1、第2章 数据通信基础 【本章内容简介】数据通信是计算机网络的基础知识。本章系统的介绍数据通信的基本概念、数据编码与传输技术、通信的传输介质及特性以及数据交换技术、多路复用技术、数据压缩技术以及差错控制技术。【本章重点难点】重点掌握数据通信系统的概念及模型，数据编码及传输技术的类型以及数据交换技术。2.1数据通信系统数据通信系统 2.1.1概念与模型 1通信系统模型 有效而可靠地传递信息是所有通信系统的基本任务。实际应用中存在各种类型的通信系统，它们在具体的功能和结构上各不相同，点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，其模型如图2-1所示。图2-1通信系统的模型 2.1.1概念与模型 2数据
2、通信系统模型 数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。从计算机网络的角度看，数据通信系统是把数据源计算机所产生的数据迅速、可靠、准确地传输到数据宿（目的）计算机或专用外设。图2-2数据通信系统模型2.1.2数据通信方式 1按照数字信号排列顺序分类 数据在信道上传输有两种基本的通信方式一种是串行通信，另一种是并行通信，如图2-3所示。图2-3串行、并行通信方式2.1.2数据通信方式 2按照消息传递的方向与时间的关系分类 数据数据发 端收 端发 端收 端发 端发 端收 端收 端发 端收 端（a）全双工通信（b）半双工通信（c）
3、单工通信 2.1.3数据通信系统的主要技术指标 1数据传输速率 (1)波特率RB也称调制速率，以波形每秒的振荡数来衡量。如果数据不压缩，波特率等于每秒钟传输的数据位数，如果数据进行了压缩，那么每秒钟传输的数据位数通常大于调制速率。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，单位时间内通过信道传输的码元数目称为码元传输速率，简称波特率。单位是“波特”(Baud)，记为B。波特率与码元长度有关：（2-1）)(1BTsRB2.1.3数据通信系统的主要技术指标 (2)比特率Rb比特率又称为信息传输速率。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数。比特率单位是比特/秒，记为bit/s、b/s或bps。
4、每个码元或符号都含有一定bit的信息量，因此比特率和波特率之间有确定的关系：（2-2）)/(sbHRRBb2.1数据通信系统数据通信系统 【例2-1】设某信息源以每秒2000个符号的速率发送信息，信息源由A,B,C,D,E五个信息符号组成，发送A的概率为1/2，发送其他符号的概率相同，设每一个符号出现是相互独立的。求信息源的比特率？解：每秒发送2000个符号，说明波特率RB=2000B。由已知条件得 则每一个符号的信息源的熵则信源的比特率为 81)()()()(,21)(54321xpxpxpxpxp符号/2log814log21log)()(812212)(2bitxpxHixpisbitH
5、RRBb/4000220002.1.3数据通信系统的主要技术指标 2差错率 （l）码元差错率Pe 简称误码率，是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，也就是码元在传输系统中被传错的概率。误码率是最常用的数据通信传输质量指标，它表示数字系统传输中是“在多少位数据中出现一位差错”。码元差错率用表达式可表示成：（2-3）传输总码元数错误码元数ep2.1.3数据通信系统的主要技术指标 （2）信息差错率Pb 简称误信率，是指发生差错的信息量在信息传输总量中所占的比例，在二进制传输中，码元差错率即是比特差错率，即Pe=Pb，而在多进制传输中可由码元差错率求出比特差错率。信息差错率用表达式可表示成：
6、(2-4)传输总比特数错误比特数bp2.1.3数据通信系统的主要技术指标 3.信道容量 信道中平均每个符号所能传送的信息量为信息传输速率，如果对于一个固定信道，总存在一种信源，使传输的每个符号平均获得的信息量最大，这就是最大的信息传输速率，这个最大的信息传输速率就是信道容量。单位为bit/s，代表每秒能传送的最大信息量，凡是小于这个信息量的数据必能在此信道中无错误地传输。因此，信道容量是衡量信道传输数据能力的极限值。2.1数据通信系统数据通信系统【例2-2】音频电话连接支持的带宽B=3KHz，而一般链路典型的信噪比是30dB，求电话线的数据传输速率即信道容量。解：信噪比30dB，即S/N=10
7、00 ，所以电话线的信道容量为30kbps，kbpsBCNS30log3000log)10001(2)1(22.1.3数据通信系统的主要技术指标 4.带宽（Bandwidth）带宽从通信线路所能传送数据的能力角度出发指的是数据传输率，譬如内存带宽、总线带宽、网络带宽等等，都是以“字节/秒”为单位。以计算机系统中总线为例，总线的作用就是承担所有数据传输的职责，各个子系统间都必须籍由总线才能通信。2.2 数据编码与数据传输数据编码与数据传输2.2.1数字数据的数字传输1单极性归零码2单极性不归零码3双极性归零码4双极性不归零码5曼彻斯特码6差分曼彻斯特码2.2.2模拟数据的数字传输图2-12模拟信
8、号的数字传输 模拟信号数字化过程主要包括三个步骤：抽样、量化、编码，如图2-12所示。2.2 数据编码与数据传输数据编码与数据传输 【例2-3】一路电话信号的频带为3003400Hz，则抽样频率应该是什么样的范围？解：由题意得fH=3400Hz，因为电话信号属于低通信号，故用低通抽样定理满足要求，即fS2fH=23400=6800Hz，所以按照6800Hz的抽样频率对3003400Hz的电话信号抽样，则可以不失真地还原成原来的话音信号。2.2.3数字数据的模拟传输1振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）2移频键控（frequency-shift keying，FSK）
9、3移相键控（phase-shift keying，PSK）2.2.4数据同步与异步传输1异步传输（Asynchronous Transmission）2同步传输（Synchronous Transmission）2.3传输介质及特性传输介质及特性2.3.1 有线传输介质双绞线（Twisted Pair）（1）屏蔽双绞线 （2）非屏蔽双绞线2.3传输介质及特性传输介质及特性2.3.1 有线传输介质同轴电缆（Coaxial Cable）内导体 绝缘材料 外导体 绝缘套2.3传输介质及特性传输介质及特性2.3.1 有线传输介质光纤（Fiber Optical Cable）2.3.2 无线传输介质1微
10、波通信（1）地面微波（2）卫星微波2红外通信3激光通信 2.4数据交换技术数据交换技术2.4.1电路交换 电路交换是源于传统的电话交换原理发展而成的一种交换方式，它的基本处理过程包括呼叫建立、通话（信息传送）、连接释放三个阶段。图2-24 电路交换2.4.2报文交换 报文交换是以报文为数据交换的单位，报文中含有目标节点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。报文交换的一般信息格式如图2-25所示。图2-25 报文交换的信息格式2.4.3分组交换 报文分组交换是报文交换的一种改进，它采用了较短的格式化的信息单位，称为报文分组，将报文分成若干个分组，每个分组规定了最大长度，有限长度的分组使得
11、每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。报文分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种，它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。图2-26 虚电路分组交换图2-27 数据报分组交换2.4.4 其它数据交换技术1ATM交换技术2光交换3多协议标记交换4软交换2.5多路复用技术多路复用技术2.5.1频分多路复用 频分多路复用是指将几路基带信号以不同的载波频率进行调制，再进行叠加形成一个复合信号在一条物理信道上传输的方法称为频分多路复用。图2-29 频分多路复用方式2.5.2时分多路复用 时分多路复用是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整
12、个传输时间分为许多时隙，每个时间片被一路信号占用。图2-30 时分多路复用2.5.3码分多路复用 码分多路复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线接入和有线接入。图2-31 CDMA示意图 2.5.4波分多路复用 波分多路复用与频分复用技术类似，将光纤信道划分为多个波段，在同一时刻进行多路传送的复用技术。图2-32 光纤获得波分多路复用 2.6.1音频压缩技术 音频压缩技术是指对原始音频信号流运用适当的数字信号处理技术，在不损失有用信息量，或者损失可忽略的条件下，压缩其码率，也称为压缩编码。它具有相应的逆变换，称为解压缩或解码。通常
13、把信息速率低于64kb/s的语音编码方法称为语音压缩编码技术。2.6数据压缩技术数据压缩技术2.6.2视频压缩技术 视频信号数字化后数据量大，这对于视频信号的传输、存储等处理带来很大困难。视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息，压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉，采用压缩技术以后通常数据带宽会下降，这样就可以将视频信号保存在计算机中并作相应的处理。2.7差错控制技术差错控制技术2.7.1差错产生原因 数字通信系统的基本任务是高效率而无差错的传送数据，与其它类型的通信相比，数据信息对差错控制的要求较高，但在任何一种通信线路上都不可避免地存在一定程度的噪声，将会使接收端的二进制位和发
14、送端实际发送的二进制位不一致，造成信号传输差错。2.7.2差错控制方法 利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有三类，一类是自动请求重发（Automatic Repeat reQuest，ARQ），另一类是前向纠错（Forward Error Correction，FEC）。两类基础上又派生出一种纠错方法称为“混合纠错”(Hybrid Error Corrcetion，HEC)。2.7.3差错控制编码 错控制编码也称纠错编码，通过编码来实现对传输中出现的错误进行检测或纠正的方法称为差错控制编码。【例2-3】对二进制比特序列1101、1011、0101进行纵向奇校验，求校验码。解：r1=1101=1 r2=1011=1 r3=0101=0 r4=1111=0故校验码为1100
