2.1 揭开通信面纱——数据通信基础（课件） -《计算机网络应用基础》同步教学（航空工业出版社）

《计算机网络应用基础》（航空工业出版社） 同步教学 揭开通信面纱——数据通信基础 华山亮剑——数据传输技术 万丈高楼平地起——传输介质 神龙见首不见尾——数据交换 第2章 网络的任督二脉 ——数据通信与网络体系结构 一个都不能错——差错控制技术 没有规矩不成方圆——网络体系结构 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 2.1.1 数据通信的基本概念 1．信息 计算机网络通信的目的是为了交换信息。信息（Information）是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像及动画等。 2．数据 数据（Data）是信息的载体与表示方式。数据可分为模拟数据和数字数据两大类。模拟数据是指在某个区间连续变化的物理量，如电话中的声音。数字数据是指离散的不连续的量，它是由模拟数据经过量化后得到的离散的值，如在计算机系统中用二进制0、1表示的文字、图形、声音、图像及动画等数据。 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 3．信号 信号（Signal）是数据在传输过程中的电磁波表示形式。信号分为模拟信号和数字信号两种类型。随时间连续变化的信号叫模拟信号，如声音大小和温度高低；随时间离散变化的信号是数字信号，如计算机内部处理的信号都是数字信号，如图2-1所示。 （a）模似信号 （b）数字信号 图2-1 模拟信号和数字信号 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 2.1.2 数据通信系统的组成 发送方将要发送的数据转换成信号，并通过物理信道传送到数据接收方的过程称为数据通信。目前，可以找到许多数据通信的例子，如电视广播系统和计算机网络等。无论基于这些系统的应用形式有何不同，在系统的主要构成上都具有共性，即任何一个数据通信系统都由信源、信宿和信道三部分组成，并且在信道上存在不可忽略的噪声影响，如图2-2所示。 图2-2 通信系统基本组成 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 1．信源和信宿 信源是信息的发送端；信宿是信息的接收端。在计算机网络中，数据通常都是双向传输的，信源也同时作为信宿，一般是计算机或其他设备。 2．信道 信道是传输信息的通道，由通信线路及通信设备组成。从形式上看，信道主要有有线信道和无线信道两类；根据传输的信号的不同，信道又可分为模拟信道和数字信道两类。 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 3．变换器和反变换器 信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号，根据不同的信源和信道信号，变换器有不同组成和变换功能。 发送端的变换器可以是编码器或者是调制器，接收端的反变换器相对应的就是译码器或者是解调器。编码器的功能是把输入的二进制数字序列作相应的处理，变换成适合在信道上传输的信号；译码器是在接收端完成编码的反过程。 调制器是把信源或编码器输出的二进制信号变换成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输；解调器的作用是反调制，即把接收端接收的模拟信号还原为二进制数字信号。 由于网络中绝大多数信息都是双向传输，在大多数情况下，信源也同时作为信宿；编码器与译码器合并，通称为编码译码器；调制器与解调器合并，通称为调制解调器。 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 调制与解调 普通电话线是针对语音通话而设计的模拟信道，主要适用于模拟信号的传输。如果要在模拟信道上传输数字信号，就必须在信道两端分别安装调制解调器（Modem），用数字脉冲信号对模拟信号进行调制和解调。在发送端，将数字脉冲信号转换成能在模拟信道上传输的模拟信号，此过程称为调制（Modulate）；在接收端，再将模拟信号还原成数字脉冲信号，这个反过程称为解调（Demodulate）。把这两种功能结合在一起的设备称为调制解调器。 4．噪声源 通信系统中不能忽略噪声的影响，通信系统的噪声可能来自于各个部分，包括发送或接收信息的周围环境、各种设备的电子器件，信道外部的电磁场干扰等。 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 2.1.3 模拟通信与数字通信 根据信道中传送信号的类型，可将通信分为模拟通信系统和数字通信系统两类。前者在信道中传送模拟信号，而后者在信道中传送数字信号。 模拟信号在传输过程中会衰减，还会受到噪声干扰。克服衰减的办法是在模拟传输系统中使用放大器将信号放大。但干扰信号也随之放大，尤其是远距离传输时，经多次放大后会存在累积误差，严重时会造成传输错误。 数字信号在传输过程中即使受到噪声的干扰，只要不影响“0”和“1”的判断，就可以用信号再生的方法进行恢复。当传输距离远时，可用中继器把信号再生后再传输，不会产生累积误差，对某些数码的差错也可以用差错控制技术加以恢复，所以传输质量较高。 模拟数据可以用数字信号表示和传输，这时需要有一个将模拟信号转换为数字信号的变换器。同样，数字数据也可以通过一个变换器用模拟信号来表示和传输。 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 例如，图2-3（a）的信号变换器是个编码器，其作用是数字数据的数字信号编码。 图2-3（b）的信号变换器是个模拟/数字转换器，其作用是模拟数据的数字信号编码。 图2-3（c）的信号变换器的作用是数字数据的模拟信号编码，具体转换可由调制解调技术完成。 图2-3 数字通信与模拟通信 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 2.1.4 数据通信的技术指标 ① 信道带宽：信道可以不失真地传输信号的频率范围。为不同应用而设计的传输媒体具有不同的信道质量，所支持的带宽有所不同。 ② 信道容量：信道在单位时间内可以传输的最大信号量，表示信道的传输能力。 ③ 数据传输速率（bps）：也称位速率、比特率，指信道在单位时间内可以传输数据的最大比特数。信道容量和信道带宽具有正比的关系：带宽越大，容量越大。 局域网带宽（传输速率）一般为10Mbps、100Mbps、1000Mbps等，而广域网带宽（传输速率）一般为64Kbps、2Mbps、155Mbps、2.5Gbps等。 ④ 差错率/误码率：描述信道或者数据通信系统（网络）质量的一个指标。是指数据传输系统正常工作状态下信道上传输比特总数与其中出错比特数的比值。 差错率/误码率 = 出错比特数/传输总比特数 信道的差错率与信号的传输速率或者传输距离成正比，网络的差错率则主要取决于信源至信宿之间的信道的质量，差错率越高表示信道的质量越差。 2.1 揭开通信面纱——数据通信基础 ⑤ 调制速率：又叫波特率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒传输的电信号单元（码元）数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数。 在计算机科学中，bit是表示信息的最小单位，叫做二进制位，一般用0和1表示。Byte叫做字节，一个字节由8个位（8bit）组成，用于表示计算机中的一个字符。bit与Byte之间可以进行换算，其换算关系为：1Byte=8bit（或简写为：1B=8b）。在实际应用中一般用简称，即1bit简写为1b（注意：是小写英文字母b），1Byte简写为B（注意：是大写英文字母B）。 在计算机网络或者是网络运营商中，一般情况下，带宽速率的单位用bps（或bit/s）表示。bps表示比特每秒即每秒钟传输多少位信息，是bit per second的缩写。我们通常所说的1M带宽的意思是1Mbps，是兆比特每秒（Mbps）不是兆字节每秒（MBps）。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2.2.1 基带传输和频带传输 根据数据在传输线上是原样不变地进行传输还是调制变样后进行传输，可以将数据传输分为基带传输和频带传输两种类型。 1．基带传输 基带传输是指数字数据以原来的“0”或“1”的形式原封不动地在信道上进行传输。基带是指电信号所固有的基本频带，在基带传输中，传输信号的带宽—般较高，普通的电话通信线路满足不了这个要求，需要根据传输信号的特性选择专用的传输线路。 基带传输是一种基本的数据传输方式，它适合传输各种速率的数据，且传输过程简单，设备投资少。但是，基带信号的能量在传输过程中很容易衰减，因此在没有信号再放大的情况下，基带信号的传输距离一般不会大于2.5 km。因此，基带传输较多地用于短距离的数据传输，如局域网中的数据传输。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2．频带传输 频带传输就是把二进制信号进行调制变换，变换成为能在公用电话网中传输的模拟信号，将模拟信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该模拟信号解调变换成原来的二进制信号。这种把数据信号经过调制后再传送，到接收端后又经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。 观察一下家庭安装的数字电视的机顶盒，结合之前学过的知识分析其工作情况。如果说，真正的“数字电视”应当从节目的录制、编辑、播放、收视等都是“数字化信号”。那么现在的数字电视是真正的“数字电视”吗？为什么？ 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2.2.2 数据编码与调制 数据编码与调制的目的是为了使信号能与所用的信道传输特性相匹配，以达到最有效、最可靠的传输效果。 如前所述，数字数据可以用数字信号传输，也可以用模拟信号传输，同样，模拟数据可以用模拟信号传输，也可以用数字信号传输。4种方式所对应的4种数据信息编码为：数字数据的数字信号编码，模拟数据的数字信号编码，模拟数据的模拟信号调制，数字数据的模拟信号调制。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 1．数字数据的数字信号编码 数字数据在数字信道上进行传输，最普遍的办法是用两个电压电平来表示二进制数字，如电压的有无、电压的高低、电压的跳变等表示1、0。表2-1给出了常用数字信号编码。 表2-1 常用数字数据的通信编码 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2．数字数据的模拟信号调制 将计算机通过调制解调器接入电话网进行通信（如ADSL上网方式）是利用模拟信号传输数字数据的典型情况。 为了将二进制数据转换为适合模拟信道传输的模拟信号，需要选取某一频率范围的正弦或余弦信号作为载波，然后将要传送的数字数据“寄载”在载波上，利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，使载波特性发生变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。具体分图2-4所示的3种情况。 图2-4 数字数据的模拟信号编码 2.2 华山亮剑——数据传输技术 调幅：按照数字信号的值改变载波的幅度，如图2-4（a）所示。当载波存在（具有一定的幅度），表示数字信号的“1”；而载波不存在（幅度为0），则表示数字数据信号的“0”。这种调幅技术称为幅移键控ASK（Amplitude-Shift Keying）。 调频：按照数字数据信号的值去改变载波的频率，如图2-5（b）所示。当载波频率为高频时，表示数字数据信号的“1”，而载波频率为低频时，则表示数字数据信号的“0”。这种调频技术称为频移键控FSK（Frequency-Shift Keying）。 调相：按照数字数据信号的值去改变载波的相位，如图2-5（c）所示。当载波信号和前面的信号同相（即不产生相移）时，代表数字数据信号“0”，而载波信号和前面的信号反相（有180°相移）时，则代表数字数据信号“1”。这种调相技术称为相移键控PSK（Phase-Shift Keying）。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 3．模拟数据的数字信号编码 要实现模拟信号的数字化传输和交换，首先要在发送端把模拟信号变换成数字信号。模拟数据的数字信号编码常用的方法是脉冲编码调制（PCM），它一般包括取样、量化和编码3个过程。 取样：是指在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为从这一次取样到下一次取样之间该模拟数据的代表值。 量化：取样后的信号，其幅度的取值仍是无限多个，并且是连续的。将取样所得到的信号幅度分级取值，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值就是量化。 编码：编码就是把量化后取样点的幅值用二进制代码表示。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 1．并行传输 2.2.3 并行传输和串行传输 根据传输时需要的信道数，可将数据传输分为并行传输和串行传输两种方式。 并行传输是把数字信号中的多个比特（二进制位）以成组的方式在多个并行的信道上同时传输，通常以8个比特构成的一个字节为单位，一次传输8个比特，占用8条信道，如图2-5所示。 并行传输优点是数据传输速率高；缺点是数据传输占用的信道较多，费用较高，且并行线路之间也存在相互干扰，所以只能应用于短距离传输，如打印机与计算机之间的数据传输。 图2-5 并行传输 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2．串行传输 串行传输是把数字信号中的每个比特按顺序排列成串，形成比特流，逐位在信道上传送，如图2-6所示。 由于串行传输把组成每个字符的二进制位排列成位串，因此必须采用一种方法来区分每个字符由哪些二进制位组成，即每个字符的开始位置和结束位置在哪里，否则接收方无法分辨收到的信息含义。确定每个字符开始和结束的方法称为字符同步。 与并行传输相比，串行传输的优点是只需要一条信道，减少了设备成本，易于实现，缺点是传输效率低。 图2-6 串行传输 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2.2.4 单工、半双工和全双工通信 根据数据在线路上传输的方向和特点，可将通信划分为单工通信（Simpex）、半双工通信（Half—Duplex）和全双工通信（Fule—Duplex）三种方式，如图2-7所示。 图2-7 3种通信方式 2.2 华山亮剑——数据传输技术 （1）单工通信： 在单工通信中，数据只能向一个方向传输，即一方只能是发送方，另一方只能是接收方，如图2-7（a）所示。单工通信的例子有无线电广播和电视节目传送等。 （2）半双工通信： 在半双工通信系统中，每一方都可以接收和发送数据，但接收与发送不能同时进行，在某个时间内，数据只能在一个方向上传输，而另一时间内数据在相反的方向上传输，如图2-7（b）所示。半双工通信的例子有对讲机、计算机与终端之间的通信等。 （3）全双工通信： 全双工通信是指通信双方可以在两个方向上同时进行通信，如图2-5（c）所示。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2.2.5 异步传输与同步传输 在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方交换数据需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是让接收方按照发送方发送的每个码元、比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。 因此，实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一。通常使用的同步技术有两种：异步方式和同步方式。 2.2 华山亮剑——数据传输技术 1．异步方式 在异步传输方式中，每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用，如图2-8所示。 异步方式的实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。 图2-8 异步通信方式 2.2 华山亮剑——数据传输技术 2．同步方式 同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对于这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图2-9所示。 图2-9 同步通信方式 2.2 华山亮剑——数据传输技术 在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，如计算机之间的数据通信。 在同步通信中，要求收发双方之间的时钟严格同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据帧，只有保证了接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确地接收数据，这就要使用位同步的方法。对于位同步，可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟来保持双方同步（称为外同步法），也可以使用编码技术将时钟编码到数据中（称为自同步法），在接收端接收数据的同时就获取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率最高，使用最为广泛。 谢谢观看 信源 变换器 信道 反变换器 信宿 噪声源 发送端 接收端 $$