号类型无关。,2.2.4 数据电路连接方式,数据电路、通信信道和通信线路是三个不同的概念。其中:通信线路是用于传输数据信号所使用的物理线路;通信信道是通信线路中传递信号时所
9、使用的通道;数据电路是由DCE和通信信道组成。在数据通信系统中,每一个数据电路构成一个通信信道,占用通信线路的部分或全部资源。,1 点对点连接 点对点连接包括两台计算机之间的直接连接和计算机与终端之间的直接连接。这种连接方式既可以采用专用线路连接(如图2-6(a)所示),也可以利用交换网建立连接(如图2-6(b)所示)。2 点对多点连接 点对多点连接是在一条线路上同时连接2个以上的端点的连接方式。包括专用线路连接(如图2-6(c)所示)、交换网连接和集中连接(如图2-6(d)所示)三种方式。,3 多点对多点复用连接 多点对多点复用连接如图2-6(e)所示,包括专线连接和交换网连接两种方式。,图
10、2-6 几种常见的数据电路连接方式,2.3 傅里叶级数与信道特性,对于如何传输复杂的数据信号,并使不同种类的信号能够实现介质共享,同时通过相同的数学模型来描述和分析信号特性,需要使用傅里叶级数。,图2-7 模拟信号的正弦函数表示,图2-7(a)所描述的信号是一个简单的函数,虽然这种简单的正弦三解函数无法准确表示常见的模拟信号,但它却反应了一个模拟信号的特性:频率、振幅和相位。如果一个信号在连续的时间内会不断重复某一个模式,那么把其中一次循环所使用的时间称为一个周期,将描述此变化的函数称为周期函数。频率是单位时间内信号的振荡次数,其单位是HZ(赫兹)。如果频率为f,周期为T,则f=1/T。,振幅
11、表示信号的振荡峰值。因为函数的值域为-1,1,所以函数的值域为-A,A,如图2-7(c)所示,其振幅为-A和和A。改变一个信号的最后一种方式是改变它的相位。相位描述的是信号在一个周期中所处的不同阶段,在图像上相位表示了函数图形的水平移动距离,例如的图形便是将的图形向左移动k个单元的距离,如图2-7(d)所示。,为了描述信号的共同特性,著名法国数学家吉傅里叶(Jean Baptiste Fourier)提出了一个定理:任何一个周期函数都可以表示成无数个具有不同振幅、频率和相位的正弦函数的和,这个和称为傅里叶级数(Fourier Series)。傅里叶级数的特点是:无论周期函数多么复杂,总可以表示
12、为多个正弦函数的和。下面是傅里叶级数的一种表达形式(还有其他形式,但下面的形式更便于描述信号的特性),傅里叶级数告诉我们:任何一个可用周期函数表示的信号都是由具有不同的频率、振幅和相位的正弦函数(或余弦函数,因为正弦与余弦函数之间可以进行互换)相加后的和。从波形的合作来看,任何一个周期信号都是具有不同的频率和振幅的模拟信号的叠加。,2.3.2 带宽,带宽是指通信信道的容量。信道带宽也分为模拟信道带宽和数字信道带宽两种。模拟信道的带宽如图2-8所示,信道带宽W=f2f 1。,图2-8 模拟信道的带宽,数字信道的带宽决定了信道中不失真地传输脉冲序列时的最高速率。一个数字脉冲称为一个码元,这样我们就
13、可以用单位时间内通信信道所传输的码元个数来表示单位时间内信号波形的变化次数,即码元速率。如果信号码元的宽度(传输时间)为T秒,则码元速率B=1/T。码元速率的单位为波特(Baud),所以码元速率也称为波特率。,尼奎斯特定理 B=2W(单位为:Baud)尼奎斯特定理中提出的信道容量也称为尼奎斯特权限。码元携带的信息量由码元所取的离散值的数量来确定,单位时间内在信道上传送的信息量(bit数)称为数据速率(用R表示),R=Bn。当波特率B确定时,如果要提高速率,就需要用1个码元携带更多的bit数。将公式R=Bn与尼奎斯特定理B=2W结合,便得出以下的公式:,1948年,美国数学字、信息论的创始人香农
14、(Shannon)研究表明,有噪声信道的权限数据速率可由下面的公式计算:,这个公式称为香农定理,其中,W为信道带宽,S为信号的平均功率,N为噪声的平均功率,S/N叫做信噪比。由于在实际的使用中,S/N的值很大,所以通常取分贝数(dB)。,分贝与信噪比的关系为:,2.3.3 误码率,数据在通信信道中传输中会受到噪声的干扰,如果要在有噪声的信道中提高数据速率,就可能产生差错。,2.3.4 信道延迟,信道时延是指信号从信源到信宿的传输时间。2.3.4 失真 在信号传输的频率范围(也称为频域)内,信号是由不同频率的分量构成的。当一个由多种频率分量构成的信号在介质或信道中传输时,不同频率的分量将在不同程
15、度上受到衰减和延迟的影响,最终使得到达接收端的信号与发送端送出的初始信号之间产生差异。这种在传输过程中信号波形出现的变化称为失真。如图2-9所示,其中虚线表示初始信号的波形,实线表示失真后的波形。,图2-9 初始信号与失真信号的波形,根据产生原因的不同,失真可以分为振幅失真和延迟失真两类。其中,振幅失真是由传输介质和设备中各频率分量振幅值发生的不同变化而引起的失真;而延迟失真则是由各频率分量的传输速度不一致所造成的失真。引起信号失真的一个主要原因是衰减。信号在传输介质中传输时,将会有一部分能量转化为热能被传输介质吸收或被释放,从而造成信号强度不断减弱,这种现象称为衰减。衰减对信号的传输产生很大
16、的影响,需要采取相应的措施来弥补,否则当信号在进行远距离的传输后接收端将可能无法检测到有用的信号。为了弥补衰减,在模拟系统中使用放大器增强信号的强度,而在数字系统中使用中继器增强信号的强度。,2.4.1 基带传输,网络上信号传输方式分为基带传输、频带传输和宽带传输,可传输数字信号和模拟信号。基带是指调制前原始信号所占用的频带,是原始电信号所固有的基本频带。在信道中直接传输基带信号时,称为基带传输,基带传输的信号既可以是模拟信号,也可以是数字信号,具体类型由信源决定,目前主要是数字信号。采用基带传输技术的系统称为基带传输系统。,2.4 信号传输方式,2.4.2 频带传输,频带传输就是把基带数字信
17、号经过调制,变换成模拟信号后在公共电话线上传输。频带传输是一种模拟传输,但频带传输却与传统的模拟传输不同。,2.4.3 宽带传输,宽带是比音频带宽更宽的频带。它包括了大部分的无线电频谱,可以容纳全部的广播信号,能够进行高速数据传输。对于局域网来说,宽带是指专门用于使用模拟信号传输的同轴电缆,通常还指可以在传输介质上进行频分多路复用方式的传输技术。由于数字信号的频带很宽,必须先将其转换成模拟信号后才能在宽带网络中传输。宽带网络中的多条信道,通常采用频带传输技术,传输的是模拟信号,所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统。,一个宽带信道能够被划分成多个逻辑信道(或频率段),进行多路复用传输,这样可使信
18、道容量大增,并可在同一信道内实现对数据业务、模拟电视、语音等信号用单独的信道传输;能够在同一信道上进行数字信息或模拟信息的传输服务,宽带传输系统可以容纳全部的广播信号,并可进行高速数据的传输;宽带传输比基带传输的距离要远许多,这是因为在宽带传输中数字数据需要被模拟信号载运后传输(数字数据的波形加载在模拟信号的波形上进行传输),而模拟信号传输的距离要比数字信号远;宽带传输中的信号具有单向性,这是因为无法制造出可实现双向传输同一频率信号的放大器。如果要在宽带传输实现双向传输,则需要同时具备两条数据通路。,宽带传输的主要特点:,2.5 数据编码技术,2.5.1 数字信号的基本表示方式2.5.2 数据
19、信号的特点2.5.3 数字信号的编码2.5.4 数字信号的调制2.5.5 模拟信号的解调,数据通信中传输的是电信号或者光信号,这样就需要将数据转换成相应的光电信号,这就需要利用编码技术,数据编码是数据通信中最基本的一项工作。主要内容包括:,2.5.1 数字信号的基本表示方式,数字信号的特点是它的函数图形(正弦函数或余弦函数)的频率和振幅是离散的,最简单的数字信号是二元码(或称二进制码)。,2.5.2 数据信号的特点,二进制的数字信号有多种表现形式。根据函数的振幅取值的不同,可以分为单极性码和双极性码两种;如果根据信号电压或电流是否占满整个符号的持续时间可分为不归零码和归零码两种。1 单极性码和
20、双极性码 单极性码是指在一个方向上,用有极性和无极性来分别表示0和1,如图2-9(a)所示。双极性码是指用两个不同方向的极性(如正、负两极)来分别表示0和1,如图2-9(b)所示。,图2-9 单极性码和双极性码的波形,2不归零码和归零码不归零码(Not Return to Zero,NRZ)是最简单的一种编码方案,可以用高、低电平来分别表示0和1。这种便可以通过高低电平之间的变化来传送0和1的编码序,如图2-10(a)所示的是NRZ的一种波形。归零码(Return to Zero,RZ)是指一码元的信号波形不占码元的全部时间,即在码元中间的信号要回到0电平,因此任意两个码元之间被0电平隔开,如
21、图2-10(b)所示的是RZ的一种波形。,图2-10 不归零码和归零码的波形,2.5.3 数字信号的编码,数字信号的编码就是将二进制数字数据用两个电平来表示,形成矩形脉冲电信号,这种矩形脉冲电信号组成的数字数据包括单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码等。1 单极性不归零码 单极性不归零码是以有无电压或电流来表示0和1,通常是以无电压表示0,用恒定的正电压表示1。这种脉冲的电压值大于或等于0,也就是说只有一个方向的电压极性(如图2-11(a)所示)。,2双极性不归零码 顾名思义,这种脉冲有两个方向的电压极性。双极性不归零码以恒定的负电压表示0,用恒定的正电压表示1,两种信号
22、在全部传输时间内总是有电压或电流存在,只是电压的极性或者电流的方向发生变化(如图2-11(b)所示)。,图2-11 单极性不归零码和双极性不归零码的波形,3归零码 归零码就是一个单位脉冲的信号波形不占单位脉冲的全部时间,即在一个单位脉冲的时间内有电压或电流的时间短于一个单位脉冲的时间宽度,是窄脉冲,不论是否有电压或电流,每个单位脉冲的波形都会回到零位,因此形象地称作归零码。这种编码技术的取样时间也位于每一个单位脉冲时间的中间。由于归零码也分为单极性归零码和双极性归零码,所以判别电压也不同(与不归零码脉冲相对应),分别如图2-12(a)和图2-12(b)所示。,图2-12 单极性归零码和双极性归
23、零码的波形,4 曼彻斯特编码曼彻斯特编码就是把一个单位脉冲一分为二(即将一个码元一分为二),如果在前半个单位脉冲时间内,信号为高电平,将在这个单位脉冲时间的中间发生翻转,跳到低电平,则此信号的值就表示1;反之,如果在前半个单位脉冲时间内,信号为低电平,那么在这一单位脉冲时间的中间将发生电压翻转,跳到高电平,此时信号的值就表示0(如图2-13(a)所示)。,5 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码技术类似于曼彻斯特编码,不过差分曼彻斯特编码的取样时间位于每一个单位脉冲的起始边界,如果信号在起始边界有翻转就表示0,如果信号在起始边界无翻转就表示1(如图2-13(b)所示)。差分曼彻斯特编码的特点总结
24、如下:在每一个位(bit)发送时间的正中间,电平必须翻转一次。发送0或发送1,必须在发送每一个位的初始时间进行判断,判断的依据是前一个电平的后半部分和下一个要发送的数字。当发送0时,下一个电平与上一个电平的后半部分相反,却必须进行电平的翻转;而发送1时,保持下一电平与上一个电平相同,却不进行电平的翻转。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术,但可以获得较好的抗干扰性能。,图2-13 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,2.5.4 数字信号的调制,1 移幅键控法(ASK)移幅键控法(Amplitude Shift Keying,ASK),也叫调幅法(Amplitude Modulation,AM),就是把
25、模拟载波信号中的频率与相位定为常量,振幅定为变量。,2移频键控法(FSK)移频键控法(Frequency Shift Keying,FSK),也叫调频法(Frequency Modulation,FM),就是把模拟载波信号中的振幅和相位定为常数,而将频率定为变量,用频率的不同来分别代表0和1.,3 移相键控法(PSK)移相键控法(Phase Shift Keying,PSK),也叫调相法(Phase Modulation,PM),就是把模拟信号中的振幅和频率定为常数,而将起始相位定义为变量,以起始相位的不同来分别表示0和1。,2.5.5 模拟信号的解调,从模拟信号到数字信号的转换技术中最常见的
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