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第二章 数据通信基础

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第二章 数据通信基础. 2.1  数据通信概念 2.2  数据调制与编码 2.3  数据通信技术 2.4  数据交换技术 2.5  光纤通信 2.6  差错控制技术. §2. 1 数据通信概念. 一、基本概念 1. 信息( Information )  信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。为了传送信息,必须对信息中所包含的每一个字符进行编码。因此,用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是编码。. §2. 1  数据通信概念. 2. 常用的二进制代码

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第二章 数据通信基础


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第二章 数据通信基础
  • 2.1 数据通信概念
  • 2.2 数据调制与编码
  • 2.3 数据通信技术
  • 2.4 数据交换技术
  • 2.5 光纤通信
  • 2.6 差错控制技术

计算机工程系吕学松

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§2. 1数据通信概念
  • 一、基本概念

1.信息(Information)

 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。为了传送信息,必须对信息中所包含的每一个字符进行编码。因此,用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是编码。

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§2. 1 数据通信概念

2.常用的二进制代码

目前最常用的二进制编码标准为美国标准信息交换码。ASCII码用7位二进制数来表示一个字母、数字、控制字符或符号。任何信息都可以用ASCII码来表示。

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§2. 1 数据通信概念

3.数据(data)和信号(Signal)

 在二进制码代码的传输过程中,网络中所传输的二进制代码被称为数据(data),它是传递信息的载体。数据仅涉及事物的表示形式,而信息则涉及到这些数据的内容和解释。

信号(signal)是数据在传输过程中的电磁波表示形式。通常,将数据的表示方式分为数字信号和模拟信号两种。

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§2. 1 数据通信概念

数字信号和模拟信号

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§2. 1 数据通信概念

4. 数据传输速率S(比特率)和波形调制速率B(波特率)

   (1)比特率S

   比特率是指在有效带宽上,单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。S用比特每秒为b/s、千比特每秒kb/s、兆比特每秒Mb/s、吉比特每秒Gb/s等单位来表示。

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   (2)波特率B

   波特率是一种调制速率,它是指数字信号经过调制后的速率,即经调制后的模拟信号每秒钟变化的次数。在数据传输过程中,1Baud就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。若以T(秒)来表示每个波形的持续时间,则调制速率可以表示为:

= (波特)

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§2. 1 数据通信概念

 比特率和波特率之间有下列关系:

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§2. 1 数据通信概念

其中,n为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二相调制中,n=2,故S=B,即比特率与波特率相等。但在更高相数的多相调制时,S与B就不相同了,参见下表。

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波特率B(Baud)

1200

1200

1200

1200

多相调制的相数

二相调制(n=2)

四相调制(n=4)

八相调制(n=8)

十六相调制 (n=16)

比特率S(b/s)

1200

2400

3600

4800

§2. 1 数据通信概念

表2-1 比特率和波特率之间的关系

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§2. 1 数据通信概念

波特率(调制速率)和比特率(数据传输速率)的区别与联系,参见下图。

比特率和波特率的区别

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§2. 1 数据通信概念

5.带宽

   带宽是指物理信道的频带宽度,单位为赫兹(Hz)、千赫(kHz)和兆赫(MHz)。

6.信道容量

   信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。

7. 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号实际传输能力的指标。

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§2. 1 数据通信概念

8.误码率Pe

  (1)误码率Pe的定义

 误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率,又称为“出错率”,其定义式如下:

Pe

 式中:N为传输的二进制位的总数,Ne表示被传错的比特数。

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§2. 1 数据通信概念

9. 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)ms、微秒(10-6)μs等。

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§2. 1数据通信概念
  • 二、数据通信模型

1. 点对点通信模型

    (1)单工(Simplex)

   在单工模式下,数据传输的流向仅允许单方向传输。如下图所示:

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   (2)半双工(Half-Duplex;HDX)

   在半双工模式下,数据传输的流向允许做双向的传输,但在同一时间只有单一方向的数据可传输,也就是说,半双工无法在同一时间,做双向的数据传输。

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   (3)全双工(Full-Duplex;FDX)

   与前面两种模式相比,全双工模式可提供双向同时的数据传输。

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2. 多点共享信道通信模型

   总线型网络利用一总线(BUS)作为所有节点的共同信道,其传输信息的方向为双向,当要新增节点时,只要将节点接到最近的BUS上即可。

3. 数据通信的任务

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§2.2 数据调制与编码

调制与编码简介

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一、模拟信号与数字信号

1. 模拟信号(Analog)

   模拟信号是连续变化的电磁波,一般是指电压(或电流)与时间之间的关系。如下图所示:

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  模拟信号的波形以三个部分来表达:
  • 振幅:用来表示波形大小的变化
  • 频率:用来表示每秒波形重复的次数
  • 相位用来表示波形在单一周期内的时间位置

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2.数字信号

   数字信号是由一连串的脉冲所组成,这些脉冲称为“位”,也就是以“0”、“1”两个值来传送。下面是三种基本的数字信号类型:

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调幅(AM)

调频(FM)

调相(PM)

Analog Data模拟数据

Analog Signal模拟信号

幅移键控调制(ASK)

频移键控调制(FSK)

相移键控调制(PSK)

Digital Data数字数据

Analog Signal模拟信号

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二、模拟数据模拟信号

1.振幅调制(AM)

2.频率调制(FM)

3.相位调制(PM)    

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三、数字数据模拟信号

1.幅移键控调制(ASK)

2.频移键控调制(FSK)

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3.相移键控调制(PSK)

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PAM

PWM

PPM

PNM

PCM

Analog Data模拟数据

Digital Signal数字信号

NRZ

NRZI

Manchester

DifferentialManchester

Digital Data数字数据

Digital Signal数字信号

各种编码方法

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三、模拟数据数字信号
        • 脉冲振幅调制(PAM)
        • 脉冲宽度调制(PWM)
        • 脉冲位置调制(PPM)
        • 脉冲数量调制(PNM)
        • 脉冲码调制(PCM)

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PCM处理信号的三个基本步骤:

1. 采样

2. 量化

3. 编码

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无压缩扩展(Companding)

有压缩扩展(Companding)

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四、数字数据数字信号

1.NRZ:不归零(Nonreturn to Zero)编码

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2.RZ:归零(Return to Zero)编码

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3.Manchester:曼彻斯特编码

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4.Differential Manchester:微分曼彻斯特编码

(注)0:一开始就变换电平,经过中间间隔再换一次电平。1:一开始保持和前面相同电平,经过中间间隔,换一次电平。

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6.Duobinary:双二进制编码

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§2. 3数据通信技术
  • 一、数据传送方式

1.串行通讯(serial communication)

   在传送数据时,是依序送出或接收一个bit。

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2.并行通讯(parallel communication)

   在并行通讯中,数据是在同一时间内,由多条数据线传送与接收。

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二、数据同步方式

1.异步传输(Asynchronous)

   异步传输异一次传送一个字符,因此又称字符异向传输。

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2.同步传输(Synchronous)

   在同步传输模式下,数据的传送是以一个数据区块为单位,因此同步传输又称区块传输。在传输数据时,需先送出2个同步字符,然后再送出整批的数据,如下图:

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3.多路复用技术

   多路复用技术的主要目的在于将多个低速的传输电路,经一高速的传输信道,再连接至其它的设备。

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TDM:各输入端,无论数据有无,皆占一时槽,因此会有闲置的空时槽。

STDM:有数据的输入端才分配时槽,因此没有空时槽。

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4. 数据通信系统的主要质量指标

   (1)模拟通信系统的质量指标

  • 有效性
  • 可靠性

   (2)数据通信系统的质量指标

  • 比特率和波特率
  • 数据传输的质量

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§2. 4数据交换技术
  • 一、电路交换(Circuit-Switched Network)

三个步骤:

  • 建立电路
  • 数据传送
  • 切断电路

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2.Virtual circuit(虚拟电路)

1.Datagram(数据报)

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§2. 5光纤通信
  • 一、光纤通信基础

   光通信与电通信有两点差异:一是传输信号;二是介质

1. 光纤通信的特点

优点:

        • 传输频带宽
        • 损耗低
        • 不受电磁干扰
        • 线径细、重量轻
        • 抗化学腐蚀

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2. 光纤通信的基本原理(略)
  • 二、光纤通信编码(略)

1. mBnB码(m位n位码)

2. 插入比特码

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§2. 6差错控制技术
  • 一、差错控制方法

1. 自动请求重发ARQ

2. 向前纠错系统

  • 二、差错检测码

1. 奇偶检验码

        • 水平奇偶检验
        • 垂直奇偶检验
        • 垂直水平奇偶检验

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2. 循环冗余校验码

CRC的原理:假设要传送的信息有X个位,则发送端会自动加上N个位的帧检查序列FCS,然后再传送出去。因为这K+N个位可以被某个事先设定好的数整除,故在接收端接收到K+N位数据后,用事先设定好的数来除,若余数等于0,则数据传送正确,否则传送有误。

D(x)为要传送的数据位,D(x) ×24以逻辑除以数学公式G(x)的系数,得到余数R(x),然后将D(x)和R(x)合并为T(x),用T(x)传送到接收端,于接收端再除以G(x)的系数,若得到的余式为0,则表示传输过程无误,若余式不为0,则表示传输过程有错误。

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在此以下面的例子来说明:1. 取G(x)的系数

1. 取G(x)的系数

2.

3.

逻辑除

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slide61

4.

合并

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slide62
5. 假设接收到的信息

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