数据通信的基本知识

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第二章 数据通信的基础知识
本章内容
信道
传输媒体
编码
多路复用
数据交换技术
差错控制
2.1 基本概念
数据及计算机通信术语
数据(Data)：传递(携带)信息的实体。
信息(Information)：是数据的内容或解释。
信号(Signal)：数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。
模拟信号与数字信号
基带(Base band)与宽带(Broad band)
信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)
比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。
码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元
t
码元1
码元2
码元3
码元4
码元5
信号
同步脉冲
同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始
▲同步脉冲也可位于码元的中部
▲一个码元也可有多个同步脉冲相对应
波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率) 。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中M是信号的编码级数。也可以写成
Rbit = Rbaud log2M
上式中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。
换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s
误码率：信道传输可靠性指标，是概率值,是指错误接收的信息的码元数在传输消息的总码元数中所占的比例.
信息编码：将信息用二进制数表示的方法。
数据编码：将数据用物理量表示的方法。
例如：字符‘A’的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001，其数据编码可能为
0
1
0
0
0
0
0
1
t
带宽
带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。
在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/s
一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。
时延
信息从网络的一端传送到另一端所需的时间
时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延
处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒）
排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间
发送时延=数据位数/信道带宽
传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度≈光速
时延带宽乘积
某一链路所能容纳的比特数
时延带宽乘积=带宽×传播时延
例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。
链路
带宽
传播时延
体积=时延带宽乘积
往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)
从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间
RTT≈2×传播时延
传输可靠性
两个含义：
数据能正确送达
数据能有序送达(当采用分组交换时)
通信系统模型
通信的三个要素：信源、信宿和信道
噪声
信源
发送器
信道
接收器
信宿
源系统
目的系统
数据通信系统的构成：
传输系统(传输线路和传输设备)
源系统(信源+发送器)和目的系统(信宿+接收器)
信息通过数据通信系统传输
把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。
信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。
编码：数据 适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错
调制：数字信号 适合传输的形式——按频率、幅度、相位
解调：接收波形 数字信号
解码：数字信号 原始数据
信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息
数据编码
调制
解调
数据解码
数据通信基本过程
包含两项内容：数据传输和通信控制
过程 与打电话的对比
建立物理连接 拨号，拨通对方
建立逻辑连接 互相确认身份
数据传送 互相通话
断开逻辑连接 互相确认要结束通话
断开物理连接 双方挂机
2.2 信道及其主要特征
数字信道和模拟信道
数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。
模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。
模拟信号和数字信号
模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值
数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值
模拟信号和数字信号
模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值
数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号
t
a) 模拟信号
t
b) 数字信号
周期信号和非周期信号
周期信号
信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）
非周期信号
信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。
t
t
T
T
T
T
T
T
周期信号
数字通信与模拟通信
数字通信
在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输
模拟通信
在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输
数字通信的优点
抗噪声（干扰）能力强
可以控制差错，提高了传输质量
便于用计算机进行处理
易于加密、保密性强
可以传输语音、数据、影像，通用、灵活
计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。
通信方式—数据流动的方向
单工：数据单向传输（无线电广播）
半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）
全双工：数据可以双向同时传输（电话）
或者具有两条物理上独立的传输线路
或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输
数字数据的传输方式
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。
例如：以太网
频带传输：数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。
例如：通过电话模拟信道传输
宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调
例如：闭路电视的信号传输
数据同步方式
目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。
有三种同步方法：
位同步
字符同步
帧同步
位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步
外同步——发送端发送数据之前发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。
每个字符的传输需要：
1个起始位
5～8个数据位
1，1.5，2个停止位
起始位
数据位
停止位
间隔, 不固定
字符同步的性能评估
频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步
每两个字符之间的间隔时间不固定
增加了辅助位，所以效率低
例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/11＜72％
帧同步：识别一个帧的起始和结束。
帧(Frame)数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块
面向字符的——以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧
面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧
帧起始
控制信息
数据
帧结束
校验和
0 – n bit
8bit
8bit
8-32
m
信道最大数据传输率
Nyquist 公式：用于理想低通信道
Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。
例如，话音级线路的
带宽为3100Hz，根据
上式计算的信道最大
数据率如右表所示
C = 2W log2 M
C = 数据传输率，单位bit/s
W = 带宽，单位Hz
M = 信号编码级数
M 最大数据率 (C)
2 6200 bps
4 12400 bps
8 18600 bps
16 24800 bps
32 31000 bps
非理想信道
实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。
损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。
延迟会使接收端的信号产生畸变。
噪声会破坏信号，产生误码。
持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s)
Shannon公式：有限带宽高斯噪声干扰信道
例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则
C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s
即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s
S/N: 信噪比
C = W log2 (1+S/N)
Nyquist公式和Shannon公式的比较
C = 2W log2M
数据传输率C随信号编码级数增加而增加。
C = W log2(1+S/N)
无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。
原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。
2.3 传输媒体(介质)
双绞线
内导体芯线
绝缘
内屏蔽
外屏蔽
外套
--螺旋绞合的双导线， ≈1mm
--每根4对、25对、1800对
--典型连接距离100m（LAN）
--RJ45插座、插头
--优缺点：
成本低
组装密度高、节省空间
安装容易（综合布线系统）
平衡传输（高速率）
抗干扰性一般
连接距离短
屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP)
以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音
双绞线外无任何屏蔽层
常用的双绞线为3类(16Mbit/s) 和5类(155Mbit/s)两种
同轴电缆
基带同轴电缆
阻抗50 ，用于数字传输
宽带同轴电缆
阻抗75 ，用于模拟传输，主要用于CATV
铜芯
绝缘层
外导体屏蔽层
保护套
细同轴
D=1.02cm，10Mbit/s
每段185m、4中继、5段（925m）
优缺点：
价格低
安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）
抗干扰能力较强
可靠性差
粗同轴
D=2.54cm，10Mbit/s
每段500m、4中继、5段（2500m）
优缺点：价格稍高
安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）
抗干扰能力强
连接距离中等
可靠性好
2.4 数据编码
不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况
数据：模拟数据、数字数据
信号：模拟信号、数字信号
信道：模拟信道、数字信道
模拟传输和数字传输
话音
移频,调制
模拟
数字
模拟
模拟
PCM编码
数字
数字
数字编码
数字
模拟数据，模拟信号
数字数据，模拟信号
数字数据，数字信号
模拟数据，数字信号
1010
1010
调制
编码与调制的区别
用数字信号承载数字或模拟数据——编码
用模拟信号承载数字或模拟数据——调制
Encoder
Decoder
数字或
模拟数据
数字信号
g(t)
x(t)
g(t)
数字或
模拟数据
编码/解码
数字信道
发送方
接收方
Modulator
Demodulator
数字或
模拟数据
模拟信号
m(t)
s(t)
m(t)
数字或
模拟数据
载波
调制/解调
模拟信道
发送方
接收方
1）数字数据的数字信号编码
把数字数据转换成某种数字脉冲信号
常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码
不归零码(NRZ，Non-Return to Zero)
二进制数字0、1分别用两种电平来表示。
常常用－5V表示1，＋5V表示0。
缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；
不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
曼彻斯特编码(Manchester Code)
用电压的变化表示0和1。
规定在每个码元的中间发生跳变：
高→低的跳变代表0，低→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的2倍）。
差分曼彻斯特编码(Differential ～)
每个码元的中间仍要发生跳变
用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1
三种数字编码的波形图
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
时钟
NRZ
Manchester
差分
Manchester
2）数字数据的调制编码
三种常用的调制技术：
幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying)
频移键控FSK (Frequency Shift Keying)
相移键控PSK (Phase Shift Keying)
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。
载波 S(t) = Acos( t+ )
S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位
调制就是要使A、 或 随数字基带信号的变化而变化
ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1
FSK：用载波的两个不同频率表示0和1
PSK：用载波的起始相位的变化表示0 和1
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
ASK
FSK
PSK
3）模拟数据的数字信号编码
采样定理：
如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
要转换的模拟数据主要是电话语音信号
语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：
采样：按一定间隔对语音信号进行采样
量化：对每个样本舍入到量化级别上
编码：对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为PCM信号 (脉码调制, Pulse Coded Modulation)
话音信道带宽<4kHz
采样时钟频率：8kHz (> 2倍话音最大频率)
量化级数：256级 (用8位二进制码表示)
数据率：8000次/s*8bit = 64kbit/s
每路PCM信号的速率 = 64000bit/s
模拟话音
采样时钟
PCM 信号
采样电路
量化和编码
数字化声音
f<4kHz
fs=8kHz
PCM转换过程举例
语音信号
011 100 011 011 001 100
PCM 输出
3
4
3
3
1
4
011
100
011
011
001
100
PCM 脉冲
（有量化误差）
3.2
3.9
2.8
3.4
1.2
4.2
PAM脉冲
2.5 多路复用技术
复用：多个信息源共享一个公共信道
为何要复用？——提高线路利用率
适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时
类比：公共运输系统(铁路、海运、航空)
DEMUX
复用器
解复用器
共享信道
MUX
信源
信宿
复用类型
频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
波分复用WDM (Wave Division Multiplexing)
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频分复用(FDM)
原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。
CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1
CH2
CH3
带宽复用信号
f
复用器
波分复用——光的频分复用
原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。
F2
F1
F3
光谱
F1
F2
F3
共享光纤的光谱

光纤2
光纤3
光纤1
共享光纤



棱柱/衍射光栅
时分复用(TDM)
原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。
A2
A1
A3
原始信号
D2
D1
D3
数字化信号
MUX
复用后的数据流
时隙号
1
2
3
1
D3
D2
D1
时间片1
2
时间片2
D1
时隙
D2
复用器
由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。
时分复用的典型例子：PCM信号的传输
把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)
每帧在一个时间片内发送
每个时隙承载一路PCM信号
统计(异步)TDM——STDM
TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。
改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。
A
B
C
D
待发数据
t1 t2 t3
A1
B1
C1
D1
C2
D2
A2
B2
时间片1
时间片2
同步TDM
带宽浪费
A1
B1
B2
时间片1
时间片2
统计TDM
可用带宽
C2
时分复用——数字载波复用标准
T-标准 (北美、日本)
E-标准 (欧洲、中国、南美)
E1(一次群)标准
每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道。
通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。
E1速率 = (32x8bit)/125us = 2.048 Mb/s
对E1进一步复用，还可构成E2、E3、E4和E5。
E5可承载7680个话路，数据率约为565Mbit/s
新的TDM标准是同步光网络(SONET)和ITU-T的同步数字系列(SDH)。常用的线路速率为(近似值) 155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。
了解
E1-帧格式
0
1
2
16
31
时间片125 ms = 32 时隙 = 2.048 Mbps
帧同步
信令
30 路话音数据(PCM数据) + 2 路控制
用户话路
用户话路
E1线路也可以用于计算机通信
2.6 数据交换技术
什么是交换？
交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源
例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。
为什么要采用交换技术？
节省线路投资，提高线路利用率
实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换
通信线路中的交换技术
B
D
C
A
E
F
电路交换
交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。
特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。——称为“面向连接的”
过程：建立连接→通信→释放连接
优缺点：
建立连接的时间长；
一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；
无纠错机制；
建立连接后，传输延迟小。
不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。
报文交换
整个报文(Message)作为一个整体一起发送。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。
传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。——称为“无连接的”
缺点：
报文大小不一，造成存储管理复杂。
大报文造成存储转发的延时过长；
出错后整个报文全部重发。
分组交换（包交换）
将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。
数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也是“无连接的”
有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。
优点：
对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组——速度快；
转发延时小——适用于交互式通信；
某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高；
各分组可通过不同路径传输，容错性好。
三种交换方式的事件顺序
报文
A
B
C
D
排队延迟
报文交换
呼叫请求
呼叫应答
数据
A
B
C
D
寻路延迟
线路交换
分组1
分组2
分组3
A
B
C
D
分组交换
分组4
t
异步传输模式ATM简介
ATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元(Cell)为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。
ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前加上地址、优先级等控制信息构成信元。
信元由5字节的信元头部和48字节的有效载荷构成：
信元头部 有效载荷
5Byte 48Byte
信元
在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可把信息插入到信元中发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。实际上就是统计时分复用。
ATM特点：
面向连接 (虚连接)，按序递交；
固定大小的信元，便于高速处理 (可用硬件实现)，传输速率≥622Mbit/s；
可以实时地传送语音和活动图像。
1
2
3
4
5
6
数据块
信元流
2.7 差错控制
与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。
产生差错的原因：
信号衰减和热噪声
信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；
信号反射，串扰；
冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。
差错控制的基本方法是：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。
差错检测主要有两种方法：
奇偶校验（Parity Checking）
在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。
例如1100010增加偶校验位后为11100010
若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。
只能用于面向字符的通信协议中。
只能检测出奇数个比特位错。
循环冗余校验 (CRC, Cyclic Redundancy Check)
差错检测原理：
将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。
校验和是16位或32位的位串。
CRC校验的关键是如何计算校验和。
差错控制技术
自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ)
停等 ARQ
Go-back-N ARQ
选择重传 ARQ
本章小结
信道 （数字/模拟信号，数字模拟信道，调制/编码，带宽，最大传输能力，数字通信基本过程）
传输媒体（有线/无线，基带/宽带）
编码（移频调制，脉码调制-PCM，频带调制，数字编码）
多路复用（FDM, TDM, WDM）
数据交换技术(线路交换，报文交换，分组交换)
差错控制（差错检测，差错控制）