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1、第三章第三章 数据通信系统数据通信系统 教学目标教学目标了解模拟传输与数字传输的基本原理。了解模拟传输与数字传输的基本原理。掌握常用数据编码与多路复用技术掌握常用数据编码与多路复用技术 。掌握信息交换技术。掌握信息交换技术。 3.1 3.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 3.1.1 3.1.1 信息、数据和信号信息、数据和信号 通信是为了交换信息（通信是为了交换信息（InformationInformation）。信息（）。信息（InformationInformation）是客观事物属性和相互联系特性的表）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。征，
2、它反映了客观事物的存在形式和运动状态。 数据（数据（DataData）是信息的载体，可以理解为）是信息的载体，可以理解为“信息的数信息的数字化形式字化形式”，可以是数字、文字、语音、图形和图像，可以是数字、文字、语音、图形和图像。“数据数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机存储、处理和计数据、气象数据、测量数据及计算机存储、处理和传输的二进制数字编码。传输的二进制数字编码。 信号（信号（SignalSignal）是数据的电磁波表示形式。模拟数据）是数据的电磁波表示形式。模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示。和数字数据
3、都可用这两种信号来表示。 3.1.1 3.1.1 信息、数据和信号信息、数据和信号模拟信号与数字信号放大器调制器PCM编码器调制器数字发送器模拟数据模拟数据数字数据模拟数据模拟信号数字信号模拟信号数字信号模拟数据、数字数据和模拟信号、数字信号3.1.2 3.1.2 数据通信系统的模型数据通信系统的模型源系统：也可以称为信源或发送端；源系统：也可以称为信源或发送端；中间系统：即传输网络；中间系统：即传输网络；目的系统：也可以称为信宿或接收端。目的系统：也可以称为信宿或接收端。数据通信系统公用电话网传输系统接收器终点发送器源点传输系统源系统目的系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据输出信
4、息通信系统的模型通信系统的模型 3.1.3 3.1.3 数据通信中的主要性能指标数据通信中的主要性能指标在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大小和传输质量在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏，需要运用波特率和比特率等技术指标。波特率和比特的好坏，需要运用波特率和比特率等技术指标。波特率和比特率是用不同的方式描述系统传输质量的参量。率是用不同的方式描述系统传输质量的参量。 比特率比特率S S 比特率又称为信息速率，它反映一个数据通信比特率又称为信息速率，它反映一个数据通信系统每秒所传输的系统每秒所传输的2 2进制数据位数（进制数据位数（bitbit），单位是：比特），
5、单位是：比特/ /秒（秒（bits/sbits/s）或）或bpsbps。 波特率波特率B B 波特率是一种调制速率，又称波形速率。它是波特率是一种调制速率，又称波形速率。它是指数字信号经过调制后的速率，即经过调制后的模拟信号每秒指数字信号经过调制后的速率，即经过调制后的模拟信号每秒钟变化的次数，也就是数据通信系统中线路上每秒传送的波形钟变化的次数，也就是数据通信系统中线路上每秒传送的波形个数，其单位为波特。个数，其单位为波特。 3.1.3 3.1.3 数据通信中的主要性能指标数据通信中的主要性能指标比特率和波特率之间的关系比特率和波特率之间的关系 3.1.3 3.1.3 数据通信中的主要性能指
6、标数据通信中的主要性能指标 误码率误码率 误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数，它的定义为，二进制符号在传输系统中被传错的概率。近似，它的定义为，二进制符号在传输系统中被传错的概率。近似的等于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比值，的等于被传错的二进制符号数与所传二进制符号总数的比值，即：即： PeNePeNeN N 其中其中Ne Ne 表示接收的错误比特数，表示接收的错误比特数，N N表示传输的总比特数。表示传输的总比特数。 带宽带宽 带宽（带宽（bandwidthbandwidth）本来是指某个信号具有的频带）本来是指某个信号具有的频
7、带宽度。我们知道，一个特定的信号往往是由许多不同的频率组宽度。我们知道，一个特定的信号往往是由许多不同的频率组成的。因此，带宽即信道允许传送信号的最高频率和最低频率成的。因此，带宽即信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差，单位为赫（之差，单位为赫（HzHz）、千赫（）、千赫（kHzkHz）、兆赫（）、兆赫（MHzMHz）等。）等。 3.1.4 3.1.4 数据通信过程中涉及的主要技术问题数据通信过程中涉及的主要技术问题CCPCCPCCPCCPCCPCCP终端终端主机主机主机主机主机资源子网通信子网计算机之间的通信结构图计算机之间的通信结构图3.2 3.2 数据通信方式数据通信方式 并行传输并
8、行传输并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的。从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线。送的。从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线。信道8信道7信道6信道5信道4信道3信道2信道1发送端接收端3.2.2 3.2.2 串行传输串行传输串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。因为计串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。因为计算机内部操作多采用并行传输方式，因此，在实际采用串行传输算
9、机内部操作多采用并行传输方式，因此，在实际采用串行传输时，要使用转换设备进行并时，要使用转换设备进行并/ /串和串串和串/ /并转换。并转换。 发送端接收端并串转换并串转换87654321876543218 7 6 5 4 3 2 1串行数据传输串行数据传输3.2.2 3.2.2 串行传输串行传输（1 1）单工通信）单工通信凡是利用一条物理信道只能进行单向信息传输的通信，称之为凡是利用一条物理信道只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。单工通信。单工通信单工通信3.2.2 3.2.2 串行传输串行传输（2 2）半双工通信）半双工通信 半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道半
10、双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2 2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输。线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输。发收收发数据信道监控信号AK1K2B半双工通信半双工通信3.2.2 3.2.2 串行传输串行传输（3 3）全双工通信）全双工通信 全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，无任何限制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两无任何限制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两条以上的物理信道（条以上的物理信道（3 3线制或线制或4 4线制线制) )。发收收发数据信道监控信号数据信道监控信
11、号全双工通信全双工通信3.3 3.3 数据交换技术数据交换技术 3.3.1 3.3.1 电路交换电路交换 电路交换最典型的例子就是电话通信系统。一百多年来，经电路交换最典型的例子就是电话通信系统。一百多年来，经过了多次改革和更新，已经从电话交换机的人工转接，发展到过了多次改革和更新，已经从电话交换机的人工转接，发展到了现代程控交换机的自动转接。了现代程控交换机的自动转接。交换机交换机交换机交换机ABCD用户线中继线中继线用户线电路交换示意图电路交换示意图3.3.1 3.3.1 电路交换电路交换 特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线
12、路释放之前，该通路由一对用户完全占用。路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。 优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。来的序列。 缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费。在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得。在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况据传输的情况 3.3.2 3.3.2 报
13、文交换报文交换 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。 每个结点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个每个结点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个结点的地址，再报文，然后利用路由信息找出下一个结点的地址，再把整个报文传送给下一个结点。把整个报文传送给下一个结点。 一个报文在每个结点的延迟时间，一个报文在每个结点的延迟时间，“等于接收报文所等于接收报文所需的时间加上向下一个结点转发所需的排队延迟时间需的时间加上向下一个结点转发所需
14、的排队延迟时间之和。之和。3.3.2 3.3.2 报文交换报文交换优点：优点： 电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个结点之间的电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个结点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。低。 在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。不过传送延迟会增加。 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，
15、而电路交报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。换网络很难做到这一点。 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。报文交换网络可以进行速度和代码的转换。缺点：缺点： 不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。间长且不定。 有时结点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，有时结点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。3.3.3 3.3.3 分组交换分组交换 分组交换是报文交换的一种
16、改进，它将报文分成若干个分组，分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个结点所每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个结点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。度。分组交换网示意图分组交换网示意图3.3.3 3.3.3 分组交换分组交换优点：优点： 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。是逐段占用。 灵活：每个结点均有智能，为每一个分组独立地选择转发的灵活：每个结点均有智能，
17、为每一个分组独立地选择转发的路由。路由。 迅速：以分组作为传送单位，通信之前可以不必先建立连接迅速：以分组作为传送单位，通信之前可以不必先建立连接就能发送分组。就能发送分组。 完善的网络协议：分布式多路由的通信子网。完善的网络协议：分布式多路由的通信子网。缺点：缺点： 时延大：分组在结点交换机存储转发时因要排队造成时延。时延大：分组在结点交换机存储转发时因要排队造成时延。当网络通信量大时，这种时延可能会很大。当网络通信量大时，这种时延可能会很大。 开销大：每个分组携带的控制信息造成了系统额外的开销。开销大：每个分组携带的控制信息造成了系统额外的开销。分组交换在实际应用中有两种类型：虚电路方式（
18、分组交换在实际应用中有两种类型：虚电路方式（virtual virtual circuitcircuit，VCVC）和数据报方式（）和数据报方式（data gramdata gram，DGDG），前者是面向），前者是面向连接的，后者是面向无连接的。连接的，后者是面向无连接的。3.3.4 3.3.4 各种数据交换技术的性能比较各种数据交换技术的性能比较 电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除之前，该通路由一对用户完全占用。路。在线路拆除之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租电路交换效率不高
19、，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。用的线路进行通信。 报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。通信，不能满足实时通信的要求。 分组交换：分组交换方式和报文交换方式类似，但报分组交换：分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于交换中等或
20、大量数据的情况。交换中等或大量数据的情况。 3.4 3.4 多路复用技术多路复用技术 3.4.1 3.4.1 时分多路复用技术时分多路复用技术(TDM)(TDM)时分多路复用时分多路复用TDMTDM是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，也称为时隙，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片，也称为时隙，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。内，用户使用通信信道的全部带宽。A B CA B CA B CA B C信道可用带宽时分复用帧t1t2t30tf子信道A的时隙时分多路复用原理示意图时分多路复用原理示意图频分多路复用
21、技术频分多路复用技术(FDM)(FDM)频分多路复用的基本原理是：由于各条逻辑信道占用的频率范频分多路复用的基本原理是：由于各条逻辑信道占用的频率范围（即频带）是不同的，即各个信道所占用的频带不相互重叠围（即频带）是不同的，即各个信道所占用的频带不相互重叠，因此在进行多路数据传输时，需要将多路信号的每一路信号，因此在进行多路数据传输时，需要将多路信号的每一路信号用不同的载波频率进行调制，并且相邻信道之间用用不同的载波频率进行调制，并且相邻信道之间用“警戒频带警戒频带”隔离。隔离。频率1频率2频率3频率4频率5频率3.4.3 3.4.3 波分多路复用技术波分多路复用技术(WDM)(WDM)光纤通
22、道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分多路光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分多路复用复用WDMWDM（Wavelength Division MultiplexingWavelength Division Multiplexing），这是目前正），这是目前正在发展的一项新的技术。在发展的一项新的技术。合成光束共享光纤光栅光栅光纤1中光束 波长W1光纤2中光束 波长W2光纤3中光束 波长W1光纤4中光束 波长W2波分多路复用原理示意图波分多路复用原理示意图3.4.4 3.4.4 多路复用的比较多路复用的比较频分多路复用：按频率分割，在同一时刻能同时存在并传送多频分多路复用：
23、按频率分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路信号的频带不同。路信号，每路信号的频带不同。时分多路复用：按时间分割，每一时隙内只有一路信号存在，时分多路复用：按时间分割，每一时隙内只有一路信号存在，多路信号分时轮换地在信道内传送。多路信号分时轮换地在信道内传送。光波分多路复用：按波长分割，在同一时刻能同时存在并传送光波分多路复用：按波长分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路信号的波长不同，其实质也是频分多路复用。多路信号，每路信号的波长不同，其实质也是频分多路复用。3.4.5 3.4.5 码分多路复用技术码分多路复用技术(CDMA)(CDMA) 适用于多目标遥测。适用于多目标遥测
24、。 扩频后，信号功率分布在很宽的频带中，接收不扩频后，信号功率分布在很宽的频带中，接收不易发生易发生“阻塞阻塞”现象。现象。 抗干扰能力强，保密性好，误码率低。抗干扰能力强，保密性好，误码率低。 使用的载波频率不需要向有关部门申请。使用的载波频率不需要向有关部门申请。 它与目前广泛应用的它与目前广泛应用的“码分多址数字蜂窝移动通信系码分多址数字蜂窝移动通信系统统”的主要区别是：后者传输的一般是单一的话音信的主要区别是：后者传输的一般是单一的话音信号，需由庞大的无线网络支持，而前者传输的大都是号，需由庞大的无线网络支持，而前者传输的大都是编码的群信号，一般不需要庞大的网络支持。编码的群信号，一般
25、不需要庞大的网络支持。3.5 3.5 差错控制与校验差错控制与校验 3.5.1 3.5.1 差错产生的原因与差错类型差错产生的原因与差错类型传输差错是指通过通信信道后接收数据与发送数据不一致的现象。当传输差错是指通过通信信道后接收数据与发送数据不一致的现象。当数据从信源出发数据从信源出发，由于信道总是有一定的噪声存在由于信道总是有一定的噪声存在，因此在到达信宿因此在到达信宿时时，接收信号是信号与噪声的叠加。接收信号是信号与噪声的叠加。信道噪声分为热噪声与冲击噪声两类。信道噪声分为热噪声与冲击噪声两类。热噪声热噪声由传输介质导体的电子由传输介质导体的电子热运动产生。热运动产生。如噪声脉冲、衰减、
26、延迟失真等引起的差错。如噪声脉冲、衰减、延迟失真等引起的差错。热噪声的热噪声的特点是特点是：时刻存在时刻存在，幅度较小幅度较小，强度与频率无关强度与频率无关，但频谱很宽但频谱很宽，是一是一类随机噪声。类随机噪声。通信过程中产生的传输差错由随机通信过程中产生的传输差错由随机差差错与突发错与突发差差错共同构成。错共同构成。计算机计算机网络通信系统中对平均误码率的要求是低于网络通信系统中对平均误码率的要求是低于10-610-6，若要达到此要求，若要达到此要求，必须解决好差错的自动检测和差错的自动校正问题。必须解决好差错的自动检测和差错的自动校正问题。3.5.2 3.5.2 差错检验与校正差错检验与校
27、正（1 1）检错法）检错法: :检错法的工作原理是发送方在发送数据时，增加检错法的工作原理是发送方在发送数据时，增加一些用于检查差错的附加位，从而达到无差错传输的目的。常一些用于检查差错的附加位，从而达到无差错传输的目的。常用的检错码有：奇偶校验法、方块码和循环冗余码等。用的检错码有：奇偶校验法、方块码和循环冗余码等。（2 2）纠错码）纠错码: :纠错法的工作原理是发送方在发送数据时，增加纠错法的工作原理是发送方在发送数据时，增加足够多的附加位，从而使得接收方能够准确地检测到差错，并足够多的附加位，从而使得接收方能够准确地检测到差错，并且可以自动地纠正错误。这些足以使接收方发现错误的冗余信且可
28、以自动地纠正错误。这些足以使接收方发现错误的冗余信息称为纠错码。息称为纠错码。（3 3）奇偶校验：）奇偶校验：奇偶校验也叫垂直冗余校验奇偶校验也叫垂直冗余校验（VRCVRC）, ,它是以字它是以字符为单位的校验方法一个字符由符为单位的校验方法一个字符由8 8位组成位组成，低低7 7位是信息字符的位是信息字符的ASCIIASCII码码，最高位叫奇偶校验位。最高位叫奇偶校验位。3.5.2 3.5.2 差错检验与校正差错检验与校正ASCIIASCII字符的字符的“Y”Y”的的7 7位代码是位代码是10110011011001，有，有4 4个个“1”1”，因此，因此“偶偶校验校验”时，检验位应为时，检
29、验位应为“0”0”，以保证整个字符中的，以保证整个字符中的1 1的个数为偶数，因此的个数为偶数，因此整个被发送的字符为：整个被发送的字符为：0101100101011001。而。而“奇校验奇校验”使，为保证整个字符使，为保证整个字符中的中的1 1的个数为奇数，检验位应为的个数为奇数，检验位应为“1”1”，整个被发送的字符为：，整个被发送的字符为：1101100111011001。奇奇偶校验位的设置偶校验位的设置3.5.2 3.5.2 差错检验与校正差错检验与校正如果采用奇校验如果采用奇校验，发送端发送一个字符编码发送端发送一个字符编码（含校验位共含校验位共8 8位位）中中，“1”1”的个数一定
30、为奇数个的个数一定为奇数个，在接收端对在接收端对8 8个二进位中的个二进位中的“1”1”的个数进行统计的个数进行统计，若统计若统计“1”1”的个数为偶数个的个数为偶数个，则意味则意味着传输过程中有着传输过程中有1 1位位( (或奇数位或奇数位) )发生差错。发生差错。3.5.2 3.5.2 差错检验与校正差错检验与校正（4 4）方块校验（水平垂直冗余校验方块校验（水平垂直冗余校验LRCLRC） 这种方法是在这种方法是在VRCVRC校验的基础上校验的基础上，在一批字符传送之后在一批字符传送之后，另外增加一另外增加一个称为个称为“方块校验字符方块校验字符”的检验字符的检验字符，方块校验字符的编码方式是使方块校验字符的编码方式是使所传输字符代码的每所传输字符代码的每一一纵向位代码中的纵向位代码中的 “1”1”的个数成为奇数的个数成为奇数（或偶或偶数数）。