数据通信的基础知识.docx

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数据通信的基础知识

1.简述数据通信系统的主要构成。

答：

数据通信系统的基本构成，包传输介质、传输设备（多路复用器、交换机）等及数据处理系统。

2.什么叫码元速率？

什么叫信息速率？

两者有何关系？

答：

码元速率（RB）：

又称为信号速率，它指每秒传送的码元数，单位为“波特”（Baud），也称波特率。

信息速率（Rb）：

指每秒传送的信息量。

单位为“bit/s”。

对M进制信号，信息速率和码元速率两者的关系是：

          Rh=RBlog2M

3.说明模拟通信系统与数字通信系统的区别。

4.在带宽为10MHz的信道上，如果使用4个电平的数字信号，每秒钟能发送多少比特？

答：

   10×log24＝20M（bps）

5.一个数字信号通过信噪比为20db的3kHz信道传送，其数据速率不会超过多少？

答：

根据香农定理：

最大数据传输率=3×log2（1+20）≈4.39（Kbps）

6.信道的通信方式有哪几种？

在实际的网络中最常使用哪种方式？

为什么?

答：

信道的通信方式主要有单工通信、半双工通信以及全双工通信。

在实际的网络中最常使用半双工方式。

性价比最高。

7.什么叫自同步法？

自同步编码有什么特点？

答：

自同步法是从数据信息波形的本身提取同步信号的方法。

自同步编码要求在编码器进行编码信号传输系统中，从编码信号码元中提取同步信号。

相位编码（或称相位调制）的脉冲信号以调相方法进行传输就是一例。

8.通过比较说明双绞线、同轴电缆与光纤三种常用传输介质的特点。

答：

参加表2－1。

9.无线介质与有线介质相比有何特点，在选择传输介质时应考虑哪些问题？

答：

无线介质与有线介质相比最大的优势在于无需布线，适合于复杂的传输环境。

   选择传输介质时应重点考虑满足建网要求，包括：

传输容量，传输效率，安全性，可靠性，价格，网络的扩展要求等。

10.数字数据的数字编码与模拟数据的数字编码有何区别？

11.给出比特流011000101111的曼彻斯特码波形图，以及差分曼彻斯特码波形图。

12.为何要采用多路复用？

多路复用有哪几种形式，各有何特点？

答：

复用的基本思想是把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。

多路复用主要有以下几种形式：

1）频分多路复用

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。

2）时分多路复用

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。

在通信网络中应用极为广泛。

3）波分多路复用

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。

4）码分多路复用

每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。

不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。

由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。

1、数据通信的基本概念（25分钟）

数据通信的三个基本概念（信息、数据与信号）

数据通信系统的基本结构（信源、信宿和信道，分为数字通信系统和模拟通信系统）

通信信道的分类（有线与无线、模拟与数字、公用与专用）

数据通信的技术指标（数据通信速率、误码率和误比特率、信道带宽和信道容量）

2、数据的通信方式（20分钟）

串/并行通信（见图2-6和2-7）

通信电路的连接方式（电到点：

图2-8、点到多点：

图2-9）

信道的通信方式（单工：

图2-10、半双工：

图2-11、全双工：

图2-12）

信号的传输方式（基带、频带、宽带）

3、数据的编码和调制方式（20分钟）

◆幅移键控（ASK,AmplitudeShiftKeying）

◆频移键控（FSK,FrequencyShiftKeying）

◆相移键控（PSK,PhaseShiftKeying）

◆不归零编码（NRZ,Non－ReturntoZero）

◆曼彻斯特编码（Manchester）

◆差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）

4、数据交换、信道服用技术（15分钟）

◆电路交换

◆存储转发交换

◆存储转发技术

◆频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）

◆时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）

◆波分复用（Wave－lengthDivisionMultiplexing，WDM）

◆码分复用

5、传输介质、差错控制技术（10分钟）

◆同轴电缆

◆非屏蔽双绞线（UTP）

◆屏蔽双绞线（STP）

◆光缆

◆无线电

【课时安排】

理论课时：

2课时

2.1数据通信的基本概念

引言：

通过日常生活中的信息交换引入数据通信的相关基本概念。

通信的目的是什么？

如何实现相互通信？

2.1.1信息、数据与信号

通信的目的是为了交换信息（Information）。

信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等多种媒体。

计算机产生的信息是什么形式的呢？

计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。

计算机之间信息的传输是通过二进制代码来实现的。

被传输的二进制代码称为数据（Data）。

信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。

电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号（AnalogSignal）。

模拟信号的电平是连续变化的，其波形如图2-1所示。

计算机中所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号（DigitalSignal）。

数字信号的波形如下图所示。

按照在传输介质上传输的信号类型，可以将通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。

图2-1模拟信号与数字信号

模拟信号是一种波形连续变换的电信号，它的取值可以是无限个，比如语音信号；而数字信号是一种离散信号，它的取值是有限的。

2.1.2数据通信系统的基本结构

数据通信系统的基本结构可以用一个简单的通信模型来表示。

产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。

信源与信宿通过通信线路进行通信。

在数据通信系统中，也将通信线路称为信道，如图2-2所示。

图2-2通信系统的简单模型

1、模拟通信系统

普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统，模拟通信系统的结构模型如下图所示。

模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。

信源所产生的原始模拟信号一般都要经过调制后再通过信道传输。

到达信道后，再通过解调器将信号解调出来。

如图2-3所示。

2、数字通信系统

计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统，数字通信系统的结构模型如图2-4所示。

数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码、信源译码器、信宿、噪声源组成。

在发送端和接收端还要时钟同步系统。

图2-4数字通信系统的结构模型

2.1.3通信信道的分类

1、有线信道与无线信道

信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信道与无线信道两种。

2、模拟信道与数字信道

按传输信道的类型分类，信道可以分为模拟信道和数字信道两类。

3、专用信道和公用信道

信道按使用方式可以分为专用信道和公用信道

2.1.4数据通信的技术指标

1.数据通信速率（传输速率）

传输速率是指数据在信道中传输的速度。

它分为两种：

码元速率和信息速率。

码元速率RB：

每秒钟传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率。

信息速率Rb：

每秒钟传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率。

信息速率和码元速率之间的关系是：

Rb＝RBlog2M

2.误码率和误比特率

误码率是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。

在二进制传输中，误码率也称为误比特率。

3.信道带宽与信道容量

信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。

信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。

信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特每秒（bit/s）表示。

信道容量和信道带宽具有正比的关系

2.2数据的通信方式

引言：

通过现实生活中的通信方式引入计算机网络是如何通信的。

计算机之间如何实现通信

实现通信有哪几种方式

2.2.1串/并行通信

什么是终端？

终端的特点是什么？

具有通信功能的面向终端的计算机系统，如图1-4（a）所示，或以单台计算机为中心的远程联机系统，如图1-4（b）所示，被称为第一代计算机网络——面向终端的计算机通信网络。

图1-4面向终端的计算机通信网络

以SAGE为例进一步说明。

强调：

面向终端的计算机通信网并不是真正意义上的计算机网络

2.2.2通信电路的连接方式

1.点对点的线路连接

点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路和交换线路，如下图所示。

图2-8点到点的线路连接

2.多点线路连接

多点线路连接是指各个站点通过一条公用通信线路连接，如图2-9所示。

 图2-9多点线路的连接方式

2.2.3信道的通信方式

按照信号传送方向与时间的关系，信道的通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种。

1.单工通信

单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，而接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向，如图2-10所示。

例如，无线电广播和电视都属于单工通信。

图2-10单工通信

2.半双工通信

半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，如图2-11所示。

例如，公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。

图2-11半双工通信

3.全双工通信

全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如图2-12所示。

例如，电话机通话。

图2-12全双工通信

2.2.4信号的传输方式

1.基带传输

就数字信号而言，它是一个离散的矩型波，“0”代表低电平，“1”代表高电平。

这种矩形波固有的频带称为基带，矩形波信号称为基带信号。

2.频带传输

所谓频带传输，在发送端就是将数字信号调制成音频信号后再进行发送和传输，当音频信号到达接收端时，再把音频信号解调成原来的数字信号。

3.宽带传输

宽带传输系统实现声音、文字和图像的一体化传输，这也就是通常所说的“三网合一”，三网是指语音网、数据网和电视网。

通过三种传输方式的特点比较优劣。

2.3数据传输的同步方式

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。

2.同步方式

通常，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。

在同步字符或字节之后，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，如图所示。

2.4.1数字数据的调制

典型的模拟通信信道是电话通信信道。

它是当前世界上覆盖面最广、应用最普遍的通信信道之一。

传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。

为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。

调制：

在发送端将数字数据信号变换成模拟信号的过程称为调制（Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator）.

解调：

在接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demodulation）,解调设备就称为解调器（Demodulator）.

若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要一个同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem），这一过程如图所示。

由于模拟信号是具有一定频率的连续的载波波形，可以用Acos（2πft＋φ）表示，其中A表示波形的幅度，f代表波形的频率，φ代表波形的相位。

因此，根据这三个不同参数的变化，就可以表示特定的数字信号0或1，实现调制的过程。

对数字数据调制的基本方法有：

幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）三种。

1.幅移键控（ASK,AmplitudeShiftKeying）

ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”、“0”的，以载波幅度A1表示数字信号“1”，用载波幅度A2表示数字信号“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和φ恒定。

2.频移键控（FSK,FrequencyShiftKeying）

FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字信号“1”、“0”的，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。

3.相移键控（PSK,PhaseShiftKeying）

PSK是通过改变载波信号的相位值（φ）来表示数字信号“1”、“0”的，而载波信号的A和f不变。

PSK包括绝对调相和相对调相两种类型：

（1）绝对调相

绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，φ为π表示数字信号“0”。

（2）相对调相

相对调相使用相位的偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。

下图中，显示了对数字数据“010110”进行不同调制方法的波形。

2.4.2　数字数据的编码

利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法，称作数字信号的基带传输。

而数字数据在传输之前需要进行数字编码。

在数字基带传输中，数据信号的编码方式主要有：

不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码三种。

1.不归零编码（NRZ,Non－ReturntoZero）

NRZ编码可以用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。

NRZ编码的缺点是发送方和接收方不能保持同步，需采用其他方法才能保持收发同步。

2.曼彻斯特编码（Manchester）

曼彻斯特编码的原则是：

前T/2取反码，后T/2取原码。

曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步。

3.差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）

差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。

其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收、发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，必须要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。

数字数据011101001的3种编码方式，它的编码波形如图所示。

2.4.3　模拟数据的调制

在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换形成电信号。

比如，人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号，这也是模拟数据的基带信号。

一般来说，模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。

2.4.4　模拟数据的编码

脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM）是模拟数据数字化的主要方法。

由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此，在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信息必须数字化才能经计算机处理

PCM技术的典型应用是语音数字化。

语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是在网络中将语音与计算机产生的数字、文字、图形、图像同时传输，就必须首先将语音信号数字化。

脉冲编码调制的工作过程包括3部分：

抽样、量化和编码。

1.抽样

模拟信号是电平连续变化的信号。

每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值作为样本表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。

抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据，如果以等于或高于通信信道带宽两倍的速率定时对信号进行抽样，就可以恢复原模拟信号的所有信息。

对于电话通信系统，因为电话线路的传输带宽不超过4000Hz，所以抽样频率为8000次/s。

2.量化

量化是将取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化级值，根据量化之前规定好的量化级，将抽样所得样本的幅值比较，取整定级。

量化级可以分为8级、16级或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。

3.编码

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16个量化级，就需要使用4个比特进行编码。

经过编码后，每个样本都使用相应的编码脉冲表示。

PCM用于数字化语音系统，它将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率为8000次/s，因此，一路话音的数据传输速率为:

8×8000bit/s＝64Kbit/s。

2.5数据交换技术

交换又称转换，数据交换技术在交换通信网中实现数据传输是必不可少的。

数据通过通信子网的交换方式可以分为电路交换和存储交换两大类。

常用的交换技术有：

线路交换、报文交换和分组交换（包交换）三种。

2.5.1电路交换

电路交换（CircuitSwitching），也称为线路交换，它是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。

目前，公用电话交换网广泛使用的交换方式是电路交换，经由电路交换的通信包括：

电路建立、数据传输和电路拆除三个阶段，如下图所示。

2.5.2　存储转发技术

存储转发交换（StoreandForwardSwitching）方式又可以分为报文存储转发交换与报文分组存储转发交换两种方式。

其中，报文分组存储转发交换方式又可以分为数据报与虚电路方式。

1.报文交换（MessageSwitching）

对较为连续的数据流（如话音），电路交换是一种易于使用的技术。

对于数字数据通信，广泛使用的是报文交换技术。

在报文交换网中，网络节点通常为一台专用计算机，备有足够的外存，以便在报文进入时进行缓冲存储。

节点接收一个报文之后，报文暂时存放在节点的存储设备之中，等输出电路空闲时，再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端为止。

报文交换的特点如下：

◆源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通道。

◆与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延。

◆电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据。

◆要求节点具备足够地报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当。

◆数据传输地可靠性高，每个节点在存储转发中都进行差错控制，即检错和纠错。

由于采用了对完整报文地存储/转发，而节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信，如电话通信。

由于每个节点都要把报文完整的接收、存储、检错、纠错、转发，产生了节点延迟，并且报文交换对报文长度没有限制，报文可以很长，专用就有可能使报文长时间占用某两节点之间地链路，不利于实时交互通信。

分组交换即所谓的包交换正是针对报文交换的缺点而提出的一种改进方式。

2.分组交换（PacketSwitching）

交换网可采用两种方式：

数据报文分组交换或虚电路分组交换。

数据报文分组交换

数据报分组交换的特点如下：

◆同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网。

◆同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象。

◆每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址。

◆使用数据报文方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，但不适用于长报文、会话式通信。

（2）虚电路分组交换

虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不需要在发送和接收数据时清除连接。

虚电路分组交换的特点如下：

◆虚电路无专用电路，而是选定了特定路径进行传输，报文分组所途径的所有节点都对这些分组进行存储/转发，而电路交换无此功能。

◆一次通信的所有报文分组都从这条逻辑连接的虚电路上通过。

因此，报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需要携带虚

电路标识号。

报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序的现象。

◆节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。

◆通信子网中的每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。

3．三种交换方式比较

2.6信道复用技术

通常采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条电路进行传输，即利用一个物理信道同时传输多个信号，如图所示。

2.6.1　频分多路复用

把电路或空间的频带资源分成多个频带，并将其分别配给多个用户，每个用户终端的数据通过分配给他的子通路传输。

2.6.2　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

1.同步时分复用

采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按按特定长度连续地划分成特定时间段，以固定的方式分配给各路数字信号。

2.异步时分复用

动态地按需分配时隙，以避免每个时间段中出现空闲时隙

2.6.3波分多路复用

即光的频分复用

2.6.4　码分多路复用

码分多路复用又称为码分多址（CDMA,CodingDivisionMultiplexingAccess）。

它也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。

码分复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。

2.7传输介质

2.7.1双绞线

（1）非屏蔽双绞线

优点：

◆尺寸小、重量轻、容易弯曲

◆价格便宜

◆容易安装和维护

◆RJ-45连接器牢固、可靠

缺点：

◆抗干扰能力较弱

◆传输距离比较短

◆UTP分为：

3类线、4类线、5类线和超5类线

◆UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线

（2）屏蔽双绞线

优点：

◆传输质量较高

◆电缆尺寸和重量与UTP相当

缺点：

◆安装不合适有可能引入外界干扰

2.7.2同轴电缆

同轴电缆的特点

1.优点

传输距离较远，覆盖的地域范围较大

技术非常成熟

2.缺点

电缆硬，折曲困难，重量重

3.局域网常用同轴电缆

粗同轴电缆：

特征阻抗50Ω，直径1cm

细同轴电缆：

特征阻抗50Ω，直径0.5cm

4.同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线

2.7.3光缆