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1、数据通信基础数据通信基础v数据通信的基本概念数据通信的基本概念v数据通信方式数据通信方式v数据通信传输介质数据通信传输介质v数据通信的实用技术数据通信的实用技术 数据编码技术数据编码技术 多路复用技术多路复用技术 数据交换技术数据交换技术v数据网简介数据网简介通信系统的基本模型通信系统的基本模型 通信系统经历了四个发展阶段。通信系统经历了四个发展阶段。噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的系统 数据通信系统的构成：数据通信系统的构成：v源系统和目的系统源系统和目的系统v传输系统（传输线路和传输设备）传输系统（传输线路和传输设备）传输速率传输速率信信号号
2、传传输输速速率率：指指每每秒秒钟钟信信道道传传输输的的码码元元数数，单单位位为为波波特特（baud）。也也称称为为码码元元速速率率、调调制制速速率或者波特率。率或者波特率。设脉冲的周期为设脉冲的周期为T，则波特率，则波特率B=1/T 数数据据传传输输速速率率：指指信信道道每每秒秒钟钟所所能能传传输输的的二二进进制制位数，单位为位数，单位为bit/s。又称为比特率。又称为比特率。设脉冲的周期为设脉冲的周期为T，一个脉冲所表示的有效状态，一个脉冲所表示的有效状态数为数为N，则比特率（，则比特率（bit/s）可表示为：）可表示为：S=（1/T）x log 2 N 信道容量信道容量v信道容量是用来表征
3、一个信道传输数字信信道容量是用来表征一个信道传输数字信号的能力，它是信道的最大数据传输速率。号的能力，它是信道的最大数据传输速率。信道容量与信道带宽和噪声有关。信道容量与信道带宽和噪声有关。数据通信方式数据通信方式 数据通信方式是指数据在信道上传输所采数据通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式。通常有如下三种分类方法：取的方式。通常有如下三种分类方法：v按数据代码传输的按数据代码传输的顺序顺序分为分为:串行传输和并行串行传输和并行传输传输v按数据传输的按数据传输的同步方式同步方式分为同步传输和异步分为同步传输和异步传输传输v按数据传输的按数据传输的流向和时间关系流向和时间关系分为分为:单工、
4、半单工、半双工和双工传输双工和双工传输数据通信方式数据通信方式v串行传输串行传输 将待传送的每个字符的将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高二进制代码按由低位到高位的顺序在一根信号线上位的顺序在一根信号线上将数据一位一位地传送将数据一位一位地传送v并行传输并行传输 将表示一个字符的将表示一个字符的8位位二进制代码通过二进制代码通过8条并行条并行的通信信道同时发送出去，的通信信道同时发送出去，每次发送一个字符代码每次发送一个字符代码 数据通信方式数据通信方式v异步传输异步传输特点是数据以字符特点是数据以字符为传输单位，且字为传输单位，且字符的发送时间是异符的发送时间是异步的。步的。v同步传输
5、同步传输不是对每个字符单不是对每个字符单独进行同步，而是独进行同步，而是对一组字符组成的对一组字符组成的数据块进行同步。数据块进行同步。数据传输方向数据传输方向连接方式连接方式v点到点的连接点到点的连接连接方式连接方式v多点连接多点连接传输介质传输介质v有线介质有线介质双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤光纤v无线介质无线介质无线电无线电微波微波卫星卫星移动通信移动通信双绞线双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆v75（CATV)用于用于模拟模拟传输，称为频带电缆传输，称为频带电缆v50(10Base5/10Base2)用于数字传输，称为基带
6、电缆用于数字传输，称为基带电缆v粗缆：粗缆：10Mbps,500m,100站点站点v细缆：细缆：10Mbps,185m,30站点站点v价格贵价格贵局域网使用被双绞线局域网使用被双绞线 取代取代长途传输被光纤取代长途传输被光纤取代光光 纤纤光光 纤纤v单模单模光纤在介质内部成单个角度传播光纤在介质内部成单个角度传播沿直线传播，传输距离更远沿直线传播，传输距离更远v多模多模光纤在介质内部以多个不同反射角传播光纤在介质内部以多个不同反射角传播无线传输介质无线传输介质数据编码技术数据编码技术模拟数据编码模拟数据编码v载波载波v调制方法调制方法调幅，（调幅，（Amplitude-Shift Keying
7、，ASK）调频，（调频，（Frequency-Shift Keying，FSK）调相，（调相，（Phase-Shift Keying，PSK）ModulatorDemodulator数字数据数字数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号m(t)u(t)m(t)数字数据数字数据载波模拟信道模拟信道模拟信道模拟信道发送方发送方接收方接收方模拟数据信号的编码方法模拟数据信号的编码方法ASK：用载波的两个不同振幅表示用载波的两个不同振幅表示0和和1FSK：用载波的两个不同角频率表示用载波的两个不同角频率表示0和和1PSK：用载波的起始相位的变化表示用载波的起始相位的变化表示0 和和10 00 01 11 1
8、0 01 10 00 00 01 10 0ASKASKFSKFSKPSKPSK数字数据编码数字数据编码v数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号编码的方法。编码的方法。v在数据通信技术中，将利用模拟信道传输模拟信在数据通信技术中，将利用模拟信道传输模拟信号的方法称作频带传输；而将利用数字信道来直号的方法称作频带传输；而将利用数字信道来直接传输数字信号的方法称作基带传输。接传输数字信号的方法称作基带传输。EncoderDecoder数字数据数字数据数字信号数字信号数字信号数字信号g(t)x(t)g(t)数字数据数字数据数字信道数字信道数字信道数字信道发
9、送方发送方接收方接收方v把数字数据转换成某种数字脉冲信号把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码和曼彻斯特编码v不归零码不归零码(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示，分别用两种电平来表示，低低电平表示逻辑电平表示逻辑0，用高电平表示逻辑，用高电平表示逻辑1。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；器；不具备自同步机制，传输时必须使用不具备自同步机制，传输时必须使用额外传额外传输同步时钟信号输同步时钟信号。v曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchest
10、er Code)用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。v规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变；发生跳变；v高高低的跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的的2倍）。倍）。v差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码(Differential)每个码元的中间每
11、个码元的中间仍要发生跳变；仍要发生跳变；用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1，有跳变代表，有跳变代表0，无跳变代表无跳变代表1。数字数据信号的编码方法数字数据信号的编码方法0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟NRZNRZManchesterManchester差分差分差分差分ManchesterManchester脉冲编码调制脉冲编码调制v采样是以一定的时间间隔，将模拟信号的电采样是以一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出来作为样本，让其表示原来的信平幅度取出来作为样本，让其表示原来的信号。号。v量化是将采样样本幅度按量
12、化级决定取值的量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。值，已不是连续值。v编码是用相应位数的二进制代码表示量化后编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有的采样样本的量级。如果有K个量化级，则个量化级，则二进制的位数为二进制的位数为log 2 K。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）PCM工作原理示意图工作原理示意图 语音信号语音信号语音信号语音信号011 100 011 011 100 011 011011 001 100 001 100 PCM PCM 输出输出输出输出3 34
13、43 33 31 14 4011011100100011011011011001001100100 PCM PCM 脉冲脉冲脉冲脉冲 （有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）（有量化误差）3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.2 PAMPAM脉冲脉冲脉冲脉冲多路复用技术多路复用技术DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX复用：共享使用公共信道 采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来，极大地提高了通信线路的利用率。频分多路复用频分多路复用CH2CH1CH3原始带宽原始带宽CH1C
14、H2CH3频分后带宽频分后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f将用于传输信道的总带宽，划分成若干个子信道，将用于传输信道的总带宽，划分成若干个子信道，将用于传输信道的总带宽，划分成若干个子信道，将用于传输信道的总带宽，划分成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，即频分多路复用每个子信道用来传输一路信号，即频分多路复用每个子信道用来传输一路信号，即频分多路复用每个子信道用来传输一路信号，即频分多路复用 （Frequency Division Frequency Division MultiplexingMultiplexing，FDMFDM）。）。）。）。波分多路复用波分多路复
15、用棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅F2F1F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱 光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，波不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，波不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，波不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，波分多路复用分多路复用分多路复用分多路复用（Wavelength Division MultiplexingWavelength Division Multiplexing，WDMWDM）就是根据光波波长的不同来分隔复用的方法。就是根据光
16、波波长的不同来分隔复用的方法。就是根据光波波长的不同来分隔复用的方法。就是根据光波波长的不同来分隔复用的方法。时分多路复用时分多路复用A2A1A3原始信号原始信号D2D1D3数字化信号数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1时分多路复用时分多路复用时分多路复用时分多路复用（Time Division Time Division Multiplexing,TDMMultiplexing,TDM）是是是是 将整个信道传输信息的时间划分成若干个时间片，每将整个信道传输信息的时间划分成若干个时间片，每将整个信道传输信息的时间划分成若干个时间片，每将整个信道传输信息的时间划分成若
17、干个时间片，每一路信号在自己的时间片内独占信道进行数据传输。一路信号在自己的时间片内独占信道进行数据传输。一路信号在自己的时间片内独占信道进行数据传输。一路信号在自己的时间片内独占信道进行数据传输。数据交换技术数据交换技术 线线(电电)路交换（路交换（Circuit Switching）类似电话交换方式，需要先建立实际物理线路连接类似电话交换方式，需要先建立实际物理线路连接 存储转发方式（存储转发方式（Store and Forward Exchanging）类似邮政方式类似邮政方式 报文交换（报文交换（Message Switching）分组交换（分组交换（Package Switching
18、）数据报（数据报（Data Gram）方式方式 虚电路（虚电路（Virtual Circuit）方式方式线路交换线路交换v线路的建立线路的建立v数据传输数据传输v线路拆除线路拆除报文交换报文交换v报文交换（报文交换（Message Switching）方式不需）方式不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位是报文。输单位是报文。v所谓所谓“报文报文”就是站点要发送的数据块，其就是站点要发送的数据块，其长度不限并且可变。传送过程采用存储转发长度不限并且可变。传送过程采用存储转发方式。方式。报文交换的特性报文交换的特性 v整块数据逐站存储转发，一个报文可
19、以发整块数据逐站存储转发，一个报文可以发送到多个目的地；一个时刻仅占用一段通送到多个目的地；一个时刻仅占用一段通路，线路利用率高。路，线路利用率高。v对报文的长度没有限制，对于大块数据对报文的长度没有限制，对于大块数据占用存储空间大占用存储空间大占用信道时间长占用信道时间长v延迟较大，不能满足实时通信的要求。延迟较大，不能满足实时通信的要求。分组交换分组交换v分组交换（分组交换（Packet Switching）是报文交换）是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，分组可以存储到个分组的长度有一个上限，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。内存中，提高了交换速度。v分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。换两种。数据报交换数据报交换v在数据报（在数据报（Datagram）方式中，每个分组的传送是被单独）方式中，每个分组的传送是被单独处理的，每个分组自身携带足够的地址信息。处理的，每个分组自身携带足够的地址信息。虚电路交换虚电路交换v虚电路交换方式分为两种：呼叫虚电路和永久虚电路。虚电路交换方式分为两种：呼叫虚电路和永久虚电路。v呼叫虚电路方式要经历以下三个过程：呼叫虚电路方式要经历以下三个过程：建立虚电路建立虚电路 交换数据交换数据 拆除虚电路拆除虚电路