第2章數(shù)據(jù)通信基礎知識

第2章數(shù)據(jù)通信基礎知識2.1數(shù)據(jù)通信的理論基礎2.2數(shù)據(jù)信息的調(diào)制與編碼2.3數(shù)據(jù)的同步技術2.4多路復用技術2.5數(shù)據(jù)交換技術2.6差錯控制技術2.1數(shù)據(jù)通信的理論基礎

通信的目的是單雙向傳遞信息，廣義上來說，采用任何方法通過任何介質(zhì)將信息從一地傳送到另一地都可稱為通信。數(shù)據(jù)通信是指在兩點或多點之間以二進制形式進行信息傳輸與交換的過程。2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.1.3數(shù)據(jù)通信的基本方式2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1、信息、數(shù)據(jù)和信號信息是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運動狀態(tài)數(shù)據(jù)一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”和“數(shù)字化信息的形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)據(jù)特性的信息.信號簡單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)，如電信號、光信號。信號的頻譜寬度就稱為該信號帶寬。

根據(jù)信號參量取值的不同，信號可分為數(shù)字信號和模擬信號，或稱為離散信號和連續(xù)信號。連續(xù)信號（模擬信號）和離散信號（數(shù)字信號）2、基本概念（1）信道：傳輸信息的必經(jīng)之路稱為“信道”。在計算機中有所謂物理信道和邏輯信道之分。（2）碼元：編碼單元，如果編碼單元是1byte，即8位時，則碼元是1bit。（3）數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)兩種。（4）調(diào)制解調(diào)器Modem：傳統(tǒng)的電話通信信道是傳輸語音一級的模擬信道，無法直接傳輸計算機的數(shù)字信號。將數(shù)字信號變?yōu)槟M信號稱為調(diào)制，將模擬信號變成數(shù)字信號稱為解調(diào)。MODEM具有調(diào)制和解調(diào)的功能。（5）數(shù)據(jù)傳輸速率：指通信線上傳輸信息的速度。有兩種表示方法，即信號速率s和調(diào)制速率B。S指單位時間內(nèi)所傳送的二制位代碼的有效位數(shù)，以每秒多少比特數(shù)計，即bps。調(diào)制速率B是脈沖信號經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率，以波特（Baud）為單位，通常用于表示調(diào)制器之間傳輸信號的速率。（6）誤碼率：指信息傳輸?shù)腻e誤率，是衡量系統(tǒng)可靠性的指標，小于10-6（7）信息容量：指信道能傳輸信息的最大能力，一般以單位時間內(nèi)最大可傳送信息的bit數(shù)表示（8）基帶傳輸：指在通信電纜上原封不動地傳輸由計算機或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號。（9）頻帶傳輸：在遠距離通信時，需要將數(shù)字信號調(diào)制成音頻信號再發(fā)送和傳輸，接收端再將音頻信號解調(diào)成數(shù)字信號。（10）寬帶傳輸：指傳輸介質(zhì)的頻帶寬度較寬的信息傳輸，一般在300-400MHz左右。系統(tǒng)設計時將此頻帶分割成幾個子頻帶，采用多路復用技術”。（11）串行傳輸：指一位一位地傳送數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可。（12）并行傳輸：一次可以傳送一個字節(jié)(8位)，發(fā)端到收端用8根線。（13）數(shù)據(jù)交換方式：在網(wǎng)絡中的計算機通常是經(jīng)過公用通信傳輸線路進行數(shù)據(jù)交換以提高傳輸設備的利用率（14）字符編碼：在信道上傳送的數(shù)據(jù)是以二進制位的形式出現(xiàn)的（15）差錯校正：字符代碼在傳輸、接收過程中，難免發(fā)生錯誤，如何及時自動檢測差錯并進一步自動校正（16）協(xié)議：即網(wǎng)絡通信規(guī)則，它規(guī)定了兩臺計算機通過一個網(wǎng)絡進行通信的方式。最常見的是網(wǎng)絡協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議組。（17）同步傳輸：一種以報文和分組為單位進行傳輸?shù)姆绞剑?8）異步傳輸：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字符為單位，而且字符間的發(fā)送時間是異步的2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成（1）數(shù)據(jù)終端設備即數(shù)據(jù)的生成者和使用者，它根據(jù)協(xié)議控制通信的功能（2）通信控制器它的功能除進行通信狀態(tài)的連接、監(jiān)控和拆除等操作外，還可接收來自多個數(shù)據(jù)終端設備的信息，并轉(zhuǎn)換信息格式，如網(wǎng)卡。（3）通信信道通信信道是信息在信號變換器之間傳輸?shù)耐ǖ溃?）信號變換器它的功能是把通信控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合通信信道要求的信號形式2、數(shù)據(jù)通信的方向

1）單工通信通常包括主信道和監(jiān)控信道（2）半雙工通信可以雙向通信，但某一時刻只能單向通信。（3）全雙工通信可同時雙向通信，適合于計算機之間的通信1、模擬數(shù)據(jù)通信與數(shù)字數(shù)據(jù)通信(1)、模擬數(shù)據(jù)通信

用來傳輸模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)對應的模擬信號。通常使用某一頻率的電磁波作為載波傳輸。(2)、數(shù)字數(shù)據(jù)通信數(shù)字數(shù)據(jù)通信指直接利用數(shù)字傳輸技術在數(shù)字設備之間傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，或模擬數(shù)據(jù)對應的數(shù)字信號。2.1.3數(shù)據(jù)通信的基本方式數(shù)字數(shù)據(jù)通信的優(yōu)點：來自聲音、視頻和其他數(shù)據(jù)源的各類數(shù)據(jù)均可統(tǒng)一為數(shù)字信號的形式，并通過數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸。以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，并通過檢錯編碼和重發(fā)數(shù)據(jù)幀來發(fā)現(xiàn)與糾正通信錯誤，從而有效保證通信的可靠性。在長距離數(shù)字通信中可通過中繼器放大和整形來保證數(shù)字信號的完整及不累積噪音。使用加密技術可有效增強通信的安全性。數(shù)字技術比模擬技術發(fā)展更快，數(shù)字設備很容易通過集成電路來實現(xiàn)，并與計算機相結(jié)合，而由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，數(shù)字設備的體積與成本的下降速度大大超過模擬設備，性能/價格比高。多路光纖技術的發(fā)展大大提高了數(shù)字通信的效率。

2、數(shù)據(jù)通信的主要技術指標（1）帶寬在模擬信道中，常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差（2）比特率在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，常用單位：bps,kbps,mbps,gbps（3）波特率波特率指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特（Baud）。波特率與比特率的關系為：比特率=波特率*單個調(diào)制狀態(tài)對應的二進制位數(shù)。兩相調(diào)制（單個調(diào)制狀態(tài)對應1個二進制位）的比特率等于波特率；四相調(diào)制（單個調(diào)制狀態(tài)對應2個二進制位）的比特率為波特率的兩倍；八相調(diào)制（單個調(diào)制狀態(tài)對應3個二進制位）的比特率為波特率的三倍，依次類推。（4）誤碼率誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤率。在計算機網(wǎng)絡中一般要求數(shù)字信號誤碼率低于10-6

2.2數(shù)據(jù)信息的調(diào)制與編碼通常，有四種數(shù)據(jù)的調(diào)制和編碼方法：

1）模擬數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制。2）數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制。3）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼。4）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼。2.3數(shù)據(jù)的同步技術2.3.1異步方式異步方式又稱起止同步方式，它把各個字符分開傳輸，字符之間插入同步信息

2．3．2同步方式同步式要求不管是否傳輸信息代碼，每個比特位必須在收發(fā)兩端始終保持同步，中間沒有間斷時間，即為比特位同步。

當不傳送信息代碼時，在線路上傳送的是全1或其他特定代碼，在傳輸開始時用同步字符SYN（編碼為0010110）使收發(fā)雙方進入同步。當搜索到兩個以上SYN同步字符時，接收端開始接收信息，此后就從傳輸信息中檢測同步信息。在兩個連續(xù)的報文之間，應插入兩個以上的SYN同步字符，一般在高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中采用同步方式傳輸。

2.4多路復用技術多路復用就是在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，允許兩個或多個數(shù)據(jù)源共享同一個傳輸介質(zhì)，就像每個數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣。其基本方法是在發(fā)送端將若干個彼此無關的信號合并為一個能在一個共用信道上傳輸?shù)膹秃闲盘?，在信號的接收端還能將復合信號分離出原來的若干個彼此無關的信號來。2．4．1頻分多路復用頻分多路復用頻分多路復用技術適用于模擬信號。例如，將FDM用在電話系統(tǒng)中，傳輸?shù)拿恳宦氛Z音信號的頻譜一般在300Hz～3000Hz，僅占用一根傳輸線的可用總帶寬的一部分，通常雙絞電纜的可用帶寬是100kHz，因此，在同一對雙絞電線上可采用頻分復用技術傳輸多達24路電話信號。2．4．2時分多路復用2．4．3統(tǒng)計時分多路復用每個輸入端不管其狀態(tài)如何（空閑或發(fā)送），都固定分配一個時隙。2．4．4波分多路復用波分多路復用的原理同頻分多路復用相似，主要用于光纖通信。它是利用不同波長的光在一條光纖上同時傳輸多路信號。2．5數(shù)據(jù)交換技術網(wǎng)絡交換是指通過一定的設備，如交換機等，將不同的信號或者信號形式轉(zhuǎn)換為對方可識別的信號類型從而達到通信目的的一種交換形式在計算機網(wǎng)絡中，按照交換層次的不同，網(wǎng)絡交換可以分為物理層交換（如電話網(wǎng)）、鏈路層交換（二層交換，對MAC地址進行變更）、網(wǎng)絡層交換（三層交換，對IP地址進行變更）、傳輸層交換（四層交換，對端口進行變更，比較少見）和應用層交換（似乎可以理解為Web網(wǎng)關等）。交換網(wǎng)絡又可分為電路交換網(wǎng)、報文交換網(wǎng)和分組交換網(wǎng)2．5．1電路交換的工作原理

以電路聯(lián)接為目的的交換方式是電路交換方式。電話網(wǎng)中就是采用電路交換方式。1、電路交換的三個過程（1）電路建立：在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立一條端到端的電路。（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）電路拆除交換網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)

2．5．2報文交換的工作原理

1、報文交換原理報文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。當一個站要發(fā)送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，網(wǎng)絡節(jié)點根據(jù)報文上的目的地址信息，把報文發(fā)送到下一個節(jié)點，一直逐個節(jié)點地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點。圖2-23電路交換與報文交換比較2．5．3分組交換的工作原理

它將報文分成若干個分組，每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高了交換速度。分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報分組交換兩種

2．5．4各種數(shù)據(jù)交換技術的性能比較

1、電路交換：在數(shù)據(jù)傳輸之前必須先設置一條完全的通路。在線路拆除(釋放)之前，該通路由一對用戶完全占用。2、報文交換：報文從源點傳送到目的地采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式，報文需要排隊。3、分組交換：分組交換方式和報文交換方式類似，但報文被分成分組傳送，并規(guī)定了最大長度。2．6