第2章數據通信基本技術第一頁，共53頁。普通高等教育“十一五”國家級規劃教材高等院校計算機應用技術規劃教材第一篇：網絡技術基礎篇

第二篇：計算機網絡實現篇

第三篇：計算機網絡應用篇尚曉航主編馬楠副主編清華大學出版社第二頁，共53頁。普通高等教育“十一五”國家級規劃教材高等院校計算機應用技術規劃教材第一篇：網絡技術基礎篇

第2章數據通信基本技術尚曉航主編馬楠副編清華大學出版社第三頁，共53頁。本章內容與要求了解：數據通信的基礎知識了解：數據傳輸方式的類型和特點掌握：數據傳輸的類型及相應的編碼方法掌握：多路復用技術的分類和適用場合了解：數據通信中的同步技術掌握：差錯控制技術的類型和方法第四頁，共53頁。2.1 數據通信中的基本概念

與技術指標第五頁，共53頁。2.1.1數據通信涉及的基本知識1.信息和編碼信息的載體是文字、語音、圖形和圖像等。為了傳送信息，必須對信息中所包含的所有字符進行編碼。用二進制代碼來表示信息中的每一個字符就是二進制編碼。2.二進制編碼標準最常用的二進制編碼標準為美國標準信息交換碼（ASCII）。3.數據和信號網絡中傳輸的二進制代碼被統稱為“數據”。數據與信息的區別在于，數據僅涉及事物的表示形式，而信息則涉及到這些數據的內容和解釋。“信號”是數據在傳輸過程中的電磁波表示形式，參見圖2-1。第六頁，共53頁。2.1.1數據通信涉及的基本知識4.信道及信道的分類（1）信道“信道”是數據信號傳輸的必經之路，它一般由傳輸線路和傳輸設備組成。（2）物理信道和邏輯信道① 物理信道：是指用來傳送信號或數據的物理通路。它是由信道中的實際傳輸介質與相關設備組成。2012年3月5日7第七頁，共53頁。2.1.1數據通信涉及的基本知識② 邏輯信道：是指在信號的接收端與發送端之間的物理信道上，同時建立的多條邏輯上的“連接”。（3）有線信道和無線信道根據傳輸介質是否有形，物理信道可以分為“有線信道”和“無線信道”。（4）模擬信道和數字信道按照信道中傳輸的數據信號的類型來分，物理信道又可以分為“模擬信道”和“數字信道”。（5）專用信道和公共交換信道如果按照信道的使用方式分；專用信道是一種連接用戶之間設備的固定線路，如銀行、海關等網絡。公共電話交換網和公共電視網等都屬于公共交換信道。2012年3月5日8第八頁，共53頁。2.1.1數據通信涉及的基本知識5. 數據單元在數據傳輸時，通常將較大的數據塊（如報文）分割成較小的數據單元（如，報文段、分組、數據幀），并在每一段數據上附加一些信息。這些數據單元及其附加的信息在一起被稱為“數據單元”；其中附加的信息通常有序號、收發雙方的地址、校驗碼等。網絡中使用的報文、報文段、分組和幀等都是數據傳輸過程中所使用的數據單元的邏輯稱謂。2012年3月5日9第九頁，共53頁。2.1.2通訊系統的主要技術指標1.傳輸速率S（比特率）傳輸速率“S”是指是指在信道的有效帶寬上，單位時間內所傳送的二進制代碼的有效位（bit）數。2.波形調制速率B（波特率）波特率是指調制后的模擬信號每秒鐘變化的次數，單位為Baud/s。若以T（秒）來表示每個波形的持續時間，則調制速率可表示為：3.比特率S和波特率B、n之間的關系其中，n為一個脈沖信號所表示的有效狀態數，參見表2-1。2012年3月5日10第十頁，共53頁。2.1.2通訊系統的主要技術指標波特率和比特率是兩個最容易混淆的概念。為了使讀者便于理解，表2-1給出了兩者之間的數值關系。兩者在實際應用中的區別與聯系，如圖2-2所示2012年3月5日11第十一頁，共53頁。2.1.2通訊系統的主要技術指標4.帶寬對于模擬信道帶寬是指物理信道的頻帶寬度，其本來是指信道允許傳送信號的最高頻率和最低頻率之差,單位為：Hz、kHz…。對于數字信道，人們說的“帶寬”是指在信道上能夠傳送的數字信號的速率，即數據傳輸速率S。此時帶寬的單位就是比特每秒（bit/s），表示為：bit/s、Kbit/s、Mbit/s等。5.信道容量信道容量是一個極限參數，一般是指物理信道上能夠傳輸數據的最大能力。6.帶寬、數據傳輸速率和信道容量的關聯在一些論述計算機網絡的中外文書籍中，這幾個詞經常被混用，并都用來描述網絡中的數據傳輸能力。2012年3月5日12第十二頁，共53頁。2.1.2通訊系統的主要技術指標7.誤碼率Pe（1）誤碼率Pe的定義誤碼率是指二進制碼元在傳輸中被傳錯的概率，即出錯率。式中：N為傳輸的二進制碼元總數，Ne表示在接收碼元中被傳錯的碼元數。（2）誤碼率的性質、獲取與實用意義①性質：傳輸的可靠性指標。②獲取：對某種通信信道進行大量重復測試求出信道的平均誤碼率。③采用差錯控制技術的意義：在使用普通通信信道傳輸數據時，物理信道本身的平均誤碼率不滿足可靠性指標的要求；必須采用差錯控制技術才能滿足計算機通信系統對可靠性指標“誤碼率”的要求。2012年3月5日13第十三頁，共53頁。2.2 數據通信過程中涉及的

主要技術問題①二進制編碼：A進行二進制編碼，得到二進制的數據“1000001”。②傳輸的信號類型：以數字信號表示，還是以模擬信號表示。③數據傳輸與通信方式：是采用“串行通信”方式還是“并行通信”方式？④同步技術：采用“同步通信方式”，還是“異步通信方式”？⑤多路復用技術：如，在同一電話線上是傳送一路信號，還是多路信號？⑥廣域網數據交換技術：如是采用線路交換方式，還是選擇存儲轉發技術？⑦差錯控制技術：實際的物理通信信道是有差錯的，為了達到網絡規定的可靠性技術指標，在差錯控制技術中采用了什么檢測和糾錯技術？2012年3月5日14第十四頁，共53頁。2.3 數據傳輸類型

及相應技術2012年3月5日15第十五頁，共53頁。2.3.1基帶傳輸與數字信號的編碼1.基帶、基帶信號和基帶傳輸數字信號被簡稱為“基帶信號”。在線路上直接傳輸基帶信號的方法稱為“基帶傳輸”方法。在基帶傳輸中，必須解決兩個基本問題，其一，基帶信號的編碼問題；其二，收發雙方之間的同步問題。2.數字信號的編碼用不同極性的電壓、電平值代表數字信號“0”和“1”的過程，稱為基帶信號的“編碼”；其反過程稱為“解碼”。3.非歸零（NRZ）編碼①編碼規則：如圖2-3（a）所示。圖中的NRZ編碼規則定義為：用負電壓代表數字“0”，正電壓代表數字“1”。2012年3月5日16第十六頁，共53頁。2.3.1基帶傳輸與數字信號的編碼2012年3月5日17第十七頁，共53頁。2.3.1基帶傳輸與數字信號的編碼②特點：優點是簡單、容易實現；缺點是同步需要單獨傳遞。③位同步：為了保證收、發雙方的按位同步，必須在發送同時，用另一個信道同時發送同步時鐘信號，參見圖2-3（a）。④應用：計算機串口與調制解調器之間使用的就是NRZ技術。4.曼徹斯特（Manchester）編碼①編碼規則：每比特的周期T分為前后兩個相等的部分。前半周期為該位值“反碼”對應的電平值，后半周期為該位值的“原碼”所對應的電平值。中間的電平跳變作為雙方的同步信號。②曼徹斯特編碼的特點和同步信號：中間電平跳躍，既代表了數字信號的取值，也作為自帶的“時鐘”信號。因此，這是一種“自含時鐘”的編碼方法。18第十八頁，共53頁。2.3.1基帶傳輸與數字信號的編碼③特點：優點是無需專門傳遞同步信號的線路，成本較低；曼徹斯特編碼的缺點是效率較低④應用：典型的10BASET等低速以太網使用的就是曼徹斯特編碼技術。5.差分曼徹斯特編碼①編碼規則：是遇“0”跳變，遇“1保持”，“中間跳變”。若本位值為“0”，則其前半個波形的電平與上一個波形的后半個的電平值相反。若本位值為“1”，則其前半個波形的電平與上一個波形的后半個電平值相同。②特點：優點是自含同步時鐘信號、抗干擾性能較好；缺點是實現的技術復雜。③同步信號：中間的電平跳變作為“同步時鐘”信號。2012年3月5日19第十九頁，共53頁。2.3.2頻帶傳輸與模擬信號的調制1.調制、解調與頻帶傳輸利用模擬信道實現數字信號傳輸的方法稱為“頻帶傳輸”。

在發送端將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為“調制”；

在接收端把模擬信號還原為數字信號的過程稱為“解調”同時具有調制與解調功能的設備被稱為“調制解調器”（modem）2.數字數據（信號）的調制在調制過程中，運載數字數據的“載波信號”可以表示為：其中，振幅A、角頻率ω、相位ψ是載波信號的3個可變電參量，它們是正弦波的控制參數，也稱為“調制參數”。20第二十頁，共53頁。2.3.2頻帶傳輸與模擬信號的調制3.幅度調制ASK①ASK調制規則：其應用參見圖2-4（a），數學表達式為：②ASK的特點：技術簡單，信號容易實現，但抗干擾的能力較差。4.頻率調制FSK①FSK調制規則：其應用參見圖2-4（b），數學表達式為：2012年3月5日21第二十一頁，共53頁。2.3.2頻帶傳輸與模擬信號的調制②FSK的特點：電路簡單，抗干擾能力強，但頻帶的利用率低，適用于傳輸速率較低的數字信號。5.兩相相位調制PSKPSK可以進一步分為絕對調相、相對調相和多相調相等。①PSK絕對調相：其應用參見圖2-4（c），數學表達式為：2012年3月5日22第二十二頁，共53頁。2.3.2頻帶傳輸與模擬信號的調制② PSK相對調相：其編碼規則為用當前波形的初始相位，相對于“前一個波形”的初始相位的偏移值來表示數字信號“0”、“1”，其應用參見圖2-4（d）。2012年3月5日23第二十三頁，共53頁。2.3.2頻帶傳輸與模擬信號的調制6.多相調相多相相位調制也有“相對調相”和“絕對調相”兩種。多相調制的狀態數n與傳輸的二進制比特位的數目m的關系：n＝2mm：波形每變化一次傳遞的二進制數字的比特位數目；n：波形的所有不同狀態數目。2012年3月5日24第二十四頁，共53頁。2.3.2頻帶傳輸與模擬信號的調制在四相調相中，相位波形每改變一次，便傳送兩個比特的數據，參見表2-2。同理，在八相調相中，每三個比特組成一組，那么一共有8種組合。這樣，載波調制波形的狀態每改變一次，便傳送3個比特的數據。四相調相、八相調相、16相調相中，各種相位的數據表示，參見表2-2、表2-3和表2-4。2012年3月5日25第二十五頁，共53頁。2.3.3 脈沖編碼調制方法1.脈沖編碼調制概述PCMPCM是模擬數據信號數字化采用的主要方法。（1）PCM的主要優點PCM技術抗干擾能力強、失真小、傳輸特性穩定；還可以采用壓縮編碼、糾錯編碼和保密編碼等來提高系統的有效性、可靠性和保密性；另外，PCM還可以在一個物理信道上使用“時分復用”技術傳輸多路信號。（2）PCM典型的應用-語音數字化在圖2-6所示語音數字化過程中，在發送端通過“PCM編碼器”將語音數據變換為數字化的語音信號，通過通信信道傳送到接收方；接收方再通過“PCM解碼器”還原成模擬語音信號。2012年3月5日26第二十六頁，共53頁。2.3.3 脈沖編碼調制方法2.PCM的工作原理脈沖編碼調制包括三部分：采樣、量化和編碼，參見圖2-7。2012年3月5日27第二十七頁，共53頁。2.3.3 脈沖編碼調制方法（1）采樣每隔一定的時間間隔，都要采集模擬信號的一個瞬時電平值做為樣本。采集時的間隔由采樣頻率Fs決定s滿足從采樣樣本重構原始信號的采樣定理表達公式如下:Fs(=1/Ts)≥2?Fmax或Fs≥2?Bs式中Ts：為采樣周期，單位：s（秒）。

Fs：為采樣頻率，單位：樣本/秒（次/秒）。

Fmax：為原始信號的最高頻率，單位：Hz（赫茲）。

Bs(=Fmax-Fmin)：為原始信號的帶寬，單位：Hz（赫茲）。例如，語音信道的帶寬近似為4KHz，則需要的采樣頻率為≥8000樣本/秒。（2）量化量化是指將取樣樣本的幅度，就是取整等級。在圖2-7中，將采樣值121.5、124.4、125.6等分別量化為122、124、126等。量化級可以分為8級、16級、32級…128級等量化級，主要取決于系統精確度的要求。2012年3月5日28第二十八頁，共53頁。2.3.3 脈沖編碼調制方法（3）編碼編碼就是量化后的整數變成一定位數的二進制數碼；即用一定位數的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。當有L個量化級時，則二進制的位數為m＝log2L。如，L=16時，則m＝log216＝log224＝4*log22＝4，則二進制編碼的位數為4。2012年3月5日29第二十九頁，共53頁。2.4 數據傳輸方式2012年3月5日30第三十頁，共53頁。2.4.1并行傳輸“并行傳輸”是指二進制的數據流以成組的方式，在多個并行信道上同時傳輸的方式。并行傳輸可以一次同時傳輸若干比特的數據，因此，從發送端到接收端的物理信道要安裝多條，如采用多根傳輸線路及設備，如圖2-8所示一般適用于短距離、傳輸速度要求高的場合。2012年3月5日31第三十一頁，共53頁。2.4.2 串行傳輸串行傳輸是指通信信號的數據流以串行方式，一位一位地在信道上傳輸，從發送端到接收端只需一條傳輸線路。在串行傳輸方式下，雖然，傳輸速率只有并行傳輸的幾分之一，如，圖2-9中所示的1/8。串行傳輸又有3種不同的方式：即單工通信、半雙工通信和全雙工通信。2012年3月5日32第三十二頁，共53頁。2.4.2 串行傳輸1.單工通信（雙線制）在單工通信中，信號在信道中只能從發送端A傳送到接收端B。理論上應采用“單線制”，而實際采用“雙線制”；因為，在實際中，需要用兩個通信信道，一個用來傳送數據，一個傳送控制信號，簡稱為“二線制”，參見圖2-10。例如：BP機。2012年3月5日33第三十三頁，共53頁。2.4.2 串行傳輸2.半雙工通信（雙線制+開關）在半雙工通信中，允許數據信號有條件雙向傳輸，但不能同時雙向傳輸，參見圖2-11。理論上應采用“單線制-開關”，而實際采用“雙線制+開關”，例如：使用無線電對講機。2012年3月5日34第三十四頁，共53頁。2.4.2 串行傳輸3.全雙工通信（四線制）全雙工通信中，允許雙方同時在兩個方向進行數據傳輸。理論上應采用“雙線制”，而實際采用“四線制”，參見圖2-12。例如：固定電話或移動電話。需要設置傳通信方式的設備有網卡、聲卡。2012年3月5日35第三十五頁，共53頁。2.5 數據傳輸中的同步技術2012年3月5日36第三十六頁，共53頁。2.5 數據傳輸中的同步技術在網絡通信過程中，通信雙方要交換數據，需要高度的協同工作。這種協調是靠交換數據的設備之間的定時機制實現的，這就是“同步”技術。同步技術需要解決的問題：何時開始發送數據？發送過程中雙方的數據傳輸速率是否一致？持續時間的長短是多少？發送時間間隔的大小是多少？為了避免收端與發端的失步，收端與發端的動作必須采取嚴格的同步措施。2012年3月5日37第三十七頁，共53頁。2.5.1 位同步要求傳輸的雙方能夠使用同一個時鐘信號進行二進制信號的發送與接收，這就是術語“位同步”的含義。實現時鐘信號位同步的技術有如下的“外同步”和“內同步”兩種：1.外同步-采用單獨的數據線傳輸時鐘信號傳輸雙方間，除了使用一根數據傳輸線外，還需要使用一根專門的時鐘傳輸線。這種采用單獨同步線的方法就被稱為“外同步”。這種方法適用于短距離、高速傳輸的場合。2.內同步-采用信號編碼的方法傳輸時鐘信號當數據傳輸距離較遠時，為了降低投資，除數據傳輸線外，不再專門鋪設專用的時鐘傳輸線路；而采用在傳輸數據信號時，同時傳遞位同步信號的方法，這種方法就是“內同步”法，如，曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。38第三十八頁，共53頁。2.5.2 字符同步采用“字符同步”技術用來保證收發雙方能夠正確傳輸每個字符或字符塊。采用的協調接收端與發送端收發動作的技術措施稱為“字符同步”技術。在“異步傳輸”和“同步傳輸”技術中，分別采用了“起始位/停止位”和“起始同步字符/終止同步字符”兩種字符同步方式。2012年3月5日39第三十九頁，共53頁。2.5.3 異步傳輸與同步傳輸1.異步傳輸方式（1）什么是異步傳輸方式？如圖2-13所示，在被傳送的字符前后加起止位，實現的同步傳輸方式。其特點是以一個個字符為單位進行數據傳輸的。如，計算機的串口com1與調制解調器之間的同步方式。（2）異步傳輸的工作特點異步傳輸是指發送信息的一端可以在任何時刻向信道發送信息而不管接收方是否準備好。接收方在收到“起始位”后，即可開始接收信息。（3）異步傳輸的應用特點①優點：不需嚴格位同步；設備簡單，技術容易，設備廉價，費用低。②缺點：每傳輸一個字符，都需要2到3位的附加位（成幀信息），浪費了傳輸時間，占用了信道的帶寬；具有傳輸速率低、開銷大，效率低的特點。40第四十頁，共53頁。2.5.3 異步傳輸與同步傳輸（4）異步傳輸的應用場合適用于低速通信設備和低速（如10~1500字符/每秒）通信的場合。如，常用在分時終端（或異步Modem）與計算機的通信。2.同步傳輸方式（1）什么是同步傳輸方式？大的數據塊是一起發送的，在數據塊的前后使用一些特殊的字符作為成幀信息；參見圖2-14。2012年3月5日41第四十一頁，共53頁。2.5.3 異步傳輸與同步傳輸（2）同步傳輸的工作特點由于同步傳輸大的字符塊一起傳送，因此接收端和發送端的步調必須保持高度一致。在同步傳輸中，不僅字符內部需要“位同步”來保證每位信號的嚴格同步；還要采用字符同步技術，以便在收發雙方之間保持同步傳輸。（3）同步傳輸的應用特點① 優點：效率比異步傳輸高，并具有較高的傳輸速度。② 缺點：線路效率較高，也因此加重了DCE（數據通信設備）的負擔。實現起來較復雜，同步裝置比異步裝置要貴很多。如：同步調制解調器就比異步調制解調器貴得多。（4）同步傳輸的應用場合同步傳輸方式，通常主要用在計算機與計算機之間的通信，智能終端與主機之間的通信，以及網絡通信等高速數據通信的場合。2012年3月5日42第四十二頁，共53頁。2.5.3 異步傳輸與同步傳輸3.同步與異步傳輸的區別①異步傳輸是面向字符傳輸的，而同步傳輸是面向比特傳輸的。②異步傳輸的單位是單個字符，而同步傳輸的單位是大的數據塊。③異步傳輸通過傳輸字符的“起止位”和“停止位”而進行收發雙方的字符同步，但不需要每位嚴格同步；而同步傳輸不但需要每位精確同步，還需要在數據塊的起始與終止位置，進行一個或多個同步字符的雙方字符同步的過程。④異步傳輸對時鐘精度要求較低，而同步傳輸則要求高精度的時鐘信號。⑤異步傳輸相對于同步傳輸有效率較低、速度低、設備便宜、適用低速場合等特點。43第四十三頁，共53頁。2.6 多路復用技術2012年3月5日44第四十四頁，共53頁。2.6.1多路復用技術概述1.多路復用技術的定義是指在同一傳輸介質上“同時”傳送多路信號的技術。因此，多路復用技術就是指在一條物理線路上，同時建立多條邏輯上的通信信道的技術。2.多路復用技術的實質和研究目的目標：如何在現有的通信介質和信道上提高利用率。（1）研究多路復用技術的原因與目的目的：就是充分利用已有傳輸介質的帶寬資源，減少新建項目的投資。（2）多路復用技術的實質與工作原理多路復用技術的實質就是共享物理信道，更加有效地利用通信線路帶寬資源。多路復用技術的組成結構參見圖2-15。2012年3月5日45第四十五頁，共53頁。2.6.1多路復用技術概述在發送端，將一個區域的多路用戶信息，通過多路復用器（MUX）匯集到一起；然后，將匯集起來的信息群，通過同一條物理線路傳送到接收設備的復用器。在接收端，通過多路復用器（MUX），接收到信息群，并負責分離成單個的信息，并將其一一發送給多個用戶。2012年3月5日46第四十六頁，共53頁。2.6.1多路復用技術概述3.多路復用技術的分類1）頻分多路復用：FDM。2）時分多路復用（靜態）：TDM；又稱為