第2章數據通信技術基礎內容2.1數據通信技術2.1.1模擬數據通信和數字數據通信2.1.2數據通信中的主要技術指標2.1.3通信方式2.2數據編碼技術和時鐘同步2.2.1數字數據的模擬信號編碼2.2.2數字數據的數字信號編碼2.2.3模擬信號的數字編碼2.2.4多路復用技術2.2.5異步傳輸和同步傳輸2.3數據交換技術2.3.1電路交換的工作原理2.3.2報文交換的工作原理2.3.3分組交換的工作原理2.3.4各種數據交換技術的性能比較2.4傳輸媒體2.4.1有線傳輸媒體2.4.2無線傳輸媒體2.4.3常用接口及其標準2.5差錯控制方法2.5.1差錯的產生原因及其控制方法2.5.2常見差錯控制編碼2.1數據通信技術

2.1.1數據通信和模擬通信傳輸系統輸入信息輸入數據發送的信號接收的信號輸出數據源點終點發送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號正文正文通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機幾個術語數據(data)——運送信息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。“模擬的”(analogous)——連續變化的。“數字的”(digital)——取值是離散數值。調制——把數字信號轉換為模擬信號的過程。解調——把模擬信號轉換為數字信號的過程。模擬的和數字的數據、信號模擬數據模擬信號放大器調制器模擬數據數字信號

PCM編碼器數字數據模擬信號調制器數字數據數字信號

數字發送器2.1.2主要技術指標數據通信的任務是傳輸數據,希望達到速度出錯率低、信息量大、可靠性高,并且既經濟又便于使用維護。

1.數據傳輸速率

數據傳輸速率--每秒傳輸二進制信息的位數，單位為位/秒，記作bps或b/s。任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。數字信號通過實際的信道失真不嚴重失真嚴重實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)2.信道容量

信道容量表示一個信道的最大數據傳輸速率，單位：位/秒(bps)奈氏(Nyquist)準則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

2

個碼元。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)香農公式信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。奈氏準則和香農公式

在數據通信系統中的作用范圍源系統傳輸系統目的系統傳輸系統源點終點發送器接收器輸入信息輸出信息輸入數據輸出數據發送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農公式的限制3.誤碼率

它是衡量數據通信系統在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。誤碼率公式：Pe=Ne/N

式中Ne為其中出錯的位數；

N為傳輸的數據總數。2.1.3通信方式數據通信可分為同步通信和異步通信兩大類：同步通信要求接收端時鐘頻率和發送端時鐘頻率一致。發送端發送連續的比特流。異步通信時不要求接收端時鐘和發送端時鐘同步。發送端發送完一個字節后，可經過任意長的時間間隔再發送下一個字節。

異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數據通信。并行通信方式

并行通信傳輸中有多個數據位，同時在兩個設備之間傳輸。串行通信方式

串行數據傳輸時，數據是一位一位地在通信線上傳輸的。串行通信的方向性結構

單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收信息。數字數據的傳輸方式基帶傳輸：不需調制，編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送。例如：以太網頻帶傳輸：數字信號需調制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調。例如：通過電話模擬信道傳輸寬帶傳輸：數字信號需調制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解調例如：閉路電視的信號傳輸早期：利用寬帶同軸電纜在0-300MHz的頻帶上傳輸信息的技術。現在:傳輸速率大于1Mb/s的廣域網接入技術。如ADSL,DDN2.2數據編碼技術和時鐘同步2.2.1數字數據的模擬信號編碼為了利用廉價的公共電話交換網實現計算機之間的遠程通信，必須將發送端的數字信號變換成能夠在公共電話網上傳輸的音頻信號，經傳輸后再在接收端將音頻信號逆變換成對應的數字信號。實現數字信號與模擬信號互換的設備稱作調制解調器(Modem)。調制解調器數據經過模擬傳輸系統后可能會出現差錯。出現差錯010010100還原后的數據t接收到的失真信號010011100t發送的基帶信號t采樣時刻對基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅ASK調頻FSK調相PSK調制解調器的作用調制解調器(modem)包括：調制器(Modulator)：把要發送的數字信號轉換為頻率范圍在300~3400Hz之間的模擬信號，以便在電話用戶線上傳送。解調器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉換為數字信號。調制器的主要作用就是個波形變換器，它把基帶數字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸的波形解調器的作用就是個波形識別器，它將經過調制器變換過的模擬信號恢復成原來的數字信號。若識別不正確，則產生誤碼。在調制解調器中還要有差錯檢測和糾正的設施。幾種最基本的調制方法調制就是進行波形變換（頻譜變換）。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

2.2.3模擬信號的數字編碼對模擬數據進行數字信號編碼的最常見例子是脈碼調制PCM(PulseCodeModulation),它常用于對聲音信號進行編碼

圖2-11

脈碼調制(PCM)原理

2.2.2數字數據的數字信號編碼1.數字數據的數字信號表示

a)單極性脈沖b)雙極性脈沖c)單極性歸零脈沖d)雙極性歸零脈沖e)交替雙極性歸零脈沖脈碼調制

PCM采樣周期Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原2.2.4多路復用技術多路復用技術就是把許多個單個信號在一個信道上同時傳輸的技術。FDMTDMCDMWDM頻分復用頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復用WDM波分復用就是光的頻分復用。復用器分用器

碼分復用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

2.2.5異步傳輸和同步傳輸異步傳輸方式中，一次只傳輸一個字符。每個字符用一位起始位引導、一位停止位結束。在沒有數據發送時，發送方可發送連續的停止位。接收方根據"1"至"0"的跳變來判斷一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。同步傳輸時，為使接收雙方能判別數據塊的開始和結束，還需要在每個數據塊的開始處和結束處各加一個幀頭和一個幀尾，加有幀頭、幀尾的數據稱為一幀。數據同步方式目的是使接收端與發送端在時間基準上一致(包括開始時間、位邊界、重復頻率等)。有三種同步方法：位同步字符同步幀同步數據同步方式為了讓計算機的各部件協調工作，需要靠時鐘對其分別定時和定序。接收和發送的時序協調也要靠時鐘定時，決定發送方每一位的起始和終止，接收方對信號的每一位的采樣取值和時間間隔。完全同步是不可能的。需要對每一個間隔，校對一次時間。我們將收發段校對時間稱為收發兩端的同步。一般在幀級、字節級和位級進行。1)位同步：位同步又稱同步傳輸，它是使接收端對每一位數據都要和發送端保持同步。實現位同步的方法可分為外同步法和自同步法兩種。

外同步——發送端發送數據時同時發送同步時鐘信號，接收方用同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。

自同步——通過特殊編碼(如曼徹斯特編碼,詳見馮P462.4)，這些數據編碼信號包含了同步信號，接收方從中提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。2)字符同步：可分為異步制和同步制；以字符為邊界實現字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個字符的傳輸需要：1個起始位、5～8個數據位、1，1.5，2個停止位。（如圖3所示）－同步制：同步傳輸時，不是以字符為單位的，而是面向成組傳遞。它在一組信息的開頭和結尾有開始和結束傳遞的信息位。3)幀同步：識別一個幀的起始和結束。

△幀(Frame)數據鏈路中的傳輸單位——包含數據和控制信息的數據塊。

△面向字符的——以同步字符(SYN，16H)來標識一個幀的開始，適用于數據為字符類型的幀。2.3數據交換技術數據經編碼后在通信線路上進行傳輸，按數據傳送技術劃分，交換網絡又可分為電路交換網、報文交換網和分組交換網。2.3.1電路交換傳統的數據交換方式有電路交換和存儲交換。電路交換電路交換要經過3個階段建立通路傳輸數據撤消通路主機B主機C主機D結點A結點B結點E結點F結點G結點C結點D通信子網主機A

電路交換:三個過程

1)電路建立：在傳輸任何數據之前，要先經過呼叫過程建立一條端到端的電路。若主機B要與主機C連接，主機B先向與其相連的B節點提出請求，然后B節點在通向C節點的路徑中找到下一個支路。比如C節點選擇經E節點的電路，在此電路上分配一個未用的通道，并告訴E它還要連接G節點；E再呼叫G，建立電路BCEG，最后，節點G完成到主機B的連接。這樣主機B與主機C之間就有一條專用電路BCEG，用于主機B與主機C之間的數據傳輸；2)數據傳輸：電路BCEG建立以后，數據就可以從B發送到C，再由C交換到E；E經G發送數據。在整個數據傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態。3)電路拆除：數據傳輸結束后，由某一方（B或G）發出拆除請求，然后逐節拆除到對方節點。建立信道撤消信道數據傳輸

BCEG呼叫請求撤消呼叫呼叫應答撤消應答報文或分組應答電路交換的特點

1)由于需要建立連接過程，建立連接需要時間，因此適合傳輸大量數據，而傳輸少量數據時效率不高。

2)連接一旦建立，便可以固定的速率傳輸數據，除了傳輸延遲外，不再有別的延遲。

3)一旦連接成功，就建立了一條臨時專線，即使不通信，他人也不可使用。缺點:

線路的利用率比較低不適合少量的突發性數據的傳輸要求收發雙方不“忙”，有相同的數據傳輸速率不能完成編碼格式、通信規程等方面的轉換中間節點不具備差錯控制能力當網絡通信量很大時，會使線路的連接失敗優點:傳輸的實時性好，適合實時性要求高的交互式信息的傳輸。存儲轉發交換分為報文交換和報文分組交換特點信道的利用率高可以對數據單元進行差錯檢查和糾正每個節點可以動態選擇路徑，不存在呼叫失敗可以平衡網絡的流量分布，提高網絡的整體性能沒有呼叫請求的等待時間，對于數據量小和突發性數據的傳輸有比較高的效率節點可以進行數據編碼、傳輸速率的轉換等工作每個節點要有一定的處理和存儲能力實時性比電路交換差2.3.2報文交換的工作原理報文（Message）交換方式的數據傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限且可變。當一個站要發送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，網絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐個節點地轉送到目的節點。在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉發出去，一級一級中轉，直到目的地。這種數據傳輸技術即存儲-轉發（store-and-forwardswitching）。缺點：報文大小不一，造成存儲管理復雜。大報文造成存儲轉發的延時過長；出錯后整個報文全部重發。2.3.3分組交換分組交換也稱包交換，它是將用戶傳送的數據劃分成一定的長度，每個部分叫做一個分組。在每個分組的前面加上一個分組頭，用以指明該分組發往何地址，然后由交換機根據每個分組的地址標志，將他們轉發至目的地，這一過程稱為分組交換。分組交換技術包括數據報分組（datagram）和虛電路（virtualcircuit）分組兩種方式。優點：對轉發節點的存儲要求較低，可以用內存來緩沖分組——速度快；轉發延時小——適用于交互式通信；某個分組出錯可以僅重發出錯的分組——效率高；各分組可通過不同路徑傳輸，容錯性主機A通信子網主機D數據報方式主機C主機B數據報方式數據報分組交換原理與特點

在數據報分組交換中，每個分組的傳送是被單獨處理的。每個分組稱為一個數據報，每個數據報自身攜帶足夠的地址信息。一個節點收到一個數據報后，根據數據報中的地址信息和節點所儲存的路由信息，找出一個合適的出路，把數據報原樣地發送到下一節點。由于各數據報所走的路徑不一定相同，因此不能保證各個數據報按順序到達目的地，有的數據報甚至會中途丟失。整個過程中，沒有虛電路建立，但要為每個數據報做路由選擇。適合于突發性通信，不適合于長報文通信主機A主機C通信子網主機D虛電路方式主機B虛電路方式虛電路分組交換原理與特點

在虛電路分組交換中，為了進行數據傳輸，網絡的源節點和目的節點之間要先建一條邏輯通路。每個分組除了包含數據之外還包含一個虛電路標識符。在預先建好的路徑上的每個節點都知道把這些分組引導到哪里去，不再需要路由選擇判定。最后，由某一個站用清除請求分組來結束這次連接。它之所以是“虛”的，是因為這條電路不是專用的。虛電路分組交換的主要特點是：在數據傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路。但并不像電路交換那樣有一條專用通路，分組在每個節點上仍然需要緩沖，并在線路上進行排隊等待輸出。報文分組交換特點減少了延遲出現誤碼后，只重發有誤碼的分組在接收下一個分組的同時，就可以轉發上

一個分組，提高了吞吐量由于分組比較短，可以存儲在內存中，減

少了存儲時間技術實現比較復雜快速分組交換

包括幀中繼（FrameRelay）和異步傳輸模式（ATM）。在第五章詳述。2.4傳輸媒體傳輸媒體是通信網絡中發送方和接收方之間的物理通路，計算機網絡中采用的傳輸媒體分有線和無線兩大類。導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜內導體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套--螺旋絞合的雙導線，

≈1mm--每根4對、25對、1800對--典型連接距離100m（LAN）--連接部件：RJ45插座、插頭--優缺點：成本低密度高、節省空間安裝容易（綜合布線系統）平衡傳輸（高速率）抗干擾性一般連接距離較短由兩根彼此絕緣、相互纏繞成螺旋狀的銅線組成。纏繞的目的是減少電磁干擾，提高傳輸質量。●雙絞線屏蔽雙絞線

(STP，ShieldedTwistedPair)以鋁箔屏蔽以減少

干擾和串音3類、5類、6類（16M、155M、1200M）雙絞線外沒有任何附加屏蔽屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTwistedPair)●同軸電纜基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個信道，特性阻抗為50

，用于數字傳輸寬帶同軸電纜

一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，特性阻抗為75

，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器

銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套由內外兩個導體組成，內導體是一根金屬線，外導體是一根柱形的套管，一般是金屬線編織成的網狀結構，內外導體之間有絕緣層。基帶同軸電纜分為：

細纜

--阻抗：50

，D=1.02cm，傳輸速率：10Mbps

--單段距離：185m、4中繼、5段（925m）

--兩站點間最短距離0.5m，每段最多站點數30

--優缺點：價格低 安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator）

抗干擾能力強 距離短 可靠性差

粗纜

--阻抗：50

，D=2.54cm，傳輸速率：

10Mbps--單段距離：

500m、4中繼、5段（2500m）

--優缺點：價格稍高 安裝方便（收發器、收發器電纜、Terminator）

抗干擾能力強 距離中等

可靠性好

同軸電纜用于10Base2LAN細同軸電纜，可靠性稍差

BNCT型接頭連接

總線型拓撲用于辦公室LAN細纜BNC接頭NIC每段最大長度185m每段最多站點數30兩站點間最短距離

0.5m網絡最大跨度

925m網絡最多5個段

粗纜在10Base5LAN中的應用粗同軸電纜，可靠性好，抗干擾能力強收發器

:發送/接收,沖突檢測,電氣隔離AUI:連接件單元接口總線型拓撲用于網絡骨干連接最大段長度500米每段最多站點數100兩站點間最小距離2.5米

粗纜VampiretapBNC端子收發器AUI電纜NIC網絡最大跨度

2.5公里

插入式分接頭●光纖纖細、柔韌、能夠傳導光信號的媒體。特點：依靠光波承載信息速率高，通信容量大帶寬:25000~30000GHz

僅受光電轉換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好，保密性好輕便光纖傳輸原理——利用了光的反射

光從一種介質入射到另一種介質時會產生折射。折射量取決于兩種介質的折射率。當入射角≥臨界值時產生全反射，不會泄漏。

光纖：纖芯-折射率高、玻璃包層-折射率低

亮度調制，有脈沖-1，無脈沖-0

光傳輸系統：光源、介質、光檢測器 光源:850nm/1300nm/1500nm

發光二極管/激光二極管

介質:光纖 光檢測器:光電二極管PIN/雪崩二極管APD

單向傳輸，雙向需兩根光纖光線在光纖中的折射折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖●典型的光纜玻璃封套塑料外套玻璃內芯單芯光纜多芯光纜玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼常見規格：玻璃內芯——50um緩變型MMF 62.5um緩變/增強型MMF 8.3um突變型SMF

玻璃包層——125um非導向傳輸媒體無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛星通信

無線電固定終端點（基站）和終端之間是無線鏈路BS基站用戶計算機和終端BS基站覆蓋的無線電區域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的頻率地面微波接力頻率：100MHz—10GHz兩個地面站之間傳送可視范圍距離：50-100km速率低，幾百kb/s地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔地球同步衛星與地面站相對固定位置使用3個衛星覆蓋全球傳輸距離遠傳輸延遲時間長36,000公里地球常用傳輸媒體的比較2.4.3常用接口及其標準在數據通信、計算機網絡以及分