第二章數據通信基礎

廣東職業技術學院李正淳QQ:276124912手機錄計算機網絡的發展過程1數據的基本概念及主要指標2常見傳輸介質及特性2.1數據編碼技術1.3數據傳輸技術1.4數據編碼技術2.3數據傳輸技術2.4數據交換技術2.5差錯控制與檢測2.6目錄2.1基本概念

2.1.1信息、數據與信號

2.1.2數據傳輸類型與通信方式

2.1.3數據通信中的主要技術指標 2.2常見傳輸介質及特性

2.2.1傳輸介質的主要類型、

2.2.2同軸電纜

2.2.3雙絞線

2.2.4光纖

2.2.5無線通信2.3數據編碼技術

2.3.1數據編碼類型

2.3.2數字數據的模擬信號編碼方法

2.3.3數字數據的數字信號編碼方法

2.3.4模擬數據的數字信號編碼方法

2.4數據傳輸技術

2.4.1傳輸方式

2.4.2同步技術

2.4.3多路復用技術 2.5數據交換技術

2.5.1電路交換

2.5.2存儲轉發交換

2.5.3其他高速交換技術 2.6差錯控制與檢測

2.6.1差錯的產生

2.6.2差錯控制方法學習目標:1）了解并識記數據通信的基本概念2）理解并掌握數據編碼的類型和基本方法3）掌握數據通信的主要技術指標及計算4）掌握多路復用技術的分類和特點5）理解數據交換技術的分類和特點6）識記差錯控制和檢測的基本概念2.1基本概念信息人對現實世界事物存在方式或運動狀態的某種認識表示信息的形式可以是數值、文字、圖形、圖像、聲音等數據把事件的某些屬性規范化后的表現形式信號是數據的具體的物理表現。在傳輸前，信息必須轉換成物理信號。信息→數據→信號→在信道上傳輸→信號→數據→信息數據編碼調制解調數據解碼01000001“A”01000001“A”信道信息編碼信息解碼2.模擬信號和數字信號tta)模擬信號b)數字信號2.1.1信息、數據與信號2.1.2數據傳輸類型與通信方式1.數據傳輸類型模擬傳輸和數字傳輸（1）模擬信號的模擬傳輸（2）模擬信號的數字傳輸

2.1.2數據傳輸類型與通信方式（4）數字信號的數字傳輸

（3）數字信號的模擬傳輸

2.1.2數據傳輸類型與通信方式信息通過數據通信系統進行傳輸的過程把攜帶信息的數據用物理信號形式通過信道傳送到目的地信息和數據（二進制位）不能直接在信道上傳輸編碼：數據→適合傳輸的數字信號——便于同步、識別、糾錯調制：數字信號→適合傳輸的形式——按頻率、幅度、相位解調：接收波形→數字信號解碼：數字信號→原始數據信息→數據→信號→在信道上傳輸→信號→數據→信息數據編碼調制解調數據解碼01000001“A”01000001“A”信道信息編碼信息解碼2.1.2數據傳輸類型與通信方式2.1.2數據傳輸類型與通信方式1．串行通信串行通信中的物理信道只有一條，信號的傳輸一位一位地進行。這種傳輸的特點是：數據傳輸速率較慢，節省通信線路，適合于遠距離傳輸。2．并行通信并行通信中的物理信道有若干條，可以同時傳輸若干位的數據。這種傳輸的特點是：數據傳輸速率較快，需要多條通信線路，適合于近距離高速傳輸。

數據通信的方式按使用的信道數，分為串行和并行通信。

并行傳輸

串行傳輸傳輸方式圖

2.1.2數據傳輸類型與通信方式優點：因為只需要一條通信信道，串行傳輸的費用大約只是并行傳輸的n分之一。

因為在設備內部的傳輸是并行的，所以在發送端和線路之間以及接收端和線路之間的接口上，都需要有轉換器（前者是并/串轉換，后者是串/并轉換）。

串行通信2.1.2數據傳輸類型與通信方式并行通信機制：一次使用n條導線來傳輸n個比特，每個比特都使用專用的線路，而一組中的n個比特就可以在每個時鐘脈沖從一個設備傳輸到另一個設備。

優勢：速度缺點：費用高

2.1.2數據傳輸類型與通信方式數據通信按信號傳送方向與時間，分為單工、半雙工、全雙工單向通信（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。2.1.2數據傳輸類型與通信方式單工、半雙工與全雙工通信

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無線電傳播器雙向交替通信（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電話線、計算機通信2.1.2數據傳輸類型與通信方式信號傳輸速率B--每秒傳輸的碼元數，單位為波特，記作Baud。也稱波特率。 計算公式:B=1/T(Baud)

......⑴

式中T為信號碼元的寬度，單位為秒．數據傳輸速率S--每秒傳輸二進制信息的位數，單位為位/秒，記作bps。

計算公式:S=1/T*log2N(bps)

......⑵

式中T為一個碼元信號的寬度，單位為秒；

N為對一個碼元編碼采樣的離散值的個數；

log2N為每個碼元的bit數。 數據傳輸速率也稱比特率。波特率與比特率t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號碼元（Codecell）：時間軸上一個信號的編碼單元。T2.1.3數據通信中的主要技術指標

信道容量（信道最大數據傳輸速率）

信道容量：一個信道的最大數據傳輸速率，單位：位/秒(bps)

信道容量與數據傳輸速率的區別：信道容量表示信道的最大數據傳輸速率，是信道傳輸數據能力的極限；數據傳輸速率是實際的數據傳輸速率。像公路上的最大限速與汽車實際速度的關系一樣。影響信道容量的主要因素是噪音。

2.1.3數據通信中的主要技術指標誤碼率

誤碼率Pe是傳送中數據出錯的概率，也稱為“出錯率”，它是通信系統中衡量系統傳輸可靠性的重要指標。設傳輸的數據碼元總數為N，出錯的位數為Ne，則誤碼率為：

Pe=Ne/N2.1.3數據通信中的主要技術指標2.2常見傳輸介質及特性有線介質同軸電纜雙絞線光纖無線介質微波（大地微波、衛星微波）無線電衛星移動通信2.2.1同軸電纜基帶同軸電纜：用于傳輸數字信號阻抗50，有粗纜和細纜兩種應用：總線局域網（以太網）性能：10Mb/s寬帶同軸電纜傳輸模擬信號，在CATV中使用。被分為多個信道，可以傳輸電視、數據。銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套2.2.2雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)非屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

銅線聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層屏蔽雙絞線STP銅線聚氯乙烯套層絕緣層無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應用廣泛2.2.3光纖2.2.3光纖高折射率(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光纖的工作原理光纖：性能最好，應用前途最廣泛的傳輸介質。利用折射定律和全反射規律，傳播光信號。低損耗、高帶寬、高數據傳輸速率、安全性好。光纖的特點優點高帶寬、高數據傳輸率抗電磁干擾強，數據傳輸安全、可靠抗腐蝕衰減小缺點單向傳輸光纖接口價格昂貴工藝復雜、安裝技術復雜2.2.4無線通信無線通信介質：常用的有微波、紅外線和可見光。無線通信系統有：微波通信、蜂窩移動通信和衛星通信。

微波只能沿直線傳播，在地面一般采用點對點方式通信。

蜂窩移動通信是廣播式傳輸，采用多址接入技術區分用戶。衛星通信覆蓋面積大，通信距離遠，通信費用和距離無關，有傳輸延遲。微波通信通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50～100km速率：每信道45Mb/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三顆衛星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長（≈270ms）廣播式傳輸應用領域：電視傳輸長途電話專用網絡廣域網35,784km地球衛星通信覆蓋面積大，通信距離遠，通信費用和距離無關，有傳輸延遲。2.3數據編碼技術2.3.1數據編碼類型數字數據的模擬信號編碼。主要用于數字信號的模擬傳輸。數字數據的數字信號編碼。主要用于數字信號的數據傳輸。模擬數據的數字信號編碼。主要用于模擬信號的數字傳輸。語音移頻,調制模擬數字模擬模擬PCM編碼數字數字數字編碼數字模擬數據，模擬信號（書上沒有）數字數據，模擬信號數字數據，數字信號模擬數據，數字信號10101010調制2.3.1數據編碼類型2.3.2數字數據的模擬信號編碼方法幅移鍵控ASK（AmplitudeShiftKeying）：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。

頻移鍵控FSK（FrequencyShiftKeying）：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。相移鍵控PSK（PhaseShiftKeying）：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。載波信號S(t)=Acos(t+)

S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、初相位調制就是要使A、或隨數字基帶信號的變化而變化幾種最基本的調制方法振幅鍵控ASK：用載波的兩個不同振幅表示0和1移頻鍵控FSK：用載波的兩個不同頻率表示0和1移相鍵控PSK：用載波的起始相位的變化表示0和100110100010ASKFSKPSK基帶信號2.3.2數字數據的模擬信號編碼方法2.3.3數字數據的數字信號編碼方法頻帶傳輸頻帶傳輸是指利用模擬通信信道通過調制解調器傳輸模擬數據信號的方法。將基帶信號變換（調制）成具有較高頻率范圍的頻帶信號適用于遠距離傳輸電話通信信道。基帶傳輸系帶傳輸時在基本不改變數字數據信號頻帶（波形）的情況下直接傳輸數字信號。編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送基帶傳輸中常用的編碼方式NRZ(Non—ReturntoZero)高電平代表“1”，低電平代表“0”(用正電壓表示數據“1”，負電壓表示數據“0”，即所謂的“雙極性”編碼；).電壓無需回到零值，故稱“非歸零碼”曼徹斯特編碼每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數據信號；從低到高跳變表示“0”，從高到低跳變表示“1，常用于以太網。差分曼徹斯特編碼每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示“0”或“1”，有跳變為“0”，無跳變為“1”。常用于令牌環網

2.3.3數字數據的數字信號編碼方法不歸零碼(NRZ)曼徹斯特碼差分曼徹斯特碼曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼起始有跳變起始無跳變2.3.3數字數據的數字信號編碼方法NRZ碼特點：（1）簡單（2）編碼中不包含同步信息（3）連續多個“0”或“1”到來時，不容易區分（4）存在直流分量曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼特點（1）自帶時鐘（2）利用跳變容易判斷“0”和“1”（3）無直流分量（4）傳輸效率低一半。2.3.3數字數據的數字信號編碼方法2.3.4模擬數據的數字信號編碼方法要轉換的模擬數據主要是電話語音信號，模擬數據要在數字線路上傳輸，必須將其轉換成數字信號。采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為F，若以≥2F的采樣頻率對其采樣，則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。PCM編碼：采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣量化：把每個樣本舍入到最接近的量化級別上編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號（PulseCodedModulation，脈碼調制）。語音帶寬f<4kHz采樣時鐘頻率：8kHz（>2倍語音最大頻率）樣本量化級數：256級（8b/每樣本）數據率：8000次/s×8b=64kb/s每路PCM信號的速率=64kb/s模擬語音信號采樣時鐘PCM信號采樣電路量化和編碼數字化語音信號f<4kHzfs=8kHz語音信號的數字化2.3.4模擬數據的數字信號編碼方法PCM編碼過程舉例

語音信號011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100

PCM信號（有量化誤差）3.23.92.83.41.24.2

PAM信號2.3.4模擬數據的數字信號編碼方法2.4數據傳輸方式基帶傳輸方波固有的頻率稱為基帶，方波信號稱為基帶信號。在信道上直接傳送數據的基帶信號稱為基帶傳輸（編碼解碼器）。應用之一：計算機與外設之間的通信。頻帶傳輸是指數字信號調制成音頻信號后再發送和傳輸，到達接收端后把音頻信號解調成原來的數字信號。（調制解調器）。通信方式之一：電話交換網。寬帶傳輸寬度傳輸是頻帶寬度較寬的信息傳輸方式。頻帶寬度0ＭＨＺ～4００ＭＨＺ。頻帶劃分為若干個子頻帶，分別用來傳送音頻信號，視頻信號以及數字信號。計算機內的信息是由“0”和“1”組成數字信號，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號。于是，當兩臺計算機要通過電話線進行數據傳輸時，就需要一個設備負責數模的轉換。這個數模轉換器就是Modem。計算機在發送數據時，先由Modem把數字信號轉換為相應的模擬信號，這個過程稱為“調制”。經過調制的信號通過電話載波傳送到另一臺計算機之前，也要經由接收方的Modem負責把模擬信號還原為計算機能識別的數字信號，這個過程稱為“解調”。正是通過這樣一個“調制”與“解調”的數模轉換過程，從而實現了兩臺計算機之間的遠程通訊。調制解調器調制解調器調制解調器2.4數據傳輸方式移頻方式的調制解調器工作原理2.4數據傳輸方式2.4.2同步技術同步，就是要求通信的接收端要按照發送端所發送的每個比例的重復頻率已經起止時間來接收數據，即收發雙方在時間基準上保持一致。1．位同步(Synchronous)

位同步是指接收端對每一位數據都要和發送端保持同步。位同步有外同步法與自同步法兩種。（1）外同步法：外同步法是指接收端的同步信號是先由發送端發過來的，而不是自己產生的，也不是從信號中提取出來的。（2）自同步法：能從數據信號中提取同步信號的方法稱自同步法。典型的自同步法是曼徹斯特編碼信號的接收，2.4.2同步技術為解決串行通信的發送和接收問題1.單詞“Hello”被編碼，然后被發送。每8位信息描述一個字符。成功發送后，“Hello”將到達它的目的地接收設備C+CCX接收設備傳輸設備傳輸設備3.被接收設備丟失的3位4.當起始3位丟失，接收設備認為其次的8位為一個ASCII碼，字母“H”的后5位和字母“e”的前3位是01000011或字母“C”2.如果接收設備丟失數據的最初3位，消息將變得混淆2.4.2同步技術位同步大多數發生在計算機主板上的通信都是同步的；然而，兩臺微機之間的通信很少使用同步協議。采用同步協議，發送者和接收者通過時鐘信號同步。發送計算機以固定的速度發送數據，并且接收計算機希望數據以同樣的速度接收數據·同步字符常記作SYN，其8位編碼為00010110，SYN告知接收裝置是一個數據塊的開始；·每幀以一個或多個同步字符開始；·接收裝置一接收到SYN字符，就得知已發送了數據塊，而開始接收數據；·直到接收到后同步字符，一幀數據就告結束2.4.2同步技術字符同步：保證收發雙方正確傳輸字符。（1）同步式——由同步控制字符領先，以組為單位連續傳送。“異步通信”是一種很常用的通信方式。異步傳輸的特點，每個字符是作為一個獨立的整體進行發送，字符之間的時間間隔可以是任意的。發送端可以在任意時刻開始發送字符，因此必須在每一個字符的開始和結束的地方加上標志，即加上開始位和停止位，以便使接收端能夠正確地將每一個字符接收下來。異步通信的好處是通信設備簡單、便宜，但傳輸效率較低（因為開始位和停止位的開銷所占比例較大）。2.4.2同步技術異步通信稱為塊的成串數據位一個接一個發送起始位是數據準備傳輸的信號停止位表明塊的結束2.4.2同步技術2.4.3多路復用技術指在一條物理線路上建立多條通信信道的技術。發送方通過復用器將多個用戶的數據匯集，經一條物理線路傳送到接收設備，接收設備再通過分用器將數據分離成單獨的數據，分發給接收方的多個用戶。信道A1A2B1B2C1C2信道信道(a)不使用復用技術共享信道A1A2B1B2C1C2復用分用(b)使用復用技術頻分多路復用(FDM)

波分多路復用(WDM)

時分多路復用(TDM)2.4.3多路復用技術頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。

2.4.3多路復用技術原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護頻帶。CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復用f適用于模擬信號傳輸頻分多路復用

原來的帶寬3003100頻率/KHZ通道1.2.360646872通道1通道2通道3頻率/KHZ多路復用的通道2.4.3多路復用技術波分多路復用（WDM）

WavelengthDivisionMultiplexing

波分多路復用技術是在一根光釬中能同時傳輸多個光波信號的技術。在發送端將不同波長的光信號組合起來，復用到一根光釬上，在接收端又將組合的光信號分開，并送入不同的終端。

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2.4.3多路復用技術波長功率光釬1的波譜波長功率光釬2的波譜波長功率光釬3的波譜波長功率光釬4的波譜波長功率共享光釬的波譜

光釬1

光釬3

光釬4

光釬2光柵光柵共享光釬波分多路復用單釬傳輸波分多路復用

2.4.3多路復用技術時分多路復用時分多路復用是將信道用于傳輸的實際劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其占有的實際片內，用戶使用通信信道的全部帶寬。頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2.4.3多路復用技術ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶時分復用可能會造成線路資源的浪費，使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。2.4.3多路復用技術統計時分復用STDM

(StatisticTDM)

用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用2.4.3多路復用技術2.5數據交換技術

為降低通信線路造價，大型網絡主要采用部分連接的拓撲結構,兩個端節點之間的通信連接一般都要通過中間節點的轉接，中間節點要在它所連接幾條線路中選擇一條進行接續,就像電話交換機為通話雙方接續線路一樣，這個過程被稱為交換。

實現交換的方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。報文交換和分組交換均采用的是存儲轉發方式。

所謂電路交換服務，就是在兩個用戶要進行通信時，首先建立一條臨時的專用線路，用戶通信時獨占這條線路，不與其它用戶共享，直到通信一方釋放這條專用線路。建立連接數據傳輸拆除線路2.5.1電路交換A節點B節點C節點D節點2.5.1電路交換電路交換的特點(1)電路交換的優點是：數據傳輸可靠、連續穩定、實時性強，數據不會丟失，適用于交互式會話類通信。(2)電路交換的缺點是：對突發性通信不適應，存在對線路的獨占，再加上通信建立時間、拆除時間和呼叫損耗，通信線路使用效率低。(3)系統不具備存儲數據的能力，不具備差錯控制能力。2.5.1電路交換2.5.2存儲轉發交換1.概念存儲轉發交換不事先建立電路，當發送方有數據要發送時，它把要發送的數據當作一個整體交給中間交換設備，中間交換設備先將數據單元（報文）存儲起來，然后選擇一條合適的輸出線將數據轉發給下一個中間交換設備，直到將數據發送到目的結點。數據報方式優點：(1)由于交換設備有存儲能力，所以，可以實現信道的資源共享，提高線路利用率；(2)有路選功能，可以均衡流量；(3)有差錯控制功能，可以提高系統可靠性；(4)可以實現不同通信速率線路之間的數據傳送。因此，存儲轉發方式在計算機網絡中得到了廣泛的應用。2.5.2存儲轉發交換存儲轉發分類存儲轉發交換方式可以分為報文交換與報文分組交換。(1)報文交換報文交換(MessageSwitching)傳輸的數據單位是“報文(Message)”，報文中包括要發送的數據、目的地址、源地址與控制信息。將待傳送數據作為一個單元，打包后形成報文，不管報文大小作為整體一起發送。特點：報文大小不一，造成緩沖區管理復雜；大報文造成存儲轉發的延時過長；出錯后整個報文需全部重發。2.5.2存儲轉發交換報文交換的優點報文交換不需要為通信雙方預先建立一條專用的通信線路，不存在連接建立時延，用戶可隨時發送報文由于采用存儲轉發的傳輸方式，交換結點具有路由選擇功能某條傳輸路徑發生故障時，重新選擇另一條路徑傳輸數據，提高了傳輸的可靠性便于類型、規格和速度不同的設備之間進行通信提供多目標服務允許建立數據傳輸的優先級，使優先級高的報文優先轉發通信雙方不是固定占有一條通信線路，而是在不同的時間逐段地部分占有這條物理通路，因而大大提高了線路的利用率2.5.2存儲轉發交換報文交換的缺點由于數據進入交換結點后要經歷存儲和轉發的過程，包括接收報文、檢驗正確性、排隊和發送等，從而引起轉發時延。網絡的通信量愈大，造成的時延就愈大，因此報文交換的實時性差，不適合傳送實時或交互式業務的數據只適用于數字信號由于報文長度沒有限制，而每個中間結點都要完整地接收傳來的整個報文，當輸出線路被占用時，還可能要存儲幾個完整報文等待轉發，這要求網絡中每個結點有較大的緩沖區。為了降低成本，減少結點的緩沖存儲器的容量，有時要把等待轉發的報文存在磁盤上，這進一步增加了傳送時延2.5.2存儲轉發交換(2)報文分組交換（分組交換）發送方將長報文劃分成多個報文分組進行存儲轉發，接收方再將各報文分組按順序重組成報文，這就是報文分組交換，常稱為分組交換。特點：對轉發設備存儲容量要求較小，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；某個分組出錯僅重發該分組——效率高；各分組可通過不同路徑傳輸，可靠性高。

在實際應用中，分組交換有數據報和虛電路兩種方式。2.5.2存儲轉發交換3.數據報方式1）工作原理：3個步驟2.5.2存儲轉發交換H1A子網BDECH5H6H4H2H3H1向H5

發送分組H2向H6

發送分組注意分組路徑的變化！路由器主機分組交換2.5.2存儲轉發交換2）數據報特點：同一報文的各分組獨立進行路由選擇；同一報文的分組到達目的結點時可能出現亂序、丟失等現象；每一個分組都需